minkä tahansa keraamisen aineen fysikaaliset ominaisuudet johtuvat suoraan sen kiderakenteesta ja kemiallisesta koostumuksesta. Solid-state kemia paljastaa perustavanlaatuinen yhteys mikrorakenteen ja ominaisuuksia, kuten paikallinen tiheyden vaihtelut, raekoko jakauma, tyyppi huokoisuus, ja toisen vaiheen sisältöä, jotka kaikki voidaan korreloida keraamisia ominaisuuksia, kuten mekaaninen lujuus σ Hall-Petch yhtälö, kovuus, sitkeys, dielektrisyysvakio, ja optiset ominaisuudet näytteillä läpinäkyvät materiaalit.
Keramografia on keraamisten mikrorakenteiden valmistamisen, tutkimisen ja arvioinnin taidetta ja tiedettä. Keraamisten mikrorakenteiden arviointi ja karakterisointi toteutetaan usein samanlaisilla spatiaalisilla asteikoilla kuin yleisesti nanoteknologian kehittyvällä alalla: kymmenistä angstromeista (A) kymmeniin mikrometreihin (µm). Tämä on tyypillisesti jossain näkyvän valon minimiaallonpituuden ja paljaan silmän resoluutiorajan välillä.
mikrorakenne sisältää useimmat jyvät, sekundaariset faasit, raerajat, huokoset, mikrohalkeamat, rakenneviat ja kovuus mikroindentiat. Havaittu mikrorakenne vaikuttaa merkittävästi useimpiin irtotavaran mekaanisiin, optisiin, lämpö -, sähkö-ja magneettisiin ominaisuuksiin. Valmistusmenetelmä ja prosessiolosuhteet ilmoitetaan yleensä mikrorakenteella. Monien keraamisten vikojen perimmäinen syy ilmenee halkaistussa ja kiillotetussa mikrorakenteessa. Materiaalitieteen ja tekniikan alaan kuuluvia fysikaalisia ominaisuuksia ovat muun muassa seuraavat:
mekaaniset ominaisuudet
mekaaniset ominaisuudet ovat tärkeitä rakenne-ja rakennusmateriaaleissa sekä tekstiilikankaissa. Nykyaikaisessa materiaalitieteessä murtumamekaniikka on tärkeä työkalu materiaalien ja komponenttien mekaanisen suorituskyvyn parantamisessa. Se soveltaa fysiikan stressiä ja rasitusta, erityisesti teorioita elastisuus ja plastisuus, mikroskooppisen crystallographic vikoja löytyy todellisia materiaaleja, jotta voidaan ennustaa makroskooppinen mekaaninen vika elinten. Fraktografiaa käytetään laajalti murtumamekaniikan kanssa vikojen syiden ymmärtämiseen ja myös teoreettisten vikaennusteiden todentamiseen tosielämän epäonnistumisilla.
keraamiset materiaalit ovat yleensä ionisia tai kovalenttisia sidoksia, ja ne voivat olla kiteisiä tai amorfisia. Jommankumman sidostyypin yhdessä pitämä materiaali pyrkii murtumaan ennen plastista muodonmuutosta, mikä johtaa huonoon sitkeyteen näissä materiaaleissa. Lisäksi, koska nämä materiaalit ovat yleensä huokoisia, huokoset ja muut mikroskooppiset epätäydellisyydet toimivat jännityskeskittäjinä, mikä vähentää sitkeyttä edelleen ja vähentää vetolujuutta. Nämä yhdessä antaa katastrofaalisia epäonnistumisia, toisin kuin sitkeämpi vika liikennemuotojen metallien.
