Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

Внашей стране также разработана прозрачная керамика на основе

Y2O3 с добавками 5–10 мол.% HfO2 и ZrO2 под названием Глубор. Технология изготовления заключается в том, что исходный поро-

шок оксалата иттрия Y2(C2O4)3 и водный раствор азотнокислых солей гафния и циркония подвергают мокрому помолу в течение 50 ч. Затем проводят прокаливание при 1400–1500 °С и из полученной порошковой смеси прессуют изделия при давлении 100 МПа со связкой 5 % раствором ПВС, вводимой в количестве 15–18 %. Предварительный обжиг осуществляют в воздушной среде при 1400 °С с выдержкой 5–10 ч,

аокончательный в вакууме при 1950–2000 °С с выдержкой 3 ч. После обжига керамику необходимо прокалить в воздушной среде при 1400 °С, затем проводят «осветление» в вакууме при 1700–1850 °С в течение 1– 1,5 ч. Полученная керамика характеризуется максимальным светопропусканием в видимой и ИК-областях спектра (при λ = 0,7 мкм светопропускание 80 %, при λ = 6 мкм (толщина 1 мм) – 90 %) и по своим свойствам не уступает зарубежной керамике Yttralox. Применяют прозрачную керамику из оксида иттрия в инфракрасных устройствах, светоизлучающих трубках электроразрядных ламп, в высокотемпературных установках, в электронных деталях и компонентах и т.д.

Перспективным направлением использования керамических сегнетоэлектриков является электрооптическая керамика. Наиболее исследована и широко применяется керамика ЦТС с частичным замещением ионов свинца на ионы лантана, известная под названием ЦТСЛ (PLZT)

с общей формулой (PbLa)(ZrTi)O3. При приложении электрического или механического напряжения происходит направленная ориентация диполей, и керамика приобретает способность к сложному преломлению. На этом электрооптическом эффекте основано применение керамики ЦТСЛ в различных устройствах. Аналогичными свойствами обладает скандат-ниобат свинца (СНС) состава Pb(Sc0,5Nb0,5)O3.

Вкачестве исходного материала для получения ЦТСЛ-керамики применяют порошок – смесь в нужной пропорции оксидов высокой чистоты, который предварительно обжигают при 900 °С. Типичные условия ГП: окислительная среда, температура 1150 °С, давление 21 КПа, выдержка 16 ч. Условия проведения ГП существенно воздействуют на диаметр зерен и оптические свойства.

Находит применение в технике обработки световой информации, для изготовления световых вентилей, оптических затворов, оптических ЗУ, индикаторов с аккумуляцией изображений и т.д.

111

4.5. Пористые материалы

Керамические изделия и материалы данного класса должны обладать повышенной пористостью (обычно более 30 %), которую создают преднамеренно. Она определяет решающим образом свойства, необходимые для их применения, такие как высокая тепло- и звукоизолирующая способность, проницаемость, удельная поверхность и некоторые другие.

Пора от Poros (греч.) – отверстие, проход, скважина. Порами называют пустоты в материале, несплошности. Пористый – изобилующий порами. Пористые материалы – материалы, часть которых занята порами. В общем случае пористость – это:

1)совокупность пор, образующихся в материале в процессе его изготовления или эксплуатации;

2)отношение суммарного объема пор порошкового тела к полному

объему тела: П = Vп/Vобщ или П = (γо–γп)/γо и т.д.

На рис. 4.17 приведены виды пористости в материалах. Образцы материалов с закрытой и открытой пористостью представлены на рис. 4.18.

Общая пористость

Рис. 4.17. Виды пористости в материалах

Основные разновидности пористых материалов классифицируются по пористости и плотности, по строению, по назначению.

По пористости и плотности материалы подразделяют на низкоплотные с относительно невысокой пористостью 35–40 %; легковесы (пористость 45–75 %) и ультралегковесы (пористость свыше 75 %).

По строению различают изделия с зернами наполнителя, ячеистые (включая пенные) и волоконные.

По назначению выделяют теплоизоляционные изделия (решающий показатель – коэффициент теплопроводности); теплозащитные; фильтрующие (один из основных показателей – коэффициент проницаемости).

112

•дублирование полимерной матрицы с последующим ее удалением в процессе термообработки;

•экструзия пластифицированных керамических масс;

•введение в массу керамических волокон;

•введение в исходную массу и последующее удаление (испарением, возгонкой и т.д.) добавок, оставляющих поры.

Способы получения пористых керамических материалов

Рис. 4.19. Способы получения пористых керамических материалов

Реальные способы получения часто являются комбинацией 2–3 различных методов. Рассмотрим некоторые из них.

Одним из наиболее простых способов получения пористых кера-

мических материалов является спекание порошков с введением в исходную шихту различных выгорающих добавок-порообразователей.

Для создания пористости в керамическую массу перед формованием вводят разлагающиеся или газообразующие компоненты. Такими компонентами являются органические вещества: кристаллическая мелкодисперсная целлюлоза, амины, спирты, высшие масла, кремнийорганические смолы, а также карбонаты, нитраты и другие неорганические соединения, которые разлагаются с образованием газообразных продуктов при нагревании. Газообразующие добавки и добавки-порообра- зователи помогают регулировать объем и размеры пор. Например, после выгорания мелкодисперсной целлюлозы, введенной в исходную керамическую шихту, остаются пустоты таких же малых размеров, как и кристаллы микроцеллюлозы. Поры остаются после удаления разлагающихся веществ, содержащихся в исходной шихте, при нагревании до температуры разложения.

Существует много других менее тонких методов создания пористости, например введение древесных опилок, крахмала, различных ви-

114

дов углей и продуктов коксования, полых полимерных гранул и т.д. В зависимости от состава шихты, вида добавки и проектируемой конфигурации изделий используют порошкообразные, пластичные и жидкотекучие массы.

Регулирование пористости и размера пор керамических пористых материалов при спекании осуществляется также за счет изменения гранулометрического состава порошков исходных материалов. Например,

использование узкофракционных зерен заполнителя. Известно, что при кубической укладке равновеликих шаров пустотность составляет почти 50 %. Однако реализовать такую модель упаковки практически невозможно, так как керамические зерна не шаровидные и даже при узком фракционировании различаются по размерам. Так как крупные зерна практически не спекаются, обычно вводят часть тонких зерен, образующих керамическую связку в обжиге.

При использовании монофракционных зерен, содержании 10 % тонких фракций, давлении прессования 5…10 МПа удается получать керамику с пористостью 35…40 % и равномерным строением. Пористость может быть повышена до 50…65 %, если заменить плотные зерна заполнителя гранулами с собственной пористостью.

Использование в качестве выгорающих добавок узкофракционных полимерных дисперсных материалов позволяет управлять процессом порообразования. Для создания пористых керамических материалов с регулируемой сквозной пористостью необходимо получение в керамических массах бесконечных кластеров выгораемых частиц. Для этого надо выбрать условия, при которых полимерные частицы создают во всем объеме массы бесконечные кластерные структуры. После выгорания этих структур в керамических материалах формируются соответствующие им сквозные поры.

Использование волокнистых материалов для получения порис-

тых материалов. Процесс изготовления пористых волокнистых изделий сводится к получению собственно волокон, формованию из них различными методами изделий в виде пластин, труб и других и стабилизации полученной пористой структуры путем применения разнообразных связующих.

Для связывания волокон используют как органические (битумы, синтетические смолы), так и неорганические (глины, цемент, растворимое стекло и т.д.) связующие, выбор которых определяется условиями

115