任意のセラミック物質の物理的性質は、その結晶構造と化学組成の直接の結果です。 固体化学は、局所的な密度変化、粒度分布、気孔率の種類、第二相content有量などの微細構造と特性との基本的な関係を明らかにし、ホール-ペッチ方程式による機械的強度γ、硬度、靭性、誘電率、透明材料によって示される光学特性などのセラミック特性と相関させることができる。
セラモグラフィーは、セラミック微細構造の準備、検査、および評価の芸術と科学です。 セラミック微細構造の評価と特性評価は、多くの場合、ナノテクノロジーの新興分野で一般的に使用されているものと同様の空間スケールで実装されています：数十オングストローム（A）から数十マイクロメートル（μ m）まで。 これは、典型的には、可視光の最小波長と肉眼の分解能限界との間のどこかにある。
微細構造には、ほとんどの粒、二次相、粒界、細孔、マイクロクラック、構造欠陥、および硬度マイクロインデントが含まれます。
微細構造には、ほとんどの粒、二次相、粒界、細孔、 ほとんどのバルクの機械的、光学的、熱的、電気的、および磁気的特性は、観察された微細構造によって大きく影響される。 製造方法およびプロセス条件は、一般に微細構造によって示される。 多くの陶磁器の失敗の根本的原因は裂かれ、磨かれた微細構造で明白である。 材料科学および工学の分野を構成する物理的性質には、次のものが含まれます:
機械propertiesEdit
機械的特性は、構造材料および建築材料ならびに繊維織物において重要である。 現代の材料科学では、破壊力学は材料や部品の機械的性能を向上させる上で重要なツールです。 これは、物体の巨視的な機械的破壊を予測するために、実際の材料に見られる微視的な結晶学的欠陥に、応力とひずみの物理学、特に弾性と可塑性の理論 フラクトグラフィーは、故障の原因を理解し、実際の故障で理論的な故障予測を検証するために、破壊力学で広く使用されています。セラミック材料は、通常、イオン性または共有結合性の材料であり、結晶性または非晶質であり得る。
セラミック材料は、通常、イオン性または共有結合 いずれかのタイプの結合によって一緒に保持された材料は、塑性変形が起こる前に破壊される傾向があり、これらの材料の靭性が低下する。 さらに、これらの材料は多孔性である傾向があるため、細孔および他の微視的欠陥は応力集中器として作用し、靭性をさらに低下させ、引張強度を低下 これらは金属の延性がある故障モードに対して破局的な失敗を、与えるために結合する。
これらの材料は塑性変形を示します。 しかし、結晶材料の剛性構造のために、転位が移動するための利用可能なスリップシステムは非常に少なく、したがって、それらは非常にゆっくりと変 非結晶性（ガラス状）材料では、粘性流が塑性変形の支配的な原因であり、また非常に遅い。 従ってそれは陶磁器材料の多くの適用で無視されます。
脆性挙動を克服するために、セラミック材料の開発は、セラミック繊維が埋め込まれ、特定のコーティングが任意の亀裂を横切って繊維橋を形成しているセラミックマトリクス複合材料のクラスを導入しました。 この機構は、このようなセラミックスの破壊靭性を実質的に増加させる。 セラミックディスクブレーキは、特定のプロセスで製造されたセラミックマトリックス複合材料を使用する例です。
強化された機械的特性のための氷テンプレート編集
セラミックは、実質的な機械的負荷を受ける場合、それはセラミック製品の微細構造のい セラミック技術者は、この技術を使用して、機械的特性を所望の用途に調整します。 具体的には、この技術を採用すると強度が増加する。 氷の型板は一方向性整理の巨視的な気孔の作成を可能にする。 この酸化物強化技術の応用は、固体酸化物燃料電池および水ろ過装置にとって重要である。
氷テンプレートを介してサンプルを処理するために、水性コロイド懸濁液は、コロイド、例えばイットリア安定化ジルコニア（YSZ）全体に均一に分散した溶 解決は単方向冷却を可能にするプラットホームの底から上へのそれから冷却される。 これにより、氷の結晶は一方向冷却に従って成長し、これらの氷の結晶は、溶解したYSZ粒子を固液間相境界の凝固前面に強制し、純粋な氷の結晶がコロイド粒子の濃縮されたポケットに沿って一方向に並んで並んでいる。 サンプルはそれから同時に熱され、圧力は昇華するために氷の水晶を強制するには十分に減り、yszのポケットは巨視的に一直線に並べられたセラ サンプルはそれから更に陶磁器の微細構造の残り水そして最終的な強化の蒸発を完了するために焼結します。
