Inżynieria ceramiczna

Symulacja zewnętrznej części promu kosmicznego, która nagrzewa się do ponad 1500 ° C (2730 ° F) podczas ponownego wejścia w ziemską atmosferę
Elementy łożyska wykonane w 100% z azotku krzemu Si 3 N 4
Ceramiczny nóż do chleba

Inżynieria ceramiczna to nauka i technologia tworzenia przedmiotów z nieorganicznych, niemetalicznych materiałów. Odbywa się to albo przez działanie ciepła, albo w niższych temperaturach za pomocą reakcji wytrącania z roztworów chemicznych o wysokiej czystości. Termin ten obejmuje oczyszczanie surowców, badanie i wytwarzanie danych związków chemicznych, formowanie ich w komponenty oraz badanie ich struktury, składu i właściwości.

Materiały ceramiczne mogą mieć strukturę krystaliczną lub częściowo krystaliczną, z uporządkowaniem dalekiego zasięgu w skali atomowej. Ceramika szklana może mieć strukturę amorficzną lub szklistą, z uporządkowaniem atomowym o ograniczonym lub krótkim zasięgu. Są albo formowane ze stopionej masy, która krzepnie podczas chłodzenia, formowane i dojrzewające pod wpływem ciepła, albo syntetyzowane chemicznie w niskich temperaturach przy użyciu, na przykład, syntezy hydrotermalnej lub zol-żel .

Specyficzny charakter materiałów ceramicznych daje podstawę do wielu zastosowań w inżynierii materiałowej , elektrotechnice , inżynierii chemicznej i budowie maszyn . Ponieważ ceramika jest odporna na ciepło, można jej używać do wielu zadań, do których materiały takie jak metal i polimery są nieodpowiednie. Materiały ceramiczne są wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu, w tym w górnictwie, lotnictwie, medycynie, rafinerii, przemyśle spożywczym i chemicznym, opakowaniach, elektronice, elektryczności przemysłowej i transmisyjnej oraz kierowanej transmisji fal świetlnych.

Historia

Słowo „ ceramika ” pochodzi od greckiego słowa κεραμικός ( keramikos ) oznaczającego garncarstwo . Jest to związane ze starszym języka indoeuropejskiego „palić”. „Ceramika” może być używana jako rzeczownik w liczbie pojedynczej w odniesieniu do materiału ceramicznego lub produktu ceramicznego lub jako przymiotnik. Ceramika to tworzenie rzeczy z materiałów ceramicznych. Inżynieria ceramiczna, podobnie jak wiele nauk, wyewoluowała z innej dyscypliny według dzisiejszych standardów. Do dziś inżynieria materiałowa jest zgrupowana z inżynierią ceramiki. [ potrzebne źródło ]

Linia glazury Leo Morandiego (ok. 1945 r.)

Abraham Darby po raz pierwszy użył koksu w 1709 roku w Shropshire w Anglii, aby poprawić wydajność procesu wytapiania. [ potrzebne źródło ] Koks jest obecnie szeroko stosowany do produkcji ceramiki z węglików spiekanych. Potter Josiah Wedgwood otworzył pierwszą nowoczesną fabrykę ceramiki w Stoke-on-Trent w Anglii w 1759 roku. Austriacki chemik Carl Josef Bayer , pracujący dla przemysłu tekstylnego w Rosji, opracował proces oddzielania tlenku glinu od rudy boksytu w 1888 roku. Proces Bayera jest nadal używany do oczyszczania tlenku glinu dla przemysłu ceramicznego i aluminiowego. [ potrzebne źródło ] Bracia Pierre i Jacques Curie odkryli piezoelektryczność w soli Rochelle ok. 1880 . Piezoelektryczność jest jedną z kluczowych właściwości elektroceramiki .

EG Acheson podgrzał mieszaninę koksu i gliny w 1893 roku i wynalazł karborund, czyli syntetyczny węglik krzemu . Henri Moissan zsyntetyzował również SiC i węglik wolframu w swoim elektrycznym piecu łukowym w Paryżu mniej więcej w tym samym czasie co Acheson. Karl Schröter zastosował spiekanie w fazie ciekłej do związania lub „scementowania” cząstek węglika wolframu Moissana z kobaltem w 1923 roku w Niemczech. Krawędzie z węglika spiekanego (spoiwanego metalem) znacznie zwiększają trwałość narzędzi skrawających ze stali hartowanej . WH Nernst opracował sześcienny stabilizowany tlenek cyrkonu w latach dwudziestych XX wieku w Berlinie. Materiał ten jest stosowany jako czujnik tlenu w układach wydechowych. Głównym ograniczeniem stosowania ceramiki w inżynierii jest kruchość.

Wojskowy

Żołnierze na zdjęciu podczas wojny w Iraku w 2003 roku widziani przez przezroczyste gogle noktowizyjne w podczerwieni

Wymagania wojskowe II wojny światowej sprzyjały rozwojowi, który stworzył zapotrzebowanie na materiały o wysokiej wydajności i pomógł przyspieszyć rozwój nauki i inżynierii ceramicznej. W latach sześćdziesiątych i siedemdziesiątych XX wieku opracowano nowe rodzaje ceramiki w odpowiedzi na postęp w dziedzinie energii atomowej, elektroniki, komunikacji i podróży kosmicznych. Odkrycie nadprzewodników ceramicznych w 1986 roku zachęciło do intensywnych badań w celu opracowania nadprzewodzących części ceramicznych do urządzeń elektronicznych, silników elektrycznych i sprzętu transportowego. [ potrzebne źródło ]

W sektorze wojskowym rośnie zapotrzebowanie na wytrzymałe, solidne materiały, które są w stanie przepuszczać światło w widzialnym (0,4–0,7 mikrometra) i średniej podczerwieni (1–5 mikrometrów) obszarze widma. Materiały te są potrzebne do zastosowań wymagających przezroczystego pancerza . Przezroczysty pancerz to materiał lub system materiałów zaprojektowany tak, aby był optycznie przezroczysty, a jednocześnie chronił przed odłamkami lub uderzeniami balistycznymi. Podstawowym wymaganiem dla przezroczystego systemu pancerza jest nie tylko pokonanie wyznaczonego zagrożenia, ale także zapewnienie możliwości wielokrotnego trafienia przy zminimalizowanym zniekształceniu otaczających obszarów. Przezroczyste okna pancerne muszą być również kompatybilne ze sprzętem noktowizyjnym. Poszukiwane są nowe materiały, które są cieńsze, lżejsze i oferują lepsze właściwości balistyczne.

