Керамические материалы.

К керамическим материалам относят широкий круг материалов, например, кирпич, камень, стекло и огнеупорные материалы.

Это твердые и хрупкие материалы, которые являются хорошими электрическими и тепловыми изоляторами и обладают высоким сопротивлением химическому воздействию. У них низкое сопротивление термическому удару, поскольку они имеют низкие теплопроводность и термическое расширение.

Керамика формуется из комбинации одного и более металлов с неметаллическим элементом, таким как кислород, азот или углерод.

Обычно, керамика характеризуется кристаллической структурой, хотя возможны аморфные состояния. Например, если кварц в расплавленном состоянии охладить очень медленно, то он кристаллизуется в точке застывания. Однако, если охлаждать много быстрее, то его атомы не успевают расположиться в упорядоченном состоянии, подобно кристаллу, поэтому характеризуются неупорядоченностью и неоднородностью внутреннего строения, т.н. кварцевое стекло.

Стекла. Главной составной частью большинства стекол является песок, т.е. керамический силикат. Обыкновенное оконное стекло сделано из смеси песка, известняка (углекислый кальций) и кальцинированной соды (углекислый натрий). При сплавлении различных комбинаций оксидов, которые подразделяются на стеклообразующие и модифицирующие, получают стекла. Химический состав стекол изменяют в относительно широком интервале, что позволяет обеспечивать необходимое сочетание свойств стекол. В состав стекол входят:

1. Стеклообразователи – основа: а) SiO₂ – силикатное стекло, если SiO₂ > 99%, то это кварцевое стекло; б) Al₂O₃ + SiO₂ – алюмосиликатное стекло; в) B₂O₃ + SiO₂ – боросиликатное стекло; г) Al₂O₃ + B₂O₃ + SiO₂ – алюмоборосиликатное стекло;

2. Модификаторы, вводятся для придания стеклу определённых свойств. Ввод оксидов щелочноземельных металлов (I, II группа: Na, K) уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определённые цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. По количеству модификаторов стёкла бывают трёх типов: щёлочные – стёкла, в которых содержится модификаторов до 20-30%, бесщёлочные – до 5% модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов нет;

3. Компенсаторы, подавляют негативное воздействие модификаторов. Стёкла в автомобилях, в стеклопластиках, оптика, теплопроводимость низкая, не растворимы в кислотах (кроме плавиковой HF) и щёлочах.

Теплостойкие стекла, такие как пирекс, получены при замещении кальцинированной соды окисью бора. Предел прочности при растяжении определяют эффективно по микроскопическим дефектам и трещинам на поверхности. Стекла имеют низкую пластичность, обладают хрупкостью, имеют низкое тепловое расширение и низкую теплопроводность, и вследствие этого и плохое сопротивление термическому удару. Закалка повышает прочность и термостойкость стекла. Стекла хорошие электрические изоляторы и стойки ко многим кислотам, растворителям и другим химикатам.

Техническая керамика. В качестве конструкционного материала, а также для изготовления или футеровки емкостей химических веществ широко применяют техническую керамику – глинозем (окись алюминия), нитрид кремния, карбиды бора, кремния, тантала, вольфрама и циркония. Из-за повышенной твердости, хорошей износо- и теплостойкости их успешно применяют для изготовления металлорежущих резцов, фильер. Они соединены с такими связующими металлами как никель, кобальт, хром, или молибден, в форме композитного материала. Большинство обычных форм – это вольфрамовый карбид, связанный с кобальтом, а большинство комплексных форм включает целый ряд карбидов с кобальтом.

Традиционный и широко распространенный керамический материал – фарфор. Стеклокристаллические материалы, получаемые путем направленной кристаллизации стекла, называются ситаллами. Их классифицируют по применению и содержанию основной кристаллической фазы.

В машиностроении и металлообработке наиболее перспективен класс износоустойчивых и химически устойчивых ситаллов, которые содержат в качестве основной кристаллической фазы кордиерит и прироксен.

Огнеупоры. Это специальные материалы, применяемые в конструкциях, способных выдерживать высокие температуры. Основные широко используемые огнеупорные материалы состоят из кремнезема и глинозема. Способность огнеупоров выдерживать высокие температуры возрастает с увеличением окиси алюминия выше точки эвтектики.

Изделия с содержанием глинозема 30…40% употребляются в качестве огнеупорного шамотного кирпича. Для более жестких условий применения увеличивается количество глинозема: керамика с глиноземом более 71,8% может работать до 1800⁰С. С содержанием глинозема 90% производится прочная, тонко гранулированная керамика для заданных механических условий. С содержанием же 96% выпускается керамика, которая обладает отличными свойствами для специального назначения в электронике, а с содержанием 99,9% - твердая, прочная керамика для жестких механических условий и агрессивной среды.

В таблицах 3 и 4 Приложения Р приведены типичные инструментальные применения для связанных карбидов, а также даны основные характеристики и область применения обычно используемых стекол.