Keramika — definīcija, īpašības un pielietojums

Ērtības labad keramikas izstrādājumus parasti iedala četrās nozarēs, un tās ir parādītas tālāk ar dažiem piemēriem:

• Būvkonstrukcijas, tostarp ķieģeļi, caurules, grīdas un jumta dakstiņi
• Ugunsizturīgie materiāli, piemēram, krāšņu oderējums, gāzes uguns radiatori, tērauda un stikla ražošanas tīģeļi.
• Baltie izstrādājumi, tostarp galda piederumi, sienas flīzes, dekoratīvi mākslas priekšmeti un sanitārtehnikas izstrādājumi
• Tehnisko keramiku dēvē arī par inženiertehnisko, progresīvo, speciālo un Japānā - smalko keramiku. Šādi izstrādājumi ir, piemēram, kosmosa kuģīša programmā izmantotās flīzes, gāzes degļu sprauslas, ložu necaurlaidīgās vestes, kodoldegvielas urāna oksīda granulas, biomedicīniskie implanti, reaktīvo dzinēju turbīnu lāpstiņas un raķešu priekšējie konusi. Bieži vien izejmateriālos nav mālu.

Keramikas piemēri

• Porcelāns
• "Cietās pastas" porcelāns, apdedzināts augstākā temperatūrā.
• "Mīkstās pastas" porcelāns, apdedzināts zemākā temperatūrā: Kaulu porcelāns
• māla trauki, ko bieži vien izgatavo no māla, kvarca un laukšpata.
• Akmensmasas trauki

Tehniskās keramikas klasifikācija

Arī tehnisko keramiku var iedalīt trīs dažādās materiālu kategorijās:

• Oksīdi: alumīnija oksīds, cirkonijs
• Ne-oksīdi: karbīdi, borīdi, nitrīdi, silicīdi.
• Kompozīti: pastiprināti ar daļiņām, oksīdu un ne-oksīdu kombinācijas

Katrai no šīm klasēm var būt unikālas materiālu īpašības.

Mehāniskās īpašības

Keramikas materiāli parasti ir jonu vai kovalentu saites materiāli, un tie var būt kristāliski vai amorfā veidā. Materiāls, ko satur jebkura veida saite, mēdz lūzt (pārtrūkt), pirms notiek plastiskā deformācija, tāpēc šie materiāli ir vāji izturīgi. Turklāt, tā kā šajos materiālos parasti ir daudz poru, poras un citas mikroskopiskas nepilnības darbojas kā sprieguma koncentratori, kas vēl vairāk samazina izturību un stiepesizturību. Tas viss kopā rada katastrofālas bojāejas, pretstatā parasti daudz saudzīgākiem metālu bojājumu veidiem.

Šiem materiāliem ir plastiska deformācija. Tomēr kristālisko materiālu cietās struktūras dēļ dislokācijām ir ļoti maz slīdēšanas sistēmu, pa kurām tās varētu pārvietoties, tāpēc tās deformējas ļoti lēni. Nekristāliskiem (stiklveida) materiāliem galvenais plastiskās deformācijas avots ir viskoza plūsma, un arī tā ir ļoti lēna. Tāpēc daudzos keramikas materiālu lietojumos to ignorē.

Elektriskās īpašības

Pusvadītāji

Ir virkne keramikas izstrādājumu, kas ir pusvadītāji. Lielākā daļa no tām ir pārejas metālu oksīdi, kas ir II-VI pusvadītāji, piemēram, cinka oksīds.

Lai gan tiek runāts par zilo LED no cinka oksīda, keramiķus visvairāk interesē elektriskās īpašības, kas liecina par graudu robežu efektiem. Viena no visplašāk izmantotajām īpašībām ir varistors.

Pusvadītāju keramiku izmanto arī kā gāzes sensorus. Kad pār polikristālisko keramiku tiek padotas dažādas gāzes, tās elektriskā pretestība mainās. Pielāgojot iespējamos gāzu maisījumus, var izgatavot ļoti lētas ierīces.

Supravadītspēja

Dažos apstākļos, piemēram, ļoti zemā temperatūrā, dažās keramikas daļās ir novērojama supravadītspēja. Precīzs iemesls tam nav zināms, bet ir divas galvenās supravadošās keramikas grupas .

