Керме́ты (керамико-металлические материалы), композиционные материалы, получаемые главным образом спеканием металлических и керамических порошков. Сочетают ценные свойства керамики и металлов. Изделия из кермета - детали турбин и авиационных двигателей, режущий инструмент и т. д.

* * *

КЕРМЕТЫ - КЕРМЕ́ТЫ (сокр. от «керамикометаллические материалы»), керамикометаллические, металлокерамические материалы, представляющие собой гетерогенную композицию одной или нескольких керамических фаз с металлами или сплавами, с относительно малой взаимной растворимостью фаз. Керметы сочетают свойства керамики (высокие твердость и сопротивление износу, тугоплавкость, жаропрочность и др.) и металлов (теплопроводность, пластичность), т.е. обладают комплексом свойств, интегрирующим характеристики нескольких компонентов.

Свойства керметов зависят от свойств наполнителя и матрицы, а также объемного соотношения и адгезии между ними. Неметаллические фазы в керметах придают им требуемые эксплуатационные характеристики, так как обладают ими в свободном состоянии. Содержание керамической фазы в керметах колеблется от 15 до 85% (по объему). Металлическая матрица в керметах объединяет твердые частицы в единый композиционный материал, обеспечивая изделиям необходимую прочность и пластичность. В качестве металлических компонентов используют - Cr, Ni, Al, Fe, Со, Ti, Zr и сплавы на их основе.

По природе керамической составляющей керметы делят на:

оксидные (Al₂O₃, Cr₂O₃, SiO₂, ZrO₂),

карбидные (SiC, Cr₃C₂, TiC)

нитридные (TiN),

боридные(Cr₂B₂, TiB₂, ZrB₂),

керметы на основе силицидов (MoSi) и других тугоплавких соединений и др.

По применению - жаропрочные, износостойкие, высокоогнеупорные, коррозионно-стойкие и др.

Микроструктура керметов может представлять собой:

керамическую матрицу, внутри которой расположены металлические включения;

металлическую матрицу с изолированными между собой керамическими частицами;

два равноправных каркаса из металла и керамики;

статистическую смесь керамических и металлических частиц.

Выбор той или иной структуры диктуется назначением материала и технологией его получения. Керметы изготавливают методами порошковой металлургии - прессованием и твердофазным спеканием, жидкофазным спеканием, пропиткой, экструзией, горячим прессованием, прокаткой и др. Компоненты керметов должны удовлетворять специальным требованиям по химической стабильности, термомеханической совместимости и адгезии на границах фаз. Прочность связи на межфазной границе можно регулировать в широких пределах при получении керметов за счет введения в расплавленный металл адгезионно-активных добавок.

Области применения керметов очень широки и разнообразны. Например, в электро- и радиотехнике для изготовления тонкопленочных резисторов используются керметные пленки. Существенным преимуществом керметных пленок является возможность варьирования их удельным сопротивлением в широких пределах. Тонкие пленки на основе микрокомпозиции Cr-SiO₂ изготавливают методом термического испарения и конденсации в вакууме с последующей термообработкой для стабилизации свойств.

В толстопленочных микросхемах используют резисторы, полученные на основе композиции стекла с палладием и серебром. Для этой цели стекло размалывают в порошок, смешивают с порошком серебра и палладия, вспомогательной органической связкой и растворителем. Получаемую пасту наносят на керамическую подложку и спекают в обычной атмосфере. Удельное сопротивление пленок зависит от процентного содержания проводящих компонентов и режима спекания.

Керметы типа металл-тугоплавкое соединение используют в качестве фрикционных, антифрикционных, конструкционных, огнеупорных, износостойких, эрозионностойких и абразивных материалов. Наиболее распространенными керметами на основе карбида вольфрама являются сплавы системы WC-Co. Пропиткой спрессованного карбида вольфрама медью, медно-никелевым сплавом Cu-10%Ni, марганцевым мельхиором и медносеребряным сплавом получают керметы, предназначенные для работы в торцевых уплотнениях насосов, перекачивающих кислоты и щелочи. Широко используются керметы на основе карбида титана. Карбид титана обладает высокой окалиностойкостью, низкой плотностью, хорошо смачивается переходными металлами, менее дефицитен, чем карбид вольфрама, широко используемый при изготовлении традиционных твердых сплавов. Керметы на основе TiC, обладают высокой термо- и износостойкостью, малой склонностью к диффузии, позволяют повысить размерную точность и шероховатость обработанной поверхности.