näissä materiaaleissa esiintyy plastista muodonmuutosta. Kiteisten materiaalien jäykän rakenteen vuoksi on kuitenkin hyvin vähän saatavilla liukujärjestelmiä, joiden avulla dislokaatiot voivat liikkua, joten ne muuttavat muotoaan hyvin hitaasti. Ei-kiteisten (lasimaisten) materiaalien kanssa Viskoosi virtaus on plastisen muodonmuutoksen hallitseva lähde ja on myös hyvin hidas. Siksi se on laiminlyöty monissa sovelluksissa keraamisia materiaaleja.
hauraan käyttäytymisen voittamiseksi keraamisten materiaalien kehitys on ottanut käyttöön keraamisten matriisikomposiittimateriaalien luokan, jossa keraamiset kuidut on upotettu ja tietyillä pinnoitteilla muodostavat kuitusiltoja minkä tahansa halkeaman yli. Tämä mekanismi lisää merkittävästi tällaisen keramiikan murtumissitkeyttä. Keraamiset levyjarrut ovat esimerkki tietyllä prosessilla valmistetun keraamisen matriisikomposiittimateriaalin käytöstä.
Ice-templating for enhanced mechanical propertiesEdit
Jos keraamiseen kohdistuu huomattava mekaaninen kuormitus, se voi käydä läpi prosessin nimeltä ice-templating, joka mahdollistaa jonkin verran keraamisen tuotteen mikrorakenteen hallintaa ja siten jonkin verran mekaanisten ominaisuuksien hallintaa. Keraamiset insinöörit käyttävät tätä tekniikkaa virittää mekaaniset ominaisuudet niiden haluttuun käyttötarkoitukseen. Erityisesti voimaa lisätään, kun tätä tekniikkaa käytetään. Ice templating mahdollistaa makroskooppisten huokosten luomisen yksisuuntaisessa järjestelyssä. Tämän oksidivahvistustekniikan sovellukset ovat tärkeitä kiinteissä oksidipolttokennoissa ja veden suodatuslaitteissa.
näytteen käsittelemiseksi jään templaatiolla valmistetaan vesipitoinen kolloidisuspensio, joka sisältää liuennutta keraamista jauhetta tasaisesti koko kolloidiin, esimerkiksi Yttriusstabiloitua Zirkonia (YSZ). Tämän jälkeen liuos jäähdytetään alhaalta ylös alustalla, joka mahdollistaa yksisuuntaisen jäähdytyksen. Tämä pakottaa jääkiteet kasvamaan yksisuuntaisen jäähdytyksen mukaisesti ja nämä jääkiteet pakottavat liuenneet YSZ-hiukkaset kiinteytymään kiinteän ja nestemäisen interfaasin rajan eteen, jolloin puhtaat jääkiteet asettuvat yksisuuntaisesti kolloidisten hiukkasten tiivistyneiden taskujen rinnalle. Tämän jälkeen näytettä kuumennetaan samanaikaisesti ja painetta vähennetään niin paljon, että jääkiteet sublimoituvat ja YSZ-taskut alkavat hehkua yhdessä muodostaen makroskooppisesti linjassa olevia keraamisia mikrorakenteita. Tämän jälkeen näytettä sintrataan edelleen jäännösveden haihduttamiseksi ja keraamisen mikrorakenteen lopulliseksi konsolidoinniksi.
jään templaation aikana voidaan kontrolloida muutamia muuttujia, jotka vaikuttavat mikrorakenteen huokoskokoon ja morfologiaan. Nämä tärkeät muuttujat ovat kolloidin alkuperäinen kiintoainekuormitus, jäähdytysnopeus, sintrauslämpötila ja kesto sekä tiettyjen lisäaineiden käyttö, jotka voivat vaikuttaa mikrorakenteiseen morfologiaan prosessin aikana. Näiden parametrien hyvä ymmärtäminen on välttämätöntä anisotrooppisesti huokoisten materiaalien käsittelyn, mikrorakenteen ja mekaanisten ominaisuuksien välisten suhteiden ymmärtämiseksi.
