Безграничные возможности применения

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 7Следующая ⇒

Главные области текущих и потенциальных применений промышленной керамики - машиностроение, электротехника и электроника. Два бытовых применения, отмеченных широким рыночным спросом, магниты из ферритной керамики, используемые во всех телевизионных приемниках и видеотерминалах, и износостойкие уплотнительные кольца (керамика на основе оксида алюминия) водяных насосов для систем центрального отопления.

Керамика в машиностроении

Машиностроение всегда было и остаётся базисной отраслью промышленности. Уровень развития этой отрасли народного хозяйства определяет уровень развития всего государства. Машиностроение сегодня проникает во все сферы жизни общества. Даже степень развития информационных технологий зависит от уровня развития машиностроения. Ведь отдельные узлы современного персонального компьютера по сути своей являются высокотехнологичными образцами продукции машиностроения, а производство тех же процессоров требует применения все более высокотехнологичных гибких производственных линий. Всемирная сеть " Интернет", и та, на сегодняшний день не обходится без машиностроения, поставляющего ей высокотехнологичную охладительную аппаратуру [9]. Информационные технологии сегодня прочно вошли в нашу жизнь, достижение приемлемого уровня развития общества без них невозможно. Таким образом, исходя из выше изложенного, машиностроение имеет столь же важное значение, как и сами информационные технологии. Немаловажное значение имеют также оборонная промышленность, энергетика, сельское хозяйство и другие отрасли, которые напрямую зависят от машиностроения. Основным направлением развития в машиностроении остается повышение скорости движения подвижных узлов. В настоящее время, наметившаяся около десяти лет назад тенденция повышения скорости движения подвижных узлов, стала острой проблемой. Основным препятствием на пути её решения является трение, для борьбы с которым применяют подшипники. К подшипниковым узлам предъявляются такие жёсткие и не слишком совместимые между собой требования, как способность к упругим деформациям, низкий коэффициент трения, износостойкость, прочность на сжатие, усталостная прочность, коррозионная стойкость, хорошая теплопроводность, геометрическая стабильность, хорошая обрабатываемость и низкая себестоимость". Существует множество типов подшипников, их изготовляют из различных материалов: металлов, пластмассы, полимеров, резины, дерева и различных комбинаций этих материалов. Вплоть до 70-х годов ХХ-го века большинство подшипников изготовлялось из стали. Однако, в последние 25-30 лет металлы всё меньше и меньше удовлетворяют требованиям, предъявляемым к подшипниковым узлам. В связи с этим исследователями и учёными всего мира был начат активный поиск новых материалов для подшипников. Наиболее перспективными оказались керамические материалы, получаемые методами горячего прессования, активированного и реакционного спекания: окись алюминия (А12ОЗ), карбид кремния (SiC), нитрид кремния (Si3N4), нитрид алюминия (A1N), карбид бора (В4С) и другие. Керамические материалы обладают такими уникальными свойствами, как высокая твердость, прочность, термическая и химическая стойкость, низкая адгезионная способность. Из недостатков можно отметить высокий коэффициент трения при работе без смазки, низкую теплопроводность, высокие требования к точности изготовления. Керамические подшипники имеют ряд преимуществ перед подшипниками из стали. Они могут работать при экстремально высоких и экстремально низких температурах, имеют меньшие потери на трение, обладают большей долговечностью, малочувствительны к действию воды и агрессивных сред, меньше подвержены всем видам износа. Керамические подшипники имеют и некоторые недостатки. Прежде всего, к ним следует отнести сложность конструкции самих подшипников, требующих наличия дополнительных элементов для нормальной работы и высокие требования к точности изготовления деталей из керамических материалов. Кроме того, керамические материалы обладают высокой хрупкостью, что обуславливает их чувствительность к ударным нагрузкам, и низкую теплопроводностью, что ухудшает отвод тепла из рабочей зоны. Не смотря на недостатки свойственные самим керамическим материалам и подшипникам из них, для последних нашлась своя ниша в машиностроении. За последние 20-25 лет было изобретено большое количество узлов трения (подшипников), в конструкции которых применяются керамические материалы. Такие подшипники стали применять в тяжело нагруженных механизмах, в механизмах, работающих вакууме, агрессивных средах, при высокой температуре, в точных механизмах. Со времени начала применения керамических подшипников, в виду большого интереса к керамическим материалам и узлам трения из них со стороны ученых, было проведено большое число исследований, в ходе которых были установлены некоторые закономерности процессов трения керамических материалов. В частности было установлено, что процесс трения сильно зависит от наличия и вида смазки, элементов пары трения и газовой среды в которой происходит процесс. Также делается вывод, что оптимальной является пара трения керамика-металл (в виду низкой адгезионной способности керамики и высокой пластичности металла), при чём важно, где расположен элемент из керамики, на втулке или на валу. На основании анализа упомянутых исследований и изучения ряда конструкций керамических подшипников учёными нашей кафедры была разработана перспективная конструкция керамического подшипника. Керамический подшипник (см. рис. 1) содержит корпус 1, в расточку которого вставлен вкладыш 2 из закалённой износостойкой стали и вал 6. Керамические 3 и смазывающие 4 секторные вставки расположены попеременно в выточках вала на основании из эластичного материала (твёрдая резина или металл орезина). Концы керамических вставок 3 входят в торцовые пазы 7 выточки вала. Вставки удерживаются от выпадения кольцом 8 и гайкой 9. Радиус кривизны рабочей поверхности смазывающих вставок 4 равен, с учётом посадочных допусков, радиусу кривизны рабочей поверхности вкладыша. Радиус же кривизны керамических вставок меньше на столько, что на стыке боковых граней вставок создается ступенька, равная, по крайней мере, диаметральному зазору в подшипнике-h. В результате на керамических вставках образуются клиновидные щели 10, обеспечивающие создание гидродинамического несущего клина. Таким образом, при применении данной конструкции достигается эффект многоклинового гидродинамического подшипника скольжения, повышающего точность положения оси вращения, а также осуществляется постоянное смазывание рабочей поверхности, благодаря чему обеспечивается снижение момента трения, уменьшение износа и увеличение срока службы подшипника. Керамические вставки своими концами входят в торцовые пазы выточки вала, что удерживает их от проворота под действием тангенциальных сил трения. Установка вставок на эластичном основании обеспечивает их самоустановку при монтажных перекосах вала за счёт деформации эластичного основания. Под действием радиальной нагрузки эластичное основание деформируется, в результате чего в зоне нагружения каждая вставка прижимается к рабочей поверхности вкладыша, что обеспечивает образование увеличенного угла контакта и, соответственно, увеличение несущей способности подшипника. В процессе работы смазывающие вставки изнашиваются значительно быстрее керамических, однако за счёт действия упругих сил в эластичном основании смазывающие вставки будут все время прижиматься к рабочей поверхности вкладыша, обеспечивая тем самым постоянство смазки.

