Ceramiczny

Ten artykuł dotyczy właściwości materiałowych ceramiki. W przypadku innych zastosowań zobacz Ceramika (ujednoznacznienie) .
Krótka kalendarium ceramiki w różnych stylach

Ceramika to dowolny z różnych twardych, kruchych, żaroodpornych i odpornych na korozję materiałów wykonanych przez kształtowanie, a następnie wypalanie nieorganicznego, niemetalicznego materiału, takiego jak glina , w wysokiej temperaturze. Typowymi przykładami są ceramika , porcelana i cegła .

Najwcześniejszą ceramiką wykonaną przez ludzi były przedmioty ceramiczne ( garnki, naczynia lub wazony ) lub figurki wykonane z gliny , samej lub zmieszanej z innymi materiałami, takimi jak krzemionka , utwardzana i spiekana w ogniu. Później ceramikę szkliwiono i wypalano, aby uzyskać gładkie, kolorowe powierzchnie, zmniejszając porowatość dzięki zastosowaniu szklistych, amorficznych powłok ceramicznych na wierzchu krystalicznych podłoży ceramicznych. Ceramika obejmuje obecnie produkty domowe, przemysłowe i budowlane, a także szeroką gamę materiałów opracowanych do użytku w zaawansowanej inżynierii ceramicznej, na przykład w półprzewodnikach .

Słowo „ ceramika ” pochodzi od greckiego słowa κεραμικός ( keramikos ), „z ceramiki” lub „do ceramiki” , od κέραμος ( keramos ), „glina garncarska, dachówka, ceramika” . Najwcześniejszą znaną wzmianką o rdzeniu „ceram-” jest mykeńskie greckie ke-ra-me-we , robotnicy ceramiki zapisani sylabicznym pismem linearnym B. Słowo ceramika może być użyte jako przymiotnik do opisania materiału, produktu lub procesu lub może być użyte jako rzeczownik, w liczbie pojedynczej lub częściej, jako rzeczownik w liczbie mnogiej „ceramika”.

Materiały

Mikrofotografia SEM w małym powiększeniu przedstawiająca zaawansowany materiał ceramiczny. Właściwości ceramiki sprawiają, że szczelinowanie jest ważną metodą inspekcji.

Materiał ceramiczny to nieorganiczny, niemetaliczny tlenek, azotek lub materiał węglikowy. Niektóre pierwiastki, takie jak węgiel czy krzem , można uznać za ceramikę. Materiały ceramiczne są kruche, twarde, odporne na ściskanie i słabe na ścinanie i rozciąganie. Są odporne na erozję chemiczną występującą w innych materiałach narażonych na działanie środowiska kwaśnego lub żrącego. Ceramika generalnie może wytrzymać bardzo wysokie temperatury, w zakresie od 1000 ° C do 1600 ° C (1800 ° F do 3000 ° F).

Krystalizacja materiałów ceramicznych jest bardzo zróżnicowana. Najczęściej wypalana ceramika jest zeszklona lub częściowo zeszklona, ​​jak ma to miejsce w przypadku ceramiki, kamionki i porcelany. Zmienna krystaliczność i elektronowy wiązań jonowych i kowalencyjnych powodują, że większość materiałów ceramicznych jest dobrymi izolatorami termicznymi i elektrycznymi (badania w inżynierii ceramicznej ). Przy tak dużym zakresie możliwych opcji składu/struktury ceramiki (prawie wszystkie pierwiastki, prawie wszystkie rodzaje wiązań i wszystkie poziomy krystaliczności) zakres tematyczny jest ogromny, a identyfikowalne atrybuty ( twardość , wytrzymałość , przewodność elektryczna ) są trudne do określenia dla grupy jako całości. Ogólne właściwości, takie jak wysoka temperatura topnienia, wysoka twardość, słabe przewodnictwo, wysokie moduły sprężystości , odporność chemiczna i mała plastyczność są normą, ze znanymi wyjątkami od każdej z tych reguł ( ceramika piezoelektryczna , temperatura zeszklenia , ceramika nadprzewodząca ). Wiele kompozytów, takich jak włókno szklane i włókno węglowe , zawierających materiały ceramiczne, nie jest uważanych za część rodziny ceramiki.

Wysoce zorientowane krystaliczne materiały ceramiczne nie nadają się do szerokiego zakresu obróbki. Metody radzenia sobie z nimi dzielą się zwykle na jedną z dwóch kategorii – albo nadanie ceramice pożądanego kształtu, poprzez reakcję in situ , albo poprzez „formowanie” proszków w pożądany kształt, a następnie spiekanie w celu utworzenia ciała stałego. Techniki formowania ceramiki obejmują kształtowanie ręczne (czasami obejmujące proces obracania zwany „rzucaniem”), odlewanie z gęstwy , odlewanie taśmowe (używane do produkcji bardzo cienkich kondensatorów ceramicznych), formowanie wtryskowe , prasowanie na sucho i inne odmiany.

