Kerámia - Ceramic

Ez a cikk a kerámia anyagtulajdonságairól szól. A többi felhasználást lásd: Kerámia (egyértelműsítés) .
A kerámia rövid idővonala különböző stílusokban

A kerámia a különböző kemény, törékeny, hőálló és korrózióálló anyagok bármelyike, amelyet egy szervetlen, nemfémes anyag, például agyag magas hőmérsékleten történő alakításával, majd égetésével készítenek . Gyakori példák a cserép , a porcelán és a tégla .

A legkorábbi, emberek által készített kerámiák cserépedények ( edények vagy edények ) vagy agyagból készült figurák , önmagukban vagy más anyagokkal, például szilícium -dioxiddal keverve , megkeményedve és tűzben szinterezve . Később a kerámiákat üvegezték és égették, hogy sima, színes felületeket hozzanak létre, csökkentve a porozitást üvegszerű, amorf kerámiabevonatok használatával a kristályos kerámia aljzatok tetején. A kerámiák ma már háztartási, ipari és építőipari termékeket is tartalmaznak, valamint széles körű anyagokat fejlesztettek ki a fejlett kerámiatechnika, például a félvezetők számára .

A szó „ kerámia ” származik a görög szó κεραμικός ( Keramikos ), „kerámia” vagy „a fazekas” , ettől κέραμος ( Keramos ), „fazekas agyag, kő, kerámia” . A "ceram-" gyök legkorábbi ismert említése a mükénéi görög ke-ra-me-mi , a kerámia munkásai, lineáris B szótaggal írva . A kerámia szót melléknévként lehet használni egy anyag, termék vagy folyamat leírására, vagy főnévként, akár egyes számban, akár gyakrabban, mint "kerámia" többes számú főnevet.

Anyagok

Alacsony nagyítású SEM mikrográf fejlett kerámia anyagból. A kerámia tulajdonságai miatt a törés fontos vizsgálati módszer.

A kerámiaanyag szervetlen, nemfém-oxid, nitrid vagy karbid anyag. Egyes elemek, például a szén vagy a szilícium , kerámiának tekinthetők. A kerámia anyagok törékenyek, kemények, erősek a nyomásban, és gyengék a nyírásban és a feszítésben. Ellenállnak a kémiai eróziónak, amely más anyagokban fordul elő savas vagy maró környezetben. A kerámia általában ellenáll a nagyon magas hőmérsékletnek, 1000 ° C és 1600 ° C között.

A kerámia anyagok kristályossága nagyon eltérő. Leggyakrabban az égetett kerámiák vagy üvegesednek, vagy félig üvegesednek, mint a fajansz, kőedény és porcelán esetében. Az ionos és kovalens kötések változó kristályossága és elektronösszetétele miatt a legtöbb kerámiaanyag jó hőszigetelő és elektromos szigetelő (a kerámiamérnöki kutatások szerint ). A kerámia összetételére/szerkezetére vonatkozó lehetséges lehetőségek széles skálájával (szinte az összes elem, szinte minden típusú kötés és minden kristályossági szint) a téma szélessége hatalmas és azonosítható tulajdonságok ( keménység , szívósság , elektromos vezetőképesség ) nehéz meghatározni a csoport egészére vonatkozóan. Általános tulajdonságok, mint például a magas olvadási hőmérséklet, a nagy keménység, a rossz vezetőképesség, a nagy rugalmassági modulusok , a kémiai ellenállás és az alacsony képlékenység a norma, ezen szabályok mindegyikétől ismert kivételekkel ( piezoelektromos kerámia , üvegátmenet hőmérséklet, szupravezető kerámia ). Sok kompozit, például üvegszál és szénszál , amelyek kerámiaanyagokat tartalmaznak, nem tekinthetők a kerámiacsalád tagjainak.

A nagy orientációjú kristályos kerámia anyagok nem alkalmasak a feldolgozás nagy választékára. A kezelésük módszerei általában a két kategória egyikébe tartoznak - vagy a kerámiát a kívánt formára alakítják, in situ reakcióval , vagy a porokat a kívánt formára "alakítják", majd szinterelik, hogy szilárd testet képezzenek. A kerámiaformázási technikák közé tartozik a kézi formázás (néha magában foglalja a "dobás" nevű forgási folyamatot), csúsztatásos öntés , szalagöntés (nagyon vékony kerámia kondenzátorok készítéséhez használják), fröccsöntés , száraz préselés és egyéb variációk.

