Таблицы свойств технической керамики

Техническая керамика: разновидности, свойства и применение

Таблицы свойств керамических материалов

Таблица 4.1: Оксидные технические керамики: свойства и применение

↑ Вернуться к списку таблиц

Таблица 4.2: Неоксидные технические керамики: характеристики и использование

↑ Вернуться к списку таблиц

Таблица 4.3: Функциональные керамические материалы

↑ Вернуться к списку таблиц

Таблица 4.4: Технологии производства и обработки керамических материалов

↑ Вернуться к списку таблиц

1. Введение в техническую керамику

Техническая керамика представляет собой класс неорганических неметаллических материалов, которые получают путем спекания высокочистого сырья при высоких температурах. В отличие от традиционной керамики, техническая керамика характеризуется строго контролируемым химическим составом и специально разработанной микроструктурой, обеспечивающей уникальное сочетание механических, тепловых, электрических и химических свойств.

Современная техническая керамика классифицируется на основе химического состава, микроструктуры и функциональных свойств. Основное разделение происходит на оксидные и неоксидные керамики, а также на функциональные керамические материалы, которые разрабатываются для специфических применений в различных отраслях промышленности.

Ключевыми характеристиками, определяющими область применения технической керамики, являются высокая твердость, износостойкость, термостойкость, коррозионная стойкость, биосовместимость, а также специальные электрические, магнитные и оптические свойства. Благодаря этим характеристикам техническая керамика успешно используется в машиностроении, электронике, энергетике, медицине и других высокотехнологичных отраслях.

2. Оксидные керамики

Оксидные керамики составляют наиболее распространенную группу технической керамики. Они состоят преимущественно из оксидов металлов и характеризуются химической инертностью, высокой термостойкостью и хорошими электроизоляционными свойствами.

2.1. Оксид алюминия (глинозём)

Оксид алюминия (Al₂O₃) является одним из наиболее широко используемых оксидных керамических материалов. Его популярность обусловлена сочетанием высокой прочности, твердости, износостойкости, термической стабильности и относительно невысокой стоимости. В зависимости от чистоты и методов производства, содержание Al₂O₃ может варьироваться от 80% до 99,9%.

Высокоплотная алюминиевая керамика (с чистотой более 99,5%) обладает превосходными электроизоляционными свойствами с удельным сопротивлением порядка 10¹⁴-10¹⁵ Ом·см. Это делает её незаменимой для применения в качестве электроизоляторов, подложек микросхем и других электронных компонентов.

Благодаря высокой биосовместимости, Al₂O₃ керамика также активно используется в медицине для изготовления протезов, имплантатов и хирургических инструментов. Особое значение имеет способность алюминиевой керамики к сохранению механических свойств при длительной эксплуатации в биологических средах.

2.2. Оксид циркония

Оксид циркония (ZrO₂) отличается исключительной прочностью и трещиностойкостью среди всех оксидных керамик. Этот материал существует в трех кристаллических модификациях: моноклинной, тетрагональной и кубической. Для стабилизации высокотемпературных фаз при комнатной температуре в ZrO₂ вводят добавки Y₂O₃, MgO или CaO, получая частично или полностью стабилизированный диоксид циркония (PSZ или FSZ).

Наибольшее распространение получила керамика на основе тетрагонального диоксида циркония, частично стабилизированного оксидом иттрия (Y-TZP), которая обладает прочностью на изгиб до 1200 МПа и трещиностойкостью до 10 МПа·м½. Механизм упрочнения связан с трансформационным превращением тетрагональной фазы в моноклинную под действием напряжений вблизи вершины трещины, что приводит к возникновению сжимающих напряжений, блокирующих распространение трещины.

Высокая ионная проводимость ZrO₂, стабилизированного оксидом иттрия (YSZ), делает его идеальным материалом для твердотельных электролитов в кислородных датчиках и твердооксидных топливных элементах (SOFC), где он работает при температурах 700-1000°C.

