керамика

КЕРАМИКА (греч. keramike — гончарное искусство, от keramos — глина)

неметаллич. материалы и изделия, получаемые спеканием глин или порошков неорг. веществ. По структуре К. подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5–30%), и тонкую — с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой К. относят мн. строит. керамич. материалы, напр. лицевой кирпич, к тонкой — фарфор, пьезо- и сегнетокерамику, ферриты, керметы, некоторые огнеупоры и др., а также фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют т. наз. высокопористую К. (пористость 30–90%), к которой обычно относят теплоизоляц. керамич. материалы. Типы К. В зависимости от хим. состава различают оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и др. К. Оксидная К. характеризуется высоким уд. электрич. сопротивлением (10¹¹-10 Ом∙см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислит. средах в широком интервале температур; некоторые виды — высокотемпературной сверхпроводимостью, напр. иттрий-бариевая К. (см. иттрий), а также высокой огнеупорностью. Среди оксидной К. наиб. распространение получили: 1. Алюмосиликатная К. на основе SiO₂-Al₂O₃ или каждого из этих оксидов в отдельности. Кремнеземистая К. содержит более 80% SiO₂ и подразделяется на кварцевую и динасовую К. Первую изготовляют из кварцевого стекла или жильного кварца, вторую — спеканием кварцита в присутствии Fe₂O₃ и Ca(OH)₂. Кварцевая К. обладает высокой термич. и радиац. стойкостью, радиопрозрачностью, высокой кислотостойкостью и огнеупорностью. По мере увеличения содержания Al₂O₃ в керамич. материалах увеличивается содержание муллита 3Al₂O₃∙2SiO₂, что способствует повышению прочности и термостойкости К., снижению ее кислотности. К керамике, содержащей ок. 28% Al₂O₃, относят "полукислые" материалы (огнеупоры, фарфор, фаянс, гончарные изделия), а также каолиновую вату, теплоизоляц. материалы на ее основе, шамотные огнеупоры и др. Корундовая К., содержащая >90% Al₂O₃, характеризуется высоким электрич. сопротивлением при температурах до 1500 °C, высокими пределами прочности при сжатии (3–4 ГПа) и изгибе (~ 1 ГПа). Из алюмосиликатной К. изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космич. аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и мн. др. 2. К. на основе SiO₂ и др. оксидов. К этому типу материалов относят К. состава SiO₂-Al₂O₃-MgO (кордиеритовая), ZrSiO₄ (цирконовая), SiO₂-Al₂O₃-Li₂O (сподуменовая), SiO₂-Al₂O₃ BaO (цельзиановая К.). Для изготовления такой К. обычно используют глину, каолин, тальк, карбонаты Ва, Li и Ca, MgO, минералы эвкриптит, сподумен, петалит, ашарит, трепел, известняк. Применяют в производстве радиотехн. деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азто- и авиасвечей и др. 3. К. на основе TiO₂, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, a также К. на основе ниобатов и танталатов Pb, Ba, К и Na. Такая К. характеризуется высоким электрич. сопротивлением, высокой диэлектрич. проницаемостью и применяется в электронике и радиотехнике. 4. К. на основе MgO. Получают из магнезита, доломита, известняка, хромомагнезита, синтетич. MgO; в качестве добавок используют CaO, Cr₂O₃, Al₂O₃. Магнезиальную К., содержащую 80% MgO, применяют для изготовления огнеупоров. К. из чистого MgO используют для производства изоляторов МГД генераторов, иллюминаторов летательных аппаратов, в качестве носителей для катализаторов. Магнезиально-известковую (содержит более 50% MgO, 10% CaO), магнезитохромовую (60% MgO, 5–18% Cr₂O₃), хромомагнезитовую (40–60% MgO, 15–30% Cr₂O₃) и хромитовую (40% MgO, 25% Cr₂O₃) К. применяют для изготовления огнеупоров. К. из хромитов La и Y используют в качестве высокотемпературных электронагревателей (выдерживают нагрев до 1750 °C), работающих в окислит. среде. 5. Шпинельная К. на основе ферритов гл. обр. Ni, Co, Mn, Ca, Mg, Zn. Обладает, как правило, ферромагн. свойствами и способна образовывать твердые растворы замещения. Применяют такую К. для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и др. деталей в устройствах памяти и т. п. 6. К. на основе оксидов BeO, ZrO₂, HfO₂, Y₂O₃, UO₂. Химически стойка и термостойка. Так, К. из ВеО (броммеллитовая К.), полученная спеканием ВеО с добавками др. оксидов (ок. 0,5%), напр. Al₂O₃, ZrO₂, обладает наиб. теплопроводностью среди керамич. материалов и способна рассеивать нейтроны. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов, напр. Pt, Be, Ti. В К. из ZrO₂ обычно вводят стабилизаторы (Y₂O₃, CaO, MgO), образующие с ним твердые растворы; применяют для изготовления высокотемпературных нагревателей, защитных обмазок, для изоляции индукторов высокочастотных печей и как конструкционную К. К карбидной К. относят карборундовую К., а также материалы на основе карбидов Ti, Nb, W. Все виды такой К. обладают высокой электро- и теплопроводностью, огнеупорностью, устойчивостью в бескислородной среде (К. на основе SiC, которая устойчива до 1500 °C в окислит. средах). Карборундовую К. изготовляют из порошка SiC или обжигом С в Si. Она имеет высокий предел прочности при сжатии. Карбидную К. используют в качестве конструкц. материалов, огнеупоров, для изготовления высокотемпературных нагревателей электрич. печей и инструментов в металлообрабатывающей промышленности (К. на основе карбидов W, Ti, Nb). Книтридной К. относят материалы на основе BN, A1N, Si₃N₄, (U, Pu)N, а также К., получаемую спеканием соед., содержащих Si, A1, О, N (по начальным буквам элементов, входящих в К., ее называют "сиалон"), или соед., содержащих Y, Zr, О и N. Изготовляют такую К. спеканием порошков в атмосфере азота при давлении до 100 МПа, горячим прессованием при 1700–1900 °C. К. из Si₃N₄ получают реакц. спеканием порошка Si в среде N₂; в этом случае обычно образуется пористая К. Нитридная К. характеризуется стабильностью диэлектрич. свойств, высокой мех. прочностью, термостойкостью, хим. стойкостью в разл. средах. Предел прочности при изгибе для К. из BN составляет 75–80 МПа, для К. из AlN-200–250 МПа, для К. из Si₃N₄ — до 1000 МПа. Керамич. нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей промышленности, тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и др. К. из Si₃N₄ — конструкц. материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe. Среди силицидной К. наиб. распространена К. из дисилицида Mo. Она характеризуется малым электрич. сопротивлением (170–200 мкОм∙см), стойкостью в окислит. средах (до 1650 °C), расплавах металлов и солей. Изготовляется спеканием порошка MoSi₂ с добавками Y₂O₃ и др. оксидов. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислит. средах. Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов некоторых металлов изготовляют оптическую К., применяемую в ИК технике. При изготовлении К. из глины и непластичного материала последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в стругачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15–25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25–45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлич. формы. При изготовлении техн. К. литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные вещества (напр., парафин, воск), олеиновую кислоту и некоторые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в т. ч. вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию орг. связки. Обжиг К. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных веществ подвергают обжигу — сложному процессу спекания, в результате которого создается материал определенного фазового состава и с заданными свойствами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в спец. камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Температуры обжига колеблются от 900 °C для строит. К. до 2000 °C для огнеупорной К. Для получения плотной К. с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакц. спекание. Обычно изделия после обжига готовы к использованию; некоторые виды К. дополнительно подвергают мех. обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и др. видов тонкой К. перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000–1400 °C стекловидный водо- и газонепроницаемый слой (см. глазурь). Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварит. обжигу. При изготовлении теплоизоляц. К. с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или керамич. волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т. п.

^{Лит.: Августиник А. И., Керамика. 2 изд.. Л., 197S; Стрелов К. К., Мамыкин П. С., Технология огнеупоров, 3 изд., М., 1978; Выдрик Г. А., Соловьева Т. В., Харитонов Ф. Я., Прозрачная керамика, М., 1980; Балкевич В. Л., Техническая керамика, 2 изд., М., 1984; Стрелов К. К., Теоретические основы производства огнеупорных материалов, М., 1985.}

_{А. С. Власов}