Le proprietà fisiche di qualsiasi sostanza ceramica sono un risultato diretto della sua struttura cristallina e composizione chimica. A stato solido chimica rivela la fondamentale connessione tra microstruttura e proprietà, come localizzate le variazioni di densità, distribuzione granulometrica, il tipo di porosità, e della seconda fase di contenuti, che possono essere correlate con la ceramica proprietà quali la resistenza meccanica σ Hall-Petch equazione, durezza, tenacità, costante dielettrica, e le proprietà ottiche esposto da materiali trasparenti.
La ceramografia è l’arte e la scienza della preparazione, dell’esame e della valutazione delle microstrutture ceramiche. La valutazione e la caratterizzazione delle microstrutture ceramiche sono spesso implementate su scale spaziali simili a quelle comunemente utilizzate nel campo emergente della nanotecnologia: da decine di angstrom (A) a decine di micrometri (µm). Questo è in genere da qualche parte tra la lunghezza d’onda minima della luce visibile e il limite di risoluzione dell’occhio nudo.
La microstruttura comprende la maggior parte dei grani, fasi secondarie, confini di grano, pori, micro-crepe, difetti strutturali, e durezza micro indentions. La maggior parte delle proprietà meccaniche, ottiche, termiche, elettriche e magnetiche alla rinfusa sono significativamente influenzate dalla microstruttura osservata. Il metodo di fabbricazione e le condizioni di processo sono generalmente indicati dalla microstruttura. La causa principale di molti guasti ceramici è evidente nella microstruttura spaccata e lucidata. Le proprietà fisiche che costituiscono il campo della scienza dei materiali e dell’ingegneria includono quanto segue:
Meccanica propertiesEdit
le proprietà Meccaniche sono importanti strutturali e materiali da costruzione in tessuto. Nella moderna scienza dei materiali, la meccanica delle fratture è uno strumento importante per migliorare le prestazioni meccaniche di materiali e componenti. Applica la fisica dello stress e della deformazione, in particolare le teorie dell’elasticità e della plasticità, ai difetti cristallografici microscopici presenti nei materiali reali al fine di prevedere il fallimento meccanico macroscopico dei corpi. La frattografia è ampiamente utilizzata con la meccanica delle fratture per comprendere le cause dei guasti e verificare anche le previsioni teoriche dei guasti con guasti reali.
I materiali ceramici sono solitamente materiali legati ionici o covalenti e possono essere cristallini o amorfi. Un materiale tenuto insieme da entrambi i tipi di legame tenderà a frattura prima di qualsiasi deformazione plastica avviene, che si traduce in scarsa tenacità in questi materiali. Inoltre, poiché questi materiali tendono ad essere porosi, i pori e altre imperfezioni microscopiche agiscono come concentratori di stress, diminuendo ulteriormente la tenacità e riducendo la resistenza alla trazione. Questi si combinano per dare guasti catastrofici, al contrario dei modi di guasto più duttili dei metalli.
Questi materiali mostrano una deformazione plastica. Tuttavia, a causa della struttura rigida dei materiali cristallini, ci sono pochissimi sistemi di slittamento disponibili per le dislocazioni da spostare, e quindi si deformano molto lentamente. Con i materiali non cristallini (vetrosi), il flusso viscoso è la fonte dominante della deformazione plastica ed è anche molto lento. Viene quindi trascurato in molte applicazioni di materiali ceramici.
Per superare il comportamento fragile, lo sviluppo dei materiali ceramici ha introdotto la classe di materiali compositi a matrice ceramica, in cui le fibre ceramiche sono incorporate e con rivestimenti specifici formano ponti in fibra attraverso qualsiasi fessura. Questo meccanismo aumenta sostanzialmente la resistenza alla frattura di tali ceramiche. I freni a disco ceramici sono un esempio di utilizzo di un materiale composito a matrice ceramica prodotto con un processo specifico.
