Лекція 8. Керамічні матеріали

 

Кераміка (від грецького κέραμος – глина) - це неорганічний матеріал, одержуваний спіканням глини з мінеральними добавками. У результаті спікання в керамічній масі відбувається утворення міцних з’вязків між складовими суміші, що надає кераміці значної міцності і термостійкості.

Кераміка є третьою з найбільш використовуваних промисловістю матеріалом після металів і полімерів. Вона успішно конкурує з металами при використанні в умовах високих температур. Великі перспективи відкриває використання транспортних двигунів з деталями з кераміки, керамічних матеріалів для обробки різанням і оптичної кераміки для передачі інформації. Це дозволяє знизити витрату дорогих і дефіцитних металів: титану і танталу в конденсаторах, вольфраму і кобальту в різальних інструментах, кобальту, хрому і нікелю в теплових двигунах.

Металокераміка - матеріал, що є однорідною композицією металів або сплавів з неметалами (кераміками). Інші назви: кермети, кераміко-металічні матеріали, спечені антифрикційні матеріали.

Металокераміка має конструкційні і експлуатаційні властивості металів і неметалів. Вона відрізняються великою статичною міцністю (але відносно низькою ударною в’язкістю), високими зносо- і теплостійкістю, антикорозійними властивостями. Металокераміка застосовується в якості антифрикційних або захисних покриттів деталей і самостійних конструкційних матеріалів в авіабудуванні, автомобілебудуванні, транспортному і хімічному машинобудуванні, електроприладобудуванні, турбобудуванні і інших галузях промисловості.

Металокераміка складається з металевої і керамічної фази. Металева фаза металокерамічних матеріалів може містити такі метали, як Cr, Ni, Al, Fe, С, Ti, Zr і їх сплави. Керамічна фаза може складатися з оксидів металів (Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO, SiO₂, ZrO₂), карбідів (SiC, Cr₃C₂, TiC), боридів (Cr₂B₂, TiB2, ZrB₂), силіцидів (MoSi), нітридів (TiN) і вуглецю (алмаз, графіт). Вміст керамічної складової в металокераміці залежно від її типу змінюється в межах від 15 до 85% за об'ємом.

Поняття металокераміка зв'язують з порошковою металургією. Металокераміку отримують пресуванням порошків металів і кераміків з подальшим їх спіканням. При виробництві високоякісної кераміки з високою однорідністю структури використовують порошки з розміром часток до 1 мкм. Подрібнення робиться механічним шляхом. Для надтонкого помолу (частки менше 1 мкм) найбільш перспективними є вібраційні млини, або аттритори.

Утворення керамічних матеріалів складається з процесів формування і спікання. Розрізняють наступні способи формування порошків:

- пресування під тиском (ущільнення порошку за рахунок зменшення пористості);

- пластичне формування (екструзійне витискання формувальних мас з пластифікаторами через мундштук);

- шлікерне литво (для формування тонкостінних виробів будь-якої форми використовують рідкі суспензії порошків).

Спікання – це процес утворення монолітної структури з формованого порошку під дією високої температури. Процес спікання супроводжується зменшенням пористості і усадкою. Для спікання застосовують печі або преси гарячого пресування із зусиллям пресування до 1500 кН. Температура спікання досягає 2200°С.

Металокерамічні покриття роблять методом газотермічного напилення часток порошку для захисту поверхонь деталей від зносу і корозії. Цей же метод формування металокерамічного покриття використовується для ремонту при відновленні зношених деталей.

Тонкоплівкову металокераміку отримують методом термічного випарювання металу або сплаву у вакуумі і конденсації пари на поверхні пластинки (підкладки). Прикладом може служити мікрокомпозиція Cr-SiO, використовувана при виготовленні тонкоплівкових резисторів.

Розрізняють наступні види керамічних матеріалів за застосуванням:

1) електротехнічна кераміка (мікросхеми, транзистори, сонячні батареї, конденсатори, термістори, нагрівальні елементи);

2) оптична кераміка (світловоди, лазери, елементи оптичної пам’яті, екрани дісплеїв):

3) хімічна кераміка (каталізатори, сорбенти, датчики вологості, елементи хімічних реакторів);

4) біокераміка (протези суглобів і зубів);

5) термічна кераміка (футеровка печей і реакторів, тепловий захист, теплообмінники);

6) конструкційна кераміка (несучі конструкції, ріжучий і пресувальний інструмент, антифрикційні елементи);

7) ядерна кераміка (футеровка реакторів, екрануючі матеріали, поглиначі випромінювання);

До основних сфер застосування керамічних матеріалів відносяться електротехнічна кераміка, різальний інструмент, деталі двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних двигунів та ін.

