Защитные керамические наноматериалы

Содержание

Введение……………………………………………………………………………….…3

1. От керамики к нанокерамике…………………………………………………………4

2. Конструкционная керамика………………………………………………………..…8

3. Функциональная керамика ……………………………………………………….…10

3.1Оптически прозрачная керамика……………………………………….....…12

Заключение ……………………………………………………………………….…….17

Список литературы……………………………….……………………………….……18 
Введение

Керамическая плитка, керамические горшки, вазы, тарелки, посуда – мы все время слышим о таком материале, как керамика. Им присущи многие замечательные свойства. Керамика прекрасно выдерживает высокие температуры. При этом она обладает хорошими электрическими характеристиками при хорошей механической прочности. Большинство керамических материалов не поглощают влагу. На научном языке это свойство называют гигроскопичностью. Керамика стойка к воздействию излучений высоких энергий, развитию плесени и поражению насекомых. К тому же сырье для керамических изделий доступно и дешево.

Слово «керамика» произошло от греческого «керамос», что значит «горшечная глина». Раньше все материалы, содержащие глину, называли керамическими. В настоящее время под словом «керамика» понимают не только глиносодержащие, но и другие неорганические материалы, обладающие сходными свойствами. Под этим термином понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения.

Важнейшими компонентами современной керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные композиты.

1. Керамические материалы с точки зрения их технического применения делят на две группы: конструкционная керамика, используемая для создания механически стойких конструкций, и функциональная – со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими свойствами[6].  
   От керамики к нанокерамике

Существует достаточно много определений керамики, но большинство из них не охватывает все классы материалов, относимых к керамическим. Так, керамикой называют материал, полученный из порошка путем формования заготовки и ее последующей термообработки для упрочнения в процессе спекания. При этом не сказано, какой должна быть температура термообработки и каким должно быть вещество. По этому определению керамикой может быть и органический полимер, и стекло, и металл. Хотя технологические стадии, принятые в технологии керамики, с успехом применяют для металлов (порошковая металлургия) и полимеров, эти материалы к керамическим не относят. Керамические материалы получают из неметаллических неорганических веществ: оксидов, карбидов, нитридов, боридов и др., а также их соединений. Вещества могут быть кристаллическими или стеклообразными. Таким образом, отнесение материала к керамике, в основном, определяется технологией и веществом, из которого она состоит.

Классическая схема технологии получения керамики (ее технологических переделов) представлена на рис.1.

Рис. 1. Схема технологии получения керамики

Обычно традиционная керамика содержит кристаллическую фазу, стекловидную фазу, чаще всего располагающуюся по границам кристаллов, и поры. Керамические порошки получают механическим измельчением в мельницах или различными химическими методами. В зависимости от метода формования готовят формовочные массы в соответствующих агрегатах, называемых смесителями. Порошкообразные массы формуют на прессах в пресс-формах. В них меньше всего временной технологической связки. Если количество связки увеличить, то можно получить массу, по консистенции напоминающую пластилин и называемую пластичной. Такие массы формуют, чаще всего, на двух основных видах прессов – шнековых или ленточных, напоминающих мясорубку, и, значительно реже, поршневых, напоминающих шприц. Пластичные массы можно формовать и на обычных прессах, заполняя ею под давлением пресс-форму. Фарфоровую и фаянсовую посуду формуют методом раскатки, который является развитием древнейшего способа формования на гончарном круге. Массы, которые являются высококонцентрированными суспензиями (их в керамике называют шликерами) и способные течь, формуют методом литья. Если это суспензия порошка в воде, то литье называют водным, если в расплавленном парафине – то горячим или парафиновом. Суспензию можно изготовить и в расплаве или растворе термореактивного (при нагревании не плавится, а разлагается) полимера. Заготовки из водных шликеров отливают в гипсовые формы. Гипс очень хорошо впитывает воду, играющую роль связки, и на стенках образует слой пластичной массы. Остаток шликера сливают, заготовку сушат в форме до приобретения прочности, достаточной для извлечения из формы. Парафиновым шликером заполняют металлическую форму и после того, как парафин застынет, заготовку извлекают из формы. Тигли и другие тонкостенные изделия делают методом намораживания парафинового шликера на металлическую деталь, повторяющую внутреннюю форму тигля. Для этого эту деталь окунают в горячий шликер и после намораживания требуемой толщины стенки заготовку снимают с металлической детали.

