Ceramika — materiały, właściwości i zastosowania

Dla wygody wyroby ceramiczne są zazwyczaj podzielone na cztery sektory, a te zostały przedstawione poniżej z kilkoma przykładami:

• Konstrukcyjne, w tym cegły, rury, płytki podłogowe i dachowe
• Materiały ogniotrwałe, takie jak okładziny pieców, gazowe promienniki ognia, tygle do wyrobu stali i szkła
• Wyroby białe, w tym zastawa stołowa, płytki ścienne, przedmioty sztuki dekoracyjnej i wyroby sanitarne
• Ceramika techniczna jest również znana jako inżynieria, zaawansowana, specjalna, a w Japonii - ceramika szlachetna. Należą do nich płytki używane w programie Space Shuttle, dysze palnika gazowego, kamizelki kuloodporne, granulki tlenku uranu w paliwie jądrowym, implanty biomedyczne, łopatki turbin silników odrzutowych oraz stożki nosowe pocisków. Surowce często nie zawierają gliny.

Przykłady ceramiki

• Porcelana
• Porcelana "twarda", wypalana w wyższej temperaturze.
• Porcelana "Soft-paste", wypalana w niższej temperaturze: porcelana kostna
• Naczynia gliniane, które często są wykonane z gliny, kwarcu i skalenia
• Stoneware

Klasyfikacja ceramiki technicznej

Ceramikę techniczną można również podzielić na trzy różne kategorie materiałów:

• Tlenki: tlenek glinu, tlenek cyrkonu
• Nieutleniacze: węgliki, borki, azotki, krzemki
• Kompozyty: wzmocnione cząstkami stałymi, kombinacje tlenków i nieutleniaczy

Każda z tych klas może rozwijać unikalne właściwości materiału.

Właściwości mechaniczne

Materiały ceramiczne są zazwyczaj jonowe lub kowalencyjne i mogą być krystaliczne lub amorficzne. Materiał trzymany razem przez każdy rodzaj wiązania ma tendencję do pękania (pękania) przed wystąpieniem jakichkolwiek odkształceń plastycznych, co powoduje słabą wytrzymałość tych materiałów. Dodatkowo, ponieważ materiały te mają zwykle dużo porów, pory i inne mikroskopijne niedoskonałości działają jak koncentratory naprężeń, zmniejszając dodatkowo ciągliwość i wytrzymałość na rozciąganie. Łączy się to z katastrofalnymi uszkodzeniami, w przeciwieństwie do normalnie znacznie łagodniejszych sposobów uszkodzenia metali.

Materiały te wykazują deformację plastyczną. Jednakże, ze względu na sztywną strukturę materiałów krystalicznych, istnieje bardzo niewiele dostępnych systemów poślizgowych do przemieszczania się, a więc deformują się bardzo wolno. W przypadku materiałów niekrystalicznych (szklanych), lepki przepływ jest głównym źródłem odkształceń plastycznych, a także jest bardzo wolny. Z tego powodu jest on ignorowany w wielu zastosowaniach materiałów ceramicznych.

Właściwości elektryczne

Semiconductors

Istnieje wiele rodzajów ceramiki, które są półprzewodnikami. Większość z nich to tlenki metali przejściowych, które są półprzewodnikami II-VI, takie jak tlenek cynku.

Podczas gdy mówi się o produkcji niebieskich diod LED z tlenku cynku, ceramicy są najbardziej zainteresowani właściwościami elektrycznymi, które wykazują efekty graniczne ziarna. Jednym z najszerzej stosowanych jest warystor.

Ceramika półprzewodnikowa stosowana jest również jako czujniki gazu. Gdy przez polikrystaliczną ceramikę przepuszczane są różne gazy, zmienia się jej opór elektryczny. Dzięki dostrojeniu do możliwych mieszanek gazów można produkować bardzo tanie urządzenia.

Nadprzewodność

W pewnych warunkach, takich jak ekstremalnie niska temperatura, niektóre rodzaje ceramiki wykazują nadprzewodność. Dokładna przyczyna tego nie jest znana, ale istnieją dwie główne rodziny ceramiki nadprzewodnikowej.

