6.2.2. Керамика на основе МgО (периклазовая керамика).

МgО – существует только в одной модификации и кристаллизуется в кубической системе. Т_пл= 2800 ^оС, плотность = 3580 кг/м³, твёрдость – 6 по Моосу, энтальпия образования = - 613 кДж/моль, средняя удельная теплоёмкость изменяется от 0,975 при 100 ^оС до 1,22 кДж/г^.К при 1500 ^оС.

МgО получают разложением химически чистых соединений Мg(ОН)₂, МgСО₃ и др. МgО – более основной оксид, чем ВеО, способен взаимодействовать с водой, поэтому для приготовления шихты в качестве связок используют безводные растворы органических соединений – парафин, воск, олеиновую или стеариновую кислоты.

Спекание МgО производят в инертной или окислительной атмосфере при 1700 – 1800 ^оС. Добавки ZrO₂, MnO₂, Cr₂O₃, CaF₂, B₂O₃, TiO₂ cнижают температуру спекания.

Теплопроводность периклазовой керамики умеренная – 28 Вт/м^.К, но значительно более высокая, чем у фарфоров, поэтому и стойкость к термоударам более высокая. ТКЛР с ростом температуры повышается в диапазоне от 11,7^.10^-6 до 14,2^.10^-6. Механические свойства периклазовой керамики достаточно высокие – предел прочности при сжатии s_сж = 1200 – 1500 МПа, s_изг в зависимости от технологии изменяется от 130 – 140 до 250 МПа, модуль упругости Е = 2,9^.10⁵ МПа.

Периклазовая керамика – хороший диэлектрик, e = 8 – 9, r_v в зависимости от чистоты исходного продукта лежит в интервале от 10¹⁵ до

10¹⁷ Ом^.м.

Периклазовая керамика используется как огнеупорная, в тиглях из которой можно с высокой степенью чистоты плавить металлы, которые не восстанавливают МgО, например, Fe, Zn, Al, Sn, Cu, а также тяжёлые редкоземельные металлы. Может использоваться для футеровки высокотемпературных печей и аппаратов, работающих до 2000 ^оС, для изготовления пирометрических изделий (капилярные трубки, бусы), высокотемпературных изоляторов.

Прозрачная магниевая керамика используется для окон в высокотемпературных печах, устройствах инфракрасного контроля, натриевых лампах, химических реакторах. Однако способность к гидратации, выражающаяся в потемнении полированных поверхностей, летучесть при высокой температуре и сравнительно невысокая механическая прочность несколько ограничивают её использование.

6.2.3. Керамика из оксида алюминия – корундовая керамика.

Оксид алюминия Аl₂O₃ может существовать в трёх основных кристаллических модификациях - a, b и g, причём a- и g- формы представляют собой чистые оксиды, а b-форма представляет собой условное обозначение группы алюминатов с высоким содержанием Аl₂O₃. Кроме них, зафиксированы ещё несколько кристаллических модификаций, большинство из которых при 1200 ^оС переходят в a-форму (корунд). Основным структурным мотивом в корунде служит алюмокислородный октаэдр. В природных условиях встречается только a-форма в виде минерала корунда, рубина, сапфира. Твёрдость корунда по шкале Мооса – 9, по шкале Роквелла – 90. Плотность корунда в зависимости от наличия в нём примесей колеблется от 3980 до 4010 кг/м³. Температура плавления составляет 2050 ^оС, энтальпия образования 1,7 МДж/моль.

Именно керамика, содержащая более 95% a-Аl₂О₃ называется корундовой керамикой. В качестве минерализаторов используют МgO, MnO₂, TiO₂, ZrO₂. Наиболее эффективно работает TiO₂ , который образует твёрдый раствор с a-Аl₂О₃ и снижает температуру спекания с 1700 – 1750 ^оС до 1500 –1550 ^оС, одновременно способствуя интенсивному росту кристаллов корунда.

Добавка МgO, наоборот, задерживает рост кристаллов корунда и обеспечивает высокую плотность, т.к. не происходит образование пор. Мелкокристаллическая структура керамики обеспечивает лучшие механические свойства, такая керамика (микролит, ЦМ 332) используется для изготовления резцов для обработки металлов, деталей для протяжки проволоки, фильеры, нитеводители и другой износостойкий инструмент, а также абразивные материалы – абразивные круги, абразивные шлифовальные шкурки и т.п. Кроме того, такая керамика (поликор) обладает светопроницаемостью в видимой и инфракрасной части спектра, однако, если количество МgO превышает 0,6% (предел образования твёрдого раствора), светопропускание резко падает. Поликор обладает хорошими диэлектрическими свойствами: tgd = 3 ^. 10^-5, r = 10¹⁶ Ом ^. м, e = 10 – 12, Е_пр = 15 МВ/м. Коэффициент теплопроводности l - 32 Вт/м ^. К, ТКЛР 8 – 8,5 ^. 10^-6 К^-1. Поликор обладает высокой стойкостью к термоударам – он выдерживает до 4 теплосмен (800 ^оС – 20 ^оС).

Светопроницаемая (прозрачная) керамика применяется в натриевых лампах, для окон устройств инфракрасного контроля, для изготовления подложек СВЧ – микросхем, корпусов микросхем, изоляторов авто- и авиасвечей зажигания, установочных деталей, высокотемпературных реле, вакуумплотных спаев, антенных обтекателей в авиа- и ракетостроении и др.

Пористая корундовая керамика с пористостью до 90% служит хорошим теплоизолирующим материалом при температурах до 1700 – 1750 ^оС, применяется в качестве деталей костных имплантантов (биокерамика).

Керамика из b-Аl₂O₃ (Na₂O ^. 11Al₂O₃), благодаря присутствию в ней оксида натрия используется для изготовления твёрдых электролитов. Электросопротивление такой керамики при комнатной температуре составляет 1 – 5 ^. 10² Ом ^. см, а при 500 ^оС – 10 – 25 Ом ^. см. Такие материалы используют в высокоэффективных химических источниках тока, в частности, в энергоёмких натриево-серных аккумуляторах, перспективных для создания электромобиля.

Другой областью применения керамика из b-Аl₂O₃ – плавленные огнеупоры (в сочетании с корундом) для футеровки стекловаренных печей.