Классификация и применение керамики

Техническую керамику можно подразделить на 3 группы: оксидную, безоксидную (бескислородную) и металлокерамику.

1) Оксидную керамику получают из оксидов различных элементов: Al, Mg, Zr, Si, Be, U. Она состоит в основном из кристаллической фазы и пор. Стекловидная фаза появляется только за счет примесей.

Оксидная керамика твердая, огнеупорная, химически стойкая в кислотах, щелочах, на воздухе. Рабочие температуры составляют 0,8–0,9 от температур плавления (от 2000 до 3300 °С). Но резких изменений температуры она не выдерживает.

Пористая керамика этой группы применяется как теплоизоляционный материал и огнеупорная футеровка камер сгорания, металлургических печей и ковшей (динасовый, магнезитовый, шамотный кирпич). Вспененная керамическая теплоизоляция «Бурана» имела всего 5 % материала и 95 % пор, заполненных инертным газом. Из пористой керамики делают также фильтры для различных жидкостей (воды, вина, масла).

Керамику на основе оксида алюминия Al₂O₃ называют корундовой. Она применяется очень широко:

· обтекатели радиолокационных антенн,

· подшипники печных рольгангов,

· вводы и поддерживающие устройства для нагревателей термических печей,

· электроизоляторы,

· сопла аргоно-дуговых горелок, форсунок для закачки воды в скважину (давление 150 атм), пескоструйных и дробеструйных установок,

· фильеры для волочения проволоки,

· нитеводители в текстильной промышленности,

· режущий инструмент,

· распределители и шайбы в бытовой сантехнике,

· торцевые уплотнители для насосов.

Керамика на основе оксида циркония ZrO₂ имеет очень важную особенность. ZrO₂ испытывает 3 полиморфных превращения при нагреве: моноклинная решетка превращается в тетрагональную, а затем в кубическую. Тетрагональную решетку можно сохранить при низких температурах с помощью модифицирования. Тогда фазовое превращение начинается за счет приложенного напряжения. Такая модифицированная керамика имеет прочность
3000 МПа при критерии трещиностойкости K_1C = 20-25 (у обычной керамики – не более 4). Из ZrO₂ делают твердооксидные топливные ячейки (для выработки электроэнергии), датчики содержания кислорода в расплаве стали.

В приборостроении, электротехнике и электронике применяется так называемая тонкая керамика: плотная и мелкозернистая (размер зерен 1-5 мкм). Это, например, ферриты – высокочастотные магнитомягкие материалы из оксидов железа FeO·Fe₂O₃, спеченных или сплавленных в монокристалл без пор. Есть и магнитотвердые ферриты. Для изоляторов применяется электрофарфор. Есть специальная конденсаторная керамика (ультрафарфор, стеатит TiO₂) с высоким значением диэлектрической проницаемости ε.

2) Бескислородная (безоксидная) керамика – это карбиды Me_xC_y, нитриды Me_xN_y, бориды Me_xB_y и т. п. Это тугоплавкие соединения, их огнеупорность достигает 3500 °С. Твердость приближается к твердости алмаза. Они обладают высокой износостойкостью и жаростойкостью.

Карборунд SiC – твердый, химически стойкий, легкий, жаростойкий материал. Из него делают нагреватели печей, чехлы термопар, лопатки газовых турбин, детали ДВС, шлифовальные круги, защитные покрытия на графите.

Нитрид кремния Si₃N₄ стоек в расплавленных металлах и шлаках. Применяется для деталей газовых турбин, жаростойких инструментов, тиглей, кристаллизаторов, деталей насосов для перекачки расплавленных металлов.

3) Керамико-металлические материалы, или керметы, получают путем перемешивания порошков тугоплавкого керамического соединения и металла. Затем смесь порошков прессуется и спекается. Металл играет роль связки; он повышает пластичность и вязкость. При этом возрастает и σ_изг. В качестве связок используются кобальт, никель, железо, молибден. Керамическая составляющая может быть как оксидной, так и бескислородной.

Широко применяемые керамико-металлические материалы – это инструментальные твердые сплавы. Из них делают режущие пластины для фрез, сверл, зенкеров, резцов, а также штампы, волоки, бурильный инструмент. Они состоят из карбидов WC, TiC, TaC и кобальтовой связки. Применяются также материалы Cr₇C₃ – Ni, Al₂O₃ – Cr, BeO – W.

Графит

Графит является перспективным материалом высокой жаропрочности: его жесткость и прочность при нагреве возрастают (на 60 % до температуры 2200-2400 °С)! Он не плавится, а возгоняется – переходит в газовую фазу – при температуре 3800 °С. Графит имеет малый коэффициент теплового расширения при нагреве и хорошо проводит тепло. Поэтому он не боится тепловых ударов. Кроме того, у него малая скорость ползучести.

Графит технологичен: его можно обрабатывать резанием и прессовать при нагреве.

Недостаток графита – легко окисляется при нагреве, поэтому деталям из него, работающим при высоких температурах, нужны защитные покрытия из карборунда SiC или Al₂O₃.

Графит незаменим в различных узлах ядерных реакторов благодаря своей способности замедлять скорость нейтронов и малому сечению их захвата, а также стабильности свойств при облучении потоком быстрых нейтронов.

Графит обладает высокой электропроводимостью, поэтому из него делают электроды для металлургических и электрохимических производств (для выплавки стали в электропечах, для электролиза алюминия), а также щетки электрических машин, нагреватели.

Малый коэффициент трения графита позволяет использовать его как антифрикционный материал в узлах трения, работающих без смазки, при высоких и низких температурах, в агрессивных средах.

Для получения композиционных материалов очень широко применяются углеродные волокна, имеющие высокую удельную прочность.

Лекция 22