Keramika: kaj je, vrste, lastnosti in uporaba v industriji

Zaradi priročnosti se keramični izdelki običajno delijo na štiri sektorje, ki so prikazani spodaj z nekaj primeri:

• Konstrukcije, vključno z opeko, cevmi, talnimi in strešnimi ploščicami.
• ognjevzdržni materiali, kot so obloge peči, plinski radiatorji, jeklarski in steklarski lončki
• Beli izdelki, vključno z namizno posodo, stenskimi ploščicami, dekorativnimi umetniškimi predmeti in sanitarno opremo
• Tehnična keramika je znana tudi kot inženirska, napredna, posebna, na Japonskem pa kot fina keramika. Takšni izdelki so ploščice, ki se uporabljajo v programu vesoljskih raketoplanov, šobe plinskih gorilnikov, neprebojni jopiči, peleti uranovega oksida za jedrsko gorivo, biomedicinski vsadki, lopatice turbin reaktivnih motorjev in nosni stožci izstrelkov. Pogosto surovine ne vključujejo glin.

Primeri keramike

• Porcelan
• Porcelan iz trde mase, žgan pri višji temperaturi.
• Porcelan iz mehke mase, žgan pri nižji temperaturi: Kostni porcelan
• keramika, ki je pogosto izdelana iz gline, kremena in feldspara.
• Kamnita posoda

Razvrstitev tehnične keramike

Tehnično keramiko lahko razvrstimo v tri različne kategorije materialov:

• Oksidi: aluminijev oksid, cirkonij
• Neoksidi: karbidi, boridi, nitridi, silicidi
• Kompoziti: ojačani z delci, kombinacije oksidov in neoksidov

Vsak od teh razredov lahko razvije edinstvene lastnosti materiala.

Mehanske lastnosti

Keramični materiali so običajno ionsko ali kovalentno vezani materiali in so lahko kristalni ali amorfni. Material, ki ga drži skupaj katera koli vrsta vezi, se bo običajno zlomil, še preden bo prišlo do plastične deformacije, zato so ti materiali slabo žilavi. Poleg tega imajo ti materiali običajno veliko por, zato pore in druge mikroskopske nepopolnosti delujejo kot koncentratorji napetosti, kar dodatno zmanjša žilavost in nateznotrdnost. Vse to skupaj povzroči katastrofalne okvare v nasprotju z običajno veliko blažjimi načini okvar kovin.

Ti materiali se plastično deformirajo. Vendar je zaradi toge strukture kristaliničnih materialov na voljo zelo malo drsnih sistemov, po katerih bi se dislokacije lahko gibale, zato se deformirajo zelo počasi. Pri nekristalnih (steklastih) materialih je glavni vir plastične deformacije viskozni tok, ki je prav tako zelo počasen. Zaradi tega ga pri številnih aplikacijah keramičnih materialov ne upoštevamo.

Električne lastnosti

Polprevodniki

Obstajajo številne vrste keramike, ki so polprevodniki. Večinoma gre za okside prehodnih kovin, ki so polprevodniki II-VI, na primer cinkov oksid.

Medtem ko se govori o izdelavi modrih LED iz cinkovega oksida, keramičarje najbolj zanimajo električne lastnosti, ki kažejo učinke meje zrn. Ena od najbolj razširjenih je varistor.

Polprevodniška keramika se uporablja tudi kot plinski senzorji. Ko polikristalna keramika prehaja skozi različne pline, se spreminja njena električna upornost. S prilagajanjem možnim mešanicam plinov je mogoče izdelati zelo poceni naprave.

Superprevodnost

Pod določenimi pogoji, na primer pri izjemno nizki temperaturi, se pri nekaterih keramičnih materialih pojavi superprevodnost. Natančen razlog za to ni znan, vendar obstajata dve glavni družini superprevodne keramike .