Takie komponenty półprzewodnikowe znalazły szerokie zastosowanie w różnych zastosowaniach w dziedzinie elektrooptyki, w tym: światłowody do kierowanej transmisji fal świetlnych, przełączniki optyczne , wzmacniacze laserowe i soczewki , hosty do laserów na ciele stałym i optyczne materiały okienne do laserów gazowych oraz urządzenia naprowadzające na podczerwień (IR) do systemów naprowadzania pocisków rakietowych i noktowizora na podczerwień .

Nowoczesny przemysł

Obecnie wielomiliardowy przemysł, inżynieria i badania ceramiczne stały się ważną dziedziną nauki. Zastosowania stale się rozszerzają, ponieważ naukowcy opracowują nowe rodzaje ceramiki do różnych celów.

  • Do produkcji noży stosuje się ceramikę z dwutlenku cyrkonu . Ostrze noża ceramicznego pozostanie ostre znacznie dłużej niż ostrze noża stalowego, chociaż jest bardziej kruche i można je złamać, upuszczając je na twardą powierzchnię.
  • Ceramika, taka jak tlenek glinu, węglik boru i węglik krzemu, była używana w kamizelkach kuloodpornych do odparcia ognia z broni strzeleckiej . Takie płyty są powszechnie znane jako płyty balistyczne . Podobny materiał jest używany do ochrony kokpitów niektórych samolotów wojskowych, ze względu na niską wagę materiału.
  • z azotku krzemu są stosowane w ceramicznych łożyskach kulkowych. Ich wyższa twardość oznacza, że ​​są znacznie mniej podatne na zużycie i mogą oferować ponad trzykrotny okres eksploatacji. Odkształcają się również mniej pod obciążeniem, co oznacza, że ​​mają mniejszy kontakt ze ściankami oporowymi łożyska i mogą się szybciej toczyć. W zastosowaniach z bardzo dużymi prędkościami ciepło z tarcia podczas toczenia może powodować problemy z metalowymi łożyskami; problemów, które są redukowane przez zastosowanie ceramiki. Ceramika jest również bardziej odporna chemicznie i może być stosowana w mokrych środowiskach, w których stalowe łożyska rdzewieją. Główną wadą stosowania ceramiki jest znacznie wyższy koszt. W wielu przypadkach ich właściwości elektroizolacyjne mogą być również cenne w łożyskach. [ potrzebne źródło ]
  • We wczesnych latach 80. Toyota badała produkcję adiabatycznego silnika ceramicznego, który może pracować w temperaturze ponad 6000 ° F (3300 ° C). Silniki ceramiczne nie wymagają układu chłodzenia, dzięki czemu umożliwiają znaczną redukcję masy, a tym samym większą oszczędność paliwa. Sprawność paliwowa silnika jest również wyższa w wysokiej temperaturze, jak pokazuje twierdzenie Carnota . W konwencjonalnym metalowym silniku duża część energii uwalnianej z paliwa musi zostać rozproszona jako ciepło odpadowe , aby zapobiec stopieniu się metalowych części. Pomimo tych wszystkich pożądanych właściwości, takie silniki nie są produkowane, ponieważ wytwarzanie części ceramicznych z wymaganą precyzją i trwałością jest trudne. Niedoskonałość ceramiki prowadzi do pęknięć, które mogą prowadzić do potencjalnie niebezpiecznej awarii sprzętu. Takie silniki są możliwe w warunkach laboratoryjnych, ale masowa produkcja nie jest możliwa przy obecnej technologii. [ potrzebne źródło ]
  • Trwają prace nad opracowaniem części ceramicznych do silników z turbiną gazową . Obecnie nawet łopatki wykonane z zaawansowanych stopów metali stosowane w gorącej części silników wymagają chłodzenia i starannego ograniczania temperatur pracy. Silniki turbinowe wykonane z ceramiki mogą działać wydajniej, zapewniając samolotom większy zasięg i ładowność przy określonej ilości paliwa. [ potrzebne źródło ]
Włókna kolagenowe tkanej kości
Obraz kości ze skaningowego mikroskopu elektronowego
  • Ostatnio nastąpił postęp w ceramice, która obejmuje bioceramikę, taką jak implanty dentystyczne i kości syntetyczne. Hydroksyapatyt , naturalny składnik mineralny kości, został wytworzony syntetycznie z wielu źródeł biologicznych i chemicznych i może być formowany w materiały ceramiczne. Implanty ortopedyczne wykonane z tych materiałów łatwo wiążą się z kością i innymi tkankami w organizmie bez odrzucania lub reakcji zapalnych. Z tego powodu cieszą się dużym zainteresowaniem w dostarczaniu genów i inżynierii tkankowej . Większość ceramiki hydroksyapatytowej jest bardzo porowata i nie ma wytrzymałości mechanicznej i jest używana 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. Prowadzone są prace nad stworzeniem mocnych, w pełni gęstych nanokrystalicznych materiałów ceramicznych z hydroksyapatytu do ortopedycznych urządzeń obciążających, zastępując obce metalowe i plastikowe materiały ortopedyczne syntetycznym, ale naturalnie występującym minerałem kostnym. Ostatecznie te materiały ceramiczne mogą być stosowane jako zamienniki kości lub z dodatkiem kolagenów białkowych, syntetycznych kości. [ potrzebne źródło ]
  • Trwałe materiały ceramiczne zawierające aktynowce mają wiele zastosowań, np. w paliwach jądrowych do spalania nadmiaru Pu oraz w chemicznie obojętnych źródłach promieniowania alfa do zasilania bezzałogowych pojazdów kosmicznych lub do produkcji energii elektrycznej dla urządzeń mikroelektronicznych. Zarówno użycie, jak i utylizacja radioaktywnych aktynowców wymaga ich unieruchomienia w trwałym materiale macierzystym. Długożyciowe radionuklidy z odpadów jądrowych, takie jak aktynowce, są immobilizowane przy użyciu chemicznie trwałych materiałów krystalicznych na bazie polikrystalicznej ceramiki i dużych monokryształów.

