Keramika

Keraminių medžiagų tipai

Patogumo dėlei keramikos gaminiai paprastai skirstomi į keturis sektorius, kurie toliau pateikiami su keliais pavyzdžiais:

• Statybinės, įskaitant plytas, vamzdžius, grindų ir stogo plyteles
• Ugniai atsparios medžiagos, pavyzdžiui, krosnių įdėklai, dujinės ugnies radiatoriai, plieno ir stiklo gamybos tigliai
• Baltos spalvos gaminiai, įskaitant stalo indus, sienų plyteles, dekoratyvinius meno dirbinius ir santechnikos gaminius
• Techninė keramika taip pat vadinama inžinerine, pažangia, specialia, o Japonijoje - dailiąja keramika. Tokia keramika naudojama "Space Shuttle" programoje, dujų degiklių antgalių, neperšaunamų liemenių, branduolinio kuro granulių, urano oksido granulių, biomedicininių implantų, reaktyvinių variklių turbinų menčių ir raketų priekio kūgių gamyboje. Dažnai žaliavų sudėtyje nėra molio.

Keramikos pavyzdžiai

• Porcelianas
• Kietasis porcelianas, išdegtas aukštesnėje temperatūroje.
• "Minkštasis" porcelianas, išdegtas žemesnėje temperatūroje: Kaulinis porcelianas
• Keraminiai dirbiniai, dažnai gaminami iš molio, kvarco ir feldšpatų.
• Akmens masės indai

Techninės keramikos klasifikavimas

Techninę keramiką taip pat galima suskirstyti į tris skirtingas medžiagų kategorijas:

• Oksidai: aliuminio oksidas, cirkonis
• Neoksidai: karbidai, boridai, nitridai, silicidai
• Kompozitai: sustiprinti kietosiomis dalelėmis, oksidų ir neoksidų deriniai

Kiekviena iš šių klasių gali pasižymėti unikaliomis medžiagų savybėmis.

erdvėlaivio "Space Shuttle" išorės įkaitimo iki daugiau nei 1500 °C įeinant į Žemės atmosferą modeliavimas

Keramikos savybės

Mechaninės savybės

Keraminės medžiagos paprastai yra joniniais arba kovalentiniais ryšiais susietos medžiagos, jos gali būti kristalinės arba amorfinės. Abiejų tipų jungtimis sujungta medžiaga linkusi lūžti (nutrūkti) prieš įvykstant bet kokiai plastinei deformacijai, todėl šių medžiagų tvirtumas yra menkas. Be to, kadangi šiose medžiagose paprastai būna daug porų, poros ir kiti mikroskopiniai netobulumai veikia kaip įtempių koncentratoriai, todėl dar labiau sumažėja atsparumas ir tempiamasisstipris. Dėl šių priežasčių atsiranda katastrofiški gedimai, o ne paprastai daug švelnesni metalų gedimo būdai.

Šioms medžiagoms būdingos plastinės deformacijos. Tačiau dėl standžios kristalinių medžiagų struktūros dislokacijoms judėti yra labai mažai slydimo sistemų, todėl jos deformuojasi labai lėtai. Nekristalinių (stiklinių) medžiagų pagrindinis plastinės deformacijos šaltinis yra klampus tekėjimas, kuris taip pat vyksta labai lėtai. Dėl šios priežasties į jį neatsižvelgiama daugelyje keraminių medžiagų taikymo sričių.

Elektrinės savybės

Puslaidininkiai

Yra nemažai keramikos rūšių, kurios yra puslaidininkiai. Dauguma jų yra pereinamųjų metalų oksidai, kurie yra II-VI puslaidininkiai, pavyzdžiui, cinko oksidas.

Nors kalbama apie mėlynų šviesos diodų gamybą iš cinko oksido, keramikai labiausiai domisi elektrinėmis savybėmis, kurios rodo grūdelių ribų efektą. Viena iš plačiausiai naudojamų iš jų yra varistorius.

Puslaidininkinė keramika taip pat naudojama kaip dujų jutiklis. Per polikristalinę keramiką praleidžiant įvairias dujas, keičiasi jos elektrinė varža. Derinant prie galimų dujų mišinių, galima pagaminti labai pigius prietaisus.

Superlaidumas

Tam tikromis sąlygomis, pavyzdžiui, esant itin žemai temperatūrai, kai kurios keramikos medžiagos pasižymi superlaidumu. Tiksli to priežastis nėra žinoma, tačiau yra dvi pagrindinės superlaidžios keramikos šeimos.

