Министерство образования и науки Российской Федерации
федеральное государственное автономное образовательное учреждение
высшего образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Институт Физики Высоких Технологий
Направление подготовки 240100 Химическая технология
Кафедра Технологии Силикатов и Наноматериалов
БАКАЛАВРСКАЯ РАБОТА
| Тема работы |
| ИЗГОТОВЛЕНИЕ ВЫСОКОТЕПЛОПРОВОДНЫХ ИЗДЕЛИЙ ИЗ НИТРИДА АЛЮМИНИЯ |
УДК
Студент
| Группа | ФИО | Подпись | Дата |
| 4Г12 | Косолапов Артем Анатольевич |
Руководитель
| Должность | ФИО | Ученая степень, звание | Подпись | Дата |
| доцент | Дитц А.А | К.т.н |
КОНСУЛЬТАНТЫ:
По разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение»
| Должность | ФИО | Ученая степень, звание | Подпись | Дата |
| Доцент | Старикова Е.В. | к.ф.н. |
По разделу «Социальная ответственность»
| Должность | ФИО | Ученая степень, звание | Подпись | Дата |
| Ассистент | Кырмакова О.С. |
ДОПУСТИТЬ К ЗАЩИТЕ:
| Зав. кафедрой | ФИО | Ученая степень, звание | Подпись | Дата |
| ТСН | Погребенков В.М. | д.т.н. |
Томск – 2017 г.
ПЛАНИРУЕМЫРЕЗУЛЬТАТЫОБУЧЕНИЯ
ПО ООП 240100 ХИМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ
| Код результата | Результат обучения |
| Профессиональные компетенции | |
| Р1 | Применять базовые и специальные, математические, естественнонаучные, социально-экономические и профессиональные знания в профессиональной деятельности |
| Р2 | Применять знания в области современных химических технологий для решения производственных задач |
| Р3 | Ставить и решатьзадачи производственного анализа, связанные с созданием и переработкой материалов с использованием моделирования объектов и процессов химической технологии |
| Р4 | Разрабатывать технологические процессы, проектироватьи использовать новое оборудование химической технологии |
| Р5 | Проводить теоретические и экспериментальные исследованияв области современных химических технологий |
| Р6 | Внедрять, эксплуатироватьи обслуживать современное высокотехнологичное оборудование, обеспечивать его высокую эффективность, соблюдать правила охраны здоровья и безопасности труда на химико-технологическом производстве, выполнять требования по защите окружающей среды. |
| Общекультурные компетенции | |
| Р7 | Демонстрировать знания социальных, этических и культурных аспектов профессиональной деятельности. |
| Р8 | Самостоятельно учитьсяи непрерывно повышать квалификациюв течение всего периода профессиональной деятельности. |
| Р9 | Активно владеть иностранным языкомна уровне, позволяющем разрабатывать документацию, презентовать результаты профессиональной деятельности. |
| Р10 | Эффективно работать индивидуально и в коллективе, демонстрировать ответственность за результаты работы и готовность следовать корпоративной культуре организации. |
Реферат
Ключевые слова: нитрид алюминия, оксид иттрия, гранулят, прессование, теплопроводность.
Данная работа посвящена получению высокотеплопроводной керамики на основе нитрида алюминия одноосным прессованием из гранулята и исследованию её основных физических свойств.
Объектом исследования является гранулят из нитрида алюминия, используемый для создания высокотеплопроводной керамики.
Цель работы – разработка состава и технологии получения керамики с высокой теплопроводностью на основе нитрида алюминия методом одноосного прессования из гранулята.
В работе представлены результаты исследований по разработке технологии получения гранулята и высокотеплопроводной керамики из порошка нитрида алюминия и спекающей добавки оксида иттрия. Предложена принципиальная схема получения гранулята на парафиновой связке. Исследованы его технологические свойства. Определено влияние параметров формования на свойства прессовок и спеченной керамики. Проведены исследования свойств полученной керамики, структуры методами XRD, SEM.
Керамические объемные изделия из нитрида алюминия широко применяются в силовой электротехнике, при изготовлении силовых модулей (IGBT, FRD и т. д.) как прижимной, так и паяной конструкции.
