Перспективные огнеупорные керамические и композиционные материалы

В данной статье рассматривается конструкционная керамика на основе глин и кремнистых пород. Отличительной особенностью таких керамик является повышенная сложность строения – это многофазные, многокомпонентные, гетерогенные полидисперсные системы. На рис. 1 представлено многофазное строение керамического материала, состоящее из различных зерен.

Рис. 1. Строение керамического материала, состоит из различных зерен (А и В), разделенных границами: a - схематическое изображение зерен керамики, b-микроструктура керамики.

Присутствие различных фаз в керамике связано с разноообразием исходного сырья.

Для производства стационарных плазменных двигателей используется керамика на основе гексагонального нитрида бора. При работе разрядной камеры двигателя oдинaкoвo вaжным является соотношение температуры плавления, теплоемкости, теплового расширения. Причем два последних параметра являются определяющими для материала противостоящего тепловому удару

Далее, в табл. 1 будут представлены температуры плавления некоторых типичных угнеупорных керамических материалов, которые применяются для производства технических керамик. Температуры стеклообразования и спекания составляют обычно 2/3 от температуры плавления оксидов, карбидов и нитридов.

Таблица1. Температуры плавления карбидов, оксидов и нитридов

Oкcиды	Тпл°С	Kapбиды	Tm°C	Hитpиды и бopиды	тпл°с
MgO	2800	B 4 C	2450	BN	3000
Al 2 O 3	2050	SiC	2700	AlN	2200
SiO 2	1780	Al 4 C 3	2800	Si 3 N 4	1900
ZrO 2	2600	TiC	3250	TiN	2940
Cr 2 O 3	2260	ZrC	3500	SiB 6	1950
CeO 2	2730	HfC	3900	TiB 2	2980
ThO 2	3300	VC	2800	ZrB 2	3060
HfO 2	2789	NbC	3500	HfB 2	3250

MgAl 2 O 4	2135	TaC	3900	NbB 2	3000
3Al 2 O 3 ·2SiO 2	1810	MoC	2700	TaB 2	3100
ZrSiO 4	1775	WC	2770	CrB 2	2760

Вместе с тугоплавкостью очень важным значением и способностью материала является изменение размеров готового изделия под воздействием температуры – коэффициент термического расширения (КТР). Значения КТР керамических огнеупорных материалов, представлены в табл. 2.

Taблицa 2. Коэффициенты температурного расширения некоторых керамических материалов

Coeдинeниe	KTP, 10-6 K	Coeдинeниe	KTP, 10-6 К
BeO	9,0	Y 2 O 3	9,3
MgO	13,5	SiO 2 cтeклo	0,5
Al 2 O 3	8,8	Na - Ca cтeклo	9,0
Myллит	5,3	Цeмeнт	6,0
MgAl 2 O 4	7,6	B 4 C	4,5
ThO 2	9,2	SiC	4,7
ZrSiO 4 ZrO 2	4,2 10,0	TiC	7,4

На микроуровне композиционный материал состоит из непрерывной фазы, называемой матрицей, и наполнителя, который вводят для модификации свойств матрицы. Композиты могут состоять из полимерной, металлической или керамической матрицы, соответственно свойства этих трех видов композитов будут значительно отличаться друг от друга. Приняв во внимание то, что у значительной части композитов конструкционное назначение (космическая, ядерная техника, машиностроение, изоляционные материалы), самое важное значение для них имеют механические свойства, в первую очередь при высоких температурах, которые обеспечиваются в основном керамической матрицей. Наряду с этим наполнители тоже могут быть керамическими и использоваться как с керамическими, так и с металлическими матрицами, что позволяет широко использовать технические керамики и композиты на ее основе в электротехнике, оптике, ракетостроении и двигателестроении, лазерной технике.

Высокие прочностные свойства керамических конструкционных материалов реализуется лишь в особых условиях. Особенно важными из них являются - отсутствие внутренних трещин и гладкая, свободная от надрезов, ступенек и других неровностей поверхность. К примеру, алюминий выдерживает поверхностные трещины глубиной до 0,4 мм, а стекло катастрофически разрушается уже при надрезе 0,0025 мм. Такие же нагрузки относятся к карбидной, оксидной и многим другим видам керамики. Это явление связано с тeм, что керамические материалы характеризуются ориентированными и насыщенными химическими связями. Таким образом, керамику целесообразно в определённых случаях использовать в виде небольших по размерам включений, что исключаете возможность прохождения трещин разрушения через весь материал.

Современную керамику с плотной структурой (техническую керамику) можно разделить по функциям, свойствам, областям применения и составу.

Химико-биологические  функции.   Свойства: абсорбция, катализ, коррозионная стойкость, биологическая совместимость.

Области применения: абсорбенты, катализаторы химических реакций в промышленности и природе, электроды МТД – реакторов, высокотемпературные реакторы, сенсоры газов и жидкостей, протезы и имплантаты.

Состав: SiO 2 , MgO, BaTiO 3 , CaTiO 3 , SrTiO 3, BaS, CeS, TiB 2 , ZnO, SnO 2 , Fe 2 O 3 , цеолиты, апатиты.

