de fysiske egenskapene til et keramisk stoff er et direkte resultat av dets krystallinske struktur og kjemiske sammensetning. Solid state kjemi avslører den grunnleggende forbindelsen mellom mikrostruktur og egenskaper, for eksempel lokaliserte tetthetsvariasjoner, kornstørrelsesfordeling, type porøsitet og andre faseinnhold, som alle kan korreleres med keramiske egenskaper som mekanisk styrke σ av Hall-Petch-ligningen, hardhet, seighet, dielektrisk konstant og de optiske egenskapene som vises av gjennomsiktige materialer.Ceramografi Er kunsten og vitenskapen om forberedelse, undersøkelse og evaluering av keramiske mikrostrukturer. Evaluering og karakterisering av keramiske mikrostrukturer implementeres ofte på lignende romlige skalaer som det som vanligvis brukes i det nye feltet nanoteknologi: fra titalls ångstrøm (A) til titalls mikrometer (µ). Dette er vanligvis et sted mellom den minste bølgelengden av synlig lys og oppløsningsgrensen for det blotte øye.mikrostrukturen omfatter de fleste korn, sekundære faser, korngrenser, porer, mikrosprekker, strukturelle defekter og hardhetsmikroindensjoner. De fleste bulkmekaniske, optiske, termiske, elektriske og magnetiske egenskaper påvirkes betydelig av den observerte mikrostrukturen. Fabrikasjonsmetoden og prosessbetingelsene er generelt angitt av mikrostrukturen. Årsaken til mange keramiske feil er tydelig i spaltet og polert mikrostruktur. Fysiske egenskaper som utgjør innen materialvitenskap og ingeniørfag inkluderer følgende:
Mekaniske egenskaperrediger
Skjæreskiver laget av silisiumkarbid
Mekaniske egenskaper er viktige i konstruksjons-og bygningsmaterialer samt tekstilstoffer. I moderne materialvitenskap er bruddmekanikk et viktig verktøy for å forbedre mekanisk ytelse av materialer og komponenter. Det gjelder fysikken av stress og belastning, spesielt teoriene om elastisitet og plastisitet, til de mikroskopiske krystallografiske feilene som finnes i virkelige materialer for å forutsi makroskopisk mekanisk svikt i legemer. Fraktografi er mye brukt med bruddmekanikk for å forstå årsakene til feil og også verifisere de teoretiske feilprognosene med virkelige feil.Keramiske materialer er vanligvis ioniske eller kovalente bundne materialer, og kan være krystallinske eller amorfe. Et materiale som holdes sammen av begge typer bindinger, vil ha en tendens til å sprekke før noen plastisk deformasjon finner sted, noe som resulterer i dårlig seighet i disse materialene. I tillegg, fordi disse materialene har en tendens til å være porøse, fungerer porene og andre mikroskopiske ufullkommenheter som spenningskonsentratorer, reduserer seigheten ytterligere og reduserer strekkstyrken. Disse kombineres for å gi katastrofale feil, i motsetning til de mer duktile feilmodusene av metaller.
disse materialene viser plastisk deformasjon. På grunn av den stive strukturen til de krystallinske materialene er det imidlertid svært få tilgjengelige glidesystemer for dislokasjoner å bevege seg, og deformeres derfor veldig sakte. Med de ikke-krystallinske (glassaktige) materialene er viskøs strøm den dominerende kilden til plastisk deformasjon, og er også veldig langsom. Det er derfor neglisjert i mange anvendelser av keramiske materialer.for å overvinne den sprø oppførselen har keramisk materialutvikling introdusert klassen av keramiske matrisekomposittmaterialer, hvor keramiske fibre er innebygd og med spesifikke belegg danner fiberbroer over enhver sprekk. Denne mekanismen øker vesentlig bruddseigheten til slike keramikk. Keramiske skivebremser er et eksempel på bruk av et keramisk matrisekomposittmateriale produsert med en bestemt prosess.