Ceramika szklana

Płyta szklano-ceramiczna o wysokiej wytrzymałości i znikomej rozszerzalności cieplnej.

Materiały szklano-ceramiczne mają wiele wspólnych właściwości ze szkłem i ceramiką. Ceramika szklana ma fazę amorficzną i jedną lub więcej faz krystalicznych i jest wytwarzana przez tak zwaną „kontrolowaną krystalizację”, której zwykle unika się w produkcji szkła. Ceramika szklana często zawiera fazę krystaliczną, która stanowi od 30% [m/m] do 90% [m/m] jej składu objętościowego, dając szereg materiałów o interesujących właściwościach termomechanicznych.

Podczas przetwarzania ceramiki szklanej stopione szkło jest stopniowo schładzane przed ponownym ogrzewaniem i wyżarzaniem. W tej obróbce cieplnej szkło częściowo krystalizuje . W wielu przypadkach dodaje się tak zwane „środki zarodkujące” w celu regulacji i kontroli procesu krystalizacji. Ponieważ zwykle nie ma prasowania i spiekania, ceramika szklana nie zawiera objętościowego ułamka porowatości typowego dla ceramiki spiekanej.

Termin ten odnosi się głównie do mieszanki litu i glinokrzemianów , która daje szereg materiałów o interesujących właściwościach termomechanicznych. Najważniejsze z handlowego punktu widzenia wyróżniają się odpornością na szok termiczny. W ten sposób ceramika szklana stała się niezwykle przydatna do gotowania na blacie. Ujemny rozszerzalności cieplnej (TEC) krystalicznej fazy ceramicznej można zrównoważyć dodatnim TEC fazy szklistej. W pewnym momencie (~70% krystaliczności) ceramika szklana ma TEC netto bliski zeru. Ten rodzaj ceramiki szklanej wykazuje doskonałe właściwości mechaniczne i wytrzymuje powtarzające się i szybkie zmiany temperatury do 1000°C.

Etapy przetwarzania

Tradycyjny proces ceramiczny zasadniczo przebiega zgodnie z następującą sekwencją: Mielenie → Dozowanie → Mieszanie → Formowanie → Suszenie → Wypalanie → Montaż.

Młyn kulowy
  • Frezowanie to proces, w którym materiały są redukowane z dużego rozmiaru do mniejszego. Mielenie może obejmować rozbijanie sklejonego materiału (wówczas poszczególne cząstki zachowują swój kształt) lub proszkowanie (co polega na rozdrabnianiu samych cząstek do mniejszych rozmiarów). Mielenie odbywa się na ogół za pomocą środków mechanicznych, w tym ścierania (czyli zderzenia cząstek z cząstkami, które powoduje rozpad aglomeratu lub ścinania cząstek), ściskania (które przykłada siły powodujące pękanie) i uderzenia (które wykorzystuje środek mielący lub same cząstki powodują pękanie). Sprzęt do mielenia ściernego obejmuje płuczkę mokrą (zwaną również młynem planetarnym lub młynem ścierającym na mokro), która ma łopatki w wodzie, tworzące wiry, w których materiał zderza się i rozpada. kruszarkę szczękową , kruszarkę walcową i kruszarkę stożkową. Młyny udarowe obejmują młyn kulowy , który ma media, które obracają i kruszą materiał. Impaktory wału powodują ścieranie i ściskanie cząstek.
  • Dozowanie to proces ważenia tlenków zgodnie z recepturami i przygotowania ich do mieszania i suszenia.
  • Mieszanie następuje po dozowaniu i jest wykonywane za pomocą różnych maszyn, takich jak mieszarki wstęgowe do mieszania na sucho (rodzaj betoniarki), mieszarki Muellera [ wymagane wyjaśnienie ] i mopsy . Mieszanie na mokro zazwyczaj obejmuje ten sam sprzęt.
  • Formowanie to nadawanie zmieszanego materiału kształtów, od muszli klozetowych po izolatory świec zapłonowych. Formowanie może obejmować: (1) Wytłaczanie, takie jak wytłaczanie „ślimaków” w celu wytworzenia cegieł, (2) Prasowanie w celu wykonania kształtek, (3) Odlewanie z gęstwy, jak w przypadku wykonywania muszli klozetowych, umywalek i elementów ozdobnych, takich jak ceramiczne posągi. Formowanie daje „zieloną” część, gotową do suszenia. Zielone części są miękkie, giętkie i z czasem tracą kształt. Obchodzenie się z zielonym produktem zmieni jego kształt. Np. zielony klocek można „ściskać”, a po ściśnięciu już tak pozostanie.
  • Suszenie to usuwanie wody lub spoiwa z uformowanego materiału. Suszenie rozpyłowe jest szeroko stosowane do przygotowania proszku do operacji prasowania. Inne suszarnie to suszarnie tunelowe i okresowe. W tym dwuetapowym procesie stosowane jest kontrolowane ciepło. Najpierw ciepło usuwa wodę. Ten krok wymaga starannej kontroli, ponieważ szybkie nagrzewanie powoduje pęknięcia i wady powierzchni. Wysuszona część jest mniejsza niż część zielona i krucha, co wymaga ostrożnego obchodzenia się, ponieważ niewielkie uderzenie spowoduje kruszenie i pękanie.
  • Spiekanie polega na tym, że wysuszone części przechodzą przez kontrolowany proces ogrzewania, a tlenki są chemicznie zmieniane, powodując wiązanie i zagęszczanie. Wypalona część będzie mniejsza niż część wysuszona.

