Оксинитрид алюминия-кремния

α/β-сиалоновая керамика (оксинитрид алюминия-кремния) – новейшие материалы, разработанные для применения в качестве технической керамики и принадлежащие к классу нитридов кремния. Они встречаются только в некоторых композициях сырьевых материалов и состоят как минимум из трех фаз: α-сиалоновая, β-сиалоновая и аморфная или частично кристаллизованная зернограничная фаза.
Материалы категории α/β-сиалонов характеризуется уникальным сочетанием еще более высокой твердости по сравнению с обычным нитридом кремния с таким же высоким уровнем прочности. α-сиалоновая фаза обладает высокой твердостью, в то время как β-сиалоновая фаза – как и обычный нитрид кремния – обладает высокой ударной вязкостью. Соответствующие доли α-сиалоновой, β-сиалоновой и зернограничной фазы могут быть в значительной степени скорректированы, что позволяет изменять свойства α/β-сиалоновых материалов в соответствии с конкретными требованиями для различных областей применения.
При определенных условиях возможно даже производство градиентного материала, который содержит более высокую долю α-сиалона на поверхности, чем внутри материала. Компания CeramTec использует эту особенность для создания, например, нескольких весьма износостойких видов режущих керамики для применения в области машинной обработки: градиент α-сиалоновой фракции обеспечивает более высокую жесткость поверхности многогранных режущих пластин по сравнению с их сердцевиной, благодаря чему значительно повышается износостойкость режущей керамики. При этом сохраняется высокая ударная вязкость сердцевины.
Твердость и износостойкость α/β-сиалонов может быть дополнительно увеличена за счет включения твердых материалов, например, карбида кремния. Подобные разновидности оксинитридов алюминия-кремния отлично зарекомендовали себя в качестве компонентов, подверженных воздействию высоких трибологических нагрузок, например, в целлюлозно-бумажной промышленности.
 Пример характеристик

SiC-α/β-сиалона

• Значение модуля Юнга: 345 ГПа
• Твердость HV1: прибл. 17 ГПа
• Ударная вязкость: 5,5 МПа*м^1/2

Нитрид кремния (Si3N4)

Нитрид кремния (Si₃N₄) обладает превосходным сочетанием свойств. Он практически такой же легкий, как карбид кремния (SiC), но в то же время его микроструктура обеспечивает отличную устойчивость к тепловым ударам, а высокая ударная вязкость придает ему высокое сопротивление ударным нагрузкам.
 Микроструктура нитрида кремния состоит из удлиненных кристаллов, которые сцепляются в микростержни. Одной из областей применения, в которой это сочетание свойств оказалась особенно полезным, является обработка серого чугуна или чугуна с керамическими вставками. В отличие от твердых металлов или других режущих материалов, применение нитридкремниевой керамики позволяет выполнять обработку резанием с керамическими вставками на максимальной скорости без использования смазочно-охлаждающей жидкости. Сочетание хороших трибологических свойств и отличной ударной вязкости обуславливает широкое применение нитридкремниевой керамики в таких областях применения, как, например, производство шариков и тел качения для легких и чрезвычайно точных подшипников, сверхпрочных керамических инструментов для обработки металлов давлением, а также автомобильных компонентов, подверженных высоким нагрузкам. Помимо этого, высокая устойчивость к тепловым ударам и термостойкость нитридкремниевой керамики используется в сварочных процессах.
 Свойства нитрида кремния (Si₃N₄)

• Очень низкая плотность (3,21 г/см³)
• Очень высокая ударная вязкость
  (7 МПа*м^1/2)
• Хорошая ударная вязкость (850 МПа)
• Очень хорошая устойчивость к тепловым ударам: высокое тепловое напряжение
  (569 K)
• Максимальная рабочая температура в окислительной атмосфере: 1300 °C
• Максимальная рабочая температура в нейтральной атмосфере: 1600 °C

Карбид кремния (SiSiC/SSiC)