Степень внедрения результаты НИР, получен лабораторный образец гранулята и изделия из него методом прессования.
В будущем планируется постановка на производства разработанной технологии на базе ЗАО «НЭВЗ - Керамикс» в Новосибирске.
Определения
1. Прессование – процесс обработки материалов давлением, производимый с целью увеличения плотности, изменения формы, разделения фаз материала, для изменения механических или иных его свойств.
2. Брикетирование – это процесс сжатия под высоким давлением сырья какого – либо типа с целью образования брикетов.
3. Гранулирование – это совокупность физико-химических и физико-механических процессов, обеспечивающих формирование частиц определенных размеров, формы, структуры и физических свойств.
4. Удельная поверхность — усреднённая характеристика размеров внутренних полостей (каналов, пор) пористого тела или частиц раздробленной фазы дисперсной системы.
5. Гранулометрический состав – это характеристика распределения частиц порошка по размерам, которая показывает из частиц какого размера и в каких долях составлена данная партия порошка.
6. Пикнометрическая плотность – плотность частицы порошка, учитывающая наличие в частицах порошка примесей, закрытой пористости, дефектности кристаллической решетки и другие факторы.
7. Теплопроводность — это процесс переноса внутренней энергии от более нагретых частей тела (или тел) к менее нагретым частям (или телам), осуществляемый хаотически движущимися частицами тела (атомами, молекулами, электронами и т. п.).
Оглавление
Реферат. 3
Определения. 4
Введение. 7
Глава 1 Литературный обзор. 8
1.1 Нитрид алюминия. 8
1.1.1 Структура и физические свойства нитрида алюминия. 8
1.1.2 Химические и термические свойства нитрида алюминия. 9
1.1.3 Область применения нитрида алюминия. 10
1.2 Способы формования нитрида алюминия. 11
1.2.1 Литье из термопластичных шликеров. 11
1.2.2 Горячее прессование нитрида алюминия. 18
1.2.3 Одноосное прессование нитрида алюминия. 21
1.2.4 Литье пленки на основу нитрида алюминия. 27
Глава 2 методы исследования и материалы.. 29
2.1 Цели задачи. 29
2.2 Методы исследований. 29
2.2.1 Рентгенофазовый анализ (РФА). 29
2.2.2 Синхронный термический анализ (STA). 30
2.2.3 Растровая электронная микроскопия (SEM). 32
2.2.4 Гидростатическое взвешивания. 32
2.2.5 Определение насыпную плотность порошка и гранулята. 33
2.2.6 Определение сыпучести порошка и гранулята. 34
2.2.7 Истинная (пикнометрическая) плотность порошка. 35
2.2.8 Оптическая микроскопия. 35
2.3 Материалы.. 37
2.3.1 Порошок нитрида алюминия. 37
2.3.2 Порошок иттрия. 40
2.3.3 Поливинилбутираль. 42
2.3.4. Парафин/воск. 42
2.3.5. ПВА/ПВП.. 42
Должны быть данные РФА, гранулометрического состава, БЭТ, пикнометрическая плотность, насыпная плотность, наличие примесей. 42
Глава 3 экспериментальная часть. 43
Список литературы.. 47
Введение
Комплекс уникальных свойств, которыми обладает нитрид алюминия, в сочетании с не токсичностью и относительной дешевизной получения позволяет ему и материалам на его основе находить новые и расширять известные области применения. Нитридная керамика является высокоперспективным материалом для применения в различных областях от производства машин и инструмента до микроэлектроники. Керамика на основе нитрида алюминия призвана заменить керамику из оксида бериллия ВеО, поскольку исходные порошки ВеО крайне токсичны и оказывают вредное действие как на организм человека (канцерогенное действие), так и на окружающую среду. В настоящее время вся керамика с высокой теплопроводностью, как AlN, так и ВеО, поставляется в Россию только по импорту. Поэтому проблема получения высокотеплопроводной керамики на основе нитрида алюминия является актуальной и своевременной. К тому же, керамика из нитрида алюминия по коэффициенту теплового расширения ближе к кремнию и арсениду галлия, основа большинства кристаллов, применяемых в электронике, чем керамика из оксида бериллия [1].