Metody formowania

Techniki formowania ceramiki obejmują rzucanie, odlewanie z gęstwy , odlewanie taśmowe , odlewanie zamrożone , formowanie wtryskowe, prasowanie na sucho, prasowanie izostatyczne, prasowanie izostatyczne na gorąco (HIP), drukowanie 3D i inne. Sposoby formowania proszków ceramicznych w złożone kształty są pożądane w wielu dziedzinach techniki. Takie metody są wymagane do produkcji zaawansowanych, wysokotemperaturowych części konstrukcyjnych, takich jak elementy silnika cieplnego i turbiny . Materiały inne niż ceramika, które są używane w tych procesach, mogą obejmować: drewno, metal, wodę, gips i żywicę epoksydową - z których większość zostanie wyeliminowana podczas wypalania. Żywica epoksydowa z wypełniaczem ceramicznym , taka jak Martyte, jest czasami używana do ochrony stali konstrukcyjnej w warunkach uderzenia spalin rakietowych.

Te techniki formowania są dobrze znane z zapewniania narzędziom i innym komponentom stabilności wymiarowej, jakości powierzchni, wysokiej (niemal teoretycznej) gęstości i jednorodności mikrostruktury. Rosnące wykorzystanie i różnorodność specjalnych form ceramiki zwiększa różnorodność stosowanych technologii procesowych.

Zatem włókna wzmacniające i włókna ciągłe są wytwarzane głównie w procesach polimerowych, zol-żel lub CVD, ale przetwarzanie w stanie stopionym ma również zastosowanie. Najpowszechniej stosowaną formą specjalną są struktury warstwowe, przy czym dominujące jest odlewanie taśmowe do podłoży elektronicznych i opakowań. Fotolitografia cieszy się coraz większym zainteresowaniem w zakresie precyzyjnego modelowania przewodników i innych elementów takich opakowań. Procesy odlewania lub formowania taśm cieszą się również coraz większym zainteresowaniem w innych zastosowaniach, od otwartych struktur, takich jak ogniwa paliwowe, po kompozyty ceramiczne.

Inną główną strukturą warstw jest powlekanie, w przypadku którego bardzo ważne jest natryskiwanie w stanie stopionym, ale coraz częściej stosuje się chemiczne i fizyczne osadzanie z fazy gazowej oraz metody chemiczne (np. zol-żel i piroliza polimerów). Poza otwartymi strukturami z uformowanej taśmy, coraz częściej stosuje się struktury wytłaczane, takie jak nośniki katalizatorów o strukturze plastra miodu, oraz struktury wysoce porowate, w tym różne pianki, na przykład pianka siatkowa .

Zagęszczanie skonsolidowanych proszków jest nadal osiągane głównie przez (nieprzyjemne) spiekanie. Jednak zastosowanie spiekania ciśnieniowego przez prasowanie na gorąco jest coraz częstsze, zwłaszcza w przypadku nietlenków i części o prostych kształtach, gdzie wymagana jest wyższa jakość (głównie jednorodność mikrostruktury), a zaletą może być większy rozmiar lub wiele części na prasowanie.

Proces spiekania

Zobacz też: Mechanizmy spiekania

Zasady metod opartych na spiekaniu są proste („sinter” wywodzi się z angielskiego „ cinder ”). Wypalanie odbywa się w temperaturze poniżej temperatury topnienia ceramiki. Po utworzeniu z grubsza trzymanego razem obiektu zwanego „zielonym ciałem” jest on pieczony w piecu , w którym procesy dyfuzji atomowej i molekularnej powodują znaczące zmiany w podstawowych cechach mikrostrukturalnych. Obejmuje to stopniową eliminację porowatości , której zwykle towarzyszy skurcz netto i ogólne zagęszczenie elementu. W ten sposób pory w obiekcie mogą się zamknąć, w wyniku czego powstaje gęstszy produkt o znacznie większej wytrzymałości i odporności na pękanie .

Inną ważną zmianą w korpusie podczas procesu wypalania lub spiekania będzie ustalenie polikrystalicznego charakteru ciała stałego. Podczas spiekania występuje zwykle znaczny wzrost ziarna, przy czym wzrost ten zależy od temperatury i czasu trwania procesu spiekania. Wzrost ziaren spowoduje pewną formę ziaren , co będzie miało znaczący wpływ na ostateczne właściwości fizyczne materiału. W szczególności nieprawidłowy wzrost ziaren , w którym niektóre ziarna rosną bardzo duże w matrycy z drobniejszych ziaren, znacząco zmieni właściwości fizyczne i mechaniczne otrzymanej ceramiki. W spiekanej masie uziarnienie jest iloczynem parametrów obróbki termicznej oraz początkowej uziarnienia , ewentualnie wielkości agregatów lub skupisk cząstek powstających w początkowych etapach obróbki.

Ostateczna mikrostruktura (a tym samym właściwości fizyczne) końcowego produktu będzie ograniczona i uzależniona od formy szablonu strukturalnego lub prekursora, który powstaje w początkowych etapach syntezy chemicznej i formowania fizycznego. Stąd znaczenie chemicznej obróbki proszków i polimerów w syntezie ceramiki przemysłowej, szkła i ceramiki szklanej.

