ӘЛ-ФАРАБИ АТЫНДАҒЫ ҚАЗАҚ ҰЛТТЫҚ УНИВЕРСИТЕТІ
ФИЗИКА ФАКУЛЬТЕТІ
Қатты денелер физикасы кафедрасы
Бітіру жұмысы
МЕТАЛЛ ОКСИДТЕРІ ҚОСПАЛАРЫНЫҢ СТРОНЦИЙ ЦИРКОНАТЫНАН ЖАСАЛҒАН КЕРАМИКАНЫҢ ЭЛЕКТРЛІК ҚАСИЕТТЕРІНЕ
Орындаушы:
Бакалавриаттың 4-курс студенті _____________________ А.Т. Сәрсембай
(қолы)
Ғылыми жетекші:
х.ғ.д., профессор
(қолы, күні)
Қорғауға жіберілді:
ҚДФК меңгерушісі,
ҚР ҰҒА академигі, профессор _____________________
(қолы, күні)
Алматы, 2008
Реферат
Диплом жұмысы металл оксидтері қоспаларының стронций цирконаты негізіндегі керамиканың
Жұмыс 3 тараудан, кіріспеден, қорытындыдан тұрады, 34 бетке жазылған,
Негізгі сөздер: синтез, керамика, электр тогынан оқшауланған оксидті материалдар,
Зерттеу объектісі: стронций цирконаты негізіндегі керамика.
Жұмыстың мақсаты – электр тогынан оқшауланған керамика алу және
Электр тогынан оқшауланған керамиканы синтездеудің оңтайлы шарттары табылып, синтез
МАЗМҰНЫ
Реферат ....................................................................................................................2
Мазмұны...................................................................................................................3
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР, БЕЛГІЛЕР МЕН ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР....4
КІРІСПЕ...................................................................................................................5
1. Әдеби шолу. Проблеманың жай-күйі................................................................7
1.1. Керамикалық материалдар туралы негізгі ұғымдар.....................................7
1.2. Таза оксидтер негізіндегі керамика................................................................8
1.3. Керамика бұйымдарын алу технологиясы.....................................................9
1.3.1. Пішін массасын дайындау............................................................................9
1.3.2. Бұйымдардың дайындамаларын безендіру...............................................10
1.3.3. Керамика бұйымдарын кептіру және күйдіру..........................................11
1.3.4. Механикалық өңдеу....................................................................................11
1.3.5. Керамиканы металдау.................................................................................12
2. Сынап байқау бөлімі.........................................................................................13
2.1. Үлгілерді дайындау әдістемесі.....................................................................13
2.2. Синтезделген үлгілерді зерттеу әдістері......................................................14
2.2.1. Үлгілердің құрамын зерттеу әдістері........................................................14
2.2.2. Үлгілердің құрылымын зерттеу әдістері..................................................14
2.2.3. Материалдардың қасиеттерін зерттеу әдістері.........................................15
3. Сынап байқау нәтижелерін талқылау..............................................................17
3.1. Керамика үлгілерін синтездеу және оксид қоспаларын қосу....................17
3.2. Стронций цирконаты негізіндегі керамика мен легирленген
үлгілердің қасиеттері............................................................................................18
3.3. Металл оксидтері қоспаларының стронций цирконатының
электр өткізгіштігіне әсері...................................................................................19
3.3.1. Иттрий оксидінің стронций цирконатының
электр өткізгіштігіне әсері...................................................................................19
3.3.2. Ниобий мен вольфрам оксидтерінің стронций цирконатының
электр өткізгіштігіне әсері...................................................................................20
ҚОРЫТЫНДЫ......................................................................................................22
ПАЙДАЛАНЫЛҒАН ДЕРЕККӨЗДЕРДІҢ ТІЗІМІ...........................................30
НОРМАТИВТІК СІЛТЕМЕЛЕР, БЕЛГІЛЕР МЕН ҚЫСҚАРҒАН СӨЗДЕР
Осы жұмыста мына стандарттарға сілтемелер пайдаланылған:
1. МСТ 2.105-95 құрастырмалық құжаттаманың бірыңғай жүйесі. Мәтіндік құжаттарға
2. МСТ 7.32-2001 Ақпарат, кітапхана және баспа ісі жөніндегі
3. МСТ 8.417-81 Өлшем бірліктерін мемлекеттік қамтамасыз ету жүйесі.