Wielu ekspertów od ceramiki nie uważa materiałów o charakterze amorficznym (niekrystalicznym) (np. szkła) za ceramikę, mimo że wytwarzanie szkła obejmuje kilka etapów procesu ceramicznego, a jego właściwości mechaniczne są podobne do materiałów ceramicznych. Jednak obróbka cieplna może przekształcić szkło w materiał półkrystaliczny znany jako ceramika szklana .

Tradycyjne surowce ceramiczne obejmują minerały ilaste, takie jak kaolinit , podczas gdy nowsze materiały obejmują tlenek glinu, bardziej znany jako tlenek glinu . Do nowoczesnych materiałów ceramicznych zaliczanych do ceramiki zaawansowanej zalicza się węglik krzemu i węglik wolframu . Oba są cenione ze względu na swoją odporność na ścieranie i dlatego są wykorzystywane w takich zastosowaniach, jak płyty ścieralne urządzeń kruszących w operacjach górniczych. Zaawansowana ceramika jest również wykorzystywana w przemyśle medycznym, elektrycznym, elektronicznym i zbrojeniowym.

Historia

Najwcześniejszą znaną ceramiką są figurki graweckie datowane na okres od 29 000 do 25 000 pne.

Wydaje się, że istoty ludzkie wytwarzają własną ceramikę od co najmniej 26 000 lat, poddając glinę i krzemionkę działaniu intensywnego ciepła w celu stopienia i utworzenia materiałów ceramicznych. Najwcześniejsze znalezione do tej pory znajdowały się w południowo-środkowej Europie i były to wyrzeźbione postacie, a nie naczynia. Najwcześniejsza znana ceramika została wykonana przez zmieszanie produktów pochodzenia zwierzęcego z gliną i wypalenie w temperaturze do 800 ° C (1500 ° F). Chociaż znaleziono fragmenty ceramiki sprzed 19 000 lat, dopiero około 10 000 lat później zwykła ceramika stała się powszechna. Wcześni ludzie, którzy rozprzestrzenili się po większej części Europy, zostali nazwani po użyciu ceramiki, kultura ceramiki sznurowej . Te wczesne indoeuropejskie dekorowały swoją ceramikę, owijając ją sznurem, gdy była jeszcze mokra. Podczas wypalania ceramiki lina wypaliła się, ale pozostawiła na powierzchni dekoracyjny wzór skomplikowanych rowków.

Ceramika kulturalna z ceramiki sznurowej z 2500 pne

Wynalezienie koła ostatecznie doprowadziło do produkcji gładszej, bardziej równej ceramiki przy użyciu techniki formowania koła (rzucania), takiej jak koło garncarskie . Wczesna ceramika była porowata i łatwo wchłaniała wodę. Stało się przydatne w przypadku większej liczby przedmiotów wraz z odkryciem szkliwienia , powlekania ceramiki krzemem, popiołem kostnym lub innymi materiałami, które mogą topić się i przekształcać w szklistą powierzchnię, czyniąc naczynie mniej przepuszczalnym dla wody.

Archeologia

Ceramiczne artefakty odgrywają ważną rolę w archeologii w zrozumieniu kultury, technologii i zachowań ludów z przeszłości. Należą do najczęstszych artefaktów znajdowanych na stanowiskach archeologicznych, zwykle w postaci małych fragmentów potłuczonej ceramiki zwanej skorupami . Przetwarzanie zebranych łusek może być zgodne z dwoma głównymi rodzajami analiz: techniczną i tradycyjną.

Tradycyjna analiza obejmuje sortowanie ceramicznych artefaktów, skorup i większych fragmentów na określone typy w oparciu o styl, skład, produkcję i morfologię. Tworząc te typologie, można między innymi rozróżnić różne style kulturowe, przeznaczenie ceramiki i stan technologiczny ludzi. Poza tym, patrząc na zmiany stylistyczne ceramiki w czasie, można podzielić (seriatować) ceramikę na odrębne grupy diagnostyczne (zespoły). Porównanie artefaktów ceramicznych ze znanymi datowanymi zespołami pozwala na chronologiczne przyporządkowanie tych fragmentów.

