Керамика

Виды керамических материалов

Для удобства керамические изделия, как правило, делятся на четыре сектора, которые приведены ниже с некоторыми примерами:

• Структурные, в том числе кирпич, трубы, напольная и кровельная черепица
• Огнеупоры, такие как футеровка печей, газовые радиаторы, тигли для производства стали и стекла.
• Белила, включая посуду, настенную плитку, предметы декоративного искусства и сантехнику.
• Техническая керамика также известна как инженерная, передовая, специальная, а в Японии - тонкая керамика. К таким изделиям относятся плитки, используемые в программе "Спейс шаттл", сопла газовых горелок, пуленепробиваемые жилеты, гранулы оксида урана ядерного топлива, медико-биологические имплантаты, лопатки турбин реактивных двигателей и носовые конусы ракет. Часто в состав сырья не входят глины.

Примеры керамики

• Фарфор
• Фарфор "Твердая паста", обжигаемый при более высокой температуре.
• Мягкий фарфор, обжигаемый при более низкой температуре: костяной фарфор
• Глиняная посуда, которая часто изготавливается из глины, кварца и полевого шпата.
• Stoneware

Классификация технической керамики

Техническую керамику также можно разделить на три отдельные категории материалов:

• Оксиды: глинозём, цирконий
• Неоксиды: карбиды, бориды, нитриды, силициды.
• Композиты: армированные частицами, комбинации окислов и неокислов

Каждый из этих классов может развивать уникальные свойства материалов.

Моделирование внешней части "Спейс шаттла" при нагревании до более чем 1500 °C во время входа в атмосферу Земли.

Свойства керамики

Механические свойства

Керамические материалы обычно ионные или ковалентные связанные материалы, и могут быть кристаллическими или аморфными. Материал, удерживаемый вместе с помощью любого из видов связи, имеет тенденцию к разрушению (разрыву) до того, как произойдет пластическая деформация, что приводит к плохой вязкости в этих материалах. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию иметь много пор, поры и другие микроскопические несовершенства действуют как концентраторы напряжения, снижая вязкость еще больше и уменьшая прочность нарастяжение. В сочетании они дают катастрофические разрушения, в отличие от обычно гораздо более щадящих режимов разрушения металлов.

Эти материалы действительно демонстрируют пластическую деформацию. Однако из-за жесткой структуры кристаллических материалов существует очень мало систем скольжения для перемещения дислокаций, поэтому они деформируются очень медленно. В некристаллических (стеклянных) материалах вязкий поток является основным источником пластической деформации, а также очень медленным. Из-за этого он игнорируется во многих областях применения керамических материалов.

Электрические свойства

Полупроводники

Есть ряд керамики, которые являются полупроводниками. Большинство из них - это оксиды переходных металлов, которые являются полупроводниками II-VI, например, оксид цинка.

В то время как ходят разговоры о производстве голубых светодиодов из оксида цинка, керамистов больше всего интересуют электрические свойства, показывающие граничные эффекты зерен. Одним из наиболее широко используемых из них является варистор.

Полупроводниковая керамика также используется в качестве газовых датчиков. При прохождении различных газов через поликристаллическую керамику изменяется ее электрическое сопротивление. При настройке на возможные газовые смеси могут быть изготовлены очень дешевые приборы.

Сверхпроводимость

При некоторых условиях, например, при экстремально низкой температуре, некоторые керамики демонстрируют сверхпроводимость. Точная причина этого не известна, но есть два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Ферроэлектричество и его родственники

Пьезоэлектричество, связь между электрическим и механическим откликом, демонстрируется большим количеством керамических материалов, в том числе кварца, используемого для измерения времени в часах и другой электроники. Такие устройства превращают электричество в механические движения и обратно, образуя стабильный осциллятор.

Пьезоэлектрический эффект, как правило, сильнее в материалах, которые также показывают пироэлектричество, и все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими. Эти материалы могут использоваться для преобразования тепловой, механической и/или электрической энергии; например, после синтеза в печи пироэлектрический кристалл, охлажденный без приложенных усилий, обычно создает статический заряд в тысячи вольт. Такие материалы используются в датчиках движения, где малейшего повышения температуры от входящего в помещение теплого тела достаточно для получения измеримого напряжения в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее сильно проявляется в материалах, в которых также проявляется ферроэлектрический эффект, при котором стабильный электрический диполь может быть ориентирован или обращён в обратную сторону путём применения электростатического поля. Пироэлектричество также является необходимым следствием ферроэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в ферроэлектрических конденсаторах, элементах ферроэлектрической ОЗУ.