Feroelektričnost in njeni sorodniki

Piezoelektričnost, povezavo med električnim in mehanskim odzivom, imajo številni keramični materiali, vključno s kremenom, ki se uporablja za merjenje časa v urah in drugi elektroniki. Takšne naprave pretvarjajo elektriko v mehanske gibe in nazaj, kar ustvarja stabilen oscilator.

Piezoelektrični učinek je na splošno močnejši v materialih, ki imajo tudi piroelektričnost, vsi piroelektrični materiali pa so tudi piezoelektrični. Ti materiali se lahko uporabljajo za medsebojno pretvorbo toplotne, mehanske in/ali električne energije; na primer, piroelektrični kristal, ki se po sintezi v peči ohladi brez obremenitve, običajno pridobi statični naboj v višini več tisoč voltov. Takšni materiali se uporabljajo v senzorjih gibanja, pri katerih je že majhen dvig temperature zaradi vstopa toplega telesa v prostor dovolj, da se v kristalu ustvari merljiva napetost.

Piroelektričnost pa je najmočnejša v materialih, ki imajo tudi feroelektrični učinek, pri katerem se stabilni električni dipol lahko usmeri ali obrne z uporabo elektrostatičnega polja. Piroelektričnost je tudi nujna posledica feroelektričnosti. To lahko uporabimo za shranjevanje informacij v feroelektričnih kondenzatorjih, elementih feroelektričnega pomnilnika RAM.

Najpogostejša materiala sta svinčev cirkonat titanat in barijev titanat. Poleg zgoraj omenjenih načinov uporabe se njihova močna piezoelektrična odzivnost izkorišča pri oblikovanju visokofrekvenčnih zvočnikov, pretvornikov za sonarje ter aktuatorjev za mikroskope na atomsko silo in skenirne tunelske mikroskope.

Pozitivni toplotni koeficient

Povečanje temperature lahko povzroči, da meje zrn v nekaterih polprevodniških keramičnih materialih, večinoma mešanicah titanatov težkih kovin, nenadoma postanejo izolativne. Temperaturo kritičnega prehoda je mogoče prilagoditi v širokem razponu s kemijskimi spremembami. V takih materialih bo tok tekel skozi material, dokler ga joulsko segrevanje ne pripelje do temperature prehoda, pri čemer se tokokrog prekine in tok preneha teči. Takšna keramika se uporablja kot samonadzorovani grelni elementi, na primer v tokokrogih za odmrzovanje zadnjega stekla v avtomobilih.

Pri prehodni temperaturi postane dielektrični odziv materiala teoretično neskončen. Medtem ko bi pomanjkanje temperaturnega nadzora izključevalo praktično uporabo materiala pri kritični temperaturi, je dielektrični učinek izjemno močan tudi pri precej višjih temperaturah. Titanati s kritičnimi temperaturami, ki so daleč pod sobno temperaturo, so prav iz tega razloga postali sinonim za "keramiko" v kontekstu keramičnih kondenzatorjev.

Nekristalna keramika: Nekristalna keramika, ki je steklo, običajno nastane iz taline. Steklo se oblikuje v popolnoma staljenem stanju z litjem ali v stanju viskoznosti, podobni viskoznosti toffee, z metodami, kot je pihanje v kalup. Če poznejša toplotna obdelava povzroči, da ta razred postane delno kristaliničen, se nastali material imenuje steklokeramika.

Kristalna keramika: Kristalinični keramični materiali niso primerni za širok spekter obdelav. Metode za njihovo obdelavo se ponavadi delijo na dve kategoriji - keramika se izdela v želeni obliki z reakcijo na kraju samem ali z "oblikovanjem" prahu v želeno obliko in nato s sintranjem v trdno telo. Tehnike oblikovanja keramike vključujejo ročno oblikovanje (včasih vključno s postopkom vrtenja, imenovanim "metanje"), drsno litje, litje trakov (ki se uporablja za izdelavo zelo tankih keramičnih kondenzatorjev itd.), brizganje, suho stiskanje in druge različice. (Glej tudi Tehnike oblikovanja keramike. Podrobnosti teh postopkov so opisane v obeh spodaj navedenih knjigah.) Nekaj metod uporablja hibrid med obema pristopoma.

