Виды керамических материалов. Керамические материалы относятся к основным материалам, оказывающим определяющее влияние на уровень и конкурентоспособность промышленной продукции. Это влияние сохранится и в ближайшем будущем. Войдя в технику и технологию в конце 1960-х гг., керамические материалы произвели настоящую революцию в материаловедении, за короткое время став, по общему мнению, третьими промышленными материалами после металлов и полимеров.
Керамические материалы были первым конкурентоспособным по сравнению с металлами классом материалов для использования при высоких температурах.
Основными разработчиками и производителями керамических материалов являются США и Япония. В табл. 2.1 приведена классификация основных видов керамических материалов.
Исследование, проведенное Национальным бюро стандартов США, показало, что использование керамических материалов позволило к 2000 г. осуществить экономию ресурсов страны в размере более 3 млрд долл. Ожидаемая экономия была достигнута, прежде всего, за счет использования транспортных двигателей с деталями из керамических материалов, керамических материалов для обработки резанием и оптокерамики для передачи информации. Помимо прямой экономии применение керамических материалов позволит снизить расход дорогих и дефицитных металлов: титана и тантала в конденсаторах, вольфрама и кобальта в режущих инструментах, кобальта, хрома и никеля в тепловых двигателях.
Изготовление керамических материалов. Керамическая технология предусматривает следующие основные этапы: получение исходных порошков, консолидацию порошков, т.е. изготовление компактных материалов, их обработку и контроль изделий.
При производстве высококачественных керамических материалов с высокой однородностью структуры используют порошки исходных материалов с размером частиц до 1 мкм. Процесс получения столь высокой степени дисперсности требует больших затрат энергии и является одним из основных этапов керамической технологии.
Характеристика основных видов керамических материалов
|
Функциональный тип керамических материалов |
Используемые свойства |
Применение |
Используемые соединения |
|
Электрокерамика |
Электропроводимость, электроизоляционные, диэлектрические и пьезоэлектрические свойства |
Интегральные схемы, конденсаторы, вибраторы, зажигатели, нагреватели, термисторы, транзисторы, фильтры, солнечные батареи, твердые электролиты |
BeO, MgO, V2O3, ZnO, А1 2 0 3 , Zr0 2 , SiC, В 4 С, TiC, CdS, титанаты, Si 3 N 4 |
|
Магнстокерамика |
Магнитные свойства |
Головки магнитной записи, магнитные носители, магниты |
Магнитомягкие и магнитотвердые ферриты |
|
Оптокерамика |
Прозрачность, поляризация, флуоресценция |
Лампы высокого давления, ИК-прозрачные окна, лазерные материалы, световоды, элементы оптической памяти, экраны дисплеев, модуляторы |
А1 2 0 3 , MgO, Y 2 0 2 , Si0 2 , Zr0 2 , T0 2 , Y 2 0 3 , Th0 2 , ZnS, CdS |
|
Хемокерамика |
Абсорбционная и адсорбционная способность, каталитическая активность, коррозионная стойкость |
Сорбенты, катализаторы и их носители, электроды, датчики влажности газов, элементы химических реакторов |
ZnO, Fe 2 0 3 , SnO, Si0 2 , MgO, BaS, CeS, TiB 2 , ZrB 2 , A1 2 0 3 , SiC, титаниды |
|
Биокерамика |
Биологическая совместимость, стойкость к биокоррозии |
Протезы зубов, суставов |
Системы оксидов |
|
Термокерамика |
Жаропрочность, жаростойкость, огнеупорность, теплопроводность, коэффициент термического расширения (КТР), теплоемкость |
Огнеупоры, тепловые трубы, футеровка высокотемпературных реакторов, электроды для металлургии, теплообменники, теплозащита |
SiC, TiC, В4С, TiB 2 , ZrB 2 , Si 3 N 4 , BeS, CeS, BeO, MgO, Zr0 2 , A1 2 0 3 , TiO, композиционные материалы |
|
Механокерамика |
Твердость, прочность, модуль упругости, вязкость разрушения, износостойкость, триботехнические свойства, КТР, термостойкость |
Детали для тепловых двигателей; уплотнительные, антифрикционные и фрикционные детали; режущий инструмент; пресс-инструмент, направляющие и другие износостойкие детали |
Si 3 N 4 , Zr0 2 , SiC, TiB 2 , ZnB 2 , TiC, TiN, WC, B 4 C, A1 2 0 3 , BN, композиционные материалы |
|
Ядерная керамика |
Радиационная стойкость, жаропрочность, жаростойкость, сечение захвата нейтронов, огнеупорность, радиоактивность |
Ядерное горючее, футеровка реакторов, экранирующие материалы, поглотители излучения, поглотители нейтронов |
U0 2 , U0 2 , Pu0 2 , UC, US, ThS, SiC, B 4 C, A1 2 0 3 , BeO |
|
Сверхпроводящая керамика |
Эле ктроп ровод и мость |
Линии электропередачи, магнитогазодинамические генераторы, накопители энергии, интегральные схемы, железнодорожный транспорт на магнитной подвеске, электромобили |
Оксидные системы: La-Ba-Си-О; La-Sr-Си-О; Y-Ba-Cu-0 |
Измельчение производят механическим путем с помощью мелющих тел, а таюке распылением измельчаемого материала в жидком состоянии, осаждением на холодных поверхностях из парогазовой фазы, виброкавитационным воздействием на частицы, находящиеся в жидкости, с помощью самораспространяющегося высокотемпературного синтеза и другими методами.
Для сверхтонкого помола (частицы менее 1 мкм) наиболее перспективны вибрационные мельницы, или аттриторы.
Консолидация керамических материалов состоит из процессов формования и спекания. Различают три основные группы методов формования:
При переходе от прессования к пластичному формованию и шликерному литью увеличиваются возможности изготовления изделий сложной формы, однако усложняется процесс сушки изделий и удаления пластификаторов из керамического материала. Поэтому для изготовления изделий сравнительно простой формы предпочтение отдается прессованию, а более сложной - экструзии и шликерному литью.
При спекании отдельные частицы порошков превращаются в монолит и формируются окончательные свойства керамики. Процесс спекания сопровождается уменьшением пористости и усадкой.
При изготовлении керамических материалов применяют печи для спекания при атмосферном давлении, установки горячего изо- статического прессования (газостаты), прессы горячего прессования с усилием прессования до 1 500 кН. Температура спекания в зависимости от состава может составлять 2000...2 200 °С.
Часто применяют совмещенные методы консолидации, сочетающие формование со спеканием, а в некоторых случаях - синтез образующегося соединения с одновременным формованием и спеканием.
Обработка керамических материалов и контроль ее качества являются основными составляющими в балансе стоимости керамических изделий.
По некоторым данным, стоимость исходных материалов и консолидации составляет всего лишь 11 % (для металлов 43 %), в то время как на обработку приходится 38 % (для металлов 43 %), а на контроль 51 % (для металлов 14%).
К основным методам обработки керамических материалов относят термическую обработку и размерную обработку поверхности.
Термическую обработку керамических материалов производят с целью кристаллизации межзеренной стеклофазы. При этом на 20... 30 % повышаются твердость и вязкость разрушения материала.
Большинство керамических материалов с трудом поддаются механической обработке. Поэтому основным условием керамической технологии является получение при консолидации практически готовых изделий. Для доводки поверхностей керамических изделий применяют абразивную обработку алмазными кругами, электрохимическую, ультразвуковую и лазерную обработки. Эффективно применение защитных покрытий, позволяющих устранить мельчайшие поверхностные дефекты - неровности, риски и т.д.
Для контроля качества изготовления керамических деталей чаше всего используют рентгеновскую и ультразвуковую дефектоскопию.
Учитывая, что большинство керамических материалов имеет низкие вязкость и пластичность и соответственно низкую трещи- ностойкость, для аттестации изделий применяют методы механики разрушения с определением коэффициента интенсивности напряжений К к. Одновременно строят диаграмму, показывающую кинетику роста дефекта.
Количественно вязкость разрушения кристаллической керамики и стекла составляет примерно 1...2 МПа/м |/2 , в то время как для металлов значения /Г| С значительно выше (более 40 МПа/м |/2). Прочность химических межатомных связей, благодаря которой керамические материалы обладают высокой твердостью, химической и термической стойкостью, одновременно обусловливает их низкую способность к пластической деформации и склонность к хрупкому разрушению.
Возможны два подхода к повышению вязкости разрушения керамических материалов. Один из них, традиционный, связанный с совершенствованием способов измельчения и очистки порошков, их уплотнения и спекания. Второй подход состоит в торможении роста трещин под нагрузкой. Существуют несколько способов решения этой проблемы. Один из них основан на том, что в некоторых керамических материалах, например в диоксиде циркония Zr0 2 , под давлением происходит перестройка кристаллической структуры. Исходная тетрагональная структура Zr0 2 переходит в моноклинную, имеющую на 3...5% больший объем.