Рис. 1. Конструкция подшипника

Выполнение керамических и смазывающих вставок с различными радиусами кривизны рабочей поверхности создаёт на керамических вставках, имеющих меньший радиус, клиновидную щель, которая при работе со смазкой способствует созданию гидродинамических клиньев на каждой вставке, т.е. многоклинового подшипника скольжения. Что обеспечивает постоянное центирование вала и увеличивает несущую способность подшипника. Подшипник может быть применён в качестве опор валов машин различного назначения: общего, горного и тяжёлого машиностроения. Были проведены испытания данной конструкции подшипника на специальном стенде. Скорость скольжения была постоянной-1м/с. Нагрузка на тела качения изменялась от 200 до 1800 Н с шагом 200 Н, что соответствует удельным давлениям 0.23, 0.46.2.07 Мпа. При работе с минимальными нагрузками, выделение смазки из маслянитовых пластин практически не происходит. В паре трения происходит сухой контакт керамики с металлом, что обуславливает высокий коэффициент трения. При наличии смазки коэффициент трения зависит также от её вязкости, которая при низкой нагрузке наибольшая. С ростом нагрузки из маслянитовых вставок начинает выделятся смазка, а сам маслянит, расширяясь, смазывает рабочую поверхность стальной втулки. Коэффициент трения падает тем ниже, чем выше нагрузка. При работе со смазкой уменьшение коэффициента трения обусловлено ещё и снижением вязкости смазки с повышением температуры. Увеличение нагрузки ведёт также к выдавливанию смазки из зоны трения, что обеспечивает выравнивание условий работы пар трения, как со смазкой, так и без неё. Из изложенного следует сделать вывод о перспективности создания комбинированных пар трения для условий эксплуатации без смазки или с ограниченной смазкой, когда восстановление смазки затруднено [12].

