Керамические материалы представляют собой неорганические неметаллические соединения, получаемые методом спекания или обжига исходных порошков. Основу составляют оксиды, карбиды, нитриды и силициды, что придаёт керамике уникальные физико-химические свойства. Ключевые характеристики: высокая твердость, низкая теплопроводность, химическая стойкость, хрупкость и высокая температура плавления.
Микроструктура играет решающую роль в свойствах керамики. Она состоит из кристаллических зерен, разделённых зернограничными фазами. Размер зерен и плотность уплотнения напрямую влияют на механическую прочность, термическую стойкость и электропроводность материала.
Оксидные керамики Основной состав — оксиды металлов, чаще всего Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂. Отличаются высокой термостойкостью, электрической изоляцией и химической инертностью. Используются в электротехнике, абразивах и огнеупорах.
Неоксидные керамики Включают карбиды (SiC, B₄C), нитриды (Si₃N₄, BN) и силициды. Обладают высокой твёрдостью, термостойкостью и устойчивостью к износу. Применяются в конструкционных материалах, режущих инструментах и броне.
Композитные керамики Представляют собой комбинацию оксидных и неоксидных фаз или керамики с металлическими включениями. Это позволяет сочетать хрупкость с улучшенной ударной вязкостью, снижать трещиностойкость и управлять тепловыми свойствами.
Порошковая технология — наиболее распространённый метод, включающий следующие этапы:
Гидротермальный метод применяется для синтеза керамики с уникальными кристаллическими формами, позволяя получать материалы с высокой чистотой и однородностью структуры.
Метод химического осаждения используется для покрытия подложек тонкими керамическими слоями, что улучшает износостойкость и химическую стойкость изделий.
Механические свойства: высокая твёрдость (7–9 по шкале Мооса у Al₂O₃), но низкая ударная вязкость. Трещиностойкость повышается при введении армирующих фаз или за счёт гранулированной структуры.
Термические свойства: низкая теплопроводность у оксидных керамик, высокая термостойкость до 2000–2500 °C. Неоксидные керамики, такие как SiC и Si₃N₄, устойчивы к термошокам и сохраняют механические характеристики при высоких температурах.
Химическая стойкость: керамика устойчива к кислотам, щелочам и окислителям. Исключение составляют сильные фторсодержащие реагенты, которые разрушают SiO₂.
Электрические свойства: оксидные керамики — диэлектрики, неоксидные материалы могут проявлять полупроводниковые свойства, особенно при легировании.
Активно развивается направление нанокерамики, где управление размером кристаллитов позволяет создавать материалы с улучшенными механическими, термическими и функциональными свойствами. Особое внимание уделяется керамическим композитам с металлическими фазами, которые сочетают высокую прочность и повышенную трещиностойкость. Разработка биоактивной керамики расширяет область применения в медицине, включая остеоинтеграцию и регенерацию тканей.
Энергетические и электронные приложения стимулируют исследование керамики с контролируемой пористостью и электрическими свойствами, включая топливные элементы, сенсоры и материалы для микроэлектроники.