XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

Введение

Развитие в производстве новых керамических материалов определяется достижениями в науке, и готовностью промышленности к внедрению их на производство [1].

Благодаря своим свойствам керамика используется в широком диапазоне применений, включая химическую промышленность, машиностроение, электронику, аэрокосмическую и биомедицинскую инженерию [2].

В последние годы высокотемпературная керамика на основе оксидных или полимерных матриц находят все более широкое применение в таких условиях, где металлические и органические материалы будут обладать следующими свойствами:

Высокая диэлектрическая прочность;

Высокая теплопроводность;

Пригодность к металлизации поверхности, в том числе, к присоединению «толстой» металлизации;

Вакуум-плотность;

Совместимость с металлическими элементами (для производства металлокерамических изделий и электропроводной керамики);

Относительная простота технологии (невысокая температура обжига и устойчивость к атмосфере обработки, низкая усадка после обжига, возможность механообработки) и невысокая цена изготовления, воспроизводимость параметров.

Керамика и ее свойства.

Керамика — это твердый поликристаллический материал, который состоит из минимум двух элементов, причем один из них является неметаллом, полученный путем нагревания или нагревания и прессования. Керамика может быть получена на основе оксидов, галогенидов, халькогенидов, нитридов, карбидов и т.д.

Керамика состоит из отдельных кристаллов - зерен, которые имеют свою ориентацию в пространстве, границ между зернами и пор. Размер зерен в керамических изделиях варьируется обычно 1-50 мкм.

Рис. 1. Микроструктура керамики[3].

Границы между зернами служат местом скопления примесей и дефектов, поэтому механические свойства керамики часто определяются свойствами межзеренных границ.

Другой важной характеристикой керамики является пористость, которая в зависимости от назначения изделия должна либо сведена к нулю (для оптической), либо иметь определенное значение (для пористой).

Микроструктура керамики определяет многие ее свойства – прозрачность, прочность на изгиб и растяжение, термостойкость и т.д. [3]

Механические свойства керамики характеризуются высокой твердостью, близкой к твердости алмаза, большим сопротивлением истиранию и коррозионной стойкостью при комнатной температуре. Также к основным свойствам керамики можно отнести:

плотность – 1800–3900 кг/м³ и более;

высокая хрупкость;

высокое электрическое сопротивление, отличные диэлектрические свойства;

водопоглощение – для пористой керамики 6–20% по массе (12–40% по объему), а для плотной – 1–5% по массе (2–10% по объему);

теплопроводность в зависимости от пористости и химического состава;

водостойкость, химическая стойкость и жаростойкость [4].

Композитная керамика

Хрупкость это один из главных недостатков керамических изделий. Для улучшения свойств используют наполнение керамических матриц частицами отдельных кристаллов, усов волокон и прослоек. Одной из основных целей создания композитов на основе керамических матриц состоит в увеличении вязкости разрушения материала. Блочная керамика и композит, наполненный частицами, разрушаются катастрофически. Зато армированная волокнами керамика после достижения максимальной нагрузки сохраняет значительную долю несущей способности. Но недостатком таких композитов заключается в их высокой стоимости.

Метод прессования заключается в прессовании гомогенной смеси двух компонентов (порошка матричного компонента с наполнителем в форме частиц или усов и связующего вещества) с последующим спеканием [7].

Трудность при выполнении данного метода заключается в получение гомогенной смеси при высоком содержании наполнителя. Агломерация, или по-другому процесс слипания мелких частиц друг с другом, частиц сильно снижает плотность заготовки. Также, усы и волокна могут повреждаться при смешивании и прессовании.

Для успешного получения композита необходимо, чтобы компоненты были однородно распределены по объему жидкой смеси. Это достигают подбором рН водного раствора. Качество измельчения можно улучшить перемешиванием и ультразвуковой вибрацией. После этого деталь формуется методом шликерного литья или сушкой модели. Преимущество метода состоит в возможности использования в качестве наполнителя волокон и усов. Но в результате данного метод получаются композиты, обладающие высокой пористостью [3].

