Синтез и свойства полупроводниковой керамики для свечей систем зажигания двигателей внутреннего сгорания тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.11, кандидат технических наук Ли Сан Дон

• Ли Сан Дон
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Ли Сан Дон

Введение

1. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА

И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗУЧАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ -

1.1.Фазовые равновесия в системах изучаемых оксидов.

1.1.1 .Система У203 (1а203)- Сг

1.1.2.Система У203 (1-а203 )- СаО

1.1.3.Система У203 (1а203)- БЮ

1.1 АСистема У203 (1а203)- гг

1.1.5.Система Сг203 - Са0(гг02, вЮ2) .

1.2.Синтез хромитов иттрия и лантана.

1.3.Модельные представления о структуре сложных оксидов-

1.3.1.Соединения со структурой перовскита.

1.3.1.1.Модельные структуры перовскита

1.3.1.2.Кристаллическая структура хромитов РЗЭ.

1.4. Механизм электропроводности и поляризации соединений со структурой перовскита.

1.4.1.Электрические свойства хромитов РЗЭ.

1.4.1.1.Перескоковый механизм электропроводности хромитов.

1.4.1.2.Электропроводность хромитов РЗЭ в восстановительной атмосфере.

1.4.1.3. Зависимость электропроводности хромитов

РЗЭ от парциального давления кислорода.

1.4.2. Электрический разряд на поверхности полупроводников.

1.5. Выводы из литературного обзора и постановка задачи исследования.

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТОВ.

2.1. Сырьевые материалы.

2.2. Технологическая схема получения образцов

2.3. Приготовление шихт.

2.4. Гранулирование шихт.

2.5. Полусухое прессование порошков.

2.6. Обжиг образцов.

2.7. Процессы при спекании.

2.8. Методики определения свойств образцов.

2.8.1. Определение усадки.

2.8.2. Водопоглощение, открытая пористость и кажущейся плотность.

2.8.3. Определение электрофизических свойств.

2.8.3.1. Измерение поверхностного электросопротивления

2.8.3.2. Измерение поверхностного пробивного напряжения

2.8.3.3. Испытание образцов на термоудар -.

РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКПЕРИМЕНТОВ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.

3. Синтез и исследования свойств керамики на основе хромита иттрия.

3.1. Выбор спекающих добавок по структурно-энергетическим показателям.

3.2. Добавки оксидов: СаО, BaO, Zr02, W03, CuO.

3.3. Добавки цирконатов щелочно-земельных элементов: CaZr03, SrZr03, BaZr03.

3.4.Добавки соединений кальция: СаО, CaZr03, CaW03, CaSi03, CaAI204, CaTi03, CaCr204, CaFe204, CaMn204

3.5.Добавки соединений меди:Си20, La2Cu04, CuW04, YBa2Cu307^.-.

3.6. Выводы к главе третьей.

4.Синтез и исследования свойств керамики на основе хромита лантана.

4.1. Выбор спекающих добавок.

4.2. Добавки оксидов: СаО, BaO, SrO, Zr02, W03, CuO.

4.3. Добавки цирканатов щелочно-земельных элементов: CaZr03, SrZr03, BaZr03.

4.4. Добавки соединений кальция: СаО, CaZr03, CaW03,CaSi03, CaAI204, СаТЮ3, CaCr204, CaFe204,

СаМп204.

4.5. Добавки соединений марганца: MnW04, MnAI204,

МпТЮз, МпСо204.

4.6. Добавки соединений вольфрама: W03, CuW04,

CaW04, MnW04.

4.7. Выводы к главе четвертой.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Синтез и свойства полупроводниковой керамики для свечей систем зажигания двигателей внутреннего сгорания»

Созданию керамики с высокими служебными характеристиками в настоящее время в химическом материаловедении придается особое значение. К числу важнейших до 2000 года отнесены работы по созданию новых керамических материалов."Керамический взрыв" в сфере новых технологий вызван очевидной нуждой в получении особых свойств уже существующих материалов. Усиленно разрабатываются керамические материалы, способные служить при рекордных параметрах: сверхвысоких и сверхнизких температурах, активных воздействиях окислительно-восстановительных условий среды, сильных электрических и магнитных полей.

Актуальна проблема получения керамического материала для авиационных свечей поверхностного разряда емкостных систем зажигания. Материал должен способствовать возникновению электрической искры на поверхности керамики и быть эрозионноустойчивым в условиях резких перепадов температур и давлений газовой среды. Среда может быть с избытком и недостатком кислорода. Давление газов может составлять от 0,4 до 4,5 МПа при температурах от -60 °С до 1100 °С. Материал должен иметь полупроводниковые свойства, поверхностное электросопротивление которого должен иметь предел 104 ~Ю6Ом. Всем этим нуждам в наиболее полной мере отвечают керамические материалы, обладающие практически ничем неограниченными сочетаниями свойств и функциональных особенностей.

