Керамические материалы на основе оксида алюминия (корундовая керамика) содержат более 95% корунда (а-А1203). Эти материалы детально исследованы и широко, по сравнению с другими материалами на основе чистых оксидов, используются в технике. В настоящее время в промышленности применяются материалы с содержанием а-А12О3 до 99,9%.
Корундовая керамика характеризуется высокой механической и электрической прочностью, низкими диэлектрическими потерями в широком интервале температур и частот (табл. 8.4, 8.5, рис. 8.3), стойкостью к термоударам, стойкостью к воздействию агрессивных сред и ионизирующих излучений. Изделия из корундового материала сохраняют стабильность формы и размеров при высоких температурах. Невысокая испаряемость [для чистого корунда (1-И,5)-10-7 г/см2 при 1400-2000 °С] позволяет использовать этот материал в вакууме.
Применяемые в промышленности корундовые материалы различаются составом и содержанием стекловидной фазы, образующейся при введении различных добавок, снижающих температуру спекания материала. Состав вводимых добавок определяется требованиями, предъявляемыми к материалу.
Таблица 8.4. Тангенс угла диэлектрических потерь и диэлектрическая проницаемость корундового материала (99 % А12О3) при различных температурах и частоте электрического тока [57]
Таблица 8.5. Разрушающее напряжение при статическом изгибе, МПа, керамических материалов в разных средах [58]
Рис. 8.4. Температурная зависимость коэффициента теплопроводности керамических материалов на основе ZrО2 (1), А12О3 (2), MgO (3) и ВеО (4) [59]
Рис. 8.3. Температурная зависимость керамических материалов на основе А12О3 (1), MgO (2) и ВеО (3)
Свойства корундовых материалов зависят не только от химико-минералорганического состава, но и от структуры: размера кристаллов, величины и характера пористости. Механические свойства корундовых материалов в основном зависят от плотности и величины кристаллов: при мелкозернистой структуре механическая прочность выше, чем при крупнозернистой (табл. 8.6). На теплофизические свойства плотной корундовой керамики состав и структура не оказывают существенного влияния. Электрические свойства (диэлектрические потери, электропроводность) корундовых материалов колеблются в зависимости от состава и количества добавок (примесей).
Область применения корундовой керамики значительно расширилась с появлением беспористого материала, прозрачного в видимой части спектра. Этот материал незаменим в условиях, где требуется сочетание светопрозрачности, нагревостойкости, устойчивости в агрессивных средах. Поликристаллический прозрачный корундовый материал является вакуумплотным, характеризуется высокой электрической прочностью и ультранизкими диэлектрическими потерями (tgS составляет 25 · 10"6 при 9720 МГц).
Керамические материалы на основе оксида магния (периклазовая керамика) характеризуются высокими значениями λ, ТК1 и р. ТК1 этих материалов, равный 12,8-1 ОТ6 °С-1, сравним с ТК низкоуглеродистой стали (15-КГ6 °С-1) и меди (17-10-6 С). Благодаря этим свойствам материалы из MgO в основном применяют в качестве изоляции нагревательных элементов. Зависимости теплофизических свойств керамического материала на основе MgO от температуры показаны в табл. 8.3 и на рис. 8.4.
Таблица 8.6. Зависимость механической прочности корундового материала (96% Al2O3) от размера кристаллов [57]
Таблица 8.7. Механические свойства циркониевой керамики при разных температурах
Периклазовые материалы устойчивы к воздействию щелочей и разрушаются под действием кислот. При высоких температурах поликристаллический материал из MgO хорошо противостоит воздействию основных шлаков и нейтральных солей. Показатели механической прочности керамики на основе MgO ниже, чем корундовой, и резкое снижение механической прочности начинается при 800 °С.
Изделия из материала на основе MgO обладают невысокой устойчивостью к термоударам вследствие большого значения ТК/ и относительно низкой механической прочности. Верхний температурный предел использования материала из MgO 1700-1800 °С в вакууме, около 2000 °С — при нормальном давлении в инертной газовой среде и около 2200 °С - в окислительной среде [55].
Применение керамического материала на основе MgO ограничено в результате значительных технологических трудностей производства изделий.
Керамические материалы на основе оксида бериллия (бериллиевая керамика) отличаются высокими значениями сопротивления термическим ударам и коэффициента теплопроводности λ (рис. 8.4), который в 7 раз превышает λ материала на основе А12О3 и находится на уровне коэффициента теплопроводности стали, алюминия, свинца [57].
Бериллиевая керамика в основном используется в тех областях техники, где наряду с электроизоляционными свойствами требуются интенсивный теплоотвод и высокая стойкость к термоударам.
Рис. 8.5 Температурная зависимость tg δ оксида бериллия [57]
Свойства материалов на основе ВеО при высоких температурах показаны в табл. 8.3 и на рис. 8.5. Недостатком этих материалов является летучесть, которая повышается, если в газовой среде при высоких температурах присутствуют пары воды. ВеО начинает улетучиваться при 2100 °С. В интервале температур 2000-2300 °С скорость испарения растет с 10-7 до 10-5 г/(см2 с) [57]. Улетучивание ВеО в присутствии водяных паров начинается при 1000 °С и возрастает с повышением температуры.
Материалы на основе ВеО токсичны, поэтому их следует применять только в тех случаях, где необходимы их уникальные свойства.
Керамические материалы на основе оксида циркония* (циркониевая керамика) высокоогнеупорны, отличаются большой механической прочностью, которая сохраняется при высоких температурах (табл. 8.7). Эти материалы химически стойки до 2000 °С по отношению к металлам, шлакам и кислотам. Циркониевые материалы устойчивы в вакууме при высоких температурах, что обусловлено низкой летучестью ZrО2 при этих условиях.
Керамика на основе ZrО2 характеризуется более низким значением удельного объемного сопротивления (рис. 8.1) по сравнению с материалами из других тугоплавких оксидов [52]. Применение циркониевых материалов в качестве электроизоляционных при высоких температурах ограничивается значительным снижением электрического сопротивления при повышении температуры: удельное объемное сопротивление снижается с 5· 104 Ом м при 250 °С до 0,1 Ом-м при 1600 °С.
Изделия из циркониевой керамики имеют низкую стойкость к термоударам из-за значительного увеличения ТК с повышением температуры и низкого λ (рис. 8.4).
Известна и весьма подробно исследована кварцевая керамика [79].
*Для получения керамических материалов применяется стабилизированный оксид циркония кубической формы, представляющий собой твердый раствор добавки Mg О, СаО и других веществ в ZrО2.
Как видно из вышесказанного, применение керамических материалов на основе MgO ограничено из-за технологических трудностей производства изделий. Материалы на основе ВеО токсичны, поэтому применяются в исключительных случаях. Керамика на основе ZrО2 имеет пониженное значение удельного объемного сопротивления, низкую стойкость к термоударам, малый коэффициент теплопроводности (по сравнению с остальными рассмотренными оксидами), что также значительно ограничивает применение ее в качестве электроизоляционного материала.
Наиболее широко в технике используются керамические корундовые материалы на основе А12О3 - корундовая керамика. Высоконагревостойкие ее представители исследованы при температурах 600- 850 °С в разных газовых средах (§ 8.2).
