Керамика

КЕРАМИКА (греч. keramike - гончарное искусство, от keramos - глина), неметаллич. материалы и изделия, получаемые спеканием глин или порошков неорг. в-в. По структуре керамику подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5-30%), и тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят мн. строит. керамич. материалы, напр. лицевой кирпич, к тонкой - фарфор, пьезо- и сегнетокерамику, ферриты, керметы, нек-рые огнеупоры и др., а также фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют т. наз. высокопористую керамику (пористость 30-90%), к к-рой обычно относят теплоизоляц. керамич. материалы. Типы керамики. В зависимости от хим. состава различают оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и др. керамикй. Оксидная керамика характеризуется высоким уд. электрич. сопротивлением (10¹¹-10 Ом^.см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислит. средах в широком интервале т-р; нек-рые виды - высокотемпературной сверхпроводимостью, напр. иттрий-бариевая керамика (см. Иттрии), а также высокой огнеупорностью. Среди оксидной керамики наиб. распространение получили: 1. Алюмосиликатная керамика на основе SiO₂-А1₂О₃ или каждого из этих оксидов в отдельности. Кремнеземистая керамика содержит более 80% SiO₂ и подразделяется на кварцевую и динасовую керамику. Первую изготовляют из кварцевого стекла или жильного кварца, вторую - спеканием кварцита в присут. Fe₂O₃ и Са(ОН)₂. Кварцевая керамика обладает высокой термич. и радиац. стойкостью, радиопрозрачностью, высокой кислотостойкостью и огнеупорностью. По мере увеличения содержания Аl₂О₃ в керамич. материалах увеличивается содержание муллита 3Al₂O₃^.2SiO₂, что способствует повышению прочности и термостойкости керамики, снижению ее кислотности. К керамике, содержащей ок. 28% Аl₂О₃, относят "полукислые" материалы (огнеупоры, фарфор, фаянс, гончарные изделия), а также каолиновую вату, теплоизоляц. материалы на ее основе, шамотные огнеупоры и др. Корундовая керамика, содержащая >90% Аl₂О₃, характеризуется высоким электрич. сопротивлением при т-рах до 1500°С, высокими пределами прочности при сжатии (3-4 ГПа) и изгибе (~ 1 ГПа). Из алюмосиликатной керамики изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космич. аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и мн. др. 2. Керамика на основе SiO₂ и др. оксидов. К этому типу материалов относят керамику состава SiO₂-Al₂O₃-MgO (кордиеритовая), ZrSiO₄ (цирконовая), SiO₂-Al₂O₃-Li₂O (сподуменовая), SiO₂-Al₂O₃ BaO (цельзиановая керамика). Для изготовления такой керамики обычно используют глину, каолин, тальк, карбонаты Ва, Li и Са, MgO, минералы эвкриптит, сподумен, петалит, ашарит, трепел, известняк. Применяют в произ-ве радиотехн. деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азто- и авиасвечей и др. 3. Керамика на основе ТiO₂, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, a также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К и Na. Такая керамика характеризуется высоким электрич. сопротивлением, высокой диэлектрич. проницаемостью и применяется в электронике и радиотехнике.