Объект исследования – порошок нитрида алюминия для производства высокотеплопроводной керамики.
Предмет исследования – технология получения гранулята на основе порошка нитрида алюминия и высокотеплопроводной керамики методом прессования.
Керамика на основе нитрида алюминия (AlN) с высокой теплопроводностью предназначена для использования в электронике и электротехнике, в первую очередь, в качестве материала подложек мощных силовых и СВЧ полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров), микросхем, микросборок и многокристальных модулей, термомодулей и подложек мощных светодиодов, а также других компонентов и устройств, где требуются высокие диэлектрические характеристики, прочность и теплопроводность материала.
Глава 1 Литературный обзор
1.1 Нитрид алюминия
Нитрид алюминия обладает целым комплексом ценных свойств, которые могут быть востребованы в различных отраслях науки и техники.
Основные свойства:
- Хорошие диэлектрические свойства.
- Высокая теплопроводность.
- Низкий коэффициент теплового расширение, близкое по значению к оксиду кремния.
- Не реагирует с обычными химикатами и газами, используемыми в промышленности полупроводников
1.1.1 Структура и физические свойства нитрида алюминия
Нитрид алюминия – бесцветные кристаллы с гексагональной решеткой типа вюрцита, плотность 3,26 г/см3.
Нитрид алюминия – (главным образом) материал с ковалентными связями, имеющий гексагональную кристаллическую структуру, которая является аналогом структуры сульфида цинка, известной как вюрцит. Пространственная группа симметрии для этой структуры – P63mc.
Порошкообразный нитрид алюминия обычно бело-серого цвета, монокристаллы водянисто-белого цвета (прозрачны). Данные по температуре плавления нитрид алюминия весьма разноречивы (от 2000 до 25000С), что вполне обоснованно, так как нитрид алюминия разлагается на компоненты до достижения температуры плавления. Твердость по минералогической шкале Мооса определена также в широком интервале (от 5 до 9–10 единиц), твердость по Кнупу (микротвердость при нагрузке 100г) в среднем составляет около 1200 кг/мм2 [3]. Температурная зависимость электросопротивления типична для полупроводников и диэлектриков, рассчитанная ширина запрещенной зоны нитрида алюминия равна ∆E=4,26 эВ.
Физические свойства нитрида алюминия показывают, что нитрид алюминия является типичным диэлектриком с большой шириной запретной зоны, высоким электросопротивлением, доходящим до 1019 Ом·м. Ширина запрещенной зоны нитрида алюминия близка к зонам SiC и ZnO, имеющим сходную структуру и близкие значения показателей преломления (атомы Si могут замещать Al, а атомы С или О – атомы азота).
Тщательное исследование структуры нитрида алюминия показало, что структура нитрида алюминия отличается от идеальной структуры вюрцита, так как отношение с/а=1,600 вместо 1,633 и параметр U, определяющий расстояние Al–N вдоль тригональной оси, равен 0,385 вместо 0,375. Сжатие тетраэдра вдоль оси С в структуре нитрида алюминия приводит к некоторому искажению правильного тетраэдрического расположения связей Al–N. Увеличение значения параметра U указывает на то, что центр электронной плотности в каждом атоме не совпадает с центром тетраэдра, образованного его ближайшими соседями, и что атом смещен вдоль оси с к основанию тетраэдра на 0,005 нм. Следовательно, углы между связями Al–N колеблются от 107,7 до 110,5°, а расстояния Al–N - от 0,1885 до 0,1917нм [4].
В настоящее время нитрид алюминия в основном используется в электронике, где важен теплоотвод от электронных устройств. Этот материал интересен, благодаря своей нетоксичности в отличие от оксида бериллия. Новейшие способы металлизации позволяют использовать AlN взамен оксида алюминия или BeO для различных применений в электронике.