Sok kerámia szakértő nem tekinti az amorf (nem kristályos) karakterű anyagokat (azaz az üveget) kerámiának, annak ellenére, hogy az üveggyártás a kerámiafolyamat több lépését foglalja magában, és mechanikai tulajdonságai hasonlóak a kerámia anyagokhoz. Azonban, hőkezelések tudja alakítani üveg egy félig kristályos anyag ismert üvegkerámia .

A hagyományos kerámia nyersanyagok közé tartoznak az agyagásványok, mint például kaolinit , mivel több utóbbi anyagok közé tartoznak az alumínium-oxid, ismertebb nevén alumínium-oxid . A korszerű kerámiák közé tartoznak a fejlett kerámiák, a szilícium -karbid és a wolfram -karbid . Mindkettőt kopásállóságuk miatt értékelik, és ezért olyan alkalmazásokban is használhatók, mint a zúzóberendezések kopólemezei a bányászati ​​műveletekben. A fejlett kerámiákat a gyógyszeriparban, az elektromos iparban, az elektronikai iparban és a páncélzatban is használják.

Történelem

Úgy tűnik, hogy az emberek legalább 26 000 éve készítik saját kerámiájukat, és agyagot és szilícium -dioxidot heves hőnek teszik ki, hogy összeolvadjanak és kerámiaanyagokat képezzenek. A legkorábbi, amelyet Dél -Közép -Európában találtak, faragott figurák voltak, nem edények. A legkorábbi ismert kerámia állati eredetű termékek agyaggal való összekeverésével készült, és kemencében 800 ° C -on sütötték. Míg a tényleges cserépdarabokat 19 000 éves korig találták meg, csak körülbelül tízezer évvel később vált általánossá a rendszeres kerámia. Egy korai nép, amely Európa nagy részén elterjedt, a kerámia használatáról, a Zsinóros Ware kultúráról kapta a nevét . Ezek a korai indoeurópai népek még nedvesen díszítették cserépedényeiket, kötéllel csomagolva. A kerámiák égetésekor a kötél leégett, de összetett barázdákból álló dekoratív mintát hagyott a felületen.

Zsinórtartalmú kultúrkerámia ie 2500-ból.

A kerék feltalálása végül simább, egyenletesebb kerámia előállításához vezetett a kerékformázó technikával, mint a kerámiakerék . A korai kerámiák porózusak voltak, könnyen elnyelték a vizet. Hasznosabbá vált több tárgy számára az üvegezési technikák felfedezésével, a kerámia bevonásával szilíciummal, csonthamuval vagy más anyagokkal, amelyek megolvadhatnak és üvegszerű felületké válhatnak, így az edény kevésbé átjárható a vízen.

Régészet

A kerámia tárgyak fontos szerepet játszanak a régészetben a múlt népeinek kultúrájának, technológiájának és viselkedésének megértésében. Ezek közül a leggyakoribb leletek találhatók egy régészeti lelőhely, általában formájában a kis letört kerámia nevezett kerámiát . Az összegyűjtött szilánkok feldolgozása két fő elemzési típussal lehet összhangban: technikai és hagyományos.

A hagyományos elemzés magában foglalja a kerámia műtárgyak, töredékek és nagyobb töredékek osztályozását meghatározott típusokba stílus, összetétel, gyártás és morfológia alapján. Ezen tipológiák megalkotásával meg lehet különböztetni a különböző kulturális stílusokat, a kerámia célját és az emberek technológiai állapotát más következtetések között. Ezenkívül a kerámiák időbeli stílusváltozásait vizsgálva lehetséges a kerámiák különálló diagnosztikai csoportokba (összeállításokba) sorolása (sorozata). A kerámia leletek és az ismert dátumú összeállítások összehasonlítása lehetővé teszi e darabok időrendi hozzárendelését.

A kerámiaelemzés technikai megközelítése magában foglalja a kerámia műtermékek és szilánkok összetételének finomabb vizsgálatát, hogy meghatározza az anyag forrását és ezen keresztül a lehetséges gyártási helyet. A kulcsfontosságú kritériumok az agyag összetétele és a vizsgált cikk gyártásakor használt temperáció : az edzés olyan anyag, amelyet az agyaghoz adnak a kezdeti gyártási szakaszban, és amelyet a későbbi szárítási folyamat segítésére használnak. Az indulat típusai közé tartoznak a héjdarabok, a gránitdarabok és a „grog” nevű őrölt pépes darabok. Az indulatot általában az edzett anyag mikroszkópos vizsgálatával azonosítják. Az agyag azonosítását a kerámia újratöltése és a szín hozzárendelése határozza meg a Munsell Soil Color jelöléssel. Az agyag- és az indulat -összetétel becslésével, valamint egy olyan régió felkutatásával, ahol mindkettő ismert, előfordulhat az anyagforrás hozzárendelése. A műtárgy forráskiosztásából további vizsgálatokat lehet végezni a gyártás helyén.

