Керамика

Керамика — неорганический материал, получаемый путем обжига при высокой температуре 1200—2500°С. Первоначально керамикой называли обожженную глину, «керамикос» по гречески глиняный. Сейчас этот термин применяется к широкому кругу материалов с разнообразным химическим составом. В результате обжига или спекания формируется структура материала, состоящая из кристаллической и аморфной фазы, с газовыми включениями или порами. В результате изделия приобретает необходи­мые физико-механические свойства.

Кристаллическая фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Аморфная фаза в количестве 1—10 % находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Стеклообразующие компоненты (или глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики. По количеству этой фазы керамику подразделяют на плотную и пористую. Наличие пор как правило нежела­тельно, так как снижается механическая прочность и другие свойства материала.

Большинство видов технической керамики обла­дает плотной спекшейся структурой поликристаллического строе­ния.

По химическому составу керамику подразделяют на две большие группы: оксидная и бескислородная керамика.

· Керамика на основе оксидов

В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А1₂О₃ (ко­рунд), SiO₂, ZrO₂, MgO, CaO, BeO и др. Температура плавления чистых оксидов превышает 2000 °С, поэтому такую керамику относят к классу высокоогнеупоров. Оксиды химически стабильные соединения не подверженные дальнейшему окислению при нагреве. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает значительно большей прочностью при сжатии, по сравнению с проч­ностью при растяжении или изгибе.

Корундовая керамика (на основе А1₂О₃) обладает чрезвычайной проч­ностью, которая сохраняется при высоких температурах. По прочности корунд занимает второе место, уступая только алмазу. Керамика хими­чески стойка, является отличным диэлектриком. Другие её свойства приведены в Табл.15.

 

 

Табл.15. Свойства корундовой керамики.

		Твердость, HRA	Жаропрочность, оС
Сжатие

Изделия из корундовой керамики широко применяют во многих областях техники. В электротехнике из неё изготавливают изоляторы, диэлектрические основания, платы. В машиностроении делают высокоскоростные резцы, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвей­еров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания и т.д.. Керамику с плотной структурой используют в вакуумной технике, пористую – как термоизоляционный материал. В ко­рундовых тиглях проводят плавку металлов.

Керамика на основе оксида циркония (ZrO₂) может работать до температуры 2200°С, имеет малую теплопроводность. Она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве теплозащитных покрытий металлов.

Керамика на основе оксида бериллия (BeO) напротив отличается высокой тепло­проводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Проч­ность материала невысокая. Применяется для изготовления тиглей для плавки металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах.

· Бескислородная керамика

К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом — карбиды, с бором — бориды, с азотом — нитриды, с кремнием — силициды и с серой — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500—3500°С), твердостью (иногда как у алмаза), износостойкостью и химической стойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Их недостатком является хруп­кость. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900—1000°С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300—1700°С.

Карбиды. Широкое применение получила керамика из карбида кремния — карборунд (SiC). Он обладает полупроводниковыми свойствами, высокой жаростойкостью до 1600°С, твердостью, устойчивостью к кислотам. При подключении к нему электрического напряжения, протекает значительный ток, и материал греется. Этот эффект используют для изготовления нагревательных стержней из карбокорунда.

Карбид бора B₄C легкий и прочный материал, используется как керамическая броня для бронежилетов. Слой 6 мм по эффективности защиты заменяет 10 мм металлической брони, при этом сам жилет становится в 4 раза легче.

Силициды тоже полупроводники, отличаются окалиностойкостью, стойкостью к действию кислот и щелочей. Например, дисилицид молибдена MoSi₂ используется в качестве электронагревателя в печах, который стабильно работает в течение нескольких тысяч часов при температуре 1700°С. Из такой керамики изготовливают лопатки газовых турбин, сопло­вые вкладыши реактивных двигателей; её применяют для защитных покрытий туго­плавких металлов от окисления при высоких температурах.

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.). Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его исполь­зуют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000°С в агрессивной среде. Покрытия из боридов сильно повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются огнеупорными материалами, имеют низкие теплопроводность и электро­проводность. Так нитрид бор (эльбор) очень твердый и прочный материал, это заменитель алмаза. Но алмаз стоек к окислению при нагреве до 800°С, а эльбор – до 2000°С. Другой материал нитрид кремния Si₃N₄ устойчив к окислению до 1600°С , очень прочен, обладает малой плотностью. Этот материал рекордсмен по удельной прочности при высоких температурах. При этом он в несколько раз дешевле жаропрочных металлических сплавов. Из него изготавливают керамические детали для двигателей внутреннего сгорания работающие в условиях нагрева: поршни и цилиндры.

 

· Контрольные вопросы

1. Приведите примеры неорганических материалов.

2. Каков химический основной химический состав силикатного стекла?

3. Свойства стекла?

4. Что такое ситаллы?

5. Какие материалы называют керамикой?

6. Каков фазовый состав керамики?

4.6. Композиционные материалы

Композиционными называют материалами, состоящие из двух (и более) материалов. При таком сочетании возможно совмещение положительных качеств каждого составляющего, и получение нового материла с улучшенными прочностными свойствами. Композиционные материалы (КМ) состоят из матрицы (или связующего) и упрочняющего (или армирующего) материала. В зависимости от рода входящих в состав материалов различают металлические и неметаллические композиционные материалы. По способу упрочнения подразделяют дисперсноупрочненные и волокнистые КМ.

4.6.1. Дисперсноупрочнённые композиционные материалы

В дисперсноупрочненные КМ состоят из основного материала (матрицы) и вкрапленых в неё мелких частиц 10–500 нм (Рис.58.). Матрица несет основную нагрузку, а дисперсные частицы затрудняют движение дислокаций. Для достижения высокой прочности частицы должны быть равномерно распределены по матрице. В качестве дисперсных частиц используют тугоплавкие нерастворимые оксиды металлов в количестве 5–10% от массы.

У металлических КМ предел за счет упрочнения прочность повышается на 50-100% , увеличиваются модуль, упругости и жесткость, жаропрочность приближается вплотную к температуре плавления 0,9–0,95 t_пл. Снижается вероятность трещинообразования, практически устраняется склонность к внезапному хрупкому разрушению, т.к. трещины активно тормозятся дисперсными частицами. Это важное положительное качество композиционных материалов.

В качестве примера рассмотрим широко применяемый спеченный алюминиевый порошок САП.

Он изготавливается из алюминиевого порошка, который спекается при высокой температуре под давлением. Частицы порошка алюминия покрыты тонким слоем прочного тугоплавкого оксида Al₂O₃ . При прессовании и спекании пленки разламывается на кусочки и распределяется по алюминиевой матрице. Получается дисперноупрочненный КМ.

САП обладает следующими свойствами.

1) предел прочности σ = 400 МПа

2) пластичность около 3%

3) прочность при высоких температурах (250–500 ºС) 50 МПа.

САП материал легкий, как алюминий ρ = 2700 кг/см³ , у него прочность при температурах 250–500 ºС, как у титана и сталей. Т.е. он сочетает легкость и высокую прочность . По этим свойствам он заменяет титан при температурах до 500 ºС, а по стоимости он намного дешевле его.

Другой пример КМ на основе никеля, который упрочняется тугоплавкими частицами оксида тория или оксида гафния. Получается очень хороший жаропрочный и коррозионностойкий материал сохраняющий высокие свойства до температуры t_раб = 1200 ºС.