Перспективность керамических материалов

• Керамика – первый искусственный (синтетический) матери-ал, полученный человеком. Наиболее древний образец кера-мики (керамического черепка), обнаруженный в русле Нила (Египет) изготовлен не менее 12000 лет до Рождества Хрис-това (до н. э.). Недаром существует легенда, что первая же-на Адама (Лилит), да и сам первый человек созданы богом из глины.

• Пластифицированная водой глина, приобретя пластичность, стала основой для развития начал первой технологии произ-водства главного материала древности – керамики, а также породила термины: «пластмассы», «технология», «химия» и т.д. и т.п.

• В последние годы керамику часто называют третьим по зна-чимости материалом после металлов и пластмасс (а иногда и прямо называют материалом будущего). Само слово «кера-мика» пришло к нам из греческого языка («керамос» – обож-женная глина, «керамике» – гончарное искусство).

• Керамика:

• -Исторически: материал и изделия из него, получаемые спе-канием глин и их смесей с минеральными добавками. Сегодня: любые поликристаллические материалы, получае-мые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения. Это определение исключает из числа керамических материалов стекла, хотя нередко их рассматривают как разновидность керамики.

• С химической точки зрения, конструкционную керамику целесообразно разделить на:

• - карбидную;

• - нитридную;

• - оксидную.

• На стыке выделенных классов керамических материалов может быть создана целая гамма гибридных материалов (ситаллы, сиалоны и т. д.).

• Различают конструкционную и функциональную керамики.

• При этом под конструкционной понимают керамику, ис-пользуемую для создания механически стойких конструк-ций, а под функциональной – керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими или терми-ческими функциями.

• Химические элементы, составляющие основу конструкцион-ной керамики, образуют в Периодической системе Д.И. Мен- делеева компактную группу, включающую десять элементов. Важнейшими компонентами современной конструкционной керамики являются:

• - оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния;

• - нитриды кремния, бора, алюминия;

• - карбиды кремния и бора, их твердые растворы;

• - неорганические полимеры;

• - разнообразные композиты.

• Конструкционная керамика всех видов с успехом использу-ется там, где высокотемпературные коррозионноопасные ус-ловия сочетаются с низкими или умеренными статическими нагрузками. Металлургия, химическая промышленность, кос-мическая техника, машиностроение чаще всего используют керамические изделия малых размеров и преимущественно простых форм. Поддоны, футеровки, нагреватели, литейные формы, тепловые или теплозащитные оболочки, сопла – вот далеко не полный перечень керамической продукции.

• Важнейшая техническая задача – создание керамических газотурбинных двигателей, дизельных двигателей и двигате-лей внутреннего сгорания различного промышленного и транспортного назначения.

• Керамические материалы позволят решить задачу создания систем рекуперации тепла отходящих газов, имеющих темпе-ратуру 650-1500 º С и обладающих высокой коррозионной ак-тивностью. Внедрение таких рекуператоров в промышленных печах газового нагрева даст экономию топлива до 40%. Эф-фективным считается также применение керамических тепло-обменников в атомных установках, установках термохими-ческого разложения воды, подогревателях МГД-генераторов и других энергетических агрегатах. При этом одновременно ре-шаются проблемы защиты от высокотемпературной коррозии и экономии дорогостоящих жаропрочных сталей.

• Очевидны истинно революционные изменения в ряде отрас-лей, которые способны привнести керамические материалы. Но судьба этих изменений зависит от умения наладить вы-пуск особо чистых компонентов и от тщательности контроля процессов получения керамических материалов. Малейшие примеси, неточности в технологическом процессе полностью лишают керамический материал его чудодейственных качеств

• Поэтому для химиков и материаловедов сегодня очень важ-но создать оптимальные методы синтеза, методы контроля исходного сырья, процессы и гибкие аппаратурные средства получения и модификации свойств оксидов, нитридов и их композиций.

• Недавно на базе диоксида циркония, легированного окси-дом иттрия, удалось получить сверхпластичный керамичес-кий материал, вытягивающийся без разрушения на двойную длину. При этом прочность материала после растяжения возрастает, превышая прочность нитрида кремния.

