bármely kerámia anyag fizikai tulajdonságai kristályszerkezetének 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 korrelálhatók a kerámia tulajdonságokkal, például a mechanikai szilárdsággal, a mechanikai szilárdsággal, a keménységgel, a szívóssággal, a dielektromos állandóval és az átlátszó anyagok optikai tulajdonságaival.
a Keramográfia a kerámia mikrostruktúrák előkészítésének, vizsgálatának és értékelésének művészete és tudománya. A kerámia mikrostruktúrák értékelését és jellemzését gyakran hasonló térbeli skálákon hajtják végre, mint a nanotechnológia feltörekvő területén: a tíz angstromtól (a) A tíz mikrométerig (Ft). Ez általában valahol a látható fény minimális hullámhossza és a szabad szem felbontási határa között van.
a mikrostruktúra magában foglalja a legtöbb szemcséket, másodlagos fázisokat, szemcsehatárokat, pórusokat, mikrorepedéseket, szerkezeti hibákat és keménységű mikroszemcséket. A legtöbb tömeges mechanikai, optikai, termikus, elektromos és mágneses tulajdonságot jelentősen befolyásolja a megfigyelt mikrostruktúra. A gyártási módszert és a folyamat feltételeit általában a mikrostruktúra jelzi. Számos kerámia meghibásodás kiváltó oka nyilvánvaló a hasított és csiszolt mikrostruktúrában. Az anyagtudomány és a mérnöki tudomány területét alkotó fizikai tulajdonságok a következők:
mechanikai tulajdonságokedit
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. A stressz és a feszültség fizikáját, különösen a rugalmasság és plaszticitás elméleteit alkalmazza a valós anyagokban található mikroszkopikus kristálytani hibákra, hogy megjósolja a testek makroszkopikus mechanikai meghibásodását. A fraktográfiát széles körben használják a törésmechanikában, hogy megértsék a kudarcok okait, valamint ellenőrizzék az elméleti kudarc előrejelzéseit a valós kudarcokkal.
a kerámiaanyagok általában ionos vagy kovalens kötésű anyagok, lehetnek kristályosak vagy amorfak. A kötés bármelyik típusa által összetartott anyag hajlamos a törésre, mielőtt bármilyen műanyag deformáció bekövetkezne, ami ezeknek az anyagoknak a rossz szívósságát eredményezi. Továbbá, mivel ezek az anyagok általában porózusak, a pórusok és más mikroszkopikus hiányosságok stresszkoncentrátorként működnek, tovább csökkentve a szívósságot és csökkentve a szakítószilárdságot. Ezek együttesen katasztrofális kudarcokat eredményeznek, szemben a fémek képlékenyebb meghibásodási módjaival.
Ezek az anyagok képlékeny alakváltozást mutatnak. A kristályos anyagok merev szerkezete miatt azonban nagyon kevés csúszási rendszer áll rendelkezésre a diszlokációk mozgásához, ezért nagyon lassan deformálódnak. A nem kristályos (üveges) anyagok esetében a viszkózus áramlás a plasztikus deformáció domináns forrása, és szintén nagyon lassú. Ezért a kerámia anyagok számos alkalmazásában elhanyagolják.
a törékeny viselkedés leküzdése érdekében a kerámia anyagfejlesztés bevezette a kerámia mátrix kompozit anyagok osztályát, amelyben a kerámia szálak be vannak ágyazva, és speciális bevonatokkal szálhidakat képeznek minden repedésen. Ez a mechanizmus jelentősen növeli az ilyen kerámiák törésállóságát. A kerámia tárcsafékek egy példa egy adott eljárással gyártott kerámia mátrix kompozit anyag használatára.