Feroelektriškumas ir jo giminaičiai

Pjezoelektrinės savybės - elektrinio ir mechaninio atsako ryšys - būdingos daugeliui keraminių medžiagų, įskaitant kvarcą, naudojamą laikrodžiuose ir kitoje elektronikoje laikui matuoti. Tokie prietaisai elektrą paverčia mechaniniais judesiais ir atgal, sudarydami stabilų osciliatorių.

Pjezoelektrinis efektas paprastai yra stipresnis tose medžiagose, kurios taip pat pasižymi piroelektriniu poveikiu, o visos piroelektrinės medžiagos yra ir pjezoelektrinės. Šios medžiagos gali būti naudojamos šiluminei, mechaninei ir (arba) elektrinei energijai keisti; pavyzdžiui, po sintezės krosnyje piroelektrinis kristalas, kuriam leidžiama atvėsti be jokio įtempimo, paprastai įgyja tūkstančių voltų statinį krūvį. Tokios medžiagos naudojamos judesio jutikliuose, kur pakanka nedidelio temperatūros pakilimo į patalpą įėjus šiltam kūnui, kad kristale susidarytų išmatuojama įtampa.

Savo ruožtu piroelektriškumas labiausiai pasireiškia medžiagose, kurioms taip pat būdingas feroelektrinis efektas, kai stabilų elektrinį dipolį galima orientuoti arba pakeisti jo kryptį taikant elektrostatinį lauką. Piroelektriškumas taip pat yra būtina feroelektriškumo pasekmė. Jį galima panaudoti informacijai saugoti feroelektriniuose kondensatoriuose, feroelektrinės operatyviosios atminties elementuose.

Labiausiai paplitusios tokios medžiagos yra švino cirkonato titanatas ir bario titanatas. Be pirmiau minėtų panaudojimo būdų, jų stipri pjezoelektrinė reakcija naudojama kuriant aukšto dažnio garsiakalbius, sonarų keitiklius ir atominės jėgos bei skenuojančių tunelinių mikroskopų pavaras.

Teigiamas šiluminis koeficientas

Padidėjus temperatūrai, kai kuriose puslaidininkinėse keraminėse medžiagose, dažniausiai sunkiųjų metalų titanatų mišiniuose, grūdelių ribos gali staiga tapti izoliacinėmis. Kritinė perėjimo temperatūra gali būti reguliuojama plačiame diapazone, keičiant cheminę sudėtį. Tokiomis medžiagomis srovė tekės tol, kol kaitinant Džaulio šiluma pasieks perėjimo temperatūrą, tada grandinė nutrūks ir srovės tekėjimas nutrūks. Tokia keramika naudojama kaip savaime valdomi kaitinimo elementai, pavyzdžiui, automobilių galinių langų atitirpinimo grandinėse.

Esant pereinamajai temperatūrai, medžiagos dielektrinė charakteristika teoriškai tampa begalinė. Nors dėl temperatūros kontrolės trūkumo medžiaga negali būti praktiškai naudojama arti kritinės temperatūros, dielektrinis efektas išlieka itin stiprus net ir esant daug aukštesnei temperatūrai. Būtent dėl šios priežasties titanatai, kurių kritinė temperatūra yra gerokai žemesnė už kambario temperatūrą, keraminių kondensatorių kontekste tapo "keramikos" sinonimu.

Keramikos klasifikacija

Nekristalinė keramika: Nekristalinė keramika, kaip stiklas, dažniausiai susidaro iš lydalo. Stiklas formuojamas visiškai išlydytas liejimo būdu arba irisą primenančio klampumo būdu, pavyzdžiui, pučiant į formą. Jei vėliau dėl terminio apdorojimo ši klasė tampa iš dalies kristalinė, gauta medžiaga vadinama stiklo keramika.

Kristalinė keramika: Kristalinės keramikos medžiagos negali būti įvairiai apdorojamos. Jų apdorojimo būdai paprastai skirstomi į vieną iš dviejų kategorijų - arba pagaminti norimos formos keramiką, reaguojant vietoje, arba "formuojant" miltelius į norimą formą, o tada sukepinant, kad susidarytų kietas kūnas. Keramikos formavimo būdai apima formavimą rankomis (kartais įskaitant sukimo procesą, vadinamą "metimu"), slydimo liejimą, juostinį liejimą (naudojamas labai ploniems keraminiams kondensatoriams gaminti ir t. t.), įpurškimą, sausą presavimą ir kitus variantus. (Taip pat žr. Keramikos formavimo būdai. Šių procesų detalės aprašytos dviejose toliau išvardytose knygose.) Keletas metodų naudoja šių dviejų metodų hibridą.