Керметы применяют для изготовления деталей турбин, авиационных двигателей, фрикционных элементов, инструментов и других деталей, испытывающих повышенные нагрузки при работе в агрессивных средах и при высоких температурах.

Составить слова из слова керметы

Кре́мния карби́д - то же, что карборунд.

* * *

КРЕМНИЯ КАРБИД - КРЕ́МНИЯ КАРБИ́Д (карборунд), SiC. Чистый карбид кремния стехиометрического состава - бесцветные кристаллы с алмазным блеском. Технический SiC может иметь разнообразную окраску: белую, серую, желтую, зеленую и черную. Цвет материала зависит от сырья и технологии получения кристаллов и определяется как типом и количеством примеси, так и степенью отклонения состава от стехиометрического. Карбид кремния кристаллизуется в двух модификациях: при температурах менее 2000^оС - в кубической типа сфалерита (b-SiC) (см. структурные типы кристаллов), и при более высоких температурах - в гексагональной (a-SiC). Для высокотемпературной гексагональной модификации карбида кремния характерно явление политипизма: обнаружено более 50 политипных модификаций a-SiC.

Свойства карбида кремния

Карбид кремния - единственное полупроводниковое бинарное соединение А^IVВ^IV. Тип связи - ковалентный (см. КОВАЛЕНТНАЯ СВЯЗЬ), доля ионной составляющей порядка 10%. Ширина запрещенной зоны (см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА) для кристаллов SiC составляет 2,39 эВ, для различных модификаций SiC ширина запрещенной зоны может иметь значение в пределах от 2,72 до 3,34 эВ. Большие значения ширины запрещенной зоны позволяют создавать на его основе полупроводниковые приборы, сохраняющие работоспособность при температурах до 600^оС. Собственная электропроводность из-за большой ширины запрещенной зоны наблюдается лишь при температурах выше 1400^оС. Подвижность носителей заряда низкая. Монокристаллы карбида кремния, легированные примесями элементов V группы (азот, фосфор, мышьяк, сурьма, висмут), а также литием и кислородом имеют n-тип проводимости и зеленую окраску. Элементы III группы (бор, алюминий, галлий, индий) и элементы II группы (бериллий, магний, кальций) являются акцепторами (см. АКЦЕПТОР). При этом кристаллы имеют p-тип проводимости и голубую или черную окраску. В случае отклонения состава от стехиометрического в сторону кремния кристаллы обладают электропроводностью n-типа, в случае избытка углерода - p-типа.

Карбид кремния тугоплавок (t_пл 2830°С), химически стоек, по твердости уступает лишь алмазу и нитриду бора: твердость по МООСу - 9,1 - 9,5; микротвердость 3300-3600 кгс/мм². Карбид кремния обладает высокой термической, химической и радиационной стойкостью, выделяется своей устойчивостью к окислению среди многих окалиностойких сплавов и химических соединений. Заметно окисляется только при температурах выше 800^оС. Карбид кремния химически стоек и в других средах. Он не реагирует с минеральными кислотами любых концентраций, включая и плавиковую кислоту. При комнатной температуре химически взаимодействует с ортофосфорной и кислотой и смесью азотной и фтористоводородной кислот при температуре 200^оС. Водяной пар реагирует с карбидом кремния по реакции:

SiC + 2H₂O=SiO₂ + CH₄

только начиная с 1300-1400^оС.

