КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Керамика — неорганический материал, получаемый из отформованных минеральных масс в процессе высокотемпературного обжига. В результате обжига (1200—2500 °С) формируется структура материала (спекание), и изделие приобретает необходимые физико-механические свойства.

Техническая керамика включает искусственно синтезированные керамические материалы различного химического и фазового состава; она обладает специфическими комплексами свойств. Такая керамика содержит минимальное количество или совсем не содержит глины. Основными компонентами технической керамики являются оксиды и бескислородные соединения металлов. Любой керамический материал является многофазной системой. В керамике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газовая фазы.

Кристаллическая фаза представляет собой определенные химические соединения или твердые растворы. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств.

Стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1—10 % стеклофазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообразующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий.

Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную, без открытых пор и пористую. Наличие даже закрытых пор нежелательно, так как снижается механическая прочность материала.

Большинство видов специальной технической керамики обладает плотной спекшейся структурой пол и кристаллического строения, для ее получения применяют специфические технологические приемы.

Керамика на основе чистых оксидов. В производстве оксидной керамики используют в основном следующие оксиды: А1203 (корунд), Zr02, MgO, CaO, BeO, Th02, U02. Структура керамики однофазная поликрнсталлическая. Кроме кристаллической фазы может содержаться небольшое количество газов (поры) и стекловидной фазы, которая образуется в результате наличия примесей в исходных материалах. Температура плавления чистых оксидов

Зависимость предела прочности при изгибе спеченной оксидной керамики от температуры

Рис. 238. Зависимость предела прочности при изгибе спеченной оксидной керамики от температуры:

  • 1 — ZrOi (стабилизатор MgO); 2 — шпинель (MgO-Al*0,); 3 — корунд А1*Ов;
  • 4 ВеО: 5 — MgO
Зависимость потери массы оксидных керамик в вакууме (р = = 0,013 Па) от температуры

Рис. 239. Зависимость потери массы оксидных керамик в вакууме (р = = 0,013 Па) от температуры:

1 — MgO; 2 — А1,0*; 3 — ZrO* (стабилизованная СаО); 4 — ВеО; 6 — ZrO* (стабилизованная MgO)

превышает 2000 °С, поэтому их относят к классу высокоогнеупоров. Как и для других неорганических материалов, оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе; более прочными являются мелкокристаллические структуры, так как при крупнокристаллическом строении на границе между кристаллами возникают значительные внутренние напряжения.

С повышением температуры прочность керамики понижается (рис. 238). При использовании материалов в области высоких температур важным свойством является окисляемость. Керамика из чистых оксидов, как правило, не подвержена процессу окисления.

Керамика на основе А1203 (корундовая) обладает высокой прочностью, которая сохраняется при высоких температурах, химически стойка, отличный диэлектрик. Термическая стойкость корунда невысокая. Изделия из него широко применяют во многих областях техники: резцы, используемые при больших скоростях резания, калибры, фильеры для протяжки стальной проволоки, детали высокотемпературных печей, подшипники печных конвейеров, детали насосов, свечи зажигания в двигателях внутреннего сгорания. Керамику с плотной структурой используют в качестве вакуумной, пористую — как термоизоляционный материал. В корундовых тиглях проводят плавление различных металлов, оксидов, шлаков. Корундовый материал микролит (ЦМ-332) по свойствам превосходит другие инструментальные материалы, его плотность до 3960 кг/м3, осж до 5000 МПа, твердость 92—93 HRA и красностойкость до 1200 °С. Из микролита изготовляют резцовые пластинки, фильеры, насадки, сопла, матрицы и др.

Особенностью оксида циркония (ZrOa) является слабокислотная или инертная природа, низкий коэффициент теплопроводности. Рекомендуемые температуры применения керамики из Zr02 2000— 2200 °С; она используется для изготовления огнеупорных тиглей для плавки металлов и сплавов, как тепловая изоляция печей, аппаратов и реакторов, в качестве покрытия на металлах для защиты последних от действия температур.