2.3. Другие оксидные керамики

Помимо Al₂O₃ и ZrO₂, в технике применяются и другие оксидные керамические материалы:

Оксид магния (MgO) обладает высокой термостойкостью (до 2800°C) и химической инертностью, что делает его ценным материалом для огнеупоров и тиглей для плавки металлов. Однако его механические свойства уступают алюминиевой и циркониевой керамике.

Оксид бериллия (BeO) выделяется экстремально высокой теплопроводностью (200-260 Вт/м·К) при сохранении электроизоляционных свойств, что делает его идеальным материалом для теплоотводов в высокомощной электронике. Ограничением в применении BeO является его токсичность, требующая особых мер предосторожности при производстве и обработке.

Оксид титана (TiO₂) характеризуется высокой диэлектрической проницаемостью (85-170) и широко используется в производстве конденсаторов, а также как фотокаталитический материал благодаря способности генерировать электрон-дырочные пары под действием ультрафиолетового излучения.

3. Неоксидные керамики

Неоксидные керамики включают карбиды, нитриды, бориды и силициды. По сравнению с оксидными материалами они обычно обладают более высокой теплопроводностью, лучшей стойкостью к термоудару и шоку, а также часто превосходными механическими свойствами при высоких температурах.

3.1. Карбид кремния

Карбид кремния (SiC) обладает уникальным сочетанием высокой твердости (приближается к алмазу), высокой теплопроводности, малого коэффициента теплового расширения и превосходной стойкости к окислению и коррозии. Существует в двух основных полиморфных модификациях: α-SiC (гексагональная структура) и β-SiC (кубическая структура).

Термостойкость SiC обусловлена образованием защитной пленки SiO₂ на поверхности при высоких температурах в окислительной среде, что позволяет использовать его в компонентах газовых турбин, теплообменниках и других высокотемпературных применениях. Расчеты показывают, что скорость окисления SiC при 1200°C составляет всего около 1 мкм/год в нормальной атмосфере.

Высокая теплопроводность SiC (80-200 Вт/м·К) в сочетании с низким коэффициентом теплового расширения (4,0-4,8 × 10⁻⁶/°C) обеспечивает исключительную стойкость к термоударам. Это позволяет использовать SiC в условиях резких температурных перепадов, например, в теплообменниках и компонентах двигателей.

3.2. Нитрид кремния

Нитрид кремния (Si₃N₄) характеризуется высокой прочностью, твердостью, трещиностойкостью и износостойкостью при сохранении относительно низкой плотности. Особенностью Si₃N₄ является его микроструктура, состоящая из игольчатых кристаллов, что обеспечивает эффективное сопротивление распространению трещин.

Материал сохраняет механическую прочность до температур порядка 1400°C, что в сочетании с его высокой износостойкостью и малым коэффициентом трения делает его идеальным для производства подшипников, работающих в экстремальных условиях. Расчеты показывают, что керамические подшипники из Si₃N₄ могут иметь срок службы в 3-5 раз больше, чем стальные аналоги в условиях высоких скоростей и температур.

Одним из преимуществ Si₃N₄ является его низкая теплопроводность (15-33 Вт/м·К) по сравнению с другими неоксидными керамиками, что делает его подходящим материалом для теплозащитных компонентов. В автомобильной промышленности из нитрида кремния изготавливают детали турбонагнетателей, клапаны, элементы системы впрыска топлива.

3.3. Другие неоксидные керамики

Карбид бора (B₄C) является одним из самых твердых материалов (третий после алмаза и кубического нитрида бора), что делает его ценным абразивным материалом и компонентом брони. B₄C также эффективно поглощает нейтроны благодаря высокому содержанию бора, что обуславливает его применение в ядерной промышленности.

Нитрид алюминия (AlN) обладает уникальным сочетанием высокой теплопроводности (170-260 Вт/м·К) и электроизоляционных свойств. По теплопроводности AlN уступает только оксиду бериллия среди керамических материалов, при этом не являясь токсичным. Это делает его предпочтительным материалом для подложек и теплоотводов в силовой электронике.