Gamyba vietoje

Šis metodas dažniausiai naudojamas cemento ir betono gamyboje. Čia dehidratuoti milteliai sumaišomi su vandeniu. Taip prasideda hidratacijos reakcijos, dėl kurių aplink užpildus susiformuoja ilgi, tarpusavyje susiję kristalai. Laikui bėgant iš jų susidaro kieta keramika.

Didžiausia šio metodo problema yra ta, kad dauguma reakcijų yra tokios greitos, kad neįmanoma gerai išmaišyti, o tai trukdo statyti didelio masto konstrukcijas. Tačiau nedidelės apimties sistemas galima pagaminti taikant nusodinimo metodus, kai įvairios medžiagos įvedamos virš pagrindo, reaguoja ir suformuoja keramiką ant pagrindo. Šis metodas pasiskolintas iš puslaidininkių pramonės, pavyzdžiui, cheminis nusodinimas iš garų, ir yra labai naudingas dangoms.

Jie paprastai gamina labai tankią keramiką, tačiau tai vyksta lėtai.

Sukepinimo metodais pagrįsti metodai

Sukepinimo metodų principai yra paprasti. Pagaminus grubiai sulipdytą objektą (vadinamą "žaliuoju kūnu"), jis kepamas krosnyje, kur dėl difuzijos procesų žaliasis kūnas susitraukia. Objekto poros užsidaro, todėl gaminys tampa tankesnis ir tvirtesnis. Degimas vyksta žemesnėje nei keramikos lydymosi temperatūra. Beveik visada lieka šiek tiek porėtumo, tačiau tikrasis šio metodo privalumas yra tas, kad žaliąjį kūną galima gaminti bet kokiu įsivaizduojamu būdu ir vis tiek sukepinti. Todėl šis būdas yra labai universalus.

Yra tūkstančiai galimų šio proceso patobulinimų. Kai kurie iš labiausiai paplitusių yra susiję su žalios masės presavimu, kad būtų galima pradėti tankinimą ir sutrumpinti sukepinimo laiką. Kartais, kad žalias kūnas laikytųsi kartu, dedama organinių rišiklių, pavyzdžiui, polivinilo alkoholio; jie sudega degimo metu (200-350 °C temperatūroje). Kartais presavimo metu dedama organinių tepalų, kad padidėtų tankėjimas. Neretai jie derinami ir į miltelius dedama rišiklių ir tepalų, tada presuojama. (Šių organinių cheminių priedų sudėtis yra menas. Tai ypač svarbu gaminant didelio našumo keramiką, pavyzdžiui, tokią, kuri naudojama elektronikoje, kondensatoriuose, induktoriuose, jutikliuose ir pan. Specializuoti preparatai, dažniausiai naudojami elektronikoje, išsamiai aprašyti R. E. Mistlerio ir kt. knygoje "Tape Casting", Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000 m.). Išsami knyga šia tema, skirta tiek mechaniniams, tiek elektronikos taikymams, yra D. J. Shanefield "Organic Additives and Ceramic Processing", Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Vietoj miltelių galima naudoti suspensiją, kurią galima išlieti į norimą formą, išdžiovinti ir sukepinti. Iš tiesų tradicinė keramika gaminama tokiu metodu, naudojant rankomis apdirbtą plastikinį mišinį.

Jei keramikoje naudojamas skirtingų medžiagų mišinys, sukepimo temperatūra kartais būna aukštesnė už vienos iš mažesnių sudedamųjų dalių lydymosi temperatūrą - sukepimo fazė skysta. Dėl to sukepinimo laikas yra trumpesnis, palyginti su kietosios fazės sukepinimu.

Kiti keramikos panaudojimo būdai

• Kai kurie peiliai yra keraminiai. Keraminiai peiliai išlieka aštrūs kur kas ilgiau nei plieniniai, tačiau jie yra trapesni ir gali lūžti nukritus ant kieto paviršiaus.

