Быстрые ссылки
- Механические свойства керамических материалов
- Тепловые свойства керамических материалов
- Химические свойства керамических материалов
- Электрические свойства керамических материалов
- Физические свойства керамических материалов
|
Характеристика |
Керамический материал |
|||||
|
|
Оксидная керамика |
Неоксидная керамика |
Специальная функциональная керамика |
|||
|
|
Al2O3 |
ZrO2 |
SiC |
Si3N4 |
АlN |
BaTiO3 |
|
Плотность |
3,95-3,98 г/см3³ |
5,68-6,1 г/см3³ |
3,1-3,2 г/см3³ |
3,2-3,3 г/см3³ |
3,26 г/см3³ |
5,85 г/см³ |
|
Прочность на изгиб |
300-630 МПа |
800-1500 МПа |
350-550 МПа |
600-900 МПа |
300-450 МПа |
– |
|
Прочность на сжатие |
2000-4000 МПа |
2000-2500 МПа |
2000-3500 МПа |
2500-3500 МПа |
– |
– |
|
Модуль упругости |
380-400 ГПа |
200-210 ГПа |
410-440 ГПа |
300-320 ГПа |
310-320 ГПа |
– |
|
Теплопроводность |
20-30 Вт/(м·К) |
2-3 Вт/(м·К) |
80-150 Вт/(м·К) |
15-50 Вт/(м·К) |
170-200 Вт/(м·К) |
– |
|
Коэффициент теплового расширения |
8.0×10⁻⁶/°С |
10.5×10⁻⁶/°С |
4.0×10⁻⁶/°С |
3.0×10⁻⁶/°С |
4.5×10⁻⁶/°С |
6.0×10⁻⁶/°С |
|
Максимальная рабочая температура |
1750°С |
2400°С |
1600°С |
1400°С |
– |
– |
|
Твёрдость (по Виккерсу) |
15-19 ГПа |
12-14 ГПа |
22-28 ГПа |
14-16 ГПа |
– |
– |
|
Вязкость разрушения |
3,5-4,5 МПа·м½ |
6-10 МПа·м½ |
3-4 МПа·м½ |
5-8 МПа·м½ |
– |
– |
|
Диэлектрическая проницаемость |
– |
– |
– |
– |
8.8-9.0 |
1500-6000 |
|
Пьезоэлектрическая константа d33 |
– |
– |
– |
– |
– |
190 пКл/Н |
|
Удельное сопротивление |
– |
– |
– |
– |
>10¹⁴ Ω·см |
10¹⁰ Ω·см |
|
Твёрдость (по Виккерсу) |
– |
– |
– |
– |
12 ГПа |
5 ГПа |
Механические свойства керамических материалов
Твердость и износостойкость
Керамические материалы обладают превосходной твёрдостью и износостойкостью. Например, глинозем (Al2O3) Имеет твёрдость по шкале Мооса 9, что в три раза превышает твёрдость нержавеющей стали. Такая высокая твёрдость обусловлена прочной структурой ионных и ковалентных связей в керамических материалах. Благодаря своей превосходной твёрдости керамические материалы хорошо себя зарекомендовали в областях, где требуется износостойкость.
Прочность на сжатие и сопротивление сжатию
Прочность на сжатие и сопротивление сжатию – ещё одна выдающаяся характеристика керамических материалов. Керамические материалы обладают высокой прочностью на сжатие. Прочность на сжатие некоторых видов инженерной керамики достигает 2000–4000 МПа, что значительно превышает прочность большинства металлических материалов.
Превосходное сопротивление сжатию дает керамическим материалам уникальные преимущества в инженерных приложениях, поскольку они выдерживают высокое давление в некоторых строительных компонентах и механических деталях.
Характеристики хрупкости и разрушения
Конечно, в силу особенностей кристаллической структуры керамические материалы склонны к хрупкому разрушению при растяжении или ударе. Этот процесс часто происходит внезапно, без явного процесса пластической деформации. Расширение микротрещин является основной причиной разрушения керамических материалов.