Tulajdonságok

Bármely kerámiaanyag fizikai tulajdonságai kristályos szerkezetének és kémiai összetételének közvetlen következményei. A szilárdtest-kémia feltárja a mikrostruktúra és a tulajdonságok közötti alapvető kapcsolatot, például a lokalizált sűrűségváltozásokat, a szemcseméret-eloszlást, a porozitás típusát és a második fázis tartalmát, amelyek mind korrelálhatnak a kerámiatulajdonságokkal, például a Hall mechanikai szilárdságával. Petch egyenlet, keménység , szívósság , dielektromos állandó és az átlátszó anyagok optikai tulajdonságai .

Ceramography a művészet és a tudomány az előkészítés, vizsgálat és értékelés kerámia mikrostruktúrák. A kerámia mikrostruktúrák értékelését és jellemzését gyakran hasonló térbeli skálákon hajtják végre, mint amilyeneket a nanotechnológia feltörekvő területén általában használnak: az ångström (Å) tíztől a tíz mikrométerig (µm). Ez általában valahol a látható fény minimális hullámhossza és a szabad szem felbontási határa között van.

A mikrostruktúra magában foglalja a legtöbb szemcsét, másodlagos fázisokat, szemcsehatárokat, pórusokat, mikrorepedéseket, szerkezeti hibákat és keménységű mikro bemélyedéseket. A legtöbb ömlesztett mechanikai, optikai, termikus, elektromos és mágneses tulajdonságot jelentősen befolyásolja a megfigyelt mikrostruktúra. A gyártási módszert és az eljárás körülményeit általában a mikrostruktúra jelzi. Sok kerámiahiba kiváltó oka nyilvánvaló a hasított és csiszolt mikrostruktúrában. Az anyagtudomány és a mérnöki terület fizikai tulajdonságai a következők:

Mechanikai tulajdonságok

Vágótárcsák szilícium -karbidból

A mechanikai tulajdonságok fontosak a szerkezeti és építőanyagokban, valamint a textilszövetekben. A modern anyagtudományban a törésmechanika fontos eszköz az anyagok és alkatrészek mechanikai teljesítményének javításában. Alkalmazza a feszültség és a deformáció fizikáját , különösen a rugalmasság és plaszticitás elméleteit a valódi anyagokban található mikroszkopikus kristálytani hibákra , hogy megjósolja a testek makroszkopikus mechanikai meghibásodását. A fraktográfiát széles körben használják a törésmechanikában, hogy megértsék a meghibásodások okait, és igazolják az elméleti meghibásodási előrejelzéseket a valós hibákkal.

A kerámia anyagok általában ionos vagy kovalens kötésű anyagok. Az egyik kötés által összetartott anyag hajlamos a törésre, mielőtt bármilyen plasztikai deformáció bekövetkezik, ami gyenge szívósságot eredményez ezekben az anyagokban. Továbbá, mivel ezek az anyagok általában porózusak, a pórusok és más mikroszkopikus hiányosságok feszültségkoncentrátorként működnek, tovább csökkentve a szívósságot és csökkentve a szakítószilárdságot . Ezek együttesen katasztrofális hibákat eredményeznek , szemben a fémek képlékenyebb meghibásodási módjaival .

Ezek az anyagok plasztikus deformációt mutatnak . A kristályos anyag merev szerkezete miatt azonban nagyon kevés csúszási rendszer áll rendelkezésre a diszlokációk mozgására, és ezért nagyon lassan deformálódnak.

A törékeny viselkedés leküzdése érdekében a kerámiaanyag -fejlesztés bevezette a kerámia mátrix kompozit anyagok osztályát , amelybe kerámiaszálak vannak beépítve, és speciális bevonatokkal szálhidakat képeznek minden repedésen. Ez a mechanizmus lényegesen növeli az ilyen kerámiák törésállóságát. A kerámia tárcsafékek egy példa egy speciális eljárással előállított kerámia mátrix kompozit anyag használatára.