Наиболее распространенными такими материалами являются цирконат-титанат свинца и титанат бария. Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется при проектировании высокочастотных акустических систем, преобразователей для гидролокатора и актуаторов для атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов.

Положительный тепловой коэффициент

Повышение температуры может привести к тому, что границы зерен внезапно станут изоляционными в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях титанатов тяжелых металлов. Критическая температура перехода может регулироваться в широком диапазоне путем изменения химии. В таких материалах ток будет проходить через материал до тех пор, пока нагрев в джоулях не доведет его до температуры перехода, после чего цепь будет разорвана и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулируемых нагревательных элементов, например, в контурах оттаивания заднего стекла автомобилей.

При температуре перехода диэлектрический отклик материала становится теоретически бесконечным. В то время как отсутствие температурного контроля исключает любое практическое использование материала вблизи его критической температуры, диэлектрический отклик остается исключительно сильным даже при гораздо более высоких температурах. Титанаты с критическими температурами намного ниже комнатной температуры стали синонимом "керамики" в контексте керамических конденсаторов именно по этой причине.

Классификация керамики

Некристаллическая керамика: Некристаллическая керамика, будучи стеклом, как правило, образуется из расплавов. Стекло формируется либо при полном расплаве, либо при литье, либо в состоянии вязкости, похожем на ириски, с помощью таких методов, как продувка до формы. Если впоследствии термическая обработка приводит к тому, что этот класс становится частично кристаллическим, то полученный материал известен как стеклокерамика.

Кристаллическая керамика: Кристаллическая керамика не поддается широкому спектру обработки. Методы их обработки, как правило, делятся на одну из двух категорий - либо сделать керамику в желаемой форме, путем реакции на месте, либо путем "формирования" порошков в желаемую форму, а затем спекаться, чтобы сформировать твердое тело. Методы керамического формования включают в себя ручное формование (иногда включая процесс вращения, называемый "бросанием"), литье скольжения, литье ленты (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов и т.д.), литье под давлением, сухое прессование и другие вариации. (См. также "Технологии формирования керамики". Подробно эти процессы описаны в двух перечисленных ниже книгах). Несколько методов используют гибрид между этими двумя подходами.

Производство на месте

Наиболее часто этот метод используется в производстве цемента и бетона. Здесь обезвоженные порошки смешивают с водой. При этом начинаются реакции гидратации, в результате которых вокруг заполнителя образуются длинные, взаимосвязанные кристаллы. Со временем это приводит к образованию твердой керамики.

Самой большой проблемой этого метода является то, что большинство реакций происходит так быстро, что хорошее перемешивание невозможно, что, как правило, препятствует крупномасштабному строительству. Однако, мелкомасштабные системы могут быть изготовлены методом осаждения, при котором различные материалы вводятся над подложкой и реагируют и формируют керамику на подложке. Это заимствование методов из полупроводниковой промышленности, таких как химическое осаждение из паровой фазы, и очень полезно для покрытий.

Они, как правило, производят очень плотную керамику, но делают это медленно.

Методы на основе спекания

Принципы методов, основанных на спекании, просты. После того, как грубо удерживаемый объект (называемый "зеленым телом"), он выпекается в печи, где диффузионные процессы приводят к усадке зеленого тела. Поры в объекте закрываются, в результате чего продукт становится плотнее и сильнее. Обжиг производится при температуре ниже температуры плавления керамики. Практически всегда остается некоторая пористость, но реальным преимуществом этого метода является то, что зеленое тело может быть произведено любым способом, который только можно себе представить, и при этом быть спеченным. Это делает его очень универсальным.