1.1.2 Химические и термические свойства нитрида алюминия
Материал устойчив к очень высоким температурам в инертных атмосферах. На воздухе поверхностное окисление происходит выше 700 °C, и при комнатной температуре были обнаружены поверхностные окисленные слои толщиной 5 – 10 нм. Этот окисный слой защищает материал от окисления до 1370 °C. Выше этой температуры происходит объёмное окисление материала. Нитрид алюминия устойчив в атмосферах водорода и углекислого газа до 980 °C. Материал распадается медленно в неорганических кислотах при контакте жидкости с границами зёрен, как и в случае с сильными щелочами. Материал быстро гидролизируется в воде даже при комнатной температуре [3].
Нитрид алюминияокисляется на воздухе выше 900°С. С минеральными кислотами на холоду практически не взаимодействие, горячими кислотами медленно разлагается. При нагревании реагирует с растворами щелочей с выделением NH3. С водяным паром образует Al(ОН)3, с хлором - AlCl3. Устойчив к действию расплавов Al, Сu, Sn, Ca.
1.1.3 Область применения нитрида алюминия
Керамика из нитрида алюминия является идеальным конструкционным материалом для приборов и изделий на основе кремниевых кристаллов, так как коэффициенты температурного линейного расширения (КТЛР) алюминия и кремния практически совпадают в широком температурном диапазоне.
Керамика из нитрида алюминия может использоваться в приборостроении в качестве:
подложек мощных согласованных нагрузок и поглотителей мощности;
подложек термоэлектрических преобразователей на основе элементов Пельтье в системе охлаждения до температуры 160 К;
элементов перспективных разработок в области схемотехники и микроЭВМ в качестве подложек для чипов для улучшения отвода тепла;
коммутационных микрополосковых плат мощных полупроводниковых структур, устанавливаемых методом обратного монтажа;
изолирующих прокладок в системах отвода тепла конструкционных узлов;
теплопроводов, устройств охлаждения приемных систем повышенной чувствительности;
теплопроводящих изоляторов, нагревателей активных термостатов приборных узлов;
элементов систем с применением микрохолодильных машин для компенсации механических вибраций.
Керамика из нитрида алюминия является идеальным конструкционным материалом для приборов и устройств на основе кремниевых кристаллов, так как коэффициенты температурного линейного расширения (КТЛР) алюминия и кремния практически совпадают в широком температурном диапазоне. Наиболее оптимальные условия пайки кремниевого кристалла создаются при его посадке на подложку из нитрида алюминия. Таким образом, использование подложек из нитрида алюминия для монтажа кремниевых кристаллов ведет к существенному снижению напряжений в местах спая, что значительно повышает качество изделий и увеличивает их надежность.
Выпускаемая в настоящее время керамика из нитрида алюминия уступает керамике из оксида бериллия и оксида алюминия по значениям диэлектрических потерь, однако обладает высокими теплофизическими и электротехническими характеристиками, экологически чистая и относительно недорогая (ее удельная стоимость в 5 – 7 раз ниже удельной стоимости керамики из оксида бериллия).
1.2 Способы формования нитрида алюминия
Существует много методов формования нитридной керамики: изостатическое прессование, горячее прессование, литье на основу, инжекционное литье, литье термопластичных шликеров.
1.2.1 Литье из термопластичных шликеров
Как и при литье в гипсовые формы, литье термопластичных шликеров требует разработки индивидуальных способов литья для каждого данного материала. Для каждого вида материала необходимо подбирать свою связку, режим литья, а также учитывать происходящие в шликере физико-химические процессы [5].
Общая технологическая схема процесса получения изделия с применением литья из термопластичных шликеров сводится к следующему: подготовка дисперсной фазы; приготовлению термопластичной связки; приготовлению шликера; подготовка форм; литье; удалению связки; спеканию [6].
Опыты показали, что для получения шликеров с хорошими литейными свойствами следует применять порошки, которые по форме приближаются к сферическим. На свойства шликера влияет дисперсность и гранулометрический состав. Критерием в этом случае следует считать количество связки, необходимое для образование шликера, либо величина вязкости для шликеров с одинаковым соотношением т:ж.