Żelazo i jego krewni

Piezoelektryczność, związek pomiędzy reakcją elektryczną i mechaniczną, jest wykazywana przez dużą liczbę materiałów ceramicznych, w tym kwarc używany do pomiaru czasu w zegarkach i innych urządzeniach elektronicznych. Urządzenia takie zamieniają energię elektryczną na ruchy mechaniczne i z powrotem, tworząc stabilny oscylator.

Efekt piezoelektryczny jest generalnie silniejszy w materiałach, które wykazują również piroelektryczność, a wszystkie materiały piroelektryczne są również piezoelektryczne. Materiały te mogą być wykorzystywane do wzajemnej konwersji energii cieplnej, mechanicznej i/lub elektrycznej; na przykład, po syntezie w piecu, kryształ piroelektryczny pozostawiony do ochłodzenia bez stosowanego naprężenia na ogół gromadzi ładunek elektrostatyczny o wartości tysięcy woltów. Takie materiały są stosowane w czujnikach ruchu, gdzie niewielki wzrost temperatury z ciepłego ciała wchodzącego do pomieszczenia jest wystarczający do wytworzenia mierzalnego napięcia w krysztale.

Z kolei piroelektryczność widziana jest najsilniej w materiałach które również wykazują efekt ferroelektryczny, w których stabilny dipol elektryczny może być zorientowany lub odwrócony poprzez przyłożenie pola elektrostatycznego. Piroelektryczność jest też koniecznym następstwem działania ferroelektryczności. Może ona być wykorzystana do przechowywania informacji w kondensatorach ferroelektrycznych, elementach ferroelektrycznej pamięci RAM.

Najczęściej stosowanymi takimi materiałami są tytanian cyrkonu ołowiu i tytanian baru. Poza wyżej wymienionymi zastosowaniami, ich silna piezoelektryczna reakcja jest wykorzystywana przy projektowaniu głośników wysokoczęstotliwościowych, przetworników sonarowych, a także siłowników do mikroskopów tunelowych sił atomowych i skaningowych.

Dodatni współczynnik cieplny

Wzrost temperatury może spowodować nagłe zaizolowanie granic ziaren w niektórych półprzewodnikowych materiałach ceramicznych, głównie mieszaninach tytanianów metali ciężkich. Krytyczna temperatura przejścia może być regulowana w szerokim zakresie poprzez zmiany w chemii. W takich materiałach prąd będzie przepływał przez materiał do momentu, w którym ogrzewanie dżuli doprowadzi go do temperatury przejścia, w którym to momencie obwód zostanie przerwany, a przepływ prądu zostanie zatrzymany. Takie materiały ceramiczne są stosowane jako samodzielne elementy grzejne na przykład w układach odmrażania tylnej szyby w samochodach.

W temperaturze przejścia, reakcja dielektryczna materiału staje się teoretycznie nieskończona. Podczas gdy brak kontroli temperatury wykluczyłby jakiekolwiek praktyczne zastosowanie materiału w temperaturze bliskiej jego krytycznej, efekt dielektryczny pozostaje wyjątkowo silny nawet w znacznie wyższych temperaturach. Tytaniany o temperaturach krytycznych znacznie poniżej temperatury pokojowej stały się synonimem "ceramiki" w kontekście kondensatorów ceramicznych właśnie z tego powodu.

Ceramika niekrystaliczna: Ceramika niekrystaliczna, będąca okularami, zazwyczaj powstaje z roztopów. Szkło jest kształtowane, gdy jest całkowicie stopione, przez odlewanie, lub gdy jest w stanie lepkości toffi, metodami takimi jak dmuchanie do formy. Jeśli później obróbka cieplna spowoduje, że klasa ta stanie się częściowo krystaliczna, otrzymany materiał jest znany jako szkło-ceramiczne.

Ceramika krystaliczna: Materiały ceramiki krystalicznej nie nadają się do szerokiej gamy zastosowań. Metody postępowania z nimi mają tendencję do zaliczenia się do jednej z dwóch kategorii - albo sprawiają, że ceramika w pożądanym kształcie, przez reakcję in situ, lub przez "formowanie" proszków do pożądanego kształtu, a następnie spiekania, aby utworzyć ciało stałe. Techniki formowania ceramicznego obejmują formowanie ręczne (czasami w tym proces rotacji zwany "rzucaniem"), odlewanie wślizgowe, odlewanie taśm (używane do produkcji bardzo cienkich kondensatorów ceramicznych, itp.), formowanie wtryskowe, prasowanie na sucho i inne odmiany. (Patrz także: techniki formowania ceramicznego. Szczegóły dotyczące tych procesów opisane są w dwóch książkach wymienionych poniżej). Kilka metod wykorzystuje hybrydę pomiędzy tymi dwoma podejściami.

