Тема 15.3. Строение керамических материалов

Керамикой называют материалы и изделия, получаемые спеканием глин и их смесей с минеральными добавками (кварц, каолин и др.), а также спеканием оксидов, карбидов, нитридов и др. соединений. В кера­мике могут присутствовать кристаллическая, стекловидная и газо­вая фазы. Кристаллическая фаза представляет собой химические соединения, твердые растворы, фазы внедрения. Эта фаза составляет основу керамики и определяет значения механической прочности, термостойкости и других ее основных свойств. Аморфная стекловидная фаза находится в керамике в виде прослоек стекла, связывающих кристаллическую фазу. Обычно керамика содержит 1-10 % стекловидной фазы, которая снижает механическую прочность и ухудшает тепловые показатели. Однако стеклообра­зующие компоненты (глинистые вещества) облегчают технологию изготовления изделий. Газовая фаза представляет собой газы, находящиеся в порах керамики; по этой фазе керамику подразделяют на плотную (с закрытыми порами, не сообщающимися с окружающей средой) и пористую (с открытыми порами, не сообщающимися с окружающей средой). Наличие даже закрытых пор снижает механическую прочность материала.

Оксидная керамика состоит из чистых оксидов Al₂O₃, SiO₂, ZrO₂, MgO, CaO, BeO, ThO₂, TiO₂, UO₂, оксидов редкоземельных металлов, их механических смесей (ZrO₂-Al₂O₃ и др.), твердых растворов (ZrO₂-Y₂O₃, ZrO₂-MgO и др.), химических соединений (муллит 3Al2O3×2SiO2 и др.). Безоксидную керамику составляют материалы на основе карбидов, нитридов, боридов, силицидов, фосфидов, арсенидов и халькогенидов (кроме оксидов) переходных металлов и неметаллов.

Разновидности керамики: 1) терракота – пористый, неглазурованный материал, идущий на изготовление посуды, облицовочной плитки и др.; 2) майолика – покрытая глазурью керамика, используемая для тех же целей, что и терракота; 3) фаянс – смесь огнеупорной глины с каолином, кварцем и др. добавками; 4) фарфор, при изготовлении которого используются те же компоненты, что и для фаянса, но в других соотношениях, отличается режимами отжигов.

Фарфор и фаянс используют для изготовления посуды, санитарно-технических изделий, изоляторов в электротехнической промышленности. Основные свойства фаянса и фарфора – высокая прочность на сжатие, но и высокая хрупкость. Рабочие температуры этих материалов до 1600 С. Обладают высокой коррозионной стойкостью и допускают контакт с пищевыми продуктами. В пищевой промышленности их используют для изготовления посуды, футеровки ёмкостей из углеродистых сталей (выпускается специальный кислотоупорный фарфор). Фарфор и фаянс широко используют в фармацевтической, парфюмерной, витаминной отраслях промышленности.

При спекании оксидов, карбидов, нитридов и других соединений получают металлокерамику, обла­дающую плотной спекшейся структурой поликристаллического строения. Детали из металлокерамики работают до температур 1300-1400 С, а из неметаллических соединений кремния до 1500 С (из Si₃N₄) и даже до 1800 С (из SiC).

При изготовлении инструмента для различных отраслей промышленности, в том числе и пищевой, используют твёрдые сплавы – металлокерамику, состоящую в основном из карбидов вольфрама с небольшими добавками кобальта (для связки). В некоторых марках твёрдых сплавов, помимо карбидов вольфрама, добавляют карбиды титана и тантала. Примерами таких сплавов могут служить ВК-6 (94 % карбида вольфрама + 6 % кобальта), ВТ5К10 (85 %WC + 5 % TiC + 10 % Co). Применение указанных керамик позволяет не только увеличить скорость обработки, но и значительно повысить износостойкость обрабатывающего режущего и штамповочного инструмента.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется полимером?

2. Что называется пластмассой?

3. Что называется эластомером?

4. Какие составляющие входят в состав простых и сложных пластмасс?

5. По какому признаку пластмассы делят на термопластичные или термореактивные?

6. Как влияет количество серы на свойства резин?

7. Чем различаются органические и неорганические стекла?

8. Что называется неорганическим стеклом?

9. Какие материалы можно использовать в качестве изоляторов?

10. Для чего в пластмассу вводят наполнители?

11. Для чего в пластмассу вводят пластификаторы?

12. Какая пластмасса относятся к термореактивным?

13. Какая пластмасса относятся к газонаполненным?

14. Какие материалы называют ситаллами и какова их структура?

15. Какие материалы относятся к стеклокерамическим? Как их получают?

16. Какие материалы относят к металлокерамикам? Как их получают и какова их структура и свойства?