Ice-templating for forbedrede mekaniske egenskaperrediger
hvis keramikk blir utsatt for betydelig mekanisk belastning, kan den gjennomgå en prosess som kalles ice-templating, noe som gir en viss kontroll over mikrostrukturen til det keramiske produktet og derfor en viss kontroll over de mekaniske egenskapene. Keramiske ingeniører bruker denne teknikken til å justere de mekaniske egenskapene til ønsket applikasjon. Spesielt er styrken økt, når denne teknikken er ansatt. Ice templating tillater opprettelsen av makroskopiske porer i en ensrettet ordning. Anvendelsene av denne oksid styrke teknikken er viktig for solid oksid brenselceller og vann filtrering enheter.
for å behandle en prøve gjennom is templating, fremstilles en vandig kolloidal suspensjon for å inneholde det oppløste keramiske pulveret jevnt spredt gjennom kolloidet, for eksempel Yttria-stabilisert zirkonium (YSZ). Løsningen avkjøles deretter fra bunnen til toppen på en plattform som muliggjør ensrettet kjøling. Dette tvinger iskrystaller til å vokse i samsvar med den ensrettede kjølingen, og disse iskrystallene tvinger de oppløste YSZ-partiklene til størkningsfronten av den fast-flytende interfasegrensen, noe som resulterer i rene iskrystaller lined opp ensrettet sammen med konsentrerte lommer av kolloidale partikler. Prøven blir så samtidig oppvarmet og trykket reduseres nok til å tvinge iskrystallene til å sublimere og YSZ-lommene begynner å anneal sammen for å danne makroskopisk justerte keramiske mikrostrukturer. Prøven sintres deretter videre for å fullføre fordampningen av restvannet og den endelige konsolideringen av den keramiske mikrostrukturen.under is-templering kan noen få variabler styres for å påvirke porestørrelsen og morfologien til mikrostrukturen. Disse viktige variablene er den første faststoffbelastningen av kolloidet, kjølehastigheten, sintringstemperaturen og varigheten, og bruken av visse tilsetningsstoffer som kan påvirke mikrostrukturell morfologi under prosessen. En god forståelse av disse parametrene er viktig for å forstå forholdet mellom prosessering, mikrostruktur og mekaniske egenskaper av anisotropisk porøse materialer.
Elektriske egenskaperedit
SemiconductorsEdit
noen keramikk er halvledere. De fleste av disse er overgangsmetalloksider SOM ER ii-vi halvledere, som sinkoksid. Mens det er utsikter til masseproduserende blå Lysdioder fra sinkoksid, er keramikere mest interessert i de elektriske egenskapene som viser korngrenseeffekter. En av de mest brukte av disse er varistoren. Dette er enheter som viser egenskapen at motstanden faller kraftig ved en viss terskelspenning. Når spenningen over enheten når terskelen, er det en sammenbrudd av den elektriske strukturen i nærheten av korngrensene, noe som resulterer i at den elektriske motstanden faller fra flere megohm ned til noen få hundre ohm. Den store fordelen med disse er at de kan spre mye energi, og de selv reset; etter at spenningen over enheten faller under terskelen, går motstanden tilbake til å være høy. Dette gjør dem ideelle for overspenningsvern; da det er kontroll over terskelspenningen og energitoleransen, finner de bruk i alle slags applikasjoner. Den beste demonstrasjonen av deres evne finnes i elektriske stasjoner, der de er ansatt for å beskytte infrastrukturen mot lynnedslag. De har rask respons, er lite vedlikehold, og ikke vesentlig dårligere fra bruk, noe som gjør dem nesten ideelle enheter for dette programmet. Halvledende keramikk brukes også som gassensorer. Når ulike gasser sendes over en polykrystallinsk keramikk, endres den elektriske motstanden. Med tuning til mulige gassblandinger kan meget billige enheter produseres.
