Неорганическое стекло

5. Получение керамики обычно  более безопасно, чем производство  альтернативных металлических материалов (благодаря отсутствию процессов  электролиза, пирометаллургии, воздействия  агрессивных сред), а керамика  со специальными электрическими  свойствами позволяет создать  высокоэффективные противопожарные  системы и системы предупреждения  взрывов (электрохимические детекторы,  или сенсоры).

6. Керамические материалы по  сравнению с металлами обладают  более высокими коррозионной  стойкостью и устойчивостью к  радиационным воздействиям, что  обусловливает долговечность керамических  конструкций в агрессивных средах. В этой связи следует упомянуть,  что попытка замены магнитной  керамики в качестве элементов  памяти ЭВМ на полупроводниковые  интегральные элементы не удалась  в космических аппаратах, так  как оказалось, что полупроводниковые  элементы под действием радиации  перестают нормально функционировать.

7. Керамические материалы обладают  большей биологической совместимостью, чем металлы и полимеры, и это  позволяет использовать их в  медицине как для имплантации  искусственных органов, так и  в качестве конструкционных материалов  в биотехнологии и генной инженерии.

8. Использование керамики открывает  возможность для создания разнообразных  по свойствам материалов в  пределах одной и той же  химической композиции. Любое, даже  самое малое керамическое изделие  состоит из огромного числа  кристаллитов (рис. 2), размер, форма  и относительное расположение  которых определяют их свойства. Отсюда возникает перспектива  дальнейшей микроминиатюризации  приборов с использованием керамических  элементов.

Интерес к конструкционной и  функциональной керамике в последние  годы настолько возрос, что можно  говорить о своеобразном керамическом ренессансе как важнейшей тенденции  современного материаловедения. Причины  этого возрождения обусловлены  многими обстоятельствами, и прежде всего возможностью создания новых  материалов с необходимыми свойствами.

 

Масштабы производства керамики

Высокотехнологичная керамика - сравнительно новый вид материалов, и поэтому  масштабы ее производства как по объему, так и по стоимости продукции  существенно уступают производству традиционных металлических и полимерных материалов. Вместе с тем темпы  роста ее выпуска (от 15 до 25% ежегодно) намного превышают соответствующие  показатели для стали, алюминия и  других металлов. Не менее важно  то обстоятельство, что многие виды керамики обеспечивают работу сложных  технических систем, аппаратов, машин, стоимость которых во много раз  превосходит стоимость керамических элементов. Например, изготовление магнитных головок для накопителей информации ЭВМ обеспечило выпуск самих накопителей на сумму в 600 раз большую.

Керамика сравнительно редко используется как проводниковый материал, хотя известны разновидности керамики, которые  по уровню электронной проводимости приближаются к типичным металлам.

Большое распространение получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, деформироваться под действием внешнего электрического поля. Гидроакустические применения пьезокерамики в последнее время удалось существенно расширить, перейдя от монолитной керамики к композитам, в которых пьезокерамика служит наполнителем полимерной матрицы. Такой переход позволил повысить чувствительность в десятки раз и создать эффективные системы слежения за движущимися в воде объектами (например, косяками рыб).

Наиболее перспективной разновидностью керамики с диэлектрическими свойствами являются керамические электролиты, то есть керамические материалы с высокой  ионной подвижностью и соответственно ионной проводимостью. В отличие  от классических жидких электролитов проводимость многих керамических электролитов униполярна и обусловлена чаще всего разупорядочением одной из подрешеток кристаллов.

Керамика широко используется и  как полупроводниковый материал специального назначения. В качестве примера рассмотрим терморезисторы и варисторы, изменяющие электросопротивление под действием соответственно температуры и приложенного напряжения. Основная область применения терморезисторов - термочувствительные датчики, способные изменять электросопротивление на несколько порядков при повышении температуры на 1000С. Терморезисторы находят широкое применение в электронных приборах, системах противопожарного оповещения, дистанционного измерения и регулирования температуры. Варисторы используют как элементы устройств для защиты систем переменного тока от импульсных перенапряжений, в стабилизаторах напряжений и регуляторах токов низкой частоты.

Основная область применения алюмоксидной керамики - подложки интегральных схем. Они представляют собой тонкие пластины, на которых собираются микросхемы. Другая важная область применения алюмоксидной керамики - изготовление подложек для корпусов чипов (больших интегральных схем).

Множество материалов с оптическими  функциями включает оптически прозрачную керамику, керамику с люминесцентными  и электрохромными свойствами, а также светочувствительные керамические материалы. В настоящее время известно несколько десятков, если не сотен видов прозрачных керамик, создаваемых на основе индивидуальных оксидов, их соединений друг с другом, а также бескислородных соединений.

