Керамические материалы в современной технике. Их возрастающая роль и применение

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

РЕФЕРАТ

Керамические материалы в современной технике. Их возрастающая роль и применение

Введение

В современном мире очень широко применяются керамические материалы и изделия. Это связано с большой прочностью, значительной долговечностью, декоративностью многих видов керамики, а также распространенностью в природе сырьевых материалов. Керамические изделия обладают различными свойствами, которые определяются составом исходного сырья, способами его переработки, а также условиями обжига - газовой средой, температурой и длительностью. [1]

Целью данной работы является рассмотрение и изучение керамических материалов, их роль и применение в современном мире. В соответствии с поставленной целью можно выделить и задачи работы: изучить историю развития керамических материалов; технология и область применения керамических материалов; разновидности и роль в развитии техники.

1. Общие сведения о керамических материалах

Керамическими называют искусственные каменные материалы, изготовленные из природных глин с минеральными и органическими добавками путем формования, сушки и последующего обжига. Производство керамических материалов - одно из самых древних и распространенных, возникло оно за несколько тысячелетий до н.э. [2]

Положительными свойствами керамических материалов являются:

1. Высокая прочность;

2. Долговечность;

3. Высокие теплотехнические свойства;

4. Простота изготовления;

5. Декоративность;

6. Огнестойкость;

7. Водонепроницаемость;

8. Полное отсутствие токсичности;

9. Кислотостойкость;

10. Повсеместное распространение сырья для производства.

К отрицательным свойствам относят:

1. Хрупкость;

2. Сравнительно большую объемную массу;

3. Неиндустриальность из-за малых размеров штучных керамических материалов. [5]

Современные виды керамики делят на две группы: конструкционную и функциональную. Под конструкционной понимают керамику, используемую для создания механически стойких конструкций, а под функциональной - керамику со специфическими электрическими, магнитными, оптическими и термическими функциями. [6]

Классификацию керамики по структуре подразделяют на грубую, имеющую крупнозернистую неоднородную в изломе структуру (пористость 5-30%), и тонкую - с однородной мелкозернистой структурой (пористость <5%). К грубой керамике относят многие строительные керамические материалы, например лицевой кирпич, к тонкой - фарфор, пьезо-и сегнетокерамику, ферриты, керметы, некоторые огнеупоры, а также. фаянс, полуфарфор, майолику. В особую группу выделяют так называемую высокопористую керамику (пористость 30-90%), к которой обычно относят теплоизоляционные керамические материалы.

Типы керамики, которые зависят от химического состава, различают на оксидную, карбидную, нитридную, силицидную и другую керамику. Оксидная керамика характеризуется высоким удельным электрическим сопротивлением (10¹¹-10 Ом^,см), пределом прочности на сжатие до 5 ГПа, стойкостью в окислительных средах в широком интервале температур; некоторые виды - высокотемпературной сверхпроводимостью. Среди оксидной керамики наибольшее распространение получили:

1. Алюмосиликатная керамика. Подразделяется на кварцевую и динасовую керамики. Из неё изготовляют посуду, детали и футеровку коксовых и мартеновских печей, ракет, космических аппаратов и ядерных реакторов, носители для катализаторов, корпуса галогенных ламп, костные имплантаты, детали радиоаппаратуры и многое другое.

2. Керамика на основе SiO₂. к ней относят керамику состава SiO2-Al2O3-MgO (кордиеритовая), ZrSiO4 (цирконовая), SiO2-Al2O3-Li2O (сподуменовая), SiO2-Al2O3 BaO (цельзиановая керамика). Применяют в производстве радиотехнических деталей, теплообменников, огнеупоров, изоляторов азто- и авиасвечей и др.

3. Керамика на основе ТiO ₂, титанатов и цирконатов Ва, Sr, Pb, а также керамика на основе ниобатов и танталатов Рb, Ва, К. Такая керамика применяется в электронике и радиотехнике.

4. Керамика на основе MgO. Применяют для изготовления огнеупоров.

5. Шпинельная керамика на основе ферритов Ni, Co, Мn, Са, Mg, Zn. Применяют такую керамику для изготовления магнитопроводов, сердечников катушек и деталей в устройствах памяти и т.п.

6. Керамика на основе BeO, ZrO ₂, HFO ₂, Y ₂ O ₃. Используют ее при изготовлении электровакуумных приборов, тиглей для плавки тугоплавких металлов.

К нитридной керамике относят материалы на основе BN, A1N, Si₃N₄, (U, Pu) N, а также керамику, получаемую спеканием соединений, содержащих Si, Al, О, N, или соединений, содержащих Y, Zr, О и N. Нитридная керамика характеризуется стабильностью диэлектрических свойств, высокой механической прочностью, термостойкостью, химической стойкостью в различных средах. Керамические нитридные материалы применяют для изготовления инструментов в металлообрабатывающей промышленности, тиглей для плавки некоторых полупроводниковых материалов, СВЧ изоляторов и другая керамика из Si₃N₄ - конструкционный материал, заменяющий жаропрочные сплавы из Со, Ni, Cr, Fe.

