- Нанокерамика
-
Нанокерамика — керамический наноструктурный материал (англ. nanoceramics) — компактный материал на основе оксидов, карбидов, нитридов, боридов и других неорганических соединений, состоящий из кристаллитов (зерен) со средним размером до 100 нм[1].
Содержание
Описание
Нанокерамику, как правило, получают из наноразмерных порошков методами формования и спекания. Поскольку вследствие высокого внутреннего трения нанопорошки труднее уплотняются, для их формования часто используют импульсное и гидростатическое прессование, методы шликерного и гелевого литья, гидроэкструзии. Одной из важных проблем при получении нанокерамики обычно является интенсивный рост зерна при спекании в обычных условиях. Для его предотвращения используются два основных метода:
- Введение в исходный порошок (шихту) нерастворимых добавок, локализуюшихся на границах зерен и препятствующих их срастанию.
- Использование специальных методов и режимов уплотнения и спекания керамики, позволяющих значительно уменьшить продолжительность и/или температуру высокотемпературных стадий её получения (импульсное прессование, горячее прессование, некоторые виды низкотемпературного спекания). Более подробно эти методы описаны в статье спекание нанокерамики.
Структурно-чувствительные свойства нанокерамик могут значительно отличаться от характеристик традиционных керамик с зерном микронного размера. При этом возможно улучшение механических (Al2O3), электрических (Y:ZrO2), оптических (Nd:Y2O3) свойств, однако характер изменения свойств с размером зерна очень индивидуален и зависит как от физической природы исследуемого свойства, так и от физико-химических особенностей используемой керамики.
Производство в России
В России функционируют два крупных предприятиях, производящие изделия из нанокерамики: ЗАО «НЭВЗ-Керамикс» (выделенная из ОАО «НЭВЗ-Союз»)[2] и ООО «Вириал»[3].
Классификация продукции проекта по составу применяемого основного материала
- Алюмооксидная керамика (на основе Al2O3) Планируемая номенклатура продукции — изоляторы электронно-оптических преобразователей (ЭОП), изоляторы вакуумных дугогасительных камер (ВДК), керамические подложки (металлизированные и неметаллизированные), ударопрочная алюмооксидная бронекерамика различной геометрической формы, применяемая в бронеэлементах для пулевой и осколочной защиты, имплантаты для позвоночника, применяемые в вертебрологии для фиксации, заместительного восстановления опороспособности при патологических изменениях позвоночника;
- Нитридная керамика (на основе AlN). Планируемая номенклатура продукции — керамические подложки (метализированные и неметаллизированные). Области применения: термоэлектрические модули (элементы Пельтье), светодиоды, силовые полупроводниковые приборы;
- Карбидная керамика (на основе SiC и В4C). Планируемая номенклатура продукции — керамические пластины для бронеэкипировки личного состава и бронезащиты наземных, воздушных и морских средств военной техники.
- Циркониевая керамика (на основе ZrO2). Планируемая номенклатура продукции — элементы керамической запорной арматуры, предназначенные для серийного производства износо-, коррозионно- и химически стойкой запорной арматуры, применяемой в химической и нефтегазовой промышленности, эндопротезы тазобедренного сустава, применяемые в травматологии и ортопедии для первичного эндопротезирования с целью восстановления или компенсации утраченных вследствие заболеваний функций тазобедренного сустава.
Применение нанокерамики
Керамические изоляторы
- Изоляторы керамические для вакуумных дугогасительных камер
Керамические изоляторы предназначены в качестве изоляционного материала для вакуумных дугогасительных камер, которые предназначены для комплектации вакуумных коммутационных аппаратов.
- Изоляторы электронно-оптических преобразователей
Изоляторы используются в качестве электроизоляционного материала для приборов ночного видения, потребляемые рынком военной продукции. Главным элементом прибора ночного видения является электронно-оптический преобразователь (ЭОП), который усиливает свет и вдобавок превращает инфракрасный свет в видимый.
Бронекерамика
Изделия из бронекерамики применяются для осуществления защиты специальной техники и личного состава от автоматического стрелкового оружия с возможностью обеспечения защиты до 6а класса. В интересах Минобороны России в течение 2-х последних лет в ХК ОАО «НЭВЗ-Союз» в инициативном порядке разработано и освоено производство развернутой номенклатуры изделий — 7 видов, 32 типоразмера бронекерамики (прямоугольная плоская и радиусная бронеплитка размерами 50×50 мм и 100×100 мм в диапазоне толщин 6-12 мм, бронеролики в диапазоне диаметров 13-29 мм и диапазоне высот 11-24 мм, шестигранники в диапазоне «размеров под ключ» 20-40 мм и диапазоне толщин 6-40мм), из них:
- 5 видов изделий из бронекерамики разработаны и испытаны для бронеэкипировки личного состава (защита от стрелкового вооружения калибров 5,45 и 7,62 мм);
- 4 вида изделий из бронекерамики разработаны и испытаны для бронезащиты легкой бронетехники от стрелкового вооружения калибров 7,62 мм, 12,7 мм и 14,5 мм.