Jégsablonozás a fokozott mechanikai tulajdonságok érdekében

Ha a kerámia jelentős mechanikai terhelésnek van kitéve, akkor a jeges sablonozásnak nevezett eljárást végezheti el , amely lehetővé teszi a kerámiatermék mikrostruktúrájának némi szabályozását, és ezáltal a mechanikai tulajdonságok bizonyos mértékű szabályozását. A kerámiamérnökök ezzel a technikával hangolják a mechanikai tulajdonságokat a kívánt alkalmazáshoz. Konkrétan az erő növekszik, ha ezt a technikát alkalmazzák. A jégsablonozás lehetővé teszi makroszkopikus pórusok létrehozását egyirányú elrendezésben. Ennek az oxid -erősítő technikának az alkalmazása fontos a szilárd oxid tüzelőanyag -cellák és a vízszűrő berendezések esetében.

A minta jéggéppel történő feldolgozásához vizes kolloid szuszpenziót készítünk, amely az oldott kerámiaport egyenletesen eloszlatja a kolloidban, például Yttria-stabilizált cirkónium-oxidot (YSZ). Az oldatot ezután alulról felfelé hűtjük egy platformon, amely lehetővé teszi az egyirányú hűtést. Ez arra kényszeríti a jégkristályokat, hogy az egyirányú hűtésnek megfelelően növekedjenek, és ezek a jégkristályok az oldott YSZ-részecskéket a szilárd-folyadék közötti fázis határának megszilárdulási elejére kényszerítik, ami azt eredményezi, hogy tiszta jégkristályok sorakoznak egyirányban a kolloid részecskék koncentrált zsebei mellett. A mintát ezután egyidejűleg felmelegítik, és a nyomást annyira lecsökkentik, hogy a jégkristályokat szublimálni kényszerítsék, és az YSZ zsebek együtt kezdenek izzani , makroszkóposan igazított kerámia mikrostruktúrákat képezve. A mintát ezután tovább szinterezik, hogy befejezze a maradék víz elpárolgását és a kerámia mikrostruktúra végleges megszilárdulását.

A jégformázás során néhány változó szabályozható, hogy befolyásolja a mikrostruktúra pórusméretét és morfológiáját. Ezek a fontos változók a kolloid kezdeti szilárdanyag -terhelése, a hűtési sebesség, a szinterelési hőmérséklet és az időtartam, valamint bizonyos adalékanyagok használata, amelyek befolyásolhatják a mikrostrukturális morfológiát a folyamat során. E paraméterek jó ismerete elengedhetetlen az anizotróp porózus anyagok feldolgozása, mikrostruktúrája és mechanikai tulajdonságai közötti összefüggések megértéséhez.

Elektromos tulajdonságok

Félvezetők

Néhány kerámia félvezető . Ezek többsége átmenetifém-oxid, amely II-VI félvezető, például cink-oxid . Míg a cink-oxidból kék LED - ek tömeggyártására van kilátás , a kerámiákat leginkább a szemcsehatásokat mutató elektromos tulajdonságok érdeklik . Ezek közül az egyik legszélesebb körben használt a varisztor. Ezek olyan eszközök, amelyek azt a tulajdonságot mutatják, hogy az ellenállás élesen csökken egy bizonyos küszöbfeszültség mellett . Amint a készülék feszültsége eléri a küszöbértéket, a szemcsehatárok közelében az elektromos szerkezet meghibásodik , ami azt eredményezi, hogy elektromos ellenállása több megohmról néhány száz ohmra csökken . Ezek fő előnye, hogy sok energiát képesek elvezetni, és önállóan visszaállnak; miután a készülék feszültsége a küszöb alá süllyed, az ellenállása ismét magas lesz. Így ideálisak túlfeszültség-védelmi alkalmazásokhoz; mivel szabályozható a küszöbfeszültség és az energiatolerancia, mindenféle alkalmazásban találnak felhasználást. Képességük legjobb bizonyítéka az elektromos alállomásokon található , ahol védik az infrastruktúrát a villámcsapásoktól . Gyors reagálásúak, alacsony karbantartási igényűek, és nem romlanak jelentősen a használattól, így gyakorlatilag ideális eszközök ezekhez az alkalmazásokhoz. Félvezető kerámiákat is alkalmaznak gázérzékelőként . Amikor különböző gázokat vezetnek át egy polikristályos kerámián, annak elektromos ellenállása megváltozik. A lehetséges gázkeverékekre hangolva nagyon olcsó eszközöket lehet előállítani.

