Керамика: определение, видове, производство, свойства и приложения

За удобство керамичните продукти обикновено се разделят на четири сектора, които са показани по-долу с няколко примера:

• Структурни, включително тухли, тръби, подови и покривни плочки
• Огнеупорни материали, като облицовки на пещи, газови радиатори, тигли за производство на стомана и стъкло
• Бели изделия, включително съдове за хранене, стенни плочки, декоративни предмети на изкуството и санитарен фаянс
• Техническата керамика е известна още като инженерна, модерна, специална, а в Япония - като фина керамика. Такива изделия са плочките, използвани в програмата за космически совалки, дюзите на газовите горелки, бронежилетките, пелетите от уранов оксид за ядрено гориво, биомедицинските импланти, турбинните лопатки на реактивните двигатели и носовите конуси на ракетите. Често суровините не включват глини.

Примери за керамика

• Порцелан
• Порцелан с "твърда паста", изпечен при по-висока температура.
• Порцелан с "мека паста", изпечен при по-ниска температура: Костен порцелан
• Фаянс, който често се произвежда от глина, кварц и фелдшпат.
• Каменни съдове

Класификация на техническата керамика

Техническата керамика също може да бъде класифицирана в три отделни категории материали:

• Оксиди: алуминиев оксид, цирконий
• Неоксиди: карбиди, бориди, нитриди, силициди
• Композити: подсилени с частици, комбинации от оксиди и неоксиди

Всеки от тези класове може да развие уникални свойства на материала.

Механични свойства

Керамичните материали обикновено са материали с йонни или ковалентни връзки и могат да бъдат кристални или аморфни. Материал, който се държи заедно чрез някой от двата вида връзки, има тенденция да се счупи (разкъса), преди да се получи пластична деформация, което води до слаба здравина на тези материали. Освен това, тъй като тези материали обикновено имат много пори, порите и другите микроскопични несъвършенства действат като концентратори на напрежение, което допълнително намалява якостта и намалява якостта наопън. Тези фактори се комбинират и водят до катастрофални разрушения, за разлика от обикновено много по-леките начини на разрушаване при металите.

Тези материали показват пластична деформация. Въпреки това, поради твърдата структура на кристалните материали, има много малко налични системи за приплъзване, по които дислокациите да се движат, и затова те се деформират много бавно. При некристалните (стъкловидни) материали вискозното течение е основният източник на пластична деформация, която също е много бавна. Поради тази причина то се пренебрегва в много приложения на керамичните материали.

Електрически свойства

Полупроводници

Съществуват редица керамични материали, които са полупроводници. Повечето от тях са оксиди на преходни метали, които са II-VI полупроводници, като например цинковият оксид.

Въпреки че се говори за производство на сини светодиоди от цинков оксид, керамиците се интересуват най-вече от електрическите свойства, които показват ефектите на границите на зърната. Едно от най-широко използваните от тях е варисторът.

Полупроводниковата керамика също се използва като газов сензор. Когато различни газове преминават през поликристална керамика, нейното електрическо съпротивление се променя. С настройване на възможните газови смеси могат да се произвеждат много евтини устройства.

Свръхпроводимост

При определени условия, като например изключително ниска температура, някои керамични материали показват свръхпроводимост. Точната причина за това не е известна, но има две основни семейства свръхпроводими керамики .

Фероелектричеството и неговите роднини

Пиезоелектричеството - връзка между електрическа и механична реакция - се проявява при голям брой керамични материали, включително кварца, използван за измерване на времето в часовниците и друга електроника. Такива устройства превръщат електричеството в механични движения и обратно, създавайки стабилен осцилатор.

Пиезоелектричният ефект обикновено е по-силен в материали, които проявяват и пироелектричност, а всички пироелектрични материали са и пиезоелектрични. Тези материали могат да се използват за взаимно преобразуване на топлинна, механична и/или електрическа енергия; например след синтез в пещ пироелектричен кристал, оставен да се охлади без приложено напрежение, обикновено натрупва статичен заряд от хиляди волта. Такива материали се използват в сензори за движение, където незначителното повишаване на температурата от влизането на топло тяло в помещението е достатъчно, за да се създаде измеримо напрежение в кристала.

На свой ред пироелектричеството се проявява най-силно в материали, които проявяват и фероелектричен ефект, при който стабилен електрически дипол може да бъде ориентиран или обърнат чрез прилагане на електростатично поле. Пироелектричността е също така необходимо следствие от фероелектричността. Тя може да се използва за съхраняване на информация във фероелектричните кондензатори, елементи на фероелектричната оперативна памет.

