ТЕХНИЧЕСКАЯ КЕРАМИКА И ЕЁ ПРИМЕНЕНИЕ

Керамика, как материал, была известна с древнейших времён и является, возможно, первым искусственным материалом созданным человеком. По мере развития научных знаний и совершенствования технологических процессов производства, стали появилась различные виды керамики, отличающиеся как по химическому составу, так и по технологиям.

Керамика – это поликристаллические материалы и изделия из них, состоящие из соединений неметаллов III–VI групп периодической системы с металлами или друг с другом и получаемые путем формования и обжига соответствующего исходного сырья. Исходным сырьем для производства керамики могут служить как вещества природного происхождения (силикаты, глины, кварц и др.), так и получаемые искусственно (чистые оксиды, карбиды, нитриды и др.) [1, с. 5]. Керамические материалы нашли своё применение в различных областях деятельности, при этом особую значимость они имеют в металлургической и химической промышленности, а в последние десятилетия ‒ в электронике, машиностроении и военной промышленности.

Техническая керамика – это искусственным образом синтезированные материалы с различным фазовым и химическим составом, благодаря чему она имеет ряд специфических свойств. Она содержит в своём составе глину в малых количествах или глина полностью отсутствует в её составе. Основными элементами технической керамики являются оксиды и соединения металлов (бескислородные). Большинство её видов имеют спекшуюся структуру и поликристаллическое строение.

Данная разновидность керамики является перспективным материалом для конструкций, работающих при высоких температурах (1200°С и выше). Она используется для теплообмен­ников, для химического и металлургического оборудования, деталей двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей, уплотнителей насосов и т. д.

Техническое состояние керамики определяется 3 фазами:

1. Кристаллическая фаза. Она представляет собой определённые химические соединения, твёрдые растворы и фазы внедрения. Данная фаза определяет уровень термостойкости, прочности и прочих значимых свойств.
2. Стекловидная (аморфная) фаза. Присутствует в некоторых видах технической керамики, так как в их состав входит стеклообразующий оксид SiO₂. Стеклянные прослойки в керамике снижают её прочность, но при этом упрощают процесс производство изделий.
3. Газовая фаза. Некоторые керамические материалы имеют в своём составе поры, которые подразделяются: открытые (сообщающиеся с окружающей средой) и закрытые (не сообщающиеся с окружающей средой). Поры керамических изделий содержат газы. От количества содержащихся газов выделяют: пористую, плотную и без открытых пор керамику.

В настоящее время существует три основных разновидности технической керамики, имеющие уникальные свойства:

1. Керамика на основе диоксида циркония и окиси – глинозёма.

Особенностью ZrO₂ является его полиморфизм. Диоксид циркония при комнатных температурах существует в моноклинной фазе и при нагреве испытывает фазовые превращения. Циркониевая керамика ‒ наиболее перспективный керамический материал конструкционного и инструментального назначения, который применяется в технологии получения деталей дизельных двигателей, элементов запорной арматуры, а также в металлургии и в медицине (для изготовления имплантатов).

Аl₂O₃ ‒ химическое соединением, которое имеет несколько кристаллических модификаций. В настоящее время алюмооксидную керамику применяют в огнеупорной и химической промышленности, а также используют для изготовления изделий, применимых в машиностроительной, авиационной и космической технике.

2. Не окиси – азотные соединения, карбиды, бориды и силициды.

Не оксидная керамика ‒ поликристаллический материал, в состав которого входят соединения неметаллов III–VI групп периодической системы химических элементов. По кристаллической структуре данный вид керамики образует два основных класса: металлокерамика и неметаллическая керамика. Такие керамические изделия используются в следующих областях промышленности: двигателестроение, машиностроение, самолетостроение, металлургии и в химической промышленности.

3. Различные сочетания двух предыдущих видов керамики.

Данный вид керамики используют в создании режущей износостойкой керамики для применения в области машинной обработки.