Карбид кремния обладает практически такими же свойствами, как алмаз. От является не только самым легким, но и самым твердым керамическим материалом, а также обладает отличной теплопроводностью, низким коэффициентом теплового расширения и крайне высокой устойчивостью к воздействию кислот и щелочей.
Свойства карбидокремниевой керамики остаются неизменными при нагреве до температуры свыше 1400 °C. Высокое значение модуля Юнга > 400 ГПа обеспечивает превосходную стабильность геометрических размеров. Этими свойствами обусловлено широкое применение карбида кремния в качестве строительного материала. Карбид кремния одинаково хорошо противостоит коррозии, эрозии абразивному и фрикционному износу. Так, например, компоненты из карбидокремниевой керамики используются в химических технологических установках, обрабатывающих станках, оборудовании для развальцовки, машинах для литья под давлением, а также при изготовлении форсунок.
Карбид кремния токсикологически безопасен и может быть использован в пищевой промышленности. Другая типичная область применения карбидокремниевых компонентов включает технологии динамического уплотнения с использованием подшипников скольжения и механических уплотнений, например, в насосах и приводных системах. По сравнению с металлами, карбид кремния является весьма экономичным решением, обеспечивающим более длительный срок службы инструмента при работе с агрессивными, высокотемпературными средами. Кроме того, карбидокремниевая керамика идеально подходит для использования в высокотребовательных областях применения в баллистике, химическом производстве, энергетике, производстве бумаги, а также в качестве компонентов трубопроводных систем.

Свойства карбида кремния (SSiC/SiSiC)

• Низкая плотность (от 3,07 до 3,15 г/см³)
• Высокая твердость (HV10 ≥ 2200 ГПа)
• Высокое значение модуля Юнга
  (от 380 до 430 МПа)
• Низкая теплопроводность
  (от 120 до 200 Вт/(м*K))
• Низкий коэффициент линейного расширения
  (от 3,6 до 4,1x10^-6/K при нагреве от 20 до 400 °C)
• Максимальная рабочая температура керамики SSiC в атмосфере инертного газа: 1800 °C
• Отличная устойчивость к тепловым ударам керамики SiSiC: ΔT 1100 K
• Поддается эрозии
• Обладает устойчивостью к коррозии и износу даже при высоких температурах
• Токсикологически безопасен
• Хорошие показатели скольжения

Нитрид алюминия (AlN)

Нитрид алюминия (AlN) является единственным техническим керамическим материалом, который обладает чрезвычайно интересным сочетанием крайне высокой теплопроводности и отличных изоляционных свойств.
Этим свойством обусловлено широкое применение нитрида алюминия в энергетике и микроэлектронике. Например, он используется при изготовлении печатных плат (подложки) в полупроводниках или в качестве теплопоглотителя в светодиодной осветительной технике или высокомощной электронике.
Свойства нитрида алюминия (AlN)

• Очень высокая теплопроводность
  (> 170 Вт/м*К)
• Высокие электроизоляционные характеристики (>1,10¹²12см)
• Механическая прочность в соответствии с методом двойного кольца >320 МПа (двухосное напряженное состояние)
• Низкий коэффициент теплового расширения – от 4 до 6x10-^-6K^-1 (при нагреве от 20 до 1000 °C)
• Хорошая способность к металлизации

Диоксид циркония (ZrO2)

В отличие от других керамических материалов, диоксид циркония (ZrO₂, также известный как циркониевый ангидрид) представляет собой материал с очень высокой устойчивостью к распространению трещин. Кроме того, диоксидциркониевая керамика обладает крайне высоким коэффициентом теплового расширения, и поэтому часто используется в качестве материала для соединения керамических и стальных компонентов.
Другое интересное сочетание свойств заключается в комбинации очень низкой теплопроводности и высокой прочности. Помимо всего прочего, некоторые типы диоксидциркониевой керамики могут проводить ионы кислорода. Компоненты, изготовленные из этого материала значительно дороже, чем детали из алюминиевой керамики. Диоксидциркониевая керамика используются, помимо прочих областей применения, при изготовлении инструментов для формования изделий из проволоки, в качестве вспомогательного материала в сварочных процессах, в качестве материала для коронок и мостовидных протезов в стоматологии, в качестве изолирующих колец в тепловых процессах, а также в качестве элементов для измерения содержания кислорода в лямбда-зондах.
 Свойства диоксида циркония (ZrO₂)

• Высокий коэффициент теплового расширения (α=11 x 10^-6/K, аналогично с некоторыми видами стали)
• Отличная теплоизоляция/низкая теплопроводность (от 2,5 до 3 Вт/(м*K))
• Очень высокая устойчивость к распространению трещин, высокая ударная вязкость (от 6,5 до 8 МПа*м^1/2)
• Обладает способностью проводить ионы кислорода (используются в качестве элементов для измерения парциального давления кислорода в лямбда-зондах)

Силикатная керамика

Ранние разработки в области технической керамики начались с использования силикатной керамики в качестве электроизоляционных материалов. Силикатная керамика по большей части изготавливается из натурального сырья.
Самые разнообразные виды многофазной керамики с различными свойствами изготавливаются путем изменения типа и количества сырья. Силикатные керамические материалы включают:

• Фарфор: Щелочные металлы – силикаты алюминия (тип C1xx)
• Стеатиты: силикаты магния (тип C 2xx)
• Кордиериты: щелочная почва – кремнеземные силикаты (тип C 4xx)
• Муллит: соединения на основе глинозема и двуокиси кремния (тип C 6xx)

Силикатные керамические компоненты используются в электронной и электротехнической промышленности в качестве электроизоляционных элементов в предохранителях, выключателях, термостатах и в осветительных системах. Теплоизолирующие свойства силикатных керамических материалов также используются в системах отопления, в теплоэнергетике и промышленной экологии. Пористые компоненты используются для выделения ароматизирующих веществ и инсектицидов, в качестве носителей для катализаторов или для различных применений в лабораториях. Завершают ассортимент керамических изделий компании CeramTec прецизионные компоненты, которые используются в измерительной технике, в лабораторном оборудовании и смешанных технологиях.
 Свойства силикатной керамики

• Отличная электроизоляция (от 1x10¹⁰ до 1x10¹³ Ωсм)
• Коэффициент линейного расширения – от минимальных до средних значений
  (от 0.4x10^-6K^-1 до 6x10^-6K^-1)
• Превосходная устойчивость к тепловым ударам (от 250 до 610 K)
• Низкая теплопроводность
  (от 2 до 4 Вт/(м*K))
• Предел прочности на изгиб –
  от 80 до 180 МПа

Пьезокерамика

Пьезокерамика используются для преобразования механических параметров, например, давления и ускорения, в электрические параметры или, наоборот, преобразования электрических сигналов в механические движения или колебания.

Пьезокерамические материалы относятся к классу функциональной керамики. В датчиках они преобразуют силы, давления и ускорения в электрические сигналы, а в звуковых и ультразвуковых измерительных преобразователях и актуаторах – электрические напряжения в вибрации или деформации. Пьезокерамические материалы классифицируются, с одной стороны, в соответствии с их химическим составом, а с другой стороны — в соответствии с конкретными условиями применения. Компания CeramTec выделяет следующие категории пьезоэлектрической керамики:

• Материалы для измерительных преобразователей (ультразвуковые системы и устройства)
• Материалы для датчиков (ультразвуковые передатчики и приемники)
• Материалы для актуаторов (системы прецизионного позиционирования или системы впрыска топлива)
• Материалы специального назначения

Металлизированная пьезокерамика крепится с помощью проводящего клея, проводящего каучука, пружинных контактов или при помощи пайки.

Выбор свойств пьезокерамическим материалов

	Измерительные преобразователи	Датчики	Актуаторы
Относительная диэлектрическая проницаемость ε33 τ/ε0	1000 – 1300	1500 – 1850	1800 – 3800
Тангенс угла диэлектрических потерь tan δ	2x10-3 – 3x10-3	12x10-3 – 20x10-3	15x10-3 – 16x10-3
Частотная постоянная NP, кГц*мм	2210 – 2280	2020 – 2050	1960 – 2010
Фактор сопряжения kP	0,55 – 0,57	0,59 – 0,62	0,65
Пьезоэлектрический модуль d33, 10-12 Кл/Н	240 – 310	390 – 450	475 – 680
Пьезоэлектрическая постоянная напряжения g33, 10-3 Вм/Н	26,9 – 27,1	26,9 – 33,1	20,2 – 28,5
Коэффициент упругой податливости 11ε, 10-12 м2/Н	11,4 – 14,9	16,3 – 18,5	15,8 – 17,9
Коэффициент упругой жесткости 33D, 1010Н/м2	15,9 – 16,2	14,5 – 15,8	14,7 – 15,2
Коэффициент плотности, г/см2	7,65 – 7,70	7,65 – 7,80	7,70 – 7,83
Механическая добротность Qm	500 – 1000	60 – 90	75 – 80
Скорость старения Cε, %	-4,5 to -3,0	-2,3 to -0,3	- 1,6 to -0,8

Пьезокерамические материалы имеют широкий спектр применения. Они используются в ряде областей автомобильной промышленности, например, при производстве датчиков детонационного сгорания топлива или уровня масла, а также при изготовлении актуаторов для систем прецизионного регулирования или впрыска топлива в автомобильных двигателях. В медицинских технологиях пьезокерамические компоненты используются в литотрипторах, устройствах для удаления зубного налета и ингаляторах. Типичные области применения в машиностроительной промышленности включают системы и устройства для ультразвуковой очистки, ультразвуковой сварки и активного демпфирования вибраций. Звукосниматели для музыкальных инструментов или пьезоэлектрические устройства для зажигания газа являются примерами использования пьезоэлектрических технологий в потребительских областях применения.

