Свойства и применение керамики

Керамика изготавливается из смеси глины, земляных элементов, порошков и воды, затвердевших в желаемых формах.

Керамика используется уже тысячи лет в самых разных областях: от гончарного дела до создания передовых инженерных решений. Благодаря своим уникальным механическим и физическим свойствам, керамика находит применение в различных отраслях, таких как строительство, медицина, автомобилестроение и аэрокосмическая промышленность.

Сегодняшняя статья посвящена керамике: каково её определение, каковы её свойства и преимущества. Давайте сразу же углубимся в это!

Определение керамики: Что такое керамика?

Подпись к изображению: Что такое керамика?

С научной точки зрения, керамика — это неметаллический неорганический материал. Керамика отличается от керамики своими свойствами. плед В текстильной промышленности. Керамика изготавливается путём нагревания, спекания, прессования и затвердевания.

Как правило, керамика сочетает в себе твердость, термостойкость и химическую стойкость, что делает ее полезной во многих технологических областях.

Обычно мы различаем два типа керамики в зависимости от сферы ее использования:

• Традиционная керамика

• Продвинутая керамика

Традиционная керамика состоит из природных или земных компонентов, таких как полевой шпат, кварц, глина и т. д. Она находит применение во многих предметах повседневного обихода, таких как кувшины, вазы, горшки, кашпо, строительные материалы, плитка, столовая посуда и т. д., изготавливаемых методом мокрого формования. Отличительной особенностью её микроструктуры является то, что она не является однородной и гладкой, как у современной керамики. Кроме того, микроструктура варьируется в зависимости от состава глины.

Современная керамика — это новый тип керамики, изготовленный из высокочистых неорганических соединений, искусственно синтезированных и строго контролируемых методом формования, спекания и других необходимых процессов. Она отличается высокими эксплуатационными характеристиками, такими как износостойкость, прочность, чрезвычайная прочность, а также термо- и химическая стойкость.

Состав керамического материала

Керамика изготавливается из сочетаний множества различных компонентов, включая смесь глины, воды и нескольких порошковых добавок для улучшения свойств. Механические, термические и химические свойства керамики изменяются в зависимости от типов и соотношения исходных материалов, смешиваемых в определённых композициях. Этот конкретный состав смеси, в свою очередь, определяет специфические свойства и область применения готовой керамики.

Подпись к изображению: Микроструктура керамики 

Основные ингредиенты

• Глина: Они обеспечивают пластичность и позволяют легко формовать керамику перед обжигом.

• Кремний (SiO₂): Основной компонент многих керамических изделий, в значительной степени влияющий на твердость и термостойкость керамики.

• Глинозем (Al₂O₃): Добавка для повышения прочности, износостойкости и термостабильности.

• Цирконий (ZrO₂): В основном используется в конструкционной керамике, повышает ее прочность.

• Карбиды и нитриды: Такие как карбид кремния (SiC) и нитрид бора (BN), которые обеспечивают высокую износостойкость и термостойкость.

Виды сырья

• Естественный: Глина, полевой шпат, кварц, каолин и другие минералы, добываемые из земли.

• Синтетика: Оксид алюминия, диоксид циркония, карбид кремния и специальные материалы, предназначенные для высокопроизводительных применений.

Виды керамики

Различные виды керамики подразделяются на несколько категорий, в основном на основе их химического состава и области применения.

Оксидная керамика

«Оксидная керамика» изготавливается из оксидов металлов, таких как алюминий (Al), цирконий (Zr), титан (Ti), магний (Mg) и т. д., и известна своей высокой термостойкостью, коррозионной стойкостью и электроизоляционными свойствами.

• Примеры: Глинозем (Al₂O₃), Цирконий (ZrO₂)

• Приложения: Биомедицинские имплантаты, огнеупоры, режущие инструменты и электроизоляторы.

Карбидная керамика

«Карбидная керамика» состоит из атомов углерода, связанных с металлами. Она обрабатывается методом спекания. Благодаря таким свойствам, как исключительная твёрдость, износостойкость и термостойкость, она используется в качестве высокопроизводительных материалов в передовой технике.

• Примеры: Карбид кремния (SiC), карбид бора (B₄C)

• Приложения: Абразивные материалы, броневые пластины, высокотемпературные компоненты и полупроводниковые компоненты.

Нитридная керамика

«Нитридная керамика» содержит атомы азота и металлические связи с металлами. Она хорошо известна своей термостойкостью, превосходной механической прочностью и хорошими электрическими свойствами.

• Примеры: Нитрид кремния (Si₃N₄), нитрид бора (BN)

• Приложения: Авиационно-космическая промышленность, подшипники, электронные компоненты и высокотемпературные применения.

