Keraamika on nimetus mõnele materjalile, mis moodustub kuumuse abil. Sõna keraamika tuleneb kreeka sõnast κεραμικός (keramikos). Keemiliselt on tegemist metalli, mittemetalli või metalloidi aatomite anorgaanilise ühendiga, mida hoiavad koos keemilised sidemed.

Kuni umbes 1950. aastateni olid kõige olulisemad traditsioonilised savid, millest valmistati keraamikat, telliseid, plaate jms, samuti tsementi ja klaasi. Savist valmistatud keraamikat on kirjeldatud keraamikat käsitlevas artiklis. Keraamikast ja metallist koosnevat komposiitmaterjali nimetatakse kermetiks.

Sõna "keraamiline" võib olla omadussõna ja seda võib kasutada ka nimisõnana, et viidata keraamilisele materjalile või keraamilise toote valmistamisele. Keraamikat võib kasutada ka ainsuses, viidates keraamilistest materjalidest esemete valmistamise kunstile. Keraamiliste materjalide tootmise ja kasutamise tehnoloogia kuulub keraamikatehnika valdkonda.

Paljud savipõhised keraamilised materjalid on kõvad, poorsed ja haprad. Keraamika uurimine ja arendamine hõlmab meetodeid nende omaduste käsitlemiseks, materjalide tugevuste rõhutamiseks ja uudsete rakenduste uurimiseks.

Koostis ja tüübid

Keraamika põhikomponendid on sageli anorgaanilised oksüdid ja muud ühendite segud. Traditsioonilises savikeraamikas on peamised koostisosad:

  • klay mineraalid (nt kaoliin ehk kaoliinite),
  • räbu või graanul (grog) struktuuri stabiliseerimiseks,
  • räästjad või sulandid (nt feldspaat) vitrifiitseerumise soodustamiseks,
  • räästained ja täiteained (liiv, räbu) tööomaduste reguleerimiseks.

Kõrgtehnoloogilised keraamikad hõlmavad puhtamaid ja spetsiifilisemaid materiaale, näiteks:

  • alumiiniumoksiid (Al2O3),
  • tsirkooniumoksiid (ZrO2),
  • silitsiumkarbiid (SiC) ja silitsiumnitraat (Si3N4),
  • erinevad juhtivad, pooljuhtivad või piezoelektrilised keraamikad (nt PZT),
  • biokeraamikad (nt hüdroksüapatiit) meditsiiniliste implantaatide jaoks.

Tootmisprotsess

Keraamika tootmine sisaldab tavaliselt järgmisi põhietappe:

  • Toormaterjalide ettevalmistus: purustamine, jahvatamine ja segamine õige koostise saavutamiseks.
  • Vormimine: meetodid on mitmekesised — käsitsivalu, slip casting, pressimine, ekstrudeerimine, survevalamine, implantatsioon, tape casting, injektsioonvormimine ja aina enam 3D-printimine (additiivne tootmine).
  • Keretamine-kuivatamine: kujundatud esemed kuivatatakse aeglaselt, et vähendada pragunemise riski ja eemaldada vesi.
  • Põletamine ehk sintring: kõrgete temperatuuride rakendamine põhjustab osakeste sulandumist, kristallstruktuuri muutumist ja kõvenemist. Temperatuurid varieeruvad: keraamika tüüpidel on tavaliselt vahemikus ~1000–1600 °C (nt savikeraamika ~1000–1300 °C, portselan ~1200–1450 °C; tehnilised keraamikad võivad vajada kõrgemat temperatuuri või eritingimusi).
  • Glasuurimine ja viimistleminen: pindakattega saavutatakse tihedus, veekindlus, esteetika või kemikaalikindlus; lisaks võivad järgneda täiendavad töötlemised (liivaprits, poleerimine, termotöötlemine).

