Keraamika

Keraamiliste materjalide tüübid

Keraamikatooted jagatakse tavaliselt neljaks sektoriks ja need on allpool esitatud koos mõne näitega:

• Struktuursed, sealhulgas tellised, torud, põrandaplaadid ja katusekivid
• tulekindlad materjalid, nagu ahjuvooderdused, gaasipõletusradiaanid, terase- ja klaasitruubid.
• valged tooted, sealhulgas lauanõud, seinaplaadid, dekoratiivsed kunstiesemed ja sanitaartehnika
• Tehniline keraamika on tuntud ka kui tehniline, arenenud, eriline ja Jaapanis ka kui peenkeraamika. Selliste toodete hulka kuuluvad kosmosesüstiku programmis kasutatavad plaadid, gaasipõleti düüsid, kuulikindlad vestid, tuumakütuse uraanoksiidi graanulid, biomeditsiinilised implantaadid, reaktiivmootorite turbiinilabad ja rakettide ninakoonused. Sageli ei sisalda tooraine savi.

Näited keraamika kohta

• Portselan
• Kõva portselan, mis on põletatud kõrgemal temperatuuril.
• Pehmestatud portselan, mis põletatakse madalamal temperatuuril: Kondiportselan
• savinõud, mis on sageli valmistatud savist, kvartsist ja maasipatist.
• Kiviplaat

Tehnilise keraamika klassifikatsioon

Tehnilise keraamika võib samuti liigitada kolme erinevasse materjalikategooriasse:

• Oksiidid: alumiiniumoksiid, tsirkooniumoksiid
• Mitte-oksiidid: karbiidid, boriidid, nitriidid, silitsiidid.
• Komposiidid: osakestega tugevdatud, oksiidide ja mitte-oksiidide kombinatsioonid

Igaüks neist klassidest võib arendada unikaalseid materjaliomadusi.

Simulatsioon kosmosesüstiku välisküljest, kui see kuumeneb Maa atmosfääri sisenemisel üle 1500 °C.

Keraamika omadused

Mehaanilised omadused

Keraamilised materjalid on tavaliselt ioonsed või kovalentselt seotud materjalid ja võivad olla kristallilised või amorfsed. Mõlemat tüüpi sidemete abil kokku hoitud materjal kipub murduma (purunema) enne plastilise deformatsiooni toimumist, mille tulemuseks on nende materjalide vähene sitkus. Lisaks sellele, kuna sellistel materjalidel on tavaliselt palju poore, toimivad poorid ja muud mikroskoopilised ebatäiused pingekontsentraatoritena, mis vähendavad sitkust veelgi ja vähendavad tõmbetugevust. Kõik need koos põhjustavad katastroofilisi purunemisi, vastupidiselt metallide tavaliselt palju leebematele purunemisviisidele.

Nendel materjalidel on plastiline deformatsioon. Kuid kristalliliste materjalide jäiga struktuuri tõttu on dislokatsioonide liikumiseks väga vähe kättesaadavaid libisevussüsteeme, mistõttu nad deformeeruvad väga aeglaselt. Mittekristalliliste (klaasjate) materjalide puhul on plastilise deformatsiooni peamiseks allikaks viskoosne voolamine, mis on samuti väga aeglane. Seetõttu ignoreeritakse seda paljudes keraamiliste materjalide rakendustes.

Elektrilised omadused

Pooljuhid

On mitmeid keraamilisi aineid, mis on pooljuhid. Enamik neist on II-VI pooljuhtide hulka kuuluvad üleminekumetallide oksiidid, näiteks tsinkoksiid.

Kuigi on räägitud siniste valgusdioodide valmistamisest tsinkoksiidist, on keraamikud kõige enam huvitatud elektrilistest omadustest, mis näitavad tera piiride mõju. Üks neist kõige laialdasemalt kasutatavatest on varistor.

Gaasianduritena kasutatakse ka pooljuhtkeraamikat. Kui erinevaid gaase juhitakse üle polükristallilise keraamika, muutub selle elektritakistus. Võimalike gaasisegude häälestamisega saab valmistada väga odavaid seadmeid.

Superjuhtivus

Teatud tingimustel, näiteks äärmiselt madalatel temperatuuridel, on mõned keraamilised materjalid ülijuhtivad. Selle täpne põhjus ei ole teada, kuid on kaks peamist ülijuhtivate keraamiliste materjalide perekonda.