Superledningsrediger
under noen forhold, for eksempel ekstremt lav temperatur, Viser Noen Keramikk Høy Temperatur superledningsevne. Årsaken til dette er ikke forstått, men det er to store familier av superledende keramikk.Piezoelektrisitet, en kobling mellom elektrisk og mekanisk respons, er utstilt av et stort antall keramiske materialer, inkludert kvarts som brukes til å måle tid i klokker og annen elektronikk. Slike enheter bruker begge egenskapene til piezoelektrikum, ved hjelp av elektrisitet for å produsere en mekanisk bevegelse (drive enheten) og deretter bruke denne mekaniske bevegelsen til å produsere elektrisitet (generere et signal). Tidsenheten målt er det naturlige intervallet som kreves for at elektrisitet skal omdannes til mekanisk energi og tilbake igjen.den piezoelektriske effekten er generelt sterkere i materialer som også viser pyroelektrisitet, og alle pyroelektriske materialer er også piezoelektriske. Disse materialene kan brukes til å inter-konvertere mellom termisk, mekanisk eller elektrisk energi; for eksempel, etter syntese i en ovn, en pyroelektrisk krystall lov til å kjøle under ingen påført stress generelt bygger opp en statisk ladning på tusenvis av volt. Slike materialer brukes i bevegelsessensorer, hvor den lille temperaturstigningen fra en varm kropp som kommer inn i rommet, er nok til å produsere en målbar spenning i krystallet.i sin tur ses pyroelektrisitet sterkest i materialer som også viser den ferroelektriske effekten, der en stabil elektrisk dipol kan orienteres eller reverseres ved å bruke et elektrostatisk felt. Pyroelektrisitet er også en nødvendig konsekvens av ferroelektrisitet. Dette kan brukes til å lagre informasjon i ferroelektriske kondensatorer, elementer av ferroelektrisk RAM.
de vanligste slike materialer er bly zirkonat titanat og barium titanat. Bortsett fra de anvendelser som er nevnt ovenfor, er deres sterke piezoelektriske respons utnyttes i utformingen av høyfrekvente høyttalere, transdusere for sonar, og aktuatorer for atomkraft og skanning tunneling mikroskop.
positiv termisk koeffisientrediger
Temperaturøkninger kan føre til at korngrenser plutselig blir isolerende i noen halvledende keramiske materialer, for det meste blandinger av tungmetall titanater. Den kritiske overgangstemperaturen kan justeres over et bredt spekter av variasjoner i kjemi. I slike materialer vil strømmen passere gjennom materialet til joule oppvarming bringer den til overgangstemperaturen, hvor kretsen vil bli ødelagt og strømmen vil opphøre. Slike keramikk brukes som selvstyrte varmeelementer i for eksempel bakvinduets avrimningskretser av biler.
ved overgangstemperaturen blir materialets dielektriske respons teoretisk uendelig. Mens mangel på temperaturkontroll ville utelukke praktisk bruk av materialet nær sin kritiske temperatur, forblir den dielektriske effekten eksepsjonelt sterk selv ved mye høyere temperaturer. Titanater med kritiske temperaturer langt under romtemperatur har blitt synonymt med» keramikk » i sammenheng med keramiske kondensatorer av nettopp denne grunn.
Optiske egenskaperrediger
cermax xenonbue lampe med syntetisk safir utgangsvindu Optisk transparente materialer fokuserer på responsen av et materiale til innkommende lysbølger av et område av bølgelengder. Frekvensselektive optiske filtre kan brukes til å endre eller forbedre lysstyrken og kontrasten til et digitalt bilde. Guidet lysbølgeoverføring via frekvensselektive bølgeledere involverer det fremvoksende feltet fiberoptikk og evnen til visse glassaktige komposisjoner som et overføringsmedium for en rekke frekvenser samtidig (multi-modus optisk fiber) med liten eller ingen forstyrrelse mellom konkurrerende bølgelengder eller frekvenser. Denne resonansmodusen for energi og dataoverføring via elektromagnetisk (lys) bølgeutbredelse, selv om den er lavdrevet, er nesten lossless. Optiske bølgeledere brukes som komponenter I Integrerte optiske kretser (f. eks. lysdioder, Lysdioder) eller som overføringsmedium i optiske kommunikasjonssystemer med lokal og lang rekkevidde. Også av verdi for den nye materialforskeren er materialets følsomhet for stråling i den termiske infrarøde (IR) delen av det elektromagnetiske spektret. Denne varmesøkende evnen er ansvarlig for så forskjellige optiske fenomener som Nattsyn og IR-luminescens.