Ice-templating for enhanced mechanic propertiesEdit
Se la ceramica è sottoposta a carico meccanico sostanziale, può subire un processo chiamato ice-templating, che consente un certo controllo della microstruttura del prodotto ceramico e quindi un certo controllo delle proprietà meccaniche. Gli ingegneri ceramici usano questa tecnica per sintonizzare le proprietà meccaniche alla loro applicazione desiderata. In particolare, la forza è aumentata, quando viene impiegata questa tecnica. Ice templating consente la creazione di pori macroscopici in una disposizione unidirezionale. Le applicazioni di questa tecnica di rinforzo dell’ossido sono importanti per le celle a combustibile solide dell’ossido ed i dispositivi di filtrazione dell’acqua.
Per elaborare un campione attraverso il modello di ghiaccio, viene preparata una sospensione colloidale acquosa per contenere la polvere ceramica disciolta uniformemente dispersa in tutto il colloide, ad esempio zirconia stabilizzata con Ittria (YSZ). La soluzione viene quindi raffreddata dal basso verso l’alto su una piattaforma che consente il raffreddamento unidirezionale. Questo costringe i cristalli di ghiaccio a crescere in conformità con il raffreddamento unidirezionale e questi cristalli di ghiaccio costringono le particelle YSZ disciolte al fronte di solidificazione del confine interfase solido-liquido, con conseguente cristalli di ghiaccio puri allineati unidirezionalmente accanto a sacche concentrate di particelle colloidali. Il campione viene quindi riscaldato simultaneamente e la pressione viene ridotta abbastanza da costringere i cristalli di ghiaccio a sublimare e le tasche YSZ iniziano a ricottura insieme per formare microstrutture ceramiche macroscopicamente allineate. Il campione viene quindi ulteriormente sinterizzato per completare l’evaporazione dell’acqua residua e il consolidamento finale della microstruttura ceramica.
Durante il modello di ghiaccio, alcune variabili possono essere controllate per influenzare la dimensione dei pori e la morfologia della microstruttura. Queste variabili importanti sono il carico iniziale dei solidi del colloide, la velocità di raffreddamento, la temperatura e la durata della sinterizzazione e l’uso di alcuni additivi che possono influenzare la morfologia microstrutturale durante il processo. Una buona comprensione di questi parametri è essenziale per comprendere le relazioni tra elaborazione, microstruttura e proprietà meccaniche di materiali anisotropicamente porosi.
Proprietà elettricemodifica
semiconduttorimodifica
Alcune ceramiche sono semiconduttori. La maggior parte di questi sono ossidi di metalli di transizione che sono semiconduttori II-VI, come l’ossido di zinco. Mentre ci sono prospettive di produzione di massa LED blu da ossido di zinco, ceramisti sono più interessati alle proprietà elettriche che mostrano effetti di confine grano. Uno dei più usati di questi è il varistore. Questi sono dispositivi che mostrano la proprietà che la resistenza diminuisce bruscamente a una certa tensione di soglia. Una volta che la tensione attraverso il dispositivo raggiunge la soglia, c’è una rottura della struttura elettrica in prossimità dei confini del grano, che si traduce nella sua resistenza elettrica che scende da diversi megaohm fino a poche centinaia di ohm. Il principale vantaggio di questi è che possono dissipare un sacco di energia, e si auto-reset; dopo che la tensione attraverso il dispositivo scende sotto la soglia, la sua resistenza ritorna ad essere alta. Ciò li rende ideali per le applicazioni della impulso-protezione; poichè c’è controllo sopra la tensione di soglia e la tolleranza di energia, trovano l’uso in tutti i tipi di applicazioni. La migliore dimostrazione della loro capacità può essere trovata nelle sottostazioni elettriche, dove vengono impiegate per proteggere l’infrastruttura dai fulmini. Hanno una risposta rapida, sono a bassa manutenzione e non si degradano sensibilmente dall’uso, rendendoli dispositivi praticamente ideali per questa applicazione. Le ceramiche semiconduttive sono anche impiegate come sensori di gas. Quando vari gas vengono passati su una ceramica policristallina, la sua resistenza elettrica cambia. Con la messa a punto delle possibili miscele di gas, è possibile produrre dispositivi molto economici.
SuperconductivityEdit
In alcune condizioni, come la temperatura estremamente bassa, alcune ceramiche esposizione ad alta temperatura superconduttività. La ragione di ciò non è compresa, ma ci sono due grandi famiglie di ceramiche superconduttrici.
