Керамическая технология и классификация керамики

ВВЕДЕНИЕ

Керамика является третьим наиболее широко используемым промышленностью материалом после металлов и полимеров. Она является наиболее конкурентоспособным по сравнению с металлами классом материалов для использования при высоких температурах. Большие перспективы открывает использование транспортных двигателей с деталями из керамики, керамических материалов для обработки резанием и оптической керамики для передачи информации. Это позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.

КЕРАМИЧЕСКАЯ ТЕХНОЛОГИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ КЕРАМИКИ

Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В таблице 1 приведена классификация основных видов керамики.

Таблица 1 – Характеристика основных видов керамики

Функциональный тип керамики	Используемые свойства	Применение	Используемые соединения
Электрокерамика	Электропроводность, электроизоляционные, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства	Интегральные схемы, конденсаторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзисторы	BeO, MgO, Y2O3, ZnO, Al2O3, ZrO2, SiC, B4C, TiC, CdS, Si3N4
Магнетокерамика	Магнитные свойства	Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты	Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты
Оптокерамика	Прозрачность, поляризация, флуоресценция	Лампы высокого давления, лазерные материалы, экраны дисплеев, модуляторы	Al2O3, MgO, Y2O2, SiO2, ZrO2, TiO2, Y2O3, ThO2, ZnS, CdS
Хемокерамика	Абсорбционная и адсорбционная способность, каталитическая активность	Сорбенты, катализаторы и их носители, датчики влажности газов, элементы химических реакторов	ZnO, Fe2O3, SnO, SiO2, MgO, BaS, CeS, TiB2, ZrB2, Al2O3, SiC
Биокерамика	Биологическая совместимость, стойкость к биокоррозии	Протезы зубов, суставов	Системы оксидов
Термокерамика	Жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, теплопроводность, теплоемкость	Огнеупоры, тепловые трубы, теплообменники, теплозащита	Sic, TiC, B4C,TiB2, ZrB2, Si3N4, BeS, CeS, BeO, MgO, ZrO2, Al2O3, TiO2
Механокерамика	Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, термостойкость	Керамика для тепловых двигателей, уплотнительная, режущий инструмент, пресс-инструмент	Si3N4, ZrO2, SiC, TiB2, ZnB2, TiC, TiN, WC, B4C, Al2O3, BN
Ядерная керамика	Радиационная стойкость, сечение захвата нейтронов, огнеупорность, радиоактивность	Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения	UO2, UO2-PuO2, UC, US, ThS, SiC, B4C, Al2O3, BeO
Сверхпроводящая керамика	Электропроводность	Линии электропередач, интегральные схемы, электромобили	Оксидные системы: La-Ba-Cu-O La-Sr-Cu-O Y-Ba-Cu-O

Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т. е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.

При производстве высококачественной керамики с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Измельчение производится механическим путем с помощью мелющих тел, а также путем распыления измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами. Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.

Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают следующие основные группы методов формования:

1. Прессование под действием сжимающего давления, при котором происходит уплотнение порошка за счет уменьшения пористости;

2. Пластичное формование выдавливанием прутков и труб через мундштук (экструзия) формовочных масс с пластификаторами, увеличивающими их текучесть;

3. Шликерное литье для изготовления тонкостенных изделий любой сложной формы, в котором для формования используют жидкие суспензии порошков.

При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной – экструзии и шликерному литью.

При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит и формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.

Применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изостатического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять до 2000 – 2200°С.

Часто применяются совмещенные методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях – синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.

Обработка керамики и контроль являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий. К основным методам обработки керамики относятся термообработка и размерная обработка поверхности. Термообработка керамики производится с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20 – 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.

Большинство керамических материалов с трудом поддается механической обработке. Поэтому основным условием керамической технологии является получение при консолидации практически готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработку. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих залечить мельчайшие поверхностные дефекты – неровности, риски и т. д.

Для контроля керамических деталей чаще всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопию.

Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению. Большинство керамических материалов имеет низкую вязкость и пластичность и соответственно низкую трещиностойкость. Вязкость разрушения кристаллической керамики составляет около 1 – 2 МПа/м^1/2, в то время как для металлов она составляет более 40 МПа/м^1/2.

Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керамических материалов. Один из них традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагрузкой. Существует несколько способов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония ZrO₂, под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура ZrO₂ переходит в моноклинную, имеющую на 3 – 5 % больший объем. Расширяясь, зерна ZrO₂ сжимают трещину, и она теряет способность к распространению (рисунок 1, а). При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м^1/2.

Второй способ (рисунок 1, б) состоит в создании композиционного материала путем введения в керамику волокон из более прочного керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 18 – 20 МПа/м^1/2, существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.

Рисунок 1 – Схема упрочнения конструкционной керамики включениями ZrO₂ (а), волокнами (б) и мелкими трещинами (в): 1 – тетрагональный ZrO₂; 2 – моноклинный ZrO₂

Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рисунок 1, в). При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространяется.

Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамики. Он реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si₃N₄. Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si_3-хAl_xN_4-хO_х, где х – число замещенных атомов кремния и азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 2,1. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.

Дата добавления: 2015-09-05