dermed er det et økende behov i militær sektor for høy styrke, robuste materialer som har evnen til å overføre lys (elektromagnetiske bølger) i det synlige (0.4 – 0.7 mikrometer) og mid-infrarød (1-5 mikrometer) regioner av spekteret. Disse materialene er nødvendige for applikasjoner som krever gjennomsiktig rustning, inkludert neste generasjons høyhastighets missiler og pods, samt beskyttelse mot improviserte eksplosive enheter (IED).På 1960-tallet oppdaget Forskere Ved General Electric (GE) at under de rette produksjonsforholdene kunne noen keramikk, spesielt aluminiumoksid (alumina), bli gjennomsiktig. Disse gjennomsiktige materialene var gjennomsiktige nok til å bli brukt til å inneholde det elektriske plasmaet som genereres i høytrykks natriumgatelamper. I løpet av de siste to tiårene har flere typer gjennomsiktig keramikk blitt utviklet for applikasjoner som nesekegler for varmesøkende missiler, vinduer for jagerfly og scintillasjonsteller for computertomografi skannere.Tidlig på 1970-tallet var Thomas Soules en pioner innen datamodellering av lysoverføring gjennom gjennomskinnelig keramisk alumina. Hans modell viste at mikroskopiske porer i keramikk, hovedsakelig fanget ved kryssene av mikrokrystallinske korn, forårsaket lyset å spre seg og forhindret sann gjennomsiktighet. Volumfraksjonen av disse mikroskopiske porene måtte være mindre enn 1% for optisk overføring av høy kvalitet.
dette er i utgangspunktet en partikkelstørrelseseffekt. Opasitet skyldes usammenhengende spredning av lys på overflater og grensesnitt. I tillegg til porer er de fleste grensesnittene i et typisk metall eller keramisk objekt i form av korngrenser som skiller små områder av krystallinsk rekkefølge. Når størrelsen på spredningssenteret (eller korngrensen) reduseres under størrelsen på bølgelengden til lyset som blir spredt, oppstår spredningen ikke lenger i noen vesentlig grad.
ved dannelsen av polykrystallinske materialer (metaller og keramikk) bestemmes størrelsen på de krystallinske kornene i stor grad av størrelsen på de krystallinske partiklene som er tilstede i råmaterialet under dannelse (eller pressing) av objektet. Videre skalerer størrelsen på korngrensene direkte med partikkelstørrelse. Dermed eliminerer en reduksjon av den opprinnelige partikkelstørrelsen under bølgelengden til synlig lys (~ 0,5 mikrometer for kortbølgefiolett) enhver lysspredning, noe som resulterer i et gjennomsiktig materiale.Nylig Har Japanske forskere utviklet teknikker for å produsere keramiske deler som konkurrerer med gjennomsiktigheten av tradisjonelle krystaller (vokst fra et enkelt frø) og overskrider bruddseigheten til en enkelt krystall. Spesielt forskere Ved Det Japanske firmaet Konoshima Ltd., en produsent av keramiske byggematerialer og industrielle kjemikalier, har latt etter markeder for gjennomsiktig keramikk.Livermore-forskere innså at disse keramikkene kunne ha stor nytte av kraftige lasere som brukes I National Ignition Facility (NIF) Programdirektoratet. Spesielt Begynte Et Livermore-forskerteam å skaffe seg avansert gjennomsiktig keramikk Fra Konoshima for å avgjøre om De kunne oppfylle de optiske kravene som trengs for Livermores Solid State Heat Capacity Laser (SSHCL). Livermore forskere har også testet applikasjoner av disse materialene for applikasjoner som avanserte drivere for laserdrevne fusjonskraftverk.