Керамические материалы

Керамика — неорганические поликристаллические материалы, получаемые из сформованных минеральных масс (глин и их смесей с минеральными добавками) в процессе высокотемпературного (1200…2500^оС) спекания.

В керамической технологии используют, главным образом, каолины и глины, а также и другие виды минерального сырья, на­пример, чистые оксиды. Под каолинами и глинами понимают природные водные алюмосиликаты с различными примесями, способные при замешивании с водой образовывать пластичное тесто, которое после обжига необратимо переходит в камневидное состояние.

Керамические изделия изготовляют способами пластического формования и полусухого прессования с последующей сушкой и спеканием.

При спекании происходят такие процессы, как дегидратация компонентов, деструкция органических технологических примесей (полимеры, поверхностно-активные вещества), диссоциация нестойких неорганических соединений, процессы окисления и восстановления, плавление некоторых компонентов, полиморфные превращена и т.д. В итоге после охлаждения стекловидный, может быть, частично закристаллизованный расплав связывает зерна более тугоплавкого компонента, образуя прочный монолит.

Состав керамики образован многокомпонентной системой, включающей:

кристаллическую фазу (более 50 %) — химические соединения и (или) твердые растворы;

стекловидную (или аморфную) фазу (1...40 %) — прослойки стекла, которое по своему химическому составу отличается от хими­ческого состава кристаллической фазы;

газовую фазу — газы, находящиеся в порах.

Кристаллическая фаза является основой керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других основ­ных свойств. Стекловидная фаза ухудшает механическую прочность и тепловые показатели, однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

По структуре порового пространства различают керамику с открытыми, сообщающимися с внешней средой и закрытыми порами. Наличие даже закрытых пор ведет к снижению механической и электрической прочности, к росту электрических потерь.

Керамика — изотропный материал, так как представляет со­бой поликристаллическое вещество с мелкими беспорядочно распо­ложенными кристаллами. Керамику с анизотропией свойств получа­ют на основе монокристаллов. Сегнето- и пьезокерамику получают при сохранении остаточной поляризации.

Свойства керамики определяются ее составом, структурой и пористостью. Среди основных свойств керамических материалов:

- плотность — 1800...3900 кг/м³ и более;

- водопоглощение — для пористой керамики 6...20% по массе (12... 40% по объему), а для плотной — 1...5% по массе (2... 10% по объему);

- теплопроводность в зависимости от пористости и химического состава — 0,8...1,16 Вт/(м • К). Сравнительно высокая теплопровод­ность у керамики на основе Al₂O₃ и, особенно, на основе ВеО;

- твердость, близкая к твердости алмаза;

- хрупкость;

- высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектриче­ские свойства;

- дугостойкость;

- водо-, химическая, коррозионная и жаростойкость.

Недостатком керамики является высокая усадка при спекании — 20...25% и выше, что создает трудности с обеспечением точных размеров изделия. Обработка готовых изделий затруднена, т.к. спеченная керамика обладает высокой твердостью, режется с трудом и только абразивами.

Керамику классифицируют по вещественному составу, по со­ставу кристаллической фазы, по структуре и по назначению.

По вещественному составу разновидностями керамики являют­ся фаянс, полуфарфор, фарфор, терракота, керметы, корундовая и сверхтвердая керамика и так называемая каменная масса.

По составу кристаллической фазы различают керамику из чистых оксидов (Al₂O₃, ZrO₂, MgO, BeO, CaO и др.) и бескислородную (SiC, TiB₂, ZrB₂, BN, Si₃N₄, MoSi₂).

По структуре (характеру строения черепка) керамика делится на плотную (р = 1...2%) и пористую (р = 15...20 %) керамику. Порис­тые керамики поглощают более 5 % воды (по массе), а плотные — 1…4% по массе или 2...8 % по объему. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, черепица, дренажные трубы и др.; плотную — плитки для полов, канализационные трубы, санитарно-технические изделия.

К числу новых по структуре керамических материалов следует отнести волокнистые керамические материалы, получаемые спекани­ем, например, аморфного кварцевого волокна. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую и волокни­стую — как термоизоляционный материал и материал для высокотемпературных жидкостных и газовых фильтров.

По назначению керамику делят на конструкционную, инстру­ментальную, техническую и бытовую. Конструкционная керамика производится как строительная и машиностроительная. Как инструментальный материал используется корундовая и сверхтвердая керамика. К технической керамике относятся электро- и радиотехническая керамика, керметы, абразивные керамические материалы, пенокерамика и др.

Абразивные керамические материалы (абразивы) — вещества повышенной твердости, применяемые в массивном или измельченном состоянии для механической обработки (шлифования, резания, исти­рания, заточки, полирования и т.д.) других материалов. Естественные абразивные материалы — кремень, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз и др.; искусственные абразивные материалы — электрокорунд, карбид кремния, боразон, элъбор, синтетический алмаз и др. По убыва­нию абразивной способности эти материалы располагаются так: син­тетический алмаз, кубический нитрид бора, карбид бора, карбид кремния, карбид титана и электрокорунд. В настоящее время разрабатываются новые абразивные материалы на основе боридов и кар­бидов переходных металлов, а также типа белбора.

Способами воздействия на свойства керамических изделий являются химико-термическая обработка и использование покрытий, в том числе, глазури.

Изделия из керамики соединяют друг с другом и с другими материалами с помощью стеклокристаллического цемента с последую­щей термической обработкой при 400...600°С, клеев и замазок на основе эпоксидной смолы и жидкого стекла, а также металлизацией с последующей пайкой.