Нитрид бора (BN) существует в нескольких полиморфных модификациях, наиболее известными из которых являются гексагональный BN (h-BN) и кубический BN (c-BN). Гексагональная форма имеет слоистую структуру, аналогичную графиту, обеспечивающую самосмазывающиеся свойства. Кубическая форма по твердости уступает только алмазу и используется для изготовления режущих инструментов.

4. Функциональные керамические материалы

Функциональная керамика разрабатывается для использования особых физических свойств материала: электрических, магнитных, оптических или биологических. В отличие от конструкционной керамики, где главное значение имеют механические характеристики, функциональная керамика ценится за специфические функциональные свойства.

4.1. Пьезоэлектрические и ферроэлектрические керамики

Пьезоэлектрические керамики, такие как цирконат-титанат свинца (PZT) и титанат бария (BaTiO₃), способны преобразовывать механическую энергию в электрическую и наоборот. Пьезоэлектрический коэффициент d₃₃, характеризующий это свойство, для PZT может достигать 200-700 пКл/Н, что делает его наиболее эффективным пьезоэлектрическим материалом для большинства применений.

Ферроэлектрические керамики обладают спонтанной поляризацией, направление которой может быть изменено приложением внешнего электрического поля. Это свойство используется в энергонезависимой памяти (FeRAM), где информация хранится в виде направления поляризации. Диэлектрическая проницаемость ферроэлектриков может достигать значений >1000, что делает их ценными материалами для производства конденсаторов.

Сегнетоэлектрические материалы, такие как ниобат лития (LiNbO₃), обладают значительными нелинейными оптическими свойствами и применяются для удвоения частоты лазерного излучения, оптической модуляции и других оптоэлектронных применений. Электрооптический коэффициент r₃₃ для LiNbO₃ составляет 30,9 пм/В, что позволяет эффективно модулировать световой луч при приложении электрического поля.

4.2. Магнитные керамики

Магнитные керамики, или ферриты, представляют собой группу материалов, обладающих ферримагнитными свойствами. В отличие от металлических магнитных материалов, ферриты имеют высокое электрическое сопротивление, что значительно снижает потери на вихревые токи при работе в переменных магнитных полях.

Мягкие ферриты, такие как MnZn и NiZn ферриты, характеризуются низкой коэрцитивной силой (0,1-10 Э) и высокой магнитной проницаемостью (до 10000), что делает их идеальными для трансформаторов, дросселей и сердечников индуктивности. Расчеты показывают, что при частоте 100 кГц потери в ферритовом сердечнике могут быть в 10-100 раз ниже, чем в металлическом.

Жесткие ферриты, например гексаферрит бария (BaFe₁₂O₁₉), обладают высокой коэрцитивной силой (2-6 кЭ) и используются для производства постоянных магнитов. Хотя по энергетическому произведению (BH)max они уступают редкоземельным магнитам, их преимуществами являются низкая стоимость и высокая коррозионная стойкость.

5. Технологии производства

Производство технической керамики включает несколько этапов: подготовку сырья, формование, сушку, обжиг (спекание) и финишную обработку. Каждый этап значительно влияет на конечные свойства материала.

5.1. Методы формования

Выбор метода формования зависит от сложности геометрии изделия, требуемой точности размеров, экономических соображений и ожидаемого объема производства. Наиболее распространенными методами являются прессование, шликерное литье, экструзия, литье под давлением и горячее изостатическое прессование.

Одноосное прессование является самым простым и экономичным методом, подходящим для изделий простой формы. Точность изготовления составляет около ±0,2-0,5 мм. Для более сложных форм применяется изостатическое прессование, при котором давление прикладывается равномерно со всех сторон.

Шликерное литье позволяет изготавливать детали сложной формы с относительно тонкими стенками. Метод основан на формировании слоя твердых частиц на пористой форме при прохождении жидкости через стенку формы. Типичная усадка при спекании после шликерного литья составляет 12-25%.