Среди силицидной керамики наиболее распространена керамика из дисилицида Мо. Она характеризуется малым электрическим сопротивлением (170-200 мкОм^,см), стойкостью в окислительных средах (до 1650°С), расплавах металлов и солей. Применяют для изготовления электронагревателей, работающих в окислительных средах.

Из чистых фторидов, сульфидов, фосфидов, арсенидов некоторых металлов изготовляют оптическую керамику, применяемую в ИК технике.

При изготовлении керамики из глины и непластичного материала, последний измельчают в шаровых мельницах, а глины с добавлением воды размалывают в строгачах или распускают в смесителях; полученные суспензии дозируют и сливают в смесительные бассейны. В зависимости от способа формования суспензию обезвоживают в фильтр-прессах или распылительных устройствах. Из порошков с влажностью до 12% по массе изделия формуют одним из видов прессования; при формовании масс с влажностью 15-25% последовательно используют раскатку, выдавливание, допрессовку, формование на гончарном круге и обточку. Из суспензий с влажностью 25-45% (литейных шликеров) изделия формуют литьем в гипсовые, пористые пластмассовые и металлические формы. При изготовлении технической керамики литейный шликер приготовляют из непластичных порошков, добавляя в тонкомолотую смесь исходного сырья термопластичные вещества (напр., парафин, воск), олеиновую кислоту и некоторые ПАВ; изделия формуют всеми упомянутыми способами, в том числе вибропрессованием. Отформованные изделия подвергают сушке (в случае применения водорастворимой связки) или выжиганию органической связки.

Обжиг керамики. Сформованные изделия или предварительно спрессованные порошкообразные смеси исходных веществ подвергают обжигу - сложному процессу спекания, в результате которого создается материал определенного фазового состава и с заданными свойствами. Обжиг до получения прочного монолита (камневидного тела) проводят в специальных камерных, кольцевых или туннельных печах непрерывного действия. Температуры обжига колеблются от 900°С для строительной керамики до 2000°С для огнеупорной керамики. Для получения плотной керамики с мелкими кристаллами используют также горячее прессование в твердых или эластичных формах (газостатич. прессование) и реакционное спекание.

Обычно изделия после обжига готовы к использованию; некоторые виды керамики дополнительно подвергают механической обработке, металлизации, декорированию. Изделия из фарфора, фаянса и других видов тонкой керамики перед обжигом, как правило, покрывают глазурью, образующей при 1000-1400°С стекловидный водо- и газонепроницаемый слой. Тонкостенные изделия перед глазурованием во избежание размокания в глазурной суспензии подвергают предварительному обжигу.

При изготовлении теплоизоляционной керамики с высокой пористостью используют выгорающие добавки, на месте которых образуются поры, или керамические волокна из алюмосиликатов, из которых по технологии асбестовых изделий и бумаги изготовляют пористые войлоки, шнуры, вату, ленты и т.п. [7]

2. Применение керамических материалов

Керамические материалы обуславливается широким применением в различных областях деятельности человека.

Керамика-это фундамент медицинской техники. Детали из керамических материалов являются ключевыми компонентами усилителя рентгеновских снимков и источников рентгеновского излучения. Усилителя рентгеновских снимков - сердце компьютерных томографов. Он позволяет врачам с уверенностью ставить правильный диагноз при минимальном облучении пациентов.

Свойства, которыми обладает керамические элементы при изгибающей нагрузке, делают их незаменимыми компонентами измерительных систем в авиационной и космической технике. Внезапные изменения давления являются основной испытательной нагрузкой для любого летательного аппарата. Сенсорные мембраны, изготовленные из керамических материалов, распознают критические значения, передают сигналы тревоги и являются надежной защитой безопасности экипажа и пассажиров. Высокая разрешающая способность зарегистрированного сигнала достигается за счет прогиба сверхтонкой сенсорной мембраны.

Керамика используется в вакуумных камерах для ускорителей заряженных частиц, и гарантируют четкую и качественную работу благодаря стабильности геометрической формы в сочетании с высокими электроизоляционными свойствами. Фокусирующие устройства в электронных микроскопах изготовлены с точностью до нескольких микрон. Только при такой точности, возможно проводить исследования различных препаратов в области науки и техники под микроскопом, при высоком разрешении и с высокой четкостью.

В установках для изготовления фотоэлементов и полупроводников используются специальные процессы, происходящие исключительно в условиях глубокого вакуума. Такие материалы, как стекло и фарфор со своими свойствами, в этих экстремальных условиях оказываются за рамками своих возможностей. Электрические проходные изоляторы и изоляционные трубки из керамики помогают в осуществлении самых различных процессов.

Во время технологических обработок типографской пленки и бумаги встречается техническая керамика. В первую очередь, это - направляющие планки из керамических материалов, с помощью которых достигается очень высокая скорость перемещения пленки и бумаги благодаря отшлифованной поверхности, а также малым допускам по геометрическим размерам и по позиционированию. При помощи деталей из керамики возможна также переработка абразивных и даже чувствительных к механическим повреждениям видов пленки. Большая скорость перемещения в сочетании с высоким качеством делают незаменимым применение технической керамики в цифровой печати.

