Керамика использовалась для изготовления посуды в древних цивилизациях; сейчас она используется в различных областях. Различные современные виды керамики обладают сложными свойствами и сферами применения.
Среди них конструкционная керамика является важным типом, используемым в аэрокосмической, медицинской, автомобильной, машиностроительной, энергетической и электронной отраслях.
В этой статье мы рассмотрим применение конструкционной керамики в современной промышленности. Итак, начнём.
Что такое структурная керамика и почему она важна?
Конструкционная керамика — это керамические материалы инженерного класса, используемые для изготовления современных машин, устройств, инструментов и транспортных средств.
Изделия из конструкционной керамики обеспечивают стабильную работу в суровых условиях. Они популярны благодаря высокой механической прочности, термостойкости, превосходной износостойкости, долговечности и инертности.
Конструкционная керамика лёгкая, но прочная. Её применение значительно снижает вес машин и приборов.
Эти керамические элементы нашли применение в высокотехнологичном производстве, где невозможно использовать обычную керамику и металлы. Они способствовали развитию инновационных технологий в таких важнейших областях техники, как машиностроение, аэрокосмическая промышленность и автомобилестроение.
Современные технологии во многом зависят от исключительных характеристик и эксплуатационных характеристик конструкционной керамики.
Некоторые важные примеры конструкционной керамики:
-
Глинозем (Al2O3): Оксид алюминия — один из самых известных конструкционных керамических материалов. Это материал белого цвета с рядом исключительных свойств, включая высокую температуру плавления, высокую прочность, исключительную твёрдость, термостойкость, износостойкость и электропроводность.
Чистый Al2O3 с необходимыми свойствами доступен по низкой цене. Это огнеупорный керамический материал, обычно используемый в качестве абразива, изолятора и нагревательного элемента.
-
Нитрид кремния (Si3N4): Si3N4 — это высокоизносостойкий и термостойкий конструкционный керамический материал. Это материал чёрного или тёмно-серого цвета, который можно полировать до блеска.
-
Карбид кремния (SiC): Карбид кремния — материал черного или зеленоватого цвета, обладающий высокой коррозионной стойкостью и твердостью.
карбид кремния из него можно изготавливать различные чрезвычайно твердые керамические изделия, что делает его идеальным для использования в автомобильных деталях.
-
Диоксид циркония (ZrO2): ZrO2 — это кристаллический белый оксид циркония. Высокая термостойкость и превосходная стойкость к тепловым ударам — два важнейших свойства диоксида циркония.
Это не имеющая запаха, огнеупорная керамика, широко используемая в кислородных датчиках, плазменных покрытиях и медицинских имплантатах.
-
Нитрид бора (BN): Нитрид бора состоит из одного атома бора и одного атома азота и образует гексагональную структуру, подобную графиту, благодаря бинарным ковалентным связям. Он обладает исключительной изоляционной способностью, очень высокой теплопроводностью и устойчивостью к высоким температурам.
Нитрид бора встречается в твердом и зернистом виде, обладает чрезвычайной твердостью, сравнимой с твердостью алмаза.
Применение конструкционной керамики в различных современных отраслях промышленности:
-
Машиностроение: Машиностроение — сложная техническая отрасль, в которой компоненты из конструкционной керамики играют важнейшую роль. Керамические компоненты демонстрируют непревзойденную точность и долговечность в механических машинах и оборудовании.
Некоторые важные керамические компоненты, используемые в машиностроении, включают керамические стержни, керамические плунжеры, керамические втулки, керамические сварочные ролики, керамические диски, керамические штифты, керамические сопла и керамические клапаны.
Конструкционная керамика также находит широкое применение в производстве машин, режущих и шлифовальных инструментов, износостойких компонентов, оборудования для термической обработки и оборудования для химической обработки.
Ниже приведены распространенные механические машины, изготовленные из конструкционной керамики:
-
Подшипники и втулки
-
Уплотнения и прокладки
-
Шлифовальные круги
-
Режущие пластины
-
Рабочее колесо и вкладыши насоса
-
Седла клапанов и шарики
-
Мебель для печи
-
Теплообменники
-
Система фильтрации
-
Реакционный сосуд и т.д.
-
Аэрокосмическая промышленность: Конструкционные керамические материалы имеют важное значение для аэрокосмической промышленности.
Они являются ключевыми элементами корпуса самолета, деталей двигателя и материалов безопасности и обычно используются в виде керамических матричных композитов (КМК). Эти КМК прочнее и жёстче, чем обычный керамический материал.
В аэрокосмической отрасли вес является критическим фактором; конструкционная керамика снижает общий вес транспортного средства и повышает топливную экономичность.
-
Автомобильная промышленность: Конструкционная керамика обеспечила высокую эффективность автомобилей в экстремальных условиях. Она является основным элементом тормозных систем, выхлопных систем и электронных компонентов современных автомобилей.
