de fysiske egenskaber af ethvert keramisk stof er et direkte resultat af dets krystallinske struktur og kemiske sammensætning. Faststofkemi afslører den grundlæggende forbindelse mellem mikrostruktur og egenskaber, såsom lokaliserede tæthedsvariationer, kornstørrelsesfordeling, porøsitetstype og andenfaseindhold, som alle kan korreleres med keramiske egenskaber såsom mekanisk styrke, der er større ved Hall-Petch-ligningen, hårdhed, sejhed, Dielektrisk konstant og de optiske egenskaber udstillet af gennemsigtige materialer.
Keramografi er kunsten og videnskaben om forberedelse, undersøgelse og evaluering af keramiske mikrostrukturer. Evaluering og karakterisering af keramiske mikrostrukturer implementeres ofte på lignende rumlige skalaer som den, der almindeligvis anvendes inden for det nye felt af nanoteknologi: fra snesevis af Ångstrøm (A) til snesevis af mikrometer (Prism). Dette er typisk et sted mellem den mindste bølgelængde af synligt lys og opløsningsgrænsen for det blotte øje.
mikrostrukturen inkluderer de fleste korn, sekundære faser, korngrænser, porer, mikro-revner, strukturelle defekter og hårdhedsmikroindtryk. De fleste mekaniske, optiske, termiske, elektriske og magnetiske egenskaber påvirkes væsentligt af den observerede mikrostruktur. Fremstillingsmetoden og procesbetingelserne er generelt angivet af mikrostrukturen. Grundårsagen til mange keramiske fejl er tydelig i den spaltede og polerede mikrostruktur. Fysiske egenskaber, der udgør området for materialevidenskab og teknik, inkluderer følgende:
mekaniske egenskaberredit
mekaniske egenskaber er vigtige i strukturelle og byggematerialer samt tekstilstoffer. I moderne materialevidenskab er brudmekanik et vigtigt redskab til at forbedre den mekaniske ydeevne af materialer og komponenter. Det anvender stressens og belastningens fysik, især teorierne om elasticitet og plasticitet, til de mikroskopiske krystallografiske defekter, der findes i virkelige materialer for at forudsige kroppens makroskopiske mekaniske svigt. Fraktografi bruges i vid udstrækning med brudmekanik til at forstå årsagerne til fejl og også verificere de teoretiske fejlforudsigelser med virkelige fejl.
keramiske materialer er normalt ioniske eller kovalente bundne materialer og kan være krystallinske eller amorfe. Et materiale, der holdes sammen af begge typer bindinger, har tendens til at gå i stykker, før plastisk deformation finder sted, hvilket resulterer i dårlig sejhed i disse materialer. Derudover, fordi disse materialer har tendens til at være porøse, fungerer porerne og andre mikroskopiske ufuldkommenheder som spændingskoncentratorer, hvilket reducerer sejheden yderligere og reducerer trækstyrken. Disse kombineres for at give katastrofale fejl i modsætning til de mere duktile svigtformer af metaller.
disse materialer viser plastisk deformation. På grund af den stive struktur af de krystallinske materialer er der imidlertid meget få tilgængelige glidesystemer til dislokationer at bevæge sig, og derfor deformeres de meget langsomt. Med de ikke-krystallinske (glasagtige) materialer er viskøs strømning den dominerende kilde til plastisk deformation og er også meget langsom. Det forsømmes derfor i mange anvendelser af keramiske materialer.
for at overvinde den sprøde opførsel har udvikling af keramisk materiale introduceret klassen af keramiske matrikskompositmaterialer, hvor keramiske fibre er indlejret og med specifikke belægninger danner fiberbroer over enhver revne. Denne mekanisme øger brudsejheden af sådan keramik væsentligt. Keramiske skivebremser er et eksempel på anvendelse af et keramisk matrice kompositmateriale fremstillet med en bestemt proces.
