5.6.2. Керамика

В то время как изготовление из местных глин посуды, кирпича, черепицы, канализационных труб, облицовочной плитки и т.п. относится к древнейшим ремеслам человечества, с течением времени керамика завоевала столько новых и поистине необъятных областей применения, что стало уже затруднительно определить само понятие керамические материалы. Успехи на первых этапах развития керамического производства были результатом не систематических исследований, а эмпирических изысканий. Коренные изменения, произошедшие в этом отношениинесколько десятилетий назад, привели к созданию совершенно новых керамических материалов. В качестве произвольно выбранных примеров здесь можно назвать: используемые для из­готовления дюз самолетов и ракет огнеупорные материалы, состоящие из стойких к высоким температурам карбидов и оксидов; материалы для ядерных реакторов; непрозрачный материал для капсулирования полупроводников и пьезоэлектрическую керамику для электронных схем.

Под керамикойпонимаются поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения.

Керамические материалы выгодно отличаются от металлических и полимерных следующими свойствами: многофункциональностью, доступностью сырья, низкой энергоемкостью производства, возможностью создания экологически безопасных технологий получения, высокой коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиационному воздействию, биологической совместимостью, возможностью регулирования свойств материала в широких пределах за счет изменения структуры, низкой плотностью.

Эти материалы перспективны для инструментов, деталей двигателей внутреннего сгорания, фильтров, мембран с различной пропускной способностью, элементов искусственных органов, износостойких покрытий, нагревательных элементов, элементов источников питания и др.

Однако керамике присущ и ряд существенных недостатков: чувствительность к термоударам (особенно переохлаждению), хрупкость, низкое временное сопротивление, сложность механической обработки.

По составу керамику можно подразделить на кислородную, состоящую из оксидов металлов и неметаллических элементов (бериллия, магния, алюминия, кремния, титана, циркония) и бескислородную - нитридную, карбидную, боридную и др.

По структуре она может быть аморфная, кристаллическая или представлять собой композиционный материал с различными армирующими элементами, например, волокнами.

По функциональному назначению керамические материалы можно подразделить на конструкционные, электрические, оптические, магнитные, биологические, бытовые (для изготовления различной керамики, посуды, художественных изделий и т.д.).

Конструкционные керамические материалыизготавливаются на основе как кислородной, так и бескислородной керамики. Наибольшее применение получили оксиды алюминия, циркония, магния, карбиды и нитриды кремния, титана, бора, дисилицид молибдена, фарфор. Эти материалы представляют собой многофазные системы, в которых присутствуют кристаллическая, аморфная и газовая фазы. Кристаллическая фаза, составляющая основу конструкционной керамики, представляет собой твердые растворы или определенные химические соединения. Аморфная фаза находится по границам кристаллической и может составлять до 40%. Газовая фаза образуется при обжиге керамики и для конструкционной керамики в основном нежелательна. В зависимости от формы пор и количества газовой фазы, керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие пор обусловливает снижение прочности керамики.

Существенное влияние на механическую прочность керамики оказывает температура. Например, для оксидной керамики характерна незначительная потеря прочности (до 15%) при температурах до 800°С, а затем более резкое ее падение; при температурах выше 1200 °С потеря прочности составляет более 50%.

Одним из основных недостатков керамики является ее хрупкость, так как для распространения трещины в керамическом материале расходуется энергии в тысячу раз меньше, чем в металлах. Снижения хрупкости добиваются путем армирования керамики волокнами из хрома, никеля, ниобия, вольфрама, введением в состав диоксида циркония. Применяются также методы поверхностного упрочнения керамических материалов путем лазерной аморфизации поверхности.

Большое распространение в технике получила пъезокерамика,способная поляризоваться при упругой деформации или деформироваться под действием внешнего электрического поля. В основном используется керамика на основе титаната бария ВаТiOз. Пьезокерамические материалы нашли применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей.

Керамические материалы используются также в качестве терморезисторовиваристоров,изменяющих электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Термочувствительные датчики на базе терморезисторов способны изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении температуры на 100°С. Варисторы используют для защиты сетей переменного тока от импульсных перенапряжений в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Алюмооксидная керамика широко используется в электронике для изготовления подложек интегральных схем, а также для подложек корпусов больших интегральных схем (чипов).

Ферромагнитнаякерамика, представляющая собой соединения типа Ме₂О-Fe₂O₃или МеО-Fe₂Оз (Meобозначает металл), характеризуется высокой магнитной проницаемостью и хорошими диэлектрическими свойствами. Наибольшее распространение получили ферриты, содержащие оксиды магния, никеля, цинка, кальция, марганца.

В промышленности используется керамика со специфическими оптическими свойствами: оптически прозрачная, с люминисцентными свойствами, светочувствительная.Такая керамика изготавливается на основе оксида алюминия, оксида иттрия, легированного редкоземельными элементами, оксида бериллия, цирконата или титаната свинца, теллурида кадмия.

Вся керамика, в каких бы областях она ни применялась, изготовляется, в общем, по одинаковой технологии.Сущность ее заключается в формовании дисперсной массы и последующем закреплении формы под действием нагрева.

