fyzikální vlastnosti jakékoli keramické látky jsou přímým důsledkem její krystalické struktury a chemického složení. Solid-state chemie odhaluje základní spojení mezi mikrostruktura a vlastnosti, jako je lokalizován na změnách hustoty, rozložení velikosti zrn, typ pórovitosti, a druhé fáze obsah, který může být v korelaci s keramickými vlastnosti jako je mechanická pevnost σ podle Hall-Petch rovnice, tvrdost, houževnatost, permitivita, optické vlastnosti vystavoval transparentní materiály.
Ceramografie je umění a věda o přípravě, zkoumání a hodnocení keramických mikrostruktur. Hodnocení a charakterizace keramických mikrostruktury jsou často realizovány na podobné prostorové váhy, které běžně používá v rozvíjející se oblasti nanotechnologií: od desítek angstromů (A) až desítek mikrometrů (µm). To je obvykle někde mezi minimální vlnovou délkou viditelného světla a limitem rozlišení pouhým okem.
mikrostruktura zahrnuje většinu zrn, sekundární fáze, hranice zrn, póry, mikrotrhliny, strukturální defekty a tvrdost mikro odsazení. Většina objemových mechanických, optických, tepelných, elektrických a magnetických vlastností je významně ovlivněna pozorovanou mikrostrukturou. Způsob výroby a podmínky procesu jsou obecně indikovány mikrostrukturou. Hlavní příčina mnoha keramických poruch je patrná ve štěpené a leštěné mikrostruktuře. Fyzikální vlastnosti, které tvoří oblast vědy o materiálech a inženýrství, zahrnují následující:
Mechanické propertiesEdit
Mechanické vlastnosti jsou důležité v konstrukčních a stavebních materiálů, stejně jako textilních tkanin. V moderní vědě o materiálech je lomová mechanika důležitým nástrojem při zlepšování mechanického výkonu materiálů a součástí. To se týká fyziky stresu a napětí, zejména teorie pružnosti a plasticity, mikroskopické krystalografické vady nalezené v reálných materiálů, aby se předvídat makroskopické mechanické selhání orgánů. Fraktografie je široce používána s mechanikou zlomenin k pochopení příčin poruch a také k ověření teoretických předpovědí selhání se selháním v reálném životě.
keramické materiály jsou obvykle iontové nebo kovalentní pojené materiály a mohou být krystalické nebo amorfní. Materiál drží pohromadě a to buď typ dluhopisů budou mít tendenci k prasknutí, než jakékoli plastické deformace dochází, což má za následek špatnou houževnatost v těchto materiálech. Navíc, protože tyto materiály mají tendenci být porézní, póry a další mikroskopické nedokonalosti působí jako koncentrátory napětí, dále snižují houževnatost a snižují pevnost v tahu. Tyto kombinace dávají katastrofické selhání, na rozdíl od tvárnějších způsobů selhání kovů.
tyto materiály vykazují plastickou deformaci. Vzhledem k tuhé struktuře krystalických materiálů však existuje jen velmi málo dostupných skluzových systémů pro pohyb dislokací, a tak se deformují velmi pomalu. S non-krystalické (sklovité) materiály, viskózní tok je dominantním zdrojem plastické deformace, a je také velmi pomalý. Proto je v mnoha aplikacích keramických materiálů opomíjen.
překonat křehké chování, keramický materiál rozvoj představil třídy keramických, kompozitních materiálů, ve kterých keramická vlákna jsou vložená a se specifickými povlaky se tvoří vlákno mosty přes trhliny. Tento mechanismus podstatně zvyšuje lomovou houževnatost takové keramiky. Keramické kotoučové brzdy jsou příkladem použití kompozitního materiálu z keramické matrice vyrobeného specifickým procesem.