Feroelektrība un tās radinieki

Pjezoelektriskums - saikne starp elektrisko un mehānisko reakciju - piemīt daudziem keramikas materiāliem, tostarp kvarcam, ko izmanto laika mērīšanai pulksteņos un citā elektronikā. Šādas ierīces pārvērš elektrību mehāniskās kustībās un atpakaļ, veidojot stabilu oscilatoru.

Pjezoelektriskais efekts parasti ir spēcīgāks materiālos, kuriem piemīt arī piroelektriskums, un visi piroelektriskie materiāli ir arī pjezoelektriskie. Šos materiālus var izmantot termiskās, mehāniskās un/vai elektriskās enerģijas savstarpējai pārveidošanai; piemēram, pēc sintēzes krāsnī piroelektrisks kristāls, kas atdzesēts bez pieliktas spriedzes, parasti uzkrāj tūkstošiem voltu lielu statisko lādiņu. Šādus materiālus izmanto kustības sensoros, kur pietiek ar nelielu temperatūras paaugstināšanos, ko rada silta ķermeņa ienākšana telpā, lai kristālā radītu izmērāmu spriegumu.

Savukārt piroelektriskums visspēcīgāk izpaužas materiālos, kuros ir arī feroelektriskais efekts, kad, pielietojot elektrostatisko lauku, stabilu elektrisko dipolu var orientēt vai mainīt tā virzienu. Piroelektriskums ir arī nepieciešamas feroelektriskuma sekas. To var izmantot, lai saglabātu informāciju feroelektriskajos kondensatoros, feroelektriskās RAM elementos.

Visizplatītākie šādi materiāli ir svina cirkonāta titanāts un bārija titanāts. Papildus iepriekš minētajiem lietojumiem to spēcīgo pjezoelektrisko reakciju izmanto, izstrādājot augstfrekvences skaļruņus, pārveidotājus sonariem un pievadus atomu spēka un skenēšanas tuneļmikroskopiem.

Pozitīvs siltuma koeficients

Temperatūras paaugstināšanās var izraisīt to, ka graudu robežas pēkšņi kļūst izolējošas dažos pusvadītāju keramikas materiālos, galvenokārt smago metālu titanātu maisījumos. Kritisko pārejas temperatūru var regulēt plašā diapazonā, mainot ķīmisko sastāvu. Šādos materiālos strāva caur materiālu plūst, līdz džoula sakaršana to noved pie pārejas temperatūras, un tad ķēdes pārrāvums tiek pārtraukts un strāvas plūsma beidzas. Šādu keramiku izmanto kā pašregulējamus sildelementus, piemēram, automobiļu aizmugurējo logu atkausēšanas ķēdēs.

Pārejas temperatūrā materiāla dielektriskā reakcija kļūst teorētiski bezgalīga. Lai gan temperatūras kontroles trūkums izslēgtu jebkādu materiāla praktisku izmantošanu tuvu tā kritiskajai temperatūrai, dielektriskais efekts saglabājas ārkārtīgi spēcīgs pat daudz augstākā temperatūrā. Tieši šā iemesla dēļ titāna titānāti ar kritisko temperatūru, kas ir daudz zemāka par istabas temperatūru, ir kļuvuši par "keramikas" sinonīmu keramisko kondensatoru kontekstā.

Nekristāliska keramika: Nekristāliskā keramika kā stikls parasti veidojas no kausējumiem. Stikls tiek veidots vai nu pilnībā izkausēts, to lejot, vai arī, kad tas ir īrisam līdzīgas viskozitātes stāvoklī, izmantojot tādas metodes kā, piemēram, izpūšana veidnē. Ja vēlāk termiski apstrādājot šī klase kļūst daļēji kristāliska, iegūtais materiāls tiek saukts par stiklakeramiku.

Kristālkeramika: Kristālkeramikas materiāli nav pakļauti plašam apstrādes diapazonam. To apstrādes metodes parasti iedala vienā no divām kategorijām - vai nu izgatavot keramiku vēlamajā formā, reaģējot uz vietas, vai arī "formējot" pulveri vēlamajā formā un pēc tam saķepinot, lai veidotu cietu ķermeni. Keramikas formēšanas paņēmieni ietver formēšanu ar rokām (dažreiz arī rotācijas procesu, ko sauc par "izmešanu"), slīdošo liešanu, lentes liešanu (izmanto ļoti plānu keramikas kondensatoru izgatavošanai u. c.), liešanu ar injekciju, sauso presēšanu un citus variantus. (Skatīt arī Keramikas formēšanas paņēmieni. Sīkāka informācija par šiem procesiem ir aprakstīta abās turpmāk uzskaitītajās grāmatās.) Dažās metodēs izmanto abu pieeju hibrīdu.

