Breve analisi dei comuni materiali ceramici per l'ingegneria
Per ceramica ingegneristica si intende il termine generale di tutti i tipi di ceramica applicati nel campo della tecnologia ingegneristica, tra cui la ceramica strutturale, la ceramica funzionale e i compositi a matrice ceramica. La ceramica ingegneristica, grazie alla sua resistenza alle alte temperature, all'usura, alla resistenza alla corrosione, alla stabilità chimica e alle sue uniche funzioni elettriche, termiche, ottiche, magnetiche e di altro tipo, occupa una posizione molto importante nel campo dei nuovi materiali. Di seguito viene presentata una breve introduzione di alcuni comuni materiali ceramici ingegneristici e delle loro applicazioni.
Ceramica all'ossido di alluminio
La ceramica di allumina è uno dei materiali ceramici più utilizzati nella ricerca e nell'applicazione, con un elevato punto di fusione (2050 ℃) e un'elevata durezza (hra), 90-92, buone prestazioni di isolamento, resistività di volume fino a 1015 Ω, cm), buona stabilità chimica, ecc.È ampiamente utilizzato come materiale strutturale ad alta temperatura, materiale resistente all'usura, materiale per l'isolamento elettrico e materiale resistente agli agenti chimici, come ad esempio materiali per mobili per forni ad alta temperatura, rivestimento resistente all'usura e corpo abrasivo, guscio elettrico sottovuoto e substrato ceramico, materiali per film ceramici per la purificazione dei fumi ad alta temperatura, ceramica chimica, copertura trasparente dell'obiettivo dei prodotti elettronici in ceramica, rivestimento resistente all'usura e così via.
La chiave per la preparazione di ceramiche di allumina ad alte prestazioni risiede nella purezza, nella morfologia delle particelle e nella distribuzione granulometrica della polvere di materia prima. Negli ultimi anni, la tecnologia di preparazione della polvere di allumina ultrafine o nanometrica ad alta purezza si è sviluppata rapidamente con la crescente domanda di ceramiche di allumina trasparenti e di cristallo di zaffiro.Le ceramiche di allumina trasparenti sono preparate da polveri ultrafini di elevata purezza con purezza fino a 4N e dimensioni delle particelle inferiori a 100 nm, mentre la crescita del cristallo di zaffiro richiede una purezza fino a 5N.
Ceramicadi zirconio
Tra tutti i tipi di ceramiche a base di ossidi metallici, l'ossido di zirconio ha la migliore stabilità alle alte temperature ed è il più adatto per i rivestimenti ceramici e i prodotti refrattari ad alta temperatura. La conducibilità termica dell'ossido di zirconio è la più bassa tra i materiali ceramici comuni e il coefficiente di espansione termica è vicino a quello dei materiali metallici.
Le caratteristiche di tempra a cambiamento di fase della ceramica di zirconia l'hanno resa un tema di ricerca caldo della ceramica plastica e le eccellenti proprietà meccaniche e termofisiche la rendono un'ottima fase di rinforzo dei compositi a matrice metallica. Attualmente, la ceramica di zirconia è seconda solo alla ceramica di allumina nell'uso di varie ceramiche di ossido di metallo.
Le ceramiche in zirconia parzialmente stabilizzata (PSZ, che spesso utilizzano il 3% di polvere di zirconia stabilizzata con ossido di ittrio come materia prima) sono attualmente i materiali ceramici a più alta resistenza e tenacità.Le ceramiche PSZ hanno una granulometria fine, un'elevata resistenza, una buona tenacità, un'alta resistenza all'usura (di solito 5-10 volte superiore a quella delle ceramiche di allumina) e mostrano una buona autolubrificazione. Come materiale di struttura resistente all'usura, è stato ampiamente utilizzato in mulini abrasivi, mulini a sfere, materiali per cuscinetti, giunti artificiali, frese in ceramica di uso quotidiano e così via.
Ceramica al carburo disilicio
La ceramica al carburo di silicio è il materiale ceramico più ampiamente studiato e applicato tra i materiali ceramici non ossidati. Poiché il silicio e il carbonio sono legati in modo covalente per formare una struttura tetraedrica simile al diamante, hanno un'elevata resistenza, un'alta durezza, una resistenza all'ossidazione e un'eccellente resistenza alla corrosione.Le ceramiche al carburo di silicio hanno proprietà e campi di applicazione diversi a causa dei diversi processi di preparazione. Grazie alle loro eccellenti proprietà, possono essere utilizzate come materiale strutturale per alte temperature, materiale refrattario, materiale resistente all'usura delle tenute meccaniche, materiale resistente alla corrosione di acidi e alcali e materiale per lo scambio di calore ad alta temperatura, ecc.