Смешанная/дисперсная керамика

Смешанная и дисперсная оксидная керамика — варианты смешения различных основных типов керамических материалов, специально разработанных для улучшения и оптимизации определенных свойств.
 Примеры включают оксид алюминия, армированный цирконием (ААЦ), и цирконий, армированный алюминием (ЦАА). Одним из положительных результатов армирования одного оксида другим является повышение прочностных свойств, которое достигается подобным способом. Существуют ЦАА-материалы, предел прочности на изгиб которых составляет 1350 МПа, а предел прочности при сжатии – свыше 4700 МПа. Эти материалы используются при производстве компонентов, которые требуют максимальной надежности, например, керамические головки и вкладыши для эндопротезов тазобедренного сустава, которые используются в ортопедии. BIOLOX^®delta – дисперсный керамический материал, разработанный компанией CeramTec специально для эндопротезирования суставов.
 Пример характеристик смешанной оксидной керамики

• Предел прочности на изгиб – до 1350 МПа
• Модуль Вейбулла – до 14
  (степень надежности материала)
• Предел прочности при сжатии –
  до 4700 МПа
• Ударная вязкость – 6,4 МПа*м1/2^1/2
• Твердость по Виккерсу HV1: 17 ГПа

Титанат алюминия (Al2TiO5)

Материал с превосходной устойчивостью к тепловым ударам
Отличительной особенностью титаната алюминия (Al₂TiO₅) является его превосходная устойчивость к тепловым ударам. Компоненты, изготовленные из этого материала, способны выдержать даже самые резкие изменения температуры в несколько сотен градусов без получения повреждений, хотя они и имеют низкую прочность. Такая высокая устойчивость к тепловым ударам является результатом очень низкого коэффициента теплового расширения и определенной степени пористости микроструктуры этого материала. Низкие показатели смачиваемости расплавленными металлами делают этот керамический материал идеальным решением для применения в металлургической промышленности для плавления и отливки металлов.
 Свойства титаната алюминия (Al₂TiO₅)

• Превосходная устойчивость к тепловым ударам (0 – 1000 °C)
• Крайне низкие показатели теплового расширения (<1x10^-6K^-1 от 20 до 600 °C)
• Высокая термоизоляция (1,5 Вт/м*К)
• Низкое значение модуля Юнга
  (от 17 до 20 ГПа)
• Хорошая устойчивость к химическим воздействиям
• Низкие показатели смачиваемости расплавленными металлами

Области применения технической керамики

В промышленности керамика (или как её ещё называют – техническая керамика) занимает, как ни странно это звучит, одну из главенствующих областей её применения. Для не посвящённого человека трудно представить всё разнообразие использования керамики в промышленных целях, основанное в первую очередь на огромном количестве типов керамических материалов, разработанных учёными в нынешнем веке. Что если вам скажут, что подобные изделия вы сможете обнаружить начиная с тяжёлой промышленности и машиностроения (нпр. уплотнения насосов, детали клапанов, в качестве режущего инструмента для никелевых сплавов и чугуна, вырубки угля и проката труб) и заканчивая электротехническими изделиями и даже в современной электронике, к примеру в микрофоне какого-нибудь фирменного bluetootha гарнитуры samsung. О-о! Оказывается это только цветочки… ещё есть такие области как:
-магнитные материалы . Информационные накопители используемые для хранения информации – магнитные диски, ленты, платы. Так же микроволновая техника, магниты электродвигателей, настроечные приборы, видео- и звукозаписывающие головки – всё это области применения ферритов с содержанием бария, стронция или оксидов. Их дешевизна — результат широкого использования.
- биокерамика — Зубная и ортопедическая имплантация используется для «ремонта» костных тканей в случае их частичной утраты. Особенностью керамики на основе фосфатов кальция и натрия является её способность превращаться в кость, постепенно рассасываясь и выводя из тела ,в ходе естественных биохимических процессов, ненужные вещества. Её свойства поразительны – она устойчива к биодеградации, срастается с живой тканью и легко совмещается с костной.
- броня. Бронежилеты для защиты человеческого тела состоят из керамических пластин, прикреплённых к алюминиевым подкладкам. Такое сочетание материалов способно гасить энергию высокоскоростных поражающих материалов (пуль, снарядов). Военную технику, включая самолёты и вертолёты защищают от физического воздействия так же керамические листы и пластины.
- оконные материалы. кристаллическая керамика — намного более прочный материал чем стекло, кроссе того из него изготавливают лазеры. Достаточно слегка пофантазировать, чтобы представить себе широту его использования в этой области .
- атомная энергетика . Вместо металлов в ядерных реакторах используется керамика-диоксид урана, так как рабочие температуры слишком высоки для металлического урана. Кроме этого она позволяет поглощать нейроны – применяется диоксид бора.
- датчики и пускатели. Керамические датчики способны реагировать и таким образом обнаруживать малые содержания газов – сероводород, кислород, окись углерода, окись азота. Поэтому их применяют там, где требуется контроль за чистотой воздуха от загрязняющих газов и газовых смесей. Полупроводящая оксидная керамика – главный материал при изготовлении датчиков и пускателей.