Расширяясь, зерна Zr0 2 сжимают трещину, и она теряет способность к распространению (рис. 2.1, а). При этом сопротивление хрупкому разрушению возрастает до 15 МПа/м |/2 .
Второй способ (рис. 2.1, б) состоит в создании композиционного материала введением в керамику волокон из более прочного
Рис. 2.1. Упрочнение конструкционной керамики включениями Zr0 2 (а), волокнами (б) и микротрещинами (в):
/ - тетрагональный Zr0 2 ; 2 - монолитный Zr0 2
керамического материала, например карбида кремния SiC. Развивающаяся трещина на своем пути встречает волокно и дальше не распространяется. Сопротивление разрушению стеклокерамики с волокнами SiC возрастает до 20 МПа/м |/2 , существенно приближаясь к соответствующим значениям для металлов.
Третий способ состоит в том, что с помощью специальных технологий весь керамический материал пронизывают микротрещинами (рис. 2.1, в). При встрече основной трещины с микротрещиной угол в острие трещины возрастает, происходит затупление трещины и она дальше не распространяется.
Определенный интерес представляет физико-химический способ повышения надежности керамических материалов. Он реализован для одного из наиболее перспективных керамических материалов на основе нитрида кремния Si 3 N 4 . Способ основан на образовании определенного стехиометрического состава твердых растворов оксидов металлов в нитриде кремния, получивших название сиалонов. Примером высокопрочной керамики, образующейся в этой системе, являются сиалоны состава Si^^Ai^Ng^O^, где х - число замещенных атомов кремния, азота в нитриде кремния, составляющее от 0 до 4,2. Важным свойством сиалоновой керамики является стойкость к окислению при высоких температурах, значительно более высокая, чем у нитрида кремния.
Свойства и применение керамических материалов. В современном машиностроении применение керамических материалов постоянно увеличивается. Они многообразны по химическому составу и физико-механическим характеристикам. Керамические материалы могут работать при высоких температурах - 1600... 2500°С (жаропрочные стали 800... I 200°С, молибден - 1 500 °С, вольфрам - 1 800 °С), они имеют плотность, в 2-3 раза меньшую, чем у жаропрочных материалов, твердость, близкую к твердости алмаза, отличные диэлектрические характеристики, высокую химическую стойкость. Запасы исходных материалов для производства керамики на земле неисчерпаемы. Из керамических материалов изготавливают детали газотурбинных и дизельных двигателей, тепловыделяющие элементы ядерных реакторов, легкую броню и элементы теплозащиты космических кораблей, тонкостенные поплавки и контейнеры для глубоководной техники, режущие пластины и оснастку для горячего деформирования металлов, плунжеры и уплотнительные кольца в насосах для перекачки агрессивных сред, элементы особоточных гироскопов и платы ЭВМ, подшипники, постоянные магниты и т.д.
Применение керамических материалов в автомобильных двигателях позволит поднять рабочую температуру в цилиндрах с I 200 до 1 600 °С, при этом сократить потери теплоты, снизить расход топлива, улучшить эксплуатационные характеристики. При изготовлении изделий из керамических материалов нельзя просто заменять металлические детали на керамические. Особо должны учитываться условия их работы и действующие нагрузки, поскольку все детали выполняются целиком и это может снизить прочность всей конструкции. Кроме того, она не имеет пластической деформации и обладает низкой ударной вязкостью.
Сформулированы основные требования, которые следует учитывать при проектировании керамических деталей.
В нагруженных зонах керамическая деталь не должна иметь концентраторов напряжений. Практически не используют в керамических конструкциях болтовые соединения, в них стараются не сверлить отверстия, делать уступы, проточки, чтобы избежать микротрещин. В местах контакта керамики с металлом устанавливают демпфирующие прокладки.
Металлические и керамические детали одного изделия должны иметь одинаковые ТКЛР, в противном случае предусматривают установку компенсационных прокладок, причем учитывают и переходные процессы, когда происходит нагрев или охлаждение.
Керамика имеет теплоемкость, в 2 раза большую, чем металл, что вызывает тепловые деформации и напряжения. Крайне желательно, чтобы температура керамической детали по всему объему была бы одинаковой. Наиболее благоприятно воспринимаются напряжения сжатия. При отсутствии нагрузки в керамических деталях не должны сохраняться остаточные напряжения его полимеризации.
В настоящее время используют керамические материалы на основе нитрида кремния - реакционно связанный, спеченный и горячепрессованный нитриды кремния с легирующими добавками. Реакционно связанный нитрид кремния имеет относительно низкую по сравнению с другими материалами прочность, но изготовленные из него детали сложного профиля дают стабильно малую усадку. Горячепрессованный нитрид кремния обладает максимальной прочностью. Свойства керамических материалов существенно зависят от рабочих параметров и технологии их изготовления. Разработаны составы керамик, которые по своим эксплуатационным характеристикам могут заменять жаропрочные стали, но разработки в области составов и технологии их получения продолжаются. Принципиальными недостатками керамических материалов являются их хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и маюй теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.
При температурах выше 1 ООО “С керамические материалы прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а их сопротивление ползучести и жаропрочность выше. К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.
Режущий керамический инструмент. Режущие керамические материалы характеризуют высокая твердость, в том числе при нагреве, износостойкость, химическая инертность к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамические материалы существенно превосходят традиционные режущие материалы - быстрорежущие стали и твердые сплавы (табл. 2.2).
Высокие свойства режущих керамических материалов позволили существенно повысить скорость механической обработки стали и чугуна (табл. 2.3).
Для изготовления режущего инструмента широко применяются керамические материалы на основе оксида алюминия с добав-
Табл и ца 2.2
Сравнительные значения свойств инструментальных материалов
ками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений - нитрида бора с кубической решеткой (р-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si 3 N 4 . Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения выпускаемые под названиями эльбор, боразон, композит 09 и другие, имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1 400 °С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.
Режущие керамические пластины используют для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.
Керамические двигатели. Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 - Т 2 /Т ь где T t и Т 2 - температура соответственно на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства. Чем выше температура Т и тем больше КПД.
Максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционные керамические материалы допускают применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому являются перспективными материалами для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществами керамических материалов являются низкая плотность и теплопроводность, повышен-
Табл и ца 2.3
Сравнительные значения скорости резания при точении керамическим инструментом и инструментом из твердого сплава
ные термо- и износостойкость. Кроме того, при использовании керамических материалов снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.
Вместе с тем в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относят проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми.
Наиболее эффективно применение керамических материалов для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.
Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1 300... 1 500 К, иметь предел прочности при изгибе о„ зг не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПам |/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяют керамические материалы на основе диоксида циркония Zr0 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводят в Японии и США. Японская фирма lsuzu Motors Ltd. освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, Nissan Motors Ltd. - крыльчатки турбокомпрессора, фирма Mazda Motors Ltd. - форкамеры и пальцев толкателя.
Компания Cammin Engine (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из Zr0 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30%.
Фирма lsuzu Motors Ltd. сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Автомобиль с таким двигателем развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30...50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.
Конструкционным керамическим материалом для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температуре до 1 670 К (в перспективе до 1 920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.
Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.
Керамические материалы специального назначения. К керамическим материалам специального назначения относят сверхпроводящую керамику, керамику для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.
Контейнеры для хранения радиоактивных отходов. Одним из сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров применяют керамические материалы на основе оксидов В 2 0 3 и карбидов бора В 4 С в смеси с оксидами свинца РЬО или соединениями типа 2РЬО PbS0 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам - нейтронам и у-квантам.
Ударопрочные броневые керамические материалы. Впервые эти материалы были использованы в авиации армии США во время войны во Вьетнаме. С тех пор непрерывно растет применение армиями разных стран брони из керамических материалов в комбинации с другими материалами для защиты сухопутных боевых машин, кораблей, самолетов и вертолетов. По разным оценкам рост применения броневой керамической защиты составляет около 5...7% в год. Одновременно наблюдается рост производства композиционной брони для индивидуальной защиты сил охраны правопорядка, обусловленный ростом преступности и актов терроризма.
По своей природе керамические материалы хрупкие. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамические материалы существенно прочнее металла.
Важными свойствами керамических материалов, обусловившими их применение в качестве брони, являются высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при плотности, меньшей плотности материалов в 2 - 3 раза. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамические материалы для бронепрожигающих снарядов.
В качестве критерия М пригодности материала для броневой защиты может быть использовано следующее соотношение:
где Е - модуль упругости, ГПа; Н к - твердость по Кнупу, ГПа; о„- предел прочности при растяжении, МПа; Т т - температура плавления, К; р - плотность, г/см 3 .
В табл. 2.4 приведены основные свойства широко применяемых броневых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали. Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживает высокая стоимость метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамические материалы из диборида титана, имеющие наибольшие твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.
Для массового производства керамических материалов наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Керамические материалы на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.
