78. Техническая керамика: разновидности, область применения.

Техническая керамика от экспертов в области керамических материалов. Высококачественные керамические материалы уже сегодня открывают такие возможности применения, которые считались практически невозможными еще вчера. Благодаря уникальным свойствам, техническая керамика считается одним из наиболее эффективных материалов нашего времени. Высококачественная керамика лежит в основе продукции компании CeramTec. Этот материал также называют технической керамикой, машиностроительной керамикой или промышленной керамикой. Эти термины охватывают множество различных и частично узкоспециализированных керамических материалов с уникальными механическими, электрическими, тепловыми и биохимическими свойствами и их сочетаниями. Эти особые характеристики могут в дальнейшем развиваться, оптимизироваться и приспосабливаться для использования в технических областях. Также существует возможность сочетания различных свойств. Такие материалы могут быть использованы для разработки высококачественных компонентов, которые выполняют необходимые задачи с оптимальной точностью и могут на многие годы опережать в соответствующей области применения конкурирующие с ними материалы, такие как металлы или пластмассы. Компоненты, изготовленные из керамических материалов, все чаще становятся единственным решением технических проблем, которые не могут быть решены с помощью обычных материалов. Техническая керамика – группы материалов Техническую керамику CeramTec можно разделить на четыре основные группы керамических материалов: силикатная керамика, оксидная керамика, неоксидная керамика и пьезокерамика. Силикатная керамика – это самая старая разновидность керамических материалов для технических нужд, изготовляемая в основном из природного сырья в сочетании с глиноземом (оксид алюминия, силикат алюминия). В группу оксидной керамики входят материалы, которые состоят в основном из оксидов металлов: оксида алюминия, оксида циркония, титаната алюминия или дисперсной керамики. В группу неоксидной керамики входят материалы, в основе которых лежат соединения углерода, азота и кремния, такие как карбид кремния, нитрид кремния и нитрид алюминия. В группу пьезокерамики, также известной под названием «функциональная керамика», входят материалы, используемые для преобразования механических параметров в электрические или, наоборот, для преобразования электрических сигналов в механическое движение или вибрацию.

79. Неорганические стекла: строение, свойства, способы упрочнения, применение.

Неорганическое стекло – химически сложные аморфные изотропные материалы, обладающие свойствами хрупкого твердого тела. Стекла состоят:

1. Стеклообразователи – основа:

а) Si0₂ – силикатное стекло, если Si02 > 99 %, то это кварцевое стекло;

б) AI₂O₃ + Si0₂ – алюмосиликатное стекло;

в) B₂0₃ + Si0₂ – боросиликатное стекло;

г) AI₂0₃ + B₂0₃ + Si0₂ – алюмоборосиликатное стекло;

2. Модификаторы, вводятся для придания стеклу определенных свойств. Ввод оксидов щелочноземельных металлов (I, II группа: Na, K) уменьшает температуру размягчения. Оксиды хрома, железа, ванадия придают стеклу определенные цвета. Оксиды свинца увеличивают коэффициент преломления. В зависимости от количества модификаторов стекла бывают: щелочные с содержанием модификаторов до 20–30 %, бесщелочные – до 5 % модификаторов, кварцевое стекло – модификаторов нет;

3. Компенсаторы, подавляют негативное воздействие модификаторов. Стекла в автомобилях, в стеклопластиках, оптика, теплопроводимость низкая, не растворимы в кислотах и щелочах.

Свойства стекол: стекла отличаются высокой твердостью и пределом прочности. Теоретически предел прочности достигает 10–12 ГПа. Модуль упругости E = 70 ГПа. Твердость по Виккерсу HV ~ 750 кгс/мм2. Практически предел прочности – 50-100 МПа. Низкий аВ объясняется факторами: высокий коэффициент линейного расширения. С остыванием стекла на его поверхности образуются растягивающие напряжения, что приводит к появлению трещин. Стекло – хороший теплоизолятор, что также приводит к образованию трещин. Стекло не сопротивляется динамическим нагрузкам. Способы упрочнения стекол:

1) травление для удаления дефектного поверхностного слоя. Предел прочности увеличивается до 3000 МПа. Малоэффективный способ, т. к. в дальнейшем стекло взаимодействует с абразивными частицами или твердыми материалами;

2) создание на поверхности сжимающих напряжений. Для этого проводят закалку, осуществляют нагрев до определенной температуры, затем охлаждают в заданном режиме (температура нагревания, охлаждение и время выдержки). Предел прочности увеличивается до 1000–1500 МПа;

3) нанесение на поверхность стекол полимерных материалов. Полимерное связующее склеивает микротрещины на поверхности стекла.