Szupravezetés

A Meissner -effektust egy mágnes lebegtetése mutatja egy kuprát szupravezető felett, amelyet folyékony nitrogén hűt

Bizonyos körülmények között, például rendkívül alacsony hőmérsékleten, egyes kerámiák magas hőmérsékletű szupravezető képességet mutatnak . Ennek okát nem értik, de két nagy szupravezető kerámiacsalád létezik.

Ferroelektromos és szuperkészletek

A piezoelektromosságot , az elektromos és mechanikai válasz közötti kapcsolatot számos kerámiaanyag mutatja, beleértve az órákban és más elektronikában használt időméréshez használt kvarcot is . Az ilyen eszközök a piezoelektromos elemek mindkét tulajdonságát használják, elektromos áramot használva mechanikus mozgás előállítására (a készülék áramellátására), majd ezt a mechanikus mozgást villamos energia előállítására (jel generálása). A mért időegység az a természetes intervallum, amely ahhoz szükséges, hogy a villamos energiát mechanikai energiává alakítsák, majd vissza.

A piezoelektromos hatás általában erősebb azokban az anyagokban, amelyek szintén piroelektromosak , és minden piroelektromos anyag szintén piezoelektromos. Ezek az anyagok felhasználhatók a hő-, mechanikai vagy elektromos energia közötti átalakításra; például egy kemencében történő szintézis után egy piroelektromos kristály, amelyet hagytak lehűlni feszültség nélkül, általában több ezer voltos statikus töltést hoz létre. Az ilyen anyagokat mozgásérzékelőkben használják , ahol a helyiségbe belépő meleg test apró hőmérséklet -emelkedése elegendő ahhoz, hogy mérhető feszültséget hozzon létre a kristályban.

Viszont a piroelektromosság a legerősebben a ferroelektromos hatást is mutató anyagokban látható , amelyekben egy stabil elektromos dipólus irányítható vagy fordítható elektrosztatikus mező alkalmazásával. A piroelektromosság szintén szükséges következménye a ferroelektromosságnak. Ez használható információ tárolására a ferroelektromos kondenzátorokban , a ferroelektromos RAM elemeiben .

A leggyakoribb ilyen anyagok az ólom -cirkonát -titanát és a bárium -titanát . A fent említett felhasználásokon kívül erős piezoelektromos válaszukat kihasználják a nagyfrekvenciás hangszórók , a szonárok átalakítói , valamint az atomerő és a pásztázó alagútmikroszkópok működtetésében .

Pozitív termikus együttható

Szilícium -nitrid rakétahajtómű. Balra: tesztállványra szerelve. Jobbra: H 2 /O 2 hajtóanyaggal tesztelik

A hőmérséklet emelkedése miatt a szemcsék határai hirtelen szigetelővé válhatnak néhány félvezető kerámiaanyagban, főleg nehézfém -titanátok keverékeiben . A kritikus átmeneti hőmérséklet széles tartományban állítható be a kémia változásaival. Az ilyen anyagokban az áram átmegy az anyagon, amíg a joule -hevítés az átmeneti hőmérsékletre nem juttatja , ekkor az áramkör megszakad, és az áramlás megszűnik. Az ilyen kerámiákat önvezérelt fűtőelemként használják például az autók hátsó ablakának leolvasztási körében.

Az átmeneti hőmérsékleten az anyag dielektromos reakciója elméletileg végtelenné válik. Míg a hőmérséklet -szabályozás hiánya kizárja az anyag gyakorlati alkalmazását a kritikus hőmérséklete közelében, a dielektromos hatás kivételesen erős marad még sokkal magasabb hőmérsékleten is. A titánok, amelyek kritikus hőmérséklete jóval a szobahőmérséklet alatt van, a kerámia kondenzátorok kontextusában éppen ezért a "kerámia" szinonimájává váltak.

