1.ВВЕДЕНИЕ

1.1.История, современное состояние и перспективы развития производства керамических материалов

История человечества есть в определенной мере история мате­ риалов. Первыми материалами, которыми воспользовался человек для изготовления орудий труда и изделий, были камень и глина. Из камня делали главным образом обрабатывающие инструменты, из глины - сосуды для хранения пищи и воды. Пластичность глин использовалась человеком еще на заре его существования, и едва ли не первыми изделиями из глины стали скульптуры людей и жи­ вотных, дошедшие до нас из эпохи палеолита. Но камень очень трудно обрабатывался, а изделия из глины, сравнительно легко формуемые, были недостаточно прочны и легко пропускали воду. К позднему палеолиту некоторые исследователи относят и первые попытки обжига глины. Однако обжиг глиняных изделий с целью придания им твердости, водо- и огнестойкости стал применяться широко только в неолите.

Глина, обожженная в костре, - первый искусственный мате­ риал, полученный человеком. Первоначально основным видом керамики была посуда для хранения запасов и варки пищи, ко­ торую лепили вручную (рис. 1.1). Сосуды обычно ставили меж­ ду камнями очага, для чего удобнее было яйцевидное или ок­ руглое дно. Помимо посуды стали изготавливать другие различ­ ные изделия: печати, серпы, саркофаги, таблички для клинопи­ си, украшения, покрытые цветными глазурями. Важной вехой в производстве керамики было изобретение гончарного круга, с применением которого резко повысилась производительность труда и качество изделий.

Зародившаяся в начале Ш тысячелетия до н.э. металлургия использовала керамические материалы для футеровки плавиль­ ных печей, форм и тиглей. Огнеупоры античности и средневе­ ковья имеют приблизительно такой же состав, что и некоторые современные.

ВЕвропу китайский фарфор был привезен в начале XVI в. португальскими купцами, назвавшими его porcellan по сходству

сблестящей морской раковиной. До этого в Европе фарфора не было. В Италии производили фаянсовые изделия, в Испании, на острове Мальорка, делали своеобразные изделия, получив­ шие впоследствии название «майолики». Во Франции на Севр­ ской мануфактуре удалось создать лишь подделку китайского фарфора. Подлинный европейский фарфор был создан в 1709 г. случайно саксонским алхимиком и аптекарем Иоганном Ветте­ ром. Спустя два года в г. Мейсене была открыта мануфактура, прославившая саксонский фарфор. В Англии с середины XVin в. производили изделия из костяного фарфора с добавкой фосфорных соединений кальция, полученных при сжигании костей животных (Веджвудская мануфактура).

ВРоссии китайский фарфор был известен с XVII в. Петр I положил начало длительным поискам секрета его производства. Над изысканием рецептов новых керамических масс трудились известные ученые М.В. Ломоносов и Д.И. Виноградов. Первый

вРоссии завод по производству фарфора был построен в 1744 г. Большой вклад в разработку отечественного фарфора внес Д.И. Виноградов, который предложил оригинальную техноло­ гию твердого фарфора. Его состав фарфоровых масс отличался от китайского и саксонского фарфоров.

Великая индустриальная революция, начавшаяся в XIX в., дала миру немало изобретений и открытий, изменивших жизнь человечества, и практически любые крупные технические нова­ ции прошлого реализованы с помощью керамики. Трудно уста­ новить дату, когда на промышленную арену вышла керамика, которую теперь называют высокотехнологичной. Вероятно, первой разновидностью такой керамики был карбид кремния, производство которого одна из американских фирм начала поч­ ти 100 лет назад. Уже в то время термин «керамика» приобрел более широкое значение: помимо традиционных материалов, изготавливаемых из глин, к ней стали относить материалы, по­

лучаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов,

нитридов И Т.Д.

После Второй мировой войны одним из главных направле­ ний развития высокотехнологичной керамики стало создание микрокомпьютеров и важнейших элементов электронной техни­ ки, включая конденсаторы, подложки интегральных схем, тер­ мисторы и варисторы. Керамическая промышленность, которая традиционно производила стекло, посуду, строительные и огне­ упорные материалы, стала выпускать материалы для самых со­ временных и перспективных отраслей техники.

Понятие «керамика» в последнее время трансформировалось. Сейчас под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Это определе­ ние исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко и их рассматривают как разновидность керамики. Каче­ ственные огнеупоры, автомобильные свечи зажигания, люминес­ центные экраны, сегнетоэлектрики, радиодетали, керамика для двигателей внутреннего сгорания, керамические сверхпроводни­ ки - вот далеко не полный перечень крупных областей керамиче­ ской индустрии, развитых в последнее столетие. Широко приме­ няется керамика в разных областях оборонной техники - ракето­ строении, авиации, бронезащите персонала и т.д.

Последние 20 лет XX в. также характеризовались крупными открытиями в фундаментальных исследованиях и технологиях, которые привели к созданию удивительных новых видов стекла и керамики. Например, явление трансформационного упрочнения в оксиде циркония и развитие физико-химических представлений о взаимосвязи состава, структуры, дисперсности привели к созда­ нию новой керамики для машиностроения и деталей адиабатиче­ ского керамического двигателя. Развитие химии и физической химии коллоидных оксидных систем, золь-гель технологии позво­ лило получить нанодисперсные материалы.