Кварцевое стекло обладает высокой газопроницаемостью (гелий, водород, неон) по сравнению с другими силикатными стеклами, в составе которых кроме диоксида кремния присутствуют оксиды щелочных и щелочноземельных металлов. Два параметра, объединяющих структуру двойных фосфатных стекол со структурой двойных силикатных стекол: структурной основной единицей являются тетраэдрические элементокислородные группировки; при добавлении модифицирующих оксидов увеличивается число не мостиковых атомов кислорода.

Затвердение и плавление стекла происходит постепенно в некотором температурном интервале. Поэтому не существует определенная температура затвердевания или плавления. В процессе охлаждения расплав переходит из жидкого в пластическое состояние, а после этого – в твердое (процесс стеклования).

Органические стекла представляют собой органические полимеры-полиакрилаты, поликарбонаты, полистирол, сополимеры винилхлорида с метилметакрилатом, находящиеся в стеклообразном состоянии. Наибольшее практическое применение нашли стекла на основе полиметил-метакрилата. По своей технологии, механизму твердения и строению органические стекла отличаются от неорганических.

Элементарные стекла способны образовывать небольшое число элементов – сера, селен, мышьяк, фосфор, углерод. Галогенидные стекла получают на основе стеклообразующего компонента BeF2. Многокомпонентные составы фторбериллатных стекол включают в себя фториды алюминия, кальция, магния, стронция, бария. Фторбериллатные стекла широко применяются на практике из-за высокой устойчивости к действию жестких излучений, включая рентгеновские лучи, и таких агрессивных сред, как фтор и фтористый водород. Промышленное значение приобретают способы получения стекол путем вакуумного испарения, конденсации из паровой фазы, плазменного напыления. В этих случаях стекло удается получить из газовой фазы, минуя расплавленное состояние. Керамика – неорганический материал, получаемый отформованнием масс в процессе высокотемпературного обжига. Оксидная керамика обладает высокой прочностью при сжатии по сравнению с прочностью при растяжении или изгибе. Более прочными являются мелкокристаллические структуры. С повышением температуры прочность керамики понижается. Керамика из чистых оксидов не подвержена процессу окисления. Бескислородная керамика. Материалы являются очень хрупкими. Сопротивление окислению при высоких температурах карбидов и боридов составляет 900-1000 °C, у нитридов оно ниже. Силициды выдерживают температуру 1300–1700 °C. При таких температурах на поверхности образуется пленка кремнезема. Неорганическое стекло́ или стекло, отличающееся составом стеклообразующих веществ: оксидов, фторидов и др. — твёрдый, хрупкий,аморфный материал, разновидности которого формируются при определённых условиях в процессе переохлаждения расплава и при определённых условиях способное к кристаллизации (например, ситалл).^[1]

В зависимости от основного используемого стеклообразующего вещества, стекла можно рзделить на: Неорганическое стекло: Оксидные — кроны (силикатные, кварцевое, германатные, фосфатные, боратные); Фторидные; Сулфидные; Ситалловые; и т.д. Стеклообразующие вещества.К стеклообразующим веществам относятся: Оксиды, Фториды. Базовый метод получения силикатного стекла заключается в плавлении смеси кварцевого песка (SiO₂), соды (Na₂CO₃) и извести (CaO). В результате получается химический комплекс с составом Na₂O*CaO*6SiO₂. Кварцевое стекло получают плавлением кремнезёмистого сырья высокой чистоты (обычно кварцит, горный хрусталь), его химическая формула — SiO₂. Кварцевое стекло может быть также природного происхождения, образующееся при попадании молнии в залежи кварцевого песка.