Ice-templating for enhanced mechanical propertiesEdit
ha a kerámia jelentős mechanikai terhelésnek van kitéve, akkor áteshet egy jégsablonnak nevezett folyamaton, amely lehetővé teszi a kerámiatermék mikrostruktúrájának bizonyos mértékű ellenőrzését, és ezáltal a mechanikai tulajdonságok bizonyos mértékű ellenőrzését. A kerámiamérnökök ezt a technikát használják a mechanikai tulajdonságok kívánt alkalmazásra történő hangolására. Pontosabban, az erő növekszik, ha ezt a technikát alkalmazzák. A jégsablonálás lehetővé teszi makroszkopikus pórusok létrehozását egyirányú elrendezésben. Ennek az oxiderősítő technikának az alkalmazása fontos a szilárd oxid üzemanyagcellák és a vízszűrő eszközök számára.
a minta jégsablonnal történő feldolgozásához vizes kolloid szuszpenziót készítünk úgy, hogy a kolloidban egyenletesen diszpergált oldott kerámiaport, például Ittriumstabilizált cirkóniumot (YSZ) tartalmazzuk. 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 interfázis határának megszilárdulási frontjára kényszerítik, ami tiszta jégkristályokat eredményez egyirányban a kolloid részecskék koncentrált zsebei mellett. Ezután a mintát egyidejűleg felmelegítik, és a nyomást eléggé csökkentik ahhoz, hogy a jégkristályok szublimálódjanak, és az YSZ zsebek együtt lágyulni kezdenek, hogy makroszkopikusan összehangolt kerámia mikrostruktúrákat képezzenek. A mintát ezután tovább szinterezzük, hogy befejezzük a maradék víz elpárolgását és a kerámia mikrostruktúra végleges megszilárdulását.
a jégsablonozás során néhány változó szabályozható a mikrostruktúra pórusméretének és morfológiájának befolyásolására. Ezek a fontos változók a kolloid kezdeti szilárdanyag-terhelése, a hűtési sebesség, a szinterelési hőmérséklet és időtartam, valamint bizonyos adalékanyagok használata, amelyek befolyásolhatják a mikrostrukturális morfológiát a folyamat során. Ezeknek a paramétereknek a jó megértése elengedhetetlen az anizotropikusan porózus anyagok feldolgozása, mikrostruktúrája és mechanikai tulajdonságai közötti kapcsolatok megértéséhez.
elektromos tulajdonságokszerkesztés
SemiconductorsEdit
néhány kerámia félvezető. Ezek többsége átmeneti fém-oxidok, amelyek II-VI félvezetők, például cink-oxid. Bár vannak kilátások a cink-oxidból származó kék LED-ek tömeggyártására, a kerámistákat leginkább azok az elektromos tulajdonságok érdeklik, amelyek gabonahatárhatásokat mutatnak. Ezek közül az egyik legszélesebb körben használt a varisztor. Ezek olyan eszközök, amelyek azt a tulajdonságot mutatják, hogy az ellenállás élesen csökken egy bizonyos küszöbfeszültségen. Amint a készülék feszültsége eléri a küszöböt, az elektromos szerkezet lebomlik a szemcsehatárok közelében, ami azt eredményezi, hogy elektromos ellenállása több megohmról néhány száz ohmra csökken. Ezek legnagyobb előnye, hogy sok energiát képesek eloszlatni, és önmagukat visszaállítják; miután a készülék feszültsége a küszöb alá csökken, ellenállása magas lesz. Ez ideálissá teszi őket túlfeszültség-védelmi alkalmazásokhoz; mivel a küszöbfeszültség és az energiatűrés felett van ellenőrzés, mindenféle alkalmazásban megtalálhatók. Képességük legjobb bizonyítéka az elektromos alállomásokon található, ahol az infrastruktúrát villámcsapásoktól védik. Gyors reakciójuk van, kevés karbantartást igényelnek, és nem rontják jelentősen a használatukat, így gyakorlatilag ideális eszközök Ehhez az alkalmazáshoz. A félvezető kerámiákat gázérzékelőként is alkalmazzák. Amikor különböző gázokat vezetnek át egy polikristályos kerámián, annak elektromos ellenállása megváltozik. A lehetséges gázkeverékek hangolásával nagyon olcsó eszközök állíthatók elő.
szupravezetés
néhány körülmények, például rendkívül alacsony hőmérséklet, egyes Kerámiák magas hőmérsékletű szupravezetést mutatnak. Ennek oka nem ismert, de a szupravezető kerámiának két fő családja van.