Techniczne podejście do analizy ceramiki obejmuje dokładniejsze badanie składu ceramicznych artefaktów i skorup w celu określenia źródła materiału, a przez to możliwego miejsca produkcji. Kryteriami kluczowymi są skład gliny i temperatura użyta do wytworzenia badanego wyrobu: tempera to materiał dodawany do gliny na początkowym etapie produkcji, który służy do wspomagania późniejszego procesu suszenia. Rodzaje temperamentu obejmują muszli , fragmenty granitu i zmielone kawałki skorupy zwane „ grogiem ”. Temperat jest zwykle identyfikowany przez badanie mikroskopowe hartowanego materiału. Identyfikacja gliny jest określana w procesie ponownego wypalania ceramiki i przypisania jej koloru za pomocą notacji Munsell Soil Color . Szacując skład zarówno gliny, jak i temperatury oraz lokalizując region, w którym wiadomo, że występują oba, można określić źródło materiału. Na podstawie przypisania źródła artefaktu można przeprowadzić dalsze badania w miejscu produkcji.

Nieruchomości

Fizyczne właściwości każdej substancji ceramicznej wynikają bezpośrednio z jej struktury krystalicznej i składu chemicznego. Chemia ciała stałego ujawnia fundamentalny związek między mikrostrukturą a właściwościami, takimi jak zlokalizowane zmiany gęstości, rozkład wielkości ziaren, rodzaj porowatości i zawartość drugiej fazy, które wszystkie można skorelować z właściwościami ceramiki, takimi jak wytrzymałość mechaniczna σ przez Hall- Równanie Petcha, twardość , ciągliwość , stała dielektryczna i właściwości optyczne materiałów przezroczystych .

Ceramografia to sztuka i nauka przygotowania, badania i oceny mikrostruktur ceramicznych. Ocena i charakterystyka mikrostruktur ceramicznych jest często realizowana w podobnych skalach przestrzennych, jak powszechnie stosowane w powstającej dziedzinie nanotechnologii: od dziesiątek angstremów (Å) do dziesiątek mikrometrów (µm). Zwykle jest to gdzieś pomiędzy minimalną długością fali światła widzialnego a granicą rozdzielczości gołym okiem.

Mikrostruktura obejmuje większość ziaren, fazy wtórne, granice ziaren, pory, mikropęknięcia, defekty strukturalne i mikrowgniecenia twardości. Obserwowana mikrostruktura znacząco wpływa na większość właściwości mechanicznych, optycznych, termicznych, elektrycznych i magnetycznych masy. Sposób wytwarzania i warunki procesu są ogólnie wskazywane przez mikrostrukturę. Pierwotna przyczyna wielu uszkodzeń ceramiki jest ewidentna w rozłupanej i wypolerowanej mikrostrukturze. , które stanowią dziedzinę inżynierii materiałowej obejmują:

Właściwości mechaniczne

Tarcze tnące z węglika krzemu

Właściwości mechaniczne są ważne w materiałach konstrukcyjnych i budowlanych, a także w tekstyliach. We współczesnej materiałoznawstwie mechanika pękania jest ważnym narzędziem poprawy właściwości mechanicznych materiałów i komponentów. Stosuje fizykę naprężeń i odkształceń , w szczególności teorię sprężystości i plastyczności , do mikroskopijnych defektów krystalograficznych występujących w rzeczywistych materiałach w celu przewidywania makroskopowych uszkodzeń mechanicznych ciał. Fraktografia jest szeroko stosowana w mechanice pęknięć, aby zrozumieć przyczyny awarii, a także zweryfikować teoretyczne przewidywania awarii z rzeczywistymi awariami.

Materiały ceramiczne to zwykle materiały związane jonowo lub kowalencyjnie . Materiał utrzymywany razem przez którykolwiek rodzaj wiązania będzie miał tendencję do pękania , zanim nastąpi jakiekolwiek odkształcenie plastyczne , co skutkuje słabą ciągliwością tych materiałów. Dodatkowo, ponieważ te materiały są zwykle porowate, pory i inne mikroskopijne niedoskonałości działają jak koncentratory naprężeń , jeszcze bardziej zmniejszając wytrzymałość i zmniejszając wytrzymałość na rozciąganie . Łączą się one, powodując katastrofalne awarie , w przeciwieństwie do bardziej plastycznych trybów awarii metali.

Materiały te wykazują odkształcenia plastyczne . Jednak ze względu na sztywną strukturę materiału krystalicznego dostępnych jest bardzo niewiele systemów poślizgu, w których dyslokacje mogą się poruszać, a zatem odkształcają się one bardzo powoli.

Aby przezwyciężyć kruchość, rozwój materiałów ceramicznych wprowadził klasę materiałów kompozytowych z osnową ceramiczną , w których osadzone są włókna ceramiczne, które wraz ze specjalnymi powłokami tworzą mostki włókien w poprzek każdego pęknięcia. Mechanizm ten znacznie zwiększa odporność na kruche pękanie takiej ceramiki. Ceramiczne hamulce tarczowe są przykładem zastosowania materiału kompozytowego z osnową ceramiczną, wytwarzanego w określonym procesie.

