Информационное письмо
Образец оформления статьи
Анкета автора
30.06.2014

Сертификация продукции из наноструктурированной многофункциональной керамики

Гильванова Диана Маратовна
студент 5 курса инженерного факультета, Башкирский государственный университет, г. Уфа, Россия
Афанасьева Алина Сергеевна
студентка 4 курса инженерного фак-та, БашГУ, г. Уфа, Россия
Бондаренко Карина Михайловна
студентка 4 курса инженерного фак-та, БашГУ, г. Уфа, Россия
Аннотация: в работе рассматриваются требования, предъявляемые к наноструктурированным керамическим изделиям при их сертификации, т.к. качество нанокерамических материалов, использующихся в различных областях, таких как автомобильная, авиационная, химическая, электронная, металлургическая промышленности и медицина, является первостепенным.
Ключевые слова: наноструктурированная многофункциональная керамика, сертификация, требования наноструктурированным керамическим изделиям.
Электронная версия
Скачать (545.8 Kb)

Сертификация и стандартизация являются важнейшими элементами современного механизма управления качеством любой продукции, в том числе, продукции из нанокерамики.

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. Вещества могут быть кристаллическими или стеклообразными. Таким образом, отнесение материала к керамике, в основном, определяется технологией и веществом, из которого она состоит.

Керамика прекрасно выдерживает высокие температуры. При этом она обладает хорошими электрическими характеристиками при хорошей механической прочности. Большинство керамических материалов не поглощают влагу. На научном языке это свойство называют гигроскопичностью. Керамика стойка к воздействию излучений высоких энергий, развитию плесени и поражению насекомых. К тому же сырье для керамических изделий доступно и дешево [1].

Сертификация продукции — это деятельность по подтверждению соответствия продукции установленным требованиям. Сертифика­ция может иметь обязательный и добровольный характер. Обязатель­ная сертификация является методом объективного контроля качества продукции, а также средством государственного контроля за безопас­ностью продукции.

Рассмотрим основные требования к наноструктурированным керамическим изделиям.

Керамические материалы в 1,5–2 раза легче металлов, имеют высокую прочность, жаро-, износо-, коррозионную и эрозионную стойкость, химически инертны и пригодны для использования в условиях, лежащих за пределами возможностей применения металлов (окислительные среды с температурой до 1600°С, сочетание высоких температур и больших нагрузок).

Керамика относится к структурно – и фазочувствительным материалам. Даже при одинаковом химическом составе свойства керамических материалов могут сильно различаться в зависимости от исходных материалов, методов и параметров технологии, структуры и фазового состава спечённых материалов, промежуточных методов обработки и качества поверхности, методов определения свойств [2].

Керамики обладают высоким уровнем межатомной связи и применяются в качестве конструкционных и функциональных материалов. Конструкционными называют материалы, обеспечивающие целостность и несущую способность конструкций тех или иных изделий. Для таких материалов важными, как правило, являются физико-механические свойства: модули сдвига и упругости, пределы прочности, относительные удлинения и другие.

Основными характеристиками конструкционных материалов являются: модуль Юнга, предел текучести, предел прочности, предел усталости, износостойкость, вязкость разрушения. В отличии от модуля Юнга, который мало зависит от структуры материала, все остальные характеристики структурочувствительны, т.е. могут управляться посредством целенаправленного изменения структуры.

Для достижения высокой прочности и особенно трещиностойкости керамических материалов используют эффекты, связанные с полиморфным превращением диоксида циркония из метастабильной тетрагональной модификации в стабильную моноклинную.

Функциональными называют материалы, характеризующиеся ярко выраженным свойством и предназначенные для создания специализированных изделий и устройств. К функциональным материалам относятся аккумуляторы энергии, накопители водорода, катализаторы, сенсорные материалы – преобразователи того или иного внешнего воздействия в электрические сигналы или изменяющие свои размеры, фотоэлектрические, пьезоэлектрические и другие.

Из многочисленного ряда функциональных материалов широкое применение находит пьезосегнетоэлектрическая керамика. Исходным сырьём для получения пьезокерамики служат искусственно синтезированные химические соединения, являющиеся сегнетоэлектриками. Склонность к образованию твёрдых растворов с неограниченной растворимостью, используют для корректировки параметров сегнетокерамических материалов. При введении малого количества модифицирующих добавок структура керамики на основе твёрдых растворов изменяется незначительно, в то время как электрофизические характеристики изменяются существенно. Этим объясняется множество разработанных составов для различных практических применений.

