книги / Перспективные композиционные и керамические материалы

3

Глава 1. КОМПОЗИЦИОННЫЕ И КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1. Прошлое, настоящее и будущее керамических материалов

История человечества есть в определенной мере история материалов. Первыми материалами, которыми воспользовался человек для изготовления орудий труда и изделий, были камень и глина.

Пластичность глин использовалась человеком еще на заре его существования, и едва ли не первыми изделиями из глины стали скульптуры людей и животных, дошедшие до нас из эпохи палеолита. Изделия из глины, сравнительно легко формуемые, были недостаточно прочны и легко пропускали воду.

К позднему палеолиту некоторые исследователи относят первые попытки обжига глины. Однако обжиг глиняных изделий с целью придания им твердости, водо- и огнестойкости стал широко применяться только в неолите.

Глина, обожженная в костре, – первый искусственный материал, полученный человеком.

Первоначально основным видом керамики была посуда для хранения запасов и варки пищи, которую лепили вручную. В дальнейшем помимо посуды стали изготавливать другие изделия: печати серпы, саркофаги, таблички для клинописи, украшения, покрытые цветными глазурями

(рис. 1.1).

Важной вехой в производстве керамики было изо-

бретение гончарного круга, с применением которого резко повысилась производительность труда и качество изделий.

Зародившаяся в начале III тыс. до н. э. металлургия использовала керамические материалы для футеровки плавильных печей, форм

5

и тиглей. Огнеупоры Древнего Рима и Средневековья имеют приблизительно такой же состав, что и некоторые современные.

Глинобитные жилища, обожженные снаружи кострами, – первый пример применения керамики в качестве строительного материала (IV– III в. до н.э.). Терракотовые архитектурные детали, черепица, водопроводные трубы изготавивали как в Древней Греции, так и в Древнем Риме, где особенно развилось производство кирпича, из которого сооружали сложные конструкции.

Само слово «керамика» пришло к нам из древнегреческого языка (керамос – обожженная глина, керамике – гончарное искусство).

Высокого развития производство керамики достигло в Китае. Смешивая глину с полевым шпатом, в Китае научились делать фарфор, что позволило получать после обжига изделия, отличающиеся большой твердостью и изяществом. Его появление и совершенствование в процессе деятельности человека оказало заметное влияние на развитие цивилизации.

ВЕвропу китайский фарфор был привезен в начале XVI в. португальскими купцами, назвавшими его porcellan по сходству с блестящей морской раковиной. До этого в Европе фарфора не было. Подлинный европейский фарфор был создан в 1709 г., случайно, саксонским алхимиком и аптекарем Иоганном Бетгером. Спустя два года в г. Мейсене была открыта мануфактура. В Англии с середины XVIII в. производили изделия из костяного фарфора с добавкой фосфорных соединений кальция, полученных при сжигании костей животных (Веджвудская мануфактура).

ВРоссии китайский фарфор был известен с XVII в. Петр I положил начало длительным поискам секрета его производства. Над изысканием рецептов новых керамических масс трудились известные ученые М.В. Ломоносов и Д.И. Виноградов. Первый завод по производству фарфора был построен в 1744 г. Большой вклад в разработку отечественного фарфора внес Д.И. Виноградов, который предложил оригинальную технологию производства твердого фарфора. Его состав фарфоровых масс отличался от китайского и саксонского фарфоров.

Великая индустриальная революция, начавшаяся в XIX в., дала миру немало изобретений и открытий, изменивших жизнь человечества, и практически любые крупные технические новации прошлого реализованы с помощью керамики.

6

Точкой отсчета, когда на промышленную арену вышла керамика, (теперь ее называют высокотехнологичной), можно считать 1893 г. Именно тогда Эдвард Гудрих Эксон (Acheson) создал компанию The Carborundum Company, разработал метод получения карбида кремния и начал его производство.

Уже в то время термин «керамика» приобрел более широкое значение: помимо традиционных материалов, изготавливаемых из глин, к ней стали относить материалы, получаемые из чистых, простых и сложных оксидов, карбидов, нитридов и т.д.

После Второй мировой войны одним из главных направлений развития высокотехнологичной керамики стало создание микрокомпьютеров и важнейших элементов электронной техники, включая конденсаторы, подложки интегральных схем, термисторы и варисторы. Керамическая промышленность, которая традиционно производила стекло, посуду, строительные и огнеупорные материалы, стала выпускать материалы для самых современных и перспективных отраслей техники.

Сейчас под керамикой понимают любые поликристаллические материалы, получаемые спеканием неметаллических порошков природного или искусственного происхождения.

Качественные огнеупоры, автомобильные свечи зажигания, люминесцентные экраны, сегнетоэлектрики, радиодетали, керамика для двигателей внутреннего сгорания, керамические сверхпроводники – вот далеко не полный перечень крупных областей керамической индустрии, развитых в последнее столетие. Широко применяется керамика в разных областях оборонной техники – ракетостроении, авиации, бронезащите персонала и транспортных средств и т.д.