Istnieje wiele możliwych udoskonaleń procesu spiekania. Niektóre z najczęstszych obejmują prasowanie surowego korpusu w celu przyspieszenia zagęszczania i skrócenia potrzebnego czasu spiekania. spoiwa organiczne , takie jak alkohol poliwinylowy, aby utrzymać razem zieloną masę; te wypalają się podczas wypalania (w temperaturze 200–350 ° C). Czasami podczas prasowania dodaje się organiczne smary w celu zwiększenia zagęszczenia. Często łączy się je i dodaje spoiwa i smary do proszku, a następnie prasuje. (Sformułowanie tych organicznych dodatków chemicznych jest sztuką samą w sobie. Jest to szczególnie ważne w produkcji ceramiki o wysokiej wydajności, takiej jak ta używana przez miliardy w elektronice, kondensatorach, cewkach indukcyjnych , czujnikach itp . )

Zawiesinę można zastosować zamiast proszku, a następnie odlać w pożądany kształt, wysuszyć, a następnie spiekać. Rzeczywiście, tradycyjna ceramika jest wykonywana za pomocą tego typu metody, przy użyciu mieszanki tworzyw sztucznych obrabianej rękami. Jeśli mieszanina różnych materiałów jest używana razem w ceramice, temperatura spiekania jest czasami wyższa od temperatury topnienia jednego mniejszego składnika – w fazie ciekłej . Powoduje to krótsze czasy spiekania w porównaniu do spiekania w stanie stałym. Takie spiekanie w fazie ciekłej wiąże się z szybszymi procesami dyfuzji i może skutkować nieprawidłowym rozrostem ziarna .

Wytrzymałość ceramiki

Wytrzymałość materiału zależy od jego mikrostruktury. Procesy inżynieryjne, którym poddawany jest materiał, mogą zmienić jego mikrostrukturę. Różnorodność mechanizmów wzmacniających, które zmieniają wytrzymałość materiału, obejmuje mechanizm wzmacniania granic ziaren . Tak więc, chociaż granica plastyczności jest maksymalizowana wraz ze zmniejszaniem się wielkości ziaren, ostatecznie bardzo małe wielkości ziaren powodują, że materiał jest kruchy. Biorąc pod uwagę fakt, że granica plastyczności jest parametrem przewidującym odkształcenie plastyczne materiału, można podejmować świadome decyzje o tym, jak zwiększyć wytrzymałość materiału w zależności od jego właściwości mikrostrukturalnych i pożądanego efektu końcowego.

Zależność między granicą plastyczności a wielkością ziarna jest opisana matematycznie równaniem Halla-Petcha, którym jest

gdzie k y jest współczynnikiem wzmocnienia (stałą unikalną dla każdego materiału), σ o jest stałą materiałową dla naprężenia początkowego dla ruchu dyslokacyjnego (lub oporu sieci na ruch dyslokacyjny), d jest średnicą ziarna, a σ y jest granicą plastyczności.

Teoretycznie materiał mógłby być nieskończenie mocny, gdyby ziarna były nieskończenie małe. Jest to niestety niemożliwe, ponieważ dolną granicą wielkości ziarna jest pojedyncza komórka elementarna materiału. Nawet wtedy, jeśli ziarna materiału mają rozmiar pojedynczej komórki elementarnej, to materiał jest w rzeczywistości amorficzny, a nie krystaliczny, ponieważ nie ma uporządkowania dalekiego zasięgu, a dyslokacji nie można zdefiniować w materiale amorficznym. Zaobserwowano eksperymentalnie, że mikrostruktura o najwyższej granicy plastyczności ma wielkość ziarna około 10 nanometrów, ponieważ ziarna mniejsze niż ta ulegają innemu mechanizmowi plastyczności, przesuwaniu się granicy ziaren. Wytwarzanie materiałów inżynierskich o tak idealnej wielkości ziarna jest trudne ze względu na ograniczenia początkowej wielkości cząstek nieodłącznie związane z nanomateriałami i nanotechnologią.

Opracowano model mechaniki materiałów w celu przewidywania wzrostu odporności na pękanie w ceramice w wyniku ugięcia pęknięć wokół cząstek drugiej fazy, które są podatne na mikropęknięcia w osnowie . Model ten, opracowany przez Katherine Faber i Anthony'ego G. Evansa , oblicza średnią szybkość uwalniania energii odkształcenia na podstawie morfologii cząstek, współczynnika kształtu, odstępów i ułamka objętościowego drugiej fazy. Uwzględnia on zmniejszenie intensywności lokalnych naprężeń na wierzchołku pęknięcia, które występuje, gdy pęknięcie jest odchylane lub wygina się płaszczyzna pęknięcia. Rzeczywistą krętość pęknięć uzyskuje się za pomocą technik obrazowania, co pozwala na wprowadzenie kątów odchylenia (pochylenia) i wygięcia (skręcenia) bezpośrednio do modelu. Wynikający z tego wzrost odporności na kruche pękanie porównuje się następnie ze wzrostem płaskiego pęknięcia przez gładką osnowę. Hartowanie staje się zauważalne przy wąskim rozkładzie wielkości cząstek o odpowiedniej wielkości. Wielkość hartowania jest określona przez odkształcenie niedopasowania spowodowane niezgodnością skurczu termicznego i odpornością na mikropęknięcia interfejsu cząstka/matryca.

Teoria obróbki chemicznej

Jednorodność mikrostrukturalna

W przetwarzaniu drobnoziarnistej ceramiki nieregularne rozmiary i kształty cząstek w typowym proszku często prowadzą do niejednorodnej morfologii upakowania, co skutkuje zmianami gęstości upakowania w wyprasce proszkowej. Niekontrolowana aglomeracja proszków pod wpływem przyciągających sił van der Waalsa może również powodować niejednorodności mikrostrukturalne.

Naprężenia różnicowe, które powstają w wyniku nierównomiernego skurczu podczas suszenia, są bezpośrednio związane z szybkością, z jaką można usunąć rozpuszczalnik , a zatem w dużym stopniu zależą od rozkładu porowatości. Takie naprężenia są związane z przejściem od plastycznego do kruchego w skonsolidowanych bryłach i mogą powodować propagację pęknięć w niewypalonej bryle, jeśli nie zostaną odciążone.