Приготовление термопластичной связки. Для приготовления термопластичных шликеров в технологии горячего литья могут быть применены различные термопластичные вещества: поливинилхлориды, поливинилацетаты и другие, позволяющие получать отливки с высокой плотностью и прочностью. Связка должна при минимальном содержании обеспечивать образование текучего шликера с максимальным коэффициентом упаковки, что может быть достигнута только в том случае, если между частицами твердой фазы будут жидкие прослойки минимальной тольщины.
Свойства шликеров зависит от состава и концентрации ПАВ (олеиновая, стеариновая, пальмитиновая кислоты, животные жиры, пчелиный воск, растительные масла и т. д) наиболее эффективным при разжижении шликеров различных материалов является пчелиный воск, затем стеарин и олеиновая кислота; другие исследованые добавки менее эффективны [5].
Избыточная содержание ПАВ может изменить структурно-механические свойства шликера и отливки. Введение в состав пластификатора термореактивных смол повышает предел текучести и пластической вязкости заготовок при повышенной температуре. Термореактивные вещества добавляют в количестве 10-12% от общего количества пластификатора [6].
Рисунок 1 - Технологическая схема приготовления порошка.
Приготовление шликера. Окончательную операцию приготовления шликера осуществляют смешиванием его составляющих в смесительных аппаратах при температуре, превышающей температуру плавления связки. Существует несколько вариантов приготовления литейных систем, выбор которых определяют, исходя из способов подготовки дисперсной фазы и приготовления дисперсионной среды.
Если измельчение производят горячим помолом в связке с ПАВ, то при этом измельчение порошка и образование шликера совмещаются. Такой способ приготовления шликера имеет преимущество перед другими, поскольку не нуждается в специальной операции, прост в осуществлении и обеспечивает получение качественных литейных систем. Технологическим затруднением привыполнении его является замедленность размола, связанной с высокой вязкостью шликера. Из опрованных мельниц – ротационной и вибрационной – вторая оказалась более эффективной. В качестве футеровочного материала вибромельниц рекомендуется применить керамику и закаленную сталь. Пластмасса и резина в данном случае уступают им [5].
При использовании порошков, измельченных мокрым и сухим способом, применяют предварительный разогрев дисперсионной среды и дисперсной фазы. Порошок следует подогревать до 150, а связку до 90-100 ºС. Превышение этих температур нерационнальное из-за интенсивного испарения связки и ПАВ. Снижение температуры связки перед перемешиванием ниже 90 ºС приводит к повышению вяскости шликера.
При использовании измельченных порошков, содержащих ПАВ, подогрев их выше 60-80 ºС не рекомендуется во избежание испарения ПАВ. В этом случае производят разогрев связки до 80-100 ºС,а порошок вводят нагретым либо до комнатной температуры, либо до 60-80 ºС.
При любом способе перемешивания без применения ваккума в шликере остаются пузырьки воздуха, которые значительно влияют на качество и свойства отливок и спеченных изделий.
Вакуумирование благодаря, удалению воздуха из шликера приводит к улучшению всех его технологических свойств, снижают вязкость и позволяет при этом уменьшить содержание связки на 1-2% [6].Шликер можно вакуумировать в вакуумной камере, но лучшие результаты достигаются при вакуумировании его в процессе приготовления. Приведенные данные показывают, что для обезпечения бездефектного литья длительность вакуумировании в ротационнай вакуумной мешалке составляет 45-60 мин. Слив шликера, а также заливку его в литейную машину целесообразно производить вакуумным всасыванием.
Литье. Применение обородувание при литье зависит от вида используемого пластификатора, его свойств и температуры плавления,а также от формы изделия. Если в качестве основы связки применяют термореактивные или термопластичные органические вещества или их комбинации с температуры плавления выше 100º С, то формование осуществляют на литейных машинах, подобных машинам для литья изделий из пластических масс.
Плотность отливки возрастает при увеличении давления при выдержке, когда шликер заполняет центральный канал в отливке, образовавшийся вследствие усадки и миграции пластификатора. В то же время очень большое давление при отливке обусловливает турбулентный характер его движения. Поэтому заполнение формы желательно производить при одном, сравнительном небольшом, давлении, а выдержку – при другом, значительно большем.
