Керамика
«Keramos» – значит обожженный материал
Керамики можно определить как неорганические вещества с ионной и ковалентной межатомной связью.
Это слово происходит от наименования района древних Афин — «Сerami», где гончары производили свои товары. К традиционным керамикам относят как изделия керамической промышленности – глиняную посуду, фарфор, фаянс, черепицу и кирпичи, так и сырьё для их производства. Главным сырьём служит обыкновенная глина, состоящая из небольших кристаллов гидратированных алюмосиликатов, т.е. соединений, содержащих в различных пропорциях Al2O3, SiO2 и H2O. После формовки посредством пластической деформации керамические изделия обжигаются при высокой температуре для того, чтобы удалить воду и обеспечить условия для протекания различных реакций. Микроструктура готовых изделий состоит из кристаллов тугоплавких компонентов, заключенных в стеклообразную (некристаллическую) матрицу. Сам материал представляет собой сложную гетерогенную неравновесную систему, которая с трудом поддаётся контролю. В производстве керамики до сих пор искусство и опыт играют важную роль. Специалисты по физике твёрдого тела только приступили к объяснению свойств керамик, исходя из свойств отдельных фаз.
В настоящее время термин «керамика» приобрёл более широкое значение. Кроме традиционных материалов, изготавливаемых из естественной глины, этим термином обозначают новые керамики, например, очень чистые и плотные простые оксиды, карбиды, нитриды, графит, керметы (керамики в металлической матрице), стёкла (аморфные оксиды) и стеклокерамики, бетон (в ряде случаев такие материалы, как бетон и стекло, не относят к керамикам, так как эти вещества не подвергаются высокотемпературному обжигу и в них, следовательно, не протекают необратимые реакции, характерные для других перечисленных групп материалов).
Физические и механические свойства керамик определяются характером химической связи и кристаллической структурой. Керамики характеризуются высокой твёрдостью, жёсткостью, относительно высоким пределом прочности на сжатие и недостатком пластичности. Химические связи в керамиках весьма прочны, поэтому керамики характеризуются также высокими температурами плавления и химической устойчивостью (см. таблицу).
| Керамика | tпл.,°С |
|---|---|
| Карбид гафния HfC | ~4150 |
| Карбид тантала ТaС | 3850 |
| Графит С | 3800* |
| Карбид циркония ZrС | 3520 |
| Карбид ниобия NbС | 3500 |
| Нитрид тантала TaN | 3350* |
| Борид гафния HfB2 | 3250 |
| Карбид титана TiC | 3120 |
| Оксид тория ThO2 | 3110 |
| Борид циркония ZrB2 | 3060 |
| Борид тантала TaВ2 | 3000 |
| Борид титана TiB2 | 2980 |
| Карбид вольфрама WC | ~2850 |
| Оксид магния MgO | 2798 |
| Оксид циркония ZrO2 | 2770 |
| Нитрид бора BN | 2730* |
| Оксид бериллия BeO | 2570 |
| Карбид кремния SiC | 2500 |
| Циркон ZrO·SiO2 | 2495 |
| Карбид бора B4C | 2450 |
| Оксид алюминия Al2O3 | 2050 |
| Оксид хрома Cr2O3 | 1990 |
| Торстерит 2MgO·SiO2 | 1830 |
| Муллит 3Al2O3·2SiO2 | 1810 |
| Оксид кремния (кристобалит) | 1715 |
| Оксид титана TiO2 | 1605 |
Отсутствие свободных электронов служит причиной того, что керамики, как правило, плохо проводят электричество и тепло. Поэтому керамики широко используются в электротехнике как диэлектрики. В некоторых керамиках взаимодействие, существующее между диполями, ведёт к спонтанной ориентации диполей и явлению сегнетоэлектричества. Подобное взаимодействие между магнитными диполями, существование которых связано со спином электронов, ведёт к ферримагнетизму целого класса керамик (ферритов). Наличие примесей в ряде керамик приводит к возникновению в так называемой «запрещённой зоне» дополнительных энергетических уровней и примесной полупроводимости. Такие керамики могут также поглощать падающее на них излучение, а затем вновь испускать его в виде когерентного пучка. Такие материалы являются активными элементами лазеров и мазеров.
Благодаря уникальности своих свойств современные керамики получили заслуженное признание и самое широкое распространение в самых различных отраслях науки и техники.