Композиционные материалы на керамической основе

Иттрийлокс характеризуется  комплексом свойств, которым не обладает никакой другой керамический материал. Он может повысить характеристики высокоинтенсивных ламп накаливания и разрядных ламп. Иттрийлокс прозрачен как в ультрафиолетовой, так и в инфракрасной области (А,—0,24 и 9,0 мк соответственно), показатель преломления этого материала равен 1,91, поглощение света в видимой области при толщине образца 2 мм не превышает 3%.

Многие свойства керамических материалов в большой степени  зависят не только от химического  и фазового состава, но и от микроструктуры материала, которая определяется химическим составом исходного сырья и технологией изготовления материала.

Важной проблемой является разработка способов получения поликристаллической  керамики с повышенной пластичностью. Можно предположить, что если монокристаллы окислов обладают пластичностью, то она будет в известной степени сохраняться и у поликристаллической керамики. Материал в этом случае должен состоять из очень чистых окислов, быть мелкозернистым,

не включать другие фазы и не содержать пор. Получение керамики с повышенной пластичностью позволило бы решить очень важную техническую проблему высокотемпературных конструкционных материалов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

КЕРАМИКА ИЗ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА

Особый интерес для  целого ряда областей новой техники представляют материалы, получаемые на основе кварцевого стекла.

Кварцевое стекло представляет собой двуокись кремния в стеклообразном состоянии. Его получают плавлением при температурах выше 1700°С чистых природных разновидностей кристаллического кварца (горного хрусталя, жильного кварца или чистых кварцевых песков). Выпускаемое промышленностью кварцевое стекло имеет следующий состав: SiO₂ — 99,95%, А1₂0₃ — 0,01%, Fe₂O₃ —0,004%, СаО —0,028%, MgO — 0,012%, Na₂0 — остальное.

В зависимости от исходного  сырья и технологии производства получают прозрачное и непрозрачное кварцевое стекло. Последнее является более дешевым. Его непрозрачность обусловлена наличием мелких газовых пузырей (0,003—0,3 мм).

Особенностью кварцевого стекла являются его высокие прочностные свойства, сравнительно мало уменьшающиеся при высоких температурах.

Кварцевое стекло обладает рядом ценных свойств - термических, оптических и других, но вследствие большой вязкости практически невозможно получать из него крупные и сложные изделия. В связи с этим для получения сложных изделий из кварцевого стекла в последнее время применяется керамическая технология. Чаще всего для формования изделий из кварцевого стекла используют шликерное литье в гипсовые формы и горячее литье под давлением.

Керамика из кварцевого стекла обладает многими ценными  свойствами исходного материала: низким коэффициентом температурного расширения, хорошими электротехническими параметрами, высокой химической стойкостью.

В отличие от кварцевого стекла, теплопроводность которого увеличивается  с ростом температуры, кварцевая  керамика имеет довольно низкую теплопроводность, мало изменяющуюся вплоть до 1100° С.

С нагревом до 1200°С механическая прочность кварцевого стекла плавно возрастает на 50—60%.

 

Физико-химические свойства кварцевых стёкол

Свойства	Вид стекла
	непрозрачное	прозрачное
Удельный вес, г/см3	2,02 – 2,15	-
Пористость, %	3,0 – 7,5	0
Модуль упругости, кГ/мм2	6000	6500 – 7000
Коэффициент Пуассона	-	0,26
Предел прочности, кГ/см2 (20о С) при:                  сжатии                  изгибе                  растяжении	3500 450 400	6500 1000 600

 

Нейтронное облучение  практически не влияет на механические свойства кварцевой керамики, что позволяет использовать ее в качестве топливных элементов. В поры керамики вводят раствор и заплавляют их струей плазменной горелки.

Примером использования кварцевой керамики в космической технике является носовой обтекатель в межконтинентальной баллистической ракете США «Титан». Температура при входе ракеты в плотные слои атмосферы значительно выше температуры плавления кварцевого стекла и доходит до 2500°С. Но так как время пребывания ракеты в плотных слоях атмосферы весьма мало, а кварцевая керамика обладает высокой вязкостью, обтекатель из стеклокерамики вполне справляется с нагрузкой.