Рисунок 2 - Распределение содержания пластификатора в различных зонах отвердевшей заготовки в зависимости от давления при отвердевании
При литье сплошных деталей простой конфигурации для повышения плотности желательна низкая температура форм (до 10ºС). Более высокую температуру формы (15-25 ºС) применяют при отливке сложных тонкостенных изделий. Повышения температуры формы необходима и тогда, когда имеются элементы, препятствующие усадки (пуансоны, штыри).
Существенное влияние на качество литья оказывает конструкция литейной формы. Как видно из рисунка, конструкция формы, определяя процесс охлаждения отливки, может способствовать получению сплошных либо пористых с раковинами отливок.
Рисунок 3 - Схема механизма отвердевания шликеров в форме при различных конфигурациях отливок, направления, размерах и расположениях литников
На процесс литья влияют свойства шликера. Повышение вязкости, теплопроводности и скорости затвердевания снижает литейные характеристики шликеров и ухудшает качество литья. И наоборот хорошая текучесть, низкие значения теплопроводности и скорости затвердевания способствуют качественному литью.
Удаление связки и спекание отливок. Если отливку поместить в печь при температуре, превышающей температуру плавления шликера, она расплавится. Что бы этого не произошло, применяют технологическую операцию – удаления связки, которое осуществляют нагревом отливок в адсорбентах, активно поглощающих расплавленную связку.
При повышении температуры удаление связки из отливки происходит поэтапно – в начале плавится связка, затем происходит испарение легких фракции, далее идет пиролиз более тяжелых углеродов, выгорание углеродистого остатка и наконец, спекание начальной стадии. Наиболее опасным моментами при нагревании отливки, которые могут привести к ее разрушению, являются переходы связки из твердого в жидкое (50-60ºС) и из жидкого в газообразное состояние (150-170 ºС) [7].
На рисунке 4 представлен типовой график нагрева отливок при удалении связки, нагрев осуществляют поэтапно следующим образом.На первом этапе производят разогрев отливок до их расплавления (80-100 ºС) с выдержкой при этой температуре, достаточной для прогрева и плавления детали по всему объему. Затем, на втором этапе производят плавный нагрев до температуры 160-400 ºС. В это время происходит миграция жидкой связки в засыпку и начинается процесс испарения. Далее производят выдержку, после чего медленно поднимают температуру [6].
Термопластичную связку из отливок удаляют полностью или частично. При полном ее удалении отливку нагревают согласно типовому режиму. При этом уже при температуре 400-500 ºС удаления связки заканчивается; дальнейший нагрев производят с целью повышения прочности заготовок.
Рисунок 4 -Типовой график разогрева полуфабрикатов при удаления связки
1-зона плавления отливки; 2-зона удаления связки миграцией в жидком состоянии, испарениям; 3-зона выжигание остатков связки; 4-зона начальной стадиях спекание
В работе [8] указывается, что при недостатке кислорода в атмосфере печи при температурах 400-600 ºС возможно неполное выгорание остатков связки. Однако результаты исследование удаления связки в среде водорода показала, что в этих условиях полностью осуществляется процесс пиролиза парафина и других составляющих и отливки практически не загрязняются углеродом.
После удаления связки отливки спекают. При условии, что удаление связки было частичным, дальнейшее выгорание ее остатков, как правило, производить медленно в интервале температур 100-400 ºС. При спекании отливок после полного удаления связки разогрев до 800-900 ºС производят форсировано, а затем подъем температуры замедляют.
1.2.2 Горячее прессование нитрида алюминия
В России предпринимались попытки производства алюмонитридной керамики методом горячего прессования, однако все они закончились неудачей по следующим причинам:
- низкое качества исходных порошков;
- низкая производительность метода горячего прессования и высокая себестоимость готовой продукции;
- отсутствием должного спроса на керамику из нитрида алюминия, прежде всего, из-за отсутствия норм ТУ на такую керамику, предназначенную для использования в электронике, и отсутствием на то время опыта по ее металлизации.
Аналогов по характеристикам описываемой керамики в России не производилось.