Если поры в керамике соединяются с поверхностью образца, то их называют открытыми, если нет – закрытыми. Пористую и высокопористую керамику применяют в качестве высокотемпературной теплоизоляции, фильтров, керамических мембран, носителей для нанесения катализаторов. Плотную и высокоплотную керамику используют в качестве резцов для резки металлов, электрических изоляторов, конструкционных материалов. Если получить керамику совсем без пор и с совершенными границами, то она может быть прозрачной. Такую керамику сегодня считают очень перспективной для замены дорогих монокристаллов в лазерной технике.

В технологии прозрачной керамики применяют порошки с минимальным размером частиц, вплоть до наноразмерных (<100нм). Такие же частицы используют при получении тонкого рабочего слоя в керамических мембранах. Размеры пор в этом слое столь малы, что с их помощью можно разделять по размеру молекулы, например, отделить молекулы спирта от молекул воды. Поэтому постепенный переход на наноуровень начался в технологии керамики еще около 30 лет назад. Можно справедливо говорить, что освоение наноуровня – результат дальнейшего развития технологии керамики.

По геометрическим параметрам керамические наноматериалы делят на 0-мерные (0D) – наночастицы, нанокластеры, ассоциаты дефектов, квантовые точки и другие элементы структуры размером менее 100 нм; 1-мерные (1D) диаметром менее 100 нм – нанотрубки, нитевидные кристаллы, нановолокна; 2-мерные (2D) толщиной менее 100 нм – нанопленки, нанослои, нанопокрытия, границы кристаллов, фаз, блоков; 3-мерные (3D) – монолитные изделия, состоящие из элементов структуры размером менее 100 нм или содержащие элементы структуры размером менее 100 нм при условии, что именно наноразмерные элементы структуры определяют их важнейшее эксплуатационное свойство. Кстати, частицы глинистых минералов, используемые в производстве фарфора, фаянса и глиняных кирпичей имеют форму тонких дисков (точнее, шестигранников), толщина которых составляет около 1 нм. К керамическим наноматериалам относят волокна и пленки толщиной более 100 нм, если они состоят из элементов структуры размером менее 100 нм или содержат элементы структуры размером менее 100 нм, но при условии, что именно наноразмерные элементы структуры определяют их важнейшее эксплуатационное свойство. Следует отметить, что элементы структуры с наноразмерами всегда имеются в любом традиционном керамическом материале, но в наноматериалах они определяют их важнейшее эксплуатационное свойство. Если материал (1-, 2-, 3-мерный) не состоит только из однофазных элементов структуры размером менее 100 нм, но содержит керамические элементы структуры размером менее 100 нм, определяющие его важнейшее эксплуатационное свойство, то материал можно считать нанокомпозитом.

Керамика, в которой размер частиц не превышает 100 нм, может показывать уникальные свойства, обусловленные их наноразмером – магнитные, электрические и др. В такой нанокерамике объем, занимаемый границами между наночастицами, соизмерим с объемом, занимаемым частицами. Границы имеют разупорядоченную (в отличие от упорядоченной кристаллической) структуру и имеют меньшую плотность, поэтому плотность беспористой нанокерамики также оказывается ниже, чем у обычной керамики с кристаллами размером значительно больше 100 нм. Такая керамика должна обладать при нагревании высокой пластичностью (способностью к деформации) и даже сверхпластичностью (способностью к очень большой деформации). Это открывает перспективу к получению изделий из керамики методами, разработанными в металлургии – выдавливанием, протяжкой и т.д.