Optikai tulajdonságok

Cermax xenon ívlámpa szintetikus zafír kimeneti ablakkal

Az optikailag átlátszó anyagok arra összpontosítanak, hogy az anyag hogyan reagál a hullámhossz -tartományú bejövő fényhullámokra. A frekvenciaszelektív optikai szűrők felhasználhatók a digitális kép fényerejének és kontrasztjának megváltoztatására vagy növelésére. Irányított Lightwave átvitel jelentése szelektív hullámvezetők magában foglalja a feltörekvő területén a rost optika és a képesség az egyes üveges kompozíciók, mint egy átviteli közeg egy frekvenciatartományban egyidejűleg ( multi-mode optikai szál ) alig vagy egyáltalán nem zavaró , egymással versenyző hullámhosszakon vagy frekvenciákon. Ez rezonáns módban az energia és adatátvitel útján elektromágneses (fény) hullámterjedés , bár alacsony feszültségű, gyakorlatilag veszteségmentes. Az optikai hullámvezetőket az integrált optikai áramkörök alkatrészeként (pl. Fénykibocsátó diódák , LED-ek) vagy a helyi és hosszú távú optikai kommunikációs rendszerek átviteli közegeként használják . A feltörekvő anyagtudós számára is értékes az anyagok érzékenysége az elektromágneses spektrum termikus infravörös (IR) részének sugárzására . Ez a hőkereső képesség felelős az olyan sokféle optikai jelenségért, mint az éjszakai látás és az IR lumineszcencia .

Így a katonai szektorban egyre nagyobb szükség van olyan nagy szilárdságú, robusztus anyagokra, amelyek képesek fényt ( elektromágneses hullámokat ) átvinni a látható (0,4-0,7 mikrométeres) és közepes infravörös (1-5 mikrométeres) területeken. a spektrum. Ezekre az anyagokra szükség van olyan alkalmazásokhoz, amelyek átlátszó páncélzatot igényelnek , beleértve a következő generációs nagysebességű rakétákat és tokokat, valamint a robbanószerkezetek (IED) elleni védelmet.

A hatvanas években a General Electric (GE) tudósai felfedezték, hogy megfelelő gyártási körülmények között egyes kerámiák, különösen az alumínium -oxid ( alumínium -oxid ) áttetszővé tehetők . Ezek az áttetsző anyagok elég átlátszók voltak ahhoz, hogy a nagynyomású nátrium utcai lámpákban előállított elektromos plazmát tartalmazzák . Az elmúlt két évtizedben, más típusú átlátszó kerámia fejlesztettek alkalmazások, mint például az orr kúp hő-kereső rakéták , ablakok számára harci repülőgépek és szcintillációs számlálók számára kiszámított tomográfia szkennerek. Más kerámiaanyagok, amelyek összetételében általában nagyobb tisztaságot igényelnek, mint a fentiek, számos kémiai vegyület formáját tartalmazzák, beleértve:

  1. Bárium -titanát : (gyakran stroncium -titanáttal keverve ) ferroelektromosságot mutat , ami azt jelenti, hogy mechanikai, elektromos és termikus reakciói c
  2. A Sialon ( szilícium -alumínium -oxinitrid ) nagy szilárdságú; ellenáll a hősokknak, a vegyszereknek és a kopásnak, valamint alacsony sűrűségű. Ezeket a kerámiákat a színesfém olvadt fémek kezelésében, hegesztőcsapokban és a vegyiparban használják.
  3. Szilícium-karbid (SiC) használják szuszceptor mikrohullámú kemencék, egy általánosan használt csiszolóanyag, és mint tűzálló anyagból.
  4. Csiszolóporként szilícium -nitridet (Si 3 N 4 ) használnak.
  5. Zsírkő (magnézium szilikát) használunk, mint egy elektromos szigetelő .
  6. Titán-karbid Űrsikló-visszatérő pajzsokban és karcálló órákban.
  7. Urán-oxid ( U O 2 ) , használt üzemanyag a nukleáris reaktorok .
  8. Ittrium -bárium -réz -oxid (Y Ba 2 Cu 3 O 7 − x ) , egy másik magas hőmérsékletű szupravezető .
  9. Cink -oxid ( Zn O) , amely félvezető , és amelyet varisztorok építésére használnak.
  10. A cirkónium -dioxid ( cirkónium -dioxid ) , amely tiszta formában számos fázisváltozáson megy keresztüla szobahőmérséklet és a gyakorlati szinterezési hőmérséklet között, kémiailag "stabilizálható" többféle formában. Magas oxigénion -vezetőképessége azt javasolja, hogy üzemanyagcellákban és autóipari oxigénérzékelőkben használják . Egy másik változatban a metastabil szerkezetek átalakítási keményedést kölcsönözhetnekmechanikai alkalmazásokhoz; a legtöbb kerámia kés penge ebből az anyagból készül. A részben stabilizált cirkónium -oxid (PSZ) sokkal kevésbé törékeny, mint más kerámiák, és fémformázó szerszámokhoz, szelepekhez és bélésekhez, csiszolószuszpenziókhoz, konyhai késekhez és erős kopásnak kitett csapágyakhoz használják.
Konyhai kés kerámia pengével

