Ceramică

Tipuri de materiale ceramice

Pentru comoditate, produsele ceramice sunt de obicei împărțite în patru sectoare, care sunt prezentate mai jos cu câteva exemple:

• Structurale, inclusiv cărămizi, țevi, țigle de pardoseală și de acoperiș
• Materiale refractare, cum ar fi căptușeli de cuptoare, radiatoare de foc cu gaz, creuzete pentru fabricarea oțelului și a sticlei.
• Articole albe, inclusiv veselă de masă, gresie și faianță, obiecte de artă decorativă și articole sanitare
• Ceramica tehnică este cunoscută și sub numele de ceramică tehnică, avansată, specială, iar în Japonia, ceramică fină. Printre aceste articole se numără plăcile utilizate în programul navetei spațiale, duzele arzătoarelor de gaz, vestele antiglonț, peletele de oxid de uraniu pentru combustibil nuclear, implanturile biomedicale, paletele turbinelor motoarelor cu reacție și conurile din față ale rachetelor. În mod frecvent, materiile prime nu includ argile.

Exemple de ceramică

• Porțelan
• Porțelan "dur", ars la o temperatură mai ridicată.
• Porțelan cu pastă moale, ars la o temperatură mai scăzută: Porțelan osos
• Gresie, care este adesea fabricată din argilă, cuarț și feldspat
• Gresie

Clasificarea ceramicii tehnice

Ceramica tehnică poate fi, de asemenea, clasificată în trei categorii distincte de materiale:

• Oxizi: alumină, zirconiu
• Non-oxiduri: carburi, boruri, nitruri, siliciuri.
• Materiale compozite: armat cu particule, combinații de oxizi și non-oxizi

Fiecare dintre aceste clase poate dezvolta proprietăți materiale unice.

Simulare a exteriorului navetei spațiale în timp ce se încălzește la peste 1.500 °C în timpul reintrarea în atmosfera terestră.

Proprietăți ale ceramicii

Proprietăți mecanice

Materialele ceramice sunt, de obicei, materiale cu legături ionice sau covalente și pot fi cristaline sau amorfe. Un material ținut împreună prin oricare dintre aceste tipuri de legături va avea tendința de a se fractura (rupe) înainte de a avea loc orice deformare plastică, ceea ce duce la o rezistență slabă a acestor materiale. În plus, deoarece aceste materiale tind să aibă mulți pori, porii și alte imperfecțiuni microscopice acționează ca niște concentratori de tensiuni, ceea ce scade și mai mult tenacitatea și reduce rezistența la tracțiune. Toate acestea se combină pentru a da naștere la defecțiuni catastrofale, spre deosebire de modurile de defecțiune mult mai blânde ale metalelor.

Aceste materiale prezintă deformare plastică. Cu toate acestea, din cauza structurii rigide a materialelor cristaline, există foarte puține sisteme de alunecare disponibile pentru deplasarea dislocațiilor și, prin urmare, acestea se deformează foarte lent. În cazul materialelor necristaline (sticloase), curgerea vâscoasă este principala sursă de deformare plastică și este, de asemenea, foarte lentă. Din acest motiv, este ignorat în multe aplicații ale materialelor ceramice.

Proprietăți electrice

Semiconductori

Există o serie de materiale ceramice care sunt semiconductoare. Cele mai multe dintre acestea sunt oxizi de metale de tranziție care sunt semiconductori II-VI, cum ar fi oxidul de zinc.

În timp ce se vorbește despre fabricarea de LED-uri albastre din oxid de zinc, specialiștii în ceramică sunt interesați mai ales de proprietățile electrice care arată efectele limitelor de granulație. Una dintre cele mai utilizate dintre acestea este varistorul.

Ceramica semiconductoare este, de asemenea, utilizată ca senzori de gaz. Atunci când diferite gaze trec peste o ceramică policristalină, rezistența electrică a acesteia se modifică. Prin reglarea amestecurilor de gaze posibile, se pot produce dispozitive foarte ieftine.