Sähköiset propertiesEdit
puolijohteet
jotkut keramiikat ovat puolijohteita. Useimmat näistä ovat siirtymämetallien oksideja, jotka ovat II-VI puolijohteita, kuten sinkkioksidi. Vaikka sinkkioksidista on mahdollista valmistaa massatuotantona sinisiä ledejä, keraamikot ovat kiinnostuneimpia sähköisistä ominaisuuksista, joissa näkyy raerajavaikutuksia. Yksi yleisimmin käytetty näistä on varistori. Nämä ovat laitteita, joilla on ominaisuus, että vastus laskee jyrkästi tietyllä kynnysjännitteellä. Kun jännite laitteen yli saavuttaa kynnys, on jakautuminen sähkörakenteen läheisyydessä raerajojen, mikä johtaa sen sähkövastus putoaa useita megohms alas muutamia satoja ohmia. Suurin etu näistä on, että ne voivat haihduttaa paljon energiaa, ja ne itse nollautuvat; kun jännite laitteen koko laskee alle kynnyksen, sen vastus palaa korkeaksi. Tämä tekee niistä ihanteellisia ylijännitesuojaussovelluksiin; koska kynnysjännitteen ja energian sietokyvyn hallinta on olemassa, ne löytävät käyttöä kaikenlaisissa sovelluksissa. Paras osoitus niiden kyvystä löytyy sähköasemilta, joissa niitä käytetään suojaamaan infrastruktuuria salamaniskuilta. Niillä on nopea vaste, ne ovat vähän huoltoa, ja eivät merkittävästi hajoavat käytöstä, joten ne ovat lähes ihanteellisia laitteita tähän sovellukseen. Puolijohteista keramiikkaa käytetään myös kaasuantureina. Kun monikiteisen keraamin päälle johdetaan erilaisia kaasuja, sen sähkövastus muuttuu. Virittämällä mahdollisia kaasuseoksia voidaan valmistaa hyvin edullisia laitteita.
Suprajohtavuusedit
joidenkin olosuhteissa, kuten erittäin alhaisessa lämpötilassa, joissakin keramiikassa esiintyy korkean lämpötilan suprajohtavuutta. Syytä tähän ei ymmärretä, mutta suprajohtavan keramiikan suurperheitä on kaksi.
Ferrosähköisyys ja supersäde
pietsosähköisyys, sähköisen ja mekaanisen vasteen välinen yhteys, on näytteillä lukuisilla keraamisilla materiaaleilla, kuten kellojen ja muun elektroniikan ajan mittaamiseen käytetyllä kvartsilla. Tällaiset laitteet käyttävät molemmat ominaisuudet pietsoelektroniikan, sähkön avulla tuottaa mekaanista liikettä (virran laite) ja sitten käyttämällä tätä mekaanista liikettä tuottaa sähköä (tuottaa signaalin). Mitattu ajan yksikkö on luonnollinen aikaväli, joka tarvitaan sähkön muuttamiseksi mekaaniseksi energiaksi ja takaisin.
pietsosähköinen vaikutus on yleensä voimakkaampi materiaaleissa, joissa esiintyy myös pyrosähköisyyttä, ja kaikki pyrosähköiset materiaalit ovat myös pietsosähköisiä. Näitä materiaaleja voidaan käyttää muuntamaan lämpöenergian, mekaanisen tai sähköenergian välillä; esimerkiksi synteesissä uunissa pyrosähköinen kide, jonka annetaan jäähtyä ilman kohdistettua rasitusta, muodostaa yleensä tuhansien volttien staattisen varauksen. Tällaisia materiaaleja käytetään liiketunnistimissa, joissa pieni lämpötilan nousu huoneeseen saapuvasta lämpimästä kappaleesta riittää tuottamaan mitattavan jännitteen kiteeseen.