Ice-templating for forbedrede mekaniske egenskaberredit
Hvis keramik udsættes for betydelig mekanisk belastning, kan den gennemgå en proces kaldet Ice-templating, som tillader en vis kontrol af mikrostrukturen af det keramiske produkt og derfor en vis kontrol af de mekaniske egenskaber. Keramiske ingeniører bruger denne teknik til at indstille de mekaniske egenskaber til deres ønskede anvendelse. Specifikt øges styrken, når denne teknik anvendes. Ice templating tillader oprettelse af makroskopiske porer i et ensrettet arrangement. Anvendelserne af denne iltforstærkningsteknik er vigtige for brændselsceller og vandfiltreringsanordninger.
for at behandle en prøve gennem isskabling fremstilles en vandig kolloid suspension til at indeholde det opløste keramiske pulver, der er jævnt dispergeret gennem kolloidet, f.eks. Opløsningen afkøles derefter fra bunden til toppen på en platform, der muliggør envejs afkøling. Dette tvinger iskrystaller til at vokse i overensstemmelse med den ensrettede afkøling, og disse iskrystaller tvinger de opløste YSS-partikler til størkningsfronten af den fast-flydende interfasegrænse, hvilket resulterer i rene iskrystaller, der er opstillet ensrettet sammen med koncentrerede lommer af kolloide partikler. Prøven opvarmes derefter samtidigt, og trykket reduceres nok til at tvinge iskrystallerne til at sublimere, og YSS-lommerne begynder at annealere sammen for at danne makroskopisk justerede keramiske mikrostrukturer. Prøven sintres derefter yderligere for at afslutte fordampningen af det resterende vand og den endelige konsolidering af den keramiske mikrostruktur.
under is-templering kan nogle få variabler styres for at påvirke porestørrelsen og morfologien i mikrostrukturen. Disse vigtige variabler er den indledende faste belastning af kolloidet, kølehastigheden, sintringstemperaturen og varigheden og brugen af visse additiver, der kan påvirke den mikrostrukturelle morfologi under processen. En god forståelse af disse parametre er afgørende for at forstå forholdet mellem forarbejdning, mikrostruktur og mekaniske egenskaber af anisotropisk porøse materialer.
elektriske egenskaberRediger
Halvlederrediger
nogle keramik er halvledere. De fleste af disse er overgangsmetaloksider, der er II-Vi halvledere, f.eks. Mens der er udsigter til masseproducerende blå LED ‘ er fra sinc, er keramikere mest interesserede i de elektriske egenskaber, der viser korngrænseeffekter. En af de mest anvendte af disse er varistoren. Disse er enheder, der udviser den egenskab, at modstanden falder kraftigt ved en bestemt tærskelspænding. Når spændingen over enheden når tærsklen, er der en nedbrydning af den elektriske struktur i nærheden af korngrænserne, hvilket resulterer i, at dens elektriske modstand falder fra flere megohm ned til et par hundrede ohm. Den største fordel ved disse er, at de kan sprede en masse energi, og de nulstilles selv; når spændingen over enheden falder under tærsklen, vender dens modstand tilbage til at være høj. Dette gør dem ideelle til overspændingsbeskyttelsesapplikationer; da der er kontrol over tærskelspændingen og energitolerancen, finder de anvendelse i alle mulige applikationer. Den bedste demonstration af deres evne findes i elektriske understationer, hvor de er ansat til at beskytte infrastrukturen mod lynnedslag. De har hurtig reaktion, er lav vedligeholdelse, og ikke mærkbart nedbrydes fra brug, hvilket gør dem næsten ideelle enheder til denne ansøgning. Halvledende keramik anvendes også som gassensorer. Når forskellige gasser føres over en polykrystallinsk keramik, ændres dens elektriske modstand. Med tuning til de mulige gasblandinger kan der produceres meget billige enheder.
Superledningredit
Under nogle forhold, såsom ekstremt lav temperatur, nogle keramik udviser høj temperatur superledningsevne. Årsagen til dette forstås ikke, men der er to store familier af superledende keramik.