Superconductivitate

În anumite condiții, cum ar fi temperaturile extrem de scăzute, unele materiale ceramice prezintă supraconductibilitate. Motivul exact al acestui fenomen nu este cunoscut, dar există două mari familii de ceramică supraconductoare .

Ferroelectricitatea și rudele sale

Piezoelectricitatea, o legătură între răspunsul electric și cel mecanic, este manifestată de un număr mare de materiale ceramice, inclusiv de cuarțul utilizat pentru a măsura timpul în ceasuri și alte dispozitive electronice. Astfel de dispozitive transformă electricitatea în mișcări mecanice și invers, realizând un oscilator stabil.

Efectul piezoelectric este, în general, mai puternic în materialele care prezintă și piroelectricitate, iar toate materialele piroelectrice sunt, de asemenea, piezoelectrice. Aceste materiale pot fi utilizate pentru a realiza conversia între energia termică, mecanică și/sau electrică; de exemplu, după sinteza într-un cuptor, un cristal piroelectric lăsat să se răcească fără a fi supus la nici o tensiune aplicată acumulează în general o sarcină statică de mii de volți. Astfel de materiale sunt utilizate în senzorii de mișcare, unde creșterea infimă a temperaturii datorată intrării unui corp cald în încăpere este suficientă pentru a produce o tensiune măsurabilă în cristal.

La rândul său, piroelectricitatea se manifestă cel mai puternic în materialele care prezintă și efectul feroelectric, în care un dipol electric stabil poate fi orientat sau inversat prin aplicarea unui câmp electrostatic. Piroelectricitatea este, de asemenea, o consecință necesară a feroelectricității. Aceasta poate fi utilizată pentru a stoca informații în condensatori feroelectrici, elemente ale RAM feroelectrice.

Cele mai comune materiale de acest tip sunt titanatul de zirconat de plumb și titanatul de bariu. În afară de utilizările menționate mai sus, răspunsul piezoelectric puternic al acestora este exploatat în proiectarea difuzoarelor de înaltă frecvență, a transductoarelor pentru sonar și a dispozitivelor de acționare pentru microscoapele cu forță atomică și microscoapele cu tunelare de scanare.

Coeficient termic pozitiv

Creșterile de temperatură pot face ca granițele granulelor să devină brusc izolatoare în unele materiale ceramice semiconductoare, în principal amestecuri de titanate de metale grele. Temperatura critică de tranziție poate fi ajustată pe o gamă largă prin variații chimice. În astfel de materiale, curentul va trece prin material până când încălzirea Joule îl aduce la temperatura de tranziție, moment în care circuitul va fi întrerupt și fluxul de curent va înceta. Astfel de materiale ceramice sunt utilizate ca elemente de încălzire autocontrolată, de exemplu, în circuitele de dezghețare a geamurilor din spate ale automobilelor.

La temperatura de tranziție, răspunsul dielectric al materialului devine teoretic infinit. În timp ce lipsa controlului temperaturii ar exclude orice utilizare practică a materialului în apropierea temperaturii critice, efectul dielectric rămâne excepțional de puternic chiar și la temperaturi mult mai ridicate. Titanatele cu temperaturi critice mult sub temperatura camerei au devenit sinonime cu "ceramică" în contextul condensatoarelor ceramice tocmai din acest motiv.

Clasificarea ceramicii

Ceramica necristalină: Ceramica necristalină, fiind ochelari, tinde să fie formată din topituri. Sticla este modelată fie atunci când este complet topită, prin turnare, fie atunci când se află într-o stare de vâscozitate asemănătoare cu cea a caramelului, prin metode precum suflarea într-o matriță. În cazul în care tratamentele termice ulterioare fac ca această clasă să devină parțial cristalină, materialul rezultat este cunoscut sub numele de vitroceramică.

Ceramica cristalină: Materialele ceramice cristaline nu se pretează la o gamă largă de prelucrări. Metodele de tratare a acestora tind să se încadreze într-una din cele două categorii - fie se fabrică ceramica în forma dorită, prin reacție in situ, fie se "formează" pulberi în forma dorită, iar apoi se sinterizează pentru a forma un corp solid. Tehnicile de formare a ceramicii includ modelarea manuală (uneori incluzând un proces de rotație numit "aruncare"), turnarea prin alunecare, turnarea pe bandă (utilizată pentru fabricarea condensatorilor ceramici foarte subțiri etc.), turnarea prin injecție, presarea uscată și alte variante. (A se vedea și Tehnici de formare a ceramicii. Detaliile acestor procese sunt descrise în cele două cărți enumerate mai jos). Câteva metode folosesc un hibrid între cele două abordări.

