Свойства передовых керамических материалов

Современная керамика, также известная как техническая керамика, - это высокоэффективные неорганические неметаллические материалы, разработанные для экстремальных механических, термических, электрических и химических условий. По сравнению с обычной керамикой, передовая керамика обладает такими превосходными свойствами, как высокая твердость, теплопроводность, электроизоляция, коррозионная стойкость и стабильность размеров.

Эти характеристики делают техническую керамику незаменимой в сложных отраслях промышленности, включая аэрокосмическую, электронную, полупроводниковую, медицинскую, автомобильную и энергетическую. На этой странице мы приводим полный обзор основных физических свойств широко используемых керамических материалов:

  • Механические свойства (например, прочность на изгиб, модуль Юнга, твердость, вязкость разрушения)
  • Тепловые свойства (например, теплопроводность, тепловое расширение, максимальная рабочая температура)
  • Электрические свойства (например, диэлектрическая прочность, удельное сопротивление, проницаемость)
  • Химические свойства (например, кислотостойкость, устойчивость к окислению, щелочестойкость)

Перейти к

Механические | Термо | Электрика | Химические | Приложения | Вопросы и ответы

Механические свойства

Механические свойства определяют характеристики керамики при механических нагрузках, таких как сжатие, растяжение и изгиб. К ним относятся твердость керамики, прочность на изгиб, прочность на сжатие, модуль Юнга и вязкость разрушения. Эти свойства важны для износостойкой керамики, керамических подшипников, уплотнений и высоконагруженных структурных приложений.

Объяснение релевантных ключевых слов:

  • Твердость керамики: Относится к устойчивости к вдавливанию или царапанию поверхности.
  • Прочность керамики на изгиб: Способность сопротивляться изгибающим усилиям без разрушения.
  • Модуль Юнга керамики: Мера жесткости при упругой деформации.
  • Износостойкость керамики: Устойчивость к истиранию или потере материала при трении.
  • Прочность керамики на сжатие: Максимальная нагрузка на сжатие, которую может выдержать керамика.

Таблица параметров механических характеристик

Материал Твердость (Hv) Прочность на изгиб (МПа) Модуль упругости (ГПа) Вязкость разрушения (МПа-м^1/2)
Глинозем (99,7%) ~1800 300-400 370 3.5-4.5
Цирконий (Y-TZP) ~1200 900-1200 210 8-10
ZTA20 ~1500 500-700 300 6-7
Нитрид кремния ~1550 800-1000 320 6-8
Карбид кремния ~2500 400-550 410 3.0-4.0
Нитрид алюминия ~1200 300-400 320 2.5-3.5
Обрабатываемая керамика ~500 150-200 65 1.5-2.0
Нитрид бора (h-BN) ~100 <100 30 Н/Д
Оксид бериллия ~1200 250-300 300 2.5-3.0

Тепловые свойства

Тепловые характеристики имеют большое значение в областях применения, связанных с высокими температурами или быстрым термоциклированием. Такие свойства, как теплопроводность, коэффициент теплового расширения и максимальная температура эксплуатации, очень важны для теплоотводов, высокотемпературных изоляторов и компонентов двигателей.

Объяснение релевантных ключевых слов:

  • Теплопроводность керамики: Способность эффективно передавать тепло.
  • Коэффициент теплового расширения: Степень, с которой материал расширяется при изменении температуры.
  • Стойкость керамики к термоударам: Устойчивость к растрескиванию при резких изменениях температуры.
  • Высокотемпературная керамика: Керамика, сохраняющая прочность и стабильность при температуре >1000°C.

Таблица параметров тепловых характеристик

Материал Теплопроводность (Вт/м-К) Коэффициент теплового расширения (10-⁶/K) Максимальная рабочая температура (°C)
Глинозем 25-35 7.5 1500
Цирконий 2-3 10-11 1000
ZTA 12-15 8-9 1450
Нитрид кремния 25-30 3.2 1300
Карбид кремния 120-150 4.0 1600
Нитрид алюминия 170-200 4.5 1000
Обрабатываемая керамика 1.5 9.0 800
Нитрид бора 30-50 1.0 900
Оксид бериллия 250 8.0 1200

Электрические свойства

Электрические свойства определяют способность материала изолировать или проводить электричество. Современные керамические материалы, такие как электроизоляционная керамика или диэлектрическая керамика, широко используются в конденсаторах, изоляторах, печатных платах и микроволновых устройствах.