Существуют также керамические материалы с высокой вязкостью разрушения, такие как стабилизированный иттрием диоксид циркония, который имеет более высокую вязкость разрушения, чем обычные керамические материалы.
Модуль упругости и жесткость
Большинство керамических материалов обладают высоким модулем упругости, что затрудняет их значительную деформацию под действием силы. Например, модуль упругости оксида алюминия достигает 380 ГПа. Эта высокая жёсткость позволяет керамическим материалам сохранять размерную стабильность.
Тепловые свойства керамических материалов
Высокая термостойкость
Большинство керамических материалов имеют чрезвычайно высокие температуры плавления, например, оксид алюминия (Al2O3) с температурой плавления 2072°C, а оксид циркония (ZrO2) с температурой плавления 2715°С.
Их превосходная термостойкость обусловлена, главным образом, прочными химическими связями и стабильной кристаллической структурой. Даже в экстремальных температурных условиях керамические материалы сохраняют стабильность своих физических и химических свойств.
Теплопроводность
Теплопроводность керамических материалов различна, что открывает широкие возможности для различных вариантов применения. Некоторые керамические материалы, такие как нитрид алюминия (AlN) Обладают высокой теплопроводностью (170–200 Вт/м·К), что способствует быстрому рассеиванию тепла в электронных изделиях и является отличным материалом для упаковки электроники. Диоксид циркония, напротив, обладает низкой теплопроводностью (2–3 Вт/м·К) и является идеальным теплоизоляционным и теплозащитным материалом.
Свойства теплового расширения
Керамические материалы обычно обладают низким коэффициентом теплового расширения. Например, коэффициент линейного теплового расширения оксида алюминия составляет около 8×10⁻⁶/℃, что значительно ниже, чем у большинства металлических материалов. Это позволяет ему сохранять размерную стабильность при высоких температурах. Это свойство чрезвычайно важно для применения в некоторых прецизионных приборах и оптических системах.
Устойчивость к термическому удару
Стойкость керамических материалов к тепловому удару относительно невысока, и ей необходимо уделять особое внимание в различных областях применения. Когда керамические материалы подвергаются резким перепадам температур, из-за их низкой теплопроводности и анизотропного коэффициента теплового расширения внутри них легко возникают термические напряжения, приводящие к растрескиванию или повреждению.
Химические свойства керамических материалов
Химическая стабильность
Это одна из наиболее примечательных особенностей керамических материалов. Эта стабильность обусловлена прочными химическими связями, особенно комбинированным эффектом ионных и ковалентных связей. Оксид алюминия (Al2O3) обладает чрезвычайно высокой химической стабильностью в широком диапазоне температур от комнатной до 1000 °C. Даже в крайне суровых условиях он сохраняет стабильность своей химической структуры и эксплуатационных свойств.
Стабильность керамических материалов делает их особенно подходящими для химического применения.
Коррозионная стойкость
Керамические материалы обладают превосходной коррозионной стойкостью и способны противостоять эрозии под воздействием различных агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи и соли. Типичным примером является оксид циркония (ZrO2). Он сохраняет высокую устойчивость в сильных кислотных и щелочных средах и является идеальным материалом для различного химического оборудования и трубопроводных систем.
Отличная коррозионная стойкость керамических материалов обусловлена, главным образом, плотным защитным слоем, образующимся на поверхности керамических материалов, который эффективно предотвращает дальнейшую эрозию под воздействием агрессивных сред.
Стойкость к окислению
Антиокислительные свойства – ещё одно выдающееся химическое свойство керамических материалов. Многие керамические материалы представляют собой оксиды, такие как оксид алюминия и оксид циркония, что обеспечивает им естественную устойчивость в высокотемпературных окислительных средах. Даже неоксидная керамика, например, карбид кремния (SiC) и нитрид кремния (Si3N4) образуют защитную оксидную пленку при высоких температурах, дополнительно повышая стойкость к окислению.