Ferroelectricity and supersetsEdit
a piezoelektromosságot, az elektromos és mechanikai válasz közötti kapcsolatot számos kerámia anyag mutatja, beleértve az órák és más elektronika időmérésére használt kvarcot. Az ilyen eszközök a piezoelektrikumok mindkét tulajdonságát használják, villamos energiát használva mechanikus mozgás előállításához (az eszköz táplálásához), majd ezt a mechanikus mozgást használva villamos energia előállításához (jel generálásához). A mért időegység az a természetes intervallum, amely szükséges ahhoz, hogy a villamos energia mechanikai energiává alakuljon, majd vissza.
a piezoelektromos hatás általában erősebb azokban az anyagokban, amelyek szintén piroelektromos, és minden piroelektromos anyag szintén piezoelektromos. Ezek az anyagok felhasználhatók a hő -, mechanikai vagy elektromos energia közötti átalakításra; például kemencében történő szintézis után egy piroelektromos kristály, amelyet nem alkalmaznak feszültség alatt hűlni, 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 piroelektromos energiát leginkább azokban az anyagokban látják, amelyek szintén a ferroelektromos hatást mutatják, amelyben egy stabil elektromos dipólus elektrosztatikus mező alkalmazásával orientálható vagy megfordítható. A piroelektromosság a ferroelektromosság szükséges következménye is. Ez felhasználható információk tárolására 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 szonár jelátalakítóinak, valamint az atomi erő és a pásztázó alagútmikroszkópok működtetőinek tervezésében.
pozitív termikus együtthatószerkesztett
a hőmérséklet emelkedése a szemcsehatárok hirtelen szigetelővé válását okozhatja egyes félvezető kerámia anyagokban, főleg nehézfém-titanátok keverékeiben. A kritikus átmeneti hőmérséklet a kémia variációival széles tartományban állítható be. Az ilyen anyagokban az áram áthalad az anyagon, amíg a joule fűtés az átmeneti hőmérsékletre nem hozza, ekkor az áramkör megszakad, és az áramáramlás megszűnik. Az ilyen kerámiákat önszabályozott fűtőelemekként használják például az autók hátsó ablakának leolvasztási áramköreiben.
az átmeneti hőmérsékleten az anyag dielektromos válasza elméletileg végtelenné válik. Míg a hőmérséklet-szabályozás hiánya kizárná az anyag gyakorlati felhasználását a kritikus hőmérséklet közelében, a dielektromos hatás rendkívül erős marad még sokkal magasabb hőmérsékleten is. A szobahőmérséklet alatti kritikus hőmérsékletű titanátok éppen ezért a kerámia kondenzátorok összefüggésében a “kerámia” szinonimájává váltak.
optikai tulajdonságokedit
optikailag átlátszó anyagok Fókuszban az anyag reakciója a bejövő fényhullámokra egy tartományon belül hullámhossz. A frekvenciaszelektív optikai szűrők felhasználhatók a digitális kép fényerejének és kontrasztjának megváltoztatására vagy fokozására. Irányított fényhullám-átvitel frekvenciaszelektív hullámvezetőkön keresztül magában foglalja a száloptika feltörekvő területét és bizonyos üveges kompozíciók átviteli közegként való képességét egyidejűleg egy frekvenciatartományban (többmódú optikai szál), kevés vagy semmilyen interferenciával a Versengő hullámhosszak vagy frekvenciák között. Ez a rezonáns energia-és adatátviteli mód elektromágneses (fény) hullámterjedésen keresztül, bár alacsony teljesítményű, gyakorlatilag veszteségmentes. Az optikai hullámvezetőket integrált optikai áramkörök (pl. fénykibocsátó diódák, LED-ek) vagy a helyi és távolsági optikai kommunikációs rendszerek átviteli közegeként. A feltörekvő anyagtudós számára is értékes az anyagok sugárzásra való érzékenysége az elektromágneses spektrum termikus infravörös (IR) részében. Ez a hőkereső képesség felelős az olyan változatos optikai jelenségekért, mint az éjjellátó és az infravörös lumineszcencia.
