4.6. Керамики

Под керамикой (от греч. keramike-Tomsipnoe искусство, keramos-глина)понимают изделия и материалы, получаемые спеканием глин или порошков неорганических веществ с минеральными добавка­ми. Различают грубую (крупнозернистая, неоднородная в изломе, по-

ристость 5-30%, например, кирпич) и тонкую керамику (однородная мелкозернистая структура, пористость менее 5%, например, фарфор, ферриты, пьезо- и сегнетокерамика, майолика и др.) Отдельно выделяют высокопористую керамику (пористость 30-90%, например, теплоизоля­ционные керамические материалы).

К этому классу можно отнести все неорганические материалы с ионными и ковалентными связями. Он охватывает большую группу ма­териалов, включающую традиционные керамические материалы, имеющие в основе глину, цемент и бетон, чистые соединения, такие как окислы (оксиды) и нитриды.

В зависимости от химического состава различают оксидную, кар­бидную, нитридную, силицидную керамики. Оксидная керамика обла­дает высоким удельным электрическим сопротивлением Ом-см, пределом прочности на сжатие до 5ГПа, стойкостью в окис­лительных средах в широком интервале температур, высокой огнеупор­ностью. Среди оксидных керамик можно выделить: 1) алюмосиликаты (посуда, футеровка коксовых и доменных печей, космиче­ские аппараты, корпуса галогенных ламп, костные имплантанты и др.);

2) керамики на основе ; 3) керамики на основе , титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, на основе ниобатов и танталатов. Они обладают высокими значениями электрического сопротивления, диэлектрической проницаемости и применяются в электронике; 4) керамики на основе MgO выдерживают нагрев до 1750°С, работают в окислительных средах и применяются в качестве электронагревателей; 5) шпинелевые керами­ки на основе ферритов (Ni, Со, Мп, Са, Mg, Zn) обладают ферромагнит­ными свойствами, кроме того некоторые из них используют в качестве материала для высокотемпературных нагревателей.

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физиче­ских и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в бо­лее высокотемпературной области, чем металлы, например, температура плавления карбида гафния (3930°С) на 250° выше, чем у вольфрама. У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, маг­ния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов.

В семействе керамик легко можно найти материалы как с больши­ми, так и малыми (даже отрицательными) значениями коэффициента термического расширения. Также широк спектр материалов, среди ко­торых есть и диэлектрики, и полупроводники, и проводники (сравнимые по проводимости с металлами) и сверхпроводники. Важнейшими ком­понентами современной конструкционной керамики являются оксиды

алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые раство­ры и разнообразные композиты.

Современные виды керамики делят на две группы: конструкцион­ную и функциональную. Под конструкционной понимают керамику, используемую для создания механически стойких конструкций, а под функциональной - керамику со специфическими электрическими, маг­нитными, оптическими и термическими функциями.

Перспективность керамики обусловлена многими факторами, сре­ди которых наиболее важны следующие.

• Керамика отличается исключительным многообразием свойств (многофункциональностью) по сравнению с другими типами материа­лов (металлами и полимерами). Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях.

• Важным достоинством керамики является доступность сырья, в том числе для получения бескислородной керамики типа карбидов и нитридов кремния, циркония и алюминия, заменяющих дефицитные металлы.

• Технология получения конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов.

• Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду, в той мере как металлургия, а сами керамические материалы по­зволяют принимать экологически оправданные технологические и тех­нические решения.

• Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материалов (благодаря отсутствию процес­сов электролиза, пирометаллургии, воздействию агрессивных сред) и др.

• Керамические материалы по сравнению с металлами обладают бо­лее высокими коррозионной стойкостью и устойчивостью к радиацион­ным воздействиям, что обусловливает долговечность керамики в агрес­сивных средах.

• Некоторые керамические материалы обладают хорошей биологи­ческой совместимостью, что позволяет использовать их в медицине, биотехнологии и генной инженерии.

• Использование керамики открывает возможности для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же хи­мической композиции.

Характерные свойства керамики определяются ее структурой как на атомном уровне, так и в масштабах нескольких микрометров. В атомной структуре керамических материалов встречаются два типа свя-

зей - ионная и ковалентная. При ионной связи электростатические си­лы, действующие между разноименными зарядами, связывают атомы между собой. При ковалентной связи валентные (внешние) электроны более или менее равномерно поделены между соседними атомами. Не­смотря на то, что силы электростатического притяжения в этом случае слабее, чем при ионной связи, ковалентная связь фиксирует взаимное расположение атомов, так как слабое электростатическое взаимодейст­вие компенсируется сильной направленностью ковалентной связи. Именно атомной структурой керамика отличается от других материа­лов. Для керамики типичны сильные гибридные ионно-ковалентные связи, ограничивающие движение электронов.

Основными ценными качествами керамики, использующимися во всех областях ее применения, являются химо- и теплостойкость. По­скольку большинство керамических материалов состоит из оксидов ме­таллов, дальнейшее окисление (при горении или других химических реакциях), как правило, невозможно. Прочность связей между атомами в керамических материалах определяет также их высокие температуру плавления, твердость и жесткость. Однако природа этих же связей оп­ределяет и решающий недостаток керамики - ее хрупкость. Прочность связей препятствует скольжению атомных слоев относительно друг друга, и материал теряет деформируемость (имеющуюся у пластичных материалов типа меди), а с ней и способность противостоять прилагае­мой нагрузке. Другое следствие хрупкости керамики состоит в том, что выдерживаемые ею сжимающие нагрузки существенно превосходят допустимые нагрузки на растяжение и сдвиг. Под действием нагрузки хрупкий материл легко трескается и разрушается, поэтому керамиче­ские материалы чрезвычайно чувствительны к малейшим нарушениям микроструктуры, которые становятся источниками зарождения трещин.

Усилия ученых направлены на разработку новых технологических методов получения керамики, на получение новых композиций и мик­роструктур, способных подавлять рост трещин. Керамика предоставляет широкие возможности производства экономически выгодных материа­лов с заданными свойствами на основе самых простых компонентов. Физические свойства таких материалов могут быть улучшены за счет минимальных изменений состава и ориентации кристаллических зерен, соединения различных видов керамики в один композиционный мате­риал, а также за счет уничтожения или специального введения в струк­туру дефектов. Управление составом и микроструктурой керамики дос­тигается за счет кристаллизации стекол, предельного измельчения ис­ходного порошка высокой химической чистоты, а также плотной упа­ковки и прочной химической сшивки частиц порошка.