Szablonowanie lodem w celu uzyskania lepszych właściwości mechanicznych

Jeśli ceramika zostanie poddana znacznemu obciążeniu mechanicznemu, może zostać poddana procesowi zwanemu szablonem lodowym , który umożliwia pewną kontrolę mikrostruktury produktu ceramicznego, a tym samym pewną kontrolę właściwości mechanicznych. Inżynierowie zajmujący się ceramiką wykorzystują tę technikę, aby dostosować właściwości mechaniczne do pożądanego zastosowania. W szczególności, gdy stosowana jest ta technika, zwiększa się siła . Szablonowanie lodu umożliwia tworzenie makroskopowych porów w układzie jednokierunkowym. Zastosowania tej techniki wzmacniania tlenków są ważne w ogniwach paliwowych ze stałym tlenkiem i urządzeniach do filtracji wody .

Aby przetworzyć próbkę przez szablonowanie lodem, przygotowuje się wodną koloidalną zawiesinę zawierającą rozpuszczony proszek ceramiczny równomiernie rozproszony w koloidzie, [ wymagane wyjaśnienie ] , na przykład tlenek cyrkonu stabilizowany tlenkiem itru (YSZ). Roztwór jest następnie chłodzony od dołu do góry na platformie, która umożliwia jednokierunkowe chłodzenie. Zmusza to lodu do wzrostu zgodnie z jednokierunkowym chłodzeniem, a te kryształki lodu zmuszają rozpuszczone cząstki YSZ do przodu krzepnięcia granicy międzyfazowej ciało stałe-ciecz, w wyniku czego czyste kryształy lodu są ułożone jednokierunkowo obok skoncentrowanych kieszeni cząstek koloidalnych. Następnie próbka jest jednocześnie podgrzewana, a ciśnienie zmniejsza się na tyle, aby zmusić kryształki lodu do sublimacji , a kieszenie YSZ zaczynają się ze sobą wyżarzać , tworząc makroskopowo wyrównane mikrostruktury ceramiczne. Próbka jest następnie dalej spiekana w celu zakończenia odparowania pozostałej wody i ostatecznej konsolidacji mikrostruktury ceramicznej. [ potrzebne źródło ]

Podczas szablonowania lodu można kontrolować kilka zmiennych, aby wpływać na wielkość porów i morfologię mikrostruktury. Te ważne zmienne to początkowe obciążenie ciałami stałymi koloidu, szybkość chłodzenia, temperatura i czas spiekania oraz zastosowanie pewnych dodatków, które mogą wpływać na morfologię mikrostruktury podczas procesu. Dobre zrozumienie tych parametrów jest niezbędne do zrozumienia zależności między obróbką, mikrostrukturą i właściwościami mechanicznymi anizotropowo porowatych materiałów.

Właściwości elektryczne

Półprzewodniki

Niektóre materiały ceramiczne są półprzewodnikami . Większość z nich to tlenki metali przejściowych , które są półprzewodnikami II-VI, takie jak tlenek cynku . Chociaż istnieją perspektywy masowej produkcji niebieskich diod LED z tlenku cynku, ceramików najbardziej interesują właściwości elektryczne, które pokazują efekty na granicach ziaren . Jednym z najczęściej używanych jest warystor. Są to urządzenia, które wykazują właściwość gwałtownego spadku rezystancji przy określonym napięciu progowym . Gdy napięcie na urządzeniu osiągnie wartość progową, dochodzi do uszkodzenia struktury elektrycznej [ wymagane wyjaśnienie ] w pobliżu granic ziaren, co powoduje spadek jego rezystancji elektrycznej z kilku megaomów do kilkuset omów . Główną ich zaletą jest to, że mogą rozproszyć dużo energii i same się resetują; po spadku napięcia na urządzeniu poniżej progu jego rezystancja wraca do wysokiej. Dzięki temu idealnie nadają się do zastosowań przeciwprzepięciowych ; ponieważ istnieje kontrola nad napięciem progowym i tolerancją energii, znajdują one zastosowanie we wszelkiego rodzaju zastosowaniach. Najlepszą demonstrację ich możliwości można znaleźć w stacjach elektroenergetycznych , gdzie są one wykorzystywane do ochrony infrastruktury przed uderzeniami piorunów . Charakteryzują się szybką reakcją, wymagają niewielkiej konserwacji i nie ulegają znacznej degradacji podczas użytkowania, co czyni je praktycznie idealnymi urządzeniami do tego zastosowania. Ceramika półprzewodnikowa jest również wykorzystywana jako czujniki gazu . Kiedy różne gazy są przepuszczane przez ceramikę polikrystaliczną, zmienia się jej opór elektryczny. Dzięki dostrojeniu do możliwych mieszanek gazów można produkować bardzo niedrogie urządzenia.

