Виды керамики и области ее применения

Нитрид кремния (Si3N4) более других нитридов устойчив на воздухе и в окислительной атмосфере до 1600 °С. По удельной прочности при высоких температурах превосходит все конструкционные материалы, а по стоимости он дешевле жаропрочных сплавов в несколько раз. Нитрид кремния прочный, износостойкий, жаропрочный материал. Он применяется в двигателях внутреннего сгорания (головки блока цилиндров, поршни и др.), стоек к коррозии и эрозии, не боится перегрева теплонагруженных деталей.

Силициды отличаются от карбидов и боридов полупроводниковыми свойствами, окалиностойкостью, они стойки к действию кислот и щелочей. Их можно применять при температуре 1300-1700°С, при 1000 °С они не реагируют с расплавленным свинцом, оловом и натрием. Дисилицид молибдена (MоSi2) используется наиболее широко в качестве стабильного электронагревателя в печах при температуре 1700 оС в течение нескольких тысяч часов. Испеченного (MоSi2) изготавливают лопатки газовых турбин, сопловые вкладыши двигателей; его используют как твердый смазочный материал для подшипников, для защитных покрытий тугоплавких металлов от высокотемпературного окисления.

Сульфиды. Из сульфидов нашел практическое применение только дисульфид молибдена (MоS2), имеющий высокие антифрикционные свойства. Его применяют в качестве сухого вакуумстойкого смазочного материала. Рабочие температуры на воздухе от -150 до 435 оС, в вакууме до 1100 °С, в инертной среде до 1540 оС. Дисульфид молибдена электропроводен, немагнитен, стоек к радиации, воде, инертным маслам и кислотам, кроме крепких НСI, HNO3 и царской водке. При температуре выше 400°С начинается процесс окисления с образованием оксидной пленки, а при 592 °С образуется МоС3, являющейся абразивом.

3. Нанопорошковые керамические материалы как новый вид применения керамики

Нанопорошковые керамические материалы — способ создания материалов из неорганических, неметаллических порошковых наноматериалов с наноразмерами частиц 2-28 нм, образующихся из литой или спрессованной массы конгломерата нанопорошков, которая цементируется при охлаждении, или формируется в подготовленном виде под действием высокой температуры и прессования под большим давлением.

Это широкий диапазон минеральных неорганических соединений, обладающих широким диапазоном физико-химических свойств. Новые керамические материалы с разной степенью прозрачности и не с прозрачной структурой, с жёсткой молекулярной структурой, находят всё возрастающее применение в науке, медицине, разных отраслях промышленности и техники.

Отличительная особенность новых материалов в прцессе применения нанотехнологий при их получении — это непредсказуемые получаемые физикотехническме характеристики, которые они приобретают. В результате появляется возможность получения новых квантовых физикомеханических характеристик в веществах, у которых электронные свойства изменены и выражены в другой форме проявления. Например, появляется возможность уменьшения размера частицы. Этот эффект не всегда поддаётся определению и замерам размеров элементарных частиц при помощи макро-микро измерений. Однако, это становится возможным, когда диапазон размеров наночастиц находится в зоне миллимикронов. Определенное число физикомеханических свойств также изменяется с изменением размеров макроскопических элементов. Сейчас новые необычные механические свойства наноматериалов — предмет исследования наномеханики. Здесь также имеет место применения катализаторов, влияющих на новое поведение наноматериалов во взаимодействии с биоматериалами.

Нанотехнологии можно рассматривать как способ расширения традиционных дисциплин для получения необходимых ранее не достигаемых свойств, т.е. дополнительно традиционные дисциплины могут рассматриваться под углом иного толкования получаемых новых результатов. Этот динамический взаимный обмен идей и понятий вносит свой вклад в современное понимание рассматриваемой области. Вообще, нанотехнология - сочетание традиционных и новых идей, начиная от науки до конкретного воплощения, от расчётов до производства новых материалов и устройств. Нанопорошковые иатериалы позволяют использовать новые физические свойства в конкректных производствах в различных областях науки и техники.

Как упомянуто выше, материалы с наноразмерами могут неожиданно показать совсем другие свойства по сравнению с теми, которыыми они обладвют в макромасштабе. Например, непрозрачные вещества становятся прозрачными (медь); инертные материалы становятся катализаторами (платина); негорючие материалы становятся горючими (алюминий); твёрдые частицы превращаются в жидкости при комнатной температуре (золото); изоляторы становятся проводниками (кремний). Материал, типа золота, который является химически инертным в нормальных услоиях, становится мощным химическим катализатором в нанопроизводстве. Большая часть привлекательности нанотехнологиии связана с уникальными квантовыми и поверхностными явлениями, которые заслуживают отдельного рассмотрения и исследования.