Таким образом, на сегодняшний день керамические подшипники целесообразно использовать только там, где можно применить их уникальные свойства: в особо точных узлах, в тяжело нагруженных узлах, в механизмах, работающих в экстремальных условиях. Широкое применение керамических подшипников в общем машиностроении на сегодняшний день экономически не эффективно. Однако такие узлы имеют место, прежде всего в высокотехнологичных современных механизмах. Поэтому будущее таких механизмов именно за керамическими подшипниками, так как их применение в таких узлах более эффективно и более выгодно, чем обычных подшипников [13].

2.2.2. Керамические материалы с электрическими функциями

Материалы с электрическими функциями. Говоря об электрических функциях материала, имеют в виду в первую очередь проводимость, обусловленную только движением электронов и обнаруживаемую, когда вещество находится в контакте с другими электронными проводниками. В этом смысле все материалы делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики. Керамика сравнительно редко используется как проводниковый материал, хотя известны разновидности керамики, которые по уровню электронной проводимости приближаются к типичным металлам [14].

Керамические материалы используются для изготовления изоляторов разнообразного назначения. Тонкие пластины из алюмооксидной керамики широко применяются как подложки для монтажа микропроцессоров и связанных с ними элементов и схем. Алюмооксидная керамика имеет хорошую долговременную электрическую и химическую стабильность при воздействии высокочастотных токов. Она достаточно прочна, чтобы выдерживать высокие тепловые и механические нагрузки, возникающие в условиях температур до 250° С, которые могут создаваться некоторыми электрическими приборами. Изоляторы из алюмооксидной керамики применяются в клистронах и магнетронах. Отвод тепла, особенно от многослойных керамических приборов, улучшается при использовании керамики с высокой теплопроводностью, например оксидбериллиевой и нитридалюминиевой. Тонкие изолирующие пленки из керамических материалов дают возможность хранить большие электрические заряды в очень малом объеме. Сегнетоэлектрическая керамика, например титанатбариевая и титанатстронциевая, а также аналогичные материалы, содержащие небольшие добавки оксидов, например лантана и неодима, входят в эту категорию. Диэлектрические керамические материалы, позволяющие миниатюризовать конденсаторы, играют важную роль в развитии техники полупроводниковых электронных приборов[15].

Приложение электрического поля к сегнетоэлектрическим к некоторого типа приводит к изменению их формы и наоборот. Это свойство цирконат-титанатов свинца очень ценно для таких устройств, как преобразователи, тензодатчики, акселерометры, датчики давления, микрофоны, головки звукозаписи воспроизведения, гидролокаторы и ультразвуковые очистители. Сегнетоэлектрические керамические материалы применяются также как пироэлектрические датчики в приборах теплового видения и в электрооптических приборах, где приложенное электрическое поле изменяет оптические характеристики материала, а так же диффузные отражатели лазерных и других установок, рассеивающие и поглощающие покрытия для колб высокоинтенсивных источников света[16].

Электрические проводники и изоляторы имеют важное значение для работы большинства технических аппаратов и установок. Широкому спектру применения таких деталей можно противопоставить многочисленные варианты материалов для изготовления подобных изделий. Рис. 2 показывает, что оксидная керамика представляет собой относительно небольшой сегмент этого спектра материалов.

Рис. 2. Классификация оксидной керамики

Керамика применяется в том случае, если есть необходимость обеспечить определённые свойства, а более дешёвые материалы не могут обеспечить необходимые параметры. Примером этого могут служить следующие требования, которые должны одновременно выполняться: высокое электрическое сопротивление, высокая механическая прочность при рабочей температуре свыше 500°С и термостойкость. В таких случаях керамический материал оксид алюминия часто оказывается единственным подходящим изолирующим материалом. За исключением некоторых случаев конечное изделие для электротехники представляет собой керамическую или металлокерамическую (соединение металл - керамика) деталь. В настоящее время существует множество различных способов соединения изделий керамика-металл и керамика-керамика.