Nadprzewodnictwo

Efekt Meissnera zademonstrowany przez lewitację magnesu nad nadprzewodnikiem miedzianowym, który jest chłodzony ciekłym azotem

W pewnych warunkach, takich jak ekstremalnie niska temperatura, niektóre materiały ceramiczne wykazują nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe . [ potrzebne wyjaśnienie ] Przyczyna tego nie jest znana, ale istnieją dwie główne rodziny ceramiki nadprzewodzącej.

Ferroelektryczność i nadzbiory

Piezoelektryczność , związek między reakcją elektryczną i mechaniczną, przejawia się w wielu materiałach ceramicznych, w tym w kwarcu używanym do pomiaru czasu w zegarkach i innych urządzeniach elektronicznych. Takie urządzenia wykorzystują obie właściwości piezoelektryków, wykorzystując elektryczność do wytworzenia ruchu mechanicznego (zasilanie urządzenia), a następnie wykorzystując ten ruch mechaniczny do wytworzenia elektryczności (generowanie sygnału). Mierzona jednostka czasu to naturalny interwał potrzebny do przekształcenia energii elektrycznej w energię mechaniczną iz powrotem.

Efekt piezoelektryczny jest generalnie silniejszy w materiałach, które również wykazują piroelektryczność , a wszystkie materiały piroelektryczne są również piezoelektryczne. Materiały te można wykorzystać do wzajemnej konwersji energii cieplnej, mechanicznej lub elektrycznej; na przykład po syntezie w piecu kryształ piroelektryczny pozostawiony do ostygnięcia bez przyłożonego naprężenia generalnie wytwarza ładunek statyczny o wartości tysięcy woltów. Takie materiały są wykorzystywane w czujnikach ruchu , gdzie niewielki wzrost temperatury od ciepłego ciała wpadającego do pomieszczenia wystarczy, aby wytworzyć mierzalne napięcie w krysztale.

Z kolei piroelektryczność jest najsilniej widoczna w materiałach wykazujących również efekt ferroelektryczny , w których stabilny dipol elektryczny można zorientować lub odwrócić poprzez przyłożenie pola elektrostatycznego. Piroelektryczność jest również konieczną konsekwencją ferroelektryczności. Można to wykorzystać do przechowywania informacji w kondensatorach ferroelektrycznych , elementach ferroelektrycznej pamięci RAM .

Najczęstszymi takimi materiałami są tytanian cyrkonianu ołowiu i tytanian baru . Oprócz zastosowań wymienionych powyżej, ich silna odpowiedź piezoelektryczna jest wykorzystywana w projektowaniu głośników o wysokiej częstotliwości , przetworników do sonarów oraz siłowników do sił atomowych i skaningowych mikroskopów tunelowych .

Dodatni współczynnik termiczny

Silnik rakietowy z azotku krzemu. Po lewej: Zamontowany na stanowisku testowym. Po prawej: testowanie z H2 / O2 .

Wzrost temperatury może spowodować, że granice ziaren nagle staną się izolujące w niektórych półprzewodnikowych materiałach ceramicznych, głównie w mieszaninach tytanianów metali ciężkich . Krytyczną temperaturę przejścia można regulować w szerokim zakresie przez zmiany w chemii. W takich materiałach prąd będzie przepływał przez materiał, aż ogrzewanie dżulowe doprowadzi go do temperatury przejścia, w którym to momencie obwód zostanie przerwany i przepływ prądu ustanie. Taka ceramika jest stosowana jako samosterujące się elementy grzejne, na przykład w obwodach odmrażania tylnej szyby samochodów.

dielektryczna materiału staje się teoretycznie nieskończona. Chociaż brak kontroli temperatury wykluczałby jakiekolwiek praktyczne zastosowanie materiału w pobliżu jego temperatury krytycznej, efekt dielektryczny pozostaje wyjątkowo silny nawet w znacznie wyższych temperaturach. Tytaniany o temperaturach krytycznych znacznie poniżej temperatury pokojowej stały się synonimem „ceramiki” w kontekście kondensatorów ceramicznych właśnie z tego powodu.

