Keramika - taip vadinamos kai kurios medžiagos, kurios susidaro naudojant šilumą. Žodis keramika kilęs iš graikų kalbos žodžio κεραμικός (keramikos). Cheminiu požiūriu tai neorganinis junginys, sudarytas iš cheminėmis jungtimis sujungtų metalo, nemetalo ar metaloidų atomų. Keramikos struktūra gali būti kristalinė, amorfinė (pvz., stiklas) arba mišri, o medžiagų pavyzdžiai apima oksidus (pvz., aliuminio oksidą), karbidus, nitridus ir kitas sudėtines formas. Keramika dažnai pasižymi dideliu kietumu, aukštu lydimosi tašku ir atsparumu cheminiam poveikiui.

Maždaug iki XX a. šeštojo dešimtmečio svarbiausi buvo tradiciniai moliai, iš kurių gaminama keramika, plytos, plytelės ir panašiai, taip pat cementas ir stiklas. Molio keramikos gaminiai aprašyti straipsnyje apie keramiką. Sudėtinė keramikos ir metalo medžiaga vadinama kermetu. Nuo XX a. vidurio vystėsi techninės (arba pažangiosios) keramikos sritis, kurioje kuriamos aukštos temperatūros, elektrinės ar mechaninės charakteristikos reikalaujančios medžiagos.

Žodis keramika gali būti būdvardis, taip pat gali būti vartojamas kaip daiktavardis, reiškiantis keraminę medžiagą arba keramikos gamybos produktą. Keramika taip pat gali būti vartojamas kaip daiktavardis vienaskaitoje, reiškiantis daiktų gamybos iš keraminių medžiagų meną. Keraminių medžiagų gamybos ir naudojimo technologija yra keramikos inžinerijos srities dalis.

Tipai

  • Tradicinė keramika – pagaminta iš molio ir kitų natūralių žaliavų: moliniai indai, plytos, plytelės, porcelianas.
  • Stiklas ir stiklokeramikos – amorfinės arba dalinai kristalizuotos medžiagos, plačiai naudojamos langams, indams ir specialioms stiklokeramikos plokštėms.
  • Techninė (pažangioji) keramika – oksidai (pvz., Al2O3), nitridai (pvz., Si3N4), karbidai (pvz., SiC) ir kitos aukštųjų technologijų medžiagos, naudojamos pramonėje ir elektronikoje.
  • Biokeramika – biologiškai suderinamos medžiagos, pvz., hidroksiapatitas, naudojamos implantams ir dantų protezams.
  • Keraminiai kompozitai – kombinacijos su metalais ar pluoštais (pavyzdžiui, kermetas), skirtos pagerinti atsparumą smūgiams ir tirpumą.

Savybės

  • Mechaninės: dažnai labai kietos ir atsparios spaudimui, tačiau trapios — turi mažą tempimo ir lenkimo atsparumą. Dėl to keramika linkusi skilti be didelės deformacijos.
  • Šiluminės: aukštas lydimosi taškas, geras šiluminis stabilumas; kai kurios keramikos rūšys yra jautrios šiluminiams smūgiams (thermal shock).
  • Elektrinės: dauguma keramikų yra izoliatoriai, tačiau yra ir laidžių ar puslaidininkių keramikų (pvz., varžinė keramika, piezoelektrinės medžiagos).
  • Cheminės: atsparios korozijai, cheminiam poveikiui ir aukštoms temperatūroms; todėl tinka agresyvioms aplinkoms.
  • Porotumas: keramikos porėtumas lemia tankį, mechanines savybes ir šilumos/garso izoliaciją — intensyvus sintravimas mažina porėtumą ir didina stiprį.
  • Biologinis suderinamumas: tam tikros biokeramikos rūšys gerai suderinamos su žmogaus audiniais ir kaulu.

Gamybos procesai

Keramikos gamyba apima kelis pagrindinius etapus:

  • Žaliavų paruošimas: mineralų smulkinimas, maišymas su vandeniu ar rišikliais.
  • Formavimas: presavimas, šlifavimas, slip casting (liūrinis liejimas), ekstrudavimas, liejimas arba modernūs 3D spausdinimo metodai.
  • Džiovinimas: lėtas drėgmės pašalinimas, kad nebūtų defektų degimo metu.
  • Sinteringas (degimas): aukštos temperatūros apdorojimas, kurio metu dalelės susijungia ir medžiaga sukietėja.
  • Apdaila: glazūravimas, poliravimas, mechaninis apdirbimas (tinkuota, pjovimas deimantinėmis priemonėmis) ar paviršiaus padengimas specialiomis dangomis.

Pritaikymai

Keramika turi itin platų panaudojimo spektrą:

  • Statyboje: plytos, plytelės, atitvaros, keraminiai fasadai.
  • Namų reikmenys ir menas: indai, dekoratyviniai dirbiniai, skulptūros.
  • Pramonė ir įrankiai: atsparūs dilimui pjovimo ir šlifavimo įrankiai, purkštukai, filtrai.
  • Elektronika: izoliatoriai, substratai ir kondensatorių dielektrikai, piezoelektrinės dalys, laidai aukštai temperatūrai.
  • Automobilių ir aviacijos pramonė: šiluminės apsaugos elementai, stabdžių komponentai, variklių dalys aukštoms temperatūroms.
  • Medicina: dantų keramika, ortopediniai implantai, biomedicininiai indai ir bioaktyvios dangos.
  • Aplinka ir energetika: katalizatorių nešikliai, dujų filtrai, kuro elementų komponentai.

Iššūkiai ir tyrimai

Pagrindiniai keramikos trūkumai — trapumas ir sunkumas sujungti keraminius elementus su kitomis medžiagomis — skatina intensyvų mokslinių tyrimų lauką. Tyrėjai dirba su šiais sprendimais:

  • keramikos su sustiprinimais kūrimas (pluoštai, whiskeriai, nanodalelės) siekiant pagerinti atsparumą smūgiams ir tankumą;
  • fazinis sukietinimas (pvz., transformacinis tvirtinimas zirconijos pagrindu) mažinti trapumą;
  • tobulinti keramikos ir metalo jungimo technologijas (šiluminės tarpinės, kokybiškos klijavimo sistemos);
  • naudoti pažangias gamybos technologijas, pvz., 3D spausdinimą ir sintravimą kontroliuojamoje aplinkoje;
  • tvarumo iniciatyvos – žaliavų pasikeitimas, energijos vartojimo mažinimas degimo procesuose ir keramikos perdirbimas.

Daugelis molio keramikos medžiagų yra kietos, akytos ir trapios. Keramikos tyrimai ir kūrimas apima metodus, kaip kovoti su šiomis savybėmis, pabrėžti medžiagų stipriąsias savybes ir ištirti naujas taikymo sritis. Keramika lieka viena iš kertinių medžiagų inžinerijoje, statyboje, medicinoje ir pramonės technologijose dėl savo unikalių savybių ir nuolatinių inovacijų.