puolestaan pyrosähköisyys näkyy voimakkaimmin materiaaleissa, joissa näkyy myös ferrosähköinen efekti, jossa stabiili sähköinen dipoli voidaan suunnata tai kääntää sähköstaattisen kentän avulla. Pyrosähkö on myös ferrosähkön välttämätön seuraus. Tätä voidaan käyttää tietojen tallentamiseen ferrosähköisissä kondensaattoreissa, ferrosähköisen RAM-muistin elementeissä.
yleisimmät tällaiset aineet ovat lyijysirkonaattititanaatti ja bariumtitanaatti. Edellä mainittujen käyttötarkoitusten lisäksi niiden voimakasta pietsosähköistä vastetta hyödynnetään suurtaajuuskaiuttimien, kaikuluotainten antureiden ja atomivoimamikroskooppien toimilaitteiden suunnittelussa.
positiivinen lämpökerroin
lämpötilan nousu voi aiheuttaa raerajojen äkillisen muuttumisen eristäväksi joissakin puolijohteisiin kuuluvissa keraamisissa materiaaleissa, useimmiten raskasmetallititanaattien seoksissa. Kriittistä siirtymälämpötilaa voidaan säätää monenlaisilla kemian vaihteluilla. Tällaisissa materiaaleissa virta kulkee materiaalin läpi, kunnes joule-lämmitys tuo sen siirtymälämpötilaan, jolloin piiri rikkoutuu ja virran virtaus lakkaa. Tällaista keramiikkaa käytetään itseohjautuvina lämmityselementteinä esimerkiksi autojen takaikkunoiden sulatuspiireissä.
siirtymälämpötilassa materiaalin Dielektrinen vaste muuttuu teoreettisesti äärettömäksi. Vaikka lämpötilan säätelyn puute sulkisi pois materiaalin käytännön käytön lähellä sen kriittistä lämpötilaa, Dielektrinen vaikutus pysyy poikkeuksellisen voimakkaana myös paljon korkeammissa lämpötiloissa. Titanaatit kriittisissä lämpötiloissa paljon alle huoneenlämpötilassa on tullut synonyymi” keraaminen ” yhteydessä keraamiset kondensaattorit juuri tästä syystä.
Optiset ominaisuudetedit
optisesti läpinäkyvät materiaalit keskittyvät materiaalin vasteeseen alueen saapuville valoaalloille aallonpituuksia. Taajuus selektiivisiä optisia suodattimia voidaan käyttää digitaalisen kuvan kirkkauden ja kontrastin muuttamiseen tai parantamiseen. Ohjattu lightwave siirto kautta taajuus selektiivisiä aaltoputkia liittyy kehittymässä alalla kuituoptiikan ja kyky tiettyjen lasimainen koostumukset siirtovälineenä eri taajuuksia samanaikaisesti (multi-mode valokuitu) kanssa vähän tai ei lainkaan häiriöitä kilpailevien aallonpituuksia tai taajuuksia. Tämä kaikuva tila energian ja tiedonsiirron kautta sähkömagneettinen (valo) aalto eteneminen, vaikka vähän virtaa, on lähes häviötön. Optisia aaltoputkia käytetään komponentteina integroiduissa optisissa piireissä (esim. valodiodeja, ledejä) tai lähetysvälineenä paikallisissa ja kaukoliikenteen optisissa viestintäjärjestelmissä. Kehittyvien materiaalien tutkijalle on arvokasta myös materiaalien herkkyys säteilylle sähkömagneettisen spektrin infrapunaosassa (IR). Tämä lämmönhakukyky on vastuussa sellaisista erilaisista optisista ilmiöistä kuin pimeänäkö ja IR-luminesenssi.
näin ollen sotilassektorilla on kasvava tarve lujille, kestäville materiaaleille, joilla on kyky lähettää valoa (sähkömagneettisia aaltoja) näkyvässä (0,4-0.7 mikrometriä) ja spektrin lähi-infrapuna – alueet (1-5 mikrometriä). Näitä materiaaleja tarvitaan sovelluksissa, jotka vaativat läpinäkyvää panssarointia, mukaan lukien seuraavan sukupolven suurnopeusohjukset ja-kapselit, sekä suojaa omatekoisia räjähteitä vastaan.