Peamised omadused

  • Mehaanilised: keraamikad on kõvad ja kulumiskindlad, kuid reeglina haprad (madal plastiline deformatsioon). Mõned tehnilised keraamikad (nt tsirkooniumoksiidiga stabiliseeritud) on tugevamad ja kõikumistele paremini vastupidavad.
  • Termilised: kõrge sulamistemperatuur, hea kuumuskindlus ja madal termopaisumine (sõltuvalt materjalist). Mõned keraamikad on head soojusisolatsioonid; teised, nt SiC, on head soojusjuhtjad.
  • Keemilised: korrosioonikindlus happes ja aluselist keskkonnas, keemiline inertsus paljudes tingimustes.
  • Elektrilised ja magnetilised: enamik keraamikuid on elektriisolandid, ent leidub juhtivaid (nt dopitud oksüdid), pooljuhtivaid ning palju funktsionaalseid keraamikuid (piezoelektrilised, ferogeensed, superkonduktiivsed).
  • Füüsikalised: kõrge kõvadus, tihedus ja vastupidavus kulumisele; pooride suurus ja mikrostruktuur määravad suure osa omadustest.

Kasutusalad

Keraamika on väga mitmekülgne ja leiab rakendust nii igapäevaelus kui kõrgtehnoloogias:

  • Majapidamises ja kunstis: nõud, potid, kujutiseseadmed, glasuuritud keraamika ja portselan.
  • Ehitusmaterjalid: tellised, katuse- ja seinaplaadid, sanitaartehnika, plaadid ja isolatsioonimaterjalid — ajalooliselt on savist valmistatud tooted olnud väga tähtsad.
  • Tehniline ja tööstus: lõiketerad, katlakolded, keevitusvarustus, kõrge temperatuuri korpused, filtrid ja katalüsaatorite kandjad.
  • Elektroonika ja energiasektor: isolatsioonitahvlid, keraamilised kondensaatorid, piezoelektrilised andurid, keraamilised membraanid, kütuseelementide komponendid ja termostaadid.
  • Meditsiin: hammaste portselanrestaureeringud, keraamilised implantaadid ja biokeraamikad nagu hüdroksüapatiit, mis sobivad luude ja hambaravi rakendusteks.
  • Autotööstus ja aero-ruum: keraamilised komposiidid kergus- ja kuumuskindlate komponentide jaoks, pidurikettad, termiliselt stabiilsed osad.

Testimine ja standardid

Keraamikate kvaliteedi ja sobivuse hindamisel kasutatakse mitmeid katseid: mehaanilised katsed (murdjõud, surve, kõvadus, kulumiskindlus), tiheduse ja pooride määramine, termilised katsed (paisumine, termiline šokk), elektrilised mõõtmised (takistus, dielektrikakonstant) ning kemikaalikindluse testid. Tööstuslikud standardid ja sertifitseerimine tagavad, et materjal vastab nõuetele konkreetsetes rakendustes.

Keskkonnamõjud ja taaskasutus

Keraamika tootmine nõuab sageli suurt energiakulu (põletamine kõrgel temperatuuril) ja tooraine kaevandamist (savi, alumiiniumoksiid jms). Samas on keraamikal pikk kasutusiga ja hea vastupidavus, mis vähendab vahetamise sagedust. Purustatud keraamikat saab taaskasutada betooni täitematerjalina, teede rajamisel või konstruktsiooniliste lisanditena; mõned keraamilised lõpptooted on taaskasutatavad või purustatavad ning nende killud kasutatakse tööstuslikes protsessides.

Glasuuride ja katete koostises võivad olla ohtlikud ained (nt eelajaloolised pliipõhised glasuurid), seetõttu on tänapäeval reguleeritud kasutusohutus ja toksilisuse vähendamine.

Tulevik ja uuendused

Materjaliteaduses on keraamika jätkuvalt aktiivne uurimisvaldkond. Praegused arengusuunad hõlmavad:

  • nanostruktureeritud keraamikad ja komposiidid, millel on parandatud sitkus ja funktsionaalsus;
  • 3D-printimise tehnoloogiad keraamika modelleerimiseks ja kiiremaks prototüüpimiseks;
  • biomittespetsialiseeritud biokeraamikad meditsiinis;
  • energia- ja keskkonnarakendused: keraamilised membraanid vee- ja gaasipuhastuses, kütuseelementide komponendid;
  • multifunktsionaalsed keraamikad piezo-, ferro- ja termilise juhtivusega rakendusteks.

Keraamika ühendab traditsiooni ja moodsa tehnoloogia — alates savist valmistatud nõudest kuni ülitäpsete kõrgtehnoloogiliste komponentideni, mis töötavad ekstreemtingimustes. Selle mitmekülgsus ja materjalifüüsikalised omadused teevad keraamikast tähtsa osa nii igapäevaelus kui ka tipptasemel inseneriteaduses.