4.3. Строение керамики

Керамикой называют материалы, полученные спеканием (обжигом) при высоких температурах минеральных порошков и оксидов. При спекании исходные вещества взаимодействуют между собой, образуя кристаллическую и аморфную фазы. Керамика представляет собой пористый материал, содержащий ковалентные или ионные кристаллы. Аморфная фаза является стеклом, которое по своему химическому составу отличается от кристаллов. Керамический материал может содержать одну или несколько кристаллических фаз, отдельные виды керамики совсем не имеют стекла в своей структуре. Обычно керамика имеет поликристаллическую структуру с прослойками стекла и с беспорядочным расположением зерен, и поэтому однородна по свойствам. Керамика хрупкая. Соответствующим подбором состава керамики из нее получают материалы с разнообразными свойствами и применением.

В приборостроении применяют два вида керамики: техническую керамику для изготовления деталей различного конструктивного назначения (опоры приборов, крыльчатку вентиляторов, корпуса , основания и другие) и электротехническую керамику для изготовления установочных элементов, конденсаторов, изоляторов, подложек микросхем. Многие виды керамик имеют малые диэлектрические потери и могут работать при высоких частотах: радиофарфор, ультрафарфор, стеатит и другие. Керамика на основе Al₂O₃ (поликор) обладает оптической прозрачностью и применяется качестве фильтров оптических устройств. Более подробно о видах керамики, ее свойствах и применении в литературе [1,3,9].

Вопросы для самоконтроля

1. Что представляет собой керамика и как ее получают?

2. Виды керамик и их назначение. Привести примеры разных видов керамики.

3. Назовите основные свойства керамики.

4.4. Композиционные материалы

Композиционными (КМ) называют сложные материалы, в состав которых входят сильно отличающиеся по свойствам( нерастворимые или малорастворимые один в другом) компоненты, разделенные в материале ярко выраженной границей. По удельной прочности и жесткости при высоких температурах, сопротивлению усталостному разрушению и другим свойствам КМ значительно, в два-три раза и более, превосходят все известные конструкционные сплавы. Трудности возникают при соединении деталей из КМ в изделии. Поэтому стремятся по возможности придать детали из КМ форму, максимально приближающуюся к форме готовых деталей. Уровень заданного комплекса свойств КМ проектируется заранее и реализуется в процессе его изготовления.

Свойства КМ в основном зависят от физико-механических свойств компонентов и прочности связи между ними.

Основой КМ (матрица) служат металлы или сплавы (их называют КМ на металлической основе: Al, Ni, и другие), или полимеры, углеродные или керамические материалы (называют КМ на неметаллической основе: керамика, полимеры, и другие). Матрица связывает композицию, придает ей форму, в значительной мере определяет свойства КМ.

В матрице равномерно распределены остальные компоненты, их называют наполнители (иногда упрочнители), которые и определяют, в основном, прочностные свойства КМ. В литературе упрочнители называют иногда более широким понятием – армирующий компонент.

Наполнители могут быть в виде отдельных мелких частиц (нуль-мерные наполнители), такие КМ называют дисперсионно-упрочненными; в виде волокон (одномерные наполнители) – такие КМ называют волокнистыми, например волокнистые пластмассы; двумерными – такие КМ называют слоистыми (например, текстолит). В качестве наполнителя в КМ могут быть использованы ориентированные кристаллы, образующиеся в процессе направленной кристаллизации. Такие КМ называют эвтектическими. Эвтектические КМ могут иметь различные электрические, магнитные свойства в разных направлениях (анизотропные эвтектические КМ), их применяют в приборостроении при изготовлении ряда электронных устройств (бесконтактные выключатели, магнитные устройства и другие.)

В КМ применяют различные схемы армирования (рисунок 19), их получение определяется видом наполнителя и его процентным содержанием.

Для армирования по линейной схеме используют нуль-мерные и одномерные наполнители. Расстояния между нуль-мерными наполнителями по оси ох значительно меньше, чем по другим осям (рисунок 19,а).

Для армирования по плоскостной схеме используют нуль-мерные, одно- и двухмерные наполнители. Частицы располагаются в параллельных плоскостях, образуя волокна (рисунок 19,б).

П ри армировании по объемной схеме нет преимущественного направления наполнителя, в его распределении используют нуль-мерные и одномерные наполнители (рисунок 19,в).

Применяют КМ для изготовления деталей различного назначения: лопасти винтов вертолетов, гребные винты, камеры сгорания реактивных двигателей, лопатки турбин, корпуса и детали машин и приборов, подшипников скольжения, сепараторов скоростных шарикоподшипников и другие. Подробнее о КМ в литературе [1,3,7].