 

ЕЛЕКТРОТЕХНІЧНА КЕРАМІКА

Фарфор є одним з основних матеріалів ізоляторного виробництва. Для виготовлення фарфору застосовують спеціальні сорти глини (каолін) і мінерали кварц і польовий шпат. Основні властивості обпаленого фарфору: щільність 2,3-2,5 г/см³; температурний коефіцієнт лінійного розширення менше, ніж у сталі. Фарфор менш крихкий, ніж скло, хімічно стійкий (тому його застосовують для виготовлення хімічного посуду). Об’ємний електричний опір r_v=10¹²…10¹³Ом×м. При підвищених температурах електроізоляційні властивості фарфору погіршуються.

Радіофарфор і його модифікація ультрафарфор – це фарфор з різними добавками, зокрема, окису барію (ВаО). Радіофарфор має підвищені в порівнянні із звичайним фарфором діелектричні характеристики, а ультрафарфор – механічну міцність.

Конденсаторна кераміка - матеріал з високим значенням діелектричної проникності, що дозволяє його використовувати як діелектрик для компактних конденсаторів. Деякі з видів конденсаторної кераміки мають в якості основної складової частини рутил (двоокис титану, титанові білила).

Сегнетокераміка має високу діелектричну проникність, що сильно змінюється з температурою, а також нелінійну залежність поляризації від величини прикладеної напруги, що дає можливість її використовувати в різних електротехнічних і радіотехнічних пристроях. Найпоширеніший представник сегнетоелектриків - титанат барію (тибар, BaO×TiO₂). З сегнетоелектриків виготовляють вариконди – особливий тип конденсаторів, ємність яких нелінійно залежить від прикладеної напруги.

П’єзокераміка (від грецького "п’єзо" - давити) є штучним матеріалом, що має п'єзоелектричні і сегнетоелектричні властивості. Особливістю п’єзокерамічних матеріалів є п’єзоелектричний ефект, який полягає в утворенні електричного заряду на їх поверхні при механічному деформуванні.

Структура п’єзокераміки полікристалічна. П’єзокераміка не належить до класичних видів кераміки, оскільки до її складу не входить глиниста речовина. П’єзокерамічні матеріали синтезуються з оксидів металів. Проте застосування характерного для керамічної технології прийому термічної обробки при високій температурі виправдовує віднесення п’єзокерамічних матеріалів до сімейства кераміки. Більшість п’єзокерамічних матеріалів складаються з хімічних сполук з кристалічною структурою типу ВаТiO₃, РbТiO₃, LiNbO₃ і різних твердих розчинів на їх основі (наприклад, системи ВаТiO₃-СаТiO₃; ВаТiO₃-СаТiO₃-СоСO₃; NaNbO₃-KNbO₃). Особливо широко використовуються як п’єзоелектрики системи цирконату-титанату свинцю PbTiO₃ - PbZrO₃.

Магнітна кераміка призначена для виготовлення постійних магнітів (магніти з порошків) і феримагнетиків широкого спекту застосувань.

Магніти з порошків виготовляються методами порошкової металургії. Розрізняють металокерамічні магніти і магніти з зерен порошку, скріплених зв'язуючою речовиною (металопластичні магніти). Виготовлення перших зводиться до пресування порошку, що складається з подрібнених тонкодисперсних магнітотвердих сплавів, і до подальшого його спікання при високих температурах за аналогією з процесами відпалу кераміки.

Феримагнетики (ферити) – це складні оксидні матеріали, що мають доменну структуру. Ферити тверді і крихкі матеріали, тому їх не можна різати, можна лише шліфувати і полірувати. Ферити є магнітною керамікою з незначною електронною провідністю, внаслідок чого вони можуть бути віднесені до електронних напівпровідників. Велика величина питомого опору, що перевищує r заліза в 10⁶-10¹¹ разів, а отже, і відносно невеликі втрати енергії в діапазоні підвищених і високих частот і досить високі магнітні властивості забезпечують феритам широке застосування у високочастотних пристроях.