Ferroelettricità e supersetsEdit
La piezoelettricità, un legame tra risposta elettrica e meccanica, è esibita da un gran numero di materiali ceramici, tra cui il quarzo utilizzato per misurare il tempo negli orologi e in altri dispositivi elettronici. Tali dispositivi utilizzano entrambe le proprietà dei piezoelettrici, utilizzando l’elettricità per produrre un movimento meccanico (alimentando il dispositivo) e quindi utilizzando questo movimento meccanico per produrre elettricità (generando un segnale). L’unità di tempo misurata è l’intervallo naturale richiesto per l’elettricità da convertire in energia meccanica e viceversa.
L’effetto piezoelettrico è generalmente più forte nei materiali che presentano anche piroelettricità e tutti i materiali piroelettrici sono anche piezoelettrici. Questi materiali possono essere utilizzati per interconvertire tra energia termica, meccanica o elettrica; ad esempio, dopo la sintesi in un forno, un cristallo piroelettrico lasciato raffreddare senza stress applicato generalmente accumula una carica statica di migliaia di volt. Tali materiali sono utilizzati nei sensori di movimento, dove il piccolo aumento della temperatura da un corpo caldo che entra nella stanza è sufficiente per produrre una tensione misurabile nel cristallo.
A sua volta, la piroelettricità è vista più fortemente nei materiali che mostrano anche l’effetto ferroelettrico, in cui un dipolo elettrico stabile può essere orientato o invertito applicando un campo elettrostatico. La piroelettricità è anche una conseguenza necessaria della ferroelettricità. Questo può essere usato per memorizzare informazioni in condensatori ferroelettrici, elementi di RAM ferroelettrica.
I materiali più comuni sono il titanato di zirconato di piombo e il titanato di bario. Oltre agli usi sopra menzionati, la loro forte risposta piezoelettrica viene sfruttata nella progettazione di altoparlanti ad alta frequenza, trasduttori per sonar e attuatori per microscopi a effetto tunnel a forza atomica.
Coefficiente termico positivomodifica
Gli aumenti di temperatura possono far sì che i bordi dei grani diventino improvvisamente isolanti in alcuni materiali ceramici semiconduttori, per lo più miscele di titanati di metalli pesanti. La temperatura critica di transizione può essere regolata su un ampio intervallo in base alle variazioni della chimica. In tali materiali, la corrente passerà attraverso il materiale fino a quando il riscaldamento joule non lo porterà alla temperatura di transizione, a quel punto il circuito si interromperà e il flusso di corrente cesserà. Tali ceramiche sono utilizzate come elementi riscaldanti autocontrollati, ad esempio nei circuiti di sbrinamento del lunotto delle automobili.
Alla temperatura di transizione, la risposta dielettrica del materiale diventa teoricamente infinita. Mentre una mancanza di controllo della temperatura escluderebbe qualsiasi uso pratico del materiale vicino alla sua temperatura critica, l’effetto dielettrico rimane eccezionalmente forte anche a temperature molto più elevate. I titanati con temperature critiche molto al di sotto della temperatura ambiente sono diventati sinonimo di “ceramica” nel contesto dei condensatori ceramici proprio per questo motivo.
Optical propertiesEdit
Materiali otticamente trasparenti focus sulla risposta di un materiale alle onde luminose in entrata di lunghezze d’onda. I filtri ottici selettivi in frequenza possono essere utilizzati per alterare o migliorare la luminosità e il contrasto di un’immagine digitale. La trasmissione guidata delle onde luminose tramite guide d’onda selettive in frequenza coinvolge il campo emergente della fibra ottica e la capacità di alcune composizioni vetrose come mezzo di trasmissione per una gamma di frequenze contemporaneamente (fibra ottica multimodale) con poca o nessuna interferenza tra lunghezze d’onda o frequenze concorrenti. Questa modalità risonante di trasmissione di energia e dati tramite propagazione di onde elettromagnetiche (leggere), sebbene a bassa potenza, è praticamente senza perdita di dati. Le guide d’onda ottiche sono utilizzate come componenti nei circuiti ottici integrati (ad es. diodi emettitori di luce, LED) o come mezzo di trasmissione nei sistemi di comunicazione ottica locali e a lungo raggio. Anche di valore per lo scienziato dei materiali emergenti è la sensibilità dei materiali alle radiazioni nella porzione infrarossa termica (IR) dello spettro elettromagnetico. Questa capacità di ricerca del calore è responsabile di fenomeni ottici così diversi come la visione notturna e la luminescenza IR.
