SiО2 имеет три основные модификации: кварц, тридимит, кристобалит.

КВАРЦЕВАЯ КЕРАМИКА

Диоксид кремния (SiO₂) - кремнезем

Является кислотным оксидом, в природе встречается в виде песка (кварца), основная часть глин.

Полиморфизм кремнезема

SiО2 имеет три основные модификации: кварц, тридимит, кристобалит.

 

Плотность модификаций различна и переход происходит с изменением объема.

Исходная модификация	температура	Конечная модификация	Объемный эффект, %
β-кварц	573оС→	α-кварц	+0,82
g-тридимит	117оС→	β- тридимит	+0,20
β-кристобалит	180-270оС→	α-кристобалит	+4,90
β- тридимит	163оС→	α-тридимит	+0,20
α-кварц	870оС→	α-тридимит	+16,0
α-кварц	1050оС→	α-кристобалит	+15,4
α-кварц	1610оС→	Кремнеземистое стекло*	+15,5
Кремнеземистое стекло	1728оС→	α-кристобалит	-0,9

 

Динасовые огнеупоры

Фазовый состав динасовых огнеупоров представлен модификациями кремнезема: тридимитом, кристобалитом, неперерожденным кварцем, стеклофазой.

Для изготовления динаса применяют кварциты. Кварциты при обжиге вследствие необратимых полиморфных превращений кварца увеличиваются в объеме. С точки зрения постоянства объема изделия наиболее выгодно формирование в составе огнеупора тридимита.

Перерождение кварца в тридимит увеличивается в присутствии минерализаторов: α-кварц при 1200-1470^оС.

В этом температурном интервале мелкие зерна кварца и метакристобалит взаимодействуют с минерализующей добавкой образуют пересыщенный расплав, из которого кристаллизуется сросток кристаллов α-тридимита.

Минерализаторы:

FeO – металлургический динас

CaO – стекольный динас

Динасовые огнеупоры используются в распорных сводах стекловаренных печей, шлаковиков мартеновских печей, в футеровке камер коксовых печей и др.

 

 

 

Стекло из чистого SiO₂ получают плавлением природных минералов:

Горного хрусталя, жильного кварца и кварцевого песка, а также синтетического диоксида кремния.

Различают два вида промышленного кварцевого стекла:

прозрачное (оптическое и техническое) и непрозрачное.

Непрозрачность кварцевому стеклу придают газовые пузырьки (диаметром от 0,03 до 0,3 мкм), рассеивающие свет.

При Тпл. 1725 ^оС огнеупорность кварцевого стекла оценивают в 2500 ^оС.

Кварцевое стекло используют для создания оптических волокон, лабораторной посуды, тиглей, оптических приборов, изоляторов (особенно для высоких температур), изделий, стойких к температурным колебаниям.

Непрозрачное кварцевое стекло служит сырьём для производства термостойкого огнеупорного материала — кварцевой керамики.

 

КЛТР кварцевой керамики (~ 0,5 ^.10^-6 К^-1) на порядок ниже, чем у других видов оксидной керамики. Это определяет её высокую стойкость к термоударам Используют: теплоизоляция в тепловых агрегатах, трубы для подачи расплавленного алюминия, формы для литья металлов.

В ракетной технике используют изделия из кварцевой керамики пористостью 80—85%.

Кварцевую керамику марки НИАСИТ на основе керамического волокна из чистого кварцевого стекла применяют для изготовления обтекателей ракет и космических аппаратов.

 

Аэросил

коллоидная кремнекислота, получается разложением четыреххлористого кремния в среде пара при температуре выше 1000°C (пирогенный процесс)

SiCl₄ + 2H₂O > SiO₂ + 4HCl

	АЭРОСИЛ 200	АЭРОСИЛ 300	АЭРОСИЛ 380	АЭРОСИЛ R972	АЭРОСИЛ R974
Уд.пов. (БЕТ), м2/г	200 ± 25	300 ± 30	380 ± 30	110 ± 20	170 ± 20
Ср. размер частиц, нм

Аэросилы - активные наполнители, повышают прочность, морозостойкость, улучшают диэлектрические свойства.

 

Современный волоконный световод представляет собой нить из кварцевого стекла диаметром 0,125 мм в полимерной оболочке. Сердцевина диаметром 0,05—0,06 мм из стекла с большим показателем преломления. Для дальних линий связи используют оптическое волокно с диаметром сердцевины 4—6мкм. Волоконно-оптические датчики используют для контроля радиации, температуры, механических напряжений, давления.

СИТА́ЛЛЫ

 

Структура стекла	Структура ситалла	Свойства ситаллов
		плотность 2400-2950 кг/м3, прочность при изгибе – 70-350 МПа, при сжатии – 2000-7000 МПа. твердость - 7000-10000 МПа (близка закаленной стали) высокие износостойкость и термостойкость КЛТР в пределах (7– 300) 10-7 К-1.