Ražošana uz vietas

Šo metodi visbiežāk izmanto cementa un betona ražošanā. Šajā gadījumā dehidrētos pulverus sajauc ar ūdeni. Tā sākas hidratācijas reakcijas, kuru rezultātā ap pildvielām veidojas gari, savstarpēji savienoti kristāli. Laika gaitā no tiem veidojas cieta keramika.

Lielākā šīs metodes problēma ir tā, ka vairums reakciju ir tik ātras, ka nav iespējama laba sajaukšanās, kas parasti kavē liela mēroga būvniecību. Tomēr neliela mēroga sistēmas var izgatavot, izmantojot uzklāšanas paņēmienus, kad dažādi materiāli tiek ievadīti virs substrāta, reaģē un veido keramiku uz substrāta. Šāda metode ir aizgūta no pusvadītāju rūpniecības, piemēram, ķīmiskā tvaiku uzklāšana, un ir ļoti noderīga pārklājumiem.

Tie parasti ražo ļoti blīvu keramiku, taču to dara lēni.

Uz saķepināšanu balstītas metodes

Uz saķepināšanu balstītu metožu principi ir vienkārši. Pēc tam, kad ir izgatavots rupji salipināts objekts (tā sauktais "zaļais korpuss"), to cep krāsnī, kur difūzijas procesu rezultātā zaļais korpuss saraujas. Priekšmeta poras aizveras, tādējādi iegūstot blīvāku un izturīgāku izstrādājumu. Apdedzināšana notiek temperatūrā, kas ir zemāka par keramikas kušanas temperatūru. Praktiski vienmēr saglabājas porainība, bet šīs metodes patiesā priekšrocība ir tā, ka zaļo korpusu var izgatavot jebkādā iedomājamā veidā, un to joprojām var saķepināt. Tas padara šo metodi ļoti daudzpusīgu.

Ir tūkstošiem iespējamu šī procesa uzlabojumu. Daži no visbiežāk izmantotajiem ietver zaļās masas presēšanu, lai dotu blīvēšanas sākumu un samazinātu saķepināšanas laiku. Dažreiz pievieno organiskās saistvielas, piemēram, polivinilspirtu, lai noturētu zaļo korpusu kopā; tās sadeg apdedzināšanas laikā (200-350 °C temperatūrā). Dažreiz presēšanas laikā pievieno organiskās smērvielas, lai palielinātu blīvēšanu. Nereti tos kombinē, pievieno saistvielas un smērvielas pulverim, pēc tam presē. (Šo organisko ķīmisko piedevu formulēšana ir māksla pati par sevi. Tas ir īpaši svarīgi, ražojot augstas veiktspējas keramiku, piemēram, tādu, ko izmanto elektronikā, kondensatoros, induktoros, sensoros utt. Specializētie preparāti, ko visbiežāk izmanto elektronikā, ir sīki aprakstīti R. E. Mistlera un citu autoru grāmatā "Tape Casting", Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Visaptveroša grāmata par šo tematu gan mehānikas, gan elektronikas vajadzībām ir D. J. Shanefield "Organic Additives and Ceramic Processing", Kluwer Publishers [Boston], 1996. gads.

Pulvera vietā var izmantot suspensiju, pēc tam to ielej vajadzīgajā formā, izžāvē un tad saķepina. Tradicionālā keramika patiešām tiek darināta ar šādu metodi, izmantojot plastisku maisījumu, kas tiek apstrādāts ar rokām.

Ja keramikā kopā tiek izmantots dažādu materiālu maisījums, saķepināšanas temperatūra dažkārt ir augstāka par vienas mazāk svarīgās sastāvdaļas kušanas temperatūru - saķepināšanas šķidrās fāzes. Tā rezultātā saķepināšanas laiks ir īsāks salīdzinājumā ar saķepināšanu cietā stāvoklī.

• Daži naži ir keramikas. Keramikas naža asmeni daudz ilgāk saglabās asu tērauda asmeni, lai gan tas ir trauslāks un to var salauzt, uzmetot uz cietas virsmas.

• Keramika, piemēram, alumīnija oksīds un bora karbīds, ir izmantota bruņuvestēs, lai atvairītu lodes. Līdzīgu materiālu izmanto dažu militāro lidmašīnu pilotu kabīņu aizsardzībai, jo materiāls ir neliels.

