Виды керамических материалов

Керамики обладают высоким уровнем межатомной связи и применяются в качестве конструкционных и функциональных материалов.

Конструкционными называют материалы, обеспечивающие целостность и несущую способность конструкций тех или иных изделий. Для таких материалов важными, как правило, являются физикомеханические свойства: модули сдвига и упругости, пределы прочности, относительные удлинения и др. [7]. В качестве конструкционных жаропрочных и коррозионно-стойких керамических материалов применяют SiC, Si₃N₄, ZrO2, ZrC, Al₂0₃, TiC, BeO, MgO, AIN, ZrB₂ и др. Наиболее важными в практическом отношении для конструкционных применений являются материалы на основе диоксида циркония, оксида алюминия, а также некоторые другие простые и сложные оксиды, карбиды, нитриды, бориды.

Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокую прочность и пластичность [8]. (В системах с дисперсными частицами диоксида циркония получены уникальные материалы, имеющие прочность при изгибе выше 1500 МПа и трещиностойкость АГ|_С более 30 МПа-м¹² [9]. Они обладают также повышенной термостойкостью.).

Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований свидетельствует о высокой перспективности следующих основных типов конструкционных наноматериалов: наноструктурных и композиционных керамик, наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, наноструктурных защитных термои коррозионно-стойких покрытий, полимерных композитов, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью с наполнителями из наночастиц и нанотрубок [8].

В лабораторных условиях получены образцы изделий из нанофазной керамики (с относительной плотностью на уровне 0,98−0,99 от теоретического значения) на основе оксидов алюминия и ряда переходных металлов. Экспериментально подтверждено, что плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластичность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокристаллических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. В перспективе повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного формования керамических композиционных изделий, что исключает необходимость трудои энергозатратной финишной обработки материалов высокой твердости [8].

Основными характеристиками конструкционных материалов являются: модуль Юнга, предел текучести, предел прочности, предел усталости, износостойкость, вязкость разрушения (критический коэффициент интенсивности напряжений для острых концентраторов и трещин). В отличие от модуля Юнга, который мало зависит от структуры материала, все остальные характеристики структурочувствительны, т. е. могут управляться посредством целенаправленного изменения структуры, в частности изменением номенклатуры и концентрации структурных дефектов, размеров зерен, ячеек и других субструктурных единиц [2].

Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств. Это могут быть материалы с особыми физическими свойствами, например электрическими, магнитными, тепловыми, оптическими, пьезоэлектрическими и др. К ним относятся: аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы-преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и др. Как функциональные материалы керамики применяют, например, в качестве резисторов — NbC, SiC; фильтров (пористых изделий) — Zr0₂, ZrC, SiC, А1₂0з, TiB₂, SijN^ термоэлементов — ZrB₂, TiC, электродов — SiC, LaB₆, Y₂0₃ и др. [7].

Из многочисленного ряда функциональных материалов широкое применение находит пьезосегнетоэлектрическая керамика.

Широко используемая в радиоэлектронике, гидроакустике и бытовой технике сегнстои пьезоэлектрическая керамика благодаря своей уникальной способности реагировать на любое физическое воздействие является особым классом специальных керамических материалов, для изготовления которых применяют различные технологические процессы [10].

Определяющую роль в получении керамики с высокими показателями диэлектрической проницаемости играет минимизация ее остаточной пористости.

Большинство составов пьезокерамики основано на химических соединениях с формулой АВ0₃ (например, BaTi0₃, PbTi0₃) с кристаллической структурой типа перовскита и различных твердых растворов на их основе. Особенно широко используются в качестве пьезоэлектрических материалов составы системы PbTi0₃-PbZr03 (гак называемая система PZT или ЦТС).

Оптически прозрачная керамика относится к классу функциональной керамики. Прозрачные керамические материалы имеют практически беспористую структуру. В силу этого материалы оказались способными пропускать свет, сохраняя при этом другие свойства, присущие керамическим материалам аналогичного типа, а в ряде случаев и превосходя их. Так, в результате высокой плотности и отсутствия в большинстве прозрачных керамических материалов стекловидной фазы эти материалы не только более устойчивы по сравнению с обычными керамическими материалами к действию агрессивных сред, но и имеют высокий класс чистоты поверхности при их механической обработке. Сочетание светопрозрачности, высокой плотности и возможности получения изделий с высоким классом чистоты поверхности способствовало тому, что области применения прозрачных керамических материалов значительно расширились по сравнению с использованием обычных материалов аналогичного состава [11].

К числу прозрачных керамических материалов, нашедших достаточно широкое применение, следует отнести керамику на основе окиси алюминия. Эту керамику применяют в качестве материала для изготовления излучательных трубок-оболочек натриевых ламп высокого давления.

Появление прозрачных керамических материалов обусловлено потребностями новых областей техники, а также связано с созданием специальных приборов, работающих в режиме ночного видения, в агрессивных средах, при высоких температурах и повышенных давлениях и т. д. Использование стекла для этих целей ограничивало возможности приборов.

Получение прозрачной керамики из высокодисперсных порошков, регулирование микроструктуры керамики рассмотрены в цикле работ Е. С. Лукина [12].

В последние годы большое внимание уделяется разработке прозрачной поликристалличсской керамики благодаря се высоким оптическим и термомеханическим свойствам и возможности допирования в широких концентрационных пределах редкоземельными ионами, сравнительно меньшей трудоемкостью изготовления, относительной дешевизной по сравнению с монокристаллическими материалами.

Одним из важных направлений на этом пути является создание высокопрозрачной керамики Nd³ :YAG (иттрий алюминиевый гранат, активированный неодимом), Nd‘^u:Yi03 (оксид иттрия, активированный неодимом, представляющий собой твердый раствор неодима в кубическом оксиде иттрия) и из других оксидов — активных сред твердотельных лазеров. Преимущество лазерной керамики перед монокристаллами: большие размеры, возможность создания многослойных элементов с большой концентрацией активных центров и более низкая цена [13].

В настоящее время перспективным направлением является применение добавки нанокристаллического керамического порошка в количестве 2−10 мае. % к используемой керамической массе в качестве модифицирующих добавок.

Введение

модифицирующих добавок изменяет процессы структурообразования при консолидации материалов и активизирует процессы спекания. Получаемое при этом снижение температуры обжига и повышение качества керамических изделий вполне может оказаться экономически выгодным [14].