Усъвършенстваната керамика, известна още като специална керамика, се отнася до керамични материали, приготвени на базата на традиционна керамика, използвайки усъвършенствани химични и физични технологии, с отлични свойства в механиката, термичните, оптичните, акустичните и електрическите полета. В сравнение с металите и полимерните материали, усъвършенстваните керамични материали притежават несравними структурни свойства като висока твърдост, висок модул, устойчивост на висока -температура и устойчивост на корозия, както и отлични функционални свойства като електрическа изолация, пропускливост на светлина и прозрачност на вълните. Поради това те все повече се използват в космическата индустрия, информационните технологии, националната отбрана и военната индустрия, биомедицината и новите енергийни полета.
Процесът на приготвяне на усъвършенствана керамика включва главно подготовка на прах, формоване на зелено тяло и синтероване. Сред тях формоването и синтероването са преките фактори, определящи свойствата на керамичните продукти. Формоването се отнася до превръщането на праха в зелено тяло с определени размери и форма и определена механична якост. Агломерирането се отнася до процеса, при който зеленото тяло, при висока температура под точката на топене, елиминира порите, уплътнява се и образува синтеровано тяло с определена здравина.
01 Приготвяне на прах
Методите за приготвяне на усъвършенствани керамични прахове могат основно да бъдат обобщени в три категории: методи на твърда-фаза, методи на течна-фаза и методи на-газова фаза.
Методът на твърдата{0}}фаза използва твърди вещества като изходни суровини за получаване на ултрафини керамични прахове. Примерите включват високотемпературна-реакция в твърдо-състояние, карботермална редукция, твърдо-газова реакция, термично разлагане на соли и -саморазпространяващ се синтез при високо-температурно изгаряне. Характеризира се с това, че е подходящ за масово производство и относително ниска цена, но понякога присъстват примеси.
Методът на течната{0}}фаза се характеризира с лесен контрол на химичния състав, равномерно смесване в йонен или молекулярен мащаб и възможност за приготвяне на нано- и субмикронен-мащаб на керамични прахове с висока чистота и добра активност на синтероване. Той е особено подходящ за синтезиране на прахове от единичен-оксид или композитен-оксид за структурна керамика и функционална керамика и затова се използва широко. Общите методи за течна-фаза включват химическо утаяване, хидротермални методи и сол-гел методи.
Газовият-метод синтезира желания керамичен прах чрез химични реакции на реагиращи газове в локално висока{1}}температурна среда. Включва химическо отлагане на пари, плазмен синтез на газ-фаза и други. Праховете, синтезирани чрез газо-фазови методи, имат голяма специфична повърхност и лесно абсорбират влага или агломерат, което ги прави неподходящи за синтероване на структурна керамика с висока-плътност и електронни керамични материали. В допълнение, суровините и оборудването за реакционен синтез, използвани в методите за газова-фаза, са скъпи и имат много малък производствен капацитет, което води до високи разходи за подготовка на прах.
02 Процеси на формоване
Според потока и реологичните свойства на тялото методите за формоване могат да бъдат разделени на три категории: пресоване на сухо тяло, формоване на пластмасово тяло и формоване на суспензия.
Пресовото формоване, наричано още пресоване, включва добавяне на малко количество свързващо вещество към праха (съдържание на влага, контролирано на 4%–7% или дори толкова ниско, колкото 1%–4%) за гранулиране, след което гранулираният прах се поставя във форма и се пресова под преса, за да се образува зелено тяло с определена форма. Пресоването се разделя на сухо пресоване и изостатично пресоване.
Пластмасовото формоване използва пластмасово тяло като изходен материал и използва налягането, генерирано от движението на формата, за пластично деформиране на тялото в зелено тяло. Пластмасовите материали се състоят главно от керамичен прах, свързващо вещество, пластификатор и разтворител и процесът на подготовка на суровините им е труден. Пластмасовото тяло съдържа сравнително голямо количество формовъчен агент, но обикновено не повече от 30%. Методите за формоване на пластмаса включват екструдиране, лентово каландриране, леене под налягане и други.
При образуването на суспензия се използва течлива керамична суспензия като суровина. В допълнение към прахообразните частици, суспензията съдържа също вода и диспергатор. Оформянето на суспензия включва главно леене чрез шликер, леене с гел, леене на лента и други.
Както пластмасовото формоване, така и формоването на суспензия принадлежат към процесите на мокро формоване. В сравнение със сухото формоване, мокрите процеси могат по-лесно да контролират агломерацията на прах и да намалят съдържанието на примеси, като по този начин произвеждат керамични продукти със сложни форми.