Ferroelektricitet og supersetsEdit
Piesoelektricitet, en forbindelse mellem elektrisk og mekanisk respons, udstilles af et stort antal keramiske materialer, herunder kvarts, der bruges til at måle tid i Ure og anden elektronik. Sådanne indretninger bruger begge egenskaber ved elektricitet, der bruger elektricitet til at producere en mekanisk bevægelse (strømforsyning) og derefter bruge denne mekaniske bevægelse til at producere elektricitet (generere et signal). Den målte tidsenhed er det naturlige interval, der kræves for at elektricitet omdannes til mekanisk energi og tilbage igen.den pyroelektriske effekt er generelt stærkere i materialer, der også udviser pyroelektricitet, og alle pyroelektriske materialer er også pyroelektriske. Disse materialer kan bruges til at konvertere mellem termisk, mekanisk eller elektrisk energi; for eksempel efter syntese i en ovn opbygger en pyroelektrisk krystal, der får lov til at afkøle under ingen påført stress, generelt en statisk ladning på tusinder af volt. Sådanne materialer anvendes i bevægelsessensorer, hvor den lille temperaturstigning fra en varm krop, der kommer ind i rummet, er nok til at producere en målbar spænding i krystallen.
til gengæld ses pyroelektricitet stærkest i materialer, der også viser den ferroelektriske effekt, hvor en stabil elektrisk dipol kan orienteres eller vendes ved at anvende et elektrostatisk felt. Pyroelektricitet er også en nødvendig konsekvens af ferroelektricitet. Dette kan bruges til at gemme information i ferroelektriske kondensatorer, elementer af ferroelektrisk RAM.
de mest almindelige sådanne materialer er blysirconattitanat og bariumtitanat. Bortset fra de ovennævnte anvendelser udnyttes deres stærke piesoelektriske respons i designet af højfrekvente højttalere, transducere til sonar og aktuatorer til atomkraft og scanningstunnelmikroskoper.
positiv termisk koefficientredit
temperaturstigninger kan medføre, at korngrænser pludselig bliver isolerende i nogle halvledende keramiske materialer, for det meste blandinger af tungmetal titanater. Den kritiske overgangstemperatur kan justeres over et bredt område ved variationer i kemi. I sådanne materialer vil strømmen passere gennem materialet, indtil Joule-opvarmning bringer det til overgangstemperaturen, på hvilket tidspunkt kredsløbet vil blive brudt, og strømstrømmen ophører. Sådan keramik anvendes som selvstyrede varmeelementer i for eksempel bagruden afrimningskredsløb af biler.
Ved overgangstemperaturen bliver materialets dielektriske respons teoretisk uendelig. Mens manglende temperaturkontrol ville udelukke enhver praktisk anvendelse af materialet nær dets kritiske temperatur, forbliver den dielektriske effekt usædvanlig stærk selv ved meget højere temperaturer. Titanater med kritiske temperaturer langt under stuetemperatur er blevet synonyme med” keramik ” i forbindelse med keramiske kondensatorer af netop denne grund.
optiske egenskaberredit
en række bølgelængder. Frekvensselektive optiske filtre kan bruges til at ændre eller forbedre lysstyrken og kontrasten i et digitalt billede. Guidet lysbølgeoverførsel via frekvensselektive bølgeledere involverer det nye felt af fiberoptik og evnen af visse glasagtige sammensætninger som et transmissionsmedium for en række frekvenser samtidigt (Multi-mode optisk fiber) med ringe eller ingen interferens mellem konkurrerende bølgelængder eller frekvenser. Denne resonante tilstand af energi og datatransmission via elektromagnetisk (lys) bølgeudbredelse, selvom den er lavdrevet, er næsten tabsfri. Optiske bølgeledere anvendes som komponenter i integrerede optiske kredsløb (f. eks. lysemitterende dioder, LED ‘ er) eller som transmissionsmedium i lokale og langdistanceflyt optiske kommunikationssystemer. Også af værdi for den nye materialeforsker er materialernes følsomhed over for stråling i den termiske infrarøde (IR) del af det elektromagnetiske spektrum. Denne varmesøgende evne er ansvarlig for så forskellige optiske fænomener som nattesyn og IR-luminescens.
