9. Техническая керамика

Ключевые слова: техническая керамика, оксиды, глинозем, корунд, муллит, шпинель, карбиды, нитриды, зернограничная фаза.

Под термином техническая керамика понимают материалы на основе неорганических неметаллических соединений, изготавливаемые при воздействии тепла. Этот термин объединяет широкий спектр керамических материалов функционального и конструкционного назначения с заданными механическими, диэлектрическими, теплофизическими, оптическими свойствами.

9.1. Физикохимия исходных компонентов

Основой технической керамики являются неметаллические тугоплавкие соединения с температурой плавления более 1500 °С. Для таких соединений характерны смешанный ионно-ковалентный тип межатомной связи и высокая термодинамическая стабильность. Неметаллические тугоплавкие соединения имеют высокие твердость, модули упругости, химическую устойчивость, жаропрочность и жаростойкость. Общий их признак – хрупкость, обусловленная особенностями межатомного взаимодействия.

Рассмотрим некоторые наиболее важные в практическом отношении для производства технической керамики материалы.

9.1.1. Оксидные системы

Оксид алюминия. Оксид алюминия (глинозем) – соединение с ионно-ковалентным типом межатомной связи, существует в нескольких полиморфных модификациях. К устойчивым модификациям глинозема относятся -Al₂O₃ и -Аl₂О₃.

Глинозем -модификации имеет гексагональную структуру, встречается в природе в виде минерала корунда, и является наиболее устойчивой в широком интервале температур полиморфной модификацией. Корунд – конечный продукт термической обработки всех других разновидностей глинозема.

Второй устойчивой модификацией Al₂O₃ является фаза -Al₂O₃ кубической структуры, образующаяся при прокаливании гидратов оксида алюминия. При нагревании до температур выше 1100…1200 °С -Аl₂O₃ необратимо переходит в -Al₂O₃. Температура перехода зависит от многих факторов, таких, как содержание примесей, термическая предыстория и др. Существуют также , , , ,  и -формы глинозема. Их можно рассматривать как неустойчивые промежуточные образования.

Температуры полиморфных превращений в Al₂O₃ составляют: -превращения – 1200 °С;  – 850…900 °С;    – 1000…1050 °С;    – 1600 °С;    – 900…1000 °С. Температура плавления глинозема – 2054 °С. Теоретическая плотность Al₂O₃ составляет 3,98 г/см³, -Al₂O₃ – 3,65 г/см³. Модуль упругости -Al₂O₃ –400 ГПа, модуль сдвига – 160 ГПа.

Диоксид циркония. Диоксид циркония – тугоплавкое соединение с преимущественно ионной межатомной связью с температурой плавления 2680 °С. В интервале 2680…2360 °С ZrO₂ имеет ГЦК решетку. При снижении температуры кристаллическая решетка преобразуется сначала в тетрагональную модификации (t-ZrO₂), а при более низких температурах симметрия структуры понижается до моноклинной (m-ZrO₂). Теоретическая плотность t-ZrO₂ – 6,1 г/см³, а m-ZrO₂ – 5,5 г/см³. Превращение tm в ZrO₂ является превращением мартенситного типа, сопровождается изменением объема на 3..4 %, поэтому при изменениях температуры возникает проблема разрушения этого материала.

Для исключения этого недостатка и для стабилизации кубической и тетрагональной фаз ZrO₂ наиболее широко применяют добавки оксидов Y₂O₃, MgO и СаO, содержание которых составляет 7…10 %. Полученный твердый раствор называют стабилизирован-ным диоксидом циркония.

Используют также метод введения добавок MgO и Y₂O₃, в результате реализации которого кубическая структура полностью не стабилизируется, Такой материал называется частично стабилизированным диоксидом циркония. При понижении температуры происходит фазовый переход и при комнатной температуре образуется смесь кристаллов моноклинной и кубической структуры. При этом ухудшаются механические свойства.

Некоторые двойные и тройные оксиды. Для технологии технической керамики важное значение имеют некоторые двойные и тройные оксиды: муллит 3Al₂O₃ х 2SiO₂, шпинель MgO х Al₂O₃, титанат алюминия Al₂O₃ х TiO₂, кордиерит 2MgO х 2Al₂O₃ х 5SiO₂.

Муллит – конгруэнтно плавящееся при температуре 1910 °С соединение, образующее две легкоплавкие эвтектики: одну с SiO₂ с температурой плавления 1585 °С состава 5,5 мас. % Al₂O₃ и 94,5 мас. % SiO₂ и вторую с -Al₂O₃ с температурой плавления 1850 °С состава 79 мас. % Al₂O₃ и 21 мас. % SiO₂. Муллит кристаллизуется в ромбической сингонии. Плотность муллита составляет 3,15…3,18 г/см³. Модуль нормальной упругости 1,5 х10⁵ МПа.

Алюмомагнезиальная шпинель (MgAl₂O₄) содержит 71,7 мас. % Al₂O₃ и 28,3 мас. % MgО и является единственным химическим соединением в системе MgО–Al₂O₃. Шпинель имеет температуру плавления 2105 °С и образует с MgО эвтектику, содержащую 32,5 мол. % Al₂O₃, с температурой плавления 1995 °С. Температура эвтектики Al₂O₃ и твердого раствора шпинели с Al₂O₃ составляет 1920 °С. Шпинель кристаллизуется в ГЦК решетку. Плотность алюмомагнезиальной шпинели составляет 3,58 г/см³, твердость по шкале Мооса 8…9. Шпинель химически устойчива по отношению к минеральным кислотам, углероду, расплавам многих металлов.