Материал: Перспективные композиционные и керамические материалы

ются оксид алюминия и титанаты, занимая в общем объеме рынка 55– 59 % (рис. 1.3). В то же время, несмотря на уникальные свойства нитридкремниевой керамики, ее рынок достаточно ограничен и составляет не более 300 т в год. Главная причина – медленный возврат вложенных капиталов из-за более дорогого производственного оборудования, нежели для оксидной керамики. Трудности также связаны с отсутствием дешевого производства высококачественного исходного продукта. Например, успешный уровень роста микроволновой керамики заключается именно в том, что исходным материалом для нее являются традиционные оксидные порошки, а сфера применения очень широка.

1.3. Классификация керамических материалов

Единой общепринятой классификации, охватывающей все многочисленные виды керамики, нет. По областям применения керамику подразделяют на строительную, хозяйственно-бытовую, огнеупоры и техническую.

Техническая керамика занимает особое место среди керамических материалов, под которыми понимают все материалы на основе неорганических неметаллических соединений, изготовленных под воздействием тепла. Термин «техническая» керамика объединяет широкий спектр керамических материалов функционального и конструкционного назначения с заданными механическими, трибологическими, диэлектрическими, теплофизическими, оптическими и другими свойствами. Общим для всех видов технической керамики является базирование процессов изготовления на тонкой химической технологии, включая процессы синтеза сырья высокой чистоты, формирования структуры, нетрадиционной для обычной керамической технологии, процессы формования и консолидации порошков.

Количество керамических материалов очень велико и разнообразно по составу, структуре, свойствам и областям применения (рис. 1.4).

По составу керамические материалы делят:

–на кислородную керамику – оксиды алюминия Al2O3, циркония ZrO2, иттрия Y2O3, магния MgO, кремния SiO2, титана TiO2 и др.;

–бескислородную керамику – карбиды кремния SiC, титана TiC,

нитриды кремния Si3N4, алюминия AlN, бора BN, титана TiN и др.;

11

– смешанную керамику – сиалоны, представляющие собой сложные фазы Si6-xAlxOхN8-x, которые можно рассматривать как алюмосиликаты, в которых кислород частично замещен азотом, оксинитрид кремния Si2ON2, оксинитрид алюминия AlON.

Рис. 1.4. Классификация технической керамики

По структуре керамику можно подразделить на кристаллическую (шпинели, перовскиты, гранаты), аморфную (стекла), композиты – состоят из отдельных (разнородных) фаз, отличающихся составом, структурой и свойствами.

Также техническую керамику можно классифицировать по области применения на керамику для машиностроения, металлообработки, электроники и радиотехники, вакуумной техники, ядерной энергетики, медицины и т.д. (табл. 1.1).

Материалы с электрическими функциями. Большое распростране-

ние получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации, наоборот, деформироваться под воздействием внешнего электрического поля. Пьезоматериалы нашли широкое применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей.

Перспективная разновидность керамики с диэлектрическими свойствами – керамические электролиты, то есть материалы с высокой ионной подвижностью и соответственно ионной проводимостью.

Керамика широко используется как полупроводниковый материал специального назначения. Например, терморезисторы и варисторы, изменяющие электросопротивление под действием температуры и приложенного напряжения.

12

Таблица 1.1 Основные виды технической керамики и области их применения

13

Важнейшим для электронной техники керамическим диэлектриком является оксид алюминия, который доминирует на мировом рынке. Основная область применения – подложки интегральных схем.

Керамические материалы с магнитными функциями. Среди множества магнитных материалов, применяемых в технике, особое место занимают ферриты, основным компонентом которых является оксид железа. Они были разработаны как альтернатива металлическим магнитам для снижения потерь энергии на перемагничивание.

Керамические материалы с оптическими функциями. Множест-

во материалов с оптическими функциями включает оптически прозрачную керамику, керамику с люминесцентными и электрохромными свойствами, а также светочувствительные керамические материалы.

Материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Большие надежды связывают с использованием светочувствительной керамики для создания различных типов преобразователей энергии.

Керамические материалы с химическими функциями. Химиче-

ская специфика керамики нередко проявляется в изменении физических свойств. Например, хемосорбция различных газов на поверхности керамики сопровождается пропорциональным изменением ее электропроводности, что позволяет определить концентрацию тех или иных компонентов газовой смеси. На этом принципе основано действие большого числа созданных в последнее время газовых сенсоров.

14

Другая область применения керамики, основанная на ее химической специфике, связана с развитием мембранной технологии. Мембраны позволяют избирательно выделять и концентрировать разнообразные вещества.

Керамические материалы для ядерной энергетики. В ядерных энергетических установках керамика используется в качестве теплоизоляции (Al2O3, SiO2), ядерного топлива (UO2, PuO2), материалов регулирующих узлов (B4C, Sm2O3), замедляющих и отражающих материалов (BeO2, ZrO2, Be2C), материалов нейтронной защиты (B4C, HfO3, Sm2O3), электроизоляции в активной зоне (Al2O3, MgO), оболочек тепловыделяющих элементов (SiO2, Si3N4) и т.д.

В термоядерной энергетике керамика широко используется для тепловой и электрической изоляции первой стенки плазменной камеры (SiO2, Si3N4), ограничения плазмы (SiС, Al2O3, B4C), для нейтронной защиты (бланкеты из LiAlO2, Li2SiO3, Li2O), в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы (Al2O3, BeO2) и т.д.

Конструкционная керамика. Важнейшим в области материаловедения керамики явилось открытие эффекта трансформационного упрочнения в керамике на основе ZrO2, что позволило создать материалы с уровнем трещиностойкости до 15–17 МПа·м1/2 при уровне прочности более 1000 МПа. Разработка материалов на основе Si3N4, имеющих трещиностойкость более 8 МПа·м1/2, прочность более 800 МПа в интервале температур до 1400 °С, дала возможность создать двигатель внутреннего сгорания с рекордно высокой температурой рабочейкамеры.

Перспектива разработок в области керамических конструкционных материалов связана с созданием наноструктурированных композиционных материалов на основе керамики, имеющих сверхвысокие значения прочности – до 2000 МПа и более, а также керамических материалов нового поколения на основе тугоплавких карбидов, нитридов и боридов переходных металлов, имеющих температуру устойчивости твердой фазы выше 3500 °С.

1.4. Технологические процессы производства технической керамики

Важной проблемой технологии технической керамики является достижение высокой воспроизводимости эксплуатационных свойств, которые зависят от структуры керамического материала. Она в первую

15