Ponadto wszelkie wahania gęstości upakowania w wyprasie przygotowywanej do wypalania są często wzmacniane podczas procesu spiekania, co prowadzi do niejednorodnego zagęszczenia. Wykazano, że niektóre pory i inne defekty strukturalne związane ze zmianami gęstości odgrywają szkodliwą rolę w procesie spiekania, zwiększając, a tym samym ograniczając gęstość końcową. Wykazano również, że naprężenia różnicowe wynikające z niejednorodnego zagęszczenia powodują propagację pęknięć wewnętrznych, stając się w ten sposób wadami kontrolującymi wytrzymałość.

Wydaje się zatem pożądane przetwarzanie materiału w taki sposób, aby był on fizycznie jednorodny pod względem rozkładu składników i porowatości, zamiast stosowania rozkładu wielkości cząstek, który maksymalizuje gęstość w stanie surowym. Utrzymanie jednorodnie rozproszonego zestawu silnie oddziałujących cząstek w zawiesinie wymaga całkowitej kontroli nad interakcjami cząstka-cząstka. Ten potencjał zapewniają koloidy monodyspersyjne .

krzemionki koloidalnej można więc stabilizować w stopniu wystarczającym, aby zapewnić wysoki stopień uporządkowania w krysztale koloidalnym lub polikrystalicznym koloidalnym ciele stałym, które wynika z agregacji. Wydaje się, że stopień uporządkowania jest ograniczony czasem i przestrzenią pozwalającą na ustalenie korelacji o większym zasięgu.

nauki o materiałach koloidalnych o rozmiarach submikrometrowych , a zatem stanowią pierwszy krok do opracowania bardziej rygorystycznego zrozumienia mechanizmów zaangażowanych w ewolucję mikrostruktur w układach nieorganicznych, takich jak ceramika polikrystaliczna.

Samodzielny montaż

Przykład złożenia supramolekularnego.

Samoorganizacja jest najczęściej używanym terminem we współczesnej społeczności naukowej do opisania spontanicznej agregacji cząstek (atomów, cząsteczek, koloidów, miceli itp.) bez wpływu jakichkolwiek sił zewnętrznych. Wiadomo , że duże grupy takich cząstek łączą się w stabilne termodynamicznie , dobrze zdefiniowane strukturalnie układy, dość przypominające jeden z 7 układów krystalicznych występujących w metalurgii i mineralogii ( np. [ Potrzebne źródło ] Podstawowa różnica w strukturze równowagi dotyczy skali przestrzennej komórki elementarnej (lub parametru sieci krystalicznej ) w każdym konkretnym przypadku.

W ten sposób samoorganizacja wyłania się jako nowa strategia w syntezie chemicznej i nanotechnologii . Samoorganizacja molekularna została zaobserwowana w różnych systemach biologicznych i leży u podstaw tworzenia szerokiej gamy złożonych struktur biologicznych. Kryształy molekularne, ciekłe kryształy, koloidy, micele, emulsje , polimery z rozdzielonymi fazami, cienkie warstwy i samoorganizujące się monowarstwy reprezentują przykłady typów wysoce uporządkowanych struktur, które uzyskuje się za pomocą tych technik. Cechą wyróżniającą te metody jest samoorganizacja przy braku jakichkolwiek sił zewnętrznych. [ potrzebne źródło ]

Ponadto dokonuje się ponownej oceny głównych właściwości mechanicznych i struktur ceramiki biologicznej, kompozytów polimerowych , elastomerów i materiałów komórkowych , z naciskiem na materiały i struktury inspirowane biologicznie. Tradycyjne podejścia koncentrują się na metodach projektowania materiałów biologicznych przy użyciu konwencjonalnych materiałów syntetycznych. Obejmuje to wyłaniającą się klasę biomateriałów o lepszych właściwościach mechanicznych , opartych na cechach mikrostrukturalnych i projektach występujących w przyrodzie. Nowe horyzonty zostały zidentyfikowane w syntezie materiałów inspirowanych biologią poprzez procesy charakterystyczne dla systemów biologicznych w przyrodzie. Obejmuje to samoorganizację komponentów w nanoskali i rozwój hierarchicznych .

Kompozyty ceramiczne

Hamulec tarczowy z kompozytu węglowo-ceramicznego (węglika krzemu) Porsche Carrera GT

W ostatnich latach wzrosło duże zainteresowanie wytwarzaniem kompozytów ceramicznych. Chociaż istnieje znaczne zainteresowanie kompozytami z jednym lub kilkoma składnikami nieceramicznymi, największą uwagę zwraca się na kompozyty, w których wszystkie składniki są ceramiczne. Zwykle składają się one z dwóch składników ceramicznych: ciągłej matrycy i rozproszonej fazy cząstek ceramicznych, wiskerów lub krótkich (posiekanych) lub ciągłych włókien ceramicznych . Wyzwaniem, podobnie jak w mokrym przetwarzaniu chemicznym, jest uzyskanie jednolitego lub jednorodnego rozkładu zdyspergowanej fazy cząstek lub włókien.

Rozważ najpierw przetwarzanie kompozytów cząstek stałych. Najbardziej interesującą fazą cząstek jest tetragonalny tlenek cyrkonu ze względu na hartowanie, które można uzyskać w wyniku przemiany fazowej z metastabilnej tetragonalnej do jednoskośnej fazy krystalicznej, czyli hartowania transformacyjnego. Istnieje również znaczne zainteresowanie dyspersją twardych, nietlenkowych faz, takich jak SiC, TiB, TiC, bor , węgiel , a zwłaszcza matryce tlenkowe, takie jak tlenek glinu i mulit . Istnieje również zainteresowanie wprowadzeniem innych cząstek ceramicznych, zwłaszcza tych o wysoce anizotropowej rozszerzalności cieplnej. Przykłady obejmują Al2O3 , TiO2 , grafit i azotek boru.