4. Керамика на основе MgO. Получают из магнезита, доломита, известняка, хромомагнезита, синтетич. MgO; в качестве добавок используют СаО, Сr₂О₃, Аl₂О₃. Магнезиальную керамику, содержащую 80% MgO, применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из чистого MgO используют для произ-ва изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов. Магнезиально-известковую (содержит более 50% MgO, 10% СаО), магнезитохромовую (60% MgO, 5-18% Сг₂О₃), хромомагнезитовую (40-60% MgO, 15-30% Сг₂О₃) и хромитовую (40% MgO, 25% Сr₂О₃) керамику применяют для изготовления огнеупоров. Керамика из хромитов La и Y используют в качестве высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °С), работающих в окислит. среде. 5. Шпинельная керамика на основе ферритов гл. обр. Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn. Обладает, как правило, ферромагн. св-вами и способна образовывать твердые р-ры замещения. Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и др. деталей в устройствах памяти и т. п. 6. Керамика на основе оксидов BeO, ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, UO₂. Химически стойка и термостойка. Так, керамика из ВеО (броммеллитовая керамика), полученная спеканием ВеО с добавками др. оксидов (ок. 0,5%), напр. Аl₂О₃, ZrO₂, обладает наиб. теплопроводностью среди керамич. материалов и способна рассеивать нейтроны. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, напр. Pt, Be, Ti. В керамике из ZrO₂ обычно вводят стабилизаторы (Y₂O₃, СаО, MgO), образующие с ним твердые р-ры; применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную керамику. К карбидной керамике относят карборундовую керамику, а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой керамики обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (керамика на основе SiC, к-рая устойчива до 1500 °С в окислит. средах). Карборундовую керамику изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии. Карбидную керамику используют в качестве конструкц. материалов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрич. печей и инструментов в металлообрабатывающей пром-сти (керамика на основе карбидов W, Ti, Nb). К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si₃N₄, (U, Pu)N, а также керамику, получаемую спеканием соед., содержащих Si, A1, О, N (по начальным буквам элементов, входящих в керамику, ее называют "сиалон"), или соед., содержащих Y, Zr, О и N. Изготовляют такую керамику спеканием порошков в атмосфере азота при давлении до 100 МПа, горячим прессованием при 1700-1900 °С. Керамику из Si₃N₄ получают реакц. спеканием порошка Si в среде N₂; в этом случае обычно образуется пористая керамика. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрич. св-в, высокой мех. прочностью, термостойкостью, хим. стойкостью в разл. средах. Предел прочности при изгибе для керамики из BN составляет 75-80 МПа, для керамики из AlN-200-250 МПа, для керамики из Si₃N₄- дo 1000 МПа. Керамич. нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей пром-сти, тиглей для плавки нек-рых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и др. Керамика из Si₃N₄- конструкц. материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe. Среди силицидной керамики наиб. распространена керамика из дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрич. сопротивлением (170-200 мкОм^.см), стойкостью в окислит, средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Изготовляется спеканием порошка MoSi₂ с добавками Y₂O₃ и др. оксидов. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислит. средах. Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов нек-рых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК технике. При изготовлении керамики из глины и непластичного материала последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в стругачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15-25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25-45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлич. формы. При изготовлении техн. керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные в-ва (напр., парафин, воск), олеиновую к-ту и нек-рые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в т.ч. вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию орг. связки. Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных в-в подвергают обжигу - сложному процессу спекания, в результате к-рого создается материал определенного фазового состава и с заданными св-вами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в спец. камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Т-ры обжига колеблются от 900 °С для строит. керамики до 2000 °С для огнеупорной керамики. Для получения плотной керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакц. спекание. Обычно изделия после обжига готовы к использованию; нек-рые виды керамики дополнительно подвергают мех. обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и др. видов тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000-1400 °С стекловидный водо- и газонепроницаемый слой (см. Глазурь). Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварит. обжигу. При изготовлении теплоизоляц. керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте к-рых образуются поры, или керамич. волокна из алюмосиликатов, из к-рых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т.п.

Августиник А. И., Керамика. 2 изд.. Л., I97S; Стрелов К. К., Мамыкин П. С., Технология огнеупоров, 3 изд., М., 1978; Выдрик Г. А., Соловьева Т. В., Харитонов Ф. Я., Прозрачная керамика, М., 1980; Балкевич В. Л., Техническая керамика, 2 изд., М., 1984; Стрелов К. К., Теоретические основы производства огнеупорных материалов, М., 1985.

А. С. Власов.

Читайте еще

Эмали — виды, производство и применение

Фаянс — всё о керамическом материале

Всё о фарфоре — свойства, виды и производство

Синтетические силикаты — свойства и применение

Силикатные краски — состав, свойства и применение

Огнеупорные материалы — свойства и применение

Всё о цементах — виды, производство, свойства и применение

Промышленные печи — типы, конструкции, применение и основные характеристики

Кварцевое стекло — свойства и применение