 

Производство ситаллов

Технология ситаллов включает стадии: варки стекла, формовки изделий и специальной термической обработки. Добавки от сотых до десятых долей %, служащие катализаторами и центрами кристаллизации стекол:

Главным этапом технологии ситаллов является двухстадийная термообработка.

Первая стадия - образования центров кристаллизации - осуществляется выдержкой при оптимальной температуре.

В торая стадия - рост кристаллов - проводят отжиг.

Высокоглиноземистая керамика находит применение в вакуумной технике, в качестве изоляторов запальных свечей двигателей внутреннего сгорания, для изготовления различных деталей электро- и радиоаппаратуры.

Корундовая керамика

Корундовой называют керамику, содержащую более 95% α-А1₂О₃.

Глинозем табулярный

Пластинчатый (табулярный) корунд, названный по форме кристаллов, слагающих зерна, получают обжигом гранул диаметром до 20-33мм из α-Al2O3 в шахтной печи при температуре 2000оС. Табулярный корунд содержит - более 99% Al2O3. Истинная плотность 3,96 г/см3, кажущаяся плотность 3,65-3,80 г/см3, открытая пористость до 5%. Применяют в производстве огнеупорных бетонов и корундовых масс.

Электрокорунд

Нормальный ЭК

Получают плавлением бокси­тов и выделением монокристаллов корунда. Размеры кристаллов составляют 0,6-0,8 мм. содержащий 93-96 % Al2O3.
Белый электрокорунд

Введением в расплав химических элементов, образующих твердые растворы, получают абразивные материалы с содержанием Al2O3 не менее 99 %

Хромистый электрокорунд

получают при введении оксида хрома в расплав глинозема. При введении оксида хрома до 2 % повышается абразивная способность зерна
Титанистый электрокорунд

OXIDAL

Алюмооксидная керамика

Керамические изоляторы

Керамические изоляторы для вакуумных дугогасительных камер предназначены для комплектации вакуумных коммутационных аппаратов.

Изоляторы для приборов ночного видения - рынок военной продукции. Главным элементом прибора ночного видения является электронно-оптический преобразователь (ЭОП), который усиливает свет и вдобавок превращает инфракрасный свет в видимый.

Керамические подложки для полупроводниковых приборов на основе алюмооксидной (Al₂O₃ более 94 %) или алюмонитридной AlN

керамики. Предназначены для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств.

Минералокерамика

Металлокерамика не магнитна

Броневая керамика

Диоксид циркония

В природе распространены:

циркон (ZrSiO₄)(67,1 % ZrO₂) и бадделеит (ZrO₂).

Наличием гистерезиса

(несовпадение температурных интервалов прямого и обратного перехода) атермальным характером процесса

(происходит со скоростью звука, как только образуется зародыш новой фазы, отсутствует энергия активации);

Невозможностью закаливания

(процесс с атермической кинетикой невозможно предотвратить резким охлаждением - закалкой).

ПРОЗРАЧНАЯ

Корундоциркониевая керамика

В производстве высокопрочных изделий используется способ стабилизации высокотемпературной модификации t-ZrO₂ в композиции с Al₂O₃.

Диаграмма равновесного состояния системы ZrO₂–Al₂O₃

Состав эвтектики: 50 – 63моль% Аl2O3 Эвтектическая температура: 1700 – 18600C

Технология изделий

Конструкционную керамику на основе ZrO₂ получают формованием и спеканием ультрадисперсных порошков, полученных методом ПХС. Формование заготовок проводят в гидростатах при давлении 400-600МПа. Спекают при 1500-2000°С в зависимости от количества оксида стабилизатора. После спекания следует отжиг при 1400–1500°С для выделения дисперсных включений t-фазы. При изготовлении изделий из тетрагонального ZrO₂ применяется закалка от температуры 1600°С.

Области использования

Традиционно керамика на основе стабилизированного ZrO₂ применяют в металлургической промышленности для плавки и разливки металлов.

Современная циркониевая керамика:

(реализация эффекта трансформационного упрочнения)

детали газотурбинных, дизельных и ракетных двигателей, узлы трения, уплотнительные кольца насосов, элементы запорной арматуры, форсунки распылительных камер, фильеры для протяжки проволоки, режущий инструмент, в медицине имплантанты в костные ткани,

высокотемпературные нагреватели для разогрева в печах до 2000 ^оС,

ZrO2 обладает упругостью, прочность на изгиб и коэффициентом теплового расширения, характерными для стали. На керамику не оказывает воздействие магнитное поле, которое вызывает разогрев металлических экранов вихревыми токами.

Защитные экраны для насосов

Толщина стенки: 1.8 мм; наружный диаметр до 180 мм; максимальная длина: 250 мм; Предел прочности на изгиб - до 500 МПа; Модуль Юнга - до 200 ГПа; КТЛР - 10 (10-6/K).