Monokryształ węglika krzemu

W przetwórstwie kompozytów cząsteczkowych problemem jest nie tylko jednorodność wielkości i rozkładu przestrzennego fazy rozproszonej i matrycowej, ale także kontrola wielkości ziaren matrycy. Istnieje jednak pewna wbudowana samokontrola wynikająca z hamowania wzrostu ziaren matrycy przez fazę rozproszoną. Kompozyty cząsteczkowe, chociaż generalnie oferują zwiększoną odporność na uszkodzenia, awarie lub jedno i drugie, są nadal dość wrażliwe na niejednorodności składu, jak również inne wady przetwarzania, takie jak pory. Dlatego potrzebują dobrego przetwarzania, aby były skuteczne.

Kompozyty cząstek zostały wykonane na zasadach komercyjnych przez zwykłe zmieszanie proszków dwóch składników. Chociaż podejście to jest z natury ograniczone pod względem możliwej do uzyskania jednorodności, jest ono najłatwiejsze do dostosowania do istniejącej technologii produkcji ceramiki. Interesujące są jednak inne podejścia.

Frezy z węglika wolframu

Z technologicznego punktu widzenia szczególnie pożądanym podejściem do wytwarzania kompozytów cząsteczkowych jest powlekanie matrycą lub jej prekursorem drobnych cząstek fazy rozproszonej z dobrą kontrolą wyjściowej wielkości cząstek zdyspergowanych i otrzymanej grubości powłoki matrycy. Zasadniczo powinno się być w stanie osiągnąć najwyższą jednorodność dystrybucji, a tym samym zoptymalizować wydajność kompozytu. Może to mieć również inne konsekwencje, takie jak umożliwienie uzyskania bardziej użytecznych właściwości kompozytu w bryle mającej porowatość, co może być pożądane ze względu na inne czynniki, takie jak ograniczenie przewodności cieplnej.

Istnieją również możliwości wykorzystania przetwarzania w stanie stopionym do wytwarzania kompozytów ceramicznych, cząstek stałych, wąsów i włókien krótkich oraz włókien ciągłych. Oczywiście można sobie wyobrazić zarówno kompozyty w postaci cząstek, jak i wiskery przez wytrącanie w stanie stałym po zestaleniu stopu. W niektórych przypadkach można to również uzyskać przez spiekanie, jak w przypadku utwardzanego wydzieleniowo, częściowo stabilizowanego tlenku cyrkonu. Podobnie wiadomo, że można kierunkowo zestalać ceramiczne mieszaniny eutektyczne, a tym samym otrzymać kompozyty włókniste ułożone jednoosiowo. Taka obróbka kompozytów była zwykle ograniczona do bardzo prostych kształtów, a zatem napotyka na poważne problemy ekonomiczne z powodu wysokich kosztów obróbki.

Oczywiście istnieją możliwości zastosowania odlewania ze stopu dla wielu z tych podejść. Potencjalnie jeszcze bardziej pożądane jest stosowanie cząstek pochodzących ze stopu. W tej metodzie hartowanie odbywa się w roztworze stałym lub w drobnej strukturze eutektycznej, w której cząstki są następnie przetwarzane bardziej typowymi metodami przetwarzania proszku ceramicznego w użyteczne ciało. Podejmowano również wstępne próby zastosowania natryskiwania w stanie stopionym jako środka do wytwarzania kompozytów przez wprowadzanie fazy rozproszonych cząstek stałych, wiskerów lub włókien w połączeniu z procesem natryskiwania w stanie stopionym.

Innymi metodami, poza infiltracją stopu, służącymi do wytwarzania kompozytów ceramicznych ze zbrojeniem długimi włóknami, są infiltracja chemiczna z fazy gazowej oraz infiltracja preform włóknistych prekursorem organicznym , który po pirolizie daje amorficzną osnowę ceramiczną, początkowo o małej gęstości. W wyniku powtarzających się cykli infiltracji i pirolizy powstaje jeden z tych rodzajów kompozytów z osnową ceramiczną . Chemiczna infiltracja parowa służy do produkcji węglika/węglika i węglika krzemu zbrojonego włóknami węglowymi lub węglikiem krzemu.

Oprócz wielu ulepszeń procesów, pierwszą z dwóch głównych potrzeb kompozytów włóknistych jest niższy koszt włókien. Drugą ważną potrzebą są kompozycje lub powłoki włókien lub obróbka kompozytów, aby zmniejszyć degradację wynikającą z wystawienia kompozytu na działanie wysokiej temperatury w warunkach utleniających.

Aplikacje

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

Produkty ceramiki technicznej obejmują płytki używane w programie promów kosmicznych , dysze palników gazowych , ochronę balistyczną , granulki tlenku uranu do paliwa jądrowego, implanty biomedyczne , łopatki turbin silników odrzutowych i stożki nosowe pocisków.

Jej produkty są często wykonane z materiałów innych niż glina, wybranych ze względu na ich szczególne właściwości fizyczne. Można je sklasyfikować w następujący sposób:

Ceramika może znaleźć zastosowanie w wielu branżach technologicznych. Jednym z zastosowań są płytki ceramiczne na promie kosmicznym NASA, używane do ochrony go i przyszłych naddźwiękowych samolotów kosmicznych przed palącym żarem ponownego wejścia w ziemską atmosferę . Są również szeroko stosowane w elektronice i optyce. Oprócz wymienionych tutaj zastosowań ceramika jest również stosowana jako powłoka w różnych przypadkach technicznych. Przykładem może być ceramiczna powłoka łożyska na tytanowej ramie używanej w samolocie. Ostatnio dziedzina ta zaczęła obejmować badania monokryształów lub włókien szklanych, oprócz tradycyjnych materiałów polikrystalicznych, a ich zastosowania nakładają się i szybko się zmieniają.

