Огнеупорная керамика. 
Технология производства

Очистку глинозема от оксида натрия осуществляют выщелачиванием водой, гидротермальной отмывкой при 2000С. Для получения минералогически однородного материала, состоящего полностью из термически устойчивой α- Al2O3, исходный технический глинозем подвергают обжигу при температуре 14 500С для перевода γ- Al2O3 в α- Al2O3. Эта операция необходима также для придания глинозему нужных технологических свойств: тонкое измельчение материала после такого твердофазного превращения происходит более интенсивно, получаемый мелкодисперсный порошок характеризуется стабильными удельной поверхностью, гранулометрическим составом и адсорбционной способностью.

В керамических материалах, содержащих до 96−98% Al2O3, в качестве добавок, интенсифицирующих спекание, используются минерализаторы — стекла на основе SiO2, обеспечивающие жидкофазное спекание. Другими компонентами этих минерализаторов являются оксиды металлов MgO, CaO, MnO, BaO, Cr2O3, которые оказывают большое влияние на активность минерализатора, определяя вязкость и поверхностное натяжение расплава, растворимость и скорость переноса Al2O3, тонкую структуру и свойства кристаллофазы, свойства возникающего при спекании межкорундового вещества. При получении керамики 22ХС используют минерализаторы — стекла системы MnO-SiO2-Cr2O3 в количестве 5−6% масс. В процессе спекания образуется жидкая фаза, растворяющая в себе основу — оксид алюминия, что обеспечивает наибольшую скорость уплотнения. Стеклофаза при температуре спекания 16 000С имеет состав (% мас.): SiO2−32, MnO-27, Al2O3−41, Cr2O3−0,5.

В зависимости от консистенции массы, формы и размеров заготовок для их формования применяют следующие способы: полусухое, горячее или изостатическое прессование, литье и экструзию. В качестве органических связок используют парафин с добавками олеиновой кислоты и воска, поливиниловый спирт с глицерином, смесь метилцеллюлозы с глицерином. Для изготовления подложек для микросхем и других пленочных керамических изделий шликер на основе органического связующего разливают на подложку. После высыхания образуется эластичная пленка, из которой штампованием оформляют пленочные изделия толщиной от 0,05 до 3 мм.

Обжиг заготовок осуществляется в два этапа: удаление технологической связки и собственно обжиг до вакуум-плотного состояния. Первый этап обжига проводится в окислительной среде, а способ и режим его осуществления определяются методом формования изделий. Литье детали средних и больших габаритов обязательно обжигаются в адсорбенте, например глиноземе, для сохранения формы. Выбор максимально допустимой температуры обжига осуществляется из условий достижения необходимой прочности полуфабриката и отсутствия припекания адсорбента.

Режимы окончательного обжига заготовок устанавливаются обычно из требований получения в спеченном материале заданной микроструктуры — размера зерен кристаллической фазы, количества стеклофазы, объема и размера пор. Эти характеристики определяют физико-механические и электрофизические свойства изделий. Оптимальный фазовый состав для керамики 22ХС (объем кристаллов корунда 90%; объем межкорундовой фазы 10%; размер кристаллов корунда 10−20 мкм) достигается обжигом заготовок при температуре 1580−16 200С в восстановительной среде (водород или смесь водорода с азотом).

Окончательный обжиг заготовок из массы поликора производят при температуре 1800−19 000С, обеспечивающей достижение плотности керамики, близкой к теоретической.

Бериллиевую керамику [1] - брокерит (98% ВеО) — используют для изготовления подложек микросхем повышенной мощности, так как теплопроводность ВеО более чем в шесть раз выше Аl2О3. Исходным сырьем для получения ВеО является в основном минерал берилл (3ВеО· Аl2O3·6SiO2).

Спекание керамики на основе ВеО определяется следующими свойствами порошков: гранулометрическим составом, удельной поверхностью, прочностью и размером агрегатов, образующихся в результате разложения гидроксида (или солей, оксалата и сернокислого бериллия), а также составом примесей.

Основные технологические этапы изготовления изделий из керамики брокерит: предварительно обожженный и размолотый оксид бериллия перемешивается со стекловидным мелкоразмолотым минерализатором, и из полученной шихты формуют детали. Формование изделий производят методом горячего литья под давлением или сухим прессованием из порошков с парафиновой связкой. Спекание изделий до вакуумплотного состояния осуществляется при температуре 1700−18 000С. При спекании керамики в ее составе образуется стеклофаза и возникает остаточная закрытая пористость, составляющая несколько объемных процентов. Это является причиной ухудшения теплопроводности брокерита в сравнении с теплопроводностью чистого плотно спеченного оксида бериллия.

Глава 3.

3.

1. Конденсаторная керамика Требования, предъявляемые к конденсаторной керамике, в общем виде формулируется следующим образом:

наибольшая диэлектрическая проницаемость при заданном значении ее стабильности при изменении температуры, частоты, напряженности электрического поля и т. д.

минимальные диэлектрические потери;

максимальные электрическая прочность и удельное объемное сопротивление;

высокая устойчивость к электрохимическому старению;

однородность материала воспроизводимость свойств;

малая стоимость и доступность исходного сырья.

Сегнетокерамические материалы для конденсаторов могут быть разделены на три группы: материалы с максимальной диэлектрической проницаемостью (группа Н — 90), материалы с повышенной температурой стабильностью диэлектрической проницаемости (группы Н-50, Н-30 и др.) и материалы с пониженными диэлектрическими потерями (материал Т-900).