Produkcja na miejscu

Najczęstszym zastosowaniem tej metody jest produkcja cementu i betonu. Tutaj odwodnione proszki mieszane są z wodą. W ten sposób rozpoczynają się reakcje uwodnienia, w wyniku których wokół kruszyw tworzą się długie, zazębiające się kryształki. Z czasem powstają one w postaci stałej ceramiki.

Największy problem z tą metodą polega na tym, że większość reakcji jest tak szybka, że dobre mieszanie nie jest możliwe, co ma tendencję do uniemożliwiania budowy na dużą skalę. Jednakże, małe systemy mogą być wykonane za pomocą technik osadzania, gdzie różne materiały są wprowadzane nad podłożem, a następnie reagują i tworzą na nim ceramikę. Pociąga to za sobą zapożyczenie technik z przemysłu półprzewodnikowego, takich jak chemiczne osadzanie par, i jest bardzo przydatne w przypadku powłok.

Mają one tendencję do wytwarzania bardzo gęstej ceramiki, ale robią to powoli.

Metody oparte na spiekaniach

Zasady metod spiekania są proste. Po zrobieniu z grubsza trzymanego razem przedmiotu (zwanego "zielonym ciałem"), jest on pieczony w piecu, gdzie procesy dyfuzji powodują kurczenie się zielonego ciała. Pory w obiekcie zamykają się, tworząc gęstszy, mocniejszy produkt. Wypalanie odbywa się w temperaturze poniżej temperatury topnienia ceramiki. Praktycznie zawsze pozostaje trochę porowatości, ale prawdziwą zaletą tej metody jest to, że zielone ciało może być wyprodukowane w dowolny sposób, który można sobie wyobrazić, a mimo to być spiekane. To sprawia, że jest to bardzo wszechstronna metoda.

Istnieją tysiące możliwych udoskonaleń tego procesu. Niektóre z nich polegają na naciśnięciu zielonego korpusu w celu nadania zagęszczeniu główki i skrócenia czasu potrzebnego na spiekanie. Czasami dodaje się spoiwa organiczne, takie jak polialkohol winylowy, aby utrzymać zielone ciało razem; wypalają się one podczas wypalania (w temperaturze 200-350 °C). Czasami dodaje się smary organiczne podczas prasowania, aby zwiększyć zagęszczenie. Nierzadko zdarza się łączyć je i dodawać spoiwa i smary do proszku, a następnie prasować. (Sformułowanie tych organicznych dodatków chemicznych jest sztuką samą w sobie. Jest to szczególnie ważne w produkcji wysokowydajnej ceramiki, jak te używane przez miliardy w elektronice, w kondensatorach, induktorach, czujnikach, itp. Specjalistyczne formuły najczęściej używane w elektronice są wyszczególnione w książce "Tape Casting", R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.). Kompleksowa książka na ten temat, zarówno dla zastosowań mechanicznych jak i elektronicznych, to "Organic Additives and Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

W miejsce proszku można użyć gnojowicy, a następnie odlać ją na żądany kształt, wysuszyć, a następnie spiekać. Rzeczywiście, tradycyjne garncarstwo wykonuje się tą metodą, przy użyciu plastikowej mieszaniny obrabianej ręcznie.

Jeżeli mieszanina różnych materiałów jest używana razem w ceramice, temperatura spiekania jest czasami wyższa od temperatury topnienia jednego mniejszego składnika - spiekania w fazie ciekłej. Powoduje to skrócenie czasu synteryzacji w porównaniu ze spiekaniem w stanie stałym.

• Niektóre noże są ceramiczne. Ceramiczne ostrze noża pozostanie ostre przez znacznie dłuższy czas, chociaż jest bardziej kruche i może zostać złamane przez upuszczenie go na twardej powierzchni.