der er således et stigende behov i den militære sektor for højstyrke, robuste materialer, der har evnen til at transmittere lys (elektromagnetiske bølger) i det synlige (0,4-0.7 mikrometer) og melleminfrarøde (1-5 mikrometer) områder af spektret. Disse materialer er nødvendige til applikationer, der kræver gennemsigtig rustning, herunder næste generations højhastighedsmissiler og bælg samt beskyttelse mod improviserede eksplosive enheder (IED).
i 1960 ‘ erne opdagede forskere ved General Electric (GE), at nogle keramik, især aluminium (alumina), under de rigtige produktionsbetingelser kunne gøres gennemskinnelige. Disse gennemskinnelige materialer var gennemsigtige nok til at blive brugt til at indeholde det elektriske plasma genereret i højtryksnatriumgadelamper. I løbet af de sidste to årtier er der udviklet yderligere typer gennemsigtig keramik til applikationer såsom næsekegler til varmesøgende missiler, vinduer til kampfly og scintillationstællere til computertomografiscannere.i begyndelsen af 1970 ‘ erne var Thomas Soules banebrydende for computermodellering af lystransmission gennem gennemskinnelig keramisk alumina. Hans model viste, at mikroskopiske porer i keramik, hovedsageligt fanget ved krydset af mikrokrystallinske korn, fik Lyset til at sprede sig og forhindrede ægte gennemsigtighed. Volumenfraktionen af disse mikroskopiske porer måtte være mindre end 1% for optisk transmission af høj kvalitet.
Dette er dybest set en partikelstørrelseseffekt. Opacitet skyldes den usammenhængende spredning af lys på overflader og grænseflader. Ud over porer er de fleste grænseflader i et typisk metal-eller keramikobjekt i form af korngrænser, der adskiller små områder af krystallinsk rækkefølge. Når størrelsen af spredningscentret (eller korngrænsen) reduceres under størrelsen af bølgelængden af det lys, der spredes, forekommer spredningen ikke længere i nogen væsentlig grad.
ved dannelsen af polykrystallinske materialer (metaller og keramik) bestemmes størrelsen af de krystallinske korn stort set af størrelsen af de krystallinske partikler, der er til stede i råmaterialet under dannelse (eller presning) af objektet. Desuden skaleres korngrænsernes størrelse direkte med partikelstørrelse. Således eliminerer en reduktion af den oprindelige partikelstørrelse under bølgelængden af synligt lys (~ 0,5 mikrometer for kortbølgeviolet) enhver lysspredning, hvilket resulterer i et gennemsigtigt materiale.
for nylig har japanske forskere udviklet teknikker til fremstilling af keramiske dele, der konkurrerer med gennemsigtigheden af traditionelle krystaller (dyrket af et enkelt frø) og overstiger brudsejheden af en enkelt krystal. Især forskere ved det japanske firma Konoshima Ltd., en producent af keramiske byggematerialer og industrielle kemikalier, har ledt efter markeder for deres gennemsigtige keramik.Livermore forskere indså, at disse keramik i høj grad kunne gavne kraftige lasere, der anvendes i National Ignition Facility (NIF) programmer Direktoratet. Især begyndte et Livermore-forskerteam at erhverve avanceret gennemsigtig keramik fra Konoshima for at afgøre, om de kunne opfylde de optiske krav, der var nødvendige for Livermore ‘ s Solid State Heat Capacity Laser (SSHCL). Livermore-forskere har også testet applikationer af disse materialer til applikationer såsom avancerede drivere til laserdrevne fusionskraftværker.