Termékek

Használat szerint

A kényelem érdekében a kerámiatermékeket általában négy fő típusra osztják; ezeket az alábbiakban néhány példával mutatjuk be:

  1. Szerkezeti, beleértve a téglát , csöveket , padló- és tetőcserepeket
  2. A tűzálló , mint a kemence bélés, gáz tűz sugárzókat, acél és üveg így tégelyeket
  3. Fehéráruk, beleértve az edényeket , edényeket, fali csempéket, kerámiatermékeket és szanitereket
  4. Műszaki, más néven mérnöki, fejlett, speciális és finom kerámiák. Ilyen elemek a következők:
    1. gázégő fúvókák
    2. ballisztikus védelem , járműpáncél
    3. nukleáris üzemanyag urán -oxid pellet
    4. biomedikai implantátumok
    5. sugárhajtómű -turbina lapátok bevonatai
    6. Kerámia mátrix kompozit gázturbina alkatrészek
    7. Megerősített szén -szén kerámia tárcsafékek
    8. rakéta orr kúpjai
    9. csapágy (mechanikus)
    10. az űrsikló programban használt csempe

Kerámiák agyagból

Fő cikk: Kerámia

A modern kerámiák alapanyagai gyakran nem tartalmaznak agyagot. Ezeket az alábbiak szerint osztályozzák:

  1. Fajansz , más hőmérsékleteknél alacsonyabb hőmérsékleten égetve
  2. Kőedények , üveges vagy félig üveges
  3. Porcelán , amely nagy mennyiségű kaolint tartalmaz
  4. Csont Kína

Osztályozás

A kerámiákat három különböző anyagkategóriába is sorolhatjuk:

  1. Oxidok : alumínium-oxid , berillium- , cérium-oxid , cirkónium-oxid
  2. Nem oxidok: karbid , borid , nitrid , szilícium
  3. Kompozit anyagok : részecskékkel megerősített, szállal megerősített , oxidok és nonoxidokkombinációi.

Ezen osztályok mindegyike egyedi anyagtulajdonságokká fejleszthető.

