Усовершенствованная керамика, также известная как специальная керамика, относится к керамическим материалам, приготовленным на основе традиционной керамики с использованием передовых химических и физических технологий, с превосходными свойствами в механике, термической, оптической, акустической и электрической областях. По сравнению с металлами и полимерными материалами современные керамические материалы обладают несравненными структурными свойствами, такими как высокая твердость, высокий модуль, высокая-температурная стойкость и коррозионная стойкость, а также превосходными функциональными свойствами, такими как электроизоляция, светопропускание и волновая прозрачность. Поэтому они все чаще используются в аэрокосмической отрасли, информационных технологиях, национальной обороне и военной промышленности, биомедицине и новых областях энергетики.
Процесс подготовки современной керамики в основном включает подготовку порошка, формование сырой массы и спекание. Среди них формовка и спекание являются прямыми факторами, определяющими свойства керамических изделий. Формование означает превращение порошка в сырое тело заданных размеров и формы и определенной механической прочности. Спеканием называется процесс, при котором сырое изделие при высокой температуре ниже точки плавления устраняет поры, уплотняется и образует спеченное изделие определенной прочности.
01 Приготовление порошка
Методы приготовления современных керамических порошков можно в основном разделить на три категории: твердофазные методы, жидкофазные-методы и газо-фазовые методы.
Твердофазный-метод использует твердые вещества в качестве исходного сырья для приготовления ультрадисперсных керамических порошков. Примеры включают высокотемпературную-реакцию-в твердом состоянии, карботермическое восстановление, реакцию твердого-газа, термическое разложение соли и самораспространяющийся высоко-синтез горения. Он отличается пригодностью для массового производства и относительно невысокой стоимостью, но иногда в нем присутствуют примеси.
Жидкофазный метод характеризуется легким контролем химического состава, равномерным перемешиванием на ионном или молекулярном уровне, а также возможностью получения керамических порошков нано- и субмикронного-масштаба с высокой чистотой и хорошей спекающей активностью. Он особенно подходит для синтеза порошков одиночного-оксида или композитного-оксида для конструкционной и функциональной керамики и поэтому широко используется. К распространенным методам жидкой-фазы относятся химическое осаждение, гидротермальные методы и золь-гель методы.
Газовый-метод позволяет синтезировать желаемый керамический порошок посредством химических реакций газов-реагентов в среде с локально высокой-температурой. Сюда входит химическое осаждение из паровой фазы, плазменный газо-фазовый синтез и другие. Порошки, синтезированные газофазными-методами, имеют большую удельную поверхность и легко адсорбируют влагу или агломерируют, что делает их непригодными для спекания конструкционной керамики высокой-плотности и электронных керамических материалов. Кроме того, сырье и оборудование для реакционного синтеза, используемые в газофазных методах, дороги и имеют очень небольшую производственную мощность, что приводит к высоким затратам на приготовление порошка.
02 Процессы формования
В зависимости от текучести и реологических свойств тела методы формования можно разделить на три категории: формование сухим телом, формование пластического тела и формование суспензии.
Прессование, также называемое компрессионным формованием, включает добавление небольшого количества связующего вещества к порошку (содержание влаги контролируется на уровне 4–7% или даже всего лишь 1–4%) для грануляции, затем помещение гранулированного порошка в форму и прессование его под прессом для формирования сырого тела определенной формы. Прессование делится на сухое прессование и изостатическое прессование.
При формовании пластмассы в качестве исходного материала используется пластиковое тело, а давление, создаваемое движением формы, используется для пластической деформации тела в сырое тело. Пластмассовые материалы в основном состоят из керамического порошка, связующего вещества, пластификатора и растворителя, а процесс подготовки сырья требует больших усилий. Пластиковый корпус содержит относительно большое количество формообразователя, но обычно не более 30%. Методы формования пластмасс включают экструзию, ленточное каландрирование, литье под давлением и другие.
При формовании суспензии в качестве сырья используется текучая керамическая суспензия. Помимо частиц порошка, суспензия также содержит воду и диспергатор. Формование суспензии в основном включает шликерное литье, литье в гель, ленточное литье и другие.
Как пластическое формование, так и формование суспензии относятся к процессам мокрого формования. По сравнению с сухим формованием, мокрые процессы позволяют легче контролировать агломерацию порошка и снижать содержание примесей, тем самым производя керамические изделия сложной формы.