Уникальные свойства керамики

Как упоминалось ранее, свойства керамики зависят от её состава и атомной микроструктуры. В целом, керамические материалы характеризуются:

• Высокая твердость

• Износостойкий

• Коррозионностойкий

• Хорошая тепло- и электроизоляция

• Антиферромагнетизм (т.е. немагнитный по своей природе)

• Устойчив к окислению

• Инертный и химически стабильный

Механические свойства керамических материалов

Подпись к изображению: Физические свойства керамики

• Износостойкость и высокая твердость: Керамика обладает высокой твёрдостью и износостойкостью. Это делает её чрезвычайно полезной для изготовления режущего инструмента и абразивных материалов. Например, карбид вольфрама (WC), карбидная керамика, широко используется в промышленных свёрлах и режущих инструментах.

• Низкая пластичность и хрупкость: С научной точки зрения, пластичность — это способность материала сохранять форму при растяжении, не разрушаясь. В отличие от большинства металлов, керамика не подвержена пластической деформации просто из-за своей низкой прочности на разрыв. Это означает, что керамика деформируется при приложении нагрузки из-за своей хрупкости. Она склонна к разрушению, а не к деформации. Даже незначительные микротрещины в керамике могут вызвать резкую концентрацию напряжений, приводящую к хрупкому разрушению. Однако некоторые виды керамики пластичны при температуре окружающей среды, например, MgO, SrTiO3 и др.

• Высокая прочность на сжатие: Как правило, свойства керамики позволяют ей выдерживать экстремальные сжимающие нагрузки, что особенно важно для применения в строительстве. Это свойство позволяет использовать керамику в строительстве.

Тепловые свойства керамических материалов

• Теплопроводность: Керамика, как правило, обладает низкой теплопроводностью. Эти свойства особенно важны в процессах, где требуется теплоизоляция или устойчивость к экстремальным температурам. Например, огнеупорные кирпичи из огнеупорной керамики используются в печах и горнах в качестве изоляторов. Однако некоторые виды керамики (например, карбид кремния (SiC), нитрид алюминия (AlN)) обладают высокой теплопроводностью, что делает их пригодными для отвода тепла (электроника, теплообменники).

• Высокие температуры плавления: Как упоминалось ранее, керамика имеет высокую температуру плавления, что обеспечивает ее хорошую работоспособность в высокотемпературных установках.

• Плохая стойкость к тепловому удару: Стойкость к тепловому удару — это способность любого материала выдерживать резкие перепады температур. Большинство видов керамики, особенно традиционной, обладают низкой стойкостью к тепловому удару. Это означает, что они подвержены растрескиванию при резких перепадах температур.

• Низкое тепловое расширение: Некоторые виды керамики демонстрируют минимальное расширение при изменении температуры (например, плавленый кварц), что способствует размерной стабильности. Однако, опять же, существуют исключения из этого правила. Некоторые виды керамики демонстрируют высокое тепловое расширение, например, диоксид циркония (ZrO₂), который значительно расширяется при изменении температуры.

Химические свойства керамических материалов

• Высокая коррозионная стойкость: большинство керамических материалов обладают высокой химической стабильностью и инертностью к воздействию окружающей среды. Это обеспечивает их высокую химическую стойкость к кислотам, щелочам и другим агрессивным средам. Кроме того, они обладают изначальной коррозионной стойкостью.

• Инертность: их инертность к таким факторам окружающей среды, как влажность, тепло и т. д., делает их идеальными для биомедицинских и химических процессов. Биокерамический гидроксиапатит используется в костных трансплантатах, поскольку он не реагирует с биологическими жидкостями. Аналогично, цирконий (ZrO₂), коррозионно-стойкая керамика, используется на химических заводах по всему миру.

Применение керамических материалов

Биомедицинские приложения

Благодаря таким полезным свойствам, как биосовместимость, прочность и износостойкость, керамика активно используется в медицинских имплантатах.

Некоторые из применений:

• Протезирование и имплантация (благодаря своей биосовместимости они используются в имплантатах для замены тазобедренного и коленного суставов)

• Костные трансплантаты и наполнители (т.е. немногие виды керамики, такие как гидроксиапатит (ГА), демонстрируют естественную структуру, подобную костной ткани)

• Применение в стоматологии (из-за своих эстетических и механических свойств большинство зубных имплантатов изготавливаются из керамики, например, из диоксида циркония)

• Медицинские приборы (встречается в кардиостимуляторах, хирургических инструментах и системах доставки лекарств)

• Биоактивные очки (они также стимулируют рост клеток, способствуя регенерации тканей и заживлению травм/ран)

Аэрокосмические приложения

Многие компоненты аэрокосмической техники, такие как лопатки турбин, тепловые экраны или носовые обтекатели, требуют материалов с передовыми свойствами, пригодных для прецизионной резки. Высококачественная керамика отлично подходит для этих целей благодаря своим свойствам, таким как теплопроводность, высокая температура плавления, высокая твёрдость и т. д.