Частицы порошка наноразмеров (до 30 нанометров) в нанокерамике, порошковой металлургии и др. наиболее подходят для производства. Существует основная проблема применения наночастиц при формировании структуры тел — это проблема получения изотропного материала с однородной структурой. Но имеется множество катализаторов, диспергаторов, типа (водной) соли лимонной кислоты, аммония и (безводного) алкоголя и др., которые перспективны при применении этих добавок насколько это возможно для получения нужной смеси при формовании, спекании в процессе создания новых, например, керамических нанопорошковых материалов.

Первое использование понятий в нанотехнологии было в докладе, сделанном физиком Ричардом Феинманом в американском Физическом Обществе, встречающемся в Caltech 29 деккбря 1959 года. Феинман описал процесс, который способен управлять индивидуальными атомами и молекулами, который мог быть развит, используя один из наборов точных инструментов для построения и управляния другим пропорционально меньшим набором (меньшими частицами) при переходе к меньшим габаритам учавствующих элементов. В ходе этого, он отметил, что оценивая задачи появления эффекта изменения величин различных физических состояний существует : опасность нанотехнологий в вопросах влияния поверхностной напряженностьи и др.

Дата отсчёта времени со дня начала способа нанотехнология была установлена Профессором университета Науки Токио Норайо Танигачи в 1974 году опубликовав заявление:

Нанотехнология главным образом состоит из обработки, разделения, консолидации, и деформации материалов одним атомом или одной молекулой.

В 1980-х годах основная идея относительно этого определения исследовалась с намного большей глубиной доктором К. Эриком Дрекслером, который продвинул технологическое значение явлений нано-масштаба и устройств в выступлениях устно и в книгах : Прибывающая Эра Нанотехнологии и Наносистем, Молекулярные Машины, Производство, и Вычисление, и таким образом дата начала эры нанотехнологий приобретала текущий характер. Именно: Прибывающую Эру Нанотехнологии считают первой книгой по теме нанотехнологии. Нанотехнология и нанонаука начали в начале 1980-ых двумя главными событиями; рождение науки о нанопорошке и изобретения микроскопа туннелирования просмотра (STM). Это развитие приводило к открытию fullerenes в 1986 и углерода nanotubes несколько лет спустя. В другом развитии, были изучены синтез и свойства полупроводника nanocrystals; Это приводило к быстрому увеличивающемуся числу металлической окиси nanoparticles квантовых точек. Атомный мощный микроскоп был изобретен спустя шесть лет после того, как был изобретен STM. В 2000 году была основана Национальная Инициатива Нанотехнологии Соединенных Штатов, для координации Федеральных научных исследований по нанотехнологии.

Методы производства керамики и вопросы технологии обработки включают науку создания высокой эффективности применения керамических компонентов из неорганических, неметаллических материалов на базе хороших порошков. Самые общие методы технологий основаны на использовании высоких температур. Вместе стем позже были развиты влажные химические методики для того, чтобы получить подобные микроструктуры и свойства в условиях намного более низких температур. Метод включает очистку сырья, исследования и производства химических заинтересованных составов, их формирование в технологически ценные компоненты и исследование их структурных особенностей (различных размеров компонентов и их соотношениях), исследования в зависимости от их химического состава и физических металлических свойств.

Традиционное керамическое сырье включает самые общие химические составы, найденные во внешнюю корку земли. Они включают кварц (SiO2), глинозем (Al2O3), магнезия (MgO), calcia (CaO), и окись железа (Al2O3), (Fe2O3 или оксид железа). Глина как полезные ископаемые составили из нескольких общих окисей, которые объединены в определенных целых числовых отнощениях, они включают kaolinite, бемит или mullite (соединение глинозема и кварца). Другие материалы, используемые в развитии прогрессивной керамики включают карбид кремния(Так), и азотистый кремний (Si3N4), карбид бора (B4C) и карбид титана (ТiC).

Керамические материалы как правило имеют разнопрозрачную структуру и формируются как:

1) Литая масса, которая укрепляет и кристаллизуется при охлаждении.

2) Порошок, компактный, который выдерживает высокую температуру.

3) Коллоид, соль или гель, который сохнет и присутствует в условиях низких температур перед дополнительным спеканием и прессованием при высоких температурах.