氷テンプレートの間に、いくつかの変数は、微細構造の細孔サイズと形態に影響を与えるように制御することができます。
氷テンプレートの間に、いくつかの変数を制御することができます。 これらの重要な変数はプロセスの間に微細構造の形態に影響を与えることができるある特定の添加物のコロイドの最初の固体ローディング、冷却率、焼結の温度および持続期間、および使用である。 これらのパラメータを十分に理解することは、異方性多孔質材料の加工、微細構造、および機械的性質との関係を理解するために不可欠です。
電気的特性編集
半導体編集
いくつかのセラミックスは半導体です。 これらのほとんどは、酸化亜鉛のようなII-VI半導体である遷移金属酸化物である。 酸化亜鉛から青色Ledを大量生産する見通しがありますが、セラミック専門家は粒界効果を示す電気的特性に最も関心があります。 これらの中で最も広く使用されているのはバリスタです。 これらは、ある閾値電圧で抵抗が急激に低下する特性を示すデバイスである。 デバイスの両端の電圧がスレッショルドに達すると、結晶粒界付近で電気構造が破壊され、その電気抵抗が数メガωから数百ωに低下します。 これらの主な利点は、彼らが多くのエネルギーを放散することができ、彼らは自己リセットすることです; デバイスの両端の電圧がスレッショルドを下回った後、その抵抗はハイに戻ります。 これはそれらにサージ保護適用のための理想をする;境界の電圧およびエネルギー許容の制御があるので、各種各様の適用の使用を見つける。 彼らの能力の最高のデモンストレーションは、落雷からインフラを保護するために使用されている変電所で見つけることができます。 それらに急速な応答があり、低い維持で、そしてそれらにこの適用のための事実上理想的な装置をする使用からかなり低下しない。 半導体セラミックスは、ガスセンサとしても採用されています。 さまざまなガスが多結晶性陶磁器に渡されるとき、電気抵抗の変更。 可能なガス混合物に調整することにより、非常に安価な装置を製造することができる。
SuperconductivityEdit
極低温などのいくつかの条件下では、いくつかのセラミックスは高温を示す。超伝導。 その理由は理解されていませんが、超伝導セラミックスには二つの主要なファミリーがあります。
強誘電性およびsupersetsEdit
圧電性、電気的および機械的応答の間のリンクは、時計や他の電子機器の時間を測定するために使用される石英を含む このようなデバイスは、電気を使用して機械的な動きを生成する（デバイスに電力を供給する）と、この機械的な動きを使用して電気を生成する（信号 測定された時間の単位は、電気が機械的エネルギーに変換され、再び戻されるために必要な自然な間隔です。
圧電効果は、一般に、焦電性を示す材料でも強く、すべての焦電性材料も圧電性である。 これらの材料は、熱、機械、または電気エネルギーの間で相互変換するために使用することができます;例えば、炉内で合成した後、印加された応力なしで冷 そのような材料は部屋に入る暖かいボディからの温度の小さい上昇が水晶の測定可能な電圧を作り出す十分である動きセンサーで使用される。次に、焦電性は、静電場を印加することによって安定した電気双極子を配向または反転させることができる強誘電効果を示す材料で最も強く見られる。 焦電性は強誘電性の必要な結果でもあります。 これは、強誘電体コンデンサ、強誘電体RAMの要素に情報を格納するために使用することができます。
最も一般的なそのような材料は、チタン酸ジルコン酸鉛およびチタン酸バリウムである。 上記の用途以外にも、高周波スピーカー、ソナー用トランスデューサ、原子間力顕微鏡や走査型トンネル顕微鏡用アクチュエータの設計には、その強力な圧電応答が利用されています。
正の熱coefficientEdit
温度が上昇すると、一部の半導体セラミック材料、主に重金属チタン酸塩の混合物で結晶粒界が突然絶縁になる可能性があ 臨界転移温度は、化学の変化によって広い範囲にわたって調整することができる。 このような材料では、ジュール加熱がそれを転移温度にもたらすまで電流が材料を通過し、その時点で回路が破壊され、電流の流れが止まる。 このようなセラミックスは、例えば、自動車の後部窓霜取り回路における自己制御発熱体として使用される。