• Высокотехнологичная керамика. Ее первой разновидностью был карбид кремния, производство которого одна из амери-канских фирм начала почти сто лет назад. Уже тогда термин «керамика» приобрел более широкое значение: помимо традиционных материалов, изготовляемых из глин, к ней стали относить материалы, получаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов, нитридов и т. д.

• После второй мировой войны развитие техники и технологии выдвинуло ряд требований, которые невозможно было удов-летворить, используя традиционные металлические и керами-ческие конструкционные материалы. Одним из первых нап-равлений развития высокотехнологичной керамики стало соз-дание микрокомпьютеров и важнейших электронных элемен-тов, включая конденсаторы, подложки интегральных схем, термисторы, варисторы, сегнето- и пьезоэлектрики.

• Керамическая промышленность, которая традиционно произ-водила стекло, посуду, строительные и огнеупорные материа-лы, в числе целевых продуктов стала выпускать материалы для самых современных и перспективных отраслей техники.

• В мире современных материалов керамике принадлежит за-метная роль, обусловленная широким диапазоном ее разно-образных физических и химических свойств.

• Перспективность керамики как материала будущего обус-ловлена многими факторами, среди которых наиболее важ-ны следующие.

• «1. Керамика отличается исключительным многообра-зием свойств, иначе многофункциональностью, по срав-нению с другими типами материалов (металлами и полиме-рами). Среди видов керамики всегда можно найти такие, ко-торые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях. Многофунк-циональность керамики можно проиллюстрировать приме-ром оксида алюминия (Al₂O₃), который, благодаря уникаль-ным термическим и химическим свойствам, служит для изго-товления деталей внутреннего сгорания, высокотемператур-ных турбин, тиглей, кислотоустойчивых покрытий химических реакторов и обладает также уникальными биозащитными, механическими, оптическими и электрическими свойствами.

• Керамика не разрушается в более широком, чем другие ма-териалы, интервале температур. Ее упругость сравнительно ограничена, зато коэффициент термического расширения ке-рамики изменяется в чрезвычайно широких пределах. Толь-ко у алюминия этот показатель выше. Вместе с тем, у кера-мики, практически, нет конкурентов в смысле минимальных и, тем более, отрицательных значений коэффициента терми-ческого расширения. Если рассматривать керамику с точки зрения электропроводности, то и здесь она в существенной мере превосходит многие другие материалы и имеет исклю-чительно широкий диапазон применения – от классических изоляторов до сверхпроводников. Низкая теоретическая плотность (от 3, 5 – у карбида кремния до 6, 0 – у стабилизи-рованного диоксида циркония) обеспечивает ее высокие удельные прочностные характеристики.

• Керамика не окисляется и устойчива при более высоких температурах, чем металлы: например, температура плавле-ния карбида гафния (3930 º С) на 250º С выше, чем у вольф-рама. Термическая устойчивость оксидов алюминия, магния, тория намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон и усов на порядок выше, чем у металлов.

• Настоящую революцию в области замены металлов можно будет осуществить тогда, когда будут созданы керамические материалы, сохраняющие прочность при температуре выше 1200 º С.

• 2. Важным достоинством керамики является высокая доступность сырья, в том числе для получения бескисло-родной керамики типа карбидов и нитридов кремния, цирко-ния или алюминия, заменяющих дефицитные металлы. Нап-ример, производство традиционного режущего инструмента на основе композита кобальта с карбидом вольфрама требу-ет огромных количеств этих металлов, запасы которых изна-чально были ограниченными или оказались исчерпанными в большинстве промышленных стран мира. Между тем, в ка-честве альтернативы успешно может применяться сиалон – твердый раствор нитрида кремния и оксида алюминия, для получения которого служит сырье, доступное в любой стра-не мира и, практически, неисчерпаемое. (Говорить о деше-визне и доступности керамического сырья для электронной и оптической керамики не имеет смысла).