4. ҚР СТ 2.3-97 Физикалық өлшем бірліктерінің эталондары. Негізгі
5. МСТ 8.009-84 Нормаға алынатын метрологиялық сипаттамалар.
6. МСТ 8.010-99 Өлшемдерді орындау әдістемесі.
7. МСТ 8.207-79 Көп мәрте бақыланатын тура өлшемдер. Өлшем
8. МСТ 8.401-80 Өлшем құралдарының дәлділік сыныптары. Жалпы талаптар.
Бұл жұмыста тиісті анықтамалары бар мынадай қысқарған сөздер қолданылады:
ЖТК – жоғары температуралы керамика
СТЭ – сирек топырақ элементтері
a,b,c – кристалл торларының параметрлері
ρ – меншікті электр кедергісі
РФТ – рентген арқылы фазалық талдау
РҚТ – рентген арқылы құрылымдық талдау
ӘТТ - әркелкі термиялық талдау
ПЭГ – полиэтилен гликоль
КІРІСПЕ
Тақырыптың өзектілігі.
Керамика өзінің қасиеттері жағынан басқа техникалық материалдардан (металдан, пластмассадан,
Өнеркәсіптік көлемде өндірілетін керамиканың негізгі бөлігі электроникада қолданылады және
Қазіргі уақытта бұл материалдарды алудың әмбебап әдістері жоқ, сондықтан
Өнім алудың бірнеше әдістері қолданылады. Жалпыға ортақ қабылданған оксидті
Жұмыстың жаңалығы. Осы жұмыста электр өткізгішті керамиканың синтезіне басқалай
Осы мақсатпен керамика құрамына стронций цирконаты қосылған қатты ерітінділер
Зерттеу объектісін таңдаудың және әдістеменің негіздемесі. Зерттеу объектісі ретінде
Жұмыстың мақсаты. Күрделі цирконаттарды синтездеудің жаңа әдістерін іздестіру және
Практикалық құндылығы. Стронций цирконаты негізіндегі жоғары температуралы керамикалық қосылыстарды
1. Әдеби шолу. Проблеманың жай-күйі
1.1. Керамикалық материалдар туралы негізгі ұғымдар
Керамика – жоғары температурада күйдіру үдерісінде пішінделген минералды массалардан
Техникалық керамика әр түрлі химиялық және фазалық құрамдағы жасанды
Кристалл фазасы белгілі бір химиялық қосылыстар немесе қатты ерітінділер
Шыны тәрізді фаза керамиканың құрамындағы кристалл фазаны байланыстырып тұратын
Арнайы техникалық керамиканың басым көпшілігі поликристалдық түзілімдегі тығыз пісіп
1.2. Таза оксидтер негізіндегі керамика
Оксидті керамика өндірісінде негізінен келесі оксид түрлерін пайдаланады: Аl2О3
Температураны арттырған сайын керамиканың тығыздығы азая береді. Материалдарды жоғары
1.3. Керамикалық бұйымдарды алу технологиясы
Жалпы жағдайда керамикалық бұйымдар жасаудың технологиялық үдерісін қарапайым схема
пішін массасын дайындау;
бұйым дайындамаларын безендіру;
кептіру;
бұйымдарды күйдіру.
Кейбір жағдайларда күйдірілген бұйымдар механикалық тұрғыда қосымша өңделіп жатады.