így a katonai szektorban egyre nagyobb szükség van nagy szilárdságú, robusztus anyagokra, amelyek képesek fényt (elektromágneses hullámokat) továbbítani a láthatóban (0,4-0.7 mikrométer) és a spektrum közepes infravörös (1-5 mikrométer) régiói. Ezek az anyagok olyan alkalmazásokhoz szükségesek, amelyek átlátszó páncélt igényelnek, beleértve a következő generációs nagysebességű rakétákat és hüvelyeket, valamint a rögtönzött robbanószerkezetek (IED) elleni védelmet.
az 1960-as években a General Electric (GE) tudósai felfedezték, hogy megfelelő gyártási körülmények között néhány kerámia, különösen az alumínium-oxid (alumínium-oxid) áttetszővé tehető. Ezek az áttetsző anyagok elég átlátszóak voltak ahhoz, hogy felhasználhatók legyenek a nagynyomású nátrium utcai lámpákban keletkező elektromos plazma tárolására. Az elmúlt két évtizedben további típusú átlátszó kerámiákat fejlesztettek ki olyan alkalmazásokhoz, mint például a hőkereső rakéták orrkúpjai, a vadászrepülőgépek ablakai és a számítógépes tomográfiás Szkennerek szcintillációs számlálói.
Az 1970-es évek elején Thomas Soules úttörő szerepet játszott a fényáteresztés számítógépes modellezésében áttetsző kerámia alumínium-oxidon keresztül. Modellje kimutatta, hogy a kerámia mikroszkopikus pórusai, amelyek főként a mikrokristályos szemcsék csomópontjaiban rekedtek, a fény szétszóródását okozták, és megakadályozták a valódi átlátszóságot. Ezeknek a mikroszkopikus pórusoknak a térfogatrészének kevesebbnek kellett lennie, mint 1% a kiváló minőségű optikai átvitelhez.
Ez alapvetően egy részecskeméret-hatás. Az opacitás a felületeken és interfészeken lévő fény inkoherens szórásából ered. A pórusokon kívül egy tipikus fém-vagy kerámia tárgy interfészeinek többsége szemcsehatárok formájában van, amelyek apró kristályos rendű régiókat választanak el egymástól. Amikor a szórási központ (vagy szemcsehatár) mérete a szétszórt fény hullámhosszának mérete alá csökken, a szórás már nem fordul elő jelentős mértékben.
polikristályos anyagok (fémek és Kerámiák) képződésekor a kristályos szemcsék méretét nagyrészt a tárgy képződése (vagy préselése) során a nyersanyagban jelen lévő kristályos részecskék mérete határozza meg. Sőt, a szemcsehatárok mérete közvetlenül a részecskemérettel arányos. Így az eredeti részecskeméret csökkentése a látható fény hullámhossza alatt (~0,5 mikrométer rövidhullámú ibolya esetén) kiküszöböli a fényszóródást, ami átlátszó anyagot eredményez.
a közelmúltban japán tudósok olyan technikákat fejlesztettek ki kerámia alkatrészek előállítására, amelyek versenyeznek a hagyományos kristályok átlátszóságával (egyetlen magból termesztve), és meghaladják az egyetlen kristály törésállóságát. Különösen a japán Konoshima Ltd., a gyártó a kerámia építőanyagok és ipari vegyi anyagok, már keresi a piacokat az átlátszó kerámia.
Livermore kutatók rájöttek, hogy ezek a kerámiák nagy előnyökkel járhatnak a Nemzeti gyújtási létesítmény (NIF) Programigazgatóságában használt nagy teljesítményű lézerek számára. Különösen egy Livermore kutatócsoport kezdett fejlett átlátszó kerámiákat szerezni a Konoshimától annak megállapítására, hogy megfelelnek-e a Livermore szilárdtest-hőteljesítményű Lézeréhez (SSHCL) szükséges optikai követelményeknek. A Livermore kutatói ezen anyagok alkalmazását is tesztelték olyan alkalmazásokhoz, mint a lézervezérelt fúziós erőművek fejlett meghajtói.