Оптическое стекло или крон — группа прозрачных стёкол специального состава и характеристик, используемых для изготовления различных оптических устройств. Химико-лабораторное стекло — стекло, обладающее высокой химической и термической устойчивостью. По химическому составу неорганические стекла подразделяют на элементарные, халькогенидные и оксидные. Основу оксидного стекла составляет стеклообразующий оксид. К числу стеклообразующих оксидов относятся SiO₂, В₂O₃, GeO₂, P₂O₅. Наибольшее распространение получили силикатные стекла (на основе SiO₂) благодаря высокой химической устойчивости, а также дешевизне и доступности сырьевых компонентов. Для придания определенных физических свойств в состав силикатных стекол вводят оксиды различных металлов (наиболее часто щелочных и щелочноземельных). Физико-химические свойства стекла зависят от его состава и степени обработки. Наименьшую плотность (~2,3 г/см³) имеет кварцевое стекло, состоящее только из оксида кремния. Наиболее тяжелые свинцовые стекла, содержащие много оксида свинца (до 80%), имеют плотность около 8 г/см³.

Предел прочности стекла при растяжении невелик (8.107Н/м²) и увеличивается при повышении содержания в нем SiO₂ и CaO. Щелочные оксиды снижают прочность стекла. Сжатию стекло противостоит гораздо лучше, чем растяжению, и предел прочности при сжатии и растяжении может различаться на порядок. Стекло очень хрупкий материал; наименьшей хрупкостью обладают боросвинцовые стекла. Кварцевое стекло остается хрупким при нагреве до температуры ~ 400°С, при дальнейшем нагреве стекло постепенно размягчается и становится вязкой жидкостью. Процесс перехода стекла из твердого состояния в жидкое не характеризуется сколько-нибудь определенной температурой плавления. При правильном охлаждении жидкого стекла этот процесс происходит в обратном направлении также без кристаллизации (деаморфизации). Различаются главные виды стекла: Содово-известковое стекло (1Na2O : 1CaO : 6SiO2) Калийно-известковое стекло (1K2O : 1CaO : 6SiO2) Калийно-свинцовое стекло (1K2O : 1PbO : 6SiO2) Стеклокристаллические материалы — ситаллы (Li₂O-Al₂O₃-SiO₂) В качестве главной составной части в стекле содержится 70 — 75 % двуокиси кремния (SiO2), получаемой из кварцевого песка при условии соответствующей грануляции и свободы от всяких загрязнений. Венецианцы для этого применяли чистый песок из реки По или даже завозили его из Истрии, тогда как богемские стеклоделы получали песок из чистого кварца.

Второй компонент — окись кальция (CaO) — делает стекло химически стойким и усиливает его блеск. На стекло она идёт в виде извести. Древние египтяне получали её из щебня морских раковин, а в средние века она приготовлялась из золы деревьев или морских водорослей, так как известняк в качестве сырья для приготовления стекла был ещё не известен. Первым подмешивать к стеклянной массе мел, как тогда назывался известняк, стали богемские стеклоделы в XVII веке. Следующей составной частью стекла являются окиси щелочных металлов, вроде окиси натрия (Na2O) или окиси калия (K2O), нужные для плавки и выделки стекла. Их доля составляет примерно 16-17 %. На стекло они идут в виде соды (Na2CO3) или поташа (K2CO3), которые при температуре легко разлагаются на окиси. Соду сначала получали выщелачиванием золы морских водорослей, а в местности, удалённой от моря, применяли содержащий калий поташ, получая его выщелачиванием золы буковых или хвойных деревьев. Стекло (оптическое стекло), обладая важными характеристиками: высокая прозрачность, дисперсия, изотропия, термостойкость, твёрдость и т.д., прозрачно к свету (с определённым диапазоном электромагнитных лучей) и широко применяется в науке и технике: для изучения световых явлений, называемых оптическими; в оптических устройствах. Обычное НС как прозрачный материал — занимает достойное место в нашей жизни: в строительстве, науке, медицине, искусстве и т.д.