В мире современных материалов керамике принадлежит за­ метная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнооб­ разных физических и химических свойств. Керамика не окисля­ ется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы, например, температура плавления карбида гафния

5. Получение керамики обычно более безопасно, чем про­

изводство альтернативных металлических материалов (благода­ ря отсутствию процессов электролиза, пирометаллургии, воз­ действия агрессивных сред), а керамика со специальными элек­ трическими свойствами позволяет создать высокоэффективные противопожарные системы и системы предупреждения взрывов (электрохимические детекторы, или сенсоры).

6. Керамические материалы по сравнению с металлами об­ ладают более высокими коррозионной стойкостью и устойчиво­ стью к радиационным воздействиям, что обусловливает долго­

вечность керамических конструкций в агрессивных средах.

7. Керамические материалы обладают большей биологиче­

ской совместимостью, чем металлы и полимеры, что позволяет использовать их в медицине как для имплантации искусствен­ ных органов, так и в качестве конструкционных материалов в биотехнологии и генной инженерии.

8. Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции. Любое, даже самое ма­ лое керамическое изделие состоит из огромного числа кристал­ литов, размер, форма и относительное расположение которых определяют их свойства. Отсюда возникает перспектива даль­ нейшей микроминиатюризации приборов с использованием ке­ рамических элементов.

Интерес к конструкционной и функциональной керамике в по­ следние годы настолько возрос, что можно говорить о своеобраз­ ном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции совре­ менного материаловедения. Причины этого возрождения обуслов­ лены многими обстоятельствами и, прежде всего, возможностью создания новых материалов с необходимыми свойствами. В бли­ жайшее десятилетие перспективными и приоритетными в керами­ ческой и стекольной науке и промышленности будут:

■ работы в области ультрадисперсного состояния, супрамолекулярной химии, коллоидных систем;

исследования, расширяющие пределы свойств материа­ лов и эксплуатацию их в еще более экстремальных условиях;

улучшенное понимание механизмов износа; ■ создание новых конструкционных и функциональных

материалов с воспроизводимыми свойствами и надежным функционированием;

■ новые биоматериалы, прежде всего имплантаты, биосен­ соры, материалы, обеспечивающие доставку лекарственного вещества к участку действия (пористые среды) или химических

веществ к растениям и т.п.

Особое место в технике сейчас занимают «интеллектуаль­ ные» материалы, имеющие свойство не только воспринимать

внешние воздействия, но и изменять свои характеристики

(и даже форму) необходимым образом. Некоторые материалы могут моделировать биологические системы и даже имеют спо­ собность «обучаться», то есть регулировать степень отклика в зависимости от внешнего воздействия. В первую очередь, это так называемые функциональные стекла и керамики, имеющие нелинейные зависимости электрических, магнитных, механиче­ ских и тепловых свойств.

В области технологии материалов будут развиты процессы, дающие наибольшую экономическую эффективность, включая малотоннажную химию и технологии микро- и нанопорошков, другие процессы, необходимые для создания материалов более высокого класса (биокомпозитов, функциональных стекол, «ин­ теллектуальной» керамики и полимеров) и для практических применений (коррозии, защиты окружающей среды и снижения изнашиваемости). Следует ожидать появления материалов, ко­ торые легко перерабатываются; процессов переработки, обеспе­ чивающих гарантированные свойства материалов и низкие це­ ны; минимизации объемов захоронения материалов и восстано­ вимых сырьевых материалов, в частности, для производства ор­ ганических химикатов.

Высокотехнологичная керамика - сравнительно новый вид материалов, и поэтому масштабы ее производства как по объе­ му, так и по стоимости продукции существенно уступают про­ изводству традиционных металлических и полимерных мате­ риалов. Вместе с тем темпы роста ее выпуска ежегодно на 15...25 % превышают соответствующие показатели для стали, алюминия и других металлов.

Объем производства керамических материалов во всех странах мира растет необычайно быстрыми темпами. В настоящее время основными производителями керамики являются США и Япония (38 и 48 % соответственно). США доминируют в области конст­ рукционной керамики, предназначенной в первую очередь для ме­ таллообрабатывающих целей. Япония безраздельно доминирует в области функциональной керамики. Крупнейшие фирмыпроизводители технической керамики в США: Coors, Coming, Кеmet, Motorola; в Японии: Kyocera, Murata, Nammi, TDK, Toshiba Ceramics, Sumitomo Metal; в странах Европы: Ceramtec, Draloric, Morgan Matroc, Philips, Siemens, Thomson-LCC

Аналитики рынка керамики единодушно отмечают, что производство технической керамики вызывает огромный инте­ рес как у научного сообщества, так и у правительственных кру­ гов, желающих обеспечить основу промышленного роста. Этот интерес сохраняется у крупных компаний, чувствующих боль­ шие возможности бизнеса. Данные табл. 1.1 дают представление о мировом рынке технической керамики, ежегодный объем про­ даж которой увеличивается в среднем на 6...8 %.