Техническая керамика обладает набором универсальных свойств, которые позволяют расширить спектр её применения:

• устойчивость к резким изменениям температур,
• устойчивость к атмосферным воздействиям и ультрафиолетовому излучению,
• химическая стойкость,
• отсутствие в составе примесей,
• высокие антикоррозийные свойства,
• устойчивость к воздействию электроэнергии,
• способность выдерживать воздействие магнитного поля,
• устойчивость к механическим повреждениям.

Для оценки механических свойств керамики используются различные характеристики, одной из которых является механическая прочность. Керамические материалы лучше работают на сжатие, чем на растяжение, изгиб или удар. Весомое влияние на прочностные характеристики оказывает структура:

• микроструктура материала;
• природа межатомных сил в фазах;
• пористость;
• макро - и микродефектность;
• количественное соотношение кристаллических фаз;
• содержание и состав стеклофазы.

Характеристикой прочностных свойств керамики является трещиностойкость – способность материала сопротивляться распространению трещин по его поверхности. Ещё одной не менее важной характеристикой является твёрдость ‒ способность материала сопротивляться разрушению при силовом воздействии [2, с. 8].

К электрофизическим свойствам керамики относится ее диэлектрическая проницаемость, являющаяся наиболее важной характеристикой технической керамики, которая в свою очередь является диэлектриком. Структура и состав кристаллических фаз, образующих техническую керамику определяют её электрофизические свойства.

К теплофизическим свойствам керамики следует отнести теплопроводность, теплоёмкость и термическое расширение. Данные свойства имеют первостепенное значение в определение термостойкости керамики ‒ способность материала к сопротивлению разрушаться под воздействием внутренних (термоупругих) напряжений, которые возникают при быстрой смене температур [3, с.2 27].

Техническая керамика сравнительно недавно стала применяться в производстве, поэтому изделия и материалы, на её основе только в последние десятилетия стали находить своих потребителей в различных сферах производства. Благодаря своим свойствам техническая керамика является наиболее конкурентоспособным материалом на рынке. Изделия из технической керамики находят широкое применение во многих современных сегментах жизнедеятельности:

• керамические изделия на основе Al₂O₃- и ZrO₂-керамики применяются для производства медицинских изделий: эндопротезов, имплантатов, имплантируемых систем и их элементов. Данные изделия имеют биоактивное покрытие из наноструктурированного гидроксиапатита и могут успешно применяться при хирургическом лечении заболеваний и повреждений опорно-двигательного аппарата человека, а также в стоматологии и челюстно-лицевой хирургии;
• керамические изделия для электроники и электротехники: изоляционные трубы для вакуумных установок, изоляторы для вакуумных дугогасительных камер, различная техника для зондирования, фотоэлектрическое исследовательское оборудование;
• в авиационной и космической промышленности применимы керамические изделия СВЧ-диапозона (металлокерамические генераторные лампы, коаксильно-волноводные модули) для системы противовоздушной обороны, высотомеров, систем наведения;
• керамические материалы, используемые для автомобилестроения: подшипники качения и скольжения, направляющие, поршни дозировочных насосов;
• керамические изоляторы и подложки используются в приборостроении: в приборах ночного видения, силовых полупроводниковых приборах;
• в бытовой сфере наиболее применимыми являются огнеупоры и техническая керамика для иных бытовых нужд;
• в сфере строительства керамические материалы применяют как стеновые и кровельные изделия, элементы перекрытий, санитарно-технические изделия.

Список литературы:

1. Матренин С.В., Слосман А.И. Техническая керамика: учебное пособие. – Томск: Изд-во ТПУ, 2004. 75 с.
2. Балкевич В. Л. Техническая керамика: учебное пособие для втузов. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1984. – 256 с.
3. Гаршин А.П., Гропянов В.М., Зайцев Г.П., Семенов С.С.  Керамика для машиностроения. – М.: ООО Изд-во «Научтехлитиздат», 2003. – 384 с.