Поскольку области применения современной керамики продолжают расширяться, одна за другой появляются новые технологии, такие как центробежное осаждение, электрофоретическое осаждение, прямое коагуляционное литье и изготовление твердых форм произвольной формы.
03 Процессы спекания
Керамические неспеченные тела необходимо спекать для получения плотной микроструктуры. По сути, спекание — это процесс взаимной диффузии между различными компонентами порошка. Усиливая связь между частицами, он придает керамическим материалам однородную микроструктуру, стабильную форму и относительно высокую механическую прочность. Обычные процессы спекания включают спекание без давления, спекание горячим изостатическим прессованием, искровое плазменное спекание и другие.
Спекание без давления – это спекание материалов при атмосферном давлении без приложения давления. Этот метод обычно проводится в атмосфере кислорода или специального газа. При спекании без давления формируемая заготовка не подвергается внешнему давлению; совокупность частиц порошка просто нагревается при атмосферном давлении и превращается в связанное зернистое тело.
Спекание под давлением газа подразумевает применение определенного давления газа во время высокотемпературного спекания керамики в диапазоне 1–10 МПа (т. е. 10–100 атм) для подавления разложения и потери веса керамических материалов при высоких температурах. Это может повысить температуру спекания, дополнительно способствовать уплотнению и производству керамических изделий с высокой-плотностью.
Спекание горячим-прессованием – это процесс уплотнения, сочетающий механическое давление и высокую температуру. Одновременное применение осевого давления и нагрева в форме значительно увеличивает движущую силу спекания. Этот процесс имеет три основных преимущества: достижение быстрого уплотнения, сокращение цикла спекания и значительное улучшение механических свойств материалов. Он особенно подходит для изготовления высокоэффективной-керамики.
При спекании горячим изостатическим прессованием в качестве среды используется инертный газ, что обеспечивает уплотнение керамики при высокой температуре и постоянном высоком давлении. Для некоторых керамических материалов с низкими коэффициентами само-диффузии, которые трудно уплотнить обычным спеканием, можно использовать спекание горячим изостатическим прессованием для увеличения движущей силы диффузии. Спекание горячим изостатическим прессованием соответствует условиям высокого-давления и высоких-температур, необходимым для спекания прозрачной керамики, и имеет уникальные преимущества при спекании прозрачных керамических сырых тел.
При искровом плазменном спекании (SPS) используется прямой джоулевый нагрев, генерируемый импульсным постоянным током, которому способствует механическое давление. Благодаря своим характеристикам спекания его можно использовать для быстрого приготовления сверх-высоко-керамики. Для сверх-высоко-температурной керамики, такой как Ta2AlC, TaC и ZrB2-SiC, процесс SPS позволяет добиться короткого времени спекания, очевидного эффекта мелкозернистого упрочнения, значительного улучшения механических свойств и повышенной стойкости к окислению.
В процессе холодного спекания под высоким давлением к порошку добавляется временный растворитель, который способствует перестройке и диффузии частиц, тем самым способствуя уплотнению керамического порошка при относительно низкой температуре и за относительно короткое время. Этот процесс создает возможность низко-спекания для получения высоко-конструкционной и функциональной керамики с высокими эксплуатационными характеристиками. В настоящее время этот процесс успешно применяется для подготовки и спекания различных материалов, включая типичную оксидную керамику, керамические/керамические композиты, микроволновую диэлектрическую керамику, сегнетоэлектрическую и пьезоэлектрическую керамику, твердые электролиты, термоэлектрические материалы и композиты керамика/2D наноматериалы.
Технология спекания при колебательном давлении основана на спекании в горячем-прессе и преобразует постоянное давление в динамическое. За счет перегруппировки частиц, вызванной постоянным колебательным давлением, увеличивается плотность упаковки порошка перед спеканием. В то же время колебательное давление обеспечивает большую движущую силу спекания при спекании порошка, способствуя вращению зерна, скольжению и пластическому течению внутри спеченного изделия, тем самым ускоряя уплотнение неспеченного изделия. Этот процесс использовался при изготовлении различной конструкционной керамики, и были успешно разработаны высокоэффективные керамические материалы, такие как ZrO2, Al2O3 и Si3N4.