Мировой рынок автомобильной керамики растет, и ожидается, что к 2030 году его среднегодовой темп прироста составит 6,3%.
-
Департамент энергетики: Энергетическая инфраструктура и приборы требуют материалов с высокой температурной стабильностью и устойчивостью в сложных условиях окружающей среды.
Конструкционная керамика облегчает производство высокоэффективных энергетических устройств и конструкций для энергетического сектора. Из этой керамики изготавливаются следующие прочные электрические и механические компоненты:
-
Газовые турбины,
-
Турбокомпрессоры,
-
Теплообменники,
-
Выхлопные системы,
-
Изоляционные устройства,
-
Топливные элементы и батареи,
-
Солнечные элементы
-
Роботы
-
Керамические эффекторы
-
высоковольтные изоляторы, реле и датчики.
-
Химическая промышленность: Химическая промышленность работает в суровых условиях, где традиционные материалы зачастую не долговечны. Поэтому оборудование из конструкционной керамики имеет жизненно важное значение для этих предприятий.
Ниже приведены основные элементы заводов химической переработки, где производятся современные керамические материалы.
Химические реакторы: Диоксид циркония (ZrO2) и карбид кремния (SiC) — два универсальных конструкционных керамических материала, обладающих исключительной стойкостью к коррозии и химическим веществам. Они используются для создания химических реакторов, выдерживающих агрессивные среды и экстремальные температуры.
Корпуса и футеровка реакторов: Керамические компоненты обладают высокой инертностью в окислительных условиях. Они предотвращают химические реакции и загрязнение в высокореактивных химических системах, обеспечивая эксплуатационную надежность.
Принадлежности для насосов и клапанов: Конструкционная керамика прочна, устойчива к истиранию и долговечна. Поэтому детали клапанов и насосы изготавливаются из конструкционной керамики. Она обеспечивает длительный срок службы в самых суровых условиях химических заводов.
-
Производство полупроводников: Высококачественная керамика, используемая в производстве аксессуаров, находит широкое применение в производстве полупроводников. Она обеспечивает точность, надежность и долговечность при изготовлении чувствительных полупроводниковых приборов и микросхем.
Оксид алюминия и нитрид кремния используются в держателях пластин для полировки благодаря своей твёрдости и износостойкости. Они также применяются в сложных структурах интегральных схем (ИС) и корпусировании полупроводников.
-
Электронные приборы: Электронные устройства из твёрдой конструкционной керамики более надёжны и долговечны. Сложнейшие электронные конструкции требуют превосходных электрических и тепловых характеристик, которые часто встречаются у керамических подложек.
Керамические материалы позволили создать инновационные конструкции электронных приборов.
Некоторые функциональные керамические материалы являются важнейшими компонентами высокочастотных цепей телекоммуникационных и передающих систем.
Некоторые другие керамические композиты служат электромагнитными экранами для чувствительных электронных систем и отражают электромагнитные помехи (ЭМП).
-
Медицинское применение: Структурная керамика произвела революцию в современных медицинских технологиях. Она вывела лечение на новый уровень.
Электромедицинское оборудование: Различные электромедицинские аппараты имеют структурные компоненты, изготовленные из керамики, такие как:
-
высокоэффективные изоляторы из оксида алюминия в рентгеновских аппаратах,
-
точная структура керамических электродов и электродных держателей в масс-спектрометрах,
-
сверхчистый оксид алюминия в машинах для анализа крови,
-
прецизионные компоненты насоса и т. д.
Науки о жизни: Некоторые жизненно важные медицинские принадлежности изготавливаются из износостойких и устойчивых к коррозии конструкционных керамических материалов, включая распылители жидкости, скользящие клапаны для крови и насадки для дозирования жидкости.
Часто задаваемые вопросы:
Вопрос: Чем современная керамика отличается от старой традиционной керамики?
Отвечать: Основное различие между современной керамикой и традиционной заключается в сырье, обработке и свойствах.
Традиционная керамика обычно изготавливается из природных материалов, таких как глина, минералы и камни.
Однако основными компонентами современной керамики являются высокочистые неорганические соединения, синтетические материалы и клеи. Они синтезируются в ходе сложного процесса формования, спекания и механической обработки.
Каковы области промышленного применения керамики?
Керамика в промышленности применяется для изготовления термостойких, износостойких деталей, огнеупоров, подшипников, абразивов, режущих инструментов и т. д.
Итог: Таким образом, конструкционные керамические материалы являются неотъемлемой частью современных технологичных цивилизаций. Они находят применение в аэрокосмической промышленности, в бытовой технике, и керамическая промышленность стремительно развивается повсюду.
Строительная керамика — это не просто материал, это уникальный архитектурный элемент, который ежедневно улучшает нашу жизнь. Спрос на эти материалы стремительно растёт по мере развития технологий.