Оксидні конструкційні керамічні матеріали
ОКСИ́ДНІ КОНСТРУКЦІ́ЙНІ КЕРАМІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ — матеріали, призначені для використання в умовах статичного й динамічного навантаження протягом тривалого часу, а також інструментальні, удароміцні (бронезахисні), зносо- й ерозійностійкі матеріали, носії каталізаторів, біоінертні імплантати. Див. Кераміка, Конструкційні матеріали, Зносостійкі матеріали, Інструментальні керамічні матеріали, Удароміцні матеріали, Матеріали на основі кремнезему. Осн. характеристиками конструкц. оксид. кераміки є: високі міцність при підвищеній т-рі, в’язкість руйнування (критич. коефіцієнт інтенсивності напружень), твердість, зносостійкість. Для забезпечення необхід. рівня характеристик міцності створюють оксидні композиційні матеріали. Оксидну конструкц. кераміку традиційно використовують як вогнетривкі матеріали, що витримують мех. та фіз.-хім. впливи при високих т-рах і застосовують в металург. і хім. промисловості для оснащення різноманіт. печей і теплотех. агрегатів (Металургійні неметалічні сировина й агрегати, Вогнетривких матеріалів промисловість, Вогнетривкі глини). Переважну частину пром. вогнетривів виробляють з різноманіт. мінерал. сировини — глин, каолінів, доломіту, магнезитів та ін. Вогнетривка кераміка переважно має грубозернисту мікроструктуру. З оксид. матеріалів найбільше застосовують кремнеземисті (динас і кварц. кераміка), алюмосилікатні (матеріали системи Al2O3–SiO2) і магнезіал. (з мінералу периклазу — MgO) вогнетриви. Розвиток машинобудування, авіац.-косміч. промисловості, медицини та ін. галузей пов’язаний зі створенням і впровадженням нових типів О. к. к. м. з високими характеристиками міцності як при звичай., так і підвищених т-рах. Технології виробництва цих матеріалів суттєво відрізняються від традиційних, оскільки як вихідні речовини використовують вже різноманітні за методами одержання тонкодисперсні порошки, формування та спікання яких здійснюють за спец. методиками. Концепція структур. інженерії матеріалів визначає, що будь-який матеріал є склад. багаторівневою системою, оскільки будь-яка структура більшого масштабу містить у собі характерні риси всіх поперед. рівнів. Варіювання структури дозволяє змінювати фіз.-хім. та фіз.-мех. властивості матеріалу в широких межах при обраному хім. складі. У виробництві оксид. конструкц. кераміки використовують Al2O3 (корунд), ZrO2, MgO, BeO, ThO2, оксиди рідкісноземел. елементів, тверді розчини та хім. сполуки на їх основі. Конструкц. кераміці з ВеО властивий високий коефіцієнт уповільнення тепл. нейтронів, тому з неї виготовляють конструкц. елементи для ядер. реакторів. Кераміку з МgО застосовують для виробництва вогнетривів, що працюють в лужних середовищах і розплавах; ізоляторів магнітогідродинаміч. генераторів, ілюмінаторів літал. апаратів, а також як носії для каталізаторів. Кераміка на основі ThO2 має не лише високу температуру плавлення, а й високу щільність та радіоактивність, тому з неї виготовляють тиглі для плавлення родію, платини, іридію та ін. металів, конструкц. елементи електропечей. Осн. компонентами сучас. конструкц. матеріалів є оксиди алюмінію та цирконію, їхні тверді розчини й різноманітні композити, використання яких відкриває можливість для створення різних за властивостями матеріалів у межах однієї й тієї ж хім. композиції. Корунд. кераміка містить 95 % Al2O3. Її характеристики міцності (щільність 3,96 г/см3, температура плавлення 2054 °С, межа міцності при вигині 300–800 МПа, в’язкість руйнування (К1с) 3–5 МПа·м0,5, модуль пружності 393–413 ГПа) суттєво залежать від чистоти вихід. матеріалу, властивостей мікроструктури, виду та кількості домішок. Вироби з Al2O3, порівняно з багатьма ін. оксид. матеріалами, мають значно меншу вартість. Завдяки високим мех. властивостям з корунд. кераміки виготовляють різал. інструменти для металооброб. промисловості, форми та пуансони для гарячого пресування, волочил. кільця для мікродроту, фурнітуру ткац. верстатів. Зносостійку кераміку на основі Al2O3 використовують в гірничодобув. і збагачувал. обладнанні для роботи в умовах підвищеного зношування (деталі гідроциклонів, шнеків, заглушок, підшипників, футеровка млинів, роторні ущільнення, компоненти насосів, трубки, шайби та ін.), у харч. і хім. пром-стях, при виробництві паперу, текстилю, створенні носіїв каталізаторів. З чистої корунд. кераміки виготовляють деталі вакуум. печей з вольфрам. та молібден. нагрівачами, оскільки Al2O3 починає взаємодіяти з вольфрамом і молібденом при т-рі 2000 °С. Стійкість до насиченої водяної пари, киплячих соляної, азот., сірчаної кислот обумовила використання Al2O3 в якості труб, клапанів і деталей насосів при перекачуванні абразив. кислот. пульп при тиску 3,7 МПа і т-рі 135 °С. Легка кераміка на основі Al2O3 є одним із поширених видів удароміц. (бронезахис.) матеріалів. Її використовують під час виготовлення бронежилетів, бронювання військ. літаків, вертольотів, транспорт. засобів, танків, приват. автомобілів. Кераміка на основі Al2O3 набула широкого поширення серед біологічно інерт. матеріалів для створення кістк. імплантатів. Найбільш поширені 3 осн. класи конструкц. керам. матеріалів на основі ZrО2: частково стабілізований ZrО2 — PSZ (partially stabilized zirconia); тетрагонал. полікристаліч. ZrО2 — TZP (tetragonal zirconia polycrystals); композити на основі Al2O3, у яких ZrО2 є зміцнюючою фазою — ZTA (zirconia toughened alumina). PSZ — керам. матеріали, що містять стабілізатор у кількості, необхідній для часткової стабілізації кубіч. твердого розчину на основі ZrO2. До цієї групи матеріалів належить і «керам. сталь» — матеріал у системі ZrO2–MgO. Матеріали мають підвищену термостійкість порівняно з кубіч. твердим розчином на основі ZrO2 (F–ZrО2) і в’язкість руйнування. Характеризуються склад. мікроструктурою: у матрич. зернах F–ZrО2 розташ. тонкодисперсні частинки метастабільного Т–ZrО2. Розмір зерен F–ZrО2 досягає 100 мкм, розмір дисперс. виділень змінюється від 10 до 300 нм. Досить високі значення в’язкості руйнування PSZ обумовлені спіл. дією 2-х механізмів зміцнення — трансформаційного та відхилення/розгалуження тріщин. Матеріали розроблені переважно у системі ZrO2–MgO для застосування в зоні т-р 25–200 °С. TZP — керам. матеріали на основі ZrO2 у системах ZrO2–Y2O3, ZrO2–CeO2 і ZrO2–Y2O3–CeO2, в яких матриця — стабілізований до кімнат. температури Т–ZrO2. Осн. механізм підвищення міцності цих матеріалів — трансформац. зміцнення. Вони мають розмір зерен 0,1–0,4 мкм. Кераміка складу 3Y–TZP (ZrO2–3 мол. % Y2O3) характеризується найвищими значеннями межі міцності на вигин (σвиг.= 800÷1000 МПа). Критич. коефіцієнт в’язкості руйнування у кераміки системи ZrO2–СеО2 досягає 20 МПа·м0,5. Матеріали систем ZrO2–СеО2 та ZrO2–Y2O3–СеО2 проявляють ефект «пам’яті форми», обумовлений мартенсит. характером фазового перетворення ZrO2. Кераміка розроблена для застосування в зоні т-р 25–900 °С. Біоінертні імплантати на основі ZrО2 створені як альтернатива імплантатам з Al2O3. Одна з осн. причин використання ZrО2 в ортопед. хірургії та стоматології — його підвищені мех. властивості, що є результатом дії механізму трансформац. зміцнення. ZTA — оксид алюмінію, зміцнений діоксидом цирконію. Це матеріали системи Al2O3–ZrO2–Y2O3–CeO2, що мають істот. потенціал подальшого розвитку. Мікроструктура ZTA-матеріалу відповідає структурі дисперсно-зміцнених композитів: частинки ZrO2 (5–45 %) дисперговано у матриці Al2O3. Для зміцнення використовують дисперсні частинки нестабілізованого, та частково стабілізованого ZrO2, або агломеровані частинки TZP. Порівняно з чистим α-Al2O3, ZTA-композити поєднують високу твердість матриці Al2O3 з високою в’язкістю руйнування ZrO2. Мех. властивості ZTA-кераміки залежать переважно від кількості ZrO2, розміру його зерна, а також від співвідношення Т–ZrO2 і М–ZrO2 та їх розташування в матриці Al2O3. В’язкість руйнування таких матеріалів досягає 17 МПа·м0,5, межа міцності на вигин — до 1700 МПа. Відмінні характеристики обумовлено дією декількох механізмів зміцнення — трансформаційного, відхилення/розгалуження тріщин, мікротріщинуватості, модул. перенесення навантаження. Раніше ZTA-матеріали переважно використовували для створення шліфувал. і металорізал. інструментів. Високотемпературна мех. міцність, термо- та зносостійкість, стійкість до окиснення, низька теплопровідність, а також невелике співвідношення між коефіцієнтами тепл. розширення ZTA-кераміки і металів сприяло розробленню високоміц. виробів: пар тертя (підшипники ковзання) для насособудування, деталей запір. арматури, футерування та куль для розмелювання, різал. інструментів, бронежилетів, пресформ, керам. броні тощо. На основі ZTA-композитів розроблено біоінертні імплантати для ортопедії та стоматології. У сучас. газотурбін. двигунах для зниження температури метал. поверхонь в секціях турбіни й камерах згоряння використовують термобар’єрні покриття. Це збільшує коефіцієнт корис. дії та терміни експлуатації двигунів, запобігає деградації осн. матеріалу. Стандарт. матеріал керам. шару термобар’єр. покриття — твердий розчин на основі ZrO2, стабілізованого (6–8 %) Y2O3 (YSZ), витримує до 1200 °C. Керам. матеріали термобар’єр. покриття нового покоління покликані підвищити температуру їх експлуатації до 1600 °С. Нині розробляють керам. шар на основі YSZ, у якому Y2O3 частково замінено оксидами рідкісноземел. елементів (CeO2, Lа2O3, Sc2O3, Gd2O3, Nd2O3, Yb2O3, Er2O3, Ta2O5) і TiO2. Досліджують матеріали в системах ZrO2–CeO2, ZrO2–Er2O3, ZrO2–Sm2O3, ZrO2–Nd2O3, ZrO2–Gd2O3, ZrO2–Dy2O3, ZrO2–Yb2O3, ZrO2–CeO2–TiO2, ZrO2–Y2O3–Nd2O3 (Gd2O3, Sm2O3)–Yb2O3 (Sc2O3), ZrO2–Sc2O3–Gd2O3, ZrO2–CeO2–Gd2O3, ZrO2–YbO1,5–TaO2,5, ZrO2–Yb2O3–TiO2.
Рекомендована література
- Бакунов В. С., Балкевич В. Л., Власов А. С. и др. Керамика из высокоогнеупорных окислов. Москва, 1977;
- Кайнарский И. С., Дегтярева Э. В., Орлова И. Г. Корундовые огнеупоры и керамика. Москва, 1981;
- Балкевич В. Л. Техническая керамика: Учеб. пособ. Москва, 1984;
- Шевченко В. Я., Баринов С. М. Техническая керамика. Москва, 1993;
- Новые материалы. Москва, 2002;
- Шабанова Н. А., Попов В. В., Саркисов П. Л. Химия и технология нанодисперсных оксидов. Москва, 2006;
- Неорганическое материаловедение: В 2 т. К., 2008.
Завантажити статтю
