Основные области применения высокоогнеупорных оксидов

Оксид бериллия

 Области применения керамики из ВеО весьма разнообразны. Высокая химическая стойкостьВеО позволяет использовать ее в виде тиглей для плавки чистых веществ и чистых металлов. В тиглях из ВеО плавят щелочи и карбонаты; они устойчивы к основным известково-фосфатным шлакам до 1600°С, расплавам свинца и боратов. Применяются они также в металлургии для плавкиU, Th, Be, Ptи редких металлов.

В ядерной энергетике спеченная ВеО применяется в качестве конструкционных элементов в обычных и высокотемпературных ядерных реакторах как замедлитель и отражатель нейтронов. Окись бериллия является также хорошим матричным материалом для ядерного горючего.

Благодаря хорошим электрофизическим свойствам и высокой теплопроводности разнообразные виды вакуумной керамики на основе ВеО широко применяются в электронной технике в основном в качестве выводов энергии и теплоотводов в мощных приборах СВЧ. К числу таких материалов можно отнести брокерит, изготавливаемый из ВеО с добавкой AI2O3 и отличающийся однородной кристаллической структурой и высокими показателями свойств.

Прозрачная керамика из ВеО используется для изготовления подложек интегральных схем, корпусов ламп высокого давления с парами щелочных металлов, волноводных окон для энергии большой мощности.

Кроме этого, плотная керамика из ВеО применяется в качестве изоляции и чехлов для термопар, используемых для измерения температуры до 2000—2100°С.

Оксид  алюминия

Из всех существующих в настоящее время окисных материалов изделия из Al₂O₃

 находят наиболее широкое применение в различных областях техники, что объясняется их высокими физико-механическими, диэлектрическими, химическими и другими свойствами, а также доступностью исходного сырья — технического глинозема.

Высокая огнеупорность и химическая стойкость корундовой керамики позволяют широко использовать ее в виде тиглей для плавки разнообразных металлов, окислов, стекол, шлаков и т. д.

В тиглях из окиси алюминия плавят тугоплавкие металлы и сплавы в высоком вакууме и инертных газовых средах, металлический алюминий и его сплавы, щелочные и щелочноземельные металлы, олово, никель, висмут, железо и др. В ряде, случаев корундовые тигли используют вместо платиновых для получения металлов высокой чистоты.

Кроме этого, в тиглях из Al₂O₃   без существенного разъедания можно плавить углекислый натрий, каустическую соду и перекись натрия.

Благодаря хорошим электрофизическим свойствам различные разновидности вакуумплотной корундовой керамики широко используются в электроизоляционной, электровакуумной и радиоэлектронной технике в качестве изоляционных оболочек вакуумных ламп, изоляторов и подложек в электронных лампах, трубчатых каркасов нагревателей для радиоламп, подложек для интегральных схем и т. д. Хорошие электроизоляционные свойства, химическая устойчивость и достаточно высокая теплопроводность позволяют применять плотную корундовую керамику в качестве изоляторов для свечей зажигания двигателей внутреннего сгорания .

Высокоплотная прозрачная керамика из Al₂O₃ в настоящее время используется для изготовления корпусов газоразрядных ламп, подложек для интегральных схем, окон вводов энергии.

Широкое применение корундовая керамика нашла в высокотемпературной технике в качестве изоляции и чехлов для термопар, применяемых для измерения температуры до 1800—1850°С. Кроме этого, корундовая керамика применяется в виде труб для изготовления высокотемпературных печей, являющихся муфелем, на который наматывают проволочные нагреватели из жаростойких сплавов или платины. Трубы и стаканы из Al₂O₃  применяют также для изоляции в высокотемпературных индукционных печах, в частности при выращивании монокристаллов при температурах до 1950°С.

Оксид  магния

Важное значение приобрела спеченная корундовая керамика с добавкой MgO (микролит) в металлообрабатывающей промышленности в качестве режущего инструмента . При обработке чугуна, закаленных сталей и других труднообрабатываемых материалов применение микролита позволяет резко увеличить скорость резания. Производительность труда при этом увеличивается в 2—3 раза по сравнению с инструментом из твердых сплавов.

Так как микролит характеризуется очень высокой твердостью и износоустойчивостью, из него изготовляют сопла для разнообразных машин и механизмов, в частности для гидромониторов и башенных сушилок для обезвоживания керамических шликеров.

Высокая прочность микролита при повышенных температурах позволяет применять его в качестве матриц и пуансонов при горячем прессовании окислов и ферритов.  

Важнейшие области применения керамики из MgOсвязаны с ее основным характером и с устойчивостью к восстановлению при действии расплавленных металлов. Спекшиеся тигли из MgO широко применяются для плавки чистых металлов, например Fe, Си, Zn, Mg, Al, Ag, Be, U. Имеются сообщения о плавлении  в тиглях из MgO марганца высокой чистоты при температурах до 2400°С; плавят также соли и окись свинца. Окись магния широко используют для футеровки вакуумных индукционных печей, в которых плавят никелевые и хромовые специальные сплавы при температурах до 1700°С.