В стадии разработки и испытаний находятся ряд элементов бронекерамики с радиопоглощающими свойствами для защиты кораблей ВМФ от высокоскоростных осколков противокорабельных ракет и от обнаружения головками наведения в СВЧ-диапазоне[4].
Керамические подложки для полупроводниковых приборов
Выпускаются керамические подложки на основе алюмооксидной (содержание Al2O3 более 94 %) или алюмонитридной AlN керамики, которые предназначены для электрической изоляции конструкций, узлов и элементов различных электронных устройств. Используемая для подложек керамика не гигроскопична, термостойка, является изоляционным материалом с высокими механическими и электрическими свойствами, отличается сравнительной простотой технологии изготовления и невысокой стоимостью. Механическая прочность на сжатие, растяжение, изгиб достаточна дляпрактического использования. Для улучшения теплопроводности, удельного электрического сопротивления и прочностных характеристик керамических подложек в состав керамической композиции вводятсямодифицированные Al2O3- и AlN-нанопорошки и армирования Al2O3-нановолокнами. Керамическая подложка выполняет две основные функции:
- осуществляет электрическую изоляцию токоведущих шин топологического рисунка, расположенных на одной стороне, друг от друга, а также оттоковедущих шин на другой стороне;
- передаёт тепло, выделяемое активными силовыми полупроводниковыми кристаллами (диодами, транзисторами, тиристорами), на теплоотводы и радиаторы.
Области применения:
- производство монолитных интегральных схем усилителей большой мощности;
- производство системам охлаждения термоэлектрических преобразователей на основе элементов Пельтье;
- производство коммутационных микрополосковых плат полупроводниковых приборов большой мощности;
- производство теплопроводящих изоляторов для нагревателей активных термостатов;
- производство элементов микрохолодильных машин с компенсацией механических вибраций.
Биокерамика
Изделия из биокерамики применяются для хирургического лечения травм и заболеваний позвоночника, тазобедренного сустава, лечение стоматологических заболеваний.
- Керамические имплантаты-фиксаторы из наноструктурированной биосовместимой плотной керамики, применяются для фиксации, заместительного восстановления опороспособности при патологических изменениях позвоночника.
- Искусственные суставы, включающие оригинальные керамические пары трения из наноструктурированной высокоплотной композитной керамики на основе диоксида циркония применяются для первичного эндопротезирования с целью восстановления или компенсации утраченных вследствие заболеваний функций сустава.
- Стоматологические имплантаты.
Запорная арматура
Наиболее перспективными областями применения запорной арматуры с использованием керамических элементов являются:
Особым преимуществом элементов из керамики, применяемых в арматуростроении является то, что их можно встраивать в серийно выпускаемую запорную арматуру без принципиальных изменений в конструкции шаровых кранов и дросселей, получая при этом существенное увеличение долговечности и повышения класса запорной арматуры.
Преимущества запорной арматуры с использованием узлов затвора из технической керамики, встроенных в металлический корпус, состоят в следующем:
- керамические элементы имеют высокую твердость (9 единиц по шкале твердости минералов МООС) и вследствие этого не подвержены абразивному износу песчаными пульпами (твердость кварца — 7 единиц);
- в силу химической нейтральности не взаимодействуют со щелочами и кислотами, кроме плавиковой (фтористоводородной) кислоты;
- долговечны (наработка на отказ составляет до 50000 циклов «открыто-закрыто»);
- пригодны к использованию в широком диапазоне температур рабочей среды (от −273 до +800°С);
- безотказно работают при повышенных давлениях в трубопроводе (до 40 Мпа);
- отсутствует явление «схватывания» запорных элементов, это обеспечивается свойствами керамического материала и особой конструкцией запирающих элементов.
Примечания
Литература
- Багаев С. Н., Каминский А. А., КопыловЮ. Л., Кравченко В. Б. Оксидная лазерная нанокерамика: технология и перспективы.
- Арсентьев М. Ю., Панова Т. И., Морозова Л. В. Синтез и исследование нанокерамики в системе ZrO2-CeO2-Al2O3.
Ссылки
Категория:- Нанотехнология
Wikimedia Foundation. 2010.