АО «НТО ПРИБОРСЕРВИС» разрабатывает новую инновационную технологию формирования изделий сложной формы из композиционного реакционно-спеченного нитрида кремния»

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).

* Вещество сублимирует

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 керамики получили заслуженное признание в различных отраслях техники.

Потребности вакуумной техники в керамике связаны, в первую очередь, с их высокими диэлектрическими качествами, высокой химической стойкостью (в том числе и при высоких температурах) и высокой температуростойкостью. Кроме того, желательно чтобы технология изготовления изделий из керамических материалов была гибкой, то есть позволяла бы регулировать как свойства самого материала, так и быть доступной для изготовления керамических деталей разнообразных форм, включая возможность изготовления тонкостенных конструкций, резьбовых элементов, обеспечивать соединения с металлами.

Предлагаемая ниже технология отличается рядом преимуществ и имеет опыт промышленного применения на предприятиях литейного производства и ювелирного оборудования.
Композиционная керамика

КОМПОЗИЦИОННАЯ КЕРАМИКА РСНК-КО – реакционно-спеченный нитрид кремния – композит

Высокотехнологичный композиционный керамический материал устойчивый к термоударам – РСНК-КО – реакционно-спеченный нитрид кремния – композит.

РСНК-КО изготовлен по технологии горячего литья заготовки с последующим реакционным спеканием керамической массы. Матрица из нитрида кремния обеспечивает низкую усадку при спекании, высокие диэлектрические свойства и химическую инертность материала к расплавам металлов, солей, кислот до 1300°С. Максимальная рабочая температура до 1400°С. Крупнокристаллические включения придают материалу уникальную термостойкость: крупногабаритные изделия с толщиной стенки 3...5мм выдерживают более 10 термоударов с температуры 1200°С при закалке в воду (керамика из оксидов алюминия, циркония и других материалов разрушается после однократного испытания).

Технология РСНК-КО позволяет в сравнительно широких пределах регулировать пористость, плотность керамики и внедрять в матрицу равномерно распределенные композиционные добавки, в частности, крупнокристаллические оксиды металлов, теплопроводные ферросилициды, каталитически активные дисперсные включения никеля, платины, и др.

Применение материала основано на хорошей формуемости изделий, отсутствии усадки при спекании в сочетании с химической- и термо- стойкостью. Благодаря безусадочной технологии готовое изделие не требует дополнительной обработки и может включать резьбы, фланцы, поверхности под уплотняемые прокладки и другие элементы с высокой точностью размеров.

В настоящее время освоено производство небольшими партиями тиглей для плавки металлов (латунь, бронза, золото, цинк свинец и др.), закладных деталей печей, форсунок, изоляторов и др. Подготовлены предложения по изготовлению пористых пластин для рассекателей газовых горелок, излучателей газовых теплогенераторов, каталитических горелок с активными включениями металлов и другого теплотехнического оборудования.

Изделия из РСНК-КО – реакционно-спеченный нитрид кремния – композит характеризуют:

• повышенная стойкость в окислительных и нейтральных средах до 1400°С
• высокие механические свойства при температурах до 1350°С
• стойкость к расплавам металлов Al, Mg, Zn, Pb, Au, Ag, Cu и их сплавам
• увеличенный по сравнению с графитовыми тиглями в несколько раз ресурс
• изделия с толщиной стенки 3...5мм выдерживают 10 термических ударов с температуры 1200°С при закалке в воду.

Изделия из РСНК-КО прошли апробацию на ювелирных заводах ООО МЭЮЗ и ЗАОО "Победа", а также фирме по производству литейного оборудования ООО "Я сам". Ведутся мелкосерийные поставки муфелей для индукционных печей на ЗАОО "Победа".

Свойства и опыт применения композиционной керамики

Разработанная композиционная керамика РСНК-КО обладает следующими сравнительными характеристиками:

Уступая по некоторым параметрам керамике горячепрессованного Si3N4, РСНК-КО имеет преимущество в способе формования, и, следовательно, в себестоимости производства изделий.

По РСНК-КО имеются лабораторные данные на истираемость в условиях трения в паре с абразивными материалами. Данные были получены при контролируемой силе прижима абразивных материалов (шкурки различных марок, шлифовальных и заточных абразивных камней). Сравнительные данные показывают, что на истираемость керамики не уступает, а в паре с некоторыми абразивными материалами – превосходит алунд (керамика с высоким содержанием оксида алюминия в корундовой модификации), другие керамические материалы.

Материал хорошо режется алмазными дисками и возможно получение колец с полированной торцевой поверхностью из трубных заготовок.