Właściwości optyczne

Cermax ksenonowa lampa łukowa z okienkiem wyjściowym z syntetycznego szafiru

Optycznie przezroczyste materiały koncentrują się na reakcji materiału na przychodzące fale świetlne o różnych długościach fal. Selektywne częstotliwościowo filtry optyczne można wykorzystać do zmiany lub zwiększenia jasności i kontrastu obrazu cyfrowego. Kierowana transmisja fal świetlnych za pomocą falowodów selektywnych częstotliwościowo wiąże się z pojawiającym się polem światłowodów i zdolnością pewnych kompozycji szklistych jako medium transmisyjnego dla zakresu częstotliwości jednocześnie ( światłowód wielomodowy ) z niewielką interferencją lub bez interferencji między konkurencyjnymi długościami fal lub częstotliwościami. Ten rezonansowy tryb transmisji energii i danych poprzez propagację fal elektromagnetycznych (światła) , choć ma małą moc, jest praktycznie bezstratny. Światłowody stosowane są jako komponenty w zintegrowanych układach optycznych (np. diody elektroluminescencyjne , diody LED) lub jako medium transmisyjne w lokalnych i dalekosiężnych systemach komunikacji optycznej . Ważna dla nowych naukowców zajmujących się materiałami jest również wrażliwość materiałów na promieniowanie w termicznej podczerwieni (IR) części widma elektromagnetycznego . Ta zdolność poszukiwania ciepła jest odpowiedzialna za tak różnorodne zjawiska optyczne, jak widzenie w nocy i luminescencja w podczerwieni .

wojskowym rośnie zapotrzebowanie na wytrzymałe, solidne materiały, które mają zdolność przepuszczania światła ( fale elektromagnetyczne ) w zakresie widzialnym (0,4 – 0,7 mikrometra) i średniej podczerwieni (1 – 5 mikrometrów) widmo. Materiały te są potrzebne do zastosowań wymagających przezroczystego pancerza, w tym szybkich pocisków i kapsuł nowej generacji, a także ochrony przed improwizowanymi urządzeniami wybuchowymi (IED).

W latach 60. XX wieku naukowcy z General Electric (GE) odkryli, że w odpowiednich warunkach produkcji niektóre materiały ceramiczne, zwłaszcza tlenek glinu (tlenek glinu), mogą stać się półprzezroczyste . Te półprzezroczyste materiały były wystarczająco przezroczyste, aby można je było wykorzystać do przechowywania plazmy elektrycznej generowanej w wysokoprężnych sodowych lampach ulicznych. W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano dodatkowe rodzaje przezroczystej ceramiki do zastosowań, takich jak stożki dziobowe pocisków naprowadzanych na ciepło , okna samolotów myśliwskich i liczniki scyntylacyjne do skanerów tomografii komputerowej . Inne materiały ceramiczne, na ogół wymagające większej czystości w swoim składzie niż powyższe, obejmują formy kilku związków chemicznych, w tym:

  1. Tytanian baru : (często mieszany z tytanianem strontu ) wykazuje ferroelektryczność , co oznacza, że ​​jego reakcje mechaniczne, elektryczne i termiczne są ok.
  2. Sialon ( tlenek azotku glinu krzemu ) ma wysoką wytrzymałość; odporność na szok termiczny, odporność chemiczną i odporność na zużycie oraz niską gęstość. Ceramika ta jest stosowana w obróbce stopionych metali nieżelaznych, kołkach spawalniczych i przemyśle chemicznym.
  3. Węglik krzemu (SiC) jest stosowany jako susceptor w piecach mikrofalowych, powszechnie stosowany materiał ścierny oraz jako materiał ogniotrwały .
  4. Azotek krzemu (Si 3 N 4 ) jest stosowany jako proszek ścierny .
  5. Steatyt (krzemiany magnezu) jest stosowany jako izolator elektryczny .
  6. Węglik tytanu Stosowany w osłonach promów kosmicznych i zegarkach odpornych na zarysowania.
  7. Tlenek uranu ( U O 2 ) używany jako paliwo w reaktorach jądrowych .
  8. Tlenek miedzi itru i baru (Y Ba 2 Cu 3 O 7-x ) , kolejny nadprzewodnik wysokotemperaturowy .
  9. Tlenek cynku ( Zn O) , który jest półprzewodnikiem i jest używany do budowy warystorów .
  10. Dwutlenek cyrkonu (tlenek cyrkonu) , który w czystej postaci podlega wielu przemianom fazowym między temperaturą pokojową a praktycznymi temperaturami spiekania , może być chemicznie „stabilizowany” w kilku różnych postaciach. Jego wysoka przewodność jonów tlenu zaleca go do stosowania w ogniwach paliwowych i samochodowych czujnikach tlenu . W innym wariancie metastabilne mogą nadawać hartowanie transformacyjne do zastosowań mechanicznych; większość ceramicznych ostrzy noży jest wykonana z tego materiału. Częściowo stabilizowany tlenek cyrkonu (PSZ) jest znacznie mniej kruchy niż inne materiały ceramiczne i jest stosowany w narzędziach do formowania metali, zaworach i wykładzinach, zawiesinach ściernych, nożach kuchennych i łożyskach narażonych na silne ścieranie.
Nóż kuchenny z ceramicznym ostrzem