Корундовая керамика

Корундовая керамика, керамика на основе корунда — a-Al₂O₃, одной из кристаллических модификаций оксида алюминия, обладающего высокими электрическими, механическими и тепловыми свойствами.
В составе корундовой керамики свыше 95% Al₂O₃, остальную часть составляет стеклофаза. Параметры корундовой (алюмооксидной) керамики варьируются незначительно, в зависимости от содержания оксида алюминия.(95-99%). Ее изготавливают при высоких температурах обжига (1700-2000^оС). В состав сырья входят технический глинозем и электрокорунд, используются добавки MgO (до 1,5%), тормозящие рост кристаллитов, TiO₂ (до 1%). Содержание пор в этой керамике минимальное (около 1%), и их присутствие отрицательно влияет на свойства материала. Однако технология производства достаточно сложна. Высокая абразивность затрудняет механическую обработку сырых заготовок и шлифование обожженных деталей. Технологию усложняют: высокая температура обжига, малая пластичность исходной массы, трудность получения изделий сложного профиля.
Этот материал отличается низкими диэлектрическими потерями в диапазоне радиочастот и при повышенных температурах, обладает высокой нагревостойкостью (до1600^оС), а также большой механической прочностью и хорошей теплопроводностью, которая в 10-20 раз выше, чем у изоляторного фарфора. Благодаря высокому электрическому сопротивлению, электрической прочности и значительной теплопроводности корундовая керамика используется для производства изоляторов для свечей зажигания, проходных изоляторов, клеммных сборок, наконечников и других изделий, применяется также при производстве различных элементов для электротехники.
Корундовая керамика для стойкого к истиранию применения используется для обкладки поверхностей с большими нагрузками истирания абразивными материалами (транспортировка измельченного угля, измельчение керамического сырья). Такие изделия производятся из корундовой керамики с содержанием оксида алюминия 92%.
Виды корундовой керамики и условия эксплуатации:

Технические характеристики	Наименование керамики
	5М-4	Синоксаль-49
Электрическая прочность при (+25±10)°С, кВ/мм, не менее	18	8,5
Электрическая прочность при (+600±15)°С, кВ/мм, не менее	15	7,5
Прочность при статическом изгибе, кгс/мм2, не менее	35	25
Термостойкость по методу повторных теплосмен, °С, не менее	450	450
Водопоглощение, %, не более	0,05	0,1
Кажущая плотность, г/см3, не менее	3,6	3,6
Напряжение поверхностного перекрытия при +150°С, кВ/мм, не менее	0,45	0,45
Теплопроводность при 20°С, ккал/мХчХ°С, не менее	2,4	2,2
Коэффициент термического линейного расширения в интервале температур (+20 … +300)°С, 1/°С	7Х10 -6	7Х10 -6
Тангенс угла диэлектрических потерь при частоте 1 МГц, не более	5Х10 -4	5Х10 -4
Удельное объемное сопротивление при 700°С, ОмХм,  не менее	100Х104	25Х104

Керамические установочные изделия могут эксплуатироваться в различных условиях:

• при температуре окружающей среды от минус 60°С до плюс 1600°С;
• в изделиях с приложением и без приложения электрического потенциала;
• при относительной влажности воздуха до 98%;
• при воздействии инея и росы;
• при воздействии морского тумана;
• при воздействии различных механических нагрузок в составе изделий.

Ниже приведены примеры всего лишь некоторых деталей, которые изготавливаются из материалов технической керамики: поршни для дозирующих насосов, плунжеры для насосов высокого давления, контактные керамические кольца для уплотнения насосов, защитные гильзы для валов, подшипники скольжения и подшипники качения, форсунки, керамические направляющие, фасонные детали высокой износостойкости, вытяжные калибры и направляющие элементы для проволочных станов), уплотнительные шайбы для промышленных кранов, матрицы для прессовального оборудования, прецизионные керамические шарики, изоляционные гранулы (корольки), жернова, керамические пластины.