Керамика на основе оксидов магния и кальция стойка к действию основных шлаков различных металлов, в том числе и щелочных. Термическая стойкость их низкая. Оксид магния при высоких температурах летуч, оксид кальция способен к гидратации даже на воздухе. Их применяют для изготовления тиглей, кроме того, MgO используют для футеровки печей, пирометрической аппаратуры и т. д.

Керамика на основе оксида бериллия отличается высокой теплопроводностью, что сообщает ей высокую термостойкость. Прочностные свойства материала невысокие. Оксид бериллия обладает способностью рассеивать ионизирующее излучение высоких энергий, имеет высокий коэффициент замедления тепловых нейтронов, применяется для изготовления тиглей для плавки некоторых чистых металлов, в качестве вакуумной керамики в ядерных реакторах. Летучесть спеченных оксидов в вакууме показана на рис. 239.

Керамика на основе оксидов тория и урана имеет высокую температуру плавления, но обладает высокой плотностью и радиоактивна. Эти виды керамики применяют для изготовления тиглей для плавки родия, платины, иридия и других металлов, в конструкциях электропечей (ТЮ2), для тепловыделяющих элементов в энергетических реакторах (U02).

Основные свойства керамики на основе чистых оксидов приведены в табл. 54.

Бескислородная керамика. К тугоплавким бескислородным соединениям относятся соединения элементов с углеродом (МеС) — карбиды, с бором (МеВ) — бориды, с азотом (MeN) — нитриды, с кремнием (MeSi) — силициды и с серой (MeS) — сульфиды. Эти соединения отличаются высокими огнеупорностью (2500—3500 °С), твердостью (иногда как у алмаза) и износостойкостью по отношению к агрессивным средам. Материалы обладают высокой хрупкостью. Сопротивление окислению при высоких температурах (окалиностойкость) карбидов и боридов составляет 900—1000 °С, несколько ниже оно у нитридов. Силициды могут выдерживать температуру 1300—1700 °С (на поверхности образуется пленка кремнезема).

Карбиды. Широкое применение получил карбид кремния — карборунд (SiC). Он обладает высокой жаростойкостью (1500— 1600 °С), высокой твердостью, устойчивостью к кислотам и неустойчивостью к щелочам; применяется в качестве нагревательных стержней, защитных покрытий графита и в качестве абразива.

Таблица 54

Свойства керамики на основе чистых оксидов

Оксиды *

Температура плавления, °С

Плотность

(теоретическая),

кг/м*

Предел прочности, МПа

Модуль упругости, ГПа

Т вердость по Моосу

Коэффициент линейного расширения, а, 10—* а-*

Коэффициент теплопроводности *, Вт/(к. К)

Удельное электрическое сопротивление (объемное), Ом - см

Стойкость к тепловому удару

Стойкость к эрозии

при растяжении

прн изгибе

при сжатии

А120,

2050

3 990

260

150

3000

382

9

8,4

36,2—6,08 (100—1600 °С)

Ю16

Высокая

Высокая

Zr09

2700

5 600

150

230

2100

172

7—8

7,7

1,95—2,44 (100—1400 °С)

  • 10*
  • (1000 °С)

Низкая

»

BeO

2580

3 020

100

130

800

310

9

10,6

218,6—151,1 (100—1600 X)

101*

Высокая

Средняя

MgO

2800

3 580

100

110

1400

214

5-6

15,6

34,4—6,57 (100—1600 °С)

10*5

Низкая

»

CaO

2570

3 350

80

4—5

13,8

13,8—8,37 (100—400 °С)

10м

»

»

ThOa

3050

9 690

100

1500

140

7

10,2

10,4—3,34 (100—1000 °С)

1018

Низкая

Высокая

uo„

2760

10 960

980

164,5

6

10,5

9,8—3,4 (100—1000 °С)

  • 10я
  • (800 °С)
  • 1 Стойкость к окислению средняя.
  • 2 В скобках указана температура испытания.

Бориды. Эти соединения обладают металлическими свойствами, их электропроводность очень высокая (pv = (12 57) X 10-1 Ом*м).