• Lodīšu gultņos tērauda vietā var izmantot keramikas lodītes. To augstāka cietība nodrošina trīskārt ilgāku kalpošanas laiku. Tās arī mazāk deformējas slodzes ietekmē, kas nozīmē, ka tām ir mazāks kontakts ar gultņa stiprinājuma sieniņām un tās var ripot ātrāk. Ļoti ātrdarbīgos lietojumos berzes radītais karstums rites laikā var radīt problēmas metāla gultņiem; šīs problēmas tiek samazinātas, izmantojot keramiku. Keramika ir arī ķīmiski izturīgāka, un to var izmantot mitrā vidē, kur tērauda gultņi varētu sarūsēt. Galvenais keramikas izmantošanas trūkums ir augstās izmaksas.

• 20. gadsimta 80. gadu sākumā Toyota veica pētījumus par adiabātisku keramikas dzinēju, kas var darboties temperatūrā virs 6000 °F (3300 °C). Keramiskajiem dzinējiem nav nepieciešama dzesēšanas sistēma, un tādējādi tie ļauj ievērojami samazināt svaru un līdz ar to palielināt degvielas patēriņa efektivitāti. Arī karstākā dzinēja degvielas patēriņa efektivitāte ir lielāka saskaņā ar Karno teorēmu. Metāliskā dzinējā liela daļa no degvielas izdalītās enerģijas ir jāizkliedē kā izplūdes siltums, lai tā neizkausētu metāla detaļas. Neraugoties uz visām šīm vēlamajām īpašībām, šādi dzinēji netiek ražoti, jo izgatavot keramikas detaļas ar vajadzīgo precizitāti un izturību ir sarežģīti. Keramikas nepilnību dēļ rodas plaisas, kas var sabojāt dzinēju, iespējams, izraisot sprādzienu. Ar pašreizējo tehnoloģiju nav iespējama masveida ražošana.

• Gāzturbīnu dzinēju keramikas detaļas var būt praktiskas. Pašlaik pat lāpstiņām, kas izgatavotas no moderniem metālu sakausējumiem un ko izmanto dzinēju karstajā daļā, nepieciešama dzesēšana un rūpīga darba temperatūras ierobežošana. Turbīnu dzinēji, kas izgatavoti no keramikas, varētu darboties efektīvāk, nodrošinot lidmašīnām lielāku darbības rādiusu un kravnesību, izmantojot noteiktu degvielas daudzumu.

• Biokeramika ietver zobu implantus un sintētiskos kaulus. Hidroksiapatīts, dabiskā kaulu minerālviela, ir sintētiski ražots no dažādiem bioloģiskiem un ķīmiskiem avotiem, un to var veidot keramikas materiālos. No šiem materiāliem izgatavoti ortopēdiskie implanti viegli savienojas ar kauliem un citiem organisma audiem bez atmešanas vai iekaisuma reakcijām. Tāpēc tie ir ļoti interesanti gēnu piegādei un audu inženierijas skeletiem. Lielākā daļa hidroksiapatīta keramikas ir ļoti poraina un tai trūkst mehāniskās izturības, un to izmanto metāla ortopēdisko ierīču pārklājumam, lai palīdzētu veidot saiti ar kaulu vai kā kaulu pildvielas. Tos izmanto arī kā pildvielas ortopēdiskajām plastmasas skrūvēm, lai palīdzētu mazināt iekaisumu un palielinātu šo plastmasas materiālu uzsūkšanos. Tiek strādāts pie tā, lai izgatavotu spēcīgus, pilnīgi blīvus nano kristāliskus hidroksiapatīta keramikas materiālus ortopēdiskajām ierīcēm, kas paredzētas svara nesējiem, aizstājot svešus metāla un plastmasas ortopēdiskos materiālus ar sintētisku, bet dabā sastopamu kaula minerālu. Galu galā šos keramikas materiālus var izmantot kā kaulu aizstājējus vai, pievienojot proteīna kolagēnu, kā sintētiskus kaulus.

• Pulksteņu korpusos tiek izmantota augsto tehnoloģiju keramika. Šis materiāls tiek novērtēts par tā vieglo svaru, izturību pret skrāpējumiem, izturību un gludu pieskārienu. IWC ir viens no zīmoliem, kas aizsāka keramikas izmantošanu pulksteņu ražošanā.