Ferroelektrilisus ja selle sugulased

Piesoelektrilisus, mis on seos elektrilise ja mehaanilise reaktsiooni vahel, esineb paljudel keraamilistel materjalidel, sealhulgas kellades ja muus elektroonikas aja mõõtmiseks kasutataval kvartsil. Sellised seadmed muudavad elektri mehaaniliseks liikumiseks ja tagasi, tehes stabiilse ostsillaatori.

Piesoelektriline efekt on üldiselt tugevam materjalides, millel on ka püroelektrilised omadused, ja kõik püroelektrilised materjalid on ka piesoelektrilised. Neid materjale saab kasutada termilise, mehaanilise ja/või elektrilise energia muundamiseks; näiteks pärast sünteesi ahjus, kui püroelektriline kristall lastakse jahtuda ilma rakendatud pingeta, tekib tavaliselt tuhandete volti suurune staatiline laeng. Selliseid materjale kasutatakse liikumisandurites, kus ruumi sisenevast soojast kehast tulenev väike temperatuuritõus on piisav, et tekitada kristallis mõõdetav pinge.

Püroelektrilisus on omakorda kõige tugevamalt ilmnenud materjalides, millel on ka ferroelektriline efekt, mille puhul stabiilne elektriline dipool saab elektrostaatilise väljaga orienteeruda või pöörduda. Püroelektrilisus on ka ferroelektrilisuse vajalik tagajärg. Seda saab kasutada teabe salvestamiseks ferroelektrilistes kondensaatorites, ferroelektrilise RAM-i elementides.

Kõige levinumad sellised materjalid on plii tsirkonaattitanaat ja baariumtitanaat. Lisaks eespool nimetatud kasutusaladele kasutatakse nende tugevat piesoelektrilist reaktsiooni kõrgsageduskõlarite, sonarite andurite ning aatomijõu- ja skaneerivate tunnel-mikroskoopide aktuaatorite konstrueerimisel.

Positiivne termiline koefitsient

Temperatuuri tõus võib põhjustada terapiiride äkilist isoleerivat muutumist mõnes pooljuhtkeraamilises materjalis, enamasti raskmetallide titanaatide segudes. Kriitilist üleminekutemperatuuri saab reguleerida laias vahemikus keemia muutustega. Selliste materjalide puhul vool liigub läbi materjali, kuni joule'i kuumutamine viib selle üleminekutemperatuurini, misjärel vooluring katkeb ja vooluvool lakkab. Sellist keraamikat kasutatakse isereguleeruvate kütteelementidena näiteks autode tagaklaaside sulatusahelates.

Üleminekutemperatuuril muutub materjali dielektriline vastus teoreetiliselt lõpmatuks. Kuigi temperatuuri kontrollimise puudumine välistaks materjali praktilise kasutamise selle kriitilise temperatuuri lähedal, jääb dielektriline efekt erakordselt tugevaks ka palju kõrgematel temperatuuridel. Keraamiliste kondensaatorite kontekstis on just sel põhjusel saanud titanaadid, mille kriitiline temperatuur on kaugelt alla toatemperatuuri, "keraamiliste" sünonüümiks.

Keraamika klassifikatsioon

Mittekristalliline keraamika: mittekristalliline keraamika, mis on klaas, kipub moodustuma sulamist. Klaas kujundatakse kas täielikult sulatatud kujul, valades, või kui see on karamellilaadses viskoosses olekus, näiteks vormidesse puhudes. Kui hilisemate kuumtöötluste tulemusena muutub see klass osaliselt kristalliliseks, nimetatakse saadud materjali klaaskeraamikaks.

Kristalliline keraamika: Kristallilised keraamilised materjalid ei allu paljudele töötlemisviisidele. Meetodid nende töötlemiseks kipuvad jagunema ühte kahest kategooriast - kas teha keraamika soovitud kujuga, reageerides kohapeal, või "vormida" pulbrid soovitud kujuga ja seejärel paagutada tahke keha moodustamiseks. Keraamika vormimismeetodid hõlmavad käsitsi vormimist (mõnikord ka "viskamist" hõlmavat pöörlemisprotsessi), libisemisvalu, lintvalu (kasutatakse väga õhukeste keraamiliste kondensaatorite valmistamiseks jne), süstevormimist, kuivpressimist ja muid variante. (Vt ka Keraamilised vormimistehnikad. Nende protsesside üksikasju on kirjeldatud kahes allpool loetletud raamatus). Mõned meetodid kasutavad nende kahe lähenemisviisi hübriidi.

