1.3. Классификация керамических материалов

Техническая керамика (рис. 1.2) занимает особое место среди керамических материалов, под которыми понимают все материалы на основе неорганических неметаллических соединений, изготов­ ленных под воздействием тепла. Термин «техническая керамика» объединяет широкий спектр керамических материалов функцио­ нального и конструкционного назначения с заданными механиче­ скими, трибологическими, диэлектрическими, теплофизическими, оптическими и другими свойствами. Общим для всех видов техни­ ческой керамики (табл. 1.3) является базирование процессов изго­ товления на тонкой химической технологии, включая процессы синтеза сырья высокой чистоты, формирования структуры, нетра­ диционной для обычной керамической технологии, процессы фор­ мования и консолидации порошков.

Рис. 1.2. Классификация технической керамики

По составу керамические материалы делят: а) на кислород­ ную керамику: оксиды алюминия А120 3, циркония Zr02, иттрия Y20 3, магния MgO, кремния Si02, титана ТЮ2 и другие; б) бес­ кислородную керамику: карбиды кремния SiC, титана TiC, нит­ риды кремния Si3N4, алюминия A1N, бора BN, титана TiN и дру­ гие; в) смешанную: сиалоны, представляющие собой сложные фазы Si^AljOjNs-.,, которые можно рассматривать как алюмо­ силикаты, в которых кислород частично замещен азотом, оксинитрид кремния Si2ON2, оксинитрид алюминия A10N.

По структуре керамику можно подразделить: а) на кри­ сталлическую, которая характеризуется упаковкой образующих ее атомов в один из видов кристаллической решетки (шпинели,

О к о н ч а н и е т а б л . 1. 3

Большое распространение получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации, наоборот, деформироваться под воздействием внешнего элек­ трического поля. Пьезокерамические материалы, как правило, представляют собой неорганические диэлектрики с высокой ди­

электрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Среди них хорошо известна керамика на основе системы PbZr03-PbTi03.

Помимо высокой технологичности этой керамики ее отли­ чают высокие значения температуры Кюри (300...400 °С), а также хорошая поляризуемость. Пьезоматериалы нашли ши­ рокое применение в качестве электромеханических и электро­ акустических преобразователей.

Перспективной разновидностью керамики с диэлектриче­ скими свойствами являются керамические электролиты, то есть материалы с высокой ионной подвижностью и, соответственно, ионной проводимостью.

Керамика широко используется как полупроводниковый материал специального назначения. Например, терморезисторы и варисторы, изменяющие электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Ос­ новная область применения терморезисторов - термочувстви­ тельные датчики, способные изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении температуры на 100 °С. Они находят широкое применение в электронных приборах, системах противопожарного оповещения, дистанционного из­ мерения и регулирования температуры. Варисторы используют как элементы устройств для защиты систем переменного тока от импульсных перенапряжений, в стабилизаторах напряжений и регуляторов токов низкой частоты.

Важнейшим для электронной техники керамическим диэлек­ триком является оксид алюминия, который доминирует на миро­ вом рынке. Основная область его применения - производство под­ ложек интегральных схем. В отличие от пластмасс и фарфора, ис­ пользуемых для тех же целей, алюмооксидная керамика характе­ ризуется уникальным сочетанием высокого электросопротивления и теплопроводности. Другая важная область применения оксида алюминия - изготовление подложек для корпусов чипов.

Керамические материалы с магнитными функциями.

Среди множества магнитных материалов, применяемых в тех­ нике, особое место занимают ферриты, основным компонентом

которых является оксид железа. В промышленности ферриты начали использоваться около полувека назад; они были разрабо­ таны как альтернатива металлическим магнитам для снижения потерь энергии на перемагничивание. Такая замена возможна благодаря высокому электрическому сопротивлению керамики (примерно на 8 порядков). В состав индивидуальных ферритов могут входить оксиды многих металлов. Еще шире спектр фер­ ритообразующих элементов.

Керамические материалы с оптическими функциями.

Множество материалов с оптическими функциями включает в себя оптически прозрачную керамику, керамику с люминес­ центными и электрохромными свойствами, а также светочувст­ вительные керамические материалы. Первые сообщения о соз­ дании прозрачного керамического материала на основе оксида алюминия (Lucalox) появились более 30 лет назад. В настоящее время известно несколько десятков видов прозрачных керамик

в видимой и инфракрасной областях спектра. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редко­ земельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответ­ ствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Большие наде­ жды связывают с использованием светочувствительной керамики для создания различных типов преобразователей энергии.

Керамические материалы с химическими функциями.

Химическая специфика керамики нередко проявляется в изме­ нении физических свойств. Например, хемосорбция различных газов на поверхности керамики сопровождается пропорцио­ нальным изменением ее электропроводности, что позволяет оп­ ределить концентрацию тех или иных компонентов газовой сме­ си. На этом принципе основано действие большого числа соз­ данных в последнее время газовых сенсоров.

Другая область применения керамики, основанная на ее хими­ ческой специфике, связана с развитием мембранной технологии. Мембраны позволяют избирательно выделять и концентрировать разнообразные вещества. Еще недавно их изготавливали из не­ стойких полимеров, которые неспособны противостоять экстре­ мальным температурным и химическим воздействиям. Переход к керамическим мембранам позволит значительно расширить об­ ласти их применения с одновременным снижением энергозатрат.

Керамические материалы для ядерной энергетики. Мате­ риалы для ядерной энергетики должны обеспечивать нормальное функционирование и защиту ядерных реакторов различных типов, среди них видное место занимает керамика. В ядерных энергетиче­ ских установках керамика используется в качестве теплоизоляции (А120 3, Si02), ядерного топлива (ТЮ2, Ри02), материалов регули­ рующих узлов (В4С, Sm20 3), замедляющих и отражающих мате­ риалов (Be02, ZrO2, Ве2С), материалов нейтронной защиты (В4С,НЮ3, Sm20 3), электроизоляции в активной зоне (А120 3, MgO), оболочек тепловыделяющих элементов (Si02, Si3N4) и т.д.

В термоядерной энергетике керамика широко используется для тепловой и электрической изоляции первой стенки плазмен­ ной камеры (Si02, Si3N4), ограничения плазмы (SiC, А120 3, В4С), для нейтронной защиты (бланкеты из LiA102, Li2S i03, Li20), в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы (А120 3, Ве02) и т.д.

Конструкционная керамика. Одним из важнейших науч­ ных и технических достижений XX в. является превращение керамики в конструкционный материал наряду с металлами и полимерами. Интерес к керамике как конструкционному мате­ риалу обусловлен исключительным комплексом свойств: высо­ кая температура плавления, твердость, износостойкость, хими­ ческая инертность и другие. Но главный недостаток керамики как конструкционного материала - отсутствие пластичности, хрупкость, низкие значения вязкости и энергии разрушения - сдерживает ее широкое внедрение.

Важнейшим в области материаловедения керамики явилось открытие эффекта трансформационного упрочнения в керамике на основе диоксида циркония, что позволило создать материалы