• Ceramika, taka jak korund i węglik boru, została wykorzystana w pancerzach do odpychania pocisków. Podobny materiał jest używany do ochrony kokpitów niektórych samolotów wojskowych, ze względu na małą wagę materiału.

• Kulki ceramiczne mogą być używane do zastąpienia stali w łożyskach kulkowych. Ich wyższa twardość sprawia, że wytrzymują one trzy razy dłużej. Ponadto mniej się odkształcają pod wpływem obciążenia, co oznacza, że mają mniejszy kontakt ze ścianami koszyka łożyska i mogą się szybciej toczyć. W zastosowaniach o bardzo dużych prędkościach obrotowych, ciepło pochodzące z tarcia podczas toczenia może powodować problemy w łożyskach metalowych; problemy, które są zmniejszone przez zastosowanie ceramiki. Ceramika jest również bardziej odporna chemicznie i może być stosowana w wilgotnych środowiskach, w których łożyska stalowe mogłyby rdzewieć. Główną wadą stosowania ceramiki jest jej wysoki koszt.

• Na początku lat 80-tych Toyota przeprowadziła badania nad ceramicznym silnikiem adiabatycznym, który może pracować w temperaturze ponad 6000°F (3300 °C). Silniki ceramiczne nie wymagają układu chłodzenia, co pozwala na znaczną redukcję masy, a tym samym większą oszczędność paliwa. Efektywność paliwowa gorętszego silnika jest również wyższa według twierdzenia Carnota. W silniku metalicznym duża część energii uwalnianej z paliwa musi być odprowadzana jako ciepło odpadowe, aby nie stopić części metalowych. Pomimo tych wszystkich pożądanych właściwości, takie silniki nie są w produkcji, ponieważ produkcja części ceramicznych w wymaganej precyzji i trwałości jest trudna. Niedoskonałość ceramiki prowadzi do pęknięć, które mogą zniszczyć silnik, być może w wyniku wybuchu. Masowa produkcja nie jest możliwa przy zastosowaniu obecnej technologii.

• Części ceramiczne do silników z turbiną gazową mogą być praktyczne. Obecnie nawet łopatki wykonane z zaawansowanych stopów metali używanych w gorącej części silnika wymagają chłodzenia i starannego ograniczania temperatury pracy. Silniki turbinowe wykonane z materiałów ceramicznych mogą pracować wydajniej, dając samolotom większy zasięg i ładowność za określoną ilość paliwa.

• Bio-ceramika obejmuje implanty dentystyczne i kości syntetyczne. Hydroksyapatyt, naturalny mineralny składnik kości, został wytworzony syntetycznie z wielu biologicznych i chemicznych źródeł i może być formowany w materiały ceramiczne. Implanty ortopedyczne wykonane z tych materiałów łatwo łączą się z kością i innymi tkankami w organizmie bez odrzucenia i reakcji zapalnych. Z tego powodu cieszą się one dużym zainteresowaniem jako rusztowania do przenoszenia genów i inżynierii tkankowej. Większość hydroksyapatytowych materiałów ceramicznych jest bardzo porowata i pozbawiona wytrzymałości mechanicznej. Są one używane do pokrywania metalowych urządzeń ortopedycznych, aby pomóc w tworzeniu wiązania z kością lub jako wypełniacze kostne. Stosuje się je również jako wypełniacze do plastikowych śrub ortopedycznych w celu zmniejszenia stanu zapalnego i zwiększenia wchłaniania tych materiałów plastikowych. Wykonuje się prace mające na celu wytworzenie mocnych, w pełni gęstych nanokrystalicznych hydroksyapatytowych materiałów ceramicznych do ortopedycznych urządzeń nośnych, zastępując obce metalowe i plastikowe materiały ortopedyczne syntetycznym, ale naturalnie występującym minerałem kostnym. Ostatecznie te materiały ceramiczne mogą być stosowane jako zamienniki kości lub z włączeniem kolagenu białkowego, kości syntetycznych.

• W obudowach zegarków stosowana jest nowoczesna ceramika. Materiał ten jest ceniony za swoją lekkość, odporność na zarysowania, trwałość i gładkość w dotyku. IWC jest jedną z marek, które zainicjowały wykorzystanie ceramiki w zegarmistrzostwie.