Существуют тысячи возможных усовершенствований этого процесса. Некоторые из наиболее распространенных включают в себя нажатие на зеленое тело, чтобы дать уплотнение в голову и уменьшить время спекания. Иногда для удержания зеленого тела добавляются органические связующие вещества, такие как поливиниловый спирт; они выгорают во время обжига (при 200-350 °C). Иногда органические смазки добавляются во время прессования для увеличения уплотнения. Нередко их комбинируют, добавляют связующие вещества и смазки в порошок, а затем прессуют. (Формулировка этих органических химических добавок сама по себе является искусством. Это особенно важно при производстве высокоэффективной керамики, например, используемой миллиардами для электроники, в конденсаторах, индукторах, датчиках и т.д. Специализированные рецептуры, наиболее часто используемые в электронике, подробно описаны в книге Р.Е. Мистлера "Литье ленты" и др. Керамика Сок. [Вестервилль, Огайо], 2000). Книга "Органические добавки и обработка керамики" Д. Дж. Шейнфилда (D. J. Shanefield, Kluwer Publishers) [Бостон], 1996.

Вместо порошка можно использовать суспензию, которую затем отливают в нужную форму, высушивают и спекают. Действительно, традиционная керамика выполняется таким способом, с использованием пластмассовой смеси, обработанной руками.

Если в керамике используется смесь различных материалов, то температура спекания иногда выше температуры плавления одного из второстепенных компонентов - жидкофазного спекания. Это приводит к более короткому времени спекания по сравнению с твердым спектром.

Другие применения керамики

• Некоторые ножи керамические. Керамическое лезвие ножа будет оставаться острым для гораздо более длительной стали, хотя оно более хрупкое и его можно сломать, уронив на твердую поверхность.

• Керамика, такая как глинозем и карбид бора, была использована в бронежилетах для отталкивания пуль. Подобный материал используется для защиты кабин некоторых военных самолетов из-за малого веса.

• Керамические шарики могут быть использованы для замены стали в шарикоподшипниках. Благодаря более высокой твердости они служат в три раза дольше. Кроме того, они меньше деформируются под нагрузкой, то есть меньше соприкасаются со стенками фиксаторов подшипников и быстрее катятся. При очень высоких скоростях вращения тепло от трения во время качения может вызвать проблемы у металлических подшипников; проблемы, которые уменьшаются при использовании керамики. Керамика также более химически стойкая и может использоваться во влажной среде, где стальные подшипники могут заржаветь. Основным недостатком использования керамики является высокая стоимость.

• В начале 1980-х годов компания Toyota исследовала адиабатический керамический двигатель, который может работать при температуре более 6000 °F (3300 °C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и, следовательно, повысить топливную экономичность. Топливная эффективность более горячего двигателя также выше по теореме Карно. В металлическом двигателе большая часть энергии, выделяемой из топлива, должна рассеиваться в виде отработанного тепла, чтобы не расплавить металлические части. Несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не производятся, так как изготовление керамических деталей с требуемой точностью и долговечностью затруднено. Несовершенство керамики приводит к образованию трещин, которые могут разрушить двигатель, возможно, в результате взрыва. Массовое производство невозможно при современных технологиях.

• Керамические детали для газотурбинных двигателей могут быть практичными. В настоящее время даже лопатки из современных металлических сплавов, применяемые в горячей секции двигателя, требуют охлаждения и тщательного ограничения рабочих температур. Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могут работать более эффективно, обеспечивая самолетам большую дальность полета и грузоподъемность при заданном количестве топлива.

• Био-керамика включает в себя зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксилапатит, природный минеральный компонент кости, производится синтетически из ряда биологических и химических источников и может быть сформирован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, изготовленные из этих материалов, легко связываются с костью и другими тканями тела без отторжения и воспалительных реакций. Поэтому они представляют большой интерес для генной инженерии и тканевой инженерии. Большинство гидроксилапатитовых керамик очень пористые и не обладают механической прочностью и используются для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы помочь в формировании связи с костью или в качестве костных наполнителей. Они также используются в качестве наполнителей для ортопедических пластмассовых шурупов, чтобы помочь уменьшить воспаление и увеличить поглощение этих пластмассовых материалов. Проводится работа по созданию прочных, полностью плотных нано-кристаллических гидроксилапатитовых керамических материалов для ортопедических утяжелителей, заменяющих инородный металл и пластмассовые ортопедические материалы синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном счете, эти керамические материалы могут использоваться в качестве костных заменителей или с инкорпорированием белковых коллагенов, синтетических костей.

• В корпусах часов используется высокотехнологичная керамика. Материал ценится за легкий вес, устойчивость к царапинам, долговечность и гладкое прикосновение. IWC является одним из брендов, которые инициировали использование керамики в производстве часов.