Стекломатериалы и керамика

К стекловидным материалам относятся:

- стекло – твердый некристаллический материал, получаемый переохлаждением расплава стеклообразующих (SiО₂, Р₂О₅, В₂О₃) и других металлических и неметаллических окислов. Характеризуется изотропией свойств, достаточной прочностью и нагревостойчивостью, хорошие диэдектрики, но хрупкие и непластичные. Классифицируются по составу (силикатные, боросиликатные, фосфоросиликатные, щелочные, бесще­лочные и др.) и по применению (технические, оптические, изоляционные, ренгеновские, лазерные и др.). Из стекла изготавливают химическую посуду, трубы, детали оптических приборов, подложки гибридных микросхем и др. Основной минус стекла – хрупкость – обусловлена особенностями структуры поверхности. Она сильно развитая с большим числом микротрещин и дефектов. Этот недостаток частично устраняется при специальной ТО и химической полировке – прочность можно увеличить в 3-6 раз, а ударную вязкость – в 5-7 раз.

- ситаллы – материалы, полученные управляемой кристаллизацией стекла (в расплав добавляется несколько процентов мелкодисперсных тугоплавких порошков). По признакам технологии синтеза и составу исходного сырья различают термо-, фото- и шлакоситаллы. Для них характерна мелкозер­нистая однородная структура (d_З = 1-5 мкм). Содержание некристаллической фазы до 5 об.%, значительно более высокие, чем у стекол того же состава, механические, тепловые и диэлектрические свойства. Из ситаллов изготавливают подложки микросхем, химически стойкую посуду, детали прецизионных машин, инструмент и др.

Керамика – многофазная система, состоящая из аморфных, кристаллов и газовых компонентов. Различают кислородную (на основе окислов металлов и неметаллов – SiО₂, Al₂О₃, К₂О, MgO₂ и др.) и бескислородную (МоSi₂, TiN и другие нитриды, бориды и карбиды) керамики.

Размеры зерна керамики значительно больше, чем у ситаллов, их структура неоднородна (d_З = 0,1 мкм - 0,3 мм). Для нее характерна высокая нагревостойкость (керамика на основе нитридов и боридов может работать при Т = 2500-3500⁰С) и химическая стойкость, прочность, стабильность свойств, высокие диэлектрические характеристики, доступность и дешевизна сырья. Самыми высокими механическими свойствами обладает керамика на основе чистых нитридов и окислов, на ее основе изготавливаются металлорежущий и абразивный инструмент. В электротехнической и химической технологии широко применяются фарфор и ультрафарфор (смесь Al₂О₃, SiО₂ и К₂О), стеотитовая, муллитовая и др. керамики (называется по исходным природным минералам).

Основные операции изготовления изделий из керамических материалов:

- измельчение исходных продуктов;

- их дозировка, смешение и добавление связующего вещества;

- формовка деталей методами прессования, литья, экструзии и т.п.;

- низкотемпературный обжиг (Т = 450-500⁰С) для удаления связующего и упрочнения детали;

- высокотемпературный обжиг (Т = 1400-1700⁰С) для получения требуемого фазового состава и свойств.

Механическая обработка керамики обычно абразивная или инструментом из сверхтвердых материалов. Основной недостаток керамики – хрупкость (по другим характеристикам превосходит металлы и сплавы) – можно уменьшить, добиваясь более однородной и мелкозернистой структуры. Например, обычный электрофарфор имеет σ_В = 1000 МПа и относительное удлинение ε = 4%, если его структуру измельчить до d_З = 0,1-0,5 мкм, то σ_В достигает 3000 Мпа, а ε = 40-60%, такую керамику можно обрабатывать как деформируемые металлы или сплавы.