Композиционные материалы

 Керамика из кварцевого стекла  обладает многими ценными свойствами  исходного материала: низким коэффициентом  температурного расширения, хорошими  электротехническими параметрами,  высокой химической стойкостью.

 В отличие от кварцевого  стекла, теплопроводность которого  увеличивается с ростом температуры,  кварцевая керамика имеет довольно  низкую теплопроводность, мало изменяющуюся  вплоть до 1100° С.

 С нагревом до 1200°С механическая  прочность кварцевого стекла  плавно возрастает на 50—60%.

Таблица 3.1 - Физико-химические свойства кварцевых стёкол

Свойства	Вид стекла
	непрозрачное	прозрачное
Удельный вес, г/см3	2,02 – 2,15	-
Пористость, %	3,0 – 7,5	0
Модуль упругости, кГ/мм2	6000	6500 – 7000
Коэффициент Пуассона	-	0,26
Предел прочности, кГ/см2 (20о С) при:
сжатии	3500	6500
изгибе	450	1000
растяжении	400	600

Нейтронное облучение практически  не влияет на механические свойства кварцевой  керамики, что позволяет использовать ее в качестве топливных элементов. В поры керамики вводят раствор и  заплавляют их струей плазменной горелки.

 Примером использования кварцевой  керамики в космической технике  является носовой обтекатель  в межконтинентальной баллистической  ракете США «Титан». Температура  при входе ракеты в плотные  слои атмосферы значительно выше  температуры плавления кварцевого  стекла и доходит до 2500°С. Но  так как время пребывания ракеты  в плотных слоях атмосферы  весьма мало, а кварцевая керамика обладает высокой вязкостью, обтекатель из стеклокерамики вполне справляется с нагрузкой.

 Кварцевая керамика применяется  в качестве штампов для горячего  прессования и для других целей.

 

4 Высокоогнеупорная теплоизоляционная керамика

 

 В последнее время разработаны  теплоизоляционные керамические  материалы, которые благодаря  наличию в них большого числа  мельчайших пор имеют малый  объемный вес и низкую теплопроводность. Теплоизоляционную керамику получают  из многих огнеупорных окислов.  Предельная температура службы  пористого корунда 1800—1850° С.  Корундовая пенокерамика применяется  в высокотемпературных печах,  газогенераторах, в вакуумной  технике в качестве электроизоляторов,  фильтров и носителей катализаторов.

 Более высокую температуру  службы имеет циркониевая пористая  керамика. В среде воздуха, азота,  водорода и в вакууме она  может использоваться вплоть  до 2300°С, в присутствии углерода  — до 1650° С.

 Пористая керамика на основе MgO находит применение в качестве  высокотемпературной теплоизоляции,  фильтров в щелочных средах  и в ядерных топливных агрегатах.

 Большое значение пенокерамика  имеет для космической техники.  Температура вблизи поверхности  космического корабля при входе  в плотные слои атмосферы достигает  7000° С.

 Для решения задачи теплозащиты  космических аппаратов идут по  пути выбора и создания материалов, которые бы в процессе эксплуатации  поглощали большое количество  энергии. В то же время эти  материалы должны обладать низкой  теплопроводностью. Весьма перспективным  с этой точки зрения является  пенокварц. Его предварительно  пропитывают смолами, которые  разлагаются при высоких температурах.

 Пенокерамика из кварцевого  стекла имеет преимущества перед  такими материалами, как А₁₂0₃, ZrO₂. По теплоизоляционным свойствам, отнесенным к соответствующему весовому показателю, названные материалы в порядке улучшения своих теплоизоляционных свойств распо­лагаются в следующий ряд:, чему соответствуют уменьшающиеся значения произведения  ( — коэффициент теплопроводности, р — объемный вес пенокерамики) — 10,5—3,4—1,8.

 Разработан метод получения  комбинированного теплоизоляционного  материала, представляющего собой  сочетание керамического пенолегковеса  с металлической сотовой структурой. Такой материал устойчив в  условиях сильной вибрации и  больших ускорении.

Таблица 4.1 - Свойства огнеупоров на основе хрома

Доля усов муллита, %	Пористость, %	Предел прочности, кгс/см2, при		Ударная вязкость, кгс*см/см2	Коэффициент термического расширения, α*10-6 1/оС	Термостойкость, число теплосмен 1200 – 20оС
		сжатии	изгибе			воздушн.	водяных
0	1,1	2800	920	1,9	40	2	510
5	1,18	3200	1200	4,7	100	18	1000
10	1,2	3600	1600	6,0	100	30	1500
15	1,35	3100	1010	5,3	100	21	960
20	1,45	3000	800	3,8	100	15	680

 

5 Радио-, пьезо- и ферритокерамика

 

 Керамика является одним  из наиболее универсальных по  своим техническим возможностям  электроизоляционным материалом  и находит применение в самых  различных областях электро- и  радиотехники. Наиболее высококачественные  виды электротехнической керамики  применяются в высокочастотной  технике. Основными типами радиотехнической  керамики являются: электроизоляционная,  полупроводниковая и магнитная.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 5.1 – Электроизоляционный тип радиотехнической кераміки

 

 Широкое применение в радиотехнике  находит корундовая керамика. По  сравнению с другими радиокерамическими  материалами корундовые отличаются  самой высокой механической прочностью. Они обладают также высокой  термостойкостью, малыми диэлектрическими  потерями, высокими твердостью, плотностью  и химической стойкостью. Сочетание  этих ценных свойств позволяет  применять корундовые материалы  в качестве изоляторов для  автосвечей, оснований печатных  схем, в магнетронных трубках,  для конденсаторов, вакуумплотных  спаев с металлами и др. Отрицательным  свойством глиноземистых материалов  в технологическом отношении  является их высокая абразивность, затрудняющая механическую обработку  сырых заготовок и шлифование  обожженных деталей.