Основой сегнетоэлектрической конденсаторной керамики всех этих групп яляются сегнетоэлектрики кислородно-октаэдрического типа, главным образом ВаТiO3, и твердые растворы на его основе. Керамика на основе чистого титаната бария характеризуется тремя точками фазовых переходов: -80; 0; 1200С. При температуре ниже -800С кристаллы обладают ромбоэдрической структурой; в диапазоне температур от -80 до 00С имеют ромбическую структуру; от 0 до 1200С — тетрагональную, а при температуре выше точки Кюри у ВаТiO3 возникает кубическая структура и спонтанная поляризация исчезает. При этом кристалл из сегнетоэлектрика превращается в параэлектрик.

Заключение

В заключение отмечу некоторые особенности синтеза огнеупорных керамических материалов:

Варьирование свойств огнеупоров может осуществляться за счет изменения поверхностных свойств последних, а также путем увеличения содержания тех или иных кристаллических фаз и изменением химико-минералогического состава.

Следует добавить, что освоение процессов производства огнеупорной керамики, открывает перспективу для создания высокотемпературной керамики, обладающей высокой механической и термической устойчивостью, кроме того, позволяет разрабатывать приборы с уникальными характеристиками.

Следует отметить основные проблемы и направления научно-технического прогресса в области производства керамических материалов, над которыми предстоит работать:

разработка более эффективных и прецизионных технологических процессов, обеспечивающих высокую точность и однородность состава, свойств получаемых материалов; это осуществляется на основе глубоких физико-химических исследований технологических процессов, создания математических моделей;

использование самосовмещающихся технологических операций на основе самоорганизации физико-химических процессов с целью создания интегрированных технологических процессов, а также экологически чистых безотходных технологических систем.

Интерес к огнеупорной керамике в последние годы настолько возрос, что можно говорить о своеобразном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции современного материаловедения. Причины этого возрождения обусловлены многими обстоятельствами и прежде всего возможностью создания новых материалов с необходимыми свойствами. Объем производства огнеупорных керамических материалов во всех странах мира растет необычайно быстрыми темпами.

Для сознательного осуществления процессов, ведущих к получению огнеупорных керамических материалов, нужно знать природу исходных веществ, дефектов в твердых телах, закономерности их возникновения, характер взаимодействия различных видов исходных веществ. Протекание химических реакций с участием твердых тел, а также минералов имеет свои особенности, поскольку в твердофазных системах практически чрезвычайно сложно достичь смешения компонентов на молекулярном уровне. Различные участки твердых веществ характеризуется неодинаковой активностью. Свойства керамического материала строго зависит от структуры веществ. Чаще всего в попытке сконструировать новый керамически материал варьируют состав. И это разумно, учитывая структурные многообразие твердых тел.

Для решения проблем создания новых огнеупорных керамических материлов с заданными свойствами и разработки рациональной технологии, необходим системный подход. В первом случае, целесообразно опираться на систему фундаментальных физико-химических принципов, а во втором — на систему факторов, определяющих минимум энергетических, материалных затрат.

Список литературы

Ю. М. Таиров, В. Ф. Цветков. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. С.-Пб., Лань, 2002, с.322−396.

Ю.Д.Третьяков.Керамика в прошлом, настоящем и будущем.//Соросовский образовательный журнал.-1998.-№ 6.-с.53−59.

А.Вест. Химия твердого тела. Теория и приложения.М., Мир, 1988, ч.1,с.64−126.

И.А. Зверева, Ю. Е. Смирнов, А. М. Тойкка. Распределение катионов и межатомные взаимодействия в оксидах с гетеровалентным изоморфизмом атомов. I. Устойчивость слоистой структуры в сложных алюминатах. // Журн. Общей химии. 2000. Т.

70. N1. С.6−12.

Ю. Д. Третьяков, В. И. Путляев.

Введение

в химию твердофазных материалов.М. Наука. 2006. С.60−64.

Под ред. П. П. Будникова. Технология керамики и огнеупоров.М. 1955.

с. 141.

Ю.Д.Третьяков.Твердофазные реакции.//Соросовский образовательный журнал.-1999.-№ 4.-с.35−39.

А. Я. Нашельский Технология полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987.

В.В. Болдырев. Управление химическими реакциями в твердой фазе.//Новосибирский государственный университет, 1996, с. 49−5.

Ю. Я. Томашпольский. Пленочные сегнетоэлектрики. М.: Радио и связь, 1984.С.193.

Таиров Ю.М., Цветков В. Ф. Технология полупроводниковых и диэлектрических материалов. С.-Пб., Лань, 2002, с.322−396.

Третьяков Ю. Д. Керамика в прошлом, настоящем и будущем.//Соросовский образовательный журнал.-1998.-№ 6.-с.53−59.

Вест. А. Химия твердого тела. Теория и приложения.М., Мир, 1988, ч.1,с.64−126.

Зверева И.А., Смирнов Ю. Е., Тойкка А. М. Распределение катионов и межатомные взаимодействия в оксидах с гетеровалентным изоморфизмом атомов. I. Устойчивость слоистой структуры в сложных алюминатах. // Журн. Общей химии. 2000. Т.

70. N1. С.6−12.

Третьяков Ю. Д., Путляев В. И.

Введение

в химию твердофазных материалов. М.Наука.

Под ред. Будникова П. П. Технология керамики и огнеупоров. М. 1955, с. 141.

Третьяков Ю. Д. Твердофазные реакции.//Соросовский образовательный журнал.-1999.-№ 4.-с.35−39.

Нашельский А. Я. Технология полупроводниковых материалов. М.: Металлургия, 1987.

Болдырев В. В. Управление химическими реакциями в твердой фазе.//Новосибирский государственный университет, 1996, с. 49−5.

Томашпольский Ю. Я. Пленочные сегнетоэлектрики. М.: Радио и связь, 1984.С.193.