Керамика

КЕРАМИЧЕСКИЕ  МАТЕРИАЛЫ

Керамика - неорганический материал, получаемый из отформованных  минеральных масс

в процессе высоко температурного обжига. В результате обжига (1200-2500^О

С) формируется  структура материала (спекание), и  изделие приобретает

необходимые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает 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 % стекло фазы,

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: Аl₂О₃ (корунд),

ZrO₂, MgO, СаО, ВеО, 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^ОС, 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 мелко кристаллические структуры,

так как при  крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами

возникают значительные внутренние напряжения.

                             

    

Рис.2. Зависимость потери массы оксидных керамик в вакууме (p = 0,013 Па) от температуры: 1 – MgO; 2 – Al2O3; 3 – ZrO2(стабилизованная CaO); 4 – BeO; 5 – ZrO2(стабилизованная MgO)

 

    

С повышением температуры  прочность керамики понижается (рис.1.). При

использовании материалов в области высоких температур важным Свойством

является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена

процессу окисления.

     Керамика на основе А1₂О₃ (корундовая) обладает

высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически

стойка, отличный 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 качестве вакуумной, 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 3960 кг/м3, σ_сж

до 5000 МПа, твердость 92-93 HRA и красностойкость до 1200 ^ОС, 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 керамики из ZrO₂ 2000-2200 ^ОС;

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 оксида 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. Летучесть

спеченных оксидов  в вакууме показана на рис.2.

     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 плавки 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 табл.1.

    

Оксиды1	Температура плавления,оС	Плотность (Теоретическая) кг/м3	Предел прочности, МПа			Модуль упругости, ГПа	Твёрдость по Моосу	Коэффициент линейного  расширения, α, 10-6 с-1	Коэффициент теплопро-водности 2, Вт/(м·К)	Удельное электрическое  сопротивление (объёмное), Ом·см	Стойкость к тепло- вому удару	Стойкость к эрозии
			При растяжении	При изгибе	При сжатии
Al2O3	2050	3 990	260	150	3000	382	9	8,4	36,2-6,08 (100-1600оС)	1016	Высокая	Высокая
ZrO2	2700	5 600	150	230	2100	172	7-8	7,7	1,95-2,44 (100-1400ос)	104 (1000 оС)	Низкая	»
BeO	2580	3 020	100	130	800	310	9	10,6	218,6-151,1 (100-1600оС)	1014	Высокая	Средняя
MgO	2800	3 580	100	110	1400	214	5-6	15,6	34,4-6,57 (100-1600оС)	1015	Низкая	»
CaO	2570	3 350	-	80	-	-	4-5	13,8	13,8-8,37 (100-400оС)	1014	»	»
ThO	3050	9 690	100	-	1500	140	7	10,2	10,4-3,34 (100-1000оС)	1013	Низкая	Высокая
UO2	2760	10 960	-	-	980	164,5	6	10,5	9,8-3,4 (100-1000оС)	103 (800 оС)	-
1 Стойкость к окислению средняя 2 В скобках указана температура испытания

 

     Таблица 1. Свойства керамики на основе чистых оксидов

     Бескислородная  керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям

относятся соединения элементов с углеродом (МеС) карбиды, с бором (МеВ) -

Бориды, с азотом (MeN) - нитриды, с кремнием (MeSi) - силициды и с серой (MeS)

- сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500-3500

^ОС), 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^ОС, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут

выдерживать температуру 1300 - 1700^ОС (на поверхности образуется

пленка кремнезема) .

     Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния - карборунд (SiC). Он

обладает высокой  жаростойкостью (1500 - 1600 ^ОС), высокой

твердостью, устойчивостью  к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется

в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита  и в качестве

абразива.

     Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их

электропроводность  очень высокая (ρ_V = (12-57) Х 10

^-1 Ом·м). они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике

получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiВ₂, ZrB

₂ 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 используют для изготовления термопар, работающих при

температуре свыше 2000 ^OC в агрессивных средах, труб, емкостей,

тиглей. 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 α-BN - «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

^ОС в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в

качестве материала  обтекателей антенн и электронного оборудования летательных

аппаратов. Другой модификацией является β-BN - алмазоподобный нитрид бора

с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении

и температуре 1360 ^ОС в присутствии катализатора. Плотность эльбора

3450 кг/м^З, температура плавления 3000 ^ОС. Он является

заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 ^ОС (алмаз начинает

окисляться  при температуре 800 ^ОС).

     Нитрид кремния (Si₃N₄) более других нитридов

устойчив на воздухе и в окислительной  атмосфере до 1600 ^ОС. По

удельной прочности  при высоких температурах Si₃N₄

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 др.), 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 ^ОС, при 1000 ^оС они не

реагируют с  расплавленным свинцом, оловом и  натрием. Дисилицид молибдена (MoSi

₂) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя

в печах при температуре 1700 ^оС в течение нескольких тысяч часов.

Из спеченного MoSi₂ изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые

вкладыши двигателей; его используют как твердым смазочный  материал. для

подшипников, для  защитных покрытии тугоплавких металлов от высокотемпературного

окисления_