Lotnictwo

  • Silniki : osłanianie gorącego silnika samolotu przed uszkodzeniem innych elementów.
  • Płatowce : stosowane jako elementy łożyskowe i konstrukcyjne o wysokim obciążeniu, wysokiej temperaturze i lekkiej konstrukcji.
  • Stożki dziobowe pocisków: osłaniające elementy wewnętrzne pocisku przed ciepłem.
  • Płytki promu kosmicznego
  • kosmicznego gruzu : tarcze tkane z włókien ceramicznych zapewniają lepszą ochronę przed cząstkami poruszającymi się z nadmierną prędkością (~7 km/s) niż osłony aluminiowe o tej samej wadze.
  • Dysze rakietowe: skupiające gazy spalinowe o wysokiej temperaturze z dopalacza rakiety.
  • Bezzałogowe statki powietrzne : wykorzystanie silnika ceramicznego w zastosowaniach lotniczych (takich jak bezzałogowe statki powietrzne) może skutkować lepszą charakterystyką działania i niższymi kosztami operacyjnymi.

Biomedyczne

Tytanowa proteza stawu biodrowego z ceramiczną głową i polietylenową panewką .

Elektronika

Optyczny

Główny artykuł: Ceramika przezroczysta

Automobilowy

Biomateriały

Główny artykuł: Biomateriały
Struktura DNA po lewej stronie (pokazany schemat) sama się złoży w strukturę zwizualizowaną przez mikroskopię sił atomowych po prawej stronie.

Silifikacja jest dość powszechna w świecie biologicznym i występuje u bakterii, organizmów jednokomórkowych, roślin i zwierząt (bezkręgowców i kręgowców). Krystaliczne minerały powstające w takim środowisku często wykazują wyjątkowe właściwości fizyczne (np. wytrzymałość, twardość, odporność na pękanie) i mają tendencję do tworzenia struktur hierarchicznych, które wykazują uporządkowanie mikrostrukturalne w zakresie długości lub skali przestrzennej. Minerały krystalizują w środowisku niedosyconym krzemem, w warunkach obojętnego pH i niskiej temperatury (0–40°C). Powstawanie minerału może zachodzić wewnątrz lub na zewnątrz ściany komórkowej organizmu i istnieją specyficzne reakcje biochemiczne odkładania się minerałów, które obejmują lipidy, białka i węglowodany.

Większość materiałów naturalnych (lub biologicznych) to złożone kompozyty, których właściwości mechaniczne są często znakomite, biorąc pod uwagę słabe składniki, z których są składane. Te złożone struktury, które powstały w wyniku setek milionów lat ewolucji, inspirują do projektowania nowych materiałów o wyjątkowych właściwościach fizycznych zapewniających wysoką wydajność w niesprzyjających warunkach. Obecnie badane są ich definiujące cechy, takie jak hierarchia, wielofunkcyjność i zdolność do samoleczenia.

Podstawowe elementy budulcowe zaczynają się od 20 aminokwasów i przechodzą do polipeptydów, polisacharydów i polipeptydów-sacharydów. Te z kolei składają się na podstawowe białka, które są głównymi składnikami „tkanek miękkich” wspólnych dla większości biominerałów. Z ponad 1000 możliwych białek, obecne badania kładą nacisk na użycie kolagenu, chityny, keratyny i elastyny. Fazy ​​„twarde” są często wzmacniane przez minerały krystaliczne, które zarodkują i rosną w biomedialnym środowisku, które określa rozmiar, kształt i rozmieszczenie poszczególnych kryształów. Najważniejsze fazy mineralne zostały zidentyfikowane jako hydroksyapatyt, krzemionka i aragonit . Wykorzystując klasyfikację Wegsta i Ashby'ego przedstawiono podstawowe właściwości mechaniczne i struktury ceramiki biologicznej, kompozytów polimerowych, elastomerów i materiałów komórkowych. Wybrane systemy w każdej klasie są badane z naciskiem na związek między ich mikrostrukturą w różnych skalach długości a ich reakcją mechaniczną.

Tak więc krystalizacja materiałów nieorganicznych w naturze zwykle zachodzi w temperaturze i ciśnieniu otoczenia. Jednak żywe organizmy, dzięki którym tworzą się te minerały, są w stanie konsekwentnie wytwarzać niezwykle precyzyjne i złożone struktury. Zrozumienie procesów, w których organizmy żywe kontrolują wzrost minerałów krystalicznych, takich jak krzemionka, może doprowadzić do znacznych postępów w dziedzinie materiałoznawstwa i otworzyć drzwi do nowych technik syntezy materiałów kompozytowych w skali nano lub nanokompozytów.

Opalizująca masa perłowa wewnątrz muszli Nautilusa .

Za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) przeprowadzono obserwacje mikrostruktury masy perłowej (lub masy perłowej ) muszli uchowca . Te skorupy wykazują najwyższą wytrzymałość mechaniczną i odporność na pękanie ze wszystkich znanych substancji niemetalicznych. Masa perłowa z muszli uchowca stała się jedną z intensywniej badanych struktur biologicznych w materiałoznawstwie. Wyraźnie widoczne na tych zdjęciach są starannie ułożone (lub uporządkowane) płytki mineralne oddzielone cienkimi warstwami organicznymi wraz z makrostrukturą większych okresowych pasm wzrostu, które wspólnie tworzą to, co naukowcy obecnie nazywają hierarchiczną strukturą kompozytową. (Termin hierarchia oznacza po prostu, że istnieje szereg cech strukturalnych, które istnieją w szerokim zakresie skal długości).

Przyszły rozwój polega na syntezie materiałów inspirowanych biologią za pomocą metod i strategii przetwarzania charakterystycznych dla systemów biologicznych. Obejmują one samoorganizację komponentów w nanoskali i rozwój struktur hierarchicznych.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ceramic_engineering&oldid=1139568832 ”