Прозрачно о керамике

Керамика, благодаря комплексу ее физико-химических и механических свойств, является одним из ключевых материалов, служащих человеку многие годы. Сегодня она используется в самых различных областях: электронной, радиотехнической, оборонной, нефтегазовой, атомной, аэрокосмической, автомобильной и многих других, а также в сферах электроэнергетики и медицины. Дело в том, что керамические материалы имеют уникальный комплекс эксплуатационных свойств: широкий температурный диапазон применения (от космического холода до температур плазмы в соплах ракетных двигателей), заданные прочностные, электрофизические свойства.

Научный коллектив кафедры наноматериалов и нанотехнологий и Нано-Центра ТПУ под руководством Олега Хасанова занимается разработкой новых технологий спекания нанопорошков из керамики на протяжении вот уже более 30 лет. В их основе — запатентованные университетом технологии по формованию различных изделий из нанокерамики для применения в электронике, космической технике, средствах защиты, биомедицине. А сейчас научный коллектив разрабатывает оптически прозрачную керамику разного назначения.

Броня под стеклом

Прозрачная керамика важна для многих отраслей: оптотехники, сенсорики и сцинтилляционной техники, лазерной техники, может применяться как бронезащитый материал в комплексе со слоями пуленепробиваемых стекол.

— Керамика может уменьшить вес пуленепробиваемых стекол в два-три раза. Сейчас их делают из многих стеклянных слоев. Они получаются достаточно толстыми и тяжелыми. Прозрачную керамику можно применить в качестве замены нескольких таких слоев, поскольку она гораздо прочнее стекла и не уступает ему по характеристикам прозрачности. В итоге повысится баллистическая прочность такого комбинированного стекла, оно станет легче, так как будет состоять из меньшего числа слоев, и при этом будет прочнее.

Уменьшение веса позволит достичь лучших характеристик пуленепробиваемых стекол военной техники, иллюминаторов, защитных колпаков летательных аппаратов, — объясняет Олег Хасанов. Он отмечает, что в России сегодня нет промышленного производства такой комбинированной брони, состоящей из стекла и керамики.

— Мы согласовали развитие этой разработки совместно с Научно-исследовательским институтом технического стекла (АО «НИТС», Москва, входит в состав госкорпорации «Ростех»). Также мы обсуждаем возможности применения этой технологии в НИИ полупроводниковых приборов и на других российских предприятиях, — говорит Олег Хасанов. — Еще одно актуальное направление нашей работы — разработка технологий изготовления люминесцентных керамик, которые перспективны для совершенствования источников света с требуемым спектром освещения. Такие керамики можно будет использовать для производства автомобильных фар и многих других осветительных приборов. Например, новогодней иллюминации. В массовом производстве источники света из люминесцентной нанокерамики получатся дешевле, чем, к примеру, современные светодиоды с более сложной электронной структурой. В зависимости от состава люминофора можно получить разный спектр свечения люминесцентной керамики — белый, синий, желтый и т. д. Для этого мы подбираем оптимальные люминофоры в общем составе прозрачного керамического материала.

«Рецепт» по спеканию

Работы по созданию технологий получения прозрачной керамики в мире ведутся уже давно. За рубежом производства уже существуют, в России же в промышленных масштабах таких производств пока нет. Одна из проблем — отсутствие отечественного промышленного производства высокочистых нанопорошков с необходимыми свойствами.

Задача научного коллектива ТПУ — создать первую отечественную технологию промышленного получения прозрачной керамики. Речь идет как о развитии новых методов спекания нанопорошков керамики, так и методов формования изделий из нее — то есть получения изделий требуемых форм и размеров.

Различные виды изделий из нанокерамики в ТПУ получают на установке спарк-плазменного спекания (СПС) порошковых материалов. Керамический порошок помещается в специальную пресс-форму — токопроводящую, способную выдерживать высокие температуры и давления прессования. Далее порошок нагревается импульсным током до необходимой температуры и одновременно прессуется. Поэтому спекание длится быстро. За несколько минут получается стопроцентно плотная прозрачная керамика.

— На экспериментальной установке мы получаем опытные изделия небольших размеров. Однако существуют и крупногабаритные, промышленные. Для них изготавливаются специальные пресс-формы нужных размеров и форм — в виде квадрата, шестигранника и т. д. Такие специальные пресс-формы тоже разработаны в ТПУ, — объясняет инженер кафедры наноматериалов и нанотехнологий ТПУ Алексей Хасанов.

Основное отличие технологий ТПУ от аналогов — применение сухих нанопорошков керамики, не содержащих в своем составе связок и пластификатов. Благодаря отсутствию примесей, изделия из нанокерамики получаются качественнее.