Что такое керамика? Керамика – неметаллические материалы и изделия, получаемые спеканием глин или порошков неорганических веществ. По структуре керамику подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5-30%), и тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят многие строительные керамические материалы, например лицевой кирпич, к тонкой - фарфор, пьезо- и сегнетокерамику, ферриты, керметы, некоторые огнеупоры и др., а также фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют так называемую высокопористую керамику (пористость 30-90%), к которой обычно относят теплоизоляционные керамические материалы.
Типы керамики В зависимости от химического состава различают оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и другую керамику. Оксидная керамика характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением (1011-10 Ом,см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислительных средах в широком интервале температур; некоторые виды - высокотемпературной сверхпроводимостью, например иттрий-бариевая керамика, а также высокой огнеупорностью. Среди оксидной керамики наибольшее распространение получили:
1. Алюмосиликатная керамика на основе SiO2-А12О3 или каждого из этих оксидов в отдельности. Кремнеземистая керамика содержит более 80% SiO2 и подразделяется на кварцевую и динасовую керамику Первую изготовляют из кварцевого стекла или жильного кварца, вторую - спеканием кварцита в присутствии Fe2O3 и Са(ОН)2, Кварцевая керамика обладает высокой термической и радиационной стойкостью, радиопрозрачностью, высокой кислотостойкостью и огнеупорностью. По мере увеличения содержания Аl2О3 в керамических материалах увеличивается содержание муллита 3Al2O3,2SiO2, что способствует повышению прочности и термостойкости керамика, снижению ее кислотности. К керамике, содержащей около 28% Аl2О3, относят «полукислые» материалы (огнеупоры, фарфор, фаянс, гончарные изделия), а также каолиновую вату, теплоизоляционные материалы на ее основе, шамотные огнеупоры и др. Корундовая керамика, содержащая >90% Аl2О3, характеризуется высоким электрическим сопротивлением при температурах до 1500°С, высокими пределами прочности при сжатии (3-4 ГПа) и изгибе (~ 1 ГПа).
Из алюмосиликатной керамики изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космических аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и многое другое.
2. Керамика на основе SiO2 и дрeub[ оксидов. К этому типу материалов относят керамикe состава SiO2-Al2O3-MgO (кордиеритовая), ZrSiO4 (цирконовая), SiO2-Al2O3-Li2O (сподуменовая), SiO2-Al2O3 BaO (цельзиановая керамика). Для изготовления такой керамика обычно используют глину, каолин, тальк, карбонаты Ва, Li и Са, MgO, минералы эвкриптит, сподумен, петалит, ашарит, трепел, известняк. Применяют в производстве радиотехнических деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азто- и авиасвечей и др.
3. Керамика на основе ТiO2, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, a также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К и Na. Такая керамика характеризуется высоким электрическим сопротивлением, высокой диэлектрической проницаемостью и применяется в электронике и радиотехнике.
4. Керамика на основе MgO. Получают из магнезита, доломита, известняк,, хромомагнезита, синтетического MgO; в качестве добавок используют СаО, Сr2О3, Аl2О3, Магнезиальную керамика, содержащую 80% MgO, применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из чистого MgO используют для производства изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов, Магнезиально-известковую (содержит более 50% MgO, 10% СаО), магнезитохромовую (60% MgO, 5-18% Сг2О3), хромомагнезитовую (40-60% MgO, 15-30% Сг2О3) и хромитовую (40% MgO, 25% Сr2О3) керамику применяют для изготовления огнеупоров. Керамику из хромитов La и Y используют в качестве высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °С), работающих в окислительной среде.
5. Шпинельная керамика на основе ферритов главным образом Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn. Обладает, как правило, ферромагнитными свойствами и способна образовывать твердые растворы замещения. Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и дрeub[ деталей в устройствах памяти и т. п.
6. Керамика на основе оксидов BeO, ZrO2, HfO2, Y2O3, UO2, Химически стойка и термостойка. Так, керамика из ВеО (броммеллитовая керамика), полученная спеканием ВеО с добавками др. оксидов (около 0,5%), например Аl2О3, ZrO2, обладает наибольшей теплопроводностью среди керамических материалов и способна рассеивать нейтроны, Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, например Pt, Be, Ti. В керамике из ZrO2 обычно вводят стабилизаторы (Y2O3, СаО, MgO), образующие с ним твердые растворы; применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную керамику.
К карбидной керамике относят карборундовую керамику, а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой керамики обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (керамика на основе SiC, которая устойчива до 1500 °С в окислительных средах). Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии. Карбидную керамику используют в качестве конструкционных материалов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрических печей и инструментов в металлообрабатывающей промышленности (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb).
К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si3N4, (U, Pu)N, а также керамику, получаемую спеканием соединений, содержащих Si, Al, О, N (по начальным буквам элементов, входящих в керамику, ее называют "сиалон"), или соединений, содержащих Y, Zr, О и N. Изготовляют такую керамику спеканием порошков в атмосфере азота при давлении до 100 МПа, горячим прессованием при 1700-1900 °С. керамика из Si3N4 получают реакцией спекания порошка Si в среде N2; в этом случае обычно образуется пористая керамика. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в различных средах. Предел прочности при изгибе для керамика из BN составляет 75-80 МПа, для керамика из AlN-200-250 МПа, для керамика из Si3N4 - дo 1000 МПа. Керамические нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей промышленности, тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и другая керамика из Si3N4 - конструкционный материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe.
Среди силицидной керамики наиболее распространена керамика из дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрическим сопротивлением (170-200 мкОм,см), стойкостью в окислит, средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Изготовляется спеканием порошка MoSi2 с добавками Y2O3 и других оксидов. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислительных средах.
Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов некоторых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК технике. При изготовлении керамики из глины и непластичного материала последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в стругачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15-25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25-45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлические формы. При изготовлении технической керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные вещества (напр., парафин, воск), олеиновую кислоту и некоторые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в том числе вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию органической связки.
Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных веществ подвергают обжигу - сложному процессу спекания, в результате которого создается материал определенного фазового состава и с заданными свойствами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в специальных камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Температуры обжига колеблются от 900 °С для строительной керамики до 2000 °С для огнеупорной керамики. Для получения плотной керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакционное спекание.
Обычно изделия после обжига готовы к использованию; некоторые виды керамики дополнительно подвергают механической обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса, и других видов тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000-1400 °С стекловидный водо- и газонепроницаемый слой. Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварительному обжигу.
При изготовлении теплоизоляционной керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или керамические волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т.п.
Лит.: Августиник А. И., Керамика. 2 изд.. Л., 1975; Стрелов К.К., Мамыкин П. С., Технология огнеупоров, 3 изд., М., 1978; Выдрик Г. А., Соловьева Т. В., Харитонов Ф. Я., Прозрачная керамика, М., 1980; Балкевич В. Л., Техническая керамика, 2 изд., М., 1984; Стрелов К.К., Теоретические основы производства огнеупорных материалов, М., 1985.
© А.С. Власов.
|
|