Они износостойки, тверды, стойки к окислению. В технике получили распространение дибориды тугоплавких металлов (TiB2, ZrBa и др.). Их легируют кремнием или дисилицидами, что делает их устойчивыми до температуры их плавления. Диборид циркония стоек в расплавах алюминия, меди, чугуна, стали и др. Его используют для изготовления термопар, работающих при температуре свыше 2000 °С в агрессивных средах, труб, емкостей, тиглей. Покрытия из боридов повышают твердость, химическую стойкость и износостойкость изделий.

Нитриды. Неметаллические нитриды являются высокотермостойкими материалами, имеют низкие теплопроводность и электропроводимость. При обычной температуре это изоляторы, а при высоких температурах — полупроводники. С повышением температуры коэффициент линейного расширения и теплоемкость увеличиваются. Твердость и прочность этих нитридов меньше, чем твердость и прочность карбидов и боридов. В вакууме при высоких температурах они разлагаются. Они стойки к окислению, действию металлических расплавов.

Нитрид бора а — BN — «белый графит» — имеет гексагональную, графитоподобную структуру. Это мягкий порошок, стойкий к нейтральной и восстановительной атмосфере, используется как огнестойкий смазочный материал, изделия из него термостойки. Спеченный нитрид бора хороший диэлектрик при 1800 °С в бескислородной среде. Наиболее чистый нитрид бора применяется в качестве материала обтекателей антенн и электронного оборудования летательных аппаратов. Другой модификацией является p-BN — а л мазо подобный нитрид бора с кубической структурой, называемый эльбором. Его получают при высоком давлении и температуре 1360 °С в присутствии катализатора. Плотность эльбора 3450 кг/м3, температура плавления 3000 °С. Он является заменителем алмаза, стоек к окислению до 2000 °С (алмаз начинает окисляться при температуре 800 °С).

Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 °С. По удельной прочности при высоких температурах Si3N4 превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300— 1700 °С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MoSi2) используется

Таблица 55

Свойства бескислородной керамики

Назвавие

Температура плавления, °С

А

1

И

ё*

с *

Предел прочности при 20 °Q, МПа

Модуль

упругости,

ГПа

Твердость по Моосу

Коэффициент линейного расширения, а, 10-® о~1

Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К)

при

растяжении

при

изгибе

при

сжатии

Карбид кремния SiC

2600

3200

155

2250

394

9,2—9,5

5,2

  • 16,7
  • (200—1400)

Диборид титана TiB2

2980

4520

140

246

1350

8,1

Диборид циркония ZrBa

3040

6090

6,88

Нитрид бора BN «белый графит»

2350

2340

  • 50—110
  • (25);
  • 0,7—1
  • (1000)

50—110

500—600

8,65 (25); 1,16 (1000)

1—2

7,51

  • 15—12,3
  • (300—1000)

Нитрид кремния Si3N4

1 твоего

3200

160

317

2,75

30

Дисилицид молибдена MoSia

2030

6240

281 (980)

473 (980)

ИЗО

  • (20);
  • 340
  • (1400)

430

8,3

48,5 (900)

Примечание, В скобках указана температура применения, °С.

наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 °С в течение нескрльких тысяч часов. Из спеченного MoSi2 изготовляют лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена (MoS2), имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстой- кого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от —150 до 435 °С, в вакууме до 1100 °С, в инертной среде до 1540 °С. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НС1, HN03, и царской водке. При температуре выше 400 °С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °С образуется Мо03, являющийся абразивом.

Свойства бескислородной керамики приведены в табл. 55.

Вопросы для самопроверки

  • 1. Укажите особенности строения графита и его важнейшие свойства.
  • 2. Как изменяется прочность графита от температуры?
  • 3. Охарактеризуйте технический и пиролитический графиты, назовите области их применения.
  • 4. Опишите неорганическое техническое стекло, назовите его состав, разновидности, свойства и применение. Какими способами повышают качество стекла?
  • 5. Что такое ситаллы, укажите способы их получения, разновидности, свойства и применение?
  • 6. Что представляет собой техническая керамика, ее разновидности?
  • 7. Назовите представителей керамики на основе чистых оксидов. Дайте сравнительную оценку свойств.
  • 8. Какие вы знаете виды бескислородной керамики? Назовите их разновидности, свойства и применение.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ   След >