Produkty

Według użycia

Dla wygody wyroby ceramiczne są zwykle podzielone na cztery główne typy; są one pokazane poniżej z kilkoma przykładami:

  1. Konstrukcyjne, w tym cegły , rury , płytki podłogowe i dachowe
  2. Materiały ogniotrwałe , takie jak okładziny pieców , promienniki gazowe, tygle do produkcji stali i szkła
  3. Artykuły gospodarstwa domowego, w tym zastawa stołowa , naczynia kuchenne, płytki ścienne, wyroby garncarskie i wyroby sanitarne
  4. Techniczna, znana również jako inżynieria, zaawansowana, specjalna i szlachetna ceramika. Takie pozycje obejmują:
    1. dysze palników gazowych
    2. ochrona balistyczna , opancerzenie pojazdów
    3. granulki tlenku uranu do paliwa jądrowego
    4. implanty biomedyczne
    5. powłoki łopatek turbin silników odrzutowych
    6. części turbin gazowych z osnową ceramiczną
    7. hamulce tarczowe węglowo-węglowo -ceramiczne
    8. stożki dziobowe pocisków
    9. łożysko (mechaniczne)
    10. kafelki używane w programie Space Shuttle

Ceramika wykonana z gliny

Główny artykuł: Ceramika

Często surowce współczesnej ceramiki nie zawierają gliny. Te, które to robią, zostały sklasyfikowane jako:

  1. Ceramika , wypalana w niższych temperaturach niż inne rodzaje
  2. Kamionka szklista lub półszklista
  3. Porcelana , która zawiera wysoką zawartość kaolinu
  4. Porcelana kostna

Klasyfikacja

Ceramikę można również podzielić na trzy odrębne kategorie materiałów:

  1. Tlenki : tlenek glinu , beryl , cer , tlenek cyrkonu
  2. Nietlenki: węglik , borek , azotek , krzemek
  3. Materiały kompozytowe : wzmocnione cząstkami stałymi, wzmocnione włóknem , kombinacje tlenków i nietlenków.

Każdą z tych klas można przekształcić w unikalne właściwości materiału.

