1. Технологическая схема изготовления керамики

Основными технологическими операциями при получении керамических материалов являются подготовка шихты, формование изделия и спекание. Рассмотрим технологическую схему получения керамики на примере изготовления сегнетоэлектрика BaTiO₃. Керамику BaTiO₃ получают обычно путем спекания при высокой температуре (1300-1400 ⁰С) эквимолекулярной смеси карбоната бария (BaCО₃) и двуокиси титана (TiO₂). При этом происходит следующая химическая реакция:

BaCO₃ + TiO₂  BaTiO₃ + CO₂ .

Пример технологической схемы изготовления пьезоэлектрической керамики BaTiO₃ показан на рис. 2.

Рис. 2. Технологическая схема изготовления пьезокерамики

Керамику получают как путем однократного обжига, т.е. исходные компоненты (порошки BaCO₃ и TiO₂) формуют, обжигают и получают керамику, так и двукратным обжигом. Каждый из них имеет как достоинства, так и недостатки.

Ниже рассмотрим краткие сведения об основных технологических операциях, которые используются в процессе получения керамического материала.

1.1. Выбор и подготовка исходных компонентов

Для получения высокоплотной керамики необходимо, чтобы исходные компоненты имели достаточно малый размер частиц, не более нескольких микрон, и содержали лишь допустимые в соответствии с поставленной задачей примеси. Чистота исходных компонентов указывается в паспорте на химические реактивы и имеет условные обозначения: «ч» - чистая, «осч» - особо чистая, «чда» - чистая для анализа. Чистоту компонентов нужно учитывать при расчете состава шихты, так как в исходном сырье содержание основного вещества отличается от 100%. В тех случаях, когда ставятся требования к высокой воспроизводимости свойств, синтез керамических материалов производится из реактивов, предназначенных для лабораторных анализов.

1.2. Расчет шихты

Эта операция заключается в расчете массового соотношения исходных компонентов, исходя из заданной химической формулы соединения, и последующего взвешивания (приготовления навесок). Операции расчета компонентов и взвешивания называют составлением шихты.

В качестве примера рассмотрим, в каких количествах надо брать исходные компоненты (BaCO₃, SrCO₃ и TiO₂) для составления шихты, чтобы получить пьезоэлектрическую керамику (Ba_0,85Sr_0,15)TiO₃. Для этого, прежде всего, рассчитаем молекулярные массы BaCO₃, SrCO₃ и TiO₂ по атомным массам элементов, взяв их из таблицы Менделеева. Далее определяем массовые соотношения, как показано в таблице 2.

Таблица 2

Исходный компонент	Молекулярное соотношение х	Молекулярная масса М	хМ	, масс, %
BaCO2	0,85	197,35	167,75	62,174
SrCO2	0,15	147,63	22,15	8,208
TiO2	1,00	79,90	79,90	29,615
				99,997

Следует помнить, что в таблице 2 шихта рассчитана, исходя из 100% чистоты исходных компонентов. При расчете навесок необходимо учитывать наличие в них примесей, а также учитывать влажность.

С учетом основного вещества в исходных компонентах их молекулярные количества хМ изменятся и будут иметь значения:

BaCO₃ - 167,75 : 0,99 = 169,4444;

SrCO₃ – 22,15 : 0,99 = 22,3737;

TiO₂ – 79,90 : 0,96 = 83,2291.

Теперь  xM = 275,0472 и новые масс.% имеют следующие значения: BaCO₃ – 61,605; SrCO₃ – 8,134; TiO₂ – 30,259 масс.%. В сумме массовые проценты составляют 99, 998.

Пересчет на влажность каждого из вводимых в шихту компонентов производится по формуле

где А – вес вводимого в шихту компонента, г; b – вес компонента по рецепту без влаги, г; с – гигроскопическая влажность компонента, %.