Ice-templating pro lepší mechanické propertiesEdit
keramické Pokud je vystaven značné mechanické zatížení, to může podstoupit proces zvaný ice-templating, který umožňuje určitou kontrolu mikrostruktury keramického výrobku a proto někteří ovládání mechanické vlastnosti. Keramičtí inženýři používají tuto techniku k vyladění mechanických vlastností na požadovanou aplikaci. Konkrétně se při použití této techniky zvyšuje síla. Ledové šablony umožňují vytvoření makroskopických pórů v jednosměrném uspořádání. Aplikace této techniky posilování oxidu jsou důležité pro palivové články s pevným oxidem a zařízení pro filtraci vody.
Pro proces vzorku přes led templating, vodný koloidní suspenze je připravena obsahují rozpuštěné keramický prášek rovnoměrně rozptýlené po celé koloidu, například Yttria-stabilizovaný oxid zirkoničitý (YSZ). Roztok se pak ochladí zdola nahoru na plošině, která umožňuje jednosměrné chlazení. To nutí ledové krystaly rostou v souladu s jednosměrný chlazení a tyto ledové krystaly síly rozpuštěného YSZ částice tuhnutí před solid-liquid mezifázové hranici, což v čisté ledové krystaly postavili unidirectionally vedle koncentrované kapsy koloidní částice. Vzorek je pak současně zahřívá a tlak se sníží dost síly na ledové krystaly sublimovat a YSZ kapsy begin žíhání dohromady, aby vytvořily makroskopicky souladu keramické mikrostruktury. Vzorek se pak dále slinuje, aby se dokončilo odpařování zbytkové vody a konečná konsolidace keramické mikrostruktury.
během ice-templatingu lze ovládat několik proměnných, které ovlivňují velikost pórů a morfologii mikrostruktury. Tyto důležité proměnné jsou počáteční zatížení pevných látek koloidu, rychlost chlazení, teplota slinování a trvání, a používání některých přídatných látek, které mohou mít vliv na mikrostrukturní morfologie v průběhu procesu. Dobré pochopení těchto parametrů je nezbytné pro pochopení vztahů mezi zpracováním, mikrostruktura, a mechanické vlastnosti anizotropně porézních materiálů.
elektrické vlastnostiEditovat
Polovodičeeditovat
některé keramiky jsou polovodiče. Většina z nich jsou oxidy přechodných kovů, které jsou polovodiči II-VI, jako je oxid zinečnatý. I když existují vyhlídky na hromadnou výrobu modrých LED z oxidu zinečnatého, keramici se nejvíce zajímají o elektrické vlastnosti, které vykazují hraniční účinky zrna. Jedním z nejpoužívanějších z nich je varistor. Jedná se o zařízení, která vykazují vlastnost, že odpor prudce klesá při určitém prahovém napětí. Jakmile napětí na zařízení dosáhne prahové hodnoty, tam je rozdělení elektrické struktury v blízkosti hranic zrn, což má za následek jeho elektrický odpor klesá z několika megaohmy až několik stovek ohmů. Hlavní výhodou je, že mohou rozptýlit hodně energie, a sami se resetují; poté, co napětí v zařízení klesne pod prahovou hodnotu, jeho odpor se vrátí k vysokému. Díky tomu jsou ideální pro aplikace ochrany proti přepětí; protože existuje kontrola nad prahovou tolerancí napětí a energie, nacházejí uplatnění ve všech druzích aplikací. Nejlepší demonstrace jejich schopnosti lze nalézt v elektrických rozvodnách, kde jsou použity k ochraně infrastruktury před úderem blesku. Mají rychlou odezvu, mají nízkou údržbu a výrazně se nerozkládají z používání, což z nich činí prakticky ideální zařízení pro tuto aplikaci. Polovodivá keramika se také používá jako plynové senzory. Když různé plyny procházejí polykrystalickou keramikou, změní se její elektrický odpor. S laděním na možné směsi plynů lze vyrábět velmi levná zařízení.