1.3.1. Пішін массасын дайындау
Керамикалық пішін массасы бөліктерінің көлемімен және бөлінісімен сипатталады; орам
Массаның жекелеген құрамдас бөліктерін майдалау дәрежесі материалдарға қойылатын талаптарға,
Ылғал үгіндіден кейін сулы шликер 0,8-3 МПа қысыммен тазартқыш
Сулы құйылмалы шликер дайындау үшін корждар электролит қоспасы бар
Нығыздау әдісі арқылы бұйым жасауға арналған массаларды дайындау үшін,
Саз топырақтан құралған массалардағы су ұстастырушы және жабыстырушы зат
Түйіршіктелген нығыз-ұнтақтар дайындау үшін тозаңдатып кептіру әдісі кеңінен қолданылады.
Тозаңдатып кептіру әдісін қолдану кезінде өндірістік циклдан бірнеше операцияны
Қысымның күшімен металл қалыптарға ыссылай құю үшін шликер дайындау
1.3.2. Бұйымдардың дайындамаларын безендіру
Құрамына, масса дайындаудың технологиялық ерекшеліктеріне, пішіндемесіне, бұйым жасаудың габаритті
1.3.3. Керамикалық бұйымдарды кептіру және күйдіру
Ылғалдың 0,2—2,0 % дейін қалдық ылғалдылығын кетіру
Бұйымдарды кептірудің мыналай түрлері қолданылады:
а) конвекциялық кептіру, мұндай кептіру кезінде бұйымдар жылы ауамен
б) радиациялық кептіру, бұл әдіспен кептіру кезінде электр қыздырғыштардан
в) радиациялық-конвекциялық кептіру, мұнда конвекциялық және радиациялық қыздыру бірге
Керамикалық бұйымдарды күйдіру өндірісті аяқтау үдерісінің бірқатар жағдайларында маңызды
Температура және газ режімін (бейтарап, тотығу немесе қалпына келтіру
1.3.4. Механикалық өңдеу
Қазіргі заманғы техникада беткі жағының дәлме-дәл өлшемдері, пішіні мен
1.3.5. Керамиканы металдау
Керамиканың беткі жағындағы металл жабындылар керамиканы металл арматураға дәнекерлеу
Керамиканың металл жабындыларын металл құрамды сырларды (пасталарды) күйдіру, металды
Пасталарды күйдіру – барынша кең таралған металдау әдісі болып
Күміс пасталары керамикалық бұйымдарға жағу бояу жаққыштар, бүріккіштер және
Бір рет металданатын күміс қабатының қалыңдығы 3-10 мкм
2. Сынап байқау бөлімі
2.1. Үлгілерді дайындау әдістемесі
Стронций цирконатын синтездеу үшін бастапқы материалдар ретінде (ч) маркалы
Жартылай құрғай күйде статикалық нығыздау ұнтақ тәрізді массаларды болаттан
2.1. сурет. Екі жақты нығыздау. 1-үстіңгі пуансон, 2-матрица, 3-төменгі
Нығыздалған дайындамалар өздерінің көлемін мүлде өзгертпеді (шөгу 1-2% ғана
Иттрий мен вольфрам оксидтері өздерінің суда ерігіш тұздары арқылы
2.2. Синтезделген үлгілерді зерттеу әдістері
Керамикалық материалдарды, жартылай өнімдер мен мақсатты өнімдерді синтездеу барысында
2.2.1. Үлгілердің құрамын зерттеу әдістері
Рентген арқылы фазалық және спектрлік талдау талдау жұмыстары
L = K( ( (cos(,
мұндағы L – кристаллиттің көлемі (Å); ( - толқын
2.2.2. Үлгілердің құрылымын зерттеу әдістері
Бастапқы үлгілерді, жартылай өнімдерді және дайын бұйымдарды петрографиялық талдау
Электронды-зондты микро талдау жұмыстары JCXA – 733 микро талдағышында
Электронды микроскопия. Зерттеу жұмыстары Jem llООСХ; U-IООkv электронды жарық
Инфрақызыл спектроскопия әдісі арқылы механикалық өңдеуге дейін және одан
2.2.3. Материалдардың қасиеттерін зерттеу әдістері
Механикалық қасиеттер МСТ 4071.1–94 және 2409–95 сәйкес алынған үлгілер
Жорымал тығыздық (в – құрғақ материал массасының оның жалпы
(в = m1 / (m3 – m2) (e.