Ceramica al nitruro di silicio
Laceramica al nitruro di silicio (Si3N4) è un tipo di ceramica ingegneristica che si sta sviluppando rapidamente nella ceramica non ossidica. L'unità strutturale tetraedrica [SiN4], formata dal legame covalente tra silicio e azoto, fa sì che la ceramica abbia un'elevata resistenza, un'alta durezza, un'eccellente resistenza all'ossidazione e alla corrosione. Il nitruro di silicio si presenta in due forme cristalline, alfa -Si3N4 in forma granulare e beta -Si3N4 in forma pinprismatica.L'alfa Si3N4 delle particelle fini presenti nella billetta può essere convertito in beta Si3N4 pinprismatico alla temperatura di sinterizzazione, che agisce come auto-temprante. Pertanto, le ceramiche al nitruro di silicio hanno una resistenza e una tenacità più elevate rispetto alle ceramiche al carburo di silicio, che sono più adatte per la preparazione di utensili ceramici a media rettifica, cuscinetti e altri prodotti ceramici che richiedono elevata resistenza e tenacità.
Le ceramiche al nitruro di silicio hanno un'eccellente durezza rossa, particolarmente adatta per il taglio o la rettifica ad alta velocità su macchine utensili CNC ad alta velocità.
Ceramica di quarzo
La ceramica di quarzo, nota anche come ceramica di quarzo fusa, ha un basso coefficiente di espansione termica e un'eccellente resistenza agli shock termici. Oltre allo stampaggio e alla stuccatura tradizionali della ceramica di quarzo, è stata applicata anche la tecnologia di stampaggio a iniezione di gel sviluppata negli ultimi anni, che è stata utilizzata con successo per produrre un rullo di tempra orizzontale in vetro, un mattone galleggiante per la porta del forno di vetro e altre ceramiche di quarzo di grandi dimensioni.
I campi di applicazione della ceramica di quarzo comprendono la metallurgia, l'ingegneria elettrica, il vetro, l'aviazione, il fotovoltaico e altre industrie. Inoltre, è ampiamente utilizzata come crogiolo di fusione del silicio monocristallino e policristallino e come radome per i missili.
Ceramica al nitruro di alluminio
La ceramica al nitruro di allumina è un tipo di materiale ceramico ad alta conducibilità termica ma isolante. Ha le caratteristiche di alta resistenza, elevata durezza e resistenza alle alte temperature. La polvere di nitruro di alluminio con elevata purezza, prestazioni stabili, granulometria fine e distribuzione granulometrica ristretta e una piccola quantità di AIDS di sinterizzazione (ossido di ittrio nanometrico), combinata con il processo di sinterizzazione per pressatura a caldo, è una soluzione tecnica ideale per la preparazione di ceramiche al nitruro di alluminio ad alta conducibilità termica.
Ceramica al nitruro di boro
Ilnitruro di boro (BN) ha due strutture cristalline tipiche, il nitruro di boro esagonale e il nitruro di boro cubico. Attualmente, le ceramiche di nitruro di boro esagonale sono utilizzate principalmente nei materiali isolanti ad alta temperatura, nei riempitivi avanzati per rossetti, nei materiali di lubrificazione (come l'agente di rilascio degli stampi per la pressatura a caldo) e nel crogiolo per la fusione dei metalli, mentre le ceramiche di nitruro di boro cubico sono utilizzate principalmente per produrre utensili da taglio, abrasivi e materiali abrasivi o lucidanti.
Il nitruro di boro esagonale è bianco con una struttura simile alla grafite e ha molte proprietà simili alla grafite, come la bassa durezza e la lubrificazione. Il nitruro di boro esagonale è uno dei materiali con una conducibilità termica molto elevata nei materiali ceramici, la conducibilità termica è 10 volte quella del quarzo e la conducibilità termica dei prodotti pressati a caldo (come il nitruro di boro pressato a caldo) con un'elevata conducibilità termica è di 33W/M. K, pari a quella del quarzo puro.Il nitruro di boro cubico ha una struttura simile a quella del diamante ed è il secondo materiale superduro la cui durezza è attualmente seconda solo a quella del diamante.
