3.5. Перспективы и области применения конструкционной керамики
Доминирующим признаком конструкционной керамики, определяющим области ее применения, является высокий уровень механических свойств. К группе конструкционной керамики относят не только материалы, предназначенные для использования в конструкциях, несущих статические и динамические нагрузки в течение длительных периодов времени, но также и инструментальные материалы, носители катализаторов, ударопрочные (бронезащитные) материалы, износо- и эрозионностойкие материалы (для подшипников качения и скольжения, торцевых уплотнений и других изделий триботехнического назначения, нитеводителей, сопел распылительных форсунок и т.д.).
Производство конструкционной керамики не достигло, однако, такого масштаба, как производство функциональной керамики для электроники (подложки микросхем, керамические конденсаторы, сегнетоэлектрики и т.д.). Исключением являются инструментальная керамика (неперетачиваемые многогранные сменные пластины для токарной обработки высокопрочных металлических сплавов), а также носители катализаторов для автомобильного транспорта. Причины такого положения заключаются, с одной стороны, в отсутствии столь массового «потребителя», как микроэлектроника для функциональной керамики,
ис другой – в высоких технологических затратах на всех стадиях производства – от сырья до механической обработки готовых изделий. Тем не менее с учетом уникальности свойств и широкой распространенности исходных элементов в природе конструкционная керамика является материалом будущего и относится к числу материалов, имеющих наибольшие темпы роста капиталовложений. Так, если по металлам исплавам средние ежегодные темпы роста мировых объемов вложений составляют 2–4 %, то по конструкционной керамике они достигают ~14 %.
Прогресс в повышении параметров и эффективности газотурбинных и поршневых двигателей, силовых турбин связан с разработкой
иприменением жаропрочных керамических материалов. Это обусловлено тем, что только керамика позволит повысить рабочие температуры двигателей и турбин в 1,5–2 раза и, соответственно, увеличить их КПД, экономичность, снизить загрязнение окружающей среды.
66
Расширяется область применения керамических материалов из Si3N4, SiC, Al2O3, ZrO2 в химическом производстве, что подтверждается достаточно большим количеством работ по исследованию устойчивости керамики в контакте с кислотами, щелочами и расплавами солей.
Для ряда керамических материалов конструкционного назначения из спеченного и горячепрессованного нитрида кремния достигнута прочность 1000 МПа, К1С = 8–10 МПа · м1/2 и модуль Вейбулла ~10. По прогнозам зарубежных специалистов, основные направления в разработке материалов и технологии керамики сохранятся, и будет достигнут следующий уровень свойств материалов: σизг = 1800–2000 МПа, К1С = 15–20 МПа · м1/2, Траб = 1800 °С для длительной работы
иТраб = 2300–2500 °С кратковременно. Остаются перспективными материалы на основе нитрида и карбида кремния. Однако для рабочих температур 1800 °С и выше представляется необходимым создание более тугоплавких материалов в системах типа карбидов и боридов циркония, гафния, тантала, где продемонстрированы прочность до 2000 МПа
ирабочие температуры до 2200 °С при σизг = 600 МПа.
Перспективным направлением является создание самоармированных удлиненными зернами основного материала структур. Например, β-Si3N4 в материалах на основе Si3N4 как наиболее термодинамически устойчивых и обеспечивающих длительную работу при повышенных температурах.
Две важнейшие задачи предстоит решить для обеспечения более широкого применения керамики в конструкциях:
–разработать конструкторско-технологические решения, повышающие надежность работы керамических деталей;
–создать материалы с вязкостью разрушения 15–20 МПа · м1/2. Оптимизм прогнозов по резкому увеличению применения керами-
ки основан на массовом и эффективном применении в США, Японии, ФРГ керамических роторов турбонагнетателей и клапанов в двигателях внутреннего сгорания, а также на успешных испытаниях газотурбин-
ных двигателей, в том числе в России, с применением керамики с К1С = = 5–7 МПа · м1/2.
67
Список литературы
Основная
1.Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. – М.: Нау-
ка, 1993. – 187 с.
2.Керамика для машиностроения / А.П. Гаршин, В.М. Гропянов, Г.П. Зайцев, С.С. Семенов. – М.: Научтехлитиздат, 2003. – 384 с.
3.Химическая технология керамики: учеб. пособие для вузов / под ред. проф. И.Я. Гузмана. – М.: Стройматериалы, 2003. – 496 с.