• 3. Технология конструкционной керамики, как правило, менее энергоемка, чем производство альтернативных металлических материалов. Например, затраты энергии на производство технической бескислородной керамики типа нитрида кремния ниже энергозатрат на производство важ-нейших компонентов металлических конструкционных мате-риалов. Сравнение затрат энергии (кВт× ч) на производство 1 т различных материалов следующее:

• - никель электролитический – 212000;

• - титановая губка – 120000;

• - алюминий в слитках – 715000;

• - нитрид кремния – 19000;

• - серый чугун – 10000.

• 4. Производство керамики, как правило, не загрязняет окружающую среду в такой мере, как металлургия, а са-ми керамические материалы позволяют принимать эко-логически оправданные технологические и технические решения. Примером может служить получение водорода высокотемпературным электролизом воды в электролизерах с керамическими электродами и керамическими электроли-тами, создание химических источников тока с керамическими электролитами для электромобилей и т. д.

• 5. Получение керамики обычно более безопасно, чем производство альтернативных металлических материа-лов (благодаря отсутствию процессов электролиза, пироме-таллургии, воздействия агрессивных сред), а керамика со специальными электрическими свойствами позволяет соз-дать высокоэффективные противопожарные системы и сис-темы предупреждения взрывов (электрохимические детекто-ры, или сенсоры).

• 6. Керамические материалы, по сравнению с металла-ми, обладают более высокими коррозионной стой-костью и устойчивостью к радиационным воздействиям, что обусловливает долговечность керамических конструкций в агрессивных средах. В этой связи следует упомянуть, что попытка замены в космических аппаратах магнитной кера-мики в качестве элементов памяти ЭВМ на полупроводнико-вые интегральные элементы не удалась, так как оказалось, что полупроводниковые элементы под действием радиации перестают нормально функционировать.

• 7. Керамические материалы обладают большей биоло-гической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это позволяет использовать их как для имплантации искусст-венных органов, так и в качестве конструкционных материа-лов в биотехнологии и генной инженерии.

• 8. Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пре-делах одной и той же химической композиции. Любое, даже самой малое керамическое изделие состоит из огромного числа кристаллитов (размер, форма и относительное расположение которых определяют её свойства). Отсюда, возникает перспекти-ва дальнейшей микроминиатюризации приборов с использова-нием керамических элементов.

• Интерес к конструкционной и функциональной керамике в пос-ледние годы так возрос, что «можно говорить о своеобразном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции современ-ного материаловедения». Причины этого возрождения обуслов-лены рядом следующих обстоятельств, и, прежде всего, возмож-ностью создания новых материалов с необходимыми новыми за-данными свойствами. Среди них, в первую очередь, следует от-метить пластичную и вязкую керамику, керамику типа волокон-ных композитов, а также режущую керамику типа WC / Co/ TiC, которая превосходит все известные инструментальные материа-лы по стойкости к термоудару и режущим свойствам. Таким об-разом, эти виды керамики являются композитами следующего поколения.

• Другое направление связано с созданием принципиально новых типов приборов и устройств, таких как:

• - газотурбинные двигатели;

• - электрохимические детекторы;

• - тепловые машины.

• В качестве примера можно представить схему новейшей тепловой машины, работающей по принципу концентрационного электрохимического элемента с ионной мембраной. Такая машина – замкнутый контур, частично заполненный натрием и разделенный на две половины керамической мембраной, обладающей проводимостью по ионам натрия. Создание градиента температур в разных частях машины приводит к испарению натрия в горячей части и к конденсации его в холодной. Как следствие, возникает градиент концентрации паров натрия в газовой фазе и обусловленный им перенос ионов натрия через твердый электролит, сопровождающийся возникновением на его электродах электродвижущей силы.

• Третье направление, обусловившее «ренессанс» керамики, связано с существенным улучшением качества традиционных материалов за счет керамических покрытий. Примером могут служить твердые сплавы. В частности, износостойкие слои толщиной от 5 до 1 мкм из карбида или карбонитрида титана, нанесенные на поверхность традиционных сплавов, увеличивают износостойкость последних, по меньшей мере, в три раза».