Известно, что чем меньше размер кристаллов в высокоплотной керамике, тем выше ее прочность. Керамика из нанокристаллов должны обладать повышенной прочностью. При полировании такой керамики можно получать исключительно высокую чистоту поверхности, поскольку дефекты (выколы) обычно соизмеримы с размером кристаллов. Однако при изготовлении такой керамики возникают большие трудности на всех переделах технологии, особенно при обжиге. Во время обжига керамика приобретает прочность за счет припекания частиц друг к другу и удаления пор. Этот процесс называют спеканием керамики. Он осуществляется путем переноса материала от частицы к частице (массоперенос) и взаимному перемещению частиц (пластической деформации). Размер частиц при этом обычно увеличивается, и исходные наночастицы могут легко превысить наноразмеры (100 нм)[3].

Керамики обладают высоким уровнем межатомной связи и применяются в качестве конструкционных и функциональных материалов.

2. Конструкционная керамика

Конструкционными называют материалы, обеспечивающие целостность и несущую способность конструкций тех или иных изделий. Для таких материалов важными, как правило, являются физико-механические свойства: модули сдвига и упругости, пределы прочности, относительные удлинения и другие. В качестве конструкционных жаропрочных и коррозионно-стойких материалов применяют SiC, Si3N4, ZrO2, ZrC, Al2O3, TiC, BeO, MgO, AlN, ZrB2 и др. [4]

Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокую прочность и пластичность.

Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований свидетельствуют о высокой перспективности следующих основных типов конструкционных наноматериалов: наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы, создание наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, разработка наноструктурных защитных термо- и коррозионно-стойкий покрытий, формирование обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с наполнителями из наночастиц и нанотрубок.

В настоящее время известно несколько наиболее освоенных технологий компактирования и консолидации наноструктурных конструкционных материалов, которые будут рассмотрены далее.

В лабораторных исследованиях получены образцы изделий из нанофазной керамики (плотности на уровне 0,98−0,99 от теоретического значения) на основе оксидов алюминия и ряда переходных металлов. Экспериментально подтверждено, что плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластичность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокристаллических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. В перспективе повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного формования керамических композиционных изделий, что исключает необходимость трудо- и энергозатратной финишной обработки материалов высокой твердости.

Основными характеристиками конструкционных материалов являются: модуль Юнга, предел текучести, предел прочности, предел усталости, износостойкость, вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжений для острых концентраторов и трещин). В отличии от модуля Юнга, который мало зависит от структуры материала, все остальные характеристики структурочувствительны, т.е. могут управляться посредством целенаправленного изменения структуры, в частности изменением номенклатуры и концентрации структурных дефектов, размеров зерен, ячеек и других субструктурных единиц [2].

Наиболее важными в практическом отношении для конструкционных применений являются материалы на основе диоксида циркония, оксида алюминия, а также некоторые другие простые и сложные оксиды, карбиды, нитриды, бориды.

Для достижения высокой прочности и особенно трещиностойкости керамических материалов используют эффекты, связанные с полиморфным превращением диоксида циркония из метастабильной тетрагональной модификации в стабильную моноклинную.

Такое превращение инициируется внешними механическими нагрузками и приводит к необратимым затратам работы при деформировании и разрушении материала. В системах с дисперсными частицами диоксида циркония получены уникальные материалы, имеющие прочность при изгибе выше 1500 МПа и трещиностойкость K1c более 30МПа·м1/2. Они обладают также повышенной устойчивостью к медленному росту трещины и термостойкостью

3. Функциональная керамика

Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств. Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например, электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими, пьезоэлектрическими и другими свойствами. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы – преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие. Как функциональные материалы керамики применяют, например, в качестве резисторов – NbC, SiC; фильтров (пористых изделий) – ZrO2, ZrC, SiC, Al2O3, TiB2, Si3N4, термоэлементов ZrB2, TiC, электродов SiC, LaB6, Y2O3 и др. [4]