5.4 Техническая керамика

Керамика - это материал, получаемый спеканием порошков заданного состава при температурах, существенно ниже их температуры плавления. Структура керамики близка к структуре ситаллов. И керамика и ситаллы состоят из кристаллических и аморфных фаз, но в керамике ещё имеются газовые фазы. Их присутствие в керамике обусловлено технологией. Технологический процесс производства керамических изделий включает много операций. Ключевыми операциями являются подготовка исходных компонентов, заключающаяся в измельчении сырья до заданного уровня, смешении компонентов, формовании изделия и обжиг. Формование керамического изделия часто проводится путём прессования. Чем выше давление прессования и чем мельче порошки, тем меньше пор в керамике, тем меньше содержание газовой фазы.

На пористость керамики также большое влияние оказывает режим спекания. Вообще, спекание - это очень сложный физико-химический процесс. Внешним признаком спекания является уменьшение размеров изделия и, соответственно, увеличение кажущейся плотности. Спекание порошка начинается обычно со «сваривания» зёрен в местах контакта. Сущность спекания заключается в самопроизвольном заполнении веществом свободного пространства внутри зёрен и между ними. При этом происходит уменьшение дефектности кристаллических решёток, снятия имеющихся напряжений в контактных участках материала. Движущей силой процесса спекания является стремление системы к уменьшению поверхностной энергии, в данном случае это выражается в уменьшении поверхности. Поэтому мелкозернистые порошки спекаются быстрее, чем крупнозернистые.

Одновременно с процессом спекания протекает рекристаллизация. Она заключается в образовании одних зёрен тела за счёт других. Состав кристаллических фаз при этом часто существенно изменяется. Если состав кристаллических фаз не изменяется, то рекристаллизация сводится к полиморфным превращениям, то есть, к образованию различных кристаллических модификацией одного и того же вещества. Если состав кристаллических фаз в процессе рекристаллизации изменяется, то это обусловлено либо диффузией компонентов и образованием твёрдых растворов, либо образованием новых веществ в результате химических реакций в смесях твёрдых веществ.

Механизм реакций в смесях твёрдых веществ очень сложен. Из курса химии известно, что твёрдые вещества химически не взаимодействуют друг с другом. Их химическое взаимодействие возможно только за счёт массопередачи путём внутренней диффузии, а коэффициент диффузии твёрдого в твёрдом очень мал - 10-8 - 10-16 м2/с. Таким образом, скорость чисто твёрдофазных реакций пренебрежимо мала. Практический опыт противоречит этим общим представлениям. Это связано с тем, что в действительности химические превращения при спекании керамических масс протекают при участии газовых и жидких фаз. Газовые фазы образуются, например, за счёт возгонки или диссоциации твёрдых веществ. Жидкие фазы образуются за счёт плавления одного из исходных компонентов или их эвтектических смесей.

В качестве примера такого процесса можно назвать взаимодействие оксидов цинка и алюминия с образованием шпинели

ZnO(тв) + Аl2O3(тв) = ZnAl2O4(тв)

ZnO(тв) ZnO(газ)

ZnO(газ) + Al2O3(тв) ZnAl2O4(тв) (ZnO.Al2O3)

В состав смеси обычно добавляют небольшие количества так называемых «минерализаторов» или «плавней», имеющих относительно низкие температуры плавления. Они химически инертны по отношению к реакционной смеси, однако существенно изменяют условия реакции и свойства получаемого продукта. Механизм действия минерализаторов заключается либо в создании центров кристаллизации, либо в изменении скорости кристаллизации (в частности, путём изменения вязкости системы и отвода тепла от неё), либо в изменении кристаллической решётки и, соответственно, свойств кристаллических тел. Реакции в кристаллических смесях широко используются при изготовлении керамических изделий со специфическими свойствами.

Областей применения керамики не меньше, если не больше, чем областей применения полимеров. Керамика - первый искусственный материал, созданный человеком. Первые обожжённые изделия появились в каменном веке - это была посуда, строительные материалы, декоративные и бытовые изделия из фаянса.

Кроме традиционных направлений керамика используется в транспорте, машиностроении, приборостроении, электротехнике, электронике, энергетике, химической технологии, медицине, обрабатывающих орудиях, текстильной промышленности - трудно найти область техники, где бы сейчас не использовалась керамика.