• Keramika, pavyzdžiui, aliuminio oksidas ir boro karbidas, buvo naudojama neperšaunamose liemenėse kulkoms atremti. Panaši medžiaga naudojama kai kurių karinių lėktuvų pilotų kabinoms apsaugoti dėl mažo medžiagos svorio.

• Keraminiai rutuliukai gali būti naudojami vietoj plieno rutuliniuose guoliuose. Dėl didesnio kietumo jie tarnauja tris kartus ilgiau. Be to, jie mažiau deformuojasi veikiami apkrovos, todėl mažiau liečiasi su guolio laikiklio sienelėmis ir gali greičiau riedėti. Naudojant labai dideliu greičiu, metaliniams guoliams gali kilti problemų dėl riedėjimo metu dėl trinties atsirandančio karščio; šios problemos sumažėja naudojant keramiką. Keramika taip pat yra chemiškai atsparesnė, todėl ją galima naudoti drėgnoje aplinkoje, kur plieniniai guoliai rūdija. Pagrindinis keramikos naudojimo trūkumas - didelė kaina.

• Aštuntojo dešimtmečio pradžioje "Toyota" atliko adiabatinio keraminio variklio, galinčio veikti aukštesnėje nei 6000 °F (3300 °C) temperatūroje, tyrimus. Keraminiams varikliams nereikia aušinimo sistemos, todėl galima gerokai sumažinti jų svorį ir taip padidinti degalų naudojimo efektyvumą. Karnoto teorema rodo, kad karštesnio variklio degalų naudojimo efektyvumas taip pat yra didesnis. Metaliniame variklyje didelė dalis degalų išskiriamos energijos turi būti išsklaidyta kaip atliekinė šiluma, kad neišlydytų metalinių dalių. Nepaisant visų šių pageidaujamų savybių, tokie varikliai nėra gaminami, nes pagaminti reikiamo tikslumo ir ilgaamžiškumo keramines dalis yra sudėtinga. Dėl keramikos netobulumo atsiranda įtrūkimų, dėl kurių variklis gali sugesti, galbūt sprogti. Masinė gamyba dabartinėmis technologijomis neįmanoma.

• Keraminės dujų turbinų variklių dalys gali būti praktiškos. Šiuo metu net ir variklių karštojoje dalyje naudojamoms mentėms, pagamintoms iš pažangiųjų metalų lydinių, reikia aušinimo ir kruopštaus darbinės temperatūros ribojimo. Turbininiai varikliai, pagaminti iš keramikos, galėtų veikti efektyviau, o tai leistų lėktuvams pasiekti didesnį nuotolio atstumą ir naudingąją apkrovą naudojant nustatytą degalų kiekį.

• Biokeramika apima dantų implantus ir sintetinius kaulus. Hidroksiapatitas, natūralus mineralinis kaulo komponentas, buvo pagamintas sintetiniu būdu iš įvairių biologinių ir cheminių šaltinių ir gali būti formuojamas į keramines medžiagas. Iš šių medžiagų pagaminti ortopediniai implantai lengvai jungiasi su kaulu ir kitais organizmo audiniais be atmetimo ar uždegiminių reakcijų. Dėl šios priežasties jos yra labai svarbios genų pernešimo ir audinių inžinerijos karkasams. Dauguma hidroksiapatito keramikos yra labai akyta ir nepakankamai mechaniškai tvirta, todėl ji naudojama metaliniams ortopediniams prietaisams padengti, kad padėtų sudaryti ryšį su kaulu, arba kaip kaulų užpildai. Jie taip pat naudojami kaip ortopedinių plastikinių sraigtų užpildai, padedantys sumažinti uždegimą ir padidinti šių plastikinių medžiagų absorbciją. Dirbama siekiant pagaminti stiprias, visiškai tankias nanokristalines hidroksiapatito keramines medžiagas ortopediniams svorį laikantiems prietaisams, pakeičiant svetimas metalines ir plastikines ortopedines medžiagas sintetiniu, bet natūraliai randamu kauliniu mineralu. Galiausiai šios keraminės medžiagos gali būti naudojamos kaip kaulų pakaitalai arba, pridėjus baltyminių kolagenų, kaip sintetiniai kaulai.

• Laikrodžių korpusams naudojama aukštųjų technologijų keramika. Ši medžiaga vertinama dėl savo nedidelio svorio, atsparumo įbrėžimams, ilgaamžiškumo ir švelnaus lietimo. IWC yra vienas iš prekių ženklų, pradėjusių keramikos naudojimą laikrodžių gamyboje.