Ашық кеуектілік Па – үлгідегі ашық кеуек көлемінің жалпы
Па = (m3 – m1) / (m3 - m2)·
Су сіңірімділік W – 20 ОС барысында толық қанығу
W = (m3 - m1) / m1 (20H2O /
Жалпы кеуектілік Пt – ашық және жабық кеуектіліктің жиынтығы
Пt = (( - (в / () ·100
Жабық кеуектілік Пf – жабық кеуектер көлемінің жалпы көлемге
Пf = Пt - Па,
мұндағы m1 – құрғақ үлгінің массасы (г); m2 –
Шынайы тығыздық ( - материал массасының оның нақты көлеміне
( = G(p / (G1 – (G2 – G)(,
мұндағы (p – ерітіндінің тығыздығы; G1 және G2 –
2.1. кесте – Сынап байқау арқылы анықталатын параметр өлшемдерінің
Өлшенетін шама Көлемі Диапазон Өлшем қателігі, %
1 2 3 4
Керамика синтезі
құрамдас бөліктер массасы г 0 - 200 0,005
үлгілер көлемі мм 0 - 300 0,2
нығыздау қысымы МПа 0 - 500 1
кептіру шкафындағы температура ОС 0 - 400 5
пештегі температура ОС 0 - 1300 10
үдеріс уақыты сағат 0 - 5 0,1
Үлгілердің құрамын зерттеу
Химиялық құрам (эмиссиялық спектроскопия) %, масса 0,1 - 10
Фазалық құрам (рентген арқылы фазалық талдау) %, масса 0,1
Құрылымын зерттеу
меншікті беткей м2/г 0,01 - 1000 3
бөлшектер көлемі м(10-6 10-5 – 10-2 0,05
Кристаллиттердің көлемі (рентген арқылы спектрлік талдау) Å
ИК- спектроскопия см-1 400 - 4000 1
Қасиеттерін зерттеу
үйінді тығыздық г/см3 0,1-4 0,005
тығыздық г/см3 1 – 4 1
кеуектілік % 10 - 50 0,1
су сіңірімділігі % 10 - 50 0,1
отқа төзімділігі ОС 0 - 1700 10
үлгілердің сызықтық көлемі мм
0,7
уақытша параметрлер с
3
3. Сынап байқау нәтижелерін талқылау
3.1. Керамикалық үлгілерді синтездеу және оксид қоспаларын қосу
Зерттеу жұмыстарына бастапқы материалдар ретінде мына сериядағы керамикалық үлгілер
А сериясы – стронций цирконатының таза үлгілері
Б сериясы – иттрий оксидімен легирленген стронций цирконаты
В сериясы – вольфрам оксидімен легирленген стронций цирконаты
Г сериясы - ниобий оксидімен легирленген стронций цирконаты
Жұмыста материалдарды термиялық өңдеудің екі сатысын: синтез және пісіруді
(а)
(б)
3.1. сурет - Иттрий оксиді қосылған стронций цирконатының
Сынған жарықпен оптикалық микроскоптарда түсірілген суреттерден шектері айқын келген
Әркелкі-термиялық талдау (ӘТТ) нәтижелері көрсеткендей, стронций цирконатын барлық қоспалармен
Синтезделгеннен кейін материалды құрғақ әдіспен ұсақтап майдалайды. Үлгілер 100
3.2. Стронций цирконаты негізіндегі керамиканың және
легирленген үлгілердің қасиеттері
Үлгілердің фазалық құрамы зерттеліп, жорымал тығыздығы, ашық кеуектілігі мен
1-кесте – Стронций цирконаты негізіндегі қоспасыз және қоспа қосылған
№ Массалық үлестер Орташа жорымал тығыздық, г/см3 Орташа ашық
1000 0С 1200 0С 1500 0С
1 100% SrZrO3 5,09±0,02 0,7±0,2 3,0·102 0,6·102 0,2·102
