Sinteza i karakterizacija kompozitnog keramičkog materijala na bazi silicijum-karbida i kordijerita
Synthesis and characterization of ceramic composite materials based on silicon-carbide and cordierite
Докторанд
Pošarac-Marković, Milica B.Ментор
Volkov-Husović, TatjanaЧланови комисије
Matović, BrankoJančić-Heinemann, Radmila
Martinović, Sanja
Došen, Anja
Метаподаци
Приказ свих података о дисертацијиСажетак
Predmet ove doktorske disertacije je sinteza i karakterizacija kompozitnih
keramičkih materijala na bazi silicijum-karbida i kordijerita. Silicijum-karbid, SiC, je
kovalentno jedinjenje male gustine, velike tvrdoće, odlične termičke stabilnosti, dobre
toplotne provodljivosti, dobre otpornosti prema termošoku. Ovakva svojstva
omogućavaju njegovu brojnu primenu u raznim oblastima. Zbog kovalentne prirode
veze, dobijanje guste SiC keramike je nemoguće bez dodatka aditiva. Dosadašnja
ispitivanja su pokazala da se dodatkom smese oksida, kao aditiva, dobija gusta SiC
keramika na temperaturama ispod 2100°C. Kordijerit, 2MgO 2Al2O3 5SiO2, poseduje
odličnu termičku stabilnost, nizak koeficijent toplotnog širenja i dobru otpornost prema
termošoku. U ovom radu kordijerit je dobijen iz dva izvora: iz spinela, MgAl2O4, i iz
Mg-izmenjenog zeolita LTA a zatim je uz dodatak silicijum-karbida korišćen za sintezu
kompozitnih materijala. Kompozitni materijali dobijeni su mehaničkim mešanjem SiC
sa 30 i 5...0 mas.% kordijerita, dobijeno je četiri vrste kompozita. Posebna pažnja
posvećena je proučavanju procesa sinterovanja u cilju dobijanja keramike sa
poboljšanim fizičko-hemijskim svojstvima variranjem parametara sastav-temperaturapritisak.
Praćen je uticaj sadržaja dodatog kordijerita na termostabilnost
SiC/kordijeritnog kompozitnog materijala pošto poznavanje otpornosti vatrostalnih
materijala prema termošoku određuje njihovu primenu. Dodatak grafita omogućio je
formiranje pora tokom sinterovanja. Sadržaj dodatog grafita značajno utiče na poroznost
i čvrstoću kompozitnog materijala pa je proučavan uticaj poroznosti na termostabilnost
kompozitne keramike. U okviru istraživanja korišćene su nedestruktivnih metode
karakterizacije: ultrazvučne metode za određivanje dinamičkog Jungovog modula
elastičnosti i čvstoće tokom ispitivanja termošoka, kao i primena alata za analizu slike,
Image Pro Plus program, radi određivanja stepena oštećenja uzoraka pre i u toku
ispitivanja termostabilnosti.
Uspostavljene su zavisnosti i predloženi modeli između izmerenih brzina prostiranja
ultrazvučnih talasa, Jungovog modula elastičnosti, kao i stepena oštećenja uzoraka sa
brojem ciklusa termošoka. Ustanovljeno je veoma dobro slaganje između rezultata
predloženih modela posmatranih veličina sa brojem ciklusa termošoka. Ovakav pristup
je doveo do razvoja modela za predviđanje smanjenja čvrstoće kompozitnih materijala
usled termošoka na osnovu promena brzine prostiranja ultrazvučnih talasa kroz
kompozitne materijale, kao i stepena oštećenja površine kompozitnih materijala.
Takođe, ovaj pristup je iskorišćen radi razvijanja modela koji određuju kritični broj
ciklusa, koje kompozitni materijali izdrže a da ne dođe do razaranja 50 % čeone
površine usled izlaganja termošoku, na osnovu promena posmatranih parametara (brzina
prostiranja ultrazvuka kroz materijal i stepen oštećenja površine)...
The aims of this dissertation are synthesis and characterization of silicon-carbide and
cordierite based ceramic composite materials. Silicon-carbide, SiC, is low density
covalent compound with high hardness value, excellent thermal stability, high thermal
conductivity and good thermal shock resistance. These properties of SiC allow
numerous applications in different fields. Covalent bond of SiC precludes formation of
high density SiC ceramics without additive. Previous investigations show that the
combination of oxide mixture and SiC results in dense SiC ceramics at temperatures up
to 2100°C. Cordierite, 2MgO 2Al2O3 5SiO2, has excellent thermal stability, low
coefficient of thermal conductivity and good thermal shock resistance.
In this dissertation cordierite was synthesized by using two sources: spinel,
MgAl2O4, and Mg-exchanged zeolite LTA and then, the mechanical commixtures with
SiC powder were prepared with the aim of obtaining four types of composite materials
with 30 and 50 wt...% of cordierite.
Particular attention in this thesis was focused on sintering process. Processing
parameters such are composition, temperature, and pressure were changed with the aim
of synthesizing ceramics with good physical-chemical properties. Variation of cordierite
content in composite materials was applied due to examine his impact on thermal
stability of SiC-cordierite composite materials. Graphite, as pore former during
sintering, was added to change porosity of SiC-cordierite composite materials. Since
addition of graphite has strong influence on porosity and hardness, the influence of
graphite additions, 10, 20, and 30 wt%, on thermal stability of SiC-cordierite composite
materials was investigated.
Nondestructive methods of characterization were applied: ultrasonic pulse velocity
technique for determination of dynamic Young modulus of elasticity and strength
during the thermal shock investigation as well as tools for image analyses Image pro
Plus program for determination of degradation level before and during the thermal
shock experiment.
Correlations and models between measured ultrasonic velocity, Young modulus of
elasticity and degree of degradation were established. Good agreement between the
results of suggested models of analyzed parameters with number of thermal shock
cycles were obtained. This approach leads to the models for prediction of strength
degradation level of composite materials during the thermal shock based on changes of
ultrasonic velocity through the composite materials and level of surface degradation.
Based on this analysis, model for prediction of critical number of cycles, the number of
cycles that composite materials exposed to thermal shock can withstand without surface
degradation less than 50 %, was developed...
Факултет:
Универзитет у Београду, Технолошко-металуршки факултетДатум одбране:
21-06-2013Пројекти:
- Синтеза, процесирање и карактеризација наноструктурних материјала за примену у области енергије, механичког инжењерства, заштите животне стредине и биомедицине (RS-MESTD-Integrated and Interdisciplinary Research (IIR or III)-45012)