Тъй като областите на приложение на усъвършенстваната керамика продължават да се разширяват, една след друга се появяват нови технологии като центробежно отлагане, електрофоретично отлагане, директно коагулационно леене и производство на твърда свободна форма.
03 Процеси на синтероване
Керамичните зелени тела трябва да бъдат синтеровани, за да се получи плътна микроструктура. По същество синтероването е процес на взаимна дифузия между различни прахови компоненти. Чрез укрепване на свързването между частиците, той придава на керамичните материали еднаква микроструктура, стабилна форма и относително висока механична якост. Обичайните процеси на синтероване включват синтероване без налягане, горещо изостатично пресоване синтероване, искрово плазмено синтероване и други.
Агломерирането без налягане е синтероване на материали при атмосферно налягане без прилагане на налягане. Този метод обикновено се извършва под кислород или специална газова атмосфера. При синтероване без налягане образуваното зелено тяло не се подлага на външен натиск; съвкупността от прахообразни частици просто се нагрява при атмосферно налягане и се трансформира в свързано зърно.
Агломерирането под налягане на газ се отнася до прилагане на определено налягане на газ по време на високо-температурно синтероване на керамика, в диапазона 1–10 MPa (т.е. 10–100 atm), за потискане на разлагането и загубата на тегло на керамични материали при високи температури. Това може да повиши температурата на синтероване, допълнително да насърчи уплътняването и да доведе до получаване на керамични продукти с висока -плътност.
Горещото{0}}пресоване е процес на уплътняване, съчетаващ механично налягане и висока температура. Чрез едновременно прилагане на аксиален натиск и нагряване във формата, той значително подобрява движещата сила на синтероване. Този процес има три основни предимства: постигане на бързо уплътняване, съкращаване на цикъла на синтероване и значително подобряване на механичните свойства на материалите. Особено подходящо е за приготвяне на керамика с висока-производителност.
Горещото изостатично пресоване синтероване използва инертен газ като среда и постига керамично уплътняване при висока температура и постоянно високо налягане. За някои керамични материали с ниски коефициенти на само-дифузия, които трудно се уплътняват чрез конвенционално синтероване, може да се използва синтероване чрез горещо изостатично пресоване за увеличаване на движещата сила за дифузия. Горещото изостатично пресоване на синтероване отговаря на условията на високо-налягане и висока-температура, необходими за синтероване на прозрачна керамика и има уникални предимства при синтероване на прозрачни керамични зелени тела.
Искровото плазмено синтероване (SPS) използва директно нагряване на Джаул, генерирано от импулсен постоянен ток, подпомаган от механично налягане. Благодарение на характеристиките си на синтероване, той може да се използва за бързо приготвяне на ултра{1}}високо{2}}температурна керамика. За ултра{4}}високо{5}}температурна керамика като Ta2AlC, TaC и ZrB2-SiC, SPS процесът може да постигне кратки времена на синтероване, очевидни ефекти на укрепване на фини зърна, значително подобрени механични свойства и повишена устойчивост на окисление.
Процесът на студено синтероване под високо налягане добавя преходен разтворител към праха, за да насърчи пренареждането и дифузията на частиците, като по този начин насърчава уплътняването на керамичния прах при относително ниска температура и за относително кратко време. Този процес създава възможност за ни-температурно синтероване за приготвяне на високо-структурна и функционална керамика. Понастоящем този процес е успешно приложен за подготовка и синтероване на различни материали, включително типична оксидна керамика, керамични/керамични композити, микровълнова диелектрична керамика, фероелектрична и пиезоелектрична керамика, твърди електролити, термоелектрични материали и керамични/2D наноматериални композити.
Технологията за синтероване с осцилиращо налягане се основава на синтероване при горещо-пресоване и променя постоянното налягане в динамично. Чрез пренареждане на частиците, причинено от непрекъснато осцилиращо налягане, той увеличава плътността на опаковката на праха преди синтероване. В същото време осцилаторното налягане осигурява по-голяма движеща сила на синтероване за синтероване на прах, като спомага за насърчаване на въртенето на зърната и плъзгането и пластичния поток в синтерованото тяло, като по този начин ускорява уплътняването на зеленото тяло. Този процес е използван при изготвянето на различни структурни керамики и са успешно разработени високо{4}}керамични материали като ZrO2, Al2O3 и Si3N4.