• Конструкционные материалы (благодаря высокой прочности многие виды керамики, такие как карбид кремния (SiC), используются для изготовления легких и высокопрочных компонентов в аэрокосмической отрасли)

• Системы тепловой защиты (TPS) (керамическая плитка из диоксида кремния и оксида алюминия используется в космических кораблях для выдерживания экстремальных температур во время входа в атмосферу)

• Абляционная керамика для тепловых экранов (эти типы керамики защищают космические аппараты при входе в атмосферу, постепенно разрушаясь и поглощая тепло)

Электроника и изоляторы

• Многослойные керамические конденсаторы (MLCC) и резисторы (керамика, такая как оксид алюминия, играет решающую роль в обеспечении изоляции и рассеивании энергии в виде тепла с использованием MLCC и резисторов)

• Микросхемы и полупроводники (керамические субтракты тонкие и плоские, имеют низкую диэлектрическую проницаемость и диэлектрические потери, высокую теплопроводность и хорошую химическую стабильность)

• Полупроводники и керамические печатные платы (керамика имеет низкую электропроводность и используется в полупроводниках и печатных платах, требующих высокой электроизоляции)

• Высоковольтные изоляторы (в высоковольтных функциях фарфор и керамика на основе оксида алюминия необходимы для линий электропередачи)

Строительные материалы

• Кирпичи и плитка (благодаря таким свойствам, как долговечность, огнестойкость и теплоизоляция, глиняная керамика широко используется в строительстве из кирпича и черепицы)

• Сантехника (Большинство унитазов, раковин и ванн изготавливаются из стекловидной керамики, поскольку она обладает инертными свойствами, такими как устойчивость к влаге, пятнам и росту бактерий.)

• Стеклокерамика (керамические материалы, такие как литийалюмосиликат, используются в столешницах и архитектурных решениях благодаря своим эстетическим и термостойким свойствам)

• Фасад и покрытие (керамика используется в качестве фасадного и облицовочного материала в зданиях, поскольку она обеспечивает необходимые тепло- и звукоизоляционные свойства)

• Добавки для цемента и бетона (для повышения прочности, долговечности и эффективности цементных или бетонных смесей в качестве добавок обычно используют керамические добавки, такие как летучая зола и микрокремнезем)

Преимущества керамических материалов

Подпись к изображению: Преимущества керамики

Прочность и долговечность

Как уже упоминалось, керамика долговечна благодаря своей высокой твёрдости и инертности. Это означает, что, в отличие от металлов, керамика не окисляется и не подвержена коррозии в агрессивных средах. Кроме того, большинство керамических материалов устойчивы к воздействию кислот, щелочей и других агрессивных химических веществ.

Легкие свойства

Помимо высокой прочности, керамика очень лёгкая, что делает её полезной в аэрокосмической технике и автомобилестроении. Например, карбид кремния (SiC) используется в тормозных дисках самолётов благодаря высокому соотношению прочности к массе.

Эстетическая универсальность

Смешивая различные материалы в процессе формования, керамике можно придать различные эстетические свойства, такие как цвета, текстуры и отделки. Например, керамогранит довольно популярен благодаря своей визуально привлекательной структуре. Некоторые виды керамики также используются в оптике и производстве дисплеев (например, сапфировое стекло (Al₂O₃), используемое для изготовления закалённых стёкол для смарт-экранов) благодаря своей прозрачности и оптическим свойствам.

Ограничения керамических материалов

Хрупкость и хрупкость

Подпись к изображению: Хрупкая микроструктура керамики 

Хотя, как правило, они обладают высокой прочностью на сжатие, их очень низкая пластичность или прочность на растяжение делают их хрупкими и склонными к разрушению под действием напряжения, а не к пластической деформации, как пластичные материалы, например, металлы.

Производственные затраты

Керамические изделия подвергаются процессу спекания (то есть требуют высокотемпературной обработки, иногда до 1500 градусов в центрифугах). Поддержание высоких температур увеличивает общую стоимость производства керамики. Кроме того, для высококачественной керамики затраты на изготовление и высокоточную резку с помощью ЧПУ или 3D-печати также приводят к высокой стоимости производства. Высокоточное производство включает в себя дорогостоящие методы, такие как горячее прессование, химическое осаждение из газовой фазы (CVD) и электроискровое плазменное спекание (SPS).

Однако следует отметить, что общие результаты весьма выгодны для нас, людей, ввиду их уникальных свойств.

Заключение

Мы познакомились с керамическими материалами, их свойствами и преимуществами. Керамические материалы играют важную роль в нашей повседневной жизни благодаря своим уникальным свойствам, таким как долговечность, термостойкость и химическая стабильность.

Благодаря достижениям в области материаловедения нам станет доступна более совершенная керамика с лучшими строительными свойствами.