Поданным фирмы Morgan М. Ltd. (США), пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта
Таблица 2.4
Свойства ударопрочных керамических материалов
|
Материал |
Плотность |
Т вердость по Кнупу # к, ГПа |
Предел прочности при растяжении о в, МПа |
Модуль упругости Е, ГПа |
Температура плавления Т пл, К |
Критерий бронестой- кости Л/, (ГПа м) 3 - К/кг |
|
Горячепрессованный карбид бора В 4 С |
||||||
|
Горячепрессованный диборид титана TiB 2 |
||||||
|
Карбид кремния SiC |
||||||
|
Спеченный оксид алюминия А1 2 0 3 |
||||||
|
Броневая |
стальная броня должна иметь толщину 20 мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.
Наиболее эффективно применение композиционной брони, состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качестве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань в несколько слоев. Эффективно покрытие керамического слоя легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет. Конструкция керамической бронепанели показана на рис. 2.2. Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50x50 или ЮОх 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12 мм используют пластины из А1 2 0 3 толщиной 12 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм, находящихся на вооружении НАТО, - пластины из А1 2 0 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.
Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из А1 2 0 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AIN, TiB и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.
Керамические материалы в ракетно-космическом машиностроении. При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной тепловой защите. Материалы для тепловой защиты должны
Рис. 2.2.
а у б - составные элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в - фрагмент бронепанели, собранной из элементов а и б; I - бронебойная пуля калибром 12,7 мм; 2- пуля калибром 7,62 мм; 3 - защитное
покрытие частично снято обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.
Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования.
Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % Si0 2 и 6 % В 2 0 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при температуре 1 470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и сверхзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1 670 К. Варианты системы керамической тепловой защиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рис. 2.3.
Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.
Радиопрозрачные керамические материалы. Для развития современной радио-, электронной и вычислительной техники необходимы материалы на основе оксида алюминия, нитридов бора, кремния, имеющие рабочую температуру до 3 000°С, обладающие стабильными значениями диэлектрической проницаемости и малыми диэлектрическими потерями с тангенсом угла диэлектрических потерь tg 8 = 0,0001 ...0,0002.
К таким материалам относят чистый оксид алюминия, горячепрессованный нитрид бора, керамические материалы ТСМ 303 и АРП-3, спеченный нитрид бора, ситалл Д-2, кварцевые керамические материалы, чистый нитрид кремния и др.
Радиопрозрачные материалы должны обладать комплексом свойств: стабильностью диэлектрических характеристик во всем диапазоне рабочих температур, термостойкостью, эрозионной
Рис. 2.3.
/ - керамический материал на основе SiC или SijN 4 ; 2 - теплоизоляция; 3 - спеченный керамический материал
стойкостью, высоким качеством поверхности, стойкостью к ионизирующим излучениям и др. Они выполняют роль конструкционного материала, из которого изготавливают несущие радиопроз- рачные элементы конструкций. Поскольку пористость оксидных керамик можно варьировать в пределах 0...90 %, это позволяет из одного и того же оксида получать материалы, принципиально отличающиеся по свойствам.
Материалы, получаемые методом структурирования, например из диоксида циркония, вообще не разрушаются при воздействии теплового потока любой интенсивности.
Примером структурирования является также получение си- таллов, в которых подбирают оптимальное соотношение кристаллической и аморфной фаз. Изменяя химический состав и структуру, можно получить целые классы ситаллов с заданными свойствами.
Другим направлением при производстве радиопрозрачных материалов является использование легирующих добавок. В частности, введение в оксид алюминия нескольких процентов оксидов магния и бора в 2 - 3 раза повышает его термостойкость и ударную вязкость при нулевом влагопоглощении. Введение в кварцевый керамический материал 2...5 % оксида хрома в 2-3 раза повышает интегральную степень черноты и в 2 раза замедляет затухание радиосигнала при высоких температурах.
Третьим направлением развития радиопрозрачных материалов является разработка нитридных материалов и композиций на их основе, в частности нитридов бора, кремния и алюминия.
Нитрид бора обладает лучшими диэлектрическими характеристиками из всех известных в настоящее время материалов, работающих при температуре до 2 000 °С, хотя имеет сравнительно низкие прочность и твердость. На его основе изготавливают, например, сибонит, содержащий нитрид бора и диоксид кремния. Изменяя их соотношение и дисперсность, можно получить ряд новых материалов, сочетающих достоинства нитрида бора и кварцевой керамики.
Последнее направление развития радиопрозрачных материалов - создание композиционных материалов, в частности керамических материалов, пропитанных органическими и неорганическим веществами, смолами и солями. Они сочетают в себе хорошие диэлектрические свойства при высоких температурах благодаря использованию керамической основы и высокие прочность и ударную вязкость благодаря связующему.
В зависимости от назначения и эксплуатационных характеристик изделия для него разрабатывают соответствующие радиопроз- рачные керамические материалы. Диэлектрическая проницаемость кварцевых керамических материалов монотонно возрастает с ростом температуры до 1 500 °С, а в диапазоне 1 500... 1 700 °С она резко
увеличивается на 18%, что связано с плавлением материала, сопровождающимся повышением его плотности до теоретического значения (2 210 кг/м 3 при 20 °С). После расплавления материал остается радиопрозрачным и его диэлектрическая проницаемость возрастает до 4,3 при температуре 2 500 °С. Поскольку по условиям работы изменение не должно превышать 10%, то кварцевые керамические материалы пригодны для рабочих температур до 1 350 °С, а оксид алюминия - до 815 °С. При увеличении пористости по объему от 5 до 20 % диэлектрическая проницаемость уменьшается прямо пропорционально уменьшению плотности керамики. Тангенс угла диэлектрических потерь tg 6 кварцевых керамических материалов составляет при комнатной температуре 0,0002 - 0,0004 на частоте Ю 10 Гц. При увеличении температуры до 1 000 °С tg 6 возрастает до 0,005.
Нитрид бора является пока единственным материалом, tg5 которого при температуре до 1 500 °С остается ниже 0,001. Причем изменение tg8 спеченного нитрида бора в диапазоне 20... 1 350 ”С не превышает 3%, для кварцевых керамических материалов эта величина равна 10%.
Освоена технология синтеза высокоактивного порошка нитрида бора, способного к спеканию при температурах выше 1 600 °С с образованием достаточно прочных заготовок. Такие материалы имеют примеси до 1 % и обладают изотропной структурой. Они являются хорошими изоляторами - удельное объемное сопротивление при комнатной температуре не менее 1 10 14 Ом см. Под действием импульса ядерного излучения tg 8 в нитриде бора возрастает до 0,01, а в кварцевой керамике не изменяется. Благодаря отличной термостойкости спеченный нитрид бора используется как конструкционный материал, хотя и имеет достаточно низкую прочность.
Материалы на основе нитрида бора, особенно горячепрессованные, имеют высокую теплопроводность, в то время как кварцевые керамические материалы ближе к теплоизоляторам. Ее теплопроводность в зависимости от пористости колеблется при температуре 600...700 К в пределах 0,2... 1,0 Вт/(м К). Высокая теплопроводность может быть и достоинством материала (чем выше теплопроводность, тем меньше тепловые напряжения), и недостатком, если радиопрозрачный материал выполняет и теплозащитные функции. У материалов на основе нитрида бора и алюмо- оксидных керамических материалов теплопроводность снижается по мере роста температуры.
Для кварцевых керамических материалов и ситалла Д-2 решающее значение имеет стеклообразная, аморфная фаза.
Оптимальное конструирование изделий, работающих на земле, в воде, в воздухе и космосе, позволяет более широко использовать радиопрозрачные материалы.
Керамика - неорганические поликристаллические материалы, получаемые из сформованных минеральных масс (глины и их смеси с минеральными добавками) в процессе высокотемпературного спекания.
Состав керамики образован многокомпонентной системой, включающей:
Свойства керамики определяются ее составом, структурой и пористостью. Керамику классифицируют по вещественному составу, составу кристаллической фазы, структуре и назначению.
По вещественному составу разновидностями керамики является фаянс, полуфарфор, фарфор, терракота, керметы, корундовая и сверхтвердая керамика и так называемая каменная масса.
По составу кристаллической фазы различают керамику из чистых оксидов и бескислородную.
По структуре керамика делится на плотную и пористую . Пористые керамики поглощают более 5% воды, а плотные - 1…4% по массе или 2..8% по объему. Пористую структуру имеют кирпич, блоки, черепица, дренажные трубы и др.; плотную - плитки для полов, канализационные трубы, санитарно-технические изделия.
Керамику классифицируют по характеру строения, степени спекания (плотности) черепка, типам, видам и разновидности, наличию глазури.
По характеру строения керамику подразделяют на грубую и тонкую . Изделия грубой керамики (гончарные изделия, кирпич, черепица) имеют пористый крупнозернистый черепок неоднородной структуры, окрашенный естественными примесями в желтовато-коричневые цвета.
Тонкокерамические изделия отличаются тонкозернистым белым или светлоокрашенным, спекшимся или мелкопористым черепком однородной структуры.
По степени спекания (плотности) черепка различают керамические изделия плотные, спекшиеся с водопоглощением менее 5% - фарфор, тонкокаменные изделия, полуфарфор и пористые с водопоглощением более 5% - фаянс, майолика, гончарные изделия.
