Керамические материалы

КЛАССИФИКАЦИЯ ВИДОВ КЕРАМИКИ

Характерными особенностями технологии керамики являются формование изделия сырца из исходных порошкообразных материалов различными методами, закрепление полученной формы и придание заготовке камневидного состояния путем спекания в процессе обжига.

Керамическое производство с древнейших времен до конца XIX столетия основывалось на использовании при оформлении сырца пластических свойств исходного сырья - глины. Исходный порошок - глину - замачивали водой, полученная при этом масса приобретала пластические свойства, которые давали возможность оформлять изделие - сырец любой формы и вводить в эту массу различные непластичные добавки - полевой шпат, кварц, шамот и др. В настоящее время представление о керамических материалах значительно расширилось.

Среди многочисленных видов керамического производства осталось очень мало таких, которые основываются на использовании пластических свойств исходного сырья - глины и каолина. Такими являются только производства фарфоро - фаянсовой и глиняной посуды, строительного кирпича и черепицы, канализационных и кислотоупорных изделий.

Существующие в настоящее время виды технической керамики можно разделить на две более или менее самостоятельные группы:

1. Керамику высшей огнеупорности:

o керамика чистых окислов;

o керамика карбидов, боридов, нитридов, силицидов и сульфидов;

o керамико-металлические изделия (будут рассмотрены позднее в разделе “Композиционные материалы”).

2. Радиотехническая керамика:

o высокочастотная керамика;

o кондесаторная керамика;

o вакуумная керамика;

o пьезоэлектрическая керамика;

o ферромагнитная керамика.

В современных условиях под керамикой следует понимать - неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200 - 2500°С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

ТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА

Включает в себя искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1 - 10% стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на: плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой поликристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

КЕРАМИКА НА ОСНОВЕ ЧИСТЫХ ОКСИДОВ

В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: Al₂O₃ (корунд), ZrO₂, MgO, CaO, BeO, ThO₂, UO₂. Структура керамики однофазная поликристаллическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000°С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается (рис. 3.3). При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Рисунок 3.3 – Зависимость предела прочности при изгибе

спеченной оксидной керамики от температуры:

1 – ZrO₂ (стабилизатор MgO);

2 – шпинель (MgOּAl₂O₃);

3 – корунд Al₂O₃;

4 – BeO;

5 – MgO

Керамика на основе Al₂O₃ (корундовая ) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, хороший диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной промышленности, пористую - как термоизоляционный материал.

В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3,96 г/см³, s_сж до 5000 МПа, твердость 92 - 93 HRA и красностойкость до 1200°С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония (ZrO₂) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения этой керамики 2000 - 2200°С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т.д.

Керамика на основе бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радиоактивна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавления родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей (ThO₂), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (UO₂).

Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приведены в таблице 3.1.

БЕСКИСЛОРОДНАЯ КЕРАМИКА

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) - карбиды, с бором (МеВ) - бориды, с азотом (МеN) - нитриды, с кремнием (MeSi) - силициды, с серой (MeS) - сульфиды. Эти соединения отличаются высокой огнеупорностью (2500 - 3500°С), твердостью, (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам.

Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900 - 1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300 - 1700°С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния - карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500 - 1600°С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

В настоящее время методами реакционного спекания получают монолитный поликристаллический карбид МПК на основе карбида кремния. Благодаря своим физическим свойствам МПК получил широкое применение в черной и цветной металлургии, химической, радиоэлектронной, целлюлозно-бумажной промышленности, энергетике, машиностроении. В черной металлургии из МПК изготавливают секции желобов электронагревательных колодцев для безокислительного нагрева слитков перед их прокаткой, теплообменники непрерывного действия, бандажные кольца сталепроволочнопрокатных станов. Материал МПК можно рекомендовать также для изготовления пресс-форм горячего прессования ферритов, для металлопроводов, муфелей печей и т.д. Изделия из МПК выпускает Броварской завод порошковой металлургии.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая. Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrB₂ и др). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его применяют для изготовления труб, емкостей, тиглей, термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивных средах. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах - полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются, Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Нитрид бора - a - ВN - “белый графит” - имеет гексагональную графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при 1800°С в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является b - BN - алмазоподобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360°С в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3,45 г/см³, температура плавления 3000°С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000°С (алмаз начинает окисляться при 800°С).

