de fysische eigenschappen van een keramische stof zijn een direct gevolg van de kristallijne structuur en chemische samenstelling ervan. Solid-state chemie onthult de fundamentele verbinding tussen microstructuur en eigenschappen, zoals gelokaliseerde dichtheidsvariaties, korrelgrootteverdeling, type porositeit en tweede fase inhoud, die allemaal kunnen worden gecorreleerd met keramische eigenschappen zoals mechanische sterkte σ Door de Hall-Petch vergelijking, hardheid, taaiheid, diëlektrische constante, en de optische eigenschappen tentoongesteld door transparante materialen.
Ceramografie is de kunst en wetenschap van de voorbereiding, het onderzoek en de evaluatie van keramische microstructuren. Evaluatie en karakterisering van keramische microstructuren worden vaak uitgevoerd op soortgelijke ruimtelijke schalen als die gebruikt worden in het opkomende gebied van nanotechnologie: van tientallen angstroms (A) tot tientallen micrometers (µm). Dit ligt meestal ergens tussen de minimale golflengte van zichtbaar licht en de resolutielimiet van het blote oog.
de microstructuur omvat de meeste korrels, secundaire fasen, korrelgrenzen, poriën, microscheuren, structurele defecten en hardheid micro-indenties. De meeste bulk mechanische, optische, thermische, elektrische en magnetische eigenschappen worden aanzienlijk beïnvloed door de waargenomen microstructuur. De fabricagemethode en de procesvoorwaarden worden over het algemeen aangegeven door de microstructuur. De oorzaak van vele keramische storingen is duidelijk in de gekloofde en gepolijste microstructuur. Fysische eigenschappen die het gebied van materiaalkunde en techniek vormen omvatten de volgende:
mechanische eigenschappen edit
mechanische eigenschappen zijn belangrijk in bouwmaterialen en Textiel. In de moderne materiaalwetenschap is Breukmechanica een belangrijk hulpmiddel bij het verbeteren van de mechanische prestaties van materialen en componenten. Het past de fysica van spanning en spanning, in het bijzonder de theorieën van elasticiteit en plasticiteit, toe op de microscopische kristallografische defecten die in echte materialen worden gevonden om het macroscopische mechanische falen van lichamen te voorspellen. Fractografie wordt veel gebruikt met fractuurmechanica om de oorzaken van storingen te begrijpen en ook de theoretische faalvoorspellingen met echte mislukkingen te verifiëren.
Keramische materialen zijn meestal ionische of covalente gebonden materialen en kunnen kristallijn of amorf zijn. Een materiaal bij elkaar gehouden door een van beide soorten binding zal de neiging om te breken voordat een plastische vervorming plaatsvindt, wat resulteert in een slechte taaiheid in deze materialen. Bovendien, omdat deze materialen de neiging om poreus te zijn, de poriën en andere microscopische onvolkomenheden fungeren als spanningsconcentratoren, het verminderen van de taaiheid verder, en het verminderen van de treksterkte. Deze combineren om catastrofale storingen te geven, in tegenstelling tot de meer nodulair falen modi van metalen.
deze materialen vertonen wel plastische vervorming. Echter, vanwege de stijve structuur van de kristallijne materialen, zijn er zeer weinig beschikbare slip systemen voor dislocaties om te bewegen, en dus vervormen ze zeer langzaam. Bij de niet-kristallijne (glazige) materialen is viskeuze stroming de dominante bron van plastische vervorming, en is ook zeer traag. Het wordt daarom verwaarloosd in vele toepassingen van keramische materialen.
om het broze gedrag te overwinnen, heeft de ontwikkeling van keramisch materiaal de klasse van keramische matrix composietmaterialen geïntroduceerd, waarin keramische vezels zijn ingebed en met specifieke coatings vezelbruggen vormen over elke scheur. Dit mechanisme verhoogt aanzienlijk de breuk taaiheid van dergelijke Keramiek. Keramische schijfremmen zijn een voorbeeld van het gebruik van een keramische matrix composiet materiaal vervaardigd met een specifiek proces.Ice-templating for enhanced mechanical propertiesEdit
als keramiek wordt onderworpen aan een aanzienlijke mechanische belasting, kan het een proces ondergaan dat ijs-templating wordt genoemd, dat enige controle van de microstructuur van het keramische product en dus enige controle van de mechanische eigenschappen mogelijk maakt. Keramische ingenieurs gebruiken deze techniek om de mechanische eigenschappen af te stemmen op hun gewenste toepassing. Specifiek, wordt de sterkte verhoogd, wanneer deze techniek wordt gebruikt. Ijs templating maakt het creëren van macroscopische poriën in een unidirectionele opstelling. De toepassingen van deze oxide versterkende techniek zijn belangrijk voor vaste oxide brandstofcellen en water filtratie-apparaten.