Фианиты +прозрачная

Кубический диоксид циркония с добавками: цезия, скандия, хрома, кобальта. Скорость роста кристаллов 8-10 мм в час. Тпл. 2600 – 2750⁰С, твердость – 8, плотность 5,5 – 5,9 г/см³, показатель преломления 2,15 – 2,18 (близок алмазу)

Керамика на основе SiC

В природе встречается в виде редкого минерала — муассанита..

SiC (карборунд) является единственным соединением кремния и углерода.

При температурах свыше 2600–2700°С карбид кремния возгоняется.

Карборунд имеет высокие твердость: H_μ до 45ГПа, σ_изг до 700МПа.

Карбидокремниевая изделия сохраняет прочность до 2000°С.

Чистый карбид кремния получают возгонкой порошкообразного SiC в атмосфере аргона при 2500 °C и осаждением на холодной подложке в виде чешуйчатых монокристаллов размерами до 2×2 см. При участии индукционного нагрева в графитовых тиглях образуются монокристаллы до 10 см. Кубический SiC, как правило, выращивается с помощью более дорогостоящего процесса — химического осаждения паров.

Получение карбида кремния

Способы синтеза SiC

Спекание в электрической печи	Кристаллизация из газовой фазы	Плазмохимический синтез
спекание кремнезема с углеродом в графитовой электропечи при 1600—2500 °C Кристаллы
Монокристалл	Нанопорошок

Изделия из карбида кремния

Керамика на основе карбида кремния применяется для изготовления уплотнительных колец для насосов, компрессоров, подшипников для валов, для коррозионных и абразивных сред, металлопроводов для жидких металлов. Разработаны новые композиционные материалы с карбидокремниевой матрицей-самолетостроение и в космонавтике.

Конструкционные материалы

Подобно другим высокотвердым керамическим материалам (оксид алюминия и карбид бора), карбид кремния используется как компонент композитной брони, применяемой для защиты вооружения и военной техники. В бронежилете «Кожа дракона», созданном компанией Pinnacle Armor, используются диски из карбида кремния[.

Инфильтрованый кремний в материале «композит углерод-углерод» используется для производства высококачественных «керамических» дисковых тормозов, так как способен выдерживать экстремальные температуры.

Первыми электрическими устройствами из SiC были нелинейные элементы варисторы и вентильные разрядники для защиты электроустановок от перенапряжений. Карбид кремния в разрядниках применяется в виде материала вилита — смеси SiC и связующего.

Жесткость, высокая теплопроводность и низкий коэффициент теплового расширения обуславливает широкое применение карбидкремниевых матриц для изготовления зеркальных элементов в различных оптических системах, например в астрономическихтелескопах. Развитие технологий (химическое осаждение паров) позволяет создавать диски из поликристаллического карбида кремния до 3,5 метров в диаметре.

Химическая промышленность, металлургия: производство тиглей объемом от 0,2 до 6 л, хлороводов для подачи газообразного хлора при производстве хлористого алюминия, термопарных чехлов, футеровочных плит.

В машиностроении: износостойкие элементы оборудования текстильной промышленности: нитеводители – глазки, втулки, кольца, пластины, с ресурсом работы не менее 1 года, что в 3–5 раз выше ресурса аналогичных фарфоровых изделий; изностойкие элементы подшипников, рабочие пластины режущих инструментов.

Керамика из AlN.

ПлотностьAlN 3,12–3,27 г/см³,температура плавления 2400°С. При температуре 1600–1700°С в отсутствие давления азота AlN разлагается. Нитрид алюминия обладает высоким электрическим сопротивлением, высокой теплопроводностью, химической устойчивостью в агрессивных средах.

Керамику из нитрида алюминия изготавливают путем спекания спрессованных или отлитых заготовок в среде азота при температуре 1900°С. К порошку AlN добавляется до 10% алюминиевой пудры, которая при азотировании образует AlN, являющийся связкой. Керамика из чистого нитрида алюминия находит применениев качестве огнеупорного материала, стойкого в расплавах никеля и меди. Перспективным является использование чистого AlN в оптоэлектронной технике для изготовления фоторезисторов.

Керамика из BN.

Нитрид бора BN является единственным соединением бора и азота температура плавления в 3000°С (под давлением азота). Плотность его 2,2–2,35 г/см³.

Порошок α-BN получают синтезом из элементов при температуре выше 2000°С или при нагревании смеси B₂O₃ с восстановителями (углём, магнием) в атмосфере аммиака. Для изготовления плотных изделий применяют горячее прессование, которое обычно осуществляют в графитовых формах при давлении 30–50МПа и температуре 1800–1900°С.

При давлениях выше 6200МПа и температурах выше 1350°С в присутствии катализаторов (щелочных и щёлочно-земельных металлов) α-BN превращается в кубический алмазоподобный β-BN – боразон- эльбор.

КВАРЦЕВАЯ КЕРАМИКА

Диоксид кремния (SiO₂) - кремнезем

Является кислотным оксидом, в природе встречается в виде песка (кварца), основная часть глин.

Полиморфизм кремнезема

SiО2 имеет три основные модификации: кварц, тридимит, кристобалит.