Процесс изготовления керамических изделий состоит из следующих стадий: подготовка формовочной массы, формование изделия, сушка и обжиг. Подготовка формовочной массы включает дробление составляющих компонентов, помол, гомогенизацию и сушку.

Различают сухую и влажную подготовку массы. Смешивание компонентов производится в шаровых и вибрационных мельницах или лопастных мешалках. При влажном процессе смешивания в смеситель вводится жидкая среда - вода или спирт, в зависимости от состава компонентов.

Брикетирование смесей производится с целью увеличения плотности механического контакта между химически разнородными материалами. Твердофазное взаимодействие компонентов осуществляется в процессе гомогенизирующего обжига при высокой температуре, зависящей от природы исходных компонентов (700°С и более). Обжиг производят в тоннельных, камерных или вращающихся печах с электрическим или газовым подогревом.

Продукт обжига подвергается повторному помолу на указанных выше измельчителях. Тонкий помол осуществляют на специальных устройствах дезинтеграторах или мельницах планетарного типа. При сухом помоле можно получить порошки с размером частиц до 10 мкм. При мокром помоле достигается дисперсность частиц до 1...0,1 мкм.

С целью повышения пластичности формовочной массы в полученную порошковую смесь добавляют 1 ... 10% пластификатора.

Формование изделий производится прессованием в металлических пресс-формах под давлением 100 … 600 МПа, после чего производится спекание частиц. При горячем прессовании выше плотность упаковки частиц и отпадает необходимость в дополнительной операции - спекании, так как этот процесс совмещается с прессованием. Но при горячем прессовании существенной проблемой является стойкость пресс-форм. Кроме того, размер частиц керамических порошков должен быть не более 1 мкм.

Необходимо учитывать и тот факт, что в результате внутреннего трения между частицами порошка при прессовании, давление, а следовательно, и плотность прессованного изделия по объему, будут неодинаковы. Обычно не рекомендуется прессование изделий, высота которых превышает его поперечный размер. Для уменьшения разброса по плотности применяют двустороннее и изостатическое прессование. При двустороннем прессовании давление прикладывается с двух сторон движущимися навстречу друг другу пуансонами. Изостатическое прессование осуществляют в специальных контейнерах с жидкой или газовой средой, в эластичных оболочках, внутри которых находится перерабатываемый материал. Вследствие объемного сжатия материала повышается эффективность уплотнения. Однако при этом процессе невозможно получить изделия высокой точности и сложной конфигурации и требуется дополнительная механическая обработка полуфабриката.

Сформованное изделие подвергается спеканию, температурный режим которого определяется составом исходных компонентов. Если в составе керамики содержатся компоненты, способные к нежелательному окислению, то спекание ведется в контролируемой газовой среде. В случае необходимости окончательной механической обработки спеченную керамику шлифуют алмазными кругами на металлической, керамической или органической связках.

Вопросы для текущего контроля знаний по разделу

1. Что такое порошковая металлургия?

2. Какими основными методами получают порошки?

3. Какие основные формы имеют порошки?

4. Что нужно сделать с порошками перед прессованием?

5. Что такое холодные пресс-формы?

6. Назовите последовательность операций при холодном прессовании.

7. Назовите последовательность операций при горячем прессовании.

8. Чем отличается горячая ковка и штамповка от горячего прессования?

9. Можно ли порошковые стали подвергать термической обработке?

10. Как маркируются конструкционные стали, полученные методом порошковой металлургии?

11. Назовите основные способы дополнительной обработки изделий, полученных методом порошковой металлургии.

12. Что Вы понимаете под самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС)?

13. Какие основные материалы получают методом СВС?

14. Назовите основные этапы СВС.

15. Опишите технологию изготовления фильтра методом СВС.

16. Что понимается под пластмассами?

17. Назовите основное свойство термопластов.

18. Чем терморективные пластмассы отличаются от термопластов?

19. Назовите основные технологии получения изделий из пластмасс.

20. Что понимается под композиционными материалами (КМ)?

21. Назовите основные компоненты КМ.

22. Что такое матрица?

23. Что такое армирующий компонент?

24. Какие металлы и сплавы в основном применяются для композитов с металлическими матрицами?

25. Назовите основные технологии получения изделий из КМ с металлической матрицей.

26. Какие материалы применяются в качестве матриц в полимерных композиционных материалах?

27. Какие формы армирующих материалах в основном применяются в полимерных композитах?

28. Назовите основные технологии получения изделий из КМ с полимерной матрицей.

29. Что такое резина?

30. Чем эбонит отличается от резины?

31. Назовите основные компоненты резин?

32. В чем заключается процесс вулканизации?

33. Что понимается под резинотехническими изделиями?

34. Что такое стекло?

35. Можно ли стекла упрочнять?

36. Назовите основные этапы получения неорганических стекол.

37. Назовите примеры применения стекол в машиностроении.

38. Что понимается под керамикой?

39. Назовите стадии процесса получения керамических изделий.