Введение. 
Керамические материалы в современной технике. Их возрастающая роль и применение

В современном мире очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это связано с большой прочностью, значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а также распространенностью в природе сырьевых материалов. Керамические изделия обладают различными свойствами, которые определяются составом исходного сырья, способами его переработки, а также условиями обжига — газовой средой, температурой и длительностью. [1].

Целью данной работы является рассмотрение и изучение керамических материалов, их роль и применение в современном мире. В соответствии с поставленной целью можно выделить и задачи работы: изучить историю развития керамических материалов; технология и область применения керамических материалов; разновидности и роль в развитии техники.

Общие сведения о керамических материалах

Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формования, сушки и последующего обжига. Производство керамических материалов — одно из самых древних и распространенных, возникло оно за несколько тысячелетий до н.э. [2].

Положительными свойствами керамических материалов являются:

• 1. Высокая прочность;
• 2. Долговечность;
• 3. Высокие теплотехнические свойства;
• 4. Простота изготовления;
• 5. Декоративность;
• 6. Огнестойкость;
• 7. Водонепроницаемость;
• 8. Полное отсутствие токсичности;
• 9. Кислотостойкость;
• 10. Повсеместное распространение сырья для производства.

К отрицательным свойствам относят:

• 1. Хрупкость;
• 2. Сравнительно большую объемную массу;
• 3. Неиндустриальность из-за малых размеров штучных керамических материалов. [5]

Современные виды керамики делят на две группы: конструкционную и функциональную. Под конструкционной понимают керамику, используемую для создания механически стойких конструкций, а под функциональной — керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями. [6].

Классификацию керамики по структуре подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5−30%), и тонкую — с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят многие строительные керамические материалы, например лицевой кирпич, к тонкой — фарфор, пьезо-и сегнетокерамику, ферриты, керметы, некоторые огнеупоры, а также. фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют так называемую высокопористую керамику (пористость 30−90%), к которой обычно относят теплоизоляционные керамические материалы.

Типы керамики, которые зависят от химического состава, различают на оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и другую керамику. Оксидная керамика характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением (10¹¹-10 Ом^,см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислительных средах в широком интервале температур; некоторые виды — высокотемпературной сверхпроводимостью. Среди оксидной керамики наибольшее распространение получили:

• 1. Алюмосиликатная керамика. Подразделяется на кварцевую и динасовую керамики. Из неё изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космических аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и многое другое.
• 2. Керамика на основе SiO₂. к ней относят керамику состава SiO2-Al2O3-MgO (кордиеритовая), ZrSiO4 (цирконовая), SiO2-Al2O3-Li2O (сподуменовая), SiO2-Al2O3 BaO (цельзиановая керамика). Применяют в производстве радиотехнических деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азтои авиасвечей и др.
• 3. Керамика на основе ТiO ₂, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, а также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К. Такая керамика применяется в электронике и радиотехнике.
• 4. Керамика на основе MgO. Применяют для изготовления огнеупоров.
• 5. Шпинельная керамика на основе ферритов Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn. Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и деталей в устройствах памяти и т. п.
• 6. Керамика на основе BeO, ZrO ₂, HFO ₂, Y ₂ O ₃. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов.

К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si₃N₄, (U, Pu) N, а также керамику, получаемую спеканием соединений, содержащих Si, Al, О, N, или соединений, содержащих Y, Zr, О и N. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в различных средах. Керамические нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей промышленности, тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и другая керамика из Si₃N₄ — конструкционный материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe.

Среди силицидной керамики наиболее распространена керамика из дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрическим сопротивлением (170−200 мкОм^,см), стойкостью в окислительных средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислительных средах.

Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов некоторых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК технике.

При изготовлении керамики из глины и непластичного материала, последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в строгачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15−25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25−45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлические формы. При изготовлении технической керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные вещества (напр., парафин, воск), олеиновую кислоту и некоторые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в том числе вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию органической связки.

Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных веществ подвергают обжигу — сложному процессу спекания, в результате которого создается материал определенного фазового состава и с заданными свойствами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в специальных камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Температуры обжига колеблются от 900 °C для строительной керамики до 2000 °C для огнеупорной керамики. Для получения плотной керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакционное спекание.

Обычно изделия после обжига готовы к использованию; некоторые виды керамики дополнительно подвергают механической обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и других видов тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000−1400°С стекловидный водои газонепроницаемый слой. Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварительному обжигу.

При изготовлении теплоизоляционной керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или керамические волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т. п. [7].