Кварцевая керамика применяется  в качестве штампов для горячего прессования и для других целей.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЫСОКООГНЕУПОРНАЯ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИОННАЯ КЕРАМИКА

В последнее время  разработаны теплоизоляционные керамические материалы, которые благодаря наличию в них большого числа мельчайших пор имеют малый объемный вес и низкую теплопроводность. Теплоизоляционную керамику получают из многих огнеупорных окислов. Предельная температура службы пористого корунда 1800—1850° С. Корундовая пенокерамика применяется в высокотемпературных печах, газогенераторах, в вакуумной технике в качестве электроизоляторов, фильтров и носителей катализаторов.

Более высокую температуру  службы имеет циркониевая пористая керамика. В среде воздуха, азота, водорода и в вакууме она может использоваться вплоть до 2300°С, в присутствии углерода — до 1650° С.

Пористая керамика на основе MgO находит применение в качестве высокотемпературной теплоизоляции, фильтров в щелочных средах и в ядерных топливных агрегатах.

Большое значение пенокерамика имеет для космической техники. Температура вблизи поверхности космического корабля при входе в плотные слои атмосферы достигает 7000° С.

Для решения задачи теплозащиты  космических аппаратов идут по пути выбора и создания материалов, которые бы в процессе эксплуатации поглощали большое количество энергии. В то же время эти материалы должны обладать низкой теплопроводностью. Весьма перспективным с этой точки зрения является пенокварц. Его предварительно пропитывают смолами, которые разлагаются при высоких температурах.

Пенокерамика из кварцевого стекла имеет преимущества перед такими материалами, как А1₂0₃, ZrO₂. По теплоизоляционным свойствам, отнесенным к соответствующему весовому показателю, названные материалы в порядке улучшения своих теплоизоляционных свойств располагаются в следующий ряд: , чему соответствуют уменьшающиеся значения произведения ( — коэффициент теплопроводности, р — объемный вес пенокерамики) — 10,5—3,4—1,8.

Разработан метод получения комбинированного теплоизоляционного материала, представляющего собой сочетание керамического пенолегковеса с металлической сотовой структурой. Такой материал устойчив в условиях сильной вибрации и больших ускорении.

 

Свойства огнеупоров на основе хрома

Доля усов муллита, %	Пористость, %	Предел прочности, кгс/см2, при		Ударная вязкость, кгс см/см2	Коэффициент термического расширения, 10-6 1/оС	Термостойкость, число теплосмен 1200 – 20оС
		сжатии	изгибе			воздушн.	водяных
0 5 10 15 20	1,1 1,18 1,2 1,35 1,45	2800 3200 3600 3100 3000	920 1200 1600 1010 800	1,9 4,7 6,0 5,3 3,8	40 100 100 100 100	2 18 30 21 15	510 1000 1500 960 680

 

 

 

РАДИО-, ПЬЕЗО- И ФЕРРИТОКЕРАМИКА

Керамика является одним  из наиболее универсальных по своим техническим возможностям электроизоляционным материалом и находит применение в самых различных областях электро- и радиотехники. Наиболее высококачественные виды электротехнической керамики применяются в высокочастотной технике. Основными типами радиотехнической керамики являются: электроизоляционная, полупроводниковая и магнитная.

К электроизоляционной относятся:

1. керамика для конструкционных установочных изделий и конденсаторов   малой   емкости,   отличающихся небольшой   диэлектрической   проницаемостью   (стеатит, ультрафарфор, цельзиановая и корундомуллитовая керамика);
2. конденсаторная керамика (для   высокочастотных термокомпенсирующих, высокочастотных   термостабильных и низкочастотных конденсаторов);
3. пористая керамика  для   изоляторов   электронных ламп,   оснований   проволочных сопротивлений,   которая должна отличаться низким значением тангенса утла диэлектрических потерь и высокой термостойкостью (пористая корундовая и стеатитовая керамика, шамот, алунд, 
   кордиеритовая  керамика);
4. сегнето- и пьезокерамика для низкочастотных конденсаторов, пьезоэлементов, нелинейных элементов   (титанаты, цирконаты, станнаты).

