Микроструктура и общая характеристика свойств керамических материалов

• Общие свойства керамических материалов:

• Твердость - керамика не царапается металлом, наоборот, о нее можно точить ножи;

• Огнеупорность - способность выдерживать высокие тем-пературы не деформируясь – именно в керамических сосу-дах плавили и плавят металлы и стекло;

• Хрупкость – взяв в руки керамическую вазу, мы боимся ее уронить, зная, что она разобьется.

• За весь комплекс физико-химических свойств керамическо-го материала отвечает его микроструктура – сочетание окис-лов SiO₂ иАl₂О₃ с примесью других оксидов.

• В керамических материалах независимо от вида сырья, ме-тода формования изделий и режима обжига формируется поликристаллическая микроструктура – т.е. структура, выяв-ляемая с помощью оптического или электронного микроско-па. Изучение микроструктуры керамики позволяет опреде-лить количество, минералогический состав и расположение кристаллических и аморфных составляющих, особенности, размер, расположение и количество микропор и микротре-щин, степень их заполнения новообразованиями:

• Кристаллической в виде зерен с видимыми межзеренными границами.

• Аморфной - в виде стеклофазы, располагающейся по гра-ницам кристаллических зерен или составляющих основу ма-териала.

• Газовой в виде пор, причем поры могут быть как внутри кристаллических зерен, так и на их границах или в стеклофа-зе.

• Микроструктура керамики на основе глин характеризуется наличием всех трех составляющих (кристаллической, амор-фной и поровой) причем их процентное содержание и разме-ры колеблются в широких пределах в зависимости от вида материала.

• Керамические материалы можно различать по химическому составу – оксидные и бескислородные.

• К оксидным керамическим материалам относится подав-ляющее большинство выпускавшейся ранее и производимой в наше время керамики. Прежде всего, это керамика на ос-нове силикатов, сырьем для которой служат глины, а также керамика из чистых оксидов.

• Бескислородные керамические материалы выпускают из специально синтезированных порошков карбидов, нитридов, боридов, силицидов и других тугоплавных соединений метал-лов для нужд огнеупорной, электронной, машиностроитель-ной промышленности, энергетики и космической техники. Их повсеместное распространение связано с тем, что основой для их производства являются природные минералы, содер-жащие оксиды кремния и алюминия. Эти два оксида по со-держанию в земной коре не уступают ни одному из прочих ок-сидов и определяют основные свойства керамических мате-риалов.

• Оксид алюминия Аl₂О₃ – в природе аметист, топаз, сапфир, рубин, корунд, глинозем – относится к нижним кристаллам, состоящим из основ Al³⁺ и О^2-. Помимо γ - модификации, ис-пользуемой в катализаторах, обычно применяют высокотем-пературную a-модификацию (корунд). Так как Аl₂О₃ отличает-ся весьма прочной химической связью, то для него характер-на исключительно высокая химическая и физическая устой-чивость, проявляющаяся в жаропрочности (t_пл = 2050 º С), вы-сокой теплопроводностью, механической твердостью, элект-роизоляционными свойствами, оптической прозрачностью, коррозионной стойкостью.

• Аl₂О₃ – материал, который можно назвать типичными предс-тавителем керамических материалов.

• Жаропрочность и высокая механическая прочность Аl₂О₃ ис-пользуется в футеровках печей, твердость – в абразивах для шлифования, электроизоляционные свойства - в изоляторах. В качестве материала, совместимого с живым организмом, его применяют в искусственно вживляемых зубах и суставах.

• Алунд и карракс используют в электротехнической керами-ке, макролит –в инструментальной керамике. Просвечивающая керамика Лукалокс применяется в маши-ностроении, оптике, электронике и светотехнике. Нитевид-ные кристаллы (вискеры) используют в качестве армирую-щего материала. Монокристаллы кварца – для изготовления точных приборов и т.д.

• SiO₂ – диоксид кремния (динас 90% SiO₂). Известно нес-колько модификаций диоксида кремния: a-кварц тригональ-ной сингонии, b-кварц гексагональной сингонии, кристаболит. При повышении температуры происходят фазовые переходы; при температуре 1700 º С кварц плавится:

• α -кварц 573 º С β -кварц 870 º С тримидит 1470 º С кристобо-лит 1713 º С расплав

• Структурная сложность аморфных силикатов связана со способ-ностью образовывать силикатные стекла. Реологические харак-теристики полисилоксанов щелочных металлов (жидких клеев) показывают увеличение вязкости системы при введении в нее минеральных наполнителей, что связано с отверждением (сшив-кой) линейных молекул.

• Кварц и кварцевое стекло обладают превосходной коррозион-ной стойкостью, устойчивостью к действию всех кислот (исклю-чение - HF), низкой теплопроводностью при комнатной темпера-туре, малым коэффициентом термического расширения, способ-ностью выдерживать быстрое нагревание и быстрое охлажде-ние, его используют в качестве материала для изготовления хи-мической и термостойкой посуды. Так как он прозрачен в широ-кой области ультрафиолетового и видимого диапазонов, его ис-пользуют в качестве материала для прозрачных покрытий по-верхностей, аккумулирующих теплоту солнца и материала для оптических волокон. Кварц пироэлектрик и пьезоэлектрик, элект-роизолятор. Кроме того, кварц применяют для получения крем-ния, карборунда (SiC), кварцевых ламп, фарфора и т.д.

• Эти качества Аl₂О₃ и SіО₂ их сочетание в смеси с другими оксидами создают все разнообразие керамических материалов.