Alkalmazások

  1. Késpengék: a kerámia kés pengéje sokkal tovább marad éles, mint egy acél késé, bár törékenyebb és törékenyebb.
  2. Szén-kerámia féktárcsák: a járművek ellenállnak a fék elhalványulásának magas hőmérsékleten.
  3. A "fejlett kompozit kerámia és fém mátrixokat" a legtöbb modern páncélozott harci járműhöz tervezték, mivel kiváló áthatolási ellenállást biztosítanak a formázott töltésekkel ( HEAT -körök) és a kinetikus energia behatolókkal szemben .
  4. "Kerámiákat, például alumínium-oxidot és bór-karbidot " használtak ballisztikus páncélozott mellényekben a nagy sebességű puskatűz visszaszorítására . Az ilyen lemezeket általában kézi lőfegyvereket védő betétekként vagy SAPI -ként ismerik . Hasonló anyagot használnak néhány katonai repülőgép pilótafülkéjének védelmére az anyag kis súlya miatt.
  5. Kerámia használható acél helyett golyóscsapágyakhoz . Nagyobb keménységük miatt sokkal kevésbé hajlamosak a kopásra, és általában háromszoros élettartamúak egy acél alkatrésznél. Ezenkívül kevésbé deformálódnak terhelés alatt, vagyis kevésbé érintkeznek a csapágytartó falakkal, és gyorsabban tudnak gurulni. Nagyon nagy sebességű alkalmazásoknál a hengerlés közbeni súrlódásból származó hő problémákat okozhat a fémcsapágyaknál, amelyeket kerámia használata csökkent. A kerámia kémiailag is ellenállóbb, és nedves környezetben is használható, ahol az acélcsapágyak rozsdásodnak. Bizonyos esetekben elektromos szigetelő tulajdonságaik értékesek lehetnek a csapágyakban is. A kerámiacsapágyak két hátránya a lényegesen magasabb költségek és hajlamosak a rázkódásokkal járó sérülésekre.
  6. A nyolcvanas évek elején a Toyota egy adiabatikus motor gyártását kutatta kerámia alkatrészek felhasználásával a forró gáz területén. A kerámia 1650 ° C feletti hőmérsékletet engedett volna meg. A várt előnyök a könnyebb anyagok és a kisebb hűtőrendszer (vagy egyáltalán nem szükséges) lett volna, ami jelentős súlycsökkenéshez vezetett. A motor üzemanyag -hatékonyságának várható növekedését (amelyet a magasabb hőmérséklet okoz, amint azt Carnot -tétel is mutatja ) kísérletileg nem lehetett igazolni; azt találtuk, hogy a forró kerámia hengerfalakon a hőátadás nagyobb volt, mint a hűvösebb fémfalra történő átvitel, mivel a fém felületén lévő hűvösebb gázfólia hőszigetelőként működik . Mindezen kívánatos tulajdonságok ellenére az ilyen motorokat nem sikerült gyártani a kerámia alkatrészek költségei és a korlátozott előnyök miatt. (A kerámiaanyag apró hiányosságai alacsony törésállóságával repedésekhez vezetnek, ami potenciálisan veszélyes berendezéshibához vezethet.) Ilyen motorok laboratóriumi körülmények között lehetségesek, de a tömeggyártás a jelenlegi technológiával nem megvalósítható.
  7. A gázturbinás motorok kerámia alkatrészeinek fejlesztésén dolgoznak . Jelenleg még a motorok forró részében használt fejlett fémötvözetekből készült pengék is hűtést és az üzemi hőmérséklet gondos korlátozását igénylik. A kerámiából készült turbómotorok hatékonyabban működhetnének, és nagyobb hatótávolságot és hasznos teherbírást biztosítanának a repülőgépeknek meghatározott üzemanyagmennyiségért.
  8. A közelmúltban előrelépések történtek a kerámiában, beleértve a biokerámiát is , például fogászati ​​implantátumokat és szintetikus csontokat. A hidroxiapatitot , a csont természetes ásványi összetevőjét, szintetikusan állították elő több biológiai és kémiai forrásból, és kerámia anyagokból formálható. Az ezekkel az anyagokkal bevont ortopédiai implantátumok könnyen kötődnek a csontokhoz és a test más szöveteihez elutasítás vagy gyulladásos reakciók nélkül, ezért nagy érdeklődést mutatnak a génszállítás és a szövettechnikai állványok szempontjából. A legtöbb hidroxiapatit kerámia nagyon porózus és nem rendelkezik mechanikai szilárdsággal, és fém ortopédiai eszközök bevonására használják, hogy elősegítsék a csonthoz való kötés kialakítását, vagy csont töltőanyagként. Ezeket ortopédiai műanyag csavarok töltőanyagaként is használják, amelyek segítenek csökkenteni a gyulladást és növelik ezeknek a műanyagoknak a felszívódását. Dolgoznak azon, hogy erős, teljesen sűrű nanokristályos hidroxiapatit kerámia anyagokat készítsenek az ortopédiai teherhordó eszközökhöz, az idegen fém és műanyag ortopédiai anyagokat szintetikus, de természetesen előforduló csontásványra cserélve. Végső soron ezek a kerámiaanyagok csontpótlóként vagy fehérje kollagének , szintetikus csontok beépítésével használhatók .
  9. A tartós aktinidtartalmú kerámiaanyagokat sokféle alkalmazásra használják, például nukleáris tüzelőanyagokban a felesleges Pu elégetésére és kémiailag inert alfa-besugárzási forrásokban pilóta nélküli űrjárművek áramellátására vagy villamos energia előállítására mikroelektronikai eszközökhöz. A radioaktív aktinidek felhasználása és ártalmatlanítása megköveteli, hogy tartós gazdaszervezetben rögzítsék őket. A nukleáris hulladékok hosszú élettartamú radionuklidjait, például az aktinideket immobilizálják kémiailag tartós kristályos anyagok felhasználásával, amelyek polikristályos kerámián és nagy egykristályokon alapulnak.
  10. A csúcstechnológiájú kerámiát az óragyártásban használják az óratokok gyártásához. Az anyagot az óragyártók értékelik könnyű, karcállóságuk, tartósságuk és sima tapintásuk miatt. Az IWC egyike azoknak a márkáknak, amelyek elindították a kerámia használatát az óragyártásban.

Lásd még

Hivatkozások

További irodalom

Külső linkek