Керамика

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемператур­ного обжига. В результате обжига (1200—2500°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 % стеклофазы, 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: А1₂О₃ (ко­рунд), ZrO₂, AlgO, CaO, BeO. 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 °С, 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 мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристалли­ческом строении на границе между кристаллами возникают значи­тельные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается. 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 по свой­ствам превосходит другие инструментальные материалы.

Особенностью оксида циркония (ZrO₂) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из ZrO₂ 2000— 2200°С; 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.

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, для тепловыделяющих элементов в энергетических 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) и износостойкостью по отноше­нию к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хруп­костью. 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 получил карбид кремния — карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500— 1600°С), 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. Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB₂, ZrB₂ 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°С 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.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводнико­выми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-1700°С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700°С в течение нескольких тысяч часов. Из спеченного MoSi₂ изготовляют лопатки газовых турбин, сопло­вые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазоч­ный материал для подшипников, для защитных покрытий туго­плавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена, имеющий высокие антифрик­ционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от -150 до 435°С, в вакууме до 1100°С, в инертной среде до 1540°С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к ра­диации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НС1, HNO₃, и царской водке. При температуре выше 400°С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °С образуется МоО₃, являющийся абразивом.