Aplikacje

Ceramika techniczna stosowana jako trwały materiał wierzchni na wkładce lunety zegarka nurkowego
  1. Ostrza noży: ostrze noża ceramicznego pozostaje ostre znacznie dłużej niż ostrze noża stalowego, chociaż jest bardziej kruche i podatne na złamania.
  2. Karbonowo-ceramiczne tarcze hamulcowe do pojazdów: bardzo odporne na blaknięcie podczas hamowania w wysokich temperaturach.
  3. Zaawansowane kompozytowe matryce ceramiczno-metalowe zostały zaprojektowane dla większości nowoczesnych opancerzonych pojazdów bojowych, ponieważ zapewniają doskonałą odporność na penetrację przeciwko ładunkom kumulacyjnym ( pociski kumulacyjne ) i penetratorom energii kinetycznej .
  4. Ceramika, taka jak tlenek glinu i węglik boru, była używana jako płyty w balistycznych kamizelkach pancernych do odparcia ognia z karabinu o dużej prędkości . Takie płyty są powszechnie znane jako wkładki ochronne do broni strzeleckiej lub SAPI. Podobny lekki materiał jest używany do ochrony kokpitów niektórych samolotów wojskowych.
  5. Zamiast stali można zastosować ceramiczne łożyska kulkowe . Ich większa twardość skutkuje mniejszą podatnością na zużycie. Łożyska ceramiczne zwykle mają trzykrotnie dłuższą żywotność niż łożyska stalowe. Odkształcają się mniej niż stal pod obciążeniem, co skutkuje mniejszym kontaktem ze ściankami oporowymi łożyska i niższym tarciem. W zastosowaniach wymagających bardzo dużych prędkości ciepło powstające w wyniku tarcia powoduje więcej problemów w przypadku łożysk metalowych niż w przypadku łożysk ceramicznych. Ceramika jest chemicznie odporna na korozję i jest preferowana w środowiskach, w których łożyska stalowe rdzewieją. W niektórych zastosowaniach ich właściwości elektroizolacyjne są korzystne. Wady łożysk ceramicznych obejmują znacznie wyższy koszt, podatność na uszkodzenia pod wpływem obciążeń udarowych oraz możliwość zużycia części stalowych z powodu większej twardości ceramiki.
  6. We wczesnych latach 80-tych Toyota prowadziła badania nad produkcją silnika adiabatycznego przy użyciu elementów ceramicznych w obszarze gorącego gazu. Zastosowanie ceramiki pozwoliłoby na temperatury przekraczające 1650°C. Zalety obejmowałyby lżejsze materiały i mniejszy system chłodzenia (lub brak systemu chłodzenia), co prowadziłoby do znacznej redukcji masy. Oczekiwanego wzrostu efektywności paliwowej (wynikającego z wyższych temperatur pracy, wykazanego w twierdzeniu Carnota ) nie udało się zweryfikować eksperymentalnie. Stwierdzono, że przenoszenie ciepła przez gorącą ściankę cylindra ceramicznego było większe niż przenoszenie ciepła przez chłodniejszą ściankę metalową. Dzieje się tak, ponieważ warstwa chłodniejszego gazu na metalowej powierzchni działa jak izolator termiczny . Tak więc, pomimo pożądanych właściwości ceramiki, zaporowe koszty produkcji i ograniczone korzyści uniemożliwiły szerokie zastosowanie ceramicznych elementów silnika. Ponadto niewielkie niedoskonałości materiału ceramicznego wraz z niską odpornością na pękanie mogą prowadzić do pęknięć i potencjalnie niebezpiecznych awarii sprzętu. Takie silniki są możliwe eksperymentalnie, ale masowa produkcja nie jest możliwa przy obecnej technologii. [ potrzebne źródło ]
  7. Prowadzone są eksperymenty z częściami ceramicznymi do silników turbogazowych . Obecnie nawet łopatki wykonane z zaawansowanych stopów metali stosowane w gorącej części silników wymagają chłodzenia i dokładnego monitorowania temperatur pracy. Silniki turbinowe wykonane z ceramiki mogłyby działać wydajniej, zapewniając większy zasięg i ładowność.
  8. Ostatnie postępy poczyniono w ceramice, która obejmuje bioceramikę, taką jak implanty dentystyczne i kości syntetyczne. Hydroksyapatyt , główny składnik mineralny kości, został wytworzony syntetycznie z kilku składników biologicznych i chemicznych i może być formowany w materiały ceramiczne. Implanty ortopedyczne pokryte tymi materiałami łatwo wiążą się z kością i innymi tkankami w ciele bez odrzucania lub reakcji zapalnej. Są one bardzo interesujące dla dostarczania genów i inżynierii tkankowej . Większość ceramiki hydroksyapatytowej jest dość porowata i nie ma wytrzymałości mechanicznej, dlatego jest używana wyłącznie do powlekania metalowych urządzeń ortopedycznych, aby pomóc w tworzeniu wiązania z kością lub jako wypełniacze kostne. Są również używane jako wypełniacze do plastikowych śrub ortopedycznych, aby pomóc w zmniejszeniu stanu zapalnego i zwiększeniu wchłaniania tych plastikowych materiałów. Trwają prace nad stworzeniem mocnych, w pełni gęstych nanokrystalicznych hydroksyapatytowych materiałów ceramicznych do ortopedycznych urządzeń obciążających, zastępując obce metale i plastikowe materiały ortopedyczne syntetycznym, ale naturalnie występującym minerałem kostnym. Ostatecznie te materiały ceramiczne mogą być stosowane jako zamienniki kości lub z włączeniem kolagenów białkowych do produkcji syntetycznych kości.
  9. Zastosowania materiałów ceramicznych zawierających aktynowce obejmują paliwa jądrowe do spalania nadmiaru plutonu (Pu) lub chemicznie obojętne źródło promieniowania alfa w zasilaczach bezzałogowych pojazdów kosmicznych lub urządzeń mikroelektronicznych. Stosowanie i usuwanie radioaktywnych aktynowców wymaga unieruchomienia w trwałym materiale macierzystym. Radionuklidy o długim okresie półtrwania, takie jak aktynowce, są immobilizowane przy użyciu chemicznie trwałych materiałów krystalicznych na bazie polikrystalicznej ceramiki i dużych monokryształów.
  10. Do produkcji kopert zegarków wykorzystywana jest zaawansowana technologicznie ceramika. Materiał ten jest ceniony przez zegarmistrzów za lekkość, odporność na zarysowania, trwałość i gładkość w dotyku. IWC jest jedną z marek, które zapoczątkowały wykorzystanie ceramiki w zegarmistrzostwie.

Zobacz też

Dalsza lektura

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ceramic&oldid=1140236426 ”