Proizvodnja na kraju samem

Ta metoda se najpogosteje uporablja pri proizvodnji cementa in betona. Pri tem se dehidrirani prah zmeša z vodo. Tako se začnejo hidratacijske reakcije, pri katerih se okoli agregatov oblikujejo dolgi, med seboj povezani kristali. Sčasoma nastanejo trdni keramični materiali.

Največja težava te metode je, da je večina reakcij tako hitrih, da dobro mešanje ni mogoče, kar preprečuje obsežno gradnjo. Vendar je mogoče sisteme v manjšem obsegu izdelati s tehnikami nanašanja, pri katerih se različni materiali vnesejo nad podlago, reagirajo in na njej tvorijo keramiko. To so tehnike iz polprevodniške industrije, kot je kemično nanašanje iz par, in so zelo uporabne za premaze.

Ti običajno proizvajajo zelo gosto keramiko, vendar to počnejo počasi.

Metode, ki temeljijo na sintranju

Načela metod, ki temeljijo na sintranju, so preprosta. Ko je predmet, ki je v grobem zlepljen skupaj (imenovan "zeleno telo"), izdelan, se speče v peči, kjer se zaradi difuzijskih procesov zeleno telo skrči. Pore v predmetu se zaprejo, zaradi česar je izdelek gostejši in močnejši. Žganje poteka pri temperaturi, ki je nižja od temperature taljenja keramike. Praktično vedno ostane nekaj poroznosti, vendar je resnična prednost te metode v tem, da je zeleno telo mogoče izdelati na vse možne načine in ga še vedno speči. Zato je ta način zelo vsestranski.

Ta postopek je mogoče izpopolniti na tisoče načinov. Nekatere najpogostejše vključujejo stiskanje zelenega telesa, da se zgoščevanje pospeši in skrajša potreben čas sintranja. Včasih se dodajo organska veziva, kot je polivinilalkohol, ki držijo zeleno telo skupaj; ta med žganjem (pri 200-350 °C) izgorejejo. Včasih se med stiskanjem dodajo organska maziva, da se poveča zgoščevanje. Neredko se to kombinira ter dodajo veziva in maziva v prah, nato pa se stisne. (Sestavljanje teh organskih kemičnih dodatkov je umetnost sama po sebi. To je še posebej pomembno pri proizvodnji visoko zmogljive keramike, kot je tista, ki se uporablja v elektroniki, v kondenzatorjih, induktorjih, senzorjih itd. Specializirane formulacije, ki se najpogosteje uporabljajo v elektroniki, so podrobno opisane v knjigi "Tape Casting", R. E. Mistler in drugi, Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) Izčrpna knjiga na to temo za mehanske in elektronske aplikacije je "Organic Additives and Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Namesto prahu se lahko uporabi suspenzija, ki se nato odlije v želeno obliko, posuši in nato sintra. Tradicionalno lončarstvo se dejansko izdeluje po tej metodi z uporabo plastične zmesi, ki se obdeluje z rokami.

Če se v keramiki uporablja mešanica različnih materialov, je temperatura sintranja včasih nad temperaturo taljenja ene manj pomembne komponente - gre za sintranje v tekoči fazi. Zaradi tega je čas sintranja krajši v primerjavi s sintranjem v trdni fazi.

• Nekateri noži so keramični. Keramično rezilo noža bo ostro veliko dlje kot jekleno, čeprav je bolj krhko in se lahko zlomi, če ga spustite na trdo površino.

• Keramika, kot sta aluminijev oksid in borov karbid, se uporablja v neprebojnih jopičih za odbijanje krogel. Podoben material se zaradi majhne teže uporablja za zaščito pilotskih kabin nekaterih vojaških letal.