SuperconductivityEdit
V některých podmínkách, jako jsou velmi nízké teploty, některé keramiky vykazují vysokoteplotní supravodivost. Důvod pro to není pochopen, ale existují dvě hlavní rodiny supravodivé keramiky.
Ferroelectricity a supersetsEdit
Piezoelectricity, souvislost mezi elektrickou a mechanickou reakci, je vystaven velkým počtem keramických materiálů, včetně křemene se používá k měření času se na hodinky, a další elektroniky. Taková zařízení používají obě vlastnosti piezoelektrik, používají elektřinu k výrobě mechanického pohybu (napájení zařízení) a poté pomocí tohoto mechanického pohybu k výrobě elektřiny(generování signálu). Měřená jednotka času je přirozený interval potřebný pro přeměnu elektřiny na mechanickou energii a zpět.
piezoelektrický efekt je obecně silnější v materiálech, které také vykazují pyroelectricity, a všechny pyroelektrický materiály jsou také piezoelektrické. Tyto materiály mohou být použity k inter-převod mezi termální, mechanické, nebo elektrické energie; například, po syntéze, v peci, pyroelektrický krystal nechá se ochladit pod č. aplikovaná stres obecně se hromadí statický náboj tisíc voltů. Takové materiály se používají v pohybových senzorech, kde malý nárůst teploty z teplého těla vstupujícího do místnosti stačí k vytvoření měřitelného napětí v krystalu.
V pořadí, pyroelectricity je vidět nejsilněji v materiálech, které také zobrazit feroelektrických efekt, ve kterém stabilní elektrický dipól může být orientovaný nebo zvrátit použitím elektrostatického pole. Pyroelektričnost je také nezbytným důsledkem feroelektričnosti. To lze použít k ukládání informací do feroelektrických kondenzátorů, prvků feroelektrické paměti RAM.
nejběžnějšími takovými materiály jsou titaničitan olovnatý a titaničitan barnatý. Kromě výše uvedených použití je jejich silná piezoelektrická odezva využívána při konstrukci vysokofrekvenčních reproduktorů, převodníků pro sonar a akčních členů pro atomovou sílu a skenovací tunelové mikroskopy.
Pozitivní tepelné coefficientEdit
zvýšení Teploty může způsobit, že hranice zrn, náhle izolační v některých polovodivé keramické materiály, většinou směsí těžkých kovů titaničitany. Kritická teplota přechodu může být nastavena v širokém rozsahu změnami v chemii. V takových materiálech, proud bude procházet skrz materiál do jouleova ohřevu přináší to na teplotě přechodu, na kterém místě se obvod bude přerušeno a proud přestane. Taková keramika se používá jako samočinné topné články například v obvodech odmrazování zadních oken automobilů.
při přechodové teplotě se dielektrická odezva materiálu stává teoreticky nekonečnou. Přičemž nedostatečná regulace teploty bych vyloučil jakékoli praktické použití materiálu v blízkosti jeho kritická teplota, dielektrické efekt zůstává mimořádně silný i při mnohem vyšších teplotách. Titaničitany s kritickými teplotami hluboko pod pokojovou teplotu, se staly synonymem pro „keramické“ v souvislosti keramické kondenzátory právě z tohoto důvodu.
Optické propertiesEdit
Opticky transparentní materiály se zaměřují na odezvu materiálu na příchozí světelné vlny v rozsahu vlnových délkách. Frekvenční selektivní optické filtry mohou být použity ke změně nebo zvýšení jasu a kontrastu digitálního obrazu. Prohlídky lightwave přenos přes frekvenční selektivní vlnovody zahrnuje rozvíjející se oblasti vláknové optiky a schopnost některých skelné kompozice jako přenosové médium pro rozsah kmitočtů současně (multi-mode optické vlákno) s málo nebo žádné rušení mezi konkurenčními vlnové délky nebo frekvence. Tento rezonanční způsob přenosu energie a dat prostřednictvím elektromagnetického (světelného) šíření vln, i když je nízký výkon, je prakticky bezeztrátový. Optické vlnovody se používají jako součásti integrovaných optických obvodů (např. LED) nebo jako přenosové médium v lokálních a dálkových optických komunikačních systémech. Také hodnoty na vznikající materiály vědec je citlivost materiálů na záření v tepelné infračervené (IR) části elektromagnetického spektra. Tato schopnost hledat teplo je zodpovědná za takové rozmanité optické jevy, jako je noční vidění a IR luminiscence.