転移温度では、材料の誘電応答は理論的に無限になります。 温度制御の欠如は、その臨界温度付近での材料の実用的な使用を排除するだろうが、誘電効果ははるかに高い温度でも例外的に強いままである。 室温をはるかに下回る臨界温度を有するチタン酸塩は、このような理由からセラミックコンデンサの文脈で”セラミック”と同義になっています。
光学propertiesEdit
光学的に透明な材料は、波長の範囲の入 周波数選択光学フィルタは、デジタル画像の明るさおよびコントラストを変更または強化するために利用することができる。 周波数選択導波路を介した導波光波伝送は、ファイバ光学の新興分野と、競合する波長または周波数間の干渉がほとんどまたはまったくない周波数範囲（マルチモード光ファイバ）の伝送媒体としての特定のガラス状組成物の能力を含む。 電磁（光）波の伝播を介したエネルギーとデータ伝送のこの共振モードは、低電力ではあるが、実質的に無損失である。 光導波路は、集積光回路の部品として使用されています（例えば、 ローカルおよび長距離輸送の光通信システムの伝達媒体として発光ダイオード、LEDs）または。 また、新興材料科学者にとって価値のあるのは、電磁スペクトルの熱赤外線（IR）部分における放射に対する材料の感度である。 この熱を求める能力は、夜間視力や赤外線発光などの多様な光学現象の原因となっています。
このように、可視光（電磁波）を透過する能力を有する高強度、堅牢な材料のための軍事部門でのニーズが高まっています（0.4-0。スペクトルの7マイクロメートル）および中赤外（1-5マイクロメートル）領域。 これらの材料は、次世代の高速ミサイルやポッドなどの透明な装甲を必要とする用途や、即席爆発装置（IED）に対する保護に必要です。
1960年代、ゼネラル-エレクトリック（GE）の科学者は、適切な製造条件の下で、いくつかのセラミックス、特に酸化アルミニウム（アルミナ）を半透明にすることができることを発見した。 これらの半透明材料は，高圧ナトリウム街路灯で発生する電気プラズマを含むのに十分透明であった。 過去の二十年の間に、付加的なタイプの透明な製陶術は熱追求のミサイルのための鼻の円錐形、戦闘機のための窓、およびコンピュータ断層撮影の走査器のためのシンチレーションのカウンターのような適用のために開発されました。
1970年代初頭、Thomas Soulesは半透明セラミックアルミナを介した光透過のコンピュータモデリングを開拓しました。 彼のモデルは、主に微結晶粒の接合部にトラップされたセラミック中の微視的な細孔が光を散乱させ、真の透明性を妨げることを示した。 これらの微視的な気孔の体積分率は良質の光学伝達のための1%よりより少しでなければなりませんでした。これは基本的に粒子サイズの効果です。
これは粒子サイズの効果です。
不透明度は、表面および界面における光のインコヒーレント散乱に起因する。 気孔に加えて、典型的な金属または陶磁器の目的のインターフェイスのほとんどは結晶の順序の小さい領域を分ける粒界の形にあります。 散乱中心（または粒界）のサイズが散乱されている光の波長のサイズよりも小さくなると、散乱はもはや有意な程度まで起こらない。
多結晶材料（金属およびセラミックス）の形成において、結晶粒の大きさは、物体の形成（またはプレス）中に原料中に存在する結晶粒子の大きさによ さらに、粒界のサイズは粒度と直接拡大します。 従って可視ライト（短波のすみれ色のための~0.5マイクロメートル）の波長の下の元の粒度の減少は透明な材料に終って光散乱を、除去する。
最近、日本の科学者は、伝統的な結晶（単一の種子から成長した）の透明性に匹敵し、単結晶の破壊靭性を超えるセラミック部品を製造する技術を開 特に、日本の企業Konoshima Ltdの科学者。、陶磁器の建築材および産業化学薬品の生産者は、ずっと透明な製陶術のための市場を捜しています。
リバモアの研究者は、これらのセラミックスが大幅に国立点火施設（NIF）プログラム総局で使用される高出力レーザーに利益をもたらす可能性があ 特に、リバモアの研究チームは、リバモアの固体熱容量レーザー（SSHCL）に必要な光学要件を満たすことができるかどうかを判断するために、Konoshimaから高度な透明セラ リバモアの研究者はまた、レーザー駆動核融合発電所のための高度なドライバなどのアプリケーションのために、これらの材料のテス