Ферити є системою з окислів заліза й окислів двовалентних, рідше одновалентних металів, що відповідають загальній формулі МеО×Fе₂О₃ , де Ме - символ двовалентного металу. Більшість з'єднань зазначеного типу, як і природний магнітний залізняк (магнетит) FеО×Fе₂О₃, мають магнітні властивості. Технічні ферити є твердими розчинами декількох найпростіших з'єднань, у тому числі і неферомагнітних. В даний час використовуються групи змішаних феритів: марганець-цинковий, нікель-цинкові і літій цинковий. Технологічний процес виробництва феритових виробів зводиться до того, що попередньо одержують феритний порошок, що складається з подрібнених і попередньо відпалених окислів відповідних металів. У порошок додають пластифікатор - розчин полівінілового спирту, і з отриманої маси пресують під великим тиском вироби необхідної форми. Виріб відпалюють при температурі 1100-1400°С. При цьому відбувається спікання порошку і утворення твердих розчинів феритів. Відпалювання проводять в окисному середовищі (звичайно – в повітрі). Недолік технології полягає в тому, що усадка феритів при відпалюванні може досягати 20%.

Феритивикористовуються для виготовлення запам'ятовуючих пристроїв обчислювальної техніки, як високочастотні перетворювачі електромагнітної енергії в інші види енергії (наприклад, механічну), як датчик тиску, як сердечники котушок індуктивності, магнітопроводів.

Високотемператуна надпровідна кераміка вперше була створена на основі лантану, барію і оксиду міді (La_2-xBa_xCuO₄). Вона мала відносно високу в порівнянні з відомими надпровідниковими матеріалами температуру надпровідного переходу Т_нп=35К. Більш високі показники має надпровідна кераміка на основі іттрій-барій-оксида міді YBa₂Cu₃O_7-x , у якої Т_нп= 93К. В наш час створено велике число надпровідних керамік, які містять у своєму складі рідкоземельні елементи Y, Ва, Lа, Nd, Sm, Eu, Cd, Ho, Er, Tm, Lu. Температура надпровідного переходу цих керамік знаходиться в інтервалі температур від 86 до 135К. Температура 135К, що є набагато вищою за температуру зрідженого азоту (77К), досягнута для ртутної кераміки HgBa₂Ca₂Cu₃O_8+x.

Відкриття цих матеріалів роблять надпровідність перспективною для практичного застосування, наприклад, при виготовленні надпотужних ліній електропередач, генераторів і електромагнітів.

 

РІЖУЧИЙ КЕРАМІЧНИЙ ІНСТРУМЕНТ

Ріжуча кераміка характеризується високою твердістю, у тому числі при нагріві зносостійкістю, хімічною інертністю до більшості металів в процесі різання. По комплексу цих властивостей кераміка істотно перевершує традиційні різальні матеріали - швидкорізальні стали і тверді сплави. Високі властивості ріжучої кераміки дозволили істотно підвищити швидкості механічної обробки стали і чавуну.

Для виготовлення ріжучого інструменту застосовується кераміка на основі оксиду алюмінію з добавками діоксиду цирконію, карбідів і нітриду титану, а також на основі безкисневих з'єднань - нітриду бору з кубічними гратами (BN – кубічний нітрид бору) і нітриду кремнію Si₃N₄. Ріжучі елементи на основі кубічного нітриду бору залежно від технології отримання випускаються під назвами ельбор, боразон, композит 09 та ін., мають твердість, близьку до твердості алмазного інструменту і зберігають стійкість до нагріву на повітрі до 1300…1400°С. На відміну від алмазного інструменту кубічний нітрид бору хімічно інертний по відношенню до сплавів на основі заліза. Його можна використовувати для чорнового і чистового точіння загартованих сталей і чавунів практично будь-якої твердості. Ріжучі керамічні пластини використовуються для оснащення фрез, токарних різців, розточувальних голівок, спеціального інструменту.

 

 

КЕРАМІЧНІ ДВИГУНИ

Для підвищення коефіцієнту корисної дії (ККД) двигунів внутрішньо згоряння необхідно підвищувати робочу температуру. Проте максимально допустимі температури визначаються теплостійкістю матеріалу. Конструкційна кераміка допускає застосування більш високих температур в порівнянні з металом і тому є перспективним матеріалом для виготовлення деталей двигунів внутрішнього згорання і газотурбінних двигунів. Окрім вищої теплостійкості перевагою кераміки є низька густина і теплопровідність, підвищена термо- і зносостійкість. Крім того при її використанні не потрібна система охолодження двигунів.

В технології виготовлення керамічних двигунів залишається ряд невирішених проблем. До них, передусім, відносяться проблеми забезпечення надійності, стійкості до термічних ударів, розробки методів з'єднання керамічних деталей з металевими і пластмасовими.