Большое распространение получила пьезокерамика, то есть керамика, способная поляризоваться при упругой деформации и, наоборот, деформироваться под действием внешнего электрического поля. Пьезокерамические материалы, как правило, представляют собой неорганические диэлектрики с высокой диэлектрической проницаемостью, зависящей от напряженности электрического поля. Среди них наиболее хорошо известна керамика на основе системы PbZrO3-PbTiO3 в области составов, близких к так называемой морфотропной границе, разделяющей области существования твердых растворов с ромбоэдрической и тетрагональной структурой. Помимо высокой технологичности этой керамики ее отличают высокие значения температуры Кюри (300-400°С) и коэффициентов электромеханической связи, а также хорошая поляризуемость (до 50 мкКл/см2). Пьезоэлектрические свойства цирконата-титаната свинца можно изменять в широких пределах благодаря модифицирующим добавкам АВОЗ, где А - висмут или лантан, В - железо, алюминий или хром. Пьезоматериалы нашли широкое применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей.

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)[18].

Пожалуй, 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 100°С. 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.

Важнейшим для электронной техники керамическим диэлектриком, несомненно, является оксид алюминия а-А12ОЗ, который доминирует на

мировом рынке [19].Основная область применения алюмоксидной керамики -подложки интегральных схем. Они представляют собой тонкие пластины, на которых собираются микросхемы. В отличие от пластмасс и фарфора, используемых для тех же целей, алюмоксидная керамика характеризуется уникальным сочетанием высокого электросопротивления и теплопроводности. Другая важная область применения алюмоксидной керамики - изготовление подложек для корпусов чипов (больших интегральных схем).

Преимуществом керамики является возможность получения заранее заданных характеристик путем изменения состава массы и технологии производства. В общем случае керамический материал может состоять из нескольких фаз (Рис. 3):

Рис. 3. Фазы керамических материалов

Кристаллическую фазу образуют различные химические соединения или твердые растворы этих соединений. Особенности кристаллической фазы во многом определяют диэлектрическую проницаемость, диэлектрические потери, температурный коэффициент линейного расширения, механическую прочность. Стекловидная фаза представляет собой прослойки стекла, связывающие кристаллическую фазу. Технологические свойства керамики:

плотность, степень пористости гигроскопичность в основном определяется количеством стекловидной массы.

Наличие газовой фазы (газы в закрытых порах) обусловлено способом обработки массы и приводит к снижению механической и электрической прочности керамических изделий, а также вызывает диэлектрические потери при повышенных напряженностях поля вследствие ионизации газовых включений.

По сравнению с органическими электроизоляционными материалами керамика более стойка к действию высоких температур, воды и активных химических реактивов, негорюча, не имеет остаточных деформаций и не стареет при длительном воздействии электрической и тепловой нагрузок. Керамические материалы, относящиеся к диэлектрикам, по техническому назначению можно подразделить на установочные и конденсаторные.

Установочную керамику применяют для изготовления разного рода материалов и конструкционных деталей: изоляторов радиоустройств, подложек интегральных микросхем, ламповых панелей, корпусов резисторов, каркасов катушек индуктивности и др.

По электрическим свойствам установочную и конденсаторную керамику подразделяют на низкочастотную и высокочастотную. Из низкочастотных установочных материалов наиболее распространен изоляторный фарфор. Сырьем для его изготовления служат специальные сорта глины, кварцевый песок и щелочной полевой шлак. Наличие большого содержания щелочных окислов в стеклофазе определяет сравнительно высокие диэлектрические потери (tg 10-2), которые быстро увеличиваются с повышением температуры. Это затрудняет применение фарфора на высоких частотах.

