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, вʼязкість 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 повʼязаний 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, вʼязкість руйнува­н­ня (К_1с) 3–5 МПа·м^0,5, 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 вʼязкість 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 вʼязкос­ті 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 (σ_виг.= 800÷1000 МПа). Критич. коефіцієнт вʼязкості руйнува­н­ня у кераміки системи ZrO₂–СеО₂ досягає 20 МПа·м^0,5. Матеріали систем ZrO₂–СеО₂ та ZrO₂–Y₂O₃–СеО₂ проявляють ефект «па­мʼяті 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 вʼязкістю 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. Вʼязкість руйнува­н­ня таких матеріалів досягає 17 МПа·м^0,5, 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 термобарʼєрні покри­т­тя. Це збільшує коефіцієнт корис. дії та терміни екс­плуатації двигунів, запобігає де­градації осн. матеріалу. Стандарт. матеріал керам. шару термобарʼєр. покри­т­тя — твердий роз­чин на основі ZrO₂, стабілізованого (6–8 %) Y₂O₃ (YSZ), витримує до 1200 °C. Керам. матеріали термобарʼєр. 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–YbO_1,5–TaO_2,5, ZrO₂–Yb₂O₃–TiO₂.