Известен способ получения плотной теплопроводной керамики на основе нитрида алюминия, включающий спекание порошка нитрида алюминия, полученного карботермическим методом, в присутствии 2 мас.% оксида иттрия или оксида щелочноземельного металла при температуре 1850-1900 °С в среде азота, с последующим отжигом спеченной керамики при температуре 1820-1880 °С в течение 4-12 часов в токе смеси азота и водорода. Горячее прессование (называемое в ряде случаев и спеканием под давлением) представляет собой совмещенный процесс прессование и спекание. В зависимости от характеристик порошков и ряда других факторов процесс осуществляется обычно при температуре, составляющей 0,5-0,8 от температуры плавление формуемого материала, и при удельных давлениях от единиц до десятков мега Паскалей [9].
Процесс горячего прессование можно условно разделить на три этапа, характеризующихся различными механизмами уплотнения. На первой стадии протекает перегруппировка частиц в результате их взаимного перемещения, при этом пластическая деформация в процессе уплотнения не является определяющей. Вторая стадия характеризуется более медленным ростом плотности. Основной механизм на этой стадии – пластическая деформация, связанное перемещением дислокации и протекающая при напряжениях, превышающих предел текучести. На третьей заключительной стадии плотность материала растет очень медленно; процесс уплотнения при этом обусловлен так называемой "ползучестью под давлением" и вызвать объемной диффузией атомов и вакансии [10].
Методы и технологические режимы горячего прессование. Технология получение изделии горячим прессованием состоит из следующих основных операции:
· подготовка порошка, подготовка пресс-формы;
· загрузка в них порошка и предварительное прессование на холоде;
· горячее прессование;
· возможная термическая обработка – отжиг (например, в порошковой металлургии), а в отдельных случаях – и механическая.
Схемы установок для осуществления процесса горячего прессования исключительно разнообразны. На рисунке 5 в качестве примера показаны схема установок и формы для горячего прессование по данным [8].
Установка состоит из печи и прессующего механизма высокого давления. Печь имеет кольцевую форму и обогревается нагревательными слитковыми стержнями.
Перспективным материалом для форм горячего прессование в ряде случаев может оказаться самосвязанный карбид кремния (до 1400- 1500ºС и 10-20 МПа) а иногда и корунд (до 1200 – 1300ºС и 100-150 МПа) [11]. Для осуществления горячего прессование прежде всего проводят, как правило, предварительное (холодное) прессование, а затем прессовки помещают в формы для горячего прессования. При горячем прессовании необходимо установить три основных параметра – максимальную температуру процесса, максимальное давление при максимальной температуре, продолжительность приложения максимального давления при максимальной температуре [8]. В этой же работе приведены различные схемы методов горячего прессования с вариацией расмотренных параметров.
Рисунок 5 - Схема установки (а) и прессформы для горячего прессования:
1-термопара; 2-система водного охлаждения; 3-металлическая теплоотражающая плита; 4-нагревательный силитовый стержень;5-корундовый стержень для передачи давление;6-прессформа; 7-подвижной пуансон; 8-нижний пуансон; 9 -корпус формы; 10 - верхний пуансон; 11- щель для термопары.
Установка состоит из печи и прессующего механизма высокого давления. Печь имеет кольцевую форму и обогревается силитовыми нагревательными стержнями.
Рисунок 6 - Этапы и режимы процесса горячего прессование без предварительного нагружения брикетов (а) и нагружением (б)
Режимы горячего прессование следует выбирать с учетом размеров и форм изделий, которые могут влиять на схему напряженного состояние при деформировании, а также физико – химических и механических свойств исходных порошков. В работе [10] предложено разделить процесс горячего прессования (для предварительных спрессованных брикетов) на пять этапов. (на рисунке 6)
Процесс горячего прессования подвергали исследованием применительно практически ко всем огнеупорным оксидам, многим нитридам, карбидам, боридам, силицидам, шпинелидам, керметам, и другим материалом.
1.2.3 Одноосное прессование нитрида алюминия
Физические процессы, протекающие при прессование. Уплотнение, упрочнение прессуемого керамического порошка и характеристика получаемых прессовок определяются совокупностью ряда процессов, в которых участвуют все остальные части системы: частицы (твердая фаза). Временная связка (жидкая фаза) и воздух (газовая фаза).