Най-разпространените такива материали са оловен цирконат титанат и бариев титанат. Освен за горепосочените цели, тяхната силна пиезоелектрична реакция се използва при проектирането на високочестотни високоговорители, преобразуватели за сонари и задвижващи механизми за атомно-силови и сканиращи тунелни микроскопи.

Положителен топлинен коефициент

Повишаването на температурата може да доведе до внезапното превръщане на границите на зърната в изолационни в някои полупроводникови керамични материали, най-вече смеси от титанати на тежки метали. Температурата на критичния преход може да се регулира в широк диапазон чрез промени в химическия състав. В такива материали токът ще преминава през материала, докато джауловото нагряване не го доведе до температурата на прехода, при което веригата ще се прекъсне и токът ще спре. Такива керамични материали се използват като самоконтролиращи се нагревателни елементи, например във веригите за размразяване на задните стъкла на автомобилите.

При температурата на прехода диелектричната характеристика на материала става теоретично безкрайна. Въпреки че липсата на температурен контрол би изключила всякакво практическо използване на материала в близост до критичната му температура, диелектричният ефект остава изключително силен дори при много по-високи температури. Титаните с критични температури далеч под стайната температура са се превърнали в синоним на "керамика" в контекста на керамичните кондензатори именно поради тази причина.

Некристална керамика: Некристалната керамика, като стъкло, обикновено се образува от стопилки. Стъклото се оформя или когато е напълно разтопено, чрез леене, или когато е в състояние на вискозитет, подобен на ирис, чрез методи като издухване в калъп. Ако в резултат на последваща топлинна обработка този клас стане частично кристален, полученият материал се нарича стъклокерамика.

Кристална керамика: Кристалокерамичните материали не подлежат на широка гама от обработки. Методите за работа с тях обикновено попадат в една от двете категории - или да се създаде керамиката в желаната форма чрез реакция на място, или чрез "формиране" на прахове в желаната форма и след това синтероване, за да се образува твърдо тяло. Техниките за оформяне на керамика включват ръчно оформяне (понякога включващо процес на въртене, наречен "хвърляне"), леене по хлъзгав метод, леене по лента (използва се за направата на много тънки керамични кондензатори и др.), леене под налягане, сухо пресоване и други варианти. (Вж. също Техники за формоване на керамика. Подробности за тези процеси са описани в двете книги, изброени по-долу.) Няколко метода използват хибрид между двата подхода.

Производство на място

Най-често този метод се използва при производството на цимент и бетон. При него дехидратираните прахове се смесват с вода. Така започват реакции на хидратация, в резултат на които около агрегатите се образуват дълги, взаимосвързани кристали. С течение на времето те се превръщат в твърда керамика.

Най-големият проблем на този метод е, че повечето реакции са толкова бързи, че не е възможно доброто им смесване, което обикновено пречи на мащабното строителство. Малки по мащаб системи обаче могат да се изработят чрез техники за отлагане, при които различните материали се въвеждат над субстрата, реагират и образуват керамиката върху субстрата. Тази техника е заимствана от полупроводниковата промишленост, като например химическото отлагане от пари, и е много полезна за покрития.

При тях се получава много плътна керамика, но това става бавно.

Методи, базирани на синтероване

Принципите на методите, базирани на синтероване, са прости. След като се изработи грубо сглобен предмет (наречен "зелено тяло"), той се изпича в пещ, където дифузионните процеси водят до свиване на зеленото тяло. Порите в обекта се затварят, в резултат на което се получава по-плътен и здрав продукт. Изпичането се извършва при температура, по-ниска от точката на топене на керамиката. На практика винаги остава някаква порьозност, но истинското предимство на този метод е, че зеленото тяло може да се произвежда по всички възможни начини и все пак да се изпича. Това го прави много гъвкав.

Този процес може да бъде усъвършенстван в хиляди варианти. Някои от най-разпространените включват пресоване на зеленото тяло, за да се даде старт на уплътняването и да се намали необходимото време за синтероване. Понякога се добавят органични свързващи вещества, като поливинилов алкохол, за да се задържи зеленото тяло заедно; те изгарят по време на изпичането (при 200-350 °C). Понякога по време на пресоването се добавят органични смазочни материали, за да се увеличи уплътняването. Не е рядко срещано комбинирането на тези методи, както и добавянето на свързващи вещества и смазочни материали до получаване на прах, след което се пресова. (Формулирането на тези органични химически добавки е изкуство само по себе си. ) Това е особено важно при производството на високоефективна керамика, като например тази, която се използва за милиарди за електрониката, в кондензатори, индуктори, сензори и др. Специализираните формулировки, които най-често се използват в електрониката, са описани подробно в книгата "Tape Casting" (Лейтене на ленти), автор R.E. Mistler и др. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000 г.) Изчерпателна книга по темата, както за механични, така и за електронни приложения, е "Organic Additives and Ceramic Processing" (Органични добавки и обработка на керамика), автор D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996 г.