Типы, виды и разновидности керамических изделий
Основные типы керамики - фарфор, тонкокерамические изделия, полуфарфор, фаянс, майолика, гончарная керамика .
Тип керамики определяется характером используемых материалов, их обработкой, особенно тонкостью помола, составом масс и глазурей, температурой и длительностью обжига. В состав масс всех типов керамики входят пластичные глинистые вещества (глина, каолин), отощающие материалы (кварц, кварцевый песок), плавни (полевой шпат, пегматит, перлит, костяная зола и др.) При обжиге отформованных изделий в результате сложных физико-химических превращений и взаимодействий компонентов масс и глазурей, формируется их структура. Структура черепка неоднородна и состоит из кристаллической, стекловидной и газовой фаз.
Кристаллическая фаза образуется при разложении и преобразовании глинистых веществ и других компонентов массы. Кристаллическая фаза и особенно муллит придают черепку прочность, термическую и химическую устойчивость.
Стекловидная фаза возникает за счет расплавления плавней и частично других компонентов. Она соединяет частицы массы, заполняет поры, повышая плотность черепка; в количестве до 45 - 50% увеличивает прочность изделий, при большем содержании - вызывает хрупкость изделий, снижает их термостойкость. Стекловидная фаза способствует уменьшению водопоглощения, обуславливает просвечиваемость черепка.
Газовая фаза (открытые и замкнутые поры) оказывает неблагоприятное влияние на физико-химические свойства изделий; снижает прочность, термическую и химическую устойчивость, вызывает водопоглощение и водопроницаемость черепка.
Различие между отдельными типами керамики обусловлено спецификой их внутренней структуры, то есть составом и соотношением отдельных фаз, составом и структурой глазури.
Свойства керамики
Керамические изделия и материалы классифицируют по назначению и свойствам, по основному используемому сырью или фазовому составу спекшейся керамики. В зависимости от состава сырья и температуры обжига керамические изделия подразделяют на 2 класса: полностью спекшиеся, плотные, блестящие в изломе изделия с водопоглощением не выше 0,5% и пористые, частично спекшиеся изделия с водопоглощением до 15%. Различают грубую керамику, имеющую крупнозернистую, неоднородную в изломе структуру (например, строительный и шамотный кирпич), и тонкую керамику с однородным, мелкозернистым в изломе и равномерно окрашенным черепком (например, фарфор, фаянс). Основным сырьём в керамической промышленности являются глины и каолины вследствие их широкого распространения и ценных технологических свойств. Важнейшим компонентом исходной массы при производстве тонкой керамики являются полевые шпаты (главным образом микролин) и кварц. Полевые шпаты, особенно чистых сортов, и их сростки с кварцем добываются из пегматитов. Во все возрастающих количествах кварцево-полевошпатовое сырье добывается из разнообразных горных пород путем обогащения и очистки от вредных минеральных примесей.
По способу приготовления керамические массы подразделяют на порошкообразные, пластичные и жидкие. Порошкообразные керамические массы представляют собой увлажнённую или с добавкой органических связок и пластификаторов смесь измельченных и смешанных в сухом состоянии исходных минеральных компонентов. Перемешиванием глин и каолинов с отстающими добавками во влажном состоянии (18--26% воды по массе) получают пластические формовочные массы, которые при дальнейшем увеличении содержания воды и с добавкой электролитов (пептизаторов) превращаются в жидкие керамические массы (суспензии) -- литейные шликеры. В производстве фарфора, фаянса и некоторых других видов керамики пластичную формовочную массу получают из шликера частичным обезвоживанием его в фильтр-прессах с последующей гомогенизацией в вакуумных массомялках и шнековых прессах. При изготовлении некоторых видов технической керамики литейный шликер приготовляют без глин и каолинов, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластические и поверхностно-активные вещества (например, парафин, воск, олеиновую кислоту), которые потом удаляются предварительным низкотемпературным обжигом изделий.
Выбор метода формования керамики определяется в основном формой изделий. Изделия простой формы -- огнеупорный кирпич, облицовочные плитки -- прессуются из порошкообразных масс в стальных пресс-формах на механических и гидравлических пресс-автоматах. Стеновые стройматериалы -- кирпич, пустотелые и облицовочные блоки, черепица, канализационные и дренажные трубы и т.д. -- формуются из пластичных масс в шнековых вакуумных прессах выдавливанием бруса через профильные мундштуки. Изделия или заготовки заданной длины отрезают от бруса автоматами, синхронизированными с работой прессов. Хозяйственный фарфор и фаянс формуются преимущественно из пластичных масс в гипсовых формах на полуавтоматах и автоматах. Санитарно-строительная керамика сложной конфигурации отливается в гипсовых формах из керамического шликера на механизированных конвейерных линиях. Радио- и пьезо- керамика, керметы и другие виды технической керамики в зависимости от их размеров и формы изготовляются главным образом прессованием из порошкообразных масс или отливкой из парафинового шликера в стальных пресс-формах.
Заформованные тем или иным способом изделия подвергаются сушке в камерных, туннельных или конвейерных сушилках.
Обжиг керамики является самым важным технологическим процессом, обеспечивающим заданную степень спекания. Точным соблюдением режима обжига обеспечиваются необходимый фазовый состав, и все важнейшие свойства керамики. За редким исключением спекание кристаллических фаз протекает с участием жидких фаз, образующихся из эвтектических расплавов. В зависимости от состава керамической массы и температуры обжига в фарфоровых, стеатитовых и других плотно спекшихся изделиях содержание жидкой фазы в процессе спекания достигает 40--50% по массе и более. Силами поверхностного натяжения, возникающими на границе жидкой и твёрдой фаз, зёрна кристаллических фаз (например, кварца в фарфоре) сближаются, а газы, распределённые между ними, вытесняются из капилляров. В результате спекания размеры изделий уменьшаются, возрастают их механическая прочность и плотность. Спекание некоторых видов технической керамики (например, корундовой, бериллиевой, циркониевой) осуществляется без участия жидкой фазы в результате объемной диффузии и пластического течения, сопровождающихся ростом кристаллов. Спекание в твердых фазах происходит при использовании весьма чистых материалов и при более высоких температурах, чем спекание с участием жидкой фазы, и потому получило распространение лишь в производстве технической керамики на основе чистых окислов и тому подобных материалов. В соответствии с комплексом предъявляемых требований степень спекания разных видов керамики колеблется в широких пределах. Изделия из электрофарфора, фарфора, фаянса и других видов тонкой керамики покрываются перед обжигом глазурью, которая при высоких температурах обжига (1000--1400 °C), плавится, образуя стекловидный водо- и газонепроницаемый слой. Глазурированием повышают технические и декоративно-художественные свойства керамики. Массивные изделия глазуруются после сушки и обжигаются в один прием. Тонкостенные изделия перед глазуровкой во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварительному обжигу. В некоторых керамических производствах неглазурованная поверхность обожжённых изделий шлифуется абразивными порошками или абразивным инструментом. Изделия хозяйственной керамики украшаются керамическими красками, декалькоманией и золотом.
Таблица 1. Классификация керамических изделий
|
Назначение |
Тип керамики |
Исходные материалы |
Температура обжига, 0C |
|
|
Класс пористых, частично спекшихся изделий с водовопоглощением до 15% |
||||
|
Строительная керамика: |
||||
|
стеновые материалы |
Высокопористая, грубозернистая |
Глина, песок и др. отощающие материалы |
Глиняный кирпич и пустотелые блоки |
|
|
кровельные материалы |
Глина и песок |
Черепица |
||
|
облицовочные материалы |
Пластичные и пироплавкие глины шамот, кварцевый песок, полевой шпат, тальк, каолин |
Облицовочные фасадные плитки и блоки, терракота, плитки метлахские, мозаичные, глазурованные фаянсовые и др. |
||
|
санитарно-технические изделия |
Фаянс, полуфарфор |
Глина, каолин, кварцевый песок |
Оборудование санитарных узлов |
|
|
Фаянс, полуфарфор, майолика |
Глина, каолин, кварцевый песок, полевой шпат |
Столовая и чайная посуда, художественно-декоративные изделия |
||
|
Огнеупорная керамика |
Алюмосиликатная, кремнеземистая, магнезиальная, хромистая, цирконовая и др. |
Огнеупорная глина, каолин, шамот, кварциты, известь, доломит, магнезит, высокоогнеупорные окислы и др. |
Кирпичи и блоки, применяемые при сооружении печей, топок и др. |
|
|
Класс полностью спекшихся, блестящих в изломе изделий с водопоглощением не выше 0,5% |
||||
|
Техническая керамика: |
||||
|
электротехническая (для токов промышленной и высокой частоты) |
Муллитовая, корундовая, стеатитовая, кордиеритовая, на основе чистых окислов, электрофарфор |
Глина, каолин, андалузит, глинозем, полевой шпат, циркон, цирконосиликаты и др. |
Изоляторы, чехлы для термопар, вакуумплотные колбы, термостойкие детали для печей и др. |
|
|
кислотоупорная |
"Каменная", кислотоупорный фарфор |
Беложгущиеся глины и каолин, кварц, полевой шпат, циркон, цирконосиликаты и др. |
Сосуды для хранения кислот и щелочей, аппаратура химических заводов, посуда и др. |
|
|
Бытовая и художественно-декоративная керамика |
Твердый и мягкий хозяйственный фарфор |
Беложгущиеся глины и каолин, кварц, полевой шпат |
Столовая и чайная посуда, статуэтки, вазы и др. |
|
|
Санитарно-строительные изделия |
Низкотемпературный фарфор |
Глина, каолин, полевой шпат, кварцевый песок |
Умывальные столы, унитазы и др. |
Грубокерамические материалы
Крупнопористые крупнозернистые керамические материалы применяются для изготовления крупногабаритных изделий в строительстве, архитектуре малых форм и т. п. Эти сорта выдерживают высокие температуры и термические колебания. Их пластичность зависит от содержания в породе кварца и алюминия (кремнезема и глинозема. -- Ред.). В общей структуре много глинозема с высоким содержанием шамота. Температура плавления колеблется от 1440 до 1600 °С. Материал хорошо спекается и дает незначительную усадку, поэтому используется для создания больших объектов и крупноформатных настенных панно. При изготовлении художественных объектов не следует превышать температуру в1300°С.
