Керамические и композиционные материалы

Керамические материалы

Процесс спекания осуществляется при нагреве изделий, отформованных из порошков. В данном случае исходными материалами могут быть окислы бария, ниобия, циркония, глины, полевой шпат, тальк, карбиды, бориды, силициды и нитриды. Во время обжига исходные вещества взаимодействуют между собой и образуют аморфную или кристаллическую фазу керамики. Кристаллическая фаза керамики представляет собой кристаллы размером от 20 до 30 микрометров. В зависимости от начального состава кристаллы могут быть окислами, соединениями окислов или твердыми растворами. Аморфная фаза керамики - стекло, по химическому составу отличающееся от кристаллов. Главное преимущества керамики заключается в высокой жаропрочности по сравнению с известными металлами. Она почти не подвергается старению, не дает остаточных деформаций под действием нагрузок. Кроме того, керамические материалы выгодно отличаются от металлических доступностью исходного сырья, небольшой энергоемкостью процесса изготовления, хорошей коррозионной стойкостью, многофункциональность, низкой плотностью, биологической совместимостью и устойчивостью к воздействию радиации. Ее недостатками являются большая усадка при обжиге и хрупкость. Керамические материалы обладают водостойкостью, химической стойкостью и хорошими электрическими свойствами. Они используются в производстве:

• нагревателей для электрических печей,
• штамповочного инструмента,
• безвольфрамовых твердых сплавов,
• деталей для газовых турбин,
• деталей для двигателей.

В зависимости от состава керамика делится на кислородную, которая состоит из неметаллических материалов оксидов металлов, и бескислородную, которая может быть карбидной, боридной, нитридной и т. п. Самыми распространенными видами керамики являются:

1. Корундовая керамика на основе оксида алюминия. Данный вид керамики используется в изготовлении двигателей внутреннего сгорания, высокотемпературных печей, тиглей для плавления металлов, сопел, инструмента и т.п.
2. Керамика из оксида магния. Данный вид керамики обладает стойкостью к воздействию шлаков различных металлов, что обусловило ее использование в производстве тиглей и футеровки печей. Основной недостаток заключается в низкой термической стойкости и летучести магния.
3. Керамика из оксида циркония. Данный вид керамики применяется при температурах до 2200 градусов по Цельсию. Из нее делаются теплозащитные покрытия для металлов, конструкции ядерных реакторов. Основной недостаток - токсичность и высокая стоимость.
4. Карбид кремния. Данный вида керамики используется как абразивный материал, защитное покрытие для графита и в изготовлении нагревательных стержней.
5. Керамика из оксида бериллия. Данный вид керамики применяется в конструкциях ядерного реактора и для изготовления тиглей для плавки металла.

Композиционные материалы на основе керамики

Перспективный класс керамических материалов - композиты с матрицей на основе неорганических полимеров, например, асбеста или графита, и керамики. Так как составляющие таких материалов широко распространены в природе, то их изготовление достаточно просто. Неорганический материал позволяет применять в качестве наполнителя высокопрочные волокна, дисперсии, сетки, благодаря чему можно получать композиционные материалы с необходимыми характеристиками. По структурным признаками керамические композиционные материалы делятся на пять основных групп:

1. Гранулослоистые.
2. Дисперсные.
3. Слоистые.
4. Армированные ориентированными волокнами.
5. Армированные неориентированными поликристаллическими волокнами.

Дисперсные керамические композиты состоят из частиц наполнителя равномерно распределенных по объему материала и матрицы. В армированных наполнитель моет быть расположен ориентированно или произвольно. В данном случае в качестве наполнителя применяются волокна металла и металлических сплавов. Высокопрочные материалы армируются проволокой из бериллия, титана, вольфрама и молибдена. Керамические композиционные материалы в большинстве случаев получают посредством порошковой металлургии. По своей структуре данные материалы отличаются разнообразием. В слоистых содержатся компоненты, которые расположены в виде слоев различного состава, наполнителем у них является металлическая фольга. Прочие типы материалов получают посредством послойного распределения металлического компонента и порошковой керамики. Самым распространенным примером керамического композиционного материала является кермет, представляющий собой гетерогенную композицию одной или нескольких фаз керамики с металлами.