Широкое применение в  радиотехнике находит корундовая керамика. По сравнению с другими радиокерамическими материалами корундовые отличаются самой высокой механической прочностью. Они обладают также высокой термостойкостью, малыми диэлектрическими потерями, высокими твердостью, плотностью и химической стойкостью. Сочетание этих ценных свойств позволяет применять корундовые материалы в качестве изоляторов для автосвечей, оснований печатных схем, в магнетронных трубках, для конденсаторов, вакуумплотных спаев с металлами и др. Отрицательным свойством глиноземистых материалов в технологическом отношении является их высокая абразивность, затрудняющая механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей.

Большой интерес представляет вакуумплотная  корундовая керамика из очень чистой окиси алюминия для использования в термоионных приборах, в которых электроды находятся друг от друга на очень малом расстоянии.

Просвечивающаяся керамика из А1₂О₃ используется для изготовления корпусов ламп, работающих по принципу разряда в парах металла. Керамические корпуса ламп могут эксплуатироваться при очень высокой температуре             (до 1500° С). В США разработаны керамические лампы на основе материала «лукалокс» со светоотдачей, в четыре раза превышающей светоотдачу обычных ламп накаливания.

Детали из корундовой керамики часто  используют в составных металлокерамических конструкциях, где требуется хорошая прочность сцепления, вакуумплотность.

В настоящее время помимо названных  новых видов керамики находят  применение ранее разработанные  керамические составы, такие, как корундо-муллитовая, цельзиановая керамика, стеатит, форстерит, шпинелевая, волластонитовая керамика.

Пьезокерамические материалы получают из окислов металлов. Этому виду керамики присуще особое свойство — пьезоэлектрический эффект, т. е. способность поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, упруго деформироваться под действием электрического поля.

Пьезокерамические материалы представляют собой неорганические диэлектрики  с высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Для них характерно также наличие резко выраженного максимума на кривой зависимости диэлектрической проницаемости от температуры. Такие диэлектрики обладают спонтанной поляризацией и относятся к сегнетодиэлектрикам.

Основными видами пьезокерамики являются: керамика на основе титанита бария (ВаTiO₃) и его производных, ниобата бария-свинца PbBa(Nb₂O₆) и цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)0₃.

Свойства пьезокерамики  во многом зависят от полноты реакций, обеспечивающих получение компонентов заданного стехиометрического состава.

Широкое применение нашли пьезокерамические, электромеханические и электроакустические преобразователи. Пьезокерамические преобразователи используют в радиотехнических фильтрах, в толщиномерах и дефектоскопах, звукоснимателях и микрофонах. Ультразвуковые сверла с керамическими преобразователями используют в металлообрабатывающей промышленности, медицинской и стоматологической практике и для других целей.

Одной из главных областей применения пьезокерамики является изготовление малогабаритных радиоконденсаторов, что особенно важно при производстве транзисторов и некоторой радиоаппаратуры. Способность пьезокерамики к поляризации используют при получении диэлектрических запоминающих устройств электронно-счетных машин.

Широкие области применения пьезокерамики приводят к разнообразию требований, предъявляемых к ней: температурная и временная стабильность, широкий диапазон рабочих температур (от 250 до 500°С и выше), способность к работе в сильных электрических полях и под большим давлением.

Ряду этих требований удовлетворяют керамические ферриты. Керамические ферриты не уступают обычным металлическим магнитным материалам в способности намагничиваться, но обладают низкой электропроводностью. Они служат для изготовления постоянных магнитов, сердечников высокочастотных и импульсных трансформаторов, малогабаритных антенн, магнитных усилителей.