Альтернативные методы, не основанные на порошках и содержат химические реагенты и полимеры . Эти методы используются в значительной степени для формирования и/или нанесения поверхностных покрытий и тонких плёнок, чтобы изменить поверхностные свойства обычной керамики, оптической керамики, или металлокерамики.

Прозрачные керамические материалы (ПКМ) — изделия (например, волноводы, линзы), получаемые на базе нанопорошковых светопрозрачных керамических материалов ПКМ, имеет кубическую симметрию распложения атомов, наноразмерные межкристаллитные границы. В процессе высокотемпературного прессования получают ПКМ с плотностью, близкой к плотности монокристаллов данных соединений, обладающие минимальным рассеянием света, высокой прозрачностью и твёрдостью (коэффициент преломления n = 2,08).

Виды получаемых ПКМ:

- сцинтилляторы и матрицы для твёрдотельных квантовых генераторов;

- прозрачные керамические линзы для фотоаппаратуры, с лучшими оптическими характеристиками по сравнению с линзами из кварца.

Применение ПКМ с эффектом повышающего преобразования частоты света было доказано физиками ещё 40 лет тому назад. Однако, только в последние годы стало реальным внедрение оптических керамических материалов (ПКМ) на базе нанопорошковой технологии получения, необходимых для генераторов лазерных преобразователей электромагнитных лучей.

При получении ПКМ (например, сцинцилляторов) требуется применение активных, высокодисперсных для спекания нанопорошков с размерами в среднем до 30нм.

Прозрачные керамические материалы (ПКМ) получают методом горячего прессования нанороошков LuYO3.

Приготавливается шихта из окидов Lu2O3 и Y2O3, взятых в стехиометрической пропорции;

После чего смесь перетирали и прессовали под давлением 35МПа с температурой обжига в 1200°С;

Полученные таблетки из указанной смеси подвегали мощному лазерному импульсному облючению (СО2-лазера) с мощностью в 665 Вт. В результате лазерного испарения таблеток получали нанопорошки оксидов LuYO3 размером 2—28 нм.

Компания CASIO создала первый объектив с применением оптически прозрачных керамических линз LUMICERA производства компании Murata Manufacturing Co., Ltd в фотоаппарате Casio Exilim EX-Z100.

Линзы LUMICERA обладают такими же характеристиками светопропускания, что и традиционные линзы из крона, но отличаются:

- линзы LUMICERA обладают более высоким коэффициентом преломления n=2.08 по сравнению с кронами (n=1.5 - 1.852);

- более высокой прочностью.

ПКМ в настоящее время находят широкое применение во всех областях науки и техники в новых и ранее используемых оптических системах, оптических устройствах. Обладая всеми свойствами силикатных неорганических стекол, они превосходят их целым рядом важных оптических показателей, как коэффициентом преломления, твёрдостью, способностью изменять частоту колебаний электромагитных лучей света и др.

Прозрачные керамические наноматериалы применяются:

- лазерный рентгеновский микроскоп;

- линзы матриц квантовых генераторов (лазеров);

- объективы;

- сцинтилляторы;

- фотосенсоры (микролинзы) и др.

Заключение

Можно ли ожидать в ближайшем будущем появления принципиально новых керамических материалов? На этот вопрос следует ответить утвердительно. Примером служит полученная сравнительно недавно в Японии сверхпластичная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 3 мол. % оксида иттрия.

При специфических условиях подготовки сырья и спекания получается поликристаллический материал с размером кристаллитов 0,3 мкм, который способен деформироваться, вытягиваясь под действием внешних нагрузок вдвое по сравнению с первоначальной длиной. Характерно, что после такой вытяжки керамика имеет прочность, превышающую прочность нитрида кремния, считающегося наиболее перспективным конструкционным материалом. Более того, нитрид и карбид кремния могут деформироваться без разрушения не более чем на 3%, что в 40 раз меньше, чем созданный сверхпластичный материал на основе твердого раствора диоксида циркония и оксида иттрия. Это создает исключительные перспективы применения последнего, делая доступной обработку его такими традиционными в металлообработке приемами, как экструзия, волочение, ковка.

Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикой и совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики, получившей название синэргетической из-за нелинейного эффекта взаимодействия матрицы и наполнителя, давшего возможность производить керамические композиты с рекордно высокой ударной вязкостью. Но не хлебом единым жив человек, и роль керамики сейчас, как и на заре человеческой цивилизации, не исчерпывается только прагматическими целями. В дополнение к конструкционной и функциональной керамике человека по-прежнему интересует художественная керамика.