Нитрид кремния (Si₃N₄) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600°С. По удельной прочности при высокой температуре этот нитрид превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и т.д.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300 - 1700°С, при 1000°С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом, натрием. Дисилицид молибдена (MoSi₂) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700°С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi₂ изготавливают лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена (MoS₂), имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумостойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от - 150 до 435°С, в вакууме до 1100°С, в инертной среде до 1540°С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких HСl, HNO₃ и царской водки. При температуре выше 400°С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592°С образуется MoO₃, являющийся абразивом.

Свойства бескислородной керамики приведены в таблице 3.2.

РАДИОТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА

Представляет собой искусственно синтезированные материалы, предназначенные для использования в качестве электрической изоляции, работающей в самых разнообразных условиях. Области применения и требования к свойствам электороизоляционной керамики весьма разнообразны; они зависят в основном от параметров электрического тока - его силы, напряжения, частоты и др.

Основным признаком, по которому классифицируют радиотехническую керамику, является применение последней. Преимущество этой классификации заключается в том, что в этом случае

подчеркиваются специфические условия эксплуатации материалов и тем самым определяются основные свойства керамики.

Различают следующие виды радиотехнической керамики:

- высокочастотная стеатитовая;

- конденсаторная титановая;

- пьезоэлектрическая;

- ферромагнитная.

Высокочастотную стеатитовую керамику, предназначенную для изделий высокочастотной аппаратуры, получают из талька, глины, углекислых Са и Ва и органических пластификаторов. Из стеатитовой керамики изготавливают оси, корпуса для катушек, каркасы для сопротивлений, конденсаторы, ламповые панели и многие другие керамические изделия.

Конденсаторную титановую керамику, изготовляемую из TiO₂, а также окислов Ba, Mg, Ca, Zr и глины широко используют в радиотехнике и приборостроении. Из титановой керамики изготавливают полые изделия в виде тел вращения, трубчатые конденсаторы и др.

Пьезоэлектрическая керамика (сегнетоэлектрик) - керамика, которая обладает так называемым пьезоэлектрическим эффектом, сущность которого состоит в превращении электрической энергии в механическую и наоборот.

Наиболее характерным и распространенным пьезокерамическим материалом является титанит бария BaTiO₃. Он изотропен и в связи с этим проявляет пьезоэлектрические свойства во всех направлениях.

В последнее время пьезоэлектрические материалы получили широкое распространение в различных областях радиотехники и радиоэлектроники. Пьезоэлектрики служат для изготовления малогабаритных конденсаторов с большой удельной емкостью, различных преобразователей, применяющихся в микрофонах, звукоснимателях и приемниках ультразвука, датчиках давления и других устройствах. Применяется пьезокерамика также при изготовлении ЭВМ в качестве запоминающих устройств.

Ферромагнитная керамика (ферриты) - это соединения типа Me₂Oּ Fe₂O₃ или MeOּ Fe₂O₃ (где Me₂O и MeO - условное обозначение окислов одно- или двухвалентных металлов), характеризующиеся высокой магнитной проницаемостью и хорошими диэлектрическими свойствами.

Ферриты, подобно пьезокерамике, обладают определенным температурным диапазоном проявления магнитных свойства и соответствующей предельной температурой, до которой проявляются магнитные свойства (точка Кюри). Магнитная проницаемость и магнитные характеристики ферритов зависят от температуры и частоты. Так, магнитная проницаемость ферритов с повышением частоты понижается (величина магнитной проницаемости может изменяться от единицы до тысячи).

В зависимости от состава и свойств ферритов из них изготавливают различные контурные катушки, магнитные экраны, сердечники, авиаантены радио- и телеприемных устройств, блоки ЗУ современных ЭВМ и т.д. Различают магнитомягкие ферриты, ферриты с прямоугольной петлей гистерезиса, магнитотвердые ферриты.

Технология изготовления ферритов во многом сходна с технологией производства порошковых материалов. При изготовлении ферритов компоненты шихты смешивают с водой, смесь сушат и прессуют, затем производят отжиг при 900 - 950°С, размол с добавками пластификатора (10%-ный поливиниловый спирт), прессование изделий, сушка и спекание при 1350°С в течение 2 часов. В процессе изготовления ферритов требуется особая чистота и тщательное соблюдение технологического режима.

Дата добавления: 2014-01-11