• Keramične kroglice lahko nadomestijo jeklo v krogličnih ležajih. Zaradi njihove večje trdote imajo trikrat daljšo življenjsko dobo. Pod obremenitvijo se tudi manj deformirajo, kar pomeni, da imajo manjši stik s stenami nosilca ležaja in se lahko hitreje kotalijo. Pri zelo visokih hitrostih lahko toplota zaradi trenja med kotaljenjem povzroča težave kovinskim ležajem; te težave se z uporabo keramike zmanjšajo. Keramika je tudi kemično odpornejša in se lahko uporablja v mokrih okoljih, kjer bi jekleni ležaji zarjaveli. Glavna pomanjkljivost uporabe keramike je visoka cena.

• V začetku 80. let prejšnjega stoletja je Toyota raziskala adiabatni keramični motor, ki lahko deluje pri temperaturi več kot 3300 °C (6000 °F). Keramični motorji ne potrebujejo hladilnega sistema, zato omogočajo znatno zmanjšanje mase in s tem večji izkoristek goriva. Učinek porabe goriva pri bolj vročem motorju je večji tudi po Carnotovem teoremu. V kovinskem motorju je treba velik del energije, ki se sprosti iz goriva, odvesti kot odpadno toploto, da se kovinski deli ne stopijo. Kljub vsem tem zaželenim lastnostim takšni motorji niso v proizvodnji, ker je izdelava keramičnih delov v zahtevani natančnosti in trajnosti težavna. Zaradi nepopolnosti keramike nastanejo razpoke, ki lahko uničijo motor, po možnosti z eksplozijo. Množična proizvodnja s sedanjo tehnologijo ni izvedljiva.

• Keramični deli za plinskoturbinske motorje so lahko praktični. Trenutno je celo lopatice iz naprednih kovinskih zlitin, ki se uporabljajo v vročem delu motorjev, treba hladiti in skrbno omejevati delovne temperature. Turbinski motorji, izdelani iz keramike, bi lahko delovali učinkoviteje, kar bi letalom omogočilo večji doseg in koristni tovor pri določeni količini goriva.

• Biokeramika vključuje zobne vsadke in sintetične kosti. Hidroksiapatit, naravna mineralna sestavina kosti, je sintetično izdelan iz številnih bioloških in kemičnih virov in ga je mogoče oblikovati v keramične materiale. Ortopedski vsadki, izdelani iz teh materialov, se brez zavrnitve ali vnetnih reakcij zlahka povežejo s kostmi in drugimi tkivi v telesu. Zaradi tega so zelo zanimivi za prenašanje genov in ogrodja za tkivno inženirstvo. Večina hidroksiapatitne keramike je zelo porozna in nima mehanske trdnosti, zato se uporablja za prevleko kovinskih ortopedskih pripomočkov, da se lažje povežejo s kostjo, ali kot kostna polnila. Uporabljajo se tudi kot polnila za ortopedske plastične vijake, ki pomagajo pri zmanjševanju vnetja in povečanju absorpcije teh plastičnih materialov. Dela se na izdelavi močnih, popolnoma gostih nanokristaliničnih hidroksiapatitnih keramičnih materialov za ortopedske pripomočke, ki nosijo težo, s čimer se tuji kovinski in plastični ortopedski materiali nadomestijo s sintetičnim, vendar naravno prisotnim kostnim mineralom. Ti keramični materiali se bodo lahko uporabljali kot kostni nadomestki ali z vključitvijo beljakovinskih kolagenov kot sintetične kosti.

• V ohišjih ur se uporablja visokotehnološka keramika. Ta material je cenjen zaradi majhne teže, odpornosti na praske, vzdržljivosti in gladkega dotika. IWC je ena od blagovnih znamk, ki je začela uporabljati keramiko v urarstvu.