 Большой интерес представляет  вакуумплотная корундовая керамика  из очень чистой окиси алюминия  для использования в термоионных  приборах, в которых электроды  находятся друг от друга на  очень малом расстоянии.

 Просвечивающаяся керамика  из А₁₂О₃ используется для изготовления корпусов ламп, работающих по принципу разряда в парах металла. Керамические корпуса ламп могут эксплуатироваться при очень высокой температуре (до 1500° С). В США разработаны керамические лампы на основе материала «лукалокс» со светоотдачей, в четыре раза превышающей светоотдачу обычных ламп накаливания.

 Детали из корундовой керамики  часто используют в составных  металлокерамических конструкциях, где требуется хорошая прочность  сцепления, вакуумплотность.

 В настоящее время помимо  названных новых видов керамики  находят применение ранее разработанные  керамические составы, такие,  как корундо-муллитовая, цельзиановая  керамика, стеатит, форстерит, шпинелевая, волластонитовая керамика.

 Пьезокерамические материалы  получают из окислов металлов. Этому виду керамики присуще  особое свойство — пьезоэлектрический  эффект, т. е. способность поляризоваться  при упругой деформации и, наоборот, упруго деформироваться под действием  электрического поля.

 Пьезокерамические материалы  представляют собой неорганические  диэлектрики с высокой диэлектрической  проницаемостью, зависящей от напряженности  электрического поля. Для них  характерно также наличие резко  выраженного максимума на кривой  зависимости диэлек­трической проницаемости  от температуры. Такие диэлектрики  обладают спонтанной поляризацией  и относятся к сегнетодиэлектрикам.

 Основными видами пьезокерамики  являются: керамика на основе  титанита бария (ВаTiO₃) и его производных, ниобата бария-свинца PbBa(Nb₂O₆) и цирконат-титанат свинца Pb(ZrTi)0₃.

 Одной из главных областей  применения пьезокерамики является  изготовление малогабаритных радиоконденсаторов, что особенно важно при производстве  транзисторов и некоторой радиоаппаратуры.  Способность пьезокерамики к поляризации используют при получении диэлектрических запоминающих устройств электронно-счетных машин.

 Широкие области применения  пьезокерамики приводят к разнообразию  требований, предъявляемых к ней:  температурная и временная стабильность, широкий диапазон рабочих температур (от 250 до 500°С и выше), способность  к работе в сильных электрических  полях и под большим давлением.

 Ряду этих требований удовлетворяют  керамические ферриты. Керамические  ферриты не уступают обычным  металлическим магнитным материалам  в способности намагничиваться,  но обладают низкой электропроводностью.  Они служат для изготовления  постоянных магнитов, сердечников  высокочастотных и импульсных  трансформаторов, малогабаритных  антенн, магнитных усилителей.

 Ферромагнитными свойствами  обладают не только окислы  железа, но и многие другие  окисные соединения—окислы хрома,  марганца, кобальта, никеля, вольфрама.  Ферриты, относящиеся к классу  магнитномягких, широко используются  в радио и телевидении. Магнитномягкие  ферриты обладают постоянством  магнитной проницаемости.

 

6 Стеклокристаллические материалы

 

 Стеклокристаллические материалы  — ситаллы представляют собой  стекло в кристаллическом состоянии.  При получении стеклокристаллических  материалов учитываются следующие  факторы: состав исходного стекла, каталитические добавки и режим  термообработки стекла при кристаллизации. В стеклокерамике решающая роль  должна быть отведена не столько  химическому, сколько фазовому  составу материала. Фазовый состав  и кристаллическая структура  определяют основные свойства  стеклокерамики — прочность,  плотность, коэффициент термического  расширения, электрические и другие  свойства.

 Для получения ситалла стекломасса  с содержащимися в ней катализаторами (фториды, фосфаты щелочных или  щелочноземельных металлов, FeS, TiO₂ и др.) формуется и охлаждается. Для образования кристаллов материал нагревается повторно. Его термическую обработку проводят на низшей (образование зародышей — 500—700° С) и высшей (развитие кристаллических фаз — 900—1100°С) температурных стадиях в один или несколько циклов. При соответствующем режиме термической обработки достигают 95%-ной кристаллизации материала.

Таблица 6.1 - Некоторые свойства ситаллов

Свойство ситалла	Фотокерам 8603	Пирокерам 9605	Пирокерам 9606	Пирокерам 9608
	непрозрачный	непрозрачный	непрозрачный	прозрачный
Плотность, г/см3	2,39	2,62	2,60	2,50
Модуль упругости, кГ/см3	-	13860	12460	8780
Коэффициент Пуассона	-	-	0,245	0,25
Температура размягчения, оС	1000	1350	1250	1250
Предел прочности при изгибе, кГ/мм2	25,2	25,9	22,4	16,1
Коэффициент линейного расширения 107, 1/оС	100	14	57	2,20

Стеклокристаллические материалы  могут быть использованы в вакуумной  технике (электронные приборы), машиностроении (подшипники), как покрытия для металлов и в специальных областях техники.

 

7 Керамика из волокнистых материалов и армированная керамика

 

 Керамика обладает сравнительно  низкой прочностью при растяжении, недостаточными ударной вязкостью  и термостойкостью. Использование  положительных свойств керамики  в современных устройствах, работающих  при высоких температурах, предполагает предварительное устранение этих недостатков. На это и направлены широко проводимые в настоящее время работы по армированию керамики металлическими волокнами.