Kohapealne tootmine

Kõige sagedamini kasutatakse seda meetodit tsemendi ja betooni tootmisel. Siin segatakse dehüdreeritud pulbrid veega. See käivitab hüdratsioonireaktsiooni, mille tulemusel moodustuvad täitematerjalide ümber pikad, omavahel seotud kristallid. Aja jooksul tekib tahke keraamiline materjal.

Selle meetodi suurim probleem on see, et enamik reaktsioone on nii kiire, et hea segunemine ei ole võimalik, mis kipub takistama suuremahulist ehitamist. Väikesemahulisi süsteeme saab aga valmistada sadestamismeetoditega, kus erinevad materjalid viiakse põhimiku kohale, reageerivad ja moodustavad põhimikul keraamika. See on laenatud pooljuhtide tööstusest, näiteks keemilise aurustamise tehnikat, ja see on väga kasulik katete puhul.

Need kipuvad tootma väga tihedat keraamikat, kuid teevad seda aeglaselt.

Sintreerimisel põhinevad meetodid

Paagutamispõhiste meetodite põhimõtted on lihtsad. Kui on valmistatud umbkaudselt kokku hoitud ese (mida nimetatakse "roheliseks kehaks"), küpsetatakse see ahjus, kus difusiooniprotsessid põhjustavad rohelise keha kokkutõmbumise. Eseme poorid sulguvad, mille tulemuseks on tihedam ja tugevam toode. Põletamine toimub temperatuuril, mis on madalam kui keraamika sulamistemperatuur. Praktiliselt alati jääb mingi osa poorsust alles, kuid selle meetodi tõeline eelis on see, et toorkeha saab valmistada mis tahes viisil, mida saab ette kujutada, ja seda siiski paagutada. See teeb sellest väga mitmekülgse tee.

Selle protsessi võimalikke täiustusi on tuhandeid. Mõned kõige levinumad hõlmavad rohelise keha pressimist, et anda tihendamisele eelisjärjekord ja vähendada vajaminevat paagutusaega. Mõnikord lisatakse orgaanilisi sideaineid, näiteks polüvinüülalkoholi, et hoida toorkeha koos; need põlevad põletamise käigus (200-350 °C juures). Mõnikord lisatakse pressimise ajal orgaanilisi määrdeaineid, et suurendada tihendamist. Ei ole ebatavaline, et neid kombineeritakse ning lisatakse sideaineid ja määrdeaineid pulbrile, seejärel pressitakse. (Nende orgaaniliste keemiliste lisaainete koostamine on omaette kunst. See on eriti oluline kõrgtehnoloogilise keraamika valmistamisel, mida kasutatakse miljardite kaupa elektroonikas, kondensaatorites, induktorites, andurites jne. Elektroonikas kõige sagedamini kasutatavad spetsiaalsed preparaadid on üksikasjalikult kirjeldatud raamatus "Tape Casting", R. E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Põhjalik raamat sel teemal, nii mehaaniliste kui ka elektrooniliste rakenduste kohta, on "Organic Additives and Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Pulbri asemel võib kasutada pulbrit, mis valatakse soovitud kujule, kuivatatakse ja seejärel paagutatakse. Tõepoolest, traditsioonilist keraamikat tehakse seda tüüpi meetodil, kasutades kätega töödeldavat plastmassisegu.

Kui keraamikas kasutatakse erinevate materjalide segu koos, on paagutustemperatuur mõnikord kõrgem kui ühe väiksema komponendi sulamistemperatuur - tegemist on vedelfaasi paagutamisega. Selle tulemuseks on lühem paagutusaeg võrreldes tahke faasi paagutamisega.

Muud keraamika rakendused

• Mõned noad on keraamilised. Keraamiline noatera püsib teravana palju kauem kui teras, kuigi see on hapram ja võib kõvale pinnale kukkudes murduda.