Объяснение релевантных ключевых слов:

  • Диэлектрическая прочность керамики: Максимальное напряжение, которое может выдержать материал без электрического пробоя.
  • Керамические изоляторы: Материалы, которые сопротивляются прохождению электрического тока.
  • Диэлектрическая проницаемость керамики: проницаемость керамики под действием электрического поля.
  • Высоковольтные керамические материалы: Керамика, используемая в конденсаторах, свечах зажигания, изоляторах.

Таблица параметров электрических характеристик

Материал Диэлектрическая прочность (кВ/мм) Диэлектрическая проницаемость (1 МГц) Объемное удельное сопротивление (Ω-см)
Глинозем 10-15 9-10 >10¹⁴
Цирконий 7-9 22-30 >10¹⁰
ZTA 9-11 15-20 >10¹²
Нитрид кремния 12 8-9 >10¹⁴
Карбид кремния ~5 9-10 ~10⁵-10⁶ (полупроводник)
Нитрид алюминия 12-15 8.5 >10¹³
Обрабатываемая керамика 6-8 6 >10¹²
Нитрид бора 4-5 4 >10¹⁵
Оксид бериллия 9-10 6.5-7 >10¹⁴

Химическая стойкость

Химическая стабильность определяет, насколько хорошо материал выдерживает воздействие агрессивных химических сред. Коррозионностойкая керамика идеально подходит для химических реакторов, полупроводникового оборудования и медицинских стерилизационных систем.

Объяснение релевантных ключевых слов:

  • Коррозионная стойкость керамики: Способность оставаться химически инертными при воздействии агрессивных химических веществ.
  • Химическая стабильность керамики: Долгосрочная устойчивость к разрушению в агрессивных средах.
  • Керамика в кислотных и щелочных средах: Характеристики керамики при контакте с кислотами, щелочами и растворителями.

Сравнительная таблица химической стойкости

Материал Устойчивость к кислотам Устойчивость к щелочам Устойчивость к окислению
Глинозем Превосходно Хорошо Превосходно
Цирконий Хорошо Умеренный Хорошо
ZTA Превосходно Хорошо Превосходно
Нитрид кремния Превосходно Хорошо Превосходно
Карбид кремния Превосходно Превосходно Превосходно
Нитрид алюминия Умеренный Бедный Умеренный
Обрабатываемая керамика Умеренный Бедный Умеренный
Нитрид бора Хорошо Бедный Хорошо (инертен к ВЧ)
Оксид бериллия Хорошо Умеренный Хорошо

Заявки на основании требований к имуществу

Передовая керамика широко используется в различных отраслях промышленности благодаря своей исключительной механической прочности, термостойкости, электроизоляции и химической стойкости. В этом разделе представлены примеры применения, основанные на различных требованиях к свойствам, что поможет инженерам и разработчикам продукции выбрать наиболее подходящий керамический материал.

Такие керамики, как диоксид циркония, циркониевый упрочненный глинозем (ZTA) и нитрид кремния, обладают высокой прочностью на изгиб и отличной вязкостью разрушения, что делает их идеальными для использования в механически сложных средах.

Типичные области применения включают:

  • Седла клапанов и обратные клапаны
  • Шариковые и роликовые подшипники
  • Режущие инструменты и лезвия
  • Плунжеры и валы насосов
  • Конструктивные опоры в условиях высоких нагрузок

Ключевые характеристики:

  • Отличная устойчивость к механическим нагрузкам и усталости
  • Долгосрочная стабильность размеров
  • Высокая ударопрочность и трещиностойкость

Такие материалы, как глинозем, ZTA и карбид кремния, используются в условиях повышенного трения или абразивных средах благодаря своей исключительной твердости и износостойкости.

Типичные области применения включают:

  • Механические уплотнения и подшипники скольжения
  • Футеровка и плунжеры для насосов
  • Распылительные форсунки и направляющие трубки
  • Инструменты для волочения текстиля и проволоки

Ключевые характеристики:

  • Высокая твердость поверхности
  • Отличная стойкость к истиранию и эрозии
  • Надежная работа в сухом или смазанном состоянии

Нитрид алюминия, карбид кремния и оксид бериллия обладают высокой теплопроводностью и широко используются в электронных и оптоэлектронных системах для обеспечения эффективного отвода тепла.

Типичные области применения включают:

  • Теплоотводы и рассеиватели
  • Крепления для светодиодов и лазерных диодов
  • Подложки для силовой электроники
  • Термоизоляторы для вакуумных систем

Ключевые характеристики:

  • Высокая теплопроводность и электроизоляция
  • Хорошая устойчивость к тепловым ударам
  • Совместимость с пайкой и металлизацией

Глинозем, гексагональный нитрид бора и обрабатываемая стеклокерамика обеспечивают высокую диэлектрическую прочность и удельное сопротивление, что делает их подходящими для высоковольтных, радиочастотных и прецизионных электронных компонентов.