Для применения в различных областях техники перспективной оказалась  керамика на основе оксида иттрия, высокопрозрачная в видимой и инфракрасной областях спектра. Поскольку материалы на основе прозрачного оксида иттрия, легированного ионами редкоземельных элементов (тербием, неодимом, эрбием, самарием), по интенсивности и количеству поглощения приближаются к соответствующим монокристаллам, появилась возможность использовать их для создания оптического квантового генератора. Керамика для лазера выгодно отличается от монокристаллов простотой технологии ее получения, а от лазерного стекла значительно более высокими теплопроводностью, термостойкостью и твердостью. Большие надежды связывают с использованием светочувствительной керамики для создания различных типов преобразователей солнечной энергии.

Учитывая, что в виде плотной, пористой или порошкообразной керамики могут  быть приготовлены практически любые  неорганические вещества, естественно  ожидать большого многообразия их химических свойств и обусловленных этим химических функций. Вместе с тем  химическая специфика керамики нередко  проявляется в изменении физических свойств. На этом принципе основано действие большого числа созданных в последнее  время газовых детекторов.

Другая область применения керамики, основанная на ее химической специфике, связана с развитием мембранной технологии. Мембраны позволяют избирательно выделять и концентрировать разнообразные  вещества. Переход к керамическим мембранам, которого следует ожидать  в недалеком будущем, позволит значительно  расширить области их применения с одновременным снижением энергозатрат.

Развитие атомной энергетики привлекло  первостепенное внимание к материалам, обеспечивающим нормальное функционирование и защиту ядерных реакторов различного типа, начиная от традиционных, работающих на медленных нейтронах, и кончая термоядерными. Среди этих материалов видное место занимает специальная  керамика. В ядерных энергетических установках керамика используется в  качестве теплоизоляции, ядерного топлива, материалов регулирующих узлов, замедляющих  и отражающих материалов, материалов нейтронной защиты, электроизоляции в активной зоне, оболочек тепловыделяющих элементов и т.д.

В термоядерной энергетике керамика широко используется для тепловой и  электрической изоляции первой стенки плазменной камеры, ограничения плазмы, для нейтронной защиты, в качестве материала для окон разночастотного нагрева плазмы и т.д

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Любой материал, который при охлаждении переходит из жидкого состояния  в твердое без кристаллизации, правильно называть стеклом независимо от его химического состава. Под  это определение подпадают как  органические, так и неорганические материалы. Однако стекла, используемые в широком обиходе, почти всегда изготавливают из неорганических оксидов.

Теперь стекло легко приспосабливают  к требованиям заказчика. Оно  может быть прозрачным, полупрозрачным или непрозрачным, окрашенным или  бесцветным. Некоторые виды стекла так же легки, как алюминий, а другие так же тяжелы, как чугун; есть стекла, по прочности превосходящие сталь. Из них изготавливаются волокна  в 10 раз тоньше человеческого волоса и листы, столь же тонкие, как бумага. Стеклянные изделия могут быть крошечными, хрупкими и легкими или такими массивными, как сплошное 508-сантиметровое, 20-тонное зеркало Паломарского телескопа.

В ближайшем будущем можно ожидать  появления принципиально новых  керамических материалов. Примером служит полученная сравнительно недавно в  Японии сверхпластичная керамика на основе тетрагональной модификации диоксида циркония, легированного 3 мол. % оксида иттрия.

При специфических условиях подготовки сырья и спекания получается поликристаллический  материал с размером кристаллитов 0,3 мкм, который способен деформироваться, вытягиваясь под действием внешних  нагрузок вдвое по сравнению с  первоначальной длиной.

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. В дополнение к конструкционной и функциональной керамике человека по-прежнему интересует художественная керамика.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Арзамазов Б. Н., Сидорин И. И., Косолапова Г. Ф. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1986. – 384 с.

2. Лахтин Ю. М., Леонтьева В. П. Материаловедение. – М.: Машиностроение, 1980. – 493 с.

3. Мазурин О.В. Стекло: природа и строение. – М.: Знание, 1985. – 143 с.

4. Третьяков Ю.Д. Керамика - материал будущего. - М.: Знание, 1987. - 48 с.

5. Третьяков Ю.Д., Лепис Х. Химия и технология твердофазных материалов. -М.: Изд-во МГУ, 1985. - 256 с.

6. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика. - М.: Наука, 1993. - 187 с.

7. Фистуль В. И. Новые материалы. Состояние, проблемы, перспективы. – М.: МИСИС, 1995. – 142 с.