Химическая инертность
Химическая инертность керамических материалов позволяет им сохранять стабильность в различных химических средах и с трудом вступать в химические реакции с окружающей средой. Например, оксид алюминия чрезвычайно инертен и с трудом реагирует с другими химическими веществами, что делает его идеальным материалом для изготовления ёмкостей для химических реакций и лабораторной посуды.
Электрические свойства керамических материалов
Изоляционные свойства
Большинство керамических материалов обладают превосходными электроизоляционными свойствами. Типичным примером является оксид алюминия, его удельное сопротивление может достигать 1015 Ом·см, что значительно выше, чем у большинства материалов. Эти превосходные изоляционные свойства обусловлены его стабильной электронной структурой и широкой запрещенной зоной, что затрудняет переход электронов в зону проводимости. Благодаря своим изоляционным свойствам керамические материалы играют важнейшую роль в качестве изоляционных компонентов электрооборудования.
Диэлектрические свойства
Керамические материалы обладают высокой диэлектрической проницаемостью и низкими диэлектрическими потерями. Титанат бария (BaTiO3) — типичный материал с высокой диэлектрической проницаемостью, достигающей нескольких тысяч единиц, что делает его идеальным материалом для изготовления конденсаторов.
Диэлектрические свойства обусловлены главным образом особой кристаллической структурой и механизмом поляризации, которые могут создавать сильный поляризационный эффект под действием электрического поля.
Свойства полупроводников
Некоторые керамические материалы могут проявлять уникальные полупроводниковые свойства, например, оксид цинка (ZnO) и оксид титана (TiO2), два оксида переходных металлов, которые могут проявлять полупроводниковые свойства за счет легирования или контроля дефектов.
Проводимость этих материалов можно контролировать с помощью температуры и концентрации легирования, что расширяет возможности проектирования электронных устройств.
Пьезоэлектрические свойства
Пьезоэлектрические свойства — одно из самых уникальных электрических свойств некоторых керамических материалов. К распространённым пьезоэлектрическим материалам относится цирконат-титанат свинца (ЦТС), способный генерировать электрический заряд под действием механических напряжений. Это уникальное свойство позволяет широко использовать пьезоэлектрическую керамику в датчиках, актуаторах и акустических волновых устройствах.
Физические свойства керамических материалов
Плотность
Что касается плотности, теоретическая плотность типичной инженерной керамики, такой как оксид алюминия, составляет около 3,95 г/см³, тогда как теоретическая плотность диоксида циркония может достигать 5,68 г/см³. В процессе производства неизбежно наличие определённых пор, из-за которых кажущаяся плотность керамического материала часто оказывается ниже теоретической.
Пористость
Пористость оказывает важное влияние на общие характеристики керамических материалов. Пористость влияет не только на плотность материала, но и напрямую связана с его механическими свойствами, теплопроводностью и проницаемостью. Поэтому мы постоянно стремимся к снижению пористости для достижения наилучших механических свойств. Пористость высокотемпературной спеченной керамики обычно контролируется на уровне ниже 5%. Конечно, иногда требуется поддержание необходимой пористости, например, в специальных областях применения, таких как фильтрация и биомедицинская керамика, где необходимо поддерживать контролируемую пористость в диапазоне 20–60.
Свойства поверхности
Поверхностные свойства – важнейшее физическое свойство керамических материалов. Керамические материалы обладают высокой твёрдостью и химической стабильностью благодаря своим уникальным химическим связям. Такие свойства, как поверхностная энергия и смачиваемость, напрямую влияют на эксплуатационные характеристики керамических материалов, особенно в процессе межфазного склеивания и обработки поверхности.
Во многих современных керамических материалах часто используется технология модификации поверхности для достижения особых функций, таких как гидрофобность, гидрофильность и антибактериальные свойства, в соответствии с требованиями сферы применения.
Заключение
Свойства керамических материалов различаются, и каждый материал обладает своими уникальными свойствами. Спасибо за прочтение этой статьи, надеюсь, она будет вам полезна.