Изменения, претерпеваемые всеми фазами, взаимосвязаны и каждое из них существенно для конечных результатов прессования. При рассмотрении совокупного процесса приходится выделять его составные части: перемещения и деформации структурных элементов – первичных минеральных частиц и зерен-гранул, а также явления, происходящие в порах уплотняемого скелета, т.е. перемещение жидкости, удаление, сжатие и возможно растворение воздуха. Фазовый и зерновой состав массы, строение порошка и характеристика присутствующих фаз существенно влияет на особенности и относительную роль каждого из названных явлений.
Перемещения и деформация структурных элементов при сжатии порошка. В работах по порошковой металлургии обычно выделяют три стадии процесса прессования порошков (в основном без связки), различающиеся по характеру перемещений и пластической деформации частиц уплотняемого материала.
На первом стадии наблюдается автономное поведение частиц. Происходит их интенсивное взаимное перемещение, повороты и т.д.; при этом характер напряжений на контактах различные и непрерывно меняется. Нарушение одних контактов сопровождается местной упругой разгрузкой или разрывом других. Вторая стадия характеризуется значительным уменьшением автономности, преобладанием местной пластической деформации на контактах и незначительной ролью местных упругих разгрузок. Третья стадия протекает при фиксированных контактах и преобладании пластической деформации во всем объеме частиц; этому соответствуют значения относительной плотности Ктв не менее 0,85-90 [11].
В начале сжатия происходит перемещение частиц преимущественно в направлении действия прессующего усилия с заполнением относительно крупных пор в исходной порошковой засыпке. Крупные поры в засыпке, связанные с так называемыми мостиками или арками и образовавшиеся под влиянием сцепления на контактах и заклинивания частиц, могут по размерам превосходить сами зерна.
Перемещение зерен многообразно и включает их раздвигание вклинивающимися зернами, взаимное скольжение, различные повороты и т.д. важно ответить, что при этом нет принципиального различие в поведении структурных элементов в зависимости от их твердости и пластичности. Гораздо большую роль играют их геометрия, соотношение размеров, сцепление на контактах. Гранулы и свободные частицы ведут себя примерно одинаково [13].
Поведение жидкой фазы и воздуха при сжатие порошков. Вода или другая жидкость, смачивающая твердую фазу и выполняющая функции временной связки, располагается в исходном порошке, прежде всего на поверхности первичных частиц. В зависимости от соотношения поверхности частиц общего объема жидкости и угла смачивания она может находиться также в более крупных капиллярах и порах системы. В зависимости от метода подготовки и интенсивности его перемешивания может наблюдаться существенная неравномерность в распределения жидкости, т.е. наличие переувлажненных и слабо увлажненных участков, а также повышенной влажности крупных гранул по сравнению с мелкими [12].
В процессе сжатия жидкость, находящаяся на поверхности первичных частиц, в межчастичных прослойках и капиллярах, оказывает значительное пластифицирующее действие, степень которого зависит от ее состава (в сочетании с данной твердой фазой), количества и равномерности ее распределение в материале. Одна из сторон пластифицирующего действия заключается в облегчении скольжения частиц, что приводит, особенно на начальных стадиях прессования при не высоких давлениях, к более интенсивному уплотнению материала. В области более высоких давлений жидкость (особенно если она содержит поверхностно активные компоненты) также может интенсифицировать уплотнение прессовки вследствие снижения твердости и прочности частиц (эффект Ребиндера).
Еще более важным фактором является постепенное увеличение доли объема пор, занятых перемещающейся жидкостью по мере сжатие прессовки. В момент заполнения всех остаточных пор сжимаемая система как бы переходит из трехфазной в двухфазною и дальнейшее уплотнение становится возможным лишь при условии выжимания жидкости.
Давление, соответствующее критическому или предельному состояние системы, находят экспериментально. Оно может быть названо критическим (предельным) давлением – Ркр (Рпред).
Рисунок 7 - Изменения некоторых параметров системы в зависимос