6.2.6. Керамика из оксида иттрия y2o3.

Оксид иттрия до 2300 ^оС не проявляет полиморфных превращений. Т_пл = 2410 – 2415 ^оС. Плотность кристаллов – 5030 кг/м³, удельная теплоёмкость составляет 0,105 кДж/кг ^. К, энтальпия образования DН = -1910 кДж/моль, потенциал Гиббса DG = -1820 кДж/моль. В окислительной атмосфере (воздух) оксид иттрия стабилен вплоть до Т_пл. Стойкость к термоударам спечённой керамики невысока. Это обусловлено малой теплопроводностью (8,5 Вт/м^.К) и относительно высоким ТКЛР = 8 – 9 ^. 10^-6 К^-1. По электрическим свойствам иттриевая керамика относится к хорошим изоляторам: r_v при 500 ^оС составляет 8 ^. 10¹⁰ Ом^.м, e = 14.

Керамика из Y₂O₃ c плотностью, близкой к теоретической, является наиболее прозрачной с высоким светопропусканием (до 80 %). Она применяется для изготовления ИК-окон летательных аппаратов, в качестве смотровых окон высокотемпературных печей. Другие области применения – электровакуумная техника, атомная энергетика (контейнерный материал), тигли для восстановления урановых соединений, стабилизационный материал для циркониевой керамики, конструкционный материал и др.

6.3. Керамика из бескислородных соединений.

Бескислородные соединения – карбиды, нитриды, бориды, силициды – в основном являются тугоплавкими, обладают высокой твёрдостью, ценными электрическими, магнитными, химическими свойствами. Многие из них используются для изготовления твёрдых сплавов, другие – как огнеупорные и конструкционные материалы.

6.3.1. Карбиды и карбидная керамика

Карбиды – это соединения углерода с металлами и неметаллами. Наиболее тугоплавкими являются карбиды 1V и V групп Периодической системы элементов – SiC, ТiC, ZrC, HfC, VC, NbC, TaC. Состав карбидов может значительно отклоняться от стехиометрического, в основном образуя твёрдые растворы внедрения. Многие характеристики, например, рентгеновская плотность, зависят от реального соотношения компонентов. Так, для ТiC плотность составляет 4940 кг/м³, а для ТiC_0,6 - 4570 кг/м³.

Углерод с элементами образует три вида карбидов:

1. Солеобразные карбиды – элементы 1 и 2 групп, а также Аl. Эти карбиды химически активны, при взаимодействии с водой выделяют углеводороды – метан, этан, этилен, ацетилен и др.

2. Графитоподобные карбиды – образуются при нагревании графита в парах щелочных металлов. Атомы металла внедряются в пространство между углеродными сетками. Эти карбиды также химически очень активны.

3. Ковалентные карбиды – отличаются высокой прочностью межатомной связи, обладают высокой твёрдостью, химической инертностью, жаропрочностью. Типичные представители – SiC и В₄С, нашли широкое применение в качестве инструментальных и абразивных материалов.

6.3.1.1. Керамика на основе карбида кремния.

Карбид кремния существует в двух основных модификациях: a - SiC представляет собой высокотемпературную модификацию с многослойной цепочечной гексагональной структурой, а b - SiC имеет кубическое строение с алмазоподобной решёткой. Переход b - SiC в a - SiC происходит при ~ 2200 ^оС и сопровождается изменением объёма на 0,6%.

В керамическом производстве чаще используют a - SiC. В равновесных условиях SiC – стехиометрическое соединение. Отношение Si/С для a - SiC может достигать 1,049, для b - SiC – до 1,032. В зависимости от чистоты продукта цвет SiC изменяется от чёрного до зелёного. Зелёный цвет обусловлен избытком кремния, чёрный – избытком углерода. Синтез SiC производят различными способами, а в результате синтеза получают порошки различной дисперсности. Эти порошки уже являются товарной продукцией и используются как абразивные материалы для шлифования.

Ковалентный тип химической связи в SiC препятствует получению из него обычным спеканием изделия высокой плотности. Для достижения этого используют добавки, активизирующие процесс спекания. В качестве таких добавок используют как кислородсодержащие, так и бескислородные соединения. Это Al₂O₃, GeO₂, HfO₂, Sm₂O₃, ThO₂, BeO, Y₂O₃, La₂O₃, B, C, B₄C, SiB₆, BN, BP, Al, AlN, AlP, а также их комбинации: В – С, Al – C, B – Al – C и др. Естественно, более высокая плотность керамики достигается при использовании более тонких порошков, вплоть до нескольких нм. Для уменьшения пористости используют горячее прессование. Так, горячим прессованием тонких порошков SiC с добавками аморфного бора получают керамику с пористостью до 4% и плотностью 3050 – 3100 кг/м³ (истинная плотность SiC составляет 3210 кг/м³).

Керамика на основе SiC имеет твёрдость по шкале Мооса 9,2 – 9,5, микротвёрдость 300 – 400 МПа, предел прочности при сжатии – 2250 МПа, при изгибе – 155 МПа, теплопроводность l при 200 – 1400 ⁰С = 16 – 20 Вт/м^. К, КЛТР при 20 – 1000 ^оС = 5,2 ^. 10^-6. Интересны электрические свойства карбида кремния. Сам карбид кремния является широкозонным полупроводником. Удельное объёмное сопротивление r_v чёрного SiC с ростом температуры от комнатной до 1400 ^оС уменьшается от 10³ Ом^.см до 1 Ом^.см, а для SiC зелёного – практически постоянно и находится в области 10^-1 Ом^.см. Благодаря этому карбидная керамика обоих типов нашла применение для изготовления электронагревателей, способных создавать в окислительной атмосфере температуру до 1450 ^оС. Кроме того, эта керамика используется в качестве материала для полупроводниковых подложек, как конструкционный материал (для изготовления подвижных лопаток в газовых автомобильных турбинах, поршней, цилиндров, камер сгорания и других деталей дизельных двигателей адиабатического типа, в высокотемпературных теплообменниках, в ракетной технике, в атомных реакторах), в качестве броневого материала в бронежилетах и других аналогичных устройствах.