Fabricarea in situ

Cea mai frecventă utilizare a acestei metode este în producția de ciment și beton. Aici, pulberile deshidratate sunt amestecate cu apă. Astfel, se declanșează reacțiile de hidratare, care au ca rezultat formarea unor cristale lungi și întrepătrunse în jurul agregatelor. În timp, acestea dau naștere unei ceramici solide.

Cea mai mare problemă a acestei metode este că majoritatea reacțiilor sunt atât de rapide încât nu este posibilă o bună amestecare, ceea ce tinde să împiedice construcția pe scară largă. Cu toate acestea, sistemele la scară mică pot fi realizate prin tehnici de depunere, în care diversele materiale sunt introduse deasupra unui substrat și reacționează și formează ceramica pe substrat. Acest lucru împrumută tehnici din industria semiconductorilor, cum ar fi depunerea chimică în stare de vapori, și este foarte util pentru acoperiri.

Acestea au tendința de a produce ceramică foarte densă, dar o fac încet.

Metode bazate pe sinterizare

Principiile metodelor bazate pe sinterizare sunt simple. După ce se realizează un obiect care se ține aproximativ laolaltă (numit "corp verde"), acesta este copt într-un cuptor, unde procesele de difuzie determină contracția corpului verde. Porii din obiect se închid, rezultând un produs mai dens și mai rezistent. Coacerea se face la o temperatură sub punctul de topire al ceramicii. Practic, rămâne întotdeauna o anumită porozitate, dar adevăratul avantaj al acestei metode este că corpul verde poate fi produs în orice mod imaginabil și, în continuare, poate fi sinterizat. Acest lucru o face o cale foarte versatilă.

Există mii de posibilități de perfecționare a acestui proces. Unele dintre cele mai comune implică presarea corpului verde pentru a da un avans densificării și a reduce timpul de sinterizare necesar. Uneori se adaugă lianți organici, cum ar fi alcoolul polivinilic, pentru a menține corpul verde unit; aceștia se ard în timpul arderii (la 200-350 °C). Uneori se adaugă lubrifianți organici în timpul presării pentru a crește densificarea. Nu este neobișnuit să se combine acestea și să se adauge lianți și lubrifianți la o pulbere, apoi să se preseze. (Formularea acestor aditivi chimici organici este o artă în sine. Acest lucru este deosebit de important în fabricarea ceramicii de înaltă performanță, cum ar fi cele utilizate de miliarde pentru electronică, în condensatori, inductori, senzori etc. Formulările specializate cel mai frecvent utilizate în electronică sunt detaliate în cartea "Tape Casting", de R.E. Mistler și alții, Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). O carte cuprinzătoare pe această temă, atât pentru aplicațiile mecanice, cât și pentru cele electronice, este "Organic Additives and Ceramic Processing", de D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

În locul unei pulberi se poate utiliza o suspensie, care poate fi turnată în forma dorită, uscată și apoi sinterizată. Într-adevăr, ceramica tradițională este realizată cu acest tip de metodă, folosind un amestec de plastic lucrat cu mâinile.

În cazul în care un amestec de materiale diferite este utilizat împreună într-o ceramică, temperatura de sinterizare este uneori peste punctul de topire al unei componente minore - sinterizare în fază lichidă. Acest lucru duce la timpi de sinterizare mai scurți în comparație cu sinterizarea în stare solidă.

Alte aplicații ale ceramicii

• Unele cuțite sunt din ceramică. Lama de cuțit din ceramică va rămâne ascuțită mult mai mult timp decât cea din oțel, deși este mai fragilă și se poate rupe dacă o scăpați pe o suprafață dură.