Pertanto, nel settore militare vi è una crescente necessità di materiali ad alta resistenza e robusti che abbiano la capacità di trasmettere luce (onde elettromagnetiche) nel visibile (0,4-0.7 micrometri) e medio infrarosso (1-5 micrometri) regioni dello spettro. Questi materiali sono necessari per applicazioni che richiedono armature trasparenti, inclusi missili e pod ad alta velocità di nuova generazione, nonché protezione contro i dispositivi esplosivi improvvisati (IED).
Nel 1960, gli scienziati della General Electric (GE) hanno scoperto che nelle giuste condizioni di produzione, alcune ceramiche, in particolare l’ossido di alluminio (allumina), potrebbero essere rese traslucide. Questi materiali traslucidi erano abbastanza trasparenti da essere utilizzati per contenere il plasma elettrico generato nei lampioni al sodio ad alta pressione. Negli ultimi due decenni, sono stati sviluppati altri tipi di ceramiche trasparenti per applicazioni come coni nasali per missili a ricerca di calore, finestre per aerei da combattimento e contatori di scintillazione per scanner per tomografia computerizzata.
Nei primi anni 1970, Thomas Soules è stato il pioniere della modellazione al computer della trasmissione della luce attraverso l’allumina ceramica traslucida. Il suo modello ha mostrato che i pori microscopici in ceramica, principalmente intrappolati nelle giunzioni dei grani microcristallini, hanno causato la dispersione della luce e impedito la vera trasparenza. La frazione di volume di questi pori microscopici doveva essere inferiore all ‘ 1% per la trasmissione ottica di alta qualità.
Questo è fondamentalmente un effetto di dimensione delle particelle. L’opacità deriva dalla dispersione incoerente della luce su superfici e interfacce. Oltre ai pori, la maggior parte delle interfacce in un tipico oggetto metallico o ceramico sono sotto forma di confini di grano che separano piccole regioni di ordine cristallino. Quando la dimensione del centro di scattering (o bordo del grano) viene ridotta al di sotto della dimensione della lunghezza d’onda della luce che viene dispersa, la scattering non si verifica più in misura significativa.
Nella formazione di materiali policristallini (metalli e ceramiche) la dimensione dei grani cristallini è determinata in gran parte dalla dimensione delle particelle cristalline presenti nella materia prima durante la formazione (o la pressatura) dell’oggetto. Inoltre, la dimensione dei confini del grano scala direttamente con la dimensione delle particelle. Pertanto, una riduzione della dimensione delle particelle originale al di sotto della lunghezza d’onda della luce visibile (~ 0,5 micrometri per la viola ad onde corte) elimina qualsiasi dispersione della luce, risultando in un materiale trasparente.
Recentemente, gli scienziati giapponesi hanno sviluppato tecniche per produrre parti in ceramica che rivaleggiano con la trasparenza dei cristalli tradizionali (cresciuti da un singolo seme) e superano la resistenza alla frattura di un singolo cristallo. In particolare, gli scienziati della ditta giapponese Konoshima Ltd., un produttore di materiali da costruzione ceramici e prodotti chimici industriali, sono stati alla ricerca di mercati per la loro ceramica trasparente.
I ricercatori di Livermore si sono resi conto che queste ceramiche potrebbero beneficiare notevolmente dei laser ad alta potenza utilizzati nella Direzione dei programmi National Ignition Facility (NIF). In particolare, un gruppo di ricerca Livermore ha iniziato ad acquisire ceramiche trasparenti avanzate da Konoshima per determinare se potevano soddisfare i requisiti ottici necessari per il laser a capacità termica a stato solido di Livermore (SSHCL). I ricercatori di Livermore hanno anche testato le applicazioni di questi materiali per applicazioni come driver avanzati per centrali elettriche a fusione azionate da laser.