Керамика

Керамика – сложная многофазовая система, содержащая кристаллическую, стекловидную и газовую фазы. Кристаллическая фаза – основная фаза, определяющая свойства керамики (диэлектрическую и магнитную проницаемости, мощность потерь, КЛТР, теплопроводность, механическую прочность). Стекловидная фаза – прослойки стекла, связывающие между собой зерна кристаллической фазы, количество этой фазы определяет в основном технологические свойства керамики (температуру спекания, степень пластичности и др.). Газовая фаза нежелательна, она уменьшает механическую и электрическую прочность, увеличивает диэлектрические потери при повышенных напряженностях электрического поля (из-за ионизации газа в порах).

Основные процессы изготовления керамики: подготовка массы (ших- ты, шликера), формование, сушка, обжиг.

Подготовка шихты включает следующие этапы:

- тщательный контроль и регулировка физико-химических свойств используемых материалов (чистота, дисперсность, структурные характеристики, активность);

- предварительная термообработка исходных материалов (прокаливание или плавление) и использование эффективных методов тонкого размельчения (несколько мкм);

- составление шихты – подбор необходимого соотношения компонент, при этом применяются механический метод смешивания, химический метод смешивания (совместное осаждение компонент в виде гидратов из жидких растворов солей), криохимический метод смешивания (концентрированные водные растворы солей мгновенно замораживаются, при этом образуются гранулы из капель, содержащие кристаллы льда и твердые соли, воду затем сублимируют в вакууме);

- введение добавок в шихту;

- гранулирование шихты – образование вторичных зерен из исходных порошков для прессования (формования заготовок), методы – прессование и распылительная сушка.

Применяются следующие добавки в шихту:

- минерализаторы – для интенсификации процесса обжига (искусственные центры кристаллизации, активирующие действие процесса спекания, ускорение диффузионных процессов, спекание кристаллов легкоплавкими плавнями - K₂O, Na₂O);

- пластификаторы – для повышения пластичности массы и облегчения процессов формования изделий (водные неорганические; водные органические – суспензии полимеров; неводные органические – масла, смолы, парафин для экструзии и штамповочного формования; связующие вещества для адгезионного склеивания твердых частиц – ПВС, парафин, искусственный воск, декстрин, метилцеллюлоза и др.);

- модификаторы – для управления электрофизическими свойствами керамики: добавление Nb₂O₅ к ТiO₂ – повышает электронную проводимость, добавление Nb₂O₅ + Na₂O в ТiO₂ делает керамику полупроводником.

Формование заготовок проводится следующими методами:

- холодное прессование в пресс-формах, одностороннее и двухстороннее;

- изостатическое формование – гидростатическое (жидкость через эластичную резиновую оболочку при одновременном вакуумировании порошка) и вибрационное уплотнение (для трудноформуемых материалов – карбиды,дориды, силициды);

- горячее прессование (одновременное действие температуры и сжимающего усилия);

- горячее литье – для сложных геометрических форм: готовится литейная система (шликер – керамика + термопластическая связка – 15 – 25 %, ПВА, парафин);

- литье под давлением.

Термическая обработка заготовок:

- удаление технологической связки в 4 этапа (нагрев до 60 ^оС для плавления связки, нагрев от 60 до 300 ^оС для миграции связки, нагрев от 300 до 600 ^оС для разложения С_nH_m, нагрев от 600 до 950 ^оС для выгорания связки);

- спекание (твердофазное, с участием жидкой фазы) с уплотнением (усадкой) и рекристаллизацией;

- горячее спекание (прессование + спекание).

Технологические режимы (время и температура) зависят от типа керамики (предварительный обжиг и окончательное спекание): Al₂O₃ – 1 300 ^оC и 1 800 – 1 900 ^оС (подложки для микросхем); ВеО – 900 ^оС и 1 800 – 2 000 ^оС (подложки для микросхем); BaTiO₃ – 1 320 – 1 400 ^oC (сегнетоэлектрическая конденсаторная керамика); PbZrO₃ – PbTiO₃ (ЦТС) – 500 – 1 000 ^оС и 500 – 700 ^оС (пьезокерамика); Fe₂O₃ – 300 ^оС и 900 – 1 000 ^оС (1 150 – 1 300 ^оС) (ферритовая керамика).