Биектропазитные функции. Свойства: электрические изоляторы, полупроводники, диэлектрические и магнитные свойства, электропроводность, сверхпроводимость, пьезоэлектрические свойства.

Области применения: антенны для радио и видеочастот, записывающие головки, магнитная память для компьютеров, высокочастотные проводники и антенны, осцилляторы, проводники, магнитные пьезоэлектрические фильтры, нагревательные элементы, полупроводники, высоковольтные конденсаторы.

Состав: BaNiO 3 , CaTiO 3 , CrTiO 3 , ZnO, B 12 C 3 , TiC, SiC, BeO, Al 2 O 3 , ферриты.

Оптические функции. Свойства: поляризация, оптическая трансляция, флуоресценция, транспарентность.

Области применения: лазерные и светоизлучающие диоды, светолокнистые коммуникации, оптическая память, высокотемпературные линзы, лампы.

Состав: Al 2 O 3 , MgO, CdS, ZnS, Y 2 O 3 , ThO 2 , TiO 2 ,SiO 2 , ZrO 2 .

Ядерные функции. Свойства: огнеупорность, защита от радиации, механическая прочность при высоких температурах.

Области применения: облицовка, защита, ядерное топливо.

Состав: Al 2 O 3 , BeO, B 4 C, SiC, C, ThC, UC, P 4 O 2 .

Термические функции. Свойства: теплоемкость, теплоизоляция, теплопроводность, сопротивление термическому удару, огнеупорность.

Области применения: материалы для электродов, облицовка печей, термическая изоляция для электроники.

Состав: Al 2 O 3 , BeO, ZrO 2 , MgO, BaS, CeS, Si 3 O 4 , TiB 2 , TiC, B 4 C, ZrB 2 , SiC.

Механические функции. Свойства: механическая прочность, твердость, сопротивление скольжению, скольжение, абразивная устойчивость.

Области применения: детали двигателей, лопасти турбин, точные приборы, инструменты, абразивы, твердые смазки.

Состав: Si 3 O 4 , SiC, ZrO 2 , TiB 2 , TiC, B 4 C, WC, TiN, Al 2 O 3 , C.

При работе над созданием новых материалов исследователи в 70-х годах прошлого века установили, что нитрид кремния обладает способностью образовывать твердые растворы с большим количеством ковалентных и ионных соединений, наиболее популярной из них является система Si 3 N 4 – Al 2 O 3 , которую назвали сиалон. Сиалон (рис. 2) имеет не только хорошие механические свойства, приближенные к свойствам нитрида кремния, но и имеет стойкость к окислению и очень высокое сопротивление к пластической деформации.

Рисунок 2 - Зерна сиалона – β в окружении стекло фазы – g.

Для обеспечения экономичной и интенсивной эксплуатации машин от материалов требуется стабильная работа при повышенных температурах, напряжениях и скоростях. Решение этой задачи связано с перспективой создания новых жаропрочных, жаростойких и износостойких материалов. К таким материалам относятся керамико-металлические композиты или кемреты.

Кемреты – это материалы, представляющие собой гетерофазные композиции одной или нескольких керамических фаз с металлами и сплавами, обладающие комплексом свойств, интегрирующих характеристики нескольких компонентов.

Как известно, стеклообразное вещество имеет более высокую энергию по сравнению с кристаллическим состоянием, и поэтому оно является метастабильным. При определённых условиях стекло может кристаллизоваться и образовывать стеклокерамику.

Стеклокерамиками называют мелкозернистые поликристаллические материалы, которые образуют при высокотемпературной обработке стекла. Однако, далеко не все стёкла могут переходить в стеклокерамику, поскольку некоторые стёкла слишком устойчивы и не кристаллизуются, а другие, наоборот, кристаллизуются слишком легко. Только некоторые сплавы поддаются контролируемой кристаллизации.

Типичная степень кристаллизации стеклокерамик составляет от 50 до 98 процентов. Характеристики материала зависят от свойств и объёмных долей стеклообразной и кристаллической фаз. Стеклокерамики имеют повышенную прочность по сравнению с исходным стеклом и могут обладать необычными физическими свойствами.

Достоинством стеклокерамики является то, что из стекла можно формовать изделия относительно недорогими технологическими методами, после чего путём термообработки это изделие можно подвергать кристаллизации. Это стандартный метод производства стеклокерамики, но в некоторых случаях используют и порошковый метод, как и при производстве технической керамики. Порошкообразное стекло прессуют, после чего заготовку подвергают высокотемпературной обработке, в результате которой происходит обжиг и кристаллизация.

Керамическая промышленность – одна из самых наукоемких отраслей, при дальнейшем развитии технологий производства керамики можно ожидать технологический прорыв, переход экономики страны на инновационный путь развития.

Промышленное освоение новых технологий в керамики, разработка новых материалов для машиностроения нуждаются в приходе молодых и амбициозных специалистов, которым в современной России предстоит серьезная работа. Россия была и остается лидером в аэрокосмической отрасли, в ядерной энергетике, эти традиции должны быть продолжены. Керамическая промышленность страны находится на подъеме, однако еще очень много материалов завозится из дальнего зарубежья.

Только освоение современных технологий позволит стране самой производить необходимые изделия и материалы, окончательно и бесповоротно решить проблему импортозамещения.