Меньшими диэлектрическими потерями обладает радиофарфор (tg 10-3). Это достигается введением в состав шихты окиси бария. Радиофарфор занимает промежуточное положение между низкочастотными и высокочастотными диэлектриками. Дальнейшим усовершенствованием радиофарфора является ультрафарфор, относящийся к группе материалов с большим содержанием (до 80%) А12О Значение tg ультрафарфора меньше (tg (2-3) 10-4) а больше, чем обычного электротехнического фарфора, что позволяет применять его как высокочастотную электроизоляционную керамику, кроме того, ультрафафор имеет повышенную по сравнению с обычным фарфором механическую прочность и теплопроводность. Существенным преимуществом керамических подложек по сравнению со стеклянными и ситалловыми является их высокая теплопроводность. Это позволяет увеличить допустимую мощность рассеиваемую пленочными элементами. Среди неметаллических материалов наиболее высокой теплопроводностью обладает керамика на основе окиси бериллия (ВеО) -брокерит. Теплопроводность ее в 200-250 раз превышает теплопроводность стекол и в 200 раз ситаллов при высоких значениях электрических параметров ( = 1016 Омм, tg 3 10-4). Берилливая керамика используется для подложек интегральных микросхем, в особо мощных приборах СВЧ и т.д. Недостатком этого материала является токсичность образующейся пыли, трудность механической обработки и высокая стоимость (в 15 раз дороже ситалла).

Для высокостабильных катушек индуктивности и высокочастотных конденсаторов большой реактивной мощности используется цельзиановая керамика, обладающая очень низким температурным коэффициентом линейного расширения (2 10-6 К-1), незначительным температурным коэффициентом диэлектрической проницаемости (610-5 К-1) и повышенной диэлектрической прочностью.

Конденсаторная керамикас повышенным ( = 10 - 230) значением диэлектрической проницаемости и значением tg 10-4 применяется

для изготовления высокочастотных конденсаторов [20]. Основными компонентами для изготовления высокочастотной конденсаторной керамики являются оксиды титана ТiO2 (рутил), титанат кальция СаTiOЗ, титанат стронция. В области низких частот и повышенных температур рутиловая керамика в основном имеет ионно-релаксационную поляризацию, для которой характерны сильные температурные зависимости и высокие значения и tg, а знак ТКЕ - положительный. При высоких частотах главную роль играют электронная и ионная поляризация, при этом знак ТКЕ отрицателен и температурная зависимость tg слабо выражена. Керамика на основе титанатов характеризуется пониженной электрической прочностью, подвержена электрохимическому старению под воздействием постоянного напряжения, имеет высокое отрицательное значение ТКЕ (от -1500 10-6 до -3000 10-6 К-1). Применяется для изготовления конденсаторов, к которым не предъявляются требования температурной стабильности емкости.

Для улучшения температурной стабильности в состав керамики добавляют цирконат кальция CaZrO2, лантанат алюминия LaAlOЗ, станнат кальция CaSnO2, которые образуют кристаллическую фазу с положительным значением ТКЕ. Изменяя соотношения между этими компонентами получают термостабильную керамику с ТКЕ от +3310-6 до -7510-6К-1. Диэлектрические потери этих материалов (tg=10-4- 10-3) во всем диапазоне частот от низких до сверхвысоких и поэтому они применяются для изготовления термокомпенсирующих, высокостабильных контурных, блокировочных и разделительных конденсаторов.

Конденсаторная керамика с высоким значением диэлектрической проницаемости (800) и tg = 0.002-0.025 применяется для изготовления низкочастотных конденсаторов. Основу низкочастотной конденсаторной керамики составляют титанат бария ВаТiOЗ и твердые растворы с сегнетоэлектрическими свойствами. Этот вид керамики характеризуется очень высоким значением диэлектрической проницаемости (до 10000) и ее зависимостью от напряжения, частоты, температуры, высоким значением tg, который на частотах выше 108 Гц уменьшается [20]. Для конденсаторов используется сегнетоэлектрики со сглаженной температурной зависимостью распространенной на возможно более широкий температурный интервал со снижением максимума. Сегнетокерамические малогабаритные конденсаторы применяются как блокировочные, фильтровые, разделительные. Сегнетокерамика с резко выраженной зависимостью от напряженности поля применяется для изготовления нелинейных конденсаторов - варикондов.

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 Следующая ⇒