• Keraamikat, nagu alumiiniumoksiid ja borkarbiid, on kasutatud kuulide tõrjumiseks soomuskaitses. Sarnast materjali kasutatakse mõnede sõjalennukite kokpitide kaitsmiseks, sest see materjal on kerge.

• Keraamilised kuulid võivad asendada terast kuullaagrites. Tänu nende suuremale kõvadusele kestavad need kolm korda kauem. Samuti deformeeruvad nad koormuse all vähem, mis tähendab, et nad puutuvad vähem kokku laagri seintega ja saavad kiiremini veereda. Väga kiirete rakenduste puhul võib metalllaagrite puhul põhjustada probleeme hõõrdumisest tulenev soojus; keraamiliste keraamiliste kerade kasutamine vähendab neid probleeme. Keraamika on ka keemiliselt vastupidavam ja seda saab kasutada niiskes keskkonnas, kus teraslaagrid roostetaksid. Keraamika kasutamise peamine puudus on kõrge hind.

• 1980. aastate alguses uuris Toyota adiabaatilist keraamilist mootorit, mis võib töötada temperatuuril üle 6000 °F (3300 °C). Keraamilised mootorid ei vaja jahutussüsteemi ja võimaldavad seega oluliselt vähendada kaalu ja seega suurendada kütusesäästlikkust. Kuumema mootori kütuse kasutegur on ka Carnot' teoreemi järgi suurem. Metallist mootoris tuleb suur osa kütusest vabanevast energiast hajutada jäätmesoojusena, et see ei sulataks metallosasid. Vaatamata kõigile neile soovitavatele omadustele ei ole sellised mootorid tootmises, sest keraamiliste osade valmistamine vajaliku täpsuse ja vastupidavusega on keeruline. Keraamika ebatäiuslikkus põhjustab pragusid, mis võivad mootori hävitada, võimalik, et plahvatuse tagajärjel. Massitootmine ei ole praeguse tehnoloogiaga võimalik.

• Keraamilised osad gaasiturbiinide mootoritele võivad olla praktilised. Praegu vajavad isegi mootorite kuumas osas kasutatavad täiustatud metallisulamitest valmistatud labad jahutamist ja töötemperatuuri hoolikat piiramist. Keraamiliste materjalidega valmistatud turbiinimootorid võiksid töötada tõhusamalt, andes lennukitele suurema lennukauguse ja kasulikku koormust kindlaksmääratud kütusekoguse eest.

• Biokeraamika hõlmab hambaimplantaate ja sünteetilisi luid. Hüdroksüapatiiti, luu looduslikku mineraalset komponenti, on sünteetiliselt valmistatud mitmetest bioloogilistest ja keemilistest allikatest ning seda saab vormida keraamilisteks materjalideks. Nendest materjalidest valmistatud ortopeedilised implantaadid kinnituvad kergesti luude ja muude kehakudede külge ilma hülgamise või põletikulise reaktsioonita. Seetõttu pakuvad nad suurt huvi geenide manustamiseks ja koetehnoloogilisteks tellinguteks. Enamik hüdroksüapatiitkeraamikaid on väga poorsed ja neil puudub mehaaniline tugevus ning neid kasutatakse metallist ortopeediliste seadmete katmiseks, et aidata luua sidet luuga, või luufüllastina. Samuti kasutatakse neid ortopeediliste plastkruvide täitematerjalina, et aidata vähendada põletikku ja suurendada nende plastmaterjalide imendumist. Praegu tehakse tööd tugevate, täielikult tihedate nanokristalliliste hüdroksüapatiidist keraamiliste materjalide valmistamiseks ortopeediliste kandevahendite jaoks, asendades võõrad metallist ja plastist ortopeedilised materjalid sünteetilise, kuid looduslikult esineva luumineraaliga. Lõppkokkuvõttes võib neid keraamilisi materjale kasutada luu asendusluudena või koos valgu kollageenide lisamisega sünteetiliste luudena.

• Kellade korpustes kasutatakse kõrgtehnoloogilist keraamikat. Seda materjali hinnatakse selle kerge kaalu, kriimustuskindluse, vastupidavuse ja sileda puudutusega. IWC on üks neist kaubamärkidest, kes algatas keraamika kasutamise kellatööstuses.