Литье под давлением керамических масс (CIM) аналогично литью термопластов и подходит для массового производства сложных деталей с высокой точностью (±0,1-0,3 мм). Процесс требует подготовки фидстока — смеси керамического порошка с термопластичным связующим, которое удаляется перед спеканием.

5.2. Технологии спекания

Спекание является ключевым этапом в производстве керамики, определяющим конечную микроструктуру и свойства материала. В зависимости от материала и требуемых свойств применяются различные методы спекания.

Традиционное (свободное) спекание проводится при атмосферном давлении и температурах 1400-1800°C для оксидных керамик. Процесс характеризуется значительной усадкой (15-20%) и может приводить к остаточной пористости 5-15%.

Горячее прессование совмещает процессы прессования и спекания, позволяя достичь более высокой плотности (до 99,5% от теоретической) при более низких температурах. Метод особенно эффективен для материалов с ковалентными связями, таких как SiC и Si₃N₄, которые трудно спекаются традиционными методами.

Искровое плазменное спекание (SPS) основано на прохождении импульсного электрического тока через порошок при одновременном приложении давления. Метод обеспечивает очень быстрый нагрев (до 500°C/мин) и короткое время выдержки, что позволяет получать наноструктурированную керамику с повышенными механическими свойствами. При SPS температура спекания может быть снижена на 200-300°C по сравнению с традиционным спеканием.

6. Практическое применение

Техническая керамика находит применение в широком спектре отраслей благодаря уникальному сочетанию свойств. В машиностроении керамические компоненты используются в условиях высоких температур, агрессивных сред и интенсивного износа. Примерами являются керамические подшипники, уплотнения, сопла, компоненты насосов и клапаны.

В электронике и электротехнике керамика применяется для изготовления подложек интегральных схем, корпусов микросхем, изоляторов, конденсаторов, пьезоэлектрических преобразователей и нагревательных элементов. Диэлектрическая проницаемость материалов варьируется от 9 (Al₂O₃) до более 20000 (модифицированный BaTiO₃), что позволяет выбирать материал в соответствии с конкретными требованиями.

В медицине биокерамика используется для замены костных тканей, зубного протезирования и создания имплантатов. Гидроксиапатит (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) и трикальцийфосфат (Ca₃(PO₄)₂) обладают химическим составом, близким к минеральной составляющей костной ткани, что обеспечивает их отличную биосовместимость и способность к остеоинтеграции.

В энергетике керамические материалы используются в твердооксидных топливных элементах, солнечных элементах, ядерных реакторах и системах преобразования энергии. Иттрий-стабилизированный диоксид циркония (YSZ) является стандартным электролитом для SOFC благодаря высокой ионной проводимости при температурах свыше 700°C.

7. Перспективные направления

Современные исследования в области технической керамики направлены на разработку материалов с улучшенными свойствами и новыми функциональными возможностями. Особый интерес представляют нанокерамические материалы, которые могут обладать значительно более высокой прочностью, трещиностойкостью и другими улучшенными характеристиками по сравнению с традиционной керамикой.

Композиционные керамические материалы, армированные волокнами или частицами, позволяют преодолеть главный недостаток керамики — хрупкость. Керамоматричные композиты (CMC) демонстрируют псевдопластичное поведение при разрушении и значительно более высокую трещиностойкость (до 30 МПа·м½) по сравнению с монолитной керамикой.

Аддитивные технологии для керамики, включая стереолитографию, робокастинг и селективное лазерное спекание, открывают новые возможности для изготовления деталей сложной геометрии с внутренними полостями и решетчатыми структурами, которые невозможно получить традиционными методами.

Мультиферроики — материалы, объединяющие ферроэлектрические и магнитные свойства — представляют значительный интерес для создания новых типов датчиков, преобразователей и устройств памяти. Композиционные материалы на основе магнитострикционных и пьезоэлектрических фаз демонстрируют сильный магнитоэлектрический эффект, позволяющий управлять магнитными свойствами с помощью электрического поля и наоборот.