Композитная керамика с органическими полимерами.

Композитная керамика с органическими полимерами широко применяется в производстве, т.к. в ней сочетаются свойства как органических, так и неорганических компонентов. Данные материалы могут представлять собой волокна, гели, тонкие пленки или объемные материалы. Они применяются в различных отраслях: оптика, электроника, катализ, покрытия, конструкционные материалы и т.д.

Полимер для композитных материалов выбирают с учетом условий эксплуатации изделий, потому что от него зависят свойства получаемой керамики. Чаще всего полимеры используют либо в чистом виде (порошки, гранулы, пленки), либо в виде связующих (многокомпонентная система из полимера и отвердителей). В связующее для придания необходимых свойств добавляют растворители, красители, стабилизаторы и другие компоненты [5].

Главными преимуществами органических полимеров являются низкий удельный вес и высокая технологичность. Многие органические полимеры сочетают в себе высокую прочность с высокой ударной прочностью и устойчивость к образованию трещин.

К недостаткам органических полимеров следует отнести то, что при их окислении и разложении образуются газы [6].

Золь-гель метод дает возможность синтезировать уникальный класс органо-силикатных композитов. Сетка диоксида кремния образуется в результате гидролиза и конденсации кремнийорганических соединений, в которых гидролизу подвергаются четыре связи на атом кремния, например, Si(OR)₄, или три, или две связи, например, R’Si(OR)₂ или R’R”Si(OR)₂. Эта реакция проводится в среде акриловых или виниловых композиций, которая способна к полимеризации. Если скорости реакций и гидролиза отличаются не слишком сильно друг от друга, получается композит, в котором полимеризованы обе составляющие. Достичь этого можно, применяя микроэмульсии. Кремнийорганические соединения, как правило, хорошо растворимы в органических растворителях и плохо – в воде, как и мономеры, поэтому можно создать микроэмульсию, которая благодаря добавке поверхностно активных веществ будет достаточно стабильной, и с ее помощью реализовать ситуацию, при которой будет идти одновременно образование взаимно пересекающихся полимерных цепей и силикатной сетки [3].

Рис. 2. Структура сетчатого силикатно-полимерного композита [3].

Заключение

Керамика — это твердый поликристаллический материал, который состоит из минимум двух элементов, причем один из них является неметаллом, полученный путем нагревания или нагревания и прессования.

Но ее главный недостаток – хрупкость, поэтому для улучшения свойств используют наполнение керамических матриц частицами отдельных кристаллов, усов волокон и прослоек, как неорганических, так и органических. Главными преимуществами органических полимеров являются высокая прочность и устойчивость к образованию трещин. Но при синтезе органические вещества могут окислять и раскладывать на летучие и вредные газы.

Список литературы

Козару Т. В. Форстеритовая керамика на основе природных кальциймагниевых силикатов: дис. – Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Пермский государственный технический университет, 2007.

Chen Z. et al. 3D printing of ceramics: A review //Journal of the European Ceramic Society. – 2019. – Т. 39. – №. 4. – С. 661-687.

Михайлов М. Д. Современные проблемы материаловедения. Нанокомпозитные материалы. – 2010.

Свойства керамики [Электронный ресурс] Томский политехнический университет//URL:https://portal.tpu.ru/SHARED/s/SHARKEEV/metod/Tab2/Лекция%20Керамические%20 материалы.pdf#:~:text=Основные%20виды%20тонкой%20керамики%20-,в%20тонких%20 слоях%20может%20просвечивать (Дата обращения к ресурсу: 12.10.2021).

Бондалетова Л. И., Бондалетов В. Г. Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие //Томск: Изд-во Томского политехнического университета. – 2013. – Т. 118.

Берлин А. А. Природные и искусственные конструкционные материалы //Вестник Московского университета. Серия 2. Химия. – 2005. – Т. 46. – №. 3.

Гузман И. Я. Химическая технология керамики. – 2003.

Код для цитирования: Скопировать