2. Керамика

Керамика (греч. keramike - гончарное искусство, от keramos - глина), 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%),

• тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%).

• высокопористую керамику (пористость 30-90%)

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.

К высокопористой керамике (пористость 30-90%) обычно относят теплоизоляционные керамические материалы.

2.1.Типы керамики:

В зависимости от химического состава различают:

• оксидную

• карбидную

• нитридную

• силицидную

• 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, а также высокой огнеупорностью. Среди оксидной керамики наибольшее распространение получили:

• 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.

• Керамика на основе SiO₂ и других 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.

• 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.

• 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.

• 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.