2 99% SrZrO3 + +0,5%Y2O3 4,96±0,02 0,7±0,3 4,5·103 2,0·103
3 99,5% SrZrO3 + +0,5%(Y2O3+2ZrO2) 4,98±0,02 0,8±0,2 3,6·103
4 99% SrZrO3+ +1%(SrO+WO3) 4,87±0,02 0,5 ±0,2 1,2·104 1,5·103
5 99,5% SrZrO3+ +0,5% (Y2O3+ +2WO3) 4,89±0,06 1,6±0,4 7,0·103
6 99,5% SrZrO3+ +0,5%(2SrO+Nb2O5) 4,99±0,02 1,1±0,5 2,8·103 8,6·102 1,5·102
7 99,5% SrZrO3+ +0,5%(Y2O3+Nb2O5) 5,12±0,04 0,4±0,1 4,1·104 2,4·103 1,5·102
3.3. Металл оксидтері қоспаларының стронций цирконатының
электр өткізгіштігіне әсері
Қоспаларды қосу барысында байқалатын әсерді оңай түсіндіру үшін қоспа
Oi"+ Vo** → [Oi"Vo**]x→ Oox
3.3.1. Иттрий оксидінің стронций цирконатының электр өткізгіштігіне әсері
Айқын көрінетін негізгі қасиеттерін біле отырып, Иттрий оксидін иттрий
Иттрий оксиді мен цирконий диоксидін бірге қосу (Y2O3+2ZrO2) стронций
SrZrO3
Y2O3+2ZrO2 → 2Y'Sr+2ZrZrx+6OOx+Oi"
3.3.2. Ниобий мен вольфрам оксидтерінің стронций цирконатының электр өткізгіштігіне
Ниобий мен вольфрамның катиондары иттрий катиондарына қарағанда, мейлінше едәуір
SrZrO3
2SrO+Nb2O5 → 2SrSrx+2NbZr'+6OOx+ Oi"
SrZrO3
SrO+WO3 →
бұдан бөлек, кешенді қоспалар пайдаланылды:
SrZrO3
Y2O3+Nb2O5 → 2YSr'+2NbZr'+6OOx+2 Oi"
SrZrO3
Y2O3+WO3 →2YSr'+2WZr"+3OOx+ Oi"
Иттрий, вольфрам және ниобий катиондары әсерінің тиімділігін салыстыру үшін
(а)
3.2. сурет – Вольфрам (а) және ниобий (б) оксиді
ҚОРЫТЫНДЫ
Сілтілі топырақты металдар негізіндегі материалдар металлургияда, ядролық энергетикада, отқа
Цирконаттарды жоғары температуралар техникасында пайдаланудың келешегі төмендегілер секілді
барынша отқа төзімділік,
химиялық беріктік,
жоғары температура кезінде мардымсыз ұшқыштығы
цирконий диоксидінен жасалған қыздырғыштармен байланысқа түсіп, әрекет ету мүмкіндігі,
жоғары температурада пайдалану үшін келешегі зор материалдармен әрекет ету
Алайда, жоғары температура кезінде стронций цирконаты негізіндегі керамиканың электр
Құрылымның кемшілігі салдарынан оксидті материалдардың құрамында әр уақытта жылжымалы
Кемшілікті құрылымды, заттарды тасымалдау үдерісін зерттеу жөніндегі сынап байқау
Осыдан келе мынадай түйін жасалды, оттегі құрамындағы бос орындар
Стронций цирконатына қоспа қосудың ерекшелігі белгіленді. Қосылатын қоспалардың мөлшері,
ТҰЖЫРЫМДАР
Таңдап алынған мөлшердегі 0,5-тен 1 % (массалық үлес) дейінгі
1500ºС температура барысында стронций цирконатынан жасалған керамиканың меншікті көлемді
Электр кедергінің ең жоғарғы мәні № 4—7 құрамдардан анықталды.
Көрсетілген мөлшердегі қоспаларды қосу керамикалық үлгілердің жорымал тығыздығына әсері
Үлгілерді микроскопиялық талдау мынаны растап берді, яғни қоспаларды қосу
11