Что такое керамика?

Что такое керамика?

С технологической точки зрения спекание представляет собой процесс получения прочного и малопористого, компактного тела из порошковой массы при воздействии высоких температур.

Положив в основу геометрический признак, процесс спекания условно можно разделить на три периода. В начальный период, называемый припеканием, частицы, составляющие систему, сохраняют свою индивидуальность, сохраняются и контакты между ними, хотя размер контактного пятна изменяется практически от нуля до ~ 1/3 радиуса частицы. На промежуточной стадии образуется две непрерывные фазы: так называемые “фаза вещества” и “фаза пустоты”. Формируются замкнутые поры, понятие контакта между частицами теряет смысл. Образующиеся границы между элементами структуры спекающегося твердого тела уже не связаны с первоначальными границами частиц. Происходит рост зерен. Наконец, на заключительной стадии спекания замкнутые поры уже образовались. Дальнейшее спекание связано с изменением их объема, сопровождающимся общим уменьшением пористости.

В реальных условиях в течение всех стадий спекания протекают сложные процессы, совокупность которых включает массоперенос, ответственный за уплотнение спекаемого тела, реакции на межфазных границах, связанные с изменением стехиометрии, образованием новых фаз, окислением-восстановлением, разложением, испарением веществ и т.п. Основными задачами данного курса являются:

  • изучение механизмов и физико-химических закономерностей перечисленных процессов, протекающих в ходе спекания;
  • формирование комплекса знаний о связи технологических параметров с микроструктурой и свойствами керамических и композиционных материалов;
  • освоение методов прогнозирования и управления основными физическими и эксплутационными характеристиками материалов;
  • анализ современных концепций формирования керамических и композиционных материалов с комплексом заданных свойств.

Характеристика исходных материалов. Дисперсные системы. Порошки.

Физико-химические свойства твердых тел в связи с их дисперсностью. Реакционная способность (активность) порошков

Классическая керамическая технология основана на использовании порошков в качестве исходного сырья. По своей природе порошки принадлежат к типу дисперсных гетерогенных систем. Дисперсность (от лат. dispersus) означает рассеянность, раздробленность вещества. Понятие дисперсности простирается на широкую область размеров тел: от - больших, чем простые молекулы, до - видимых невооруженным глазом, т. е. от 10-7 до 10-2 см.

Главная черта дисперсного состояния - ведущая роль поверхностных явлений. Действительно, при измельчении твердого тела увеличивается его общая поверхность при неизменном суммарном объеме и массе. Другими словами, по мере роста дисперсности увеличивается удельная поверхность системы. Количественные изменения приводят к возникновению нового качества. Так, дисперсные частицы обладают более интенсивной окраской, большей прочностью и твердостью, чем крупные частицы того же вещества. С физико-химической точки зрения важнейшим следствием увеличения дисперсности является возрастание удельной реакционной способности твердых тел, называемой часто активностью. Подтверждением этому служит известный факт, согласно которому многие вещества, практически не растворимые, заметно растворяются в дисперсном состоянии. Оценим изменение растворимости систем с различной дисперсностью.

Специфика дисперсных систем

Чем же объясняется своеобразие свойств дисперсных систем? Прежде всего, тем, что в этом состоянии значительная доля от всех молекул или атомов, составляющих вещество, находится на поверхности раздела фаз. Эти молекулы отличаются от других, прежде всего, по своему энергетическому состоянию. Действительно для создания новой межфазной поверхности требуется затратить работу на разрыв связей, значительная часть которой накапливается в виде избыточной энергии здесь же на межфазной границе. Таким образом, основная и важнейшая особенность дисперсного состояния заключается в том, что значительная доля свободной энергии системы сосредоточена на межфазных поверхностях.

Наличие избыточной энергии делает дисперсные системы термодинамически неустойчивыми. Для них характерны самопроизвольные процессы, снижающие свободную энергию путем уменьшения дисперсности. При этом система изменяет свои энергетические характеристики, оставаясь неизменной по химическому составу.

К таким процессам относится спекание. С классической физико-химической точки зрения («макроскопической») спекание - это термически активируемый самопроизвольный или стимулируемый внешним воздействием переход системы контактирующих твердых частиц в термодинамически более устойчивое состояние за счет уменьшения свободной поверхностной энергии.

Искривление поверхности. Капиллярное давление.

Межфазные границы в дисперсных системах имеют, как правило, искривленную форму. Поэтому очень важно проследить характер изменений, происходящих в термодинамической системе при искривлении поверхности, ограничивающей ее.

Искривление поверхности изменяет свойства поверхностного слоя и приводит к так называемым капиллярным явлениям. Важнейшая особенность капиллярных явлений заключается в том, что давления в двух объемных фазах, разделенных искривленной поверхностью, оказываются различными в состоянии равновесия. Для пояснения физического смысла этих явлений проведем качественное их рассмотрение на примере мыльного пузыря. Если в процессе выдувания пузыря открыть конец трубочки, то пузырь, находящийся на другом конце, начнет уменьшаться в размерах и втянется в трубку. Поскольку в этом обратном процессе воздух внутри пузыря сообщается с атмосферой, то для поддержания равновесного состояния давление изнутри должно быть больше внешнего. Если в данном опыте соединить трубку с манометром, то он зарегистрирует избыточное давление в объемной фазе газа с вогнутой стороны поверхности пузыря.