• Materiale ceramice precum alumina și carbura de bor au fost folosite în vestele antiglonț pentru a respinge gloanțele. Un material similar este folosit pentru a proteja carlingile unor avioane militare, datorită greutății reduse a materialului.

• Bilele ceramice pot fi utilizate pentru a înlocui oțelul în rulmenții cu bile. Duritatea lor mai mare le face să dureze de trei ori mai mult. De asemenea, se deformează mai puțin sub sarcină, ceea ce înseamnă că au mai puțin contact cu pereții de reținere ai rulmenților și pot rula mai repede. În aplicațiile de foarte mare viteză, căldura produsă de frecarea din timpul rulării poate cauza probleme pentru rulmenții metalici; probleme care sunt reduse prin utilizarea ceramicii. Ceramica este, de asemenea, mai rezistentă din punct de vedere chimic și poate fi utilizată în medii umede, unde rulmenții din oțel ar rugini. Principalul dezavantaj al utilizării ceramicii este costul ridicat.

• La începutul anilor 1980, Toyota a cercetat un motor ceramic adiabatic care poate funcționa la o temperatură de peste 6000 °F (3300 °C). Motoarele ceramice nu necesită un sistem de răcire și, prin urmare, permit o reducere majoră a greutății și, prin urmare, o mai mare eficiență a consumului de combustibil. Eficiența consumului de combustibil a motorului mai fierbinte este, de asemenea, mai mare prin teorema lui Carnot. Într-un motor metalic, o mare parte din energia eliberată de combustibil trebuie să fie disipată sub formă de căldură reziduală, astfel încât să nu topească piesele metalice. În ciuda tuturor acestor proprietăți dezirabile, astfel de motoare nu sunt în producție, deoarece fabricarea pieselor ceramice cu precizia și durabilitatea necesare este dificilă. Imperfecțiunile ceramicii duc la fisuri, care pot distruge motorul, eventual prin explozie. Producția în masă nu este fezabilă cu tehnologia actuală.

• Piesele ceramice pentru motoarele cu turbine cu gaz pot fi practice. În prezent, chiar și lamelele realizate din aliaje metalice avansate utilizate în secțiunea fierbinte a motoarelor necesită răcire și o limitare atentă a temperaturilor de funcționare. Motoarele cu turbină realizate cu ceramică ar putea funcționa mai eficient, oferind aeronavelor o autonomie și o sarcină utilă mai mari pentru o cantitate stabilită de combustibil.

• Bioceramica include implanturile dentare și oasele sintetice. Hidroxiapatita, componenta minerală naturală a osului, a fost obținută pe cale sintetică dintr-o serie de surse biologice și chimice și poate fi transformată în materiale ceramice. Implanturile ortopedice realizate din aceste materiale se leagă ușor de os și de alte țesuturi din organism, fără respingere sau reacții inflamatorii. Din acest motiv, ele prezintă un interes deosebit pentru livrarea de gene și pentru scheletele de inginerie tisulară. Cele mai multe ceramice de hidroxiapatită sunt foarte poroase și lipsite de rezistență mecanică și sunt utilizate pentru a acoperi dispozitivele ortopedice metalice pentru a ajuta la formarea unei legături cu osul sau ca materiale de umplutură osoasă. Ele sunt, de asemenea, utilizate ca materiale de umplutură pentru șuruburile ortopedice din plastic pentru a ajuta la reducerea inflamației și pentru a crește absorbția acestor materiale plastice. Se lucrează în prezent la fabricarea unor materiale ceramice de hidroxiapatită nanocristalină puternice și complet dense pentru dispozitive ortopedice de susținere a greutății, înlocuind materialele ortopedice din metal și plastic străine cu un mineral osos sintetic, dar care apare în mod natural. În cele din urmă, aceste materiale ceramice pot fi utilizate ca înlocuitori osoși sau, prin încorporarea de colagen proteic, ca oase sintetice.

• În carcasele ceasurilor se folosește ceramică de înaltă tehnologie. Acest material este apreciat pentru greutatea sa redusă, rezistența la zgârieturi, durabilitatea și atingerea fină. IWC este una dintre mărcile care a inițiat utilizarea ceramicii în orologerie.