1960-luvulla General Electricin (GE) tutkijat havaitsivat, että oikeissa valmistusolosuhteissa osa keramiikasta, erityisesti alumiinioksidista (alumiinioksidista), voitiin tehdä läpikuultavaa. Nämä läpikuultavat materiaalit olivat riittävän läpinäkyviä, jotta niitä voitiin käyttää suurpainenatriumlampuissa syntyvän sähköplasman eristämiseen. Kahden viime vuosikymmenen aikana on kehitetty uusia läpinäkyviä keramiikkatyyppejä esimerkiksi lämpöhakuisten ohjusten kärkikartioihin, hävittäjälentokoneiden ikkunoihin ja tietokonetomografian skannereiden tuikkulaskureihin.
1970-luvun alussa Thomas Soules oli uranuurtaja valonläpäisyn tietokonemallinnuksessa läpikuultavan keraamisen alumiinioksidin avulla. Hänen mallinsa osoitti, että keramiikan mikroskooppiset huokoset, jotka olivat pääasiassa kiinni mikrokiteisten jyvien risteyksissä, aiheuttivat valon siroamisen ja estivät todellisen läpinäkyvyyden. Näiden mikroskooppisten huokosten tilavuusosuuden oli oltava alle 1% korkealaatuisen optisen lähetyksen aikaansaamiseksi.
Tämä on periaatteessa partikkelikokoefekti. Sameus johtuu valon epäyhtenäisestä sironnasta pinnoilla ja rajapinnoissa. Huokosten lisäksi suurin osa tyypillisen metallin tai keraamisen esineen rajapinnoista on raerajojen muodossa, jotka erottavat toisistaan pieniä alueita kiteistä järjestystä. Kun sirontakeskuksen (tai raerajan) koko pienenee alle siroteltavan valon aallonpituuden, sirontaa ei enää tapahdu merkittävässä määrin.
monikiteisten materiaalien (metallien ja keramiikan) muodostumisessa kiteisten jyvien koko määräytyy pitkälti sen mukaan, minkä kokoisia kiteisiä hiukkasia raaka-aineessa on kappaleen muodostumisen (tai puristamisen) aikana. Lisäksi raerajojen koko skaalautuu suoraan hiukkaskoon kanssa. Siten alkuperäisen hiukkaskoon pieneneminen alle näkyvän valon aallonpituuden (~0,5 mikrometriä lyhytaaltovioletille) eliminoi kaiken valon sironnan, jolloin syntyy läpinäkyvä materiaali.
viime aikoina japanilaiset tiedemiehet ovat kehittäneet menetelmiä sellaisten keraamisten osien valmistamiseksi, jotka kilpailevat perinteisten (yhdestä siemenestä kasvatettujen) kiteiden läpinäkyvyyden kanssa ja ylittävät yhden Kiteen murtumissitkeyden. Erityisesti tutkijat japanilainen yritys Konoshima Ltd. keraamisia rakennusmateriaaleja ja teollisuuskemikaaleja valmistava yhtiö on etsinyt läpinäkyvälle keramiikalleen markkinoita.
Livermoren tutkijat tajusivat, että nämä keramiikat saattaisivat suuresti hyötyä suuritehoisista lasereista, joita käytetään National Ignition Facility (NIF)-ohjelmien direktoraatissa. Erityisesti Livermoren tutkimusryhmä alkoi hankkia konoshimalta edistyksellistä läpinäkyvää keramiikkaa selvittääkseen, pystyisivätkö ne täyttämään Livermoren Solid-State Heat Capacity laserin (SSHCL) Optiset vaatimukset. Livermoren tutkijat ovat myös testanneet näiden materiaalien sovelluksia esimerkiksi laservetoisten fuusiovoimaloiden edistyneille ajureille.