При производстве стекла керамике. Его термостойкость составляет до 1950°C. Благодаря использованию керамики достигается высокая точность измерения температуры при стекловарении и при производстве стеклокерамики. Керамика - химически инертный материал, таким образом, технологическая безопасность при переработке всех химических материалов полностью обеспечена.

При исчезновении напряжения с сети или в автономных системах топливные элементы из керамики обеспечивают электропитание. Изоляция отдельных поверхностей топливного элемента друг от друга и обеспечение зазора между ними осуществляется с помощью рамок из керамики.

При изготовлении электрических ламп термостойкость играет решающую роль. Благодаря высокой коррозионностойкости, колодки и формирующие ролики из керамических материалов гарантируют неизменно высокую точность.

Сварочные штифты из керамики обеспечивают высокую точность взаимного расположения свариваемых деталей автомобильных кузовов. Применение вытяжных штампов из керамики делает излишней дорогостоящую доработку деталей после процессов деформации металла.

Изделия из керамики, установленные в оборудовании для химической промышленности, значительно снижают потери из-за протечки жидких материалов. В то время как керамический защитный экран в магнитной муфте отвечает за обеспечение высокой герметичности химического насоса, антифрикционные свойства керамических поршней насосов высокого давления гарантируют долгую работоспособность элементов, обеспечивающих герметичность.

Инструменты из керамики при обработке твердых поверхностей обладают неоспоримыми преимуществами. О долговечности этих высококачественных инструментов особенно хорошо знают производители высокоточных механических приборов и устройств, например, в часовой, оптической и стекольной промышленности. Поликристаллический спеченный рубин (агломерат-рубин) имеет твердость, близкую к твердости алмаза, и может использоваться для различных видов обработки поверхности деталей.

Керамика отличается исключительным многообразием свойств по сравнению с другими типами материалов. Среди видов керамики всегда можно найти такие, которые с успехом заменяют металлы и полимеры, тогда как обратное возможно далеко не во всех случаях. Использование керамики открывает возможность для создания разнообразных по свойствам материалов в пределах одной и той же химической композиции. [3] [4]

3. Роль в современном мире

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. 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.

Грандиозные перспективы открыты перед сверхпроводящей керамикой и совсем недавно созданной керамикой с гигантским магнитным сопротивлением, перед новым поколением конструкционной керамики, получившей название синэргетической из-за нелинейного эффекта взаимодействия матрицы и наполнителя, давшего возможность производить керамические композиты с рекордно высокой ударной вязкостью. Но не хлебом единым жив человек, и роль керамики сейчас, как и на заре человеческой цивилизации, не исчерпывается только прагматическими целями.

Объем производства керамических материалов во всех странах мира растет необычайно быстрыми темпами. Предполагается, что за грядущие 20 лет мировой объем производства керамики вырастет в 10 раз и превысит 60 млрд долл. в год. 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 (основном компоненте электронных устройств). Такая ситуация, судя по прогнозам, сохранится и в ближайшем будущем. [8]

Заключение

В заключении сказанного можно подвести итоги:

Керамическими называют материалы и изделия, получаемые из порошкообразных веществ различными способами и подвергаемые в технологический период обязательной термической обработке при высоких температурах для упрочнения и получения камневидного состояния.

Современные виды керамики делят на две группы: конструкционную и функциональную.

Керамические материалы применяются в медицине, авиации и космической технике, строительстве, науке, автомобильной и химической промышленностей, типографии и т.д.

Керамика играет важнейшую роль в современном мире и позволяет упростить жизнь человечеству с давних времен.

Список литературы и источников

керамический волокно промышленный

[1] Сажин В.Б. Основы материаловедения. М.: Теис, 2005. - 155 с.

[2] Третьяков Ю.Д. Керамика - материал будущего. М.: Знание, 1987. 48 с.

[3] Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. М.: Наука, 1993. 187 с.

[4] Лейт. Avgustinik A. А. Керамика. 2-е изд.. Л., 1975.

[5] Статьи по теме «Материалы для строительства» [Электронный ресурс]: http://gardenweb.ru/osnovnye-vidy-keramicheskikh-materialov-i-izdelii. (Дата обращения 11.12.2012).

[6] Реферат Третьякова Ю.Д «Керамика в прошлом, настоящем и будущем» [Электронный ресурс]: http://www.pereplet.ru/obrazovanie/stsoros/568.html. (Дата обращения 16.12.2012).

[7] Химическая энциклопедия [Электронный ресурс]: http://www.chemport.ru/data/chemipedia/article_1627.html. (Дата обращения 16.12.2012).

[8] Реферат Белобородова А. «Керамические материалы» [Электронный ресурс]: http://topref.ru/referat/137687.html. (Дата обращения 11.12.2012).

Размещено на Allbest.ru