Вместо прах може да се използва суспензия, която след това се отлива в желаната форма, изсушава се и се синтерова. Всъщност традиционната керамика се прави по този метод, като се използва пластична смес, обработена с ръце.

Ако в керамиката се използва смес от различни материали, температурата на синтероване понякога е над температурата на топене на един от основните компоненти - синтероване в течна фаза. Това води до по-кратко време за синтероване в сравнение със синтероването в твърдо състояние.

• Някои ножове са керамични. Керамичното острие на ножа ще остане остро много по-дълго от стоманеното, въпреки че е по-крехко и може да се счупи, ако го изпуснете върху твърда повърхност.

• Керамика като алуминиев оксид и боров карбид се използва в бронежилетките за отблъскване на куршуми. Подобен материал се използва за защита на пилотските кабини на някои военни самолети поради ниското тегло на материала.

• Керамичните топчета могат да се използват за замяна на стоманата в сачмените лагери. Тяхната по-висока твърдост ги прави три пъти по-дълготрайни. Освен това те се деформират по-малко при натоварване, което означава, че имат по-малък контакт със стените на лагерния фиксатор и могат да се търкалят по-бързо. При приложения с много висока скорост топлината от триенето по време на търкаляне може да причини проблеми на металните лагери; проблеми, които се намаляват при използването на керамика. Керамиката също така е по-устойчива на химикали и може да се използва във влажна среда, където стоманените лагери биха ръждясали. Основният недостатък на използването на керамика е високата цена.

• В началото на 80-те години на миналия век Toyota изследва адиабатен керамичен двигател, който може да работи при температура над 3300 °C (6000 °F). Керамичните двигатели не се нуждаят от охладителна система и по този начин позволяват значително намаляване на теглото и следователно по-голяма горивна ефективност. Горивната ефективност на по-топлия двигател е по-висока и по силата на теоремата на Карно. В метален двигател голяма част от енергията, освободена от горивото, трябва да се разсейва като отпадна топлина, за да не разтопи металните части. Въпреки всички тези желани свойства такива двигатели не се произвеждат, тъй като производството на керамични части с необходимата точност и дълготрайност е трудно. Несъвършенствата в керамиката водят до пукнатини, които могат да разрушат двигателя, евентуално чрез експлозия. Масовото производство е невъзможно при сегашната технология.

• Керамичните части за газотурбинни двигатели могат да бъдат практични. Понастоящем дори лопатките, изработени от съвременни метални сплави, използвани в горещата част на двигателите, изискват охлаждане и внимателно ограничаване на работните температури. Турбинните двигатели, изработени от керамика, биха могли да работят по-ефективно, осигурявайки на самолетите по-голям обсег и полезен товар при определено количество гориво.

• Биокерамиката включва стоматологични импланти и синтетични кости. Хидроксиапатитът, естественият минерален компонент на костта, е произведен синтетично от редица биологични и химични източници и може да бъде оформен в керамични материали. Ортопедичните импланти, изработени от тези материали, се свързват лесно с костите и други тъкани в тялото без отхвърляне или възпалителни реакции. Поради това те представляват голям интерес за доставка на гени и скелети за тъканно инженерство. Повечето хидроксиапатитни керамики са много порести и нямат механична здравина и се използват за покриване на метални ортопедични устройства, за да подпомогнат образуването на връзка с костта или като костни пълнители. Те се използват и като пълнители за ортопедични пластмасови винтове, за да подпомогнат намаляването на възпалението и да увеличат абсорбцията на тези пластмасови материали. Работи се по създаването на здрави, напълно плътни нано-кристални хидроксиапатитни керамични материали за ортопедични устройства за носене на тежести, като се заменят чуждите метални и пластмасови ортопедични материали със синтетичен, но естествено срещащ се костен минерал. В крайна сметка тези керамични материали могат да се използват като костни заместители или с включването на протеинови колагени - като синтетични кости.

• В корпусите на часовниците се използва високотехнологична керамика. Материалът е ценен заради лекото си тегло, устойчивостта на надраскване, издръжливостта и гладкото докосване. IWC е една от марките, поставили началото на използването на керамика в часовникарството.