Керамика представляет собой неорганические неорганические твердые материалы, получаемые путем спекания порошков при высоких температурах. Основу керамики составляют оксиды металлов, карбиды, нитриды и силициды. Физические свойства керамических материалов — высокая твердость, термостойкость, химическая инертность и низкая электропроводность — обусловлены особенностями их кристаллической структуры и сильными ионными или ковалентными связями.
Кристаллическая структура определяет прочность и термостойкость. Например, α-оксид алюминия (Al₂O₃) обладает гексагональной решеткой, что обеспечивает высокую температуру плавления и сопротивление химическому воздействию. В отличие от металлов, керамика не имеет свободных электронов, что снижает электрическую проводимость, но повышает диэлектрические свойства.
Поризация и плотность керамических изделий напрямую влияют на механические свойства. Пористость формирует предел прочности на изгиб и термическую стойкость. При этом пористые структуры могут использоваться для создания фильтрующих и теплоизоляционных материалов. Контроль пористости осуществляется путем регулирования размера частиц исходного порошка, условий прессования и температурного режима спекания.
Химическая стабильность керамики определяется типом связей и устойчивостью фаз при высоких температурах. Ионные керамики (оксиды магния, алюминия, циркония) демонстрируют высокую устойчивость к окислительным средам. Ковалентные керамики, такие как карбид кремния (SiC) и нитрид бора (BN), обладают высокой твердостью и термостойкостью благодаря направленным ковалентным связям.
Реакции при спекании включают фазовые превращения, растворение твердых фаз друг в друге и образование стеклообразной фазы. Например, добавки оксидов щелочных металлов в оксидные системы способствуют формированию низкотемпературного стеклообразного слоя, уменьшающего точку плавления и увеличивающего плотность спеченного материала.
Стеклообразование представляет собой образование аморфного состояния без долгосрочного периодического порядка, характерного для кристаллов. Аморфная структура стекла формируется при быстром охлаждении расплава, что препятствует кристаллизации.
Основные компоненты стекла включают сеткообразующие оксиды (SiO₂, B₂O₃), модификаторы (Na₂O, K₂O, CaO) и стабилизаторы (Al₂O₃, MgO). Сеткообразующие оксиды создают трехмерную структуру из тетраэдров, соединенных через кислородные мостики. Модификаторы разрывают часть связей, понижая вязкость расплава и облегчая формование. Стабилизаторы повышают химическую и термическую устойчивость, препятствуя фазовым превращениям.
Термодинамика стеклообразования определяется соотношением энтропийной и энтальпийной составляющей. Аморфное состояние имеет более высокую свободную энергию по сравнению с кристаллическим, что делает его метастабильным. Процесс перехода из расплава в стекло сопровождается постепенным увеличением вязкости при снижении температуры до температуры стеклования (Tg).
Механические свойства: высокая твердость, износостойкость и устойчивость к термошоку. Механическая прочность увеличивается при уменьшении пористости и однородности кристаллической фазы.
Термические свойства: высокая температура плавления, низкий коэффициент теплового расширения и высокая термостойкость. Эти свойства определяют применение керамики в печах, теплоизоляции и огнеупорных материалах.
Электрические свойства: большинство керамик являются диэлектриками; специальные композиции могут проявлять пьезоэлектрические и электрооптические свойства.
Химическая стойкость: керамика устойчива к кислотам, щелочам и растворителям, что делает её подходящей для лабораторной посуды, химических реакторов и мембранных систем.
Применение стекол: стекла используются в оптике, электронике, строительстве, химическом оборудовании и медицинской технике. Модификация состава позволяет получать стекла с высокой прозрачностью, термостойкостью, низким коэффициентом теплового расширения или специфическими оптическими свойствами.
Изменение состава и структуры позволяет получать керамику и стекла с заданными характеристиками. Добавление мелкодисперсных наполнителей повышает прочность и устойчивость к термошоку. Использование стеклообразующих добавок уменьшает температуру спекания, снижает пористость и улучшает механические свойства.
Комбинированные материалы, такие как стеклокерамика, объединяют аморфную и кристаллическую фазы. Это обеспечивает высокую прочность, устойчивость к термошоку и контролируемую прозрачность. Такие материалы находят применение в современной электронике, оптике и аэрокосмических конструкциях.
Развитие функциональных керамик и стекол ориентировано на создание материалов с заданными электро-, тепло- и оптическими свойствами. Пьезоэлектрические керамики, сверхтвердое стекло и наноструктурированные композиты становятся основой новых технологий в энергетике, микроэлектронике и биомедицине.
Исследование наноструктурированных стекло-керамических систем открывает возможности контроля фазового состава и микроструктуры на атомарном уровне, что позволяет оптимизировать свойства материалов для высокотехнологичных приложений.