4.Шаталин А.С., Ромашин А.Г. Новые конструкционные материалы на основе керамики и композитов с керамической матрицей. Ч. 1. Конструкционные керамические материалы // Перспективные материа-
лы. – 2001. – № 4. – С. 5–16.
5.Андриевский Р.А., Спивак И.И. Нитрид кремния и материалы на его основе. – М.: Металлургия, 1984. – 136 с.
6.Современная оксидная керамика и области ее применения / Е.С. Лукин, Н.А. Макаров, А.И. Козлов [и др.] // Конструкции из композиционных материалов. – 2007. – № 1. – С. 3–13.
Дополнительная
1.Шевченко А.В., Рубан А.К., Дудник Е.В. Высокотехнологичная керамика на основе диоксида циркония // Огнеупоры и техническая ке-
рамика. – 2000. – № 9. – С. 2–8.
2.Конструкционная нитридкремниевая керамика с повышенной прочностью при 1300 °С / В.П. Параносенков, А.В. Меркулова, И.Л. Шкарупа [и др.] // Огнеупоры и техническая керамика. – 1997. – № 6. –
С. 20–21.
3.Falk L.K.L. Imaging and microanalysis of liquid phase sintered sili- con-based ceramic microstructures // J. Mater. Sci. – 39 (2004). – Р. 6655– 6673.
4.Викулин В.В. Производство изделий на основе Si3N4 и их применение в авиационно-космической промышленности // Перспективные материалы. – 2006. – № 5. – С. 14–19.
5.Petzow G., Herrmann M. Silicon nitride ceramics. Structure and Bonding (Berlin, Germany), 102 (High Performance Non-Oxide Ceramics II). 47–167. (2002).
6.Орданьян С.С., Чупов В.Д. Методы получения, свойства и области применения конструкционных керамических материалов на ос-
68
нове карбида кремния // Огнеупоры и техническая керамика. – 2004. –
№8. – С. 28–30.
7.Riedel R., Ionescu E., Chen I.-Wei. Modern Trends in Advanced Ceramics. Ceramics Science and Technology. Vol.1: Structures. Ralf Riedel and I–Wei Chen (Eds.). – Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2008. – 612 с.
Контрольные вопросы
1.Основные керамические материалы конструкционного назначения.
2.Для чего в корундовую керамику вводят добавки других окси-
дов?
3.Трансформационное упрочнение керамики.
4.Типы трансформационного упрочнения материалов на основе диоксида циркония.
5.Основные области использования керамики на основе диоксида циркония.
6.Как получают рекристаллизованный карбид кремния и какова его пористость?
7.Какие активирующие добавки используют при спекании карбида кремния?
8.Сравните спеченный и реакционно-связанный нитрид кремния.
9.Для чего вводят оксидные добавки в керамику на основе нитрида кремния?
10.Как влияет метод изготовления на трещиностойкость изделий из нитрида кремния?
69
Глава 4. КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
4.1. Керамические материалы с электрическими функциями
Для керамики электротехнического назначения определяющими свойствами являются: электросопротивление, диэлектрическая проницаемость, сегнетоэлектрические свойства, пьезосвойства и др. В зависимости от значений этих свойств керамические материалы могут выполнять различные функции. В электрической и радиоэлектронной промышленности керамическая технология широко применяется для изготовления диэлектрических, полупроводниковых, пьезоэлектрических и других изделий.
4.1.1.Керамика с изолирующими свойствами
Внастоящее время из электроизоляционной керамики изготавливаются десятки тысяч наименований изделий массой от десятых долей грамма до сотен килограммов и размерами от нескольких миллиметров до нескольких метров. Керамика применяется для корпусов электровакуумных приборов СВЧ, подложек гибридных микросхем, корпусов интегральных схем (ИС) и других деталей.
Керамика на основе силикатов – первая керамика, которую активно применяли в качестве материала для электротехники. Электрофарфор является основным керамическим материалом, используемым в производстве широкого ассортимента низковольтных и высоковольтных изоляторов и других изоляционных элементов с рабочим напряжением до 1150 кВ переменного и до 1500 кВ постоянного тока. Электрофарфор обладает достаточно высокими электроизоляционными, механическими, термическими свойствами в области рабочих температур; он выдерживает поверхностные разряды, слабо подвержен старению, стоек
квоздействию атмосферных осадков, многих химических веществ, солнечных лучей и радиационных излучений.
При работе мощных СВЧ-приборов имеет место рассеяние мощности, приводящее к разогреву прибора. Для обеспечения нормальной работы это тепло должно восприниматься корпусом, который выполняет много функций: эффективный отвод и рассеивание тепла, электроизо-
70