Вплоть до 1100^оС с карбидом кремния совершенно не взаимодействует азот. Инертен он также в среде водорода и углекислого газа. В среде хлора теряет устойчивость при сравнительно низких температурах, разлагаясь по реакциям:

SiC + 2Cl₂ = SiCl₄ + C при 100^оС;

SiC + 4Cl₂ = SiCl₄ + CCl₄ при 1000^оС.

Карбид кремния активно разлагается с образованием соответствующих силикатов при сплавлении с едкими и углекислыми щелочами и перекисями.

Получение карбида кремния

Поликристаллический карбид кремния получают в электрических печах при температуре 1800-2300^оС путем восстановления двуокиси кремния углеродом:

SiO₂ + 3C = SiC + 2CO

В качестве сырья при производстве технического карбида кремния используется кварцевый песок с минимальным содержанием примесей и малозольный кокс или антрацит, или нефтяной кокс. Для повышения газопроницаемости шихты в нее иногда вводят древесные опилки. В шихту также вводят поваренную соль, количество которой влияет на цвет карборунда.

Из-за высоких значений температуры и давления, при которых существует расплав карбида кремния, классические методы получения из него монокристаллов не применимы. Используют методы выращивания кристаллов SiC из газовой фазы или из растворов в расплаве. Большое распространение получил метод сублимации. В этом методе рост кристаллов карбида кремния происходит из газовой фазы в графитовых тиглях в атмосфере инертных газов при температуре 2500-2600^оС. Эпитаксиальные слои и твердые растворы на основе карбида кремния можно получать всеми известными методами, используемыми в полупроводниковой технологии. Технология формирования структур карбида кремния на подложках кремния принципиально не отличается от процессов получения кремниевых пленок. Гетероэпитаксиальные слои выращиваются методом газофазной эпитаксии в открытой системе. В качестве газа-носителя используется водород диффузионной очистки; в первой зоне свободный углерод связывается с водородом и переносится в зону роста полупроводниковой пленки.

Применение карбида кремния

Монокристаллический SiC используют для изготовления радиационностойких светодиодов, обладающих очень высокой надежностью и стабильностью работы. Его можно использовать для изготовления высокотемпературных силовых полупроводниковых приборов, полевых транзисторов, туннельных диодов, счетчиков частиц высокой энергии, терморезисторов,

Из поликристаллического SiC выращивают монокристаллы или путем дробления получают порошки. Поликристаллический SiC используют в производстве нелинейных резисторов (варисторов (см. ВАРИСТОР)). Для этих целей изготавливают многофазовые материалы на основе порошкообразного SiC, скрепленного связующим веществом. Кроме того, на основе порошкообразного SiC производят высокотемпературные нагреватели, ингитронные поджигатели и волноводные поглотители, а на основе пленок аморфного SiC - светодиоды и солнечные элементы. SiC является перспективным полупроводниковым материалом для высокотемпературной и высокочастотной электроники.

Благодаря высокой химической стабильности, огнеупорности и износостойкости карбид кремния находит широкое применение в качестве огнеупора в металлургической промышленности. Применяется в машиностроении для футеровки термических печей; в химическом аппаратостроении, где он подвержен абразивному воздействию твердых пылевидных продуктов в газовых потоках. Используется для изготовления коррозионно- и эрозионностойких сопельных вставок, насадок и распылителей; для изготовления деталей теплообменной аппаратуры и деталей насосов для перекачки кислых растворов и других коррозионноактивных жидкостей. Огнеупорные изделия, а также изделия конструкционного назначения на основе карбида кремния изготовляются с использованием различного вида связок - керамических, кремния, нитрида кремния. Интересно использование карбида кремния в электротехнике - для изготовления нагревателей высокотемпературных электропечей сопротивления (силитовые стержни), грозоразрядников для линий передачи электрического тока, нелинейных сопротивлений, в составе электроизолирующих устройств и т. д.

Благодаря высокой твердости, химической устойчивости и износостойкости карбид кремния широко применяется как абразивный материал (см. АБРАЗИВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ) (при шлифовании (см. ШЛИФОВАНИЕ)), для резания твердых материалов, точки инструментов.

Составить слова из слова кремния карбид