Типичные области применения включают:

  • Высоковольтные изоляторы и втулки
  • Подложки для радиочастот и микроволновых печей
  • Вакуумные вводы
  • Электростатические патроны и изолирующие компоненты

Ключевые характеристики:

  • Отличные диэлектрические свойства
  • Низкие диэлектрические потери и стабильная проницаемость
  • Надежная работа в высокочастотных средах

Для работы с кислотами, щелочами и агрессивными газами идеально подходят такие материалы, как карбид кремния, глинозем и нитрид кремния, благодаря их химической инертности и устойчивости к окислению.

Типичные области применения включают:

  • Футеровка химических реакторов
  • Компоненты для травления полупроводников
  • Системы подачи жидкостей
  • Выхлопные газы и детали системы сгорания

Ключевые характеристики:

  • Устойчивость к кислотам, щелочам и окислителям
  • Низкий уровень загрязнения и высокая чистота
  • Стабильность при высоких температурах и химическом воздействии

Стеклокерамика, поддающаяся механической обработке (MGC), разработана для легкого придания формы с помощью обычных инструментов, что делает ее идеальной для малосерийного производства, сложных геометрических форм и быстрого создания прототипов.

Типичные области применения включают:

  • Нестандартные приспособления для испытаний и распорки
  • Крепления для лазеров и оптики
  • Детали, совместимые с вакуумом
  • Компоненты для НИОКР и быстровозводимые прототипы

Ключевые характеристики:

  • Легко поддается обработке без спекания
  • Хорошая электроизоляция
  • Стабильность в вакууме и при высоких температурах

В таких областях, как обработка полупроводников и аналитическое приборостроение, высокочистая керамика, такая как глинозем (99,7%), нитрид алюминия и нитрид бора, является предпочтительной благодаря своей сверхнизкой загрязненности и химической стабильности.

Типичные области применения включают:

  • Компоненты для обработки и поддержки подложек
  • Плазмостойкие детали камеры
  • Прецизионные оптические крепления
  • Медицинское качество и стерильные условия

Ключевые характеристики:

  • Низкое газовыделение и минимальное загрязнение
  • Высокие диэлектрические и тепловые характеристики
  • Совместимость с чистыми помещениями и сверхвысокими температурами

Вопросы и ответы о свойствах керамических материалов

Передовая керамика выбирается на основе требований к производительности в конкретных областях применения. Ниже приведены примеры, основанные на рассмотренных выше свойствах:

Оксид бериллия (BeO) обладает самой высокой теплопроводностью (>230 Вт/м-К), за ним следует нитрид алюминия (AlN). Эти керамики используются в мощных электронных устройствах, где отвод тепла имеет решающее значение.

Иттрий-стабилизированный диоксид циркония (Y-TZP) и ZTA известны своей высокой вязкостью разрушения и прочностью на сжатие. Они широко используются в механических системах, требующих ударопрочности и усталостной прочности.

Большинство современных керамик, таких как глинозем и нитрид бора, являются превосходными изоляторами. Однако некоторые керамики, например карбид кремния, являются полупроводниковыми и используются в электронных устройствах благодаря своему особому электрическому поведению.

Карбид кремния и глинозем чрезвычайно устойчивы к воздействию кислот, щелочей и окислительных сред. Они часто используются на химических заводах, в вытяжных системах и камерах для обработки полупроводников.

В то время как большинство технических керамик твердые и хрупкие, такие материалы, как поддающаяся механической обработке стеклокерамика (например, MGC), предназначены для легкой обработки обычными инструментами. Они идеально подходят для изготовления прототипов и сложных форм.

Сравнительная таблица характеристик инженерных керамических материалов

Не уверены, какой керамический материал подойдет для вашей задачи? Воспользуйтесь нашей интерактивной формой, чтобы сделать свой выбор.

Мы поможем вам выбрать подходящий материал

Компания Great Ceramic специализируется на поставках и обработке передовой технической керамики в соответствии с вашими требованиями к дизайну и производительности. Разрабатываете ли вы новый продукт или совершенствуете существующий компонент, наши инженеры-материаловеды помогут вам выбрать оптимальную керамику для вашей отрасли.

  • Руководство по выбору материалов
  • Обработка на заказ и изготовление прототипов
  • Высокоэффективное керамическое питание