ve vojenském sektoru je tedy stále větší potřeba vysoce pevných a robustních materiálů, které mají schopnost přenášet světlo (elektromagnetické vlny) ve viditelném (0,4 – 0.7 mikrometrů) a střední infračervené (1-5 mikrometrů) oblasti spektra. Tyto materiály jsou potřebné pro aplikace vyžadující průhledné brnění, včetně vysokorychlostních raket a lusků nové generace, jakož i ochranu před improvizovanými výbušnými zařízeními (IED).
v šedesátých letech vědci z General Electric (GE) zjistili, že za správných výrobních podmínek by některé keramiky, zejména oxid hlinitý (oxid hlinitý), mohly být průsvitné. Tyto průsvitné materiály byly dostatečně transparentní, aby být použity pro obsahující elektrické plazma generované v high-pressure sodium lamp. Během posledních dvou desetiletí, další typy transparentní keramiky byly vyvinuty pro aplikace, jako jsou nos kužely pro teplo-hledat rakety, windows pro stíhací letadla, a scintilační čítačů pro počítačová tomografie skenery.
Na počátku 70. let Thomas Soules propagoval počítačové modelování přenosu světla přes průsvitný keramický oxid hlinitý. Jeho model ukázal, že mikroskopické póry v keramice, hlavně zachycené na křižovatkách mikrokrystalických zrn, způsobily rozptyl světla a zabránily skutečné průhlednosti. Objemový podíl těchto mikroskopických pórů musel být menší než 1% pro vysoce kvalitní optický přenos.
Jedná se v podstatě o efekt velikosti částic. Neprůhlednost je výsledkem nekoherentního rozptylu světla na površích a rozhraních. Kromě pórů je většina rozhraní v typickém kovovém nebo keramickém předmětu ve formě hranic zrn, které oddělují malé oblasti krystalického řádu. Když je velikost rozptylového centra (nebo hranice zrna) snížena pod Velikost vlnové délky rozptýleného světla, k rozptylu již nedochází v žádném významném rozsahu.
Při tvorbě polykrystalických materiálů (kovy a keramika) velikost krystalického zrna je určena především na velikosti krystalických částic přítomných v surovině při tvorbě (nebo stisknutím tlačítka) objektu. Kromě toho se velikost hranic zrn měří přímo s velikostí částic. Tedy snížení z původní velikosti částic nižší než vlnová délka viditelného světla (~ 0.5 mikrometrů pro krátkovlnné fialové) eliminuje rozptyl světla, což má za následek transparentní materiál.
japonští vědci nedávno vyvinuli techniky pro výrobu keramických částí, které soupeří s průhledností tradičních krystalů (pěstovaných z jediného semene) a překračují lomovou houževnatost jediného krystalu. Zejména vědci z japonské firmy Konoshima Ltd., výrobce keramických stavebních materiálů a průmyslových chemikálií, hledali trhy pro svou průhlednou keramiku.
vědci z Livermore si uvědomili, že tato keramika by mohla velmi těžit z vysoce výkonných laserů používaných v ředitelství programů National Ignition Facility (NIF). Zejména, Livermore výzkumný tým začal získávat pokročilé transparentní keramiky z Konoshima určit, pokud by se mohli setkat optické požadavky potřebné pro Livermore je Solid-State Tepelná Kapacita Laser (SSHCL). Vědci Livermore také testovali aplikace těchto materiálů pro aplikace, jako jsou pokročilé ovladače pro laserové fúzní elektrárny.