В мире современных материалов керамике принадлежит заметная роль, обусловленная широким диапазоном ее разнообразных физических и химических свойств. Керамика не окисляется и устойчива в более высокотемпературной области, чем металлы. Например, температура плавления карбида гафния (3930 °С) на 250° выше, чем у вольфрама. У распространенных керамических материалов (оксидов алюминия, магния, тория) термическая устойчивость намного превышает устойчивость большинства сталей и сплавов. Модуль упругости керамических волокон на порядок выше, чем у металлов. В семействе керамик легко можно найти материалы как с большими, так и малыми значениями коэффициента термического расширения. Также широк спектр материа-

7

лов, среди которых есть и диэлектрики, и полупроводники, и проводники (сравнимые по проводимости с металлами), и сверхпроводники.

Перспективность керамики обусловлена такими факторами, как многообразие свойств по сравнению с другими типами материалов (металлами и полимерами), доступность сырья и др. (рис. 1.2).

Важнейшими компонентами современной конструкционной керамики являются оксиды алюминия, циркония, кремния, бериллия, титана, магния, нитриды кремния, бора, алюминия, карбиды кремния и бора, их твердые растворы и разнообразные композиты.

К передовым видам керамики относят прежде всего конструкционную керамику, содержащую частично стабилизированный диоксид циркония. На основе этого оксида создана «керамическая сталь», отличающаяся очень высоким пределом прочности при изгибе (до 2500– 3000 МПа). К конструкционной керамике относят также материалы на основе нитрида и карбида кремния, которые характеризуются достаточно высокой прочностью (до 500–1000 МПа) не только при комнатной температуре, но и сохраняют ее до 1300–1400 °С. Кроме того, они отличаются высокой теплопроводностью и термостойкостью.

Интерес к конструкционной и функциональной керамике в последние годы возрос, что обусловлено многими обстоятельствами, и прежде всего возможностью создания новых материалов с необходимыми свойствами.

Перспективность керамики

Рис. 1.2. Факторы, обусловливающие перспективность керамики

8

В ближайшее десятилетие перспективными и приоритетными в керамической и стекольной науке и промышленности будут следующие направления:

•ультрадисперсное состояние, супрамолекулярная химия, коллоидные системы;

•исследования, расширяющие пределы свойств материалов и экс-

плуатацию их в еще более экстремальных условиях; исследования

вобласти механизмов износа;

•создание новых конструкционных и функциональных материалов с воспроизводимыми свойствами и надежным функционированием;

•создание новых биоматериалов, прежде всего имплантататов, биосенсоров, материалов, обеспечивающих доставку лекарственного вещества к участку действия (пористые среды) или химических веществ к растениям и т.п.

Особое место в технике сейчас занимают «интеллектуальные» материалы, имеющие свойство не только воспринимать внешние воздействия, но и изменять свои характеристики (и даже форму) необходимым образом. В первую очередь это так называемые функциональные стекла и керамики, имеющие нелинейные зависимости электрических, магнитных, механических и тепловых свойств.

В области технологии материалов будут развиваться процессы, дающие наибольшую экономическую эффективность, включая малотоннажную химию и технологии микро- и нанопорошков, другие, необходимые для создания материалов более высокого класса (биокомпозитов, функциональных стекол, «интеллектуальной» керамики и полимеров) и их практического применения.

Следует ожидать появления материалов, которые легко перерабатываются; процессов переработки, обеспечивающих гарантированные свойства материалов и низкие цены; решения проблемы минимизации объемов захоронения материалов и восстановимых сырьевых материалов, в частности, для производства органических химикатов.

1.2. Мировой рынок технической керамики

Высокотехнологичная керамика – сравнительно новый вид материалов, и поэтому масштабы ее производства как по объему, так и по стоимости продукции существенно уступают производству традицион-

9

ных металлических и полимерных материалов. Вместе с тем темпы роста ее выпуска, от 15 до 25 % ежегодно, намного превышают соответствующие показатели для стали, алюминия и других металлов. Объем производства керамических материалов во всех странах мира растет необычайно быстрыми темпами. В настоящее время основными производителями керамики являются США и Япония (38 и 48 % соответственно). США доминируют в области конструкционной керамики, предназначенной в первую очередь для металлообрабатывающих целей. Япония безраздельно доминирует в области функциональной керамики. Крупнейшие фирмы-производители технической керамики в США: Coors, Corning, Kemet, Motorola; в Японии: Kyocera, Murata, Narumi, TDK, Toshiba Ceramics, Sumitomo Metal; в странах Европы: Ceramtec, Draloric, Morgan Matroc, Philips, Siemens, Thomson-LCC.

Аналитики рынка керамики единодушно отмечают, что производство технической керамики вызывает огромный интерес как в научном сообществе, так и в правительственных кругах, желающих обеспечить основу промышленного роста. Этот интерес сохраняется у крупных компаний, чувствующих большие возможности для бизнеса. Ежегодный объем продаж технической керамики на мировом рынке увеличивается в среднем на 6–8 %.

Рис. 1.3. Сравнительная характеристика объема продаж керамических материалов

Развитие производства технической керамики во многом определяется достижениями технологий синтеза исходных порошков, в том числе чистых с размерами зерен менее 1 мкм. Наиболее широко использу-

10