voor de verwerking van een monster door middel van ijstempelvorming wordt een waterige colloïdale suspensie bereid om het opgeloste keramische poeder, dat gelijkmatig door het colloïd is gedispergeerd, te bevatten, bijvoorbeeld Yttria-gestabiliseerde zirkonia (YSZ). De oplossing wordt vervolgens van onder naar boven afgekoeld op een platform dat unidirectionele koeling mogelijk maakt. Dit dwingt ijskristallen om te groeien in overeenstemming met de unidirectionele koeling en deze ijskristallen dwingen de opgeloste YSZ-deeltjes aan de stollingsvoorkant van de vaste-vloeibare interfasegrens, wat resulteert in zuivere ijskristallen die unidirectioneel naast geconcentreerde zakken colloïdale deeltjes zijn opgesteld. Het monster wordt dan gelijktijdig verwarmd en de druk wordt genoeg verminderd om de ijskristallen te dwingen te sublimeren en de YSZ-zakken beginnen samen te ontharden om macroscopisch uitgelijnde keramische microstructuren te vormen. Het monster wordt vervolgens verder gesinterd om de verdamping van het restwater en de uiteindelijke consolidatie van de keramische microstructuur te voltooien.
tijdens het templeren van ijs kunnen enkele variabelen worden gecontroleerd om de poriegrootte en morfologie van de microstructuur te beïnvloeden. Deze belangrijke variabelen zijn de eerste vaste lading van het colloïd, de koelsnelheid, de sintertemperatuur en-duur, en het gebruik van bepaalde additieven die de microstructurele morfologie tijdens het proces kunnen beïnvloeden. Een goed begrip van deze parameters is essentieel om de relaties tussen verwerking, microstructuur, en mechanische eigenschappen van anisotropisch poreuze materialen te begrijpen.
Elektrische eigenschappenedit
Halfgeleidersedit
sommige keramieken zijn halfgeleiders. De meeste hiervan zijn overgangsmetaaloxiden die II-VI halfgeleiders zijn, zoals zinkoxide. Terwijl er vooruitzichten van massa-producerende blauwe LEDs van zinkoxide, keramisten zijn het meest geïnteresseerd in de elektrische eigenschappen die graan grens effecten tonen. Een van de meest gebruikte hiervan is de varistor. Dit zijn apparaten die de eigenschap vertonen dat de weerstand sterk daalt bij een bepaalde drempelspanning. Zodra de spanning over het apparaat de drempel bereikt, is er een storing van de elektrische structuur in de buurt van de korrelgrenzen, waardoor de elektrische weerstand daalt van meerdere megohms naar een paar honderd ohm. Het grote voordeel hiervan is dat ze veel energie kunnen afvoeren, en ze zichzelf resetten; nadat de spanning over het apparaat onder de drempel daalt, wordt de weerstand weer hoog. Dit maakt ze ideaal voor overspanningsbeveiligingstoepassingen; omdat er controle is over de drempelspanning en energietolerantie, vinden ze toepassing in allerlei toepassingen. De beste demonstratie van hun vermogen kan worden gevonden in elektrische onderstations, waar ze worden gebruikt om de infrastructuur te beschermen tegen blikseminslagen. Ze hebben een snelle reactie, zijn weinig onderhoud, en niet merkbaar degraderen van het gebruik, waardoor ze vrijwel ideale apparaten voor deze toepassing. Halfgeleidende keramiek wordt ook gebruikt als gassensoren. Wanneer verschillende gassen worden doorgegeven over een polykristallijne Keramiek, verandert de elektrische weerstand. Door af te stemmen op de mogelijke gasmengsels kunnen zeer goedkope apparaten worden geproduceerd.
Supergeleidendedit
; zoals extreem lage temperatuur, sommige Keramiek vertonen hoge temperatuur supergeleiding. De reden hiervoor is niet begrepen, maar er zijn twee grote families van supergeleidende Keramiek.
Ferro-elektriciteit en supersetsEdit
piëzo-elektriciteit, een verband tussen elektrische en mechanische respons, wordt