Под руководством доц.Лошкарев Б.А., проф. Семирикова И.С. на кафедре ХТК и О УГТУ в течение длительного времени ведутся интенсивные исследования по поиску эффективных керамических материалов для производства свечей зажигания газотурбинных двигателей. Найдены перспективные эрозионностойкие материалы. Однако проблема до сих пор не может считаться решенной, так как не исчерпаны возможности других керамик, способных повысить служебные характеристики изделий из них. Поиски и исследования продолжаются .

Настоящая работа посвящена участию в этих исследованиях. Как будет ниже видно, получены обнадеживающие результаты. Нами изучены керамические материалы на основе хромитов иттрия и лантана с различными добавками. Мы выбрали эти материалы, поскольку хромиты РЗЭ со структурой типа перовскита обладают электронным характером проводимости при высоких температурах, высокой температурой плавления и хорошей химической стойкостью к агрессивным средам.

Работа выполнялась по ГНТП России "Новые материалы" по направлению "Керамические материалы" (1993-95 г.), выигран конкурс грантов по разряду "Технологические проблемы производства изделий аэрокосмической техники из современных конструкционных материалов"(Москва, МАТИ им. К.Э. Циолковского, 1992-95г.), по комплексной программе госбюджетной НИР №1217 УГТУ-УПИ(1994-1998 г.)

1. ФАЗОВЫЕ РАВНОВЕСИЯ, КРИСТАЛЛИЧЕСКАЯ СТРУКТУРА И ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗУЧАЕМЫХ СОЕДИНЕНИЙ

Для успешного решения вопросов, связанных с синтезом, термическим поведением и получением оптимальных свойств соединений и твердых растворов необходима систематизация оксидов как по составу, так и по фазовым равновесиям. В нашей работе использованы оксиды, ионные радиусы катионов которых и важнейшие физико-химические свойства приведены в табл.1.1. Оксиды СиО, Сг203, Ре203, Мп203 относятся к группе полупроводниковых, остальные оксиды - к диэлектрическим материалам. Из перечисленных оксидов синтезирован ряд соединений и изучены их наиболее важные технические свойства(табл.1.2).

Таблица 1.1

Физико-химические свойства о ксидовГП

Оксид Сингония Плотность, Электро- Температура Ионные г/см3 отрицатель- плавления, радиусы ность, АХ Тпл ,°С катионов, rk (нм)

СаО куб. 3,37 1,0 2910 0,104

SrO Куб. 4,70 1,0 2430 0,120

ВаО Куб. 5,72 0,9 1920 0,138

СиО монокл. 6,45 2,0 1336 0,080 ai2O3 гексаг. 3,97 1,5 2053 0,057

Сг203 гексаг. 5,21 1,6 2334 0,064 y2o3 куб. 4,84 1,2 2435 0,097

La203 - 6,51 1,2 2217 0,104

Ti02 тетраг. 4,24 1,6 1870 0,064

Zr02 тетраг. 6,27 1,5 2900 0,064

Si02 - 2,65 1,9 1720 0,039

Fe203 - 5,82 1,7 1562 0,067

Mn203 - 5,02 - 1347 0,070 wo3 - 6,47 2,0 1473 0,065

Таблица 1.2

Пер ючень синтезированных в раьоте соединений

Группа Титанаты Цирконаты Алюминаты Хромиты Купраты Соединения СаТЮ3, БгТЮз, ВаТЮ3, гпТЮ3, МпТЮ3 Сагг03, вгёгОэ, Вагг03 гпА1204, 1аАЮ3, СаА1204, МпА1204 СиСг204, УСг03,1пСг03(1п=1а,Рг,Мс1,8т,Еи) ЬпгСиО^Ьп^а^Мс^ЗтДи^УВагСиэОу-х

Титанаты, цирконаты и алюминаты служат основой для изготовления диэлектрической керамики. Указанные соединения хорошо изучены и многие их сочетания широко применяются в радиокерамической промышленности[2-4].

Хромиты иттрия и лантана путем взаимодействия с различными добавками позволили получить полупроводниковую керамику, способную выдерживать воздействие электрического разряда при высокой температуре и окислительно-восстановительной атмосферы. Для них проблема выбора спекающих добавок с целью повышения стабильности и воспроизводимости электрофизических свойств является актуальной.