Изделия из спеченной MgO используются как изоляторы для термопар при замерах температуры в воздушной среде до 2000°С; кроме этого, хорошие электроизоляционные и химические свойства позволяют применять MgO в. качестве диэлектрика в канале МГД-генератора в условиях ионизированного калием газового потока.

Прозрачную керамику из MgO, а также изделия, выпиленные из монокристаллов, используют в качестве окон для инфракрасной области излучения, а также в спектрографических исследованиях.

Оксид иттрия

Имеющиеся в литературе сведения о применении Y₂O₃ отражают в основном те области техники, которые связаны с использованием порошкообразной Y₂O₃.

Благодаря высоким термоэмиссионным свойствамY₂O₃ находит широкое применение в электровакуумном производстве при изготовлении катодов. Рабочая температура оксидно-иттриевых катодов того же порядка, что и оксидно-ториевых, но их долговечность и стабильность в работе выше.

Окись иттрия применяется в качестве стабилизирующей добавки к ZrO2, позволяя получать высокоплотную керамику, устойчивую к дестабилизации.

В атомной энергетикеY₂O₃ применяется как разбавитель топлива. В работе описывается применение сложного топлива UO₂— Y₂O₃. керамика из Y₂O₃ может применяться в качестве контейнерного материала для жидко-металлического топлива для атомных реакторов.

Сообщается о применении Y₂O₃ в качестве тиглей при восстановлении урана из его окиси. При этом загрязнение урана иттрием было менее 0,01%. Возможно применение керамики из Y₂O₃ в качестве высокотемпературной изоляции в термоэмиссионных преобразователях тепловой ядерной энергии в электрическую.

Прозрачная керамика типа иттралокс может быть применена в ИК-окнах ракет с тепловой головкой самонаведения, в высокотемпературных печах и микроскопах в качестве смотровых окон и линз .  Y₂O₃применяется в качестве изоляции для высокотемпературных термопар и как материала для защиты индуктора вакуумных электропечей, используемых, например, при выращивании монокристаллов.

Благодаря хорошей устойчивости против деформации плотная керамика из Y₂O₃ может быть использована как высокотемпературный конструкционный материал. Кроме этого, высокая химическая устойчивость керамики из Y₂O₃ позволяет применять ее как высокотемпературный электроизоляционный материал в щелочных средах.

Керамика из Y₂O₃ с относительной плотностью 90—92% и размером кристаллов 10—40 мкм выдерживает поток быстрых нейтронов 1 • 1022 н/см2 при температуре 750°С, не изменяя своих размеров и не разрушаясь.

Оксид скандия

В настоящее время вследствие высокой стоимости Sс₂O₃ как самостоятельный керамический материал имеет весьма ограниченное применение: В основном Sс₂O₃ применяется как стабилизирующая добавка к ZrC2 для получения плотной керамики, используемой главным образом как твердый электролит. ,

Благодаря хорошим термоэмиссионным свойствамSс₂O₃ может быть использована наряду с окислами иттрия и тория в качестве материала для термокатодов. Прозрачная керамика из Sс₂O₃ может найти применение для окон высокотемпературных установок и микроскопов, для корпусов газоразрядных ламп. Отмечается также, что эта керамика характеризуется хорошей устойчивостью в парах и расплавах щелочных металлов . Кроме этого, керамика из Sс₂O₃при определенных условиях может явиться перспективным высокотемпературным конструкционным материалом.

Оксид  циркония

Достаточная величина и чисто анионный характер проводимости позволяют использовать керамику в качестве высокотемпературного твердого электролита. Такой электролит предназначается для топливных элементов, работающих при температурах порядка 1000—1200°С. В этом случае весьма важен выбор составов керамики, обеспечивающих фазовую и структурную стабильность в данной области температур. Твердые электролиты на основе ZrO₂ используют и в других областях, в частности в электрохимических ячейках приборов для быстрого определения содержания (или активности) кислорода в газовых средах и расплавах.

Изделия из ZrO₂ используют в качестве высокотемпературных нагревателей сопротивления, работающих в окислительных условиях. Первый материал такого типа — так называемая «масса Нернста»  85% (мол.) ZrO₂ и 15% (мол.) Y₂O₃, предложенный еще в 1900 г., предназначался для изготовления стержней сопротивления — источников света и нагревателей. К настоящему времени разработаны технология изготовления и типы нагревателей из подобных масс с CaO, Y₂O₃, СеO₂; изучено их поведение при длительной эксплуатации; сконструированы и опробованы высокотемпературные (до 2000°С) лабораторные печи, работающие в воздушной среде

Перспективным считается применение циркониевой керамики в качестве высокотемпературных электродов канала МГД-генератора . В этой области применения в связи с электролизом материала при воздействии постоянного тока предпочтительна не ионная, а электронная проводимость. Имеются сведения о разработках для данной цели спеченных материалов, содержащих СеO₂ или другие редкоземельные окислы с чисто электронной проводимостью.