Алюмосиликаты магния.

Диаграмма состояния тройной системы (MgO – Al₂O₃ – SiO₂) приведена на рис. А8.1.

Рисунок А8.1. Диаграмма состояния системы (MgO – Al₂O₃ – SiO₂):

1 – периклаз, 2 – кристобалит, 3 – шпинель, 4 – корунд, 5 – муллит, 6 – форстерит, 7 – тридимит, 8 – кордиерит, 9 – стеатит

Применение керамик системы MgO – Al₂O₃ – SiO₂: изоляторы, экраны, вкладыши, оболочки, траверсы, окна разрядных ламп, СВЧ-ламп, ЭЛТ, рентгеновских трубок; цоколи, детали печей, оправки, шаровые мельницы и др. Методы изготовления деталей из керамики: литье, экструзия, прессование мокрое и сухое. Обжиг керамики проводится при 1 200 – 1 300 ^оС.

Оксидная керамика (ОК): ОК (без SiO₂) состоит из тугоплавких окислов (Al₂O₃, ZrO₂, BeO, ThO₂) или смесей окислов (Al₂O₃ ∙ MgO) и применяется для более высокотемпературных и химически стойких изделий. Основное отличие от силикатной керамики - синтетическое сырье с малым количеством примесей (Са, щелочи, растворимые соли, Fe₂O₃). Пластичность исходной порошковой массы достигается размолом частиц до 5 мкм. Обжиг ОК проводится при 1 800 – 2 200 ^оС в зависимости от состава.

Алюмооксидная керамика (АОК) – Al₂O₃ получается прокалкой гидроокиси Al при 1 400 – 1 500 ^оС либо из мелкокристаллического порошка корунда, переплавленного в дуговых печах. Размол частиц до 12 – 15 мкм проводится в стальных мельницах. Примесь Fe удаляют магнитной сепарацией и промыванием 10 – 15 % HCl (200 л на 100 кг Al₂O₃) в течение 24 ч. Затем проводят многократную промывку дистиллированной Н₂О, сушку, просеивание и добавление эфира целлюлозы. Изготовление деталей проводят литьем, экструзией или сухим прессованием. АОК обжигается при температуре 1 700 – 1 900 ^оС в течение 1 – 3 ч, при этом мелкие кристаллы плавятся, соединяются с крупными, образуя вакуумноплотную деталь. Усадка составляет от 20 до 40 %.

Применение АОК: изоляторы, вкладыши, вакуумные и водородные печи, алундовый порошок и крупка для изоляции (тепловой и электрической) в печах, тигли и др. Трубки из поликристаллической Al₂O₃ (поликор) или Y₂O₃ для горелок натриевых разрядных ламп высокого давления (типа ДНаТ) делаются из порошков с очень малым количеством примесей: Si – 0,0005 %, B – 0,01 – 0,02 %, Cu – 0,0005 %, Na – 0,001 – 0,007 %, Fe,Mg,Al – 0. В работах ВНИИИС им. А. Н. Лодыгина [21] показано, что со сроком службы ламп концентрация примеси Si в поликоровых трубках увеличивается (на внешней поверхности в 2 раза больше, чем на внутренней, причинами чему являются ионно-плазменное распыление внутренней поверхности внешней колбы и диффузия примесей сквозь стенку поликоровой трубки в разряд).

Задания для самостоятельной работы

1. Определение и структурный состав керамики, ее отличие от стекла, области применения различных видов керамик.

2. Основные процессы и режимы изготовления керамических изделий, применяемое технологическое оборудование.

3. Охарактеризуйте основные свойства различных керамик, применяемых в источниках света и п/п приборах.

Дата добавления: 2014-11-25