Существует взаимосвязь состава, структуры, условий получения кислородсодержащих соединений с электрофизическими свойствами пьезокерамики. В керамическом материале вследствие особенностей технологии его изготовления всегда существуют внутренние и внешние дефекты в виде пор, включений, микротрещин. Поры являются одним из факторов, оказывающих существенное влияние на процесс разрушения керамики. Влияние пор неоднозначно и зависит от их количества, формы, размеров и пространственной ориентации. Поры есть концентраторы напряжений и могут вызывать изменение траектории трещины, которая распространяется в наиболее слабых местах, какими служат границы зёрен. Источником разрушения могут быть микропоры внутри зёрен. Размер пор, инициирующих разрушение в керамических материалах, составляет 20–200 мкм.

Мелкозернистая керамика имеет ряд особенностей, ярко проявляющихся в области фазового перехода. Например, с уменьшением размера кристаллитов возрастают микродеформации, которые могут служить причиной подавления сегнетоэлектрических свойств. То есть диэлектрическая проницаемость и величина зерна неоднозначно связаны: возможно, что диэлектрические свойства подавляются при малом зерне.

Большинство пьезокерамических порошков также отличаются плохой формуемостью, высокой жёсткостью и низкой прочностью прессовок, что заставляет использовать для производства изделий из них энергоёмкие и специфические способы формования, или традиционные методы формования порошков с большим содержанием пластификаторов, оказывающих негативное влияние на их эксплуатационные свойства.

Оптически прозрачная керамика относится к классу функциональной керамики. Прозрачные керамические материалы имеют практически беспористую структуру. В силу этого материалы оказались способными пропускать свет, сохраняя при этом другие свойства, присущие керамическим материалам аналогичного типа, а в ряде случаев и превосходя их.

К числу прозрачных керамических материалов, нашедших достаточно широкое применение, следует отнести керамику на основе окиси алюминия. Эту керамику применяют в качестве материала для изготовления излучательных трубок-оболочек натриевых ламп высокого давления. Последние характеризуются повышенной световой отдачей по сравнению с галогенными, ртутными лампами и лампами накаливания и поэтому более экономичны.

Появление прозрачных керамических материалов обусловлено потребностями новых областей техники, а также связано с созданием специальных приборов, работающих в условиях ночного видения, агрессивных сред, высоких температур, повышенных давлений и т.д.

Основными факторами, существенно влияющими на прозрачность керамики, являются кристаллическая многофазность (гетерогенность), характер структуры, взаимное расположение кристаллов, их размер, наличие стекловидной и газовой фаз.

Наиболее благоприятной кристаллической структурой является та, у которой различие коэффициентов преломления по оптическим осям равно нулю, т.е. отсутствует анизотропия. Ориентация кристаллов (в случае некубической сингонии) повышает светопропускание керамики, беспорядочное, хаотичное расположение их приводит к снижению прозрачности, поскольку происходит рассеивание света, а не направленное его прохождение. Существенное влияние на рассеивание света оказывает размер кристаллов [3].

Нанокерамика имеет нанометровые размеры структурных элементов. Сегодня она является одним из перспективнейших направлений в мире. Многочисленными исследованиями установлено, что наноструктурная керамика обладает уникальными свойствами и эксплуатационными характеристикам. Нанометровые и субмикронные размеры структурных элементов (зёрен, агрегатов) обусловливают повышенную трещиностойксоть (ударную вязкость), прочность и твёрдость керамики, композитов и потенциально позволяют достичь параметров «керамической стали» [4].

На сегодняшний день в России в рассматриваемой области действуют национальные стандарты РФ: ГОСТ Р 52918-2008 «Огнеупоры. Термины и определения» и ГОСТ Р 52540-2006 «Глины огнеупорные и каолины для производства огнеупоров. Правила приёмки и методы отбора проб» [5].

Ведущие зарубежные фирмы в течение последних лет проводят обширны научно-исследовательские и опытно-конструкторские разработки (НИОКР) по созданию и использованию перспективных нанокерамических материалов в различных отраслях промышленности и медицины. Многие работы ведутся в рамках национальных и международных программ.

В связи с этим, в России необходимо разрабатывать новые нормативные документы, содержащие требования качества к нанокерамическим материалам, не только на предприятиях, но и на государственном уровне, которые учитывали бы все современные нанотехнологии и характеристики новых наноматериалов.

Список литературы:

  1. Гусев А.И. Наноматериалы, наноструктуры, нанотехнологии.– М.: Физматлит, 2005.– 416 с.
  2. Андриевский Р.А., Рагуля А.В. Наноструктурные материалы.– М.: Изд. Центр «Академия», 2005.– 192 с.
  3. Шевченко В.Я., Баринов С.М. Техническая керамика.– М.: Наука,– 1993.–187 с.
  4. Балкевич В. Л. Техническая керамика. – М.: Стройиздат, 1984. – 256 с.
  5. Официальный сайт [электронный ресурс]. - URL: http://www.normacs.ru. (дата обращения 28.06.2014 г.)