6.2.4. Кварцевая керамика.

Кварцевая керамика – условное название изделий, получаемых методами керамической технологии из порошкообразного стекла с содержанием SiO₂ ³ 99,5%. Это - единственный керамический материал, основу которого составляет не кристаллическая, а аморфная, стекловидная фаза. Создание кварцевой керамики – вынужденная мера и вызвана большими технологическими трудностями при формовании изделий из кварцевого стекла в связи с большой вязкостью расплава кремнезёма даже при 2000 ^оС.

Выпускается как плотная, так и пористая кварцевая керамика с пористостью до 80 – 85%. При обжиге, начиная с 1200 ^оС, начинается процесс кристаллизации кварцевого стекла. Образуется высокотемпературная a-форма кристобалита. При охлаждении a-форма переходит в низкотемпературную b-форму (180 – 270 ^оС). Это сопровождается уменьшением объёма на 5,2% и, соответственно, повышением истинной плотности с 2210 до 2330 кг/м³.

КЛТР кварцевой керамики (~ 0,5 ^.10^-6 К^-1) почти на порядок ниже, чем у других видов оксидной керамики. Это определяет её высокую стойкость к термоударам, хотя её теплопроводность и не высока (0,7 – 1,4 Вт/м^. К).

Диэлектрические свойства кварцевой керамики достаточно высоки: e = 3 – 3,7; tgd = 6 ^. 10^-4.

Кварцевая керамика может длительно эксплуатароваться при температурах до 1200 – 1300 ^оС. Она используется как теплоизолятор в тепловых агрегатах, труб для подачи расплавленного алюминия, форм для литья металлов, изготовления обтекателей в ракетной и космической технике и др.

6.2.5. Керамика из диоксида циркония ZrO2

ZrO₂ – устойчивое соединение, проявляет полиморфизм, существует в трёх модификациях – моноклинной, тетрагональной и кубической. Моноклинная устойчива при низких температурах, при нагревании до 1200 ^оС переходит в тетрагональную форму, устойчивую только при высоких температурах. Этот переход сопровождается усадкой на 7,7 %. При охлаждении ниже 1000 ^оС происходит обратный переход с соответствующим изменением объёма и плотности. При температуре от 1900 до 2700 ^оС устойчивой формой является кубическая. Плотность моноклинной формы 5560 кг/м³, твёрдость по Моосу = 6,5, температура плавления Т_пл = 2700 ^оС. Циклические изменения температуры приводят к разрушению керамики. Для стабилизации кубической модификации создают твёрдые растворы ZrO₂ c CaO, MgO, Y₂O₃ и др. Такой материал называется «стабилизированным диоксидом циркония», однако, он плохо сопротивляется тепловым ударам. Оказалось, что хорошую стойкость к термоударам проявляет материал, сохраняющий в кубической модификации небольшое количество тетрагональной модификации ZrO_2. На рис.5.1 представлены кривые изменения ТКЛР различных модификаций.

Свойства изделий из спечённого ZrO₂ связаны со степенью стабилизации, видом и количеством введённого стабилизатора. В целом можно сказать, что керамика обладает большой прочностью при нормальных температурах и сохраняют достаточно высокую прочность до 1300 – 1500 ^оС. Так, s_сж при 20 ^оС составляет 2100 МПа, а при 1400 ^оС – 1300 МПа.

Интересна зависимость теплопроводности циркониевой керамики от температуры. Если у большинства керамик с ростом температуры l снижается, то у ZrO₂- керамики остаётся практически постоянной.

Диэлектрические свойства диоксида циркония невысоки. Уже при 1000 – 1200 ^оС он фактически представляет собой проводник. Проводимость имеет ионный характер благодаря образованию кислородных вакансий при замещении ионов Zr⁺⁴ двухвалентными и трёхвалентными ионами. Наибольшая проводимость достигается при стабилизации диоксида циркония оксидом скандия Sc₂O₃.

Циркониевая керамика используется в качестве твёрдых электролитов для работы при высоких температурах, например, в топливных элементах, где температуры достигают 1000 – 1200 ^оС, в МГД-генераторах, в высокотемпературных нагревателях для разогрева в печах до 2200 ^оС. В качестве огнеупоров используется при высокотемпературных плавках ряда металлов и сплавов, в частности, Pt, Ti, Rh, Pd, Ru, Zr и др. Благодаря низкой теплопроводности, отличной химической стойкости и большой твёрдости и прочности ZrO₂- керамика используется в ракетных, реактивных и других двигателях, в атомном реакторостроении.