Керамика из оксида алюминия и циркониевая керамика
Специальная керамика, также известная как тонкая керамика, – это тип неорганических неметаллических материалов, изготавливаемых из высокочистого неорганического неметаллического сырья методом точного формования и спекания. В отличие от традиционной керамики, в качестве основного сырья для неё не используются природные минералы, такие как глина. Вместо этого, благодаря использованию искусственно синтезированного высокочистого сырья и передовых технологий изготовления, она занимает незаменимое место в современной промышленности и науке и технике.
Специальная керамика подразделяется на широкий спектр типов по химическому составу, включая оксидную (например, оксид алюминия, оксид циркония и др.), нитридную (например, нитрид кремния, нитрид алюминия и др.), карбидную (например, карбид кремния, карбид бора и др.), боридную (например, борид циркония, борид лантана и др.), а также композитную керамику, состоящую из нескольких соединений и керметов с добавлением металлов. По области применения её можно условно разделить на две категории: высокопрочную, термостойкую и композиционную конструкционную керамику и функциональную керамику для электротехники и электроники.
От термостойких компонентов в аэрокосмической отрасли до корпусов микросхем и сенсорных элементов в электронной промышленности; от компонентов топливных элементов в энергетике до искусственных суставов и материалов для реставрации зубов в биомедицине – специальная керамика используется повсюду. Она, словно невоспетый герой, незаметно продвигает прогресс современной науки и техники и меняет нашу жизнь.
Керамика на основе оксида алюминия: свойства и применение
(1) Эксплуатационные характеристики
Алюмооксидная керамика, основным компонентом которой является оксид алюминия (Эл₂O₃), занимает важное место в области специальной керамики благодаря своим превосходным эксплуатационным характеристикам. Она обладает чрезвычайно высокой твёрдостью по Роквеллу HRA80-90, уступая только алмазу, что обеспечивает ей превосходные эксплуатационные характеристики в износостойких изделиях. Испытания на износостойкость показали, что износостойкость алюмооксидной керамики в 266 раз выше, чем у марганцевой стали, и в 171,5 раза выше, чем у высокохромистого чугуна. При тех же условиях эксплуатации она может продлить срок службы оборудования как минимум в десять раз и более.
Плотность алюмооксидной керамики составляет приблизительно 3,8 г/см³, что вдвое меньше плотности стали, что эффективно снижает нагрузку на оборудование. Керамика также обладает превосходной химической стойкостью, устойчива к коррозии, вызываемой такими химическими веществами, как сильные кислоты и щелочи, что позволяет ей широко применяться в агрессивных средах, например, в химической промышленности. Керамика также обладает высокой термостойкостью, выдерживая температуры до 1600 °C и выше, и может использоваться в качестве футеровки высокотемпературных печей и огнеупорных материалов.
(2) Области применения
В машиностроении, благодаря высокой твёрдости и износостойкости, алюмооксидная керамика используется для изготовления режущих инструментов, подшипников, уплотнений и т. д. Скорость резания алюмооксидных керамических инструментов выше, чем у инструментов из обычного твёрдого сплава, что значительно повышает эффективность резания. Композитные керамические инструменты на основе Эл₂O₃ также подходят для обработки различных материалов, таких как закалённая и легированная сталь.
Керамика на основе оксида алюминия широко применяется в электронике и электроэнергетике. Она обладает хорошими изоляционными свойствами и теплопроводностью и может быть использована для изготовления керамических подложек, пластин, керамических пленок, прозрачной керамики, изоляционных устройств и т. д. Например, керамические подложки на основе оксида алюминия, обладающие высокой механической прочностью, хорошими изоляционными и светозащитными свойствами, часто используются в керамических подложках для многослойной проводки, корпусировании электронных компонентов и высокоплотных корпусах.
В химической промышленности алюмооксидная керамика может использоваться для изготовления футеровки реакционных котлов, трубопроводов, клапанов и т. д. Благодаря своей химической стабильности и коррозионной стойкости она способна противостоять эрозии под воздействием различных химических сред, обеспечивая безопасную и стабильную работу химического производства.
Циркониевая керамика: свойства и применение
(1)Эксплуатационные характеристики
Циркониевая керамика, основным компонентом которой является диоксид циркония (ZrO₂), обладает превосходными эксплуатационными характеристиками. Она обладает относительно высокой твёрдостью (7–8 по шкале Мооса) и отлично подходит для износостойких изделий. При тех же условиях трения потери от износа циркониевой керамики составляют всего одну десятую от потерь от износа обычных металлических материалов.
Его прочность также весьма выдающаяся: вязкость разрушения составляет 7–15 МПа·м¹/², что значительно выше, чем у обычной керамики. Он эффективно противостоит распространению трещин и не подвержен разрушению. Его износостойкость превосходна, более чем в 200 раз превышая износостойкость нержавеющей стали, что обеспечивает значительные преимущества в условиях интенсивного износа.
Циркониевая керамика также обладает хорошими изоляционными свойствами. Она является отличным изолятором при комнатной температуре и может использоваться в качестве изоляции в электронной и электротехнической промышленности. Также следует отметить её высокую термостойкость: температура плавления достигает 2700 °C, что позволяет стабильно использовать её в условиях высоких температур.
(2) Область применения
В области конструкционной керамики циркониевая керамика часто используется для изготовления режущих инструментов, подшипников, клапанов и т. д. Режущие инструменты из циркониевой керамики острые и прочные, обладают превосходной режущей способностью. Они способны обрабатывать различные труднообрабатываемые материалы и не вступают в реакцию с пищевыми продуктами, поэтому их можно использовать для изготовления столовых и хирургических ножей и т. д. Подшипники из циркониевой керамики обладают такими преимуществами, как высокая термостойкость, коррозионная стойкость и износостойкость, и широко используются в высокоскоростном и высокоточном оборудовании.
Что касается функциональной керамики, циркониевая керамика может использоваться в датчиках кислорода, электродах твердооксидных топливных элементов и т. д. Датчики кислорода, используя свои характеристики проводимости для ионов кислорода, могут быстро и точно определять содержание кислорода в окружающей среде и широко используются в таких областях, как обнаружение выхлопных газов автомобилей и управление промышленным горением.