Каменная керамическая масса
Основу этого сырья составляют шамот, кварц, каолин и полевой шпат. Во влажном состоянии оно имеет черно-коричневый цвет, а после сырого обжига -- цвет слоновой кости. При нанесении глазури каменная керамика превращается в прочное, водостойкое и несгораемое изделие. Она бывает очень тонкой, непрозрачной или в виде однородной, плотно спекшейся массы. Рекомендуемая температура обжига: 1100-1300 °С. При ее нарушении глина может рассыпаться. Материал используют в различных технологиях изготовления гончарных изделий из пластинчатой глины и для моделирования. Отличают изделия из красной глины и каменную керамику в зависимости от их технических свойств.
Пористая керамическая масса
Глина для керамики представляет собой белую массу с умеренным содержанием кальция и повышенной пористостью. Ее натуральный цвет -- от чисто-белого до зеленовато-коричневого. Обжигается при низких температурах. Рекомендуется необожженная глина, так как для некоторых глазурей однократного обжига недостаточно.
Техническая керамика
К технической керамике относятся электро- и радиотехническая керамика, керметы, абразивные керамические материалы, пенокерамика и другие.
По электрическим свойствам керамику подразделяют на собственно электротехническую, применяемую при частотах до 20000 Гц, и радиотехническую, используемую преимущественно при высоких (более 20000 Гц) частотах.
Электротехническая керамика по области применения делится на изоляторную (установочную), конденсаторную (сегнетоэлектрики) и пьезокерамику, проведение экспертизы качества.
Изоляторная керамика должна иметь низкие потери, хорошие электроизоляционные свойства и прочность. Изоляторная керамика должна иметь большую диэлектрическую проницаемость, малые потери и температурный коэффициент. Основу конденсаторной низкочастотной сегнетокерамики составляют твердые растворы титанатов бария, кальция, циркония и станнатов кальция и магния и др. Использование конденсаторной керамики увеличивает надежность работы и теплостойкость конденсаторов и уменьшает их размеры.
Пьезокерамика - керамические материалы с пьезоэлектрическими свойствами. Структура пьезокерамики - твердые растворы на основе титанита бария, ниобата бария и ниобата и титаната свинца.
Абразивные керамические материалы (абразивы) - вещества повышенной твердости, применяемые в массивном или измельченном состоянии для механической обработки других материалов. Естественные абразивные материалы - кремень, наждак, пемза, корунд, гранат, алмаз и др.; искусственные абразивные материалы - электрокорунд, карбид кремния, боразон, эльбор, синтетический алмаз и др. По убыванию абразивной способности эти материалы располагаются так: синтетический алмаз, кубический нитрид бора, карбид кремния, карбид титана и электрокорунд. В настоящее время разрабатываются новые абразивные материалы на основе боридов и карбидов переходных металлов, а также типа белбора.
Основные характеристики абразивных материалов: твердость. Прочность и износ, размер и форма абразивного зерна, абразивная способность, зернистость. С увеличением прочности этих материалов улучшается сопротивляемость усилиям резания, так как сопротивление сжатию у них в несколько раз больше, чем сопротивление растяжению. Прочность абразивных материалов на растяжение и сжатие снижается с повышением температуры шлифования.
Измельченный и классифицированный абразивный материал называют шлифовальным. Зернистость шлифовальных материалов определяется размером абразивных зерен, т.е. группой материалов по ГОСТ 3647-80: шлифзерно, шлифпорошки, микрошлифпопрошки и тонкие микрошлифпорошки. Обозначение зернистости дополняют индексами В, П, Н и Д, которые характеризуют процентное содержание (массовую долю) основной фракции (36…60%).
Абразивные керамические материалы используются как в несвязанном виде (порошки, пасты, суспензии), так и в связанном (бруски, шлифовальные шкурки, круги, головки и др.).
Принципиальными недостатками керамики являются ее хрупкость и сложность обработки. Керамические материалы плохо работают в условиях механических или термических ударов, а также при циклических условиях нагружения. Им свойственна высокая чувствительность к надрезам. В то же время керамические материалы обладают высокой жаропрочностью, превосходной коррозионной стойкостью и малой теплопроводностью, что позволяет с успехом использовать их в качестве элементов тепловой защиты.
При температурах выше 1000°С керамика прочнее любых сплавов, в том числе и суперсплавов, а ее сопротивление ползучести и жаропрочность выше.
К основным областям применения керамических материалов относятся режущий инструмент, детали двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей и др.
Режущий керамический инструмент . Режущая керамика характеризуется высокой твердостью, в том числе при нагреве, износостойкостью, химической инертностью к большинству металлов в процессе резания. По комплексу этих свойств керамика существенно превосходит традиционные режущие материалы – быстрорежущие стали и твердые сплавы (таблица 14.2).
Высокие свойства режущей керамики позволили существенно повысить скорости механической обработки стали и чугуна (таблица 14.3).
Для изготовления режущего инструмента широко применяется керамика на основе оксида алюминия с добавками диоксида циркония, карбидов и нитридов титана, а также на основе бескислородных соединений – нитрида бора с кубической решеткой (-BN), обычно называемого кубическим нитридом бора, и нитрида кремния Si 3 N 4 . Режущие элементы на основе кубического нитрида бора в зависимости от технологии получения, выпускаемые под названиями эльбор, боразон , композит 09 и др., имеют твердость, близкую к твердости алмазного инструмента, и сохраняют устойчивость к нагреву на воздухе до 1300 – 1400°С. В отличие от алмазного инструмента кубический нитрид бора химически инертен по отношению к сплавам на основе железа. Его можно использовать для чернового и чистового точения закаленных сталей и чугунов практически любой твердости.
Состав и свойства основных марок режущей керамики приведены в таблице 14.4.
Режущие керамические пластины используются для оснащения различных фрез, токарных резцов, расточных головок, специального инструмента.
Керамические двигатели . Из второго закона термодинамики следует, что для повышения КПД любого термодинамического процесса необходимо повышать температуру на входе в энергетическое преобразовательное устройство: КПД = 1 – T 2 /Т 1 , где Т 1 и Т 2 – температуры на входе и выходе энергетического преобразовательного устройства соответственно. Чем выше температура T 1 тем больше КПД. Однако максимально допустимые температуры определяются теплостойкостью материала. Конструкционная керамика допускает применение более высоких температур по сравнению с металлом и поэтому является перспективным материалом для двигателей внутреннего сгорания и газотурбинных двигателей. Помимо более высокого КПД двигателей за счет повышения рабочей температуры преимуществом керамики является низкая плотность и теплопроводность, повышенная термо- и износостойкость. Кроме того, при ее использовании снижаются или отпадают расходы на систему охлаждения.
Вместе с тем следует отметить, что в технологии изготовления керамических двигателей остается ряд нерешенных проблем. К ним прежде всего относятся проблемы обеспечения надежности, стойкости к термическим ударам, разработки методов соединения керамических деталей с металлическими и пластмассовыми. Наиболее эффективно применение керамики для изготовления дизельных адиабатных поршневых двигателей, имеющих керамическую изоляцию, и высокотемпературных газотурбинных двигателей.
Конструкционные материалы адиабатных двигателей должны быть устойчивы в области рабочих температур 1300 – 1500 К, иметь прочность при изгибе не менее 800 МПа и коэффициент интенсивности напряжений не менее 8 МПа м 1/2 . Этим требованиям в наибольшей мере удовлетворяет керамика на основе диоксида циркония ZrO 2 и нитрида кремния. Наиболее широко работы по керамическим двигателям проводятся в Японии и США. Японская фирма «Isuzu Motors Ltd» освоила изготовление форкамеры и клапанного механизма адиабатного двигателя, «Nissan Motors Ltd» – крыльчатки турбокомпрессора, фирма «Mazda Motors Ltd» – форкамеры и пальца толкателя.
Компания «Cammin Engine» (США) освоила альтернативный вариант двигателя грузовика с плазменными покрытиями из ZrO 2 , нанесенными на днище поршня, внутреннюю поверхность цилиндра, впускные и выпускные каналы. Экономия топлива на 100 км пути составила более 30 %.
Фирма «Isuzu» (Япония) сообщила об успешной разработке керамического двигателя, работающего на бензине и дизельном топливе. Двигатель развивает скорость до 150 км/ч, коэффициент полноты сгорания топлива на 30 – 50% выше, чем у обычных двигателей, а масса на 30 % меньше.
Конструкционной керамике для газотурбинных двигателей в отличие от адиабатного двигателя не требуется низкая теплопроводность. Учитывая, что керамические детали газотурбинных двигателей работают при более высоких температурах, они должны сохранять прочность на уровне 600 МПа при температурах до 1470 – 1670 К (в перспективе до 1770 – 1920 К) при пластической деформации не более 1 % за 500 ч работы. В качестве материала для таких ответственных деталей газотурбинных двигателей, как камера сгорания, детали клапанов, ротор турбокомпрессора, статор, используют нитриды и карбиды кремния, имеющие высокую теплостойкость.
Повышение тактико-технических характеристик авиационных двигателей невозможно без применения керамических материалов.
Керамика специального назначения . К керамике специального назначения относятся сверхпроводящая керамика, керамика для изготовления контейнеров с радиоактивными отходами, броневой защиты военной техники и тепловой защиты головных частей ракет и космических кораблей.
Контейнеры для хранения радиоактивных отходов . Одним из сдерживающих факторов развития ядерной энергетики является сложность захоронения радиоактивных отходов. Для изготовления контейнеров применяют керамику на основе оксида В 2 О 3 и карбида бора В4С в смеси с оксидом свинца РbО или соединениями типа 2РbО PbSO 4 . После спекания такие смеси образуют плотную керамику с малой пористостью. Она характеризуется сильной поглощающей способностью по отношению к ядерным частицам – нейтронам и -квантам.
Ударопрочная броневая керамика . По своей природе керамические материалы являются хрупкими. Однако при высокой скорости нагружения, например в случае взрывного удара, когда эта скорость превышает скорость движения дислокаций в металле, пластические свойства металлов не будут играть никакой роли и металл будет таким же хрупким, как и керамика. В этом конкретном случае керамика существенно прочнее металла.
Важными свойствами керамических материалов, обусловивших их применение в качестве брони, является высокие твердость, модуль упругости, температура плавления (разложения) при в 2 – 3 раза меньшей плотности. Сохранение прочности при нагреве позволяет использовать керамику для защиты от бронепрожигающих снарядов.
В качестве критерия пригодности материала для броневой защиты М может быть использовано следующее соотношение:
где Е – модуль упругости, ГПа; Н к – твердость по Кнупу, ГПа; – предел прочности, МПа; Т пл – температура плавления, К; – плотность, г/см 3 .
В таблице 14.5 приведены основные свойства широко применяемых броневых керамических материалов в сравнении со свойствами броневой стали.
Наиболее высокие защитные свойства имеют материалы на основе карбида бора. Их массовое применение сдерживается высокой стоимостью метода прессования. Поэтому плитки из карбида бора используют при необходимости существенного снижения массы броневой защиты, например для защиты кресел и автоматических систем управления вертолетов, экипажа и десанта. Керамику из диборида титана, имеющую наибольшую твердость и модуль упругости, применяют для защиты от тяжелых бронебойных и бронепрожигающих танковых снарядов.
Для массового производства керамики наиболее перспективен сравнительно дешевый оксид алюминия. Керамику на его основе используют для защиты живой силы, сухопутной и морской военной техники.
По данным фирмы «Morgan M. Ltd» (США), пластина из карбида бора толщиной 6,5 мм или из оксида алюминия толщиной 8 мм останавливает пулю калибром 7,62 мм, летящую со скоростью более 800 м/с при выстреле в упор. Для достижения того же эффекта стальная броня должна иметь толщину 10 мм, при этом масса ее будет в 4 раза больше, чем у керамической.
Наиболее эффективно применение композиционной брони, состоящей из нескольких разнородных слоев. Наружный керамический слой воспринимает основную ударную и тепловую нагрузку, дробится на мелкие частицы и рассеивает кинетическую энергию снаряда. Остаточная кинетическая энергия снаряда поглощается упругой деформацией подложки, в качестве которой может использоваться сталь, дюралюминий или кевларовая ткань в несколько слоев. Эффективно покрытие керамики легкоплавким инертным материалом, играющим роль своеобразной смазки и несколько изменяющим направление летящего снаряда, что обеспечивает рикошет.
Конструкция керамической брони показана на рисунке 14.2.
Рисунок 14.2 – Конструкция керамической бронепанели: а, б – составляющие элементы бронепанели для защиты от бронебойных пуль разного калибра; в – фрагмент бронепанели, собранный из элементов а и б; 1 – бронебойная пуля калибра 12,7 мм; 2 – пуля калибра 7,62 мм; 3 – защитное покрытие частично снято
Бронепанель состоит из отдельных последовательно соединенных керамических пластин размером 50 * 50 или 100 * 100 мм. Для защиты от бронебойных пуль калибром 12,6 мм используют пластины из Аl 2 О 3 толщиной 15 мм и 35 слоев кевлара, а от пуль калибром 7,62 мм – пластины из Аl 2 О 3 толщиной 6 мм и 12 слоев кевлара.
Во время войны в Персидском заливе широкое использование армией США керамической брони из Аl 2 О 3 , SiC и В 4 С показало ее высокую эффективность. Для броневой защиты также перспективно применение материалов на основе AlN, TiB 2 и полиамидных смол, армированных керамическими волокнами.
Керамика в ракетно-космическом машиностроении . При полете в плотных слоях атмосферы головные части ракет, космических кораблей, кораблей многоразового использования, нагреваемые до высокой температуры, нуждаются в надежной теплозащите.
Материалы для тепловой защиты должны обладать высокой теплостойкостью и прочностью в сочетании с минимальными значениями коэффициента термического расширения, теплопроводности и плотности.
Исследовательский центр НАСА США (NASA Ames Research Centre) разработал составы теплозащитных волокнистых керамических плит, предназначенных для космических кораблей многоразового использования. Свойства плит ряда составов приведены в таблице 14.6. Средний диаметр волокон 3 – 11 мкм.
Для повышения прочности, отражательной способности и абляционных характеристик внешней поверхности теплозащитных материалов их покрывают слоем эмали толщиной около 300 мкм. Эмаль, содержащую SiC или 94 % SiO 2 и 6 % В 2 О 3 , в виде шликера наносят на поверхность, а затем подвергают спеканию при 1470 К. Плиты с покрытиями используют в наиболее нагреваемых местах космических кораблей, баллистических ракет и гиперзвуковых самолетов. Они выдерживают до 500 десятиминутных нагревов в электродуговой плазме при температуре 1670 К. Варианты системы керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов приведены на рисунке 14.3.
Рисунок 14.3 – Система керамической теплозащиты лобовых поверхностей летательных аппаратов для температур от 1250 до 1700 о С: 1 – керамика на основе SiC или Si 3 N 4 ; 2 – теплоизоляция; 3 – спеченная керамика
Высокопористый волокнистый слой теплоизоляции на основе FRCI, АЕТВ или HTR защищен облицовкой из слоя карбида кремния. Облицовочный слой предохраняет теплоизолирующий слой от абляционного и эрозионного разрушения и воспринимает основную тепловую нагрузку.
К атегория: Материалы для строительства
Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формования, сушки и последующего обжига. Производство керамических материалов - одно из самых древних и распространенных, возникло оно за несколько тысячелетий до н. э.
Положительными свойствами керамических материалов являются высокая прочность, долговечность, высокие теплотехнические свойства, простота изготовления, а также повсеместное распространение сырья для их производства. К отрицательным свойствам относят их хрупкость, сравнительно большую объемную массу и неин- дустриальность из-за малых размеров штучных керамических материалов.
Классификация керамических материалов и изделий. В основу классификации положены назначение, структура обожженного материала и качество исходного сырья. По назначению керамические материалы и изделия разделяют на стеновые (кирпич, камни пустотелые); кровельные (черепица); теплоизоляционные (керамзит, аглопорит); облицовочные (плитки, кирпич, камни); трубы (канализационные, дренажные); санитарно-техпические (умывальники, раковины и др.); для полов (плитки); дорожные (клинкер); огнеупорные и кислотоупорные изделия.
По структуре образующегося после обжига черепка все керамические строительные материалы делятся на пористые и плотные. Пористые материалы характеризуются водопоглощением 5% и более, плотные - менее 5%.
Керамические изделия могут быть глазурованными и неглазурованными. Глазури придают изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества- По качеству сырья керамические материалы и изделия разделяют на грубые, тонкие и огнеупорные.
Сырьевые материалы. Основным сырьем для изготовления керамических материалов и изделий являются глины. В зависимости от кирпича. Пустотелый кирпич пластичного прессования (ГОСТ 6316-74) имеет в этом отношении преимущества перед обыкновенным кирпичом, так как наличие пустот повышает его теплоизоляционные свойства. По объемной массе кирпич разделяют на два класса: А - массой не более 1300 кг/м3 и Б - 1300-1450 кг/м3.
Кирпич из трепелов и диатомитов выпускают способом пластичного и полусухого прессования. В зависимости от объемной массы делится на три класса: А - 700-1000 кг/м3, Б - 1000-1300 кг/м3, В - более 1300 кг/м3.
Рис. 1. Камни керамические пустотелые а - двойной высоты; б - укрупненный целый и половинка
Шлаковый кирпич изготовляют способом полусухого прессования с объемной массой 1400 кг/м3.
Керамические пустотелые камни пластичного формования (рис. 1) выпускают размером 250 X 120 X 138 мм и укрупненные - 250 X 250 X 138 мм (ГОСТ 6316-74). Камни А имеют объемную массу брутто не более 1350 кг/м3, камни Б - до 1450 кг/м3. По пределу прочности при сжатии керамические камни разделяют на четыре марки: 75, 100, 125 и 150. ЕЬдопоглощение должно быть не менее 6%; морозостойкость - не менее 15 циклов.
Кровельная черепица - керамический материал, получаемый из легкоплавких глин путем прессования сырца, его сушки и последующего обжига. В настоящее время керамические заводы выпускают черепицу: пазовую штампованную, пазовую ленточную, плоскую ленточную и коньковую. Черепица - долговечный и высококачественный материал, но в связи с большой объемной массой и хрупкостью ее сейчас сравнительно редко применяют и в основном только для кровель одноэтажных жилых и сельскохозяйственных зданий.
Теплоизоляционные керамические материалы. К таким материалам относятся: керамзит, аглотарит, диатомит, трепел, перлит вспученный.
Керамзит представляет собой легкий пористый материал в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород, способных вспучиваться при температуре 1050-1300° С. Керамзит обжигают во вращающихся печах диаметром 1,2-2,5 м и длиной 12-40 м. Качество керамзитового гравия характеризуется размером его зерен, объемной массой и прочностью. По размеру зерен керамзитовый гравий делят на фракцию: 5-10, 10-20 и 20-40 мм, зерна менее 5 мм относят к керамзитовому песку. В зависимости от объемной насыпной массы (кг/м3) керамзитовый гравий делят на марки: 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 550, 600, 700, 800.
Аглопоритом называют искусственный пористый кусковой материал. Его получают спеканием (агломерацией) гранул из смеси глинистого сырья с углем.
Одновременно с выгоранием угля происходит частичное вспучивание всей массы. Пористую легкую глыбу аглопорита дробят на щебень. Аглопоритовый щебень имеет объемную массу от 300 до 1000 кг/м3 и прочность от 0,3 до 3 МПа.
Диатомитов ые и трепельные теплоизоляционные метериалы получают из одноименного сырья по обычной технологии в виде кирпичей, блоков, скорлуп и сегментов объемной массой 100-735 кг/м3.
Перлит вспученный получают путем термической обработки водосодержащих вулканических лав. Используют его в виде песка и щебня. Объемная масса перлитового песка 100-200 кг/м3, перлитового щебня 300-500 кг/м3.
Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формирования, сушки и последующего обжига.
Положительными свойствами керамических материалов являются высокая прочность, долговечность, высокие теплотехнические свойства, простота изготовления. К отрицательным свойствам относят их хрупкость, сравнительно большую объемную массу и не-индиЕндуальность из-за малых размеров штучных керамических материалов.
В основу классификации керамических изделий положены: назначение, структура обожженного материала и качество исходного сырья. По назначению керамические изделия разделяют на основные (кирпичные камки), кровельные (черепица), теплоизоляционные (керамзит, аглопорит), облицовочные (плитки, кирпичные камни), трубы (канализационные, Дренажные), санитар-но-технические (умывальники, раковины), для полов (плитки), дорожные (клинкер), огнеупорные и кислоупорные изделия.
По структуре, образующейся после обжига, все керамические строительные материалы делятся на пористые и плотные. Пористые материалы характеризуются водопогашением 5% и более, плотные - менее 5%.
Керамические изделия могут быть глазурованными и неглазу-рованными. Глазури придают изделиям стойкость к внешним воздействиям, водонепроницаемость и высокие декоративные качества. По качеству сырья керамические материалы и изделия разделяют на грубые, тонкие, огнеупорные.
Основным сырьем для изготовления керамических материалов и изделий является глина. В зависимости от содержания глинистых частиц природные глины разделяются на тяжелые, содержащие более 60% глинистых частиц, собственно глины - 30- 60%, суглинки-10-30% и супеси -5-10%.
По пластичности глины бывают высокопластичные (жирные), средней пластичности и малопластичные (тощие); по огнеупорности- огнеупорные с температурой размягчения свыше 1500° С, тугоплавкие- 1350-1580° С и легкоплавкие с температурой размягчения ниже 1350° С. Из огнеупорных глин изготовляют огнеупорные, фарфоровые и фаянсовые изделия, из тугоплавких - плитки для полов, канализационные трубы и другие виды строительной керамики, из легкоплавких - кирпич и черепицу.
В целях уменьшения усадки глин, исключения трещин и коробления изделия в состав глиняной сырьевой смеси вводят обогащающие добавки (песок, шлак, золу), а для снижения объемной массы изделий - порообразующие добавки (опилки, торф), которые выгорают в процессе обжига.
Для строительства промышленность выпускает большое количество керамических материалов, и в зависимости от назначения их можно разделить на стеновые, кровельные, теплоизоляционные, облицовочные, керамические трубы, санитарно-технические изделия, кислотоупорные и огнеупорные.
Стеновые материалы. К ним относятся кирпичи глиняный, обыкновенный пластичного и полусухого прессования, строительный легкий, пустотелый, пористо-пустотелый; камни пустотелые пластичного прессования.
Кирпич строительный - изделие, размеры и масса которого позволяют укладывать его в конструкции одной рукой. Размеры кирпича: одинарного - 250×120 мм, модульного (утолщенного) - 250X120X88 мм. Для уменьшения массы выпускают кирпичи со сквозными и несквозными технологическими пустотами.
Шлаковый кирпич изготовляют способом полусухого прессования.
Керамические пустотелые камни пластичного формирования выпускают размером 250X120X138 мм и укрупненные 250Х250X138 мм. По пределу прочности при сжатии керамические камни разделяют на четыре марки: 75, 100, 125, 150.
Кровельные материалы.
Кровельная черепица - керамический материал, полученный из легкоплавких глин путем прессования сырца, его сушки и последующего обжига.
Керамзит представляет собой легкий пористый материал в виде гравия, реже в виде щебня, получаемый при обжиге легкоплавких глинистых пород. В зависимости от насыпной объемной массы керамзитовый гравий делят на марки: 150, 200, 250, 300, 350, 400 ,450, 500, 550, 600, 700, 800.
Аглопоритом называют искусственный пористый кусковой материал. Его получают спеканием гранул из смеси глинистого сырья с углем. Одновременно с выгоранием угля происходит частичное вспучивание всей массы. Пористую легкую глыбу аглопорита дробят на щебень.
Теплоизоляционные материалы. Диатомитовые и трепельные теплоизоляционные материалы получают из одн-оименного сырья по обычной технологии в виде кирпичей, блоков скорлуп и сегментов объемной массы 100-735 кг/м3.
Пермит вспученный получают путем термической обработки водосодержащих и вулканических лав. Используют его в виде песка и щебня.
Блоки из кирпича и керамических камней представляют собой индустриальные изделия заданных размеров, в которых отдельные кирпичи или керамические камни сцементированы в монолит цементно-топочным раствором. Для изготовления крупных блоков используют кирпич глиняный, керамические пустотелые камни, кирпичи из трепелов и диатомитов.
Облицовочные материалы. Лицевой кирпич и камни применяют для облицовки фасадов зданий. Из них выполняют наружную часть кладки на глубину 12 см. Размеры кирпича 250Х120Х Х65 мм, камня 250×120×140 и 180X120X140 мм. Лицевой кирпич и камни выпускают полнотелыми и пустотелыми прямоугольной формы.
По прочности их разделяют на четыре марки: 75, 100, 125, 150.
Керамические плитки бывают фасадные, ковровые, облицовочные, для облицовки внутренних поверхностей стен, для полов.
Фасадные керамические плитки изготовляют способом полусухого прессования с глазурованной и неглазурованной поверхностью. Размеры плиток, мм: 250X140, 140X120, 120×65, 68X68. Толщина 7-10 мм.
Ковровые облицовочные плитки изготавливают способом полусухого прессования с глазурованной и неглазурованной поверхностью различных цветов. Плитки набирают в «коврик», наклейся их лицевой поверхностью на бумагу. Размеры плиток 48X48 и 22×22 мм при толщине 4 мм.
Керамические плитки для облицовки внутренних поверхностей стен выпускают двух видов: глазурованные (фаянсовые) и коврово-мозаичные.
Глазурованные плитки изготавливают способом полусухого прессования из огнеупорных глин с добавлением кварцевого песка и плавней. После сушки плитки покрывают глазурью и обжигают. Плитки бывают различного цвета и формы - квадратные и прямоугольные. Размеры плиток 150×150, 150×100, 150×75 мм при толщине 4-6 мм.
Коврово-мозаичные плитки изготавливают способом литья размером 50×150, 25×100 мм. Они могут иметь лицевую поверхность различного цвета и фактуры.
Керамичексие плитки для полов изготавливают прессованием и дальнейшим обжигом до спекания. По форме выпускают квадратные, прямоугольные, шестиугольные и другие плитки. Длина граней от 50 до 100 мм, толщина от 10 до 13 мм. По виду лицевой поверхности плитки бывают гладкие, шороховатые, шеневые.
) и их смесей с минеральными добавками, изготовляемые под воздействием высокой температуры с последующим охлаждением.
В узком смысле слово керамика обозначает глину , прошедшую обжиг . Однако современное использование этого термина расширяет его значение до включения всех неорганических неметаллических материалов. Керамические материалы могут иметь прозрачную или частично прозрачную структуру, могут происходить из стекла (см. ситаллы). Самая ранняя керамика использовалась как посуда из глины или из смесей её с другими материалами. В настоящее время керамика применяется как индустриальный материал (машиностроение, приборостроение, авиационной промышленности и др.), как строительный материал, художественный, как материал широко используемый в медицине, науке. В 20-ом столетии новые керамические материалы были созданы для использования в полупроводниковой индустрии и др. областях
Слово «керамический» происходит также от индоевропейского Керри , означая высокую температуру. Откуда «Керамический» может использоваться как прилагательное, описывающее материал, продукт или процесс; или как только существительное во множественном числе «керамика».
Исторически керамические изделия были твёрдыми, пористыми и хрупкими. Изучение керамики приводит к разработке все новых и новых методов для решения данных проблем, уделяя особое внимание сильным сторонам материалов, а также и необычному их использованию.
Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом. Время появления керамики относят к эпохе мезолит и неолита. Различными видами керамики являются терракота , майолика , фаянс , каменная масса, фарфор , ситаллы .
Исходя из происхождения слова керамика понимаются такие изделия, для которых глина (при случае каолин), смешанная с полевым шпатом, кварцем или известью, служит главным сырьем. Эти исходные вещества перемешиваются и перерабатываются в массу, которая либо от руки, либо на поворотном круге формуется и затем обжигается.
Отдельные виды керамики формировались постепенно по мере совершенствования производственных процессов, различаясь в зависимости от образовательных свойств черепка и калильного жара. Большинство из них удерживается и по сей день. Древнейший вид - это обыкновенный горшечный товар с землистым, окрашенным и пористым черепком. Это типичная бытовая керамика или изделия, которые разными способами облагораживались - штампованием и гравировкой (например, Bucchero nero), тонким облицовочным слоем (греческая керамика и римские Terra - sigillata), цветной глазурью («Гафнеркерамика» Ренессанса). Первоначально керамика формовалась от руки. Изобретение гончарного круга в третьем тысячелетии до нашей эры, было большим прогрессом, что позволило изготовлять посуду с более тонкими стенками.
К концу XVI века керамика переходит в Европу майолика . Обладая пористым черепком из содержащей железо и известь, но при этом белой фаянсовой массы или изразцовой глины, она покрыта двумя глазурями: непрозрачной, с содержанием олова, и прозрачной блестящей свинцовой глазурью. Майолика родом из заальпийских стран называется фаянсом. Декор писали на майолике по сырой глазури, прежде чем обжечь изделие при температуре порядка 1000 °C. Краски для росписи брались того же химического состава, что и глазурь , однако их существенной частью были окислы металлов, которые выдерживали большую температуру (так называемые огнеупорные краски - синяя, зеленая, желтая и фиолетовая). Начиная с XVIII века, стали применять так называемым муфельные краски, которые наносились на уже обожженную глазурь. С их помощью особенно на фарфоре, достигают высоких результатов.
В XVI веке в Германии распространяется производство каменной посуды. Белый (например, в Зигбурге) или окрашенный (например, в Ререне) весьма плотный черепок состоит из глины, смешанной с полевым шпатом и другими веществами. Обжигаясь при температуре 1200-1280 °С, каменная посуда очень тверда и практически непориста. В Голландии, по образцу Китайской керамики, ее стали производить красной, и ту же особенность обнаруживает каменная посуда Бётгера.
Каменная посуда также изготовлялась Веджвудом в Англии. Тонкий фаянс как особый сорт керамики рождается в Англии в первой половине XVIII века с белым пористым черепком, покрытым белой же глазурью. Он в зависимости от крепости черепка делится на мягкий тонкий фаянс с высоким содержанием извести, средний - с более низким ее содержанием и твердый - совсем без извести. Этот последний по составу и крепости черепка часто напоминает каменную посуду или фарфор.
В строительстве широко применяется цемент - один из видов керамики, сырьем для которого служат глина и известняк, смешанный с водой.
Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, первым созданным человеком материалом. Россия в области керамики достойно занимает ведущее место в мире, несмотря на то, что в международной литературе вопрос о возникновении фарфорового и керамического производства часто умаляется. На примере появления чёрной керамики археологически доказано, что уже в 3-ем тысячелетии до н. э. чёрная лощённая керамика использовалась в ритуальных и обрядовых целях. Значительный ущерб развитию керамики в России нанесло только одно монголо-татарское нашествие, которое много уничтожило достижений русских гончаров IX-XII веков. Например, исчезли двуручные корчаги-амфоры, вертикальные светильники, более простым стал орнамент, искусство перегородчатой эмали, глазурь (самая простая - жёлтая, уцелела только в Новгороде).
Лишь в XV веке прдолжалось развитие керамики на Руси. В России и в настоящее время, особенно в сельской местности, каждый керамический сосуд незаменим. Пища в керамических горшках самая ароматная и долго хранящаяся.
Изготовление керамической посуды на гончарном круге представляло и представляет особый интерес. Так называемые квасники (сосуды для кислых щей, браги, пива, дрожжевых или фруктовых квасов) появились в Москве в ХIX веке.
Исторически керамические материалы непрозрачны из-за особенностей их структуры. Однако спекание частиц нанометровых размеров позволило создать прозрачные керамические материалы, обладающие свойствами (диапазоном рабочих длин волн излучения, дисперсией, показателем преломления), лежащими за пределами стандартного диапазона значений для оптических стёкол .
Wikimedia Foundation . 2010 .
Керамические материалы - неметаллические материалы из тугоплавких неорганических соединений, получаемые спеканием, плазмо химическим и другими методами. К. м. обладают высокой температуроустойчивостью, жаропрочностью, твёрдостью, электроизоляционными и другими ценными… … Энциклопедия техники
керамические материалы Энциклопедия «Авиация»
керамические материалы - керамические материалы неметаллические материалы из тугоплавких неорганических соединений, получаемые спеканием, плазмо химическим и другими методами. К. м. обладают высокой температуроустойчивостью, жаропрочностью, твёрдостью,… … Энциклопедия «Авиация»
Прозрачные керамические материалы - Основная статья: Оптические материалы Волновод на базе прозрачной керамики Прозрачные керамические материалы материалы, прозрачные для электромагнитных … Википедия
Абразивные керамические материалы - (абразивы) – вещества повышенной твердости, применяемые в массивном или измельченном состоянии для механической обработки (шлифования, резания, истирания, заточки, полирования и т.д.) других материалов. Естественные абразивные материалы –… …
Сверхтвердые керамические материалы - – композиционные керамические материалы, получаемые введением различных легирующих добавок и наполнителей в исходный нитрид бора. Структура таких материалов образована прочно связанными мельчайшими кристаллитами и, следовательно, они являются… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Керамические плитки и плиты - – тонкостенные изделия, изготовленные из керамической массы и/или других неорганических материалов. Примечание 1. Керамические плитки и плиты применяют главным образом для настилки полов и облицовки стен. Как правило, их формуют при… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Материалы строительные керамические - – получают в процессе технологической переработки минерального сырья (в основном глинистого), способного при затворении водой образовывать пластичное тесто, которое в высушенном состоянии обладает небольшой прочностью, а после обжига приобретает… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
Керамические изделия для облицовки - – выпускают глазурованными и неглазурованными. К ним относится лицевой кирпич и ковровые облицовочные плитки. Кирпич и камни лицевые керамические имеют марки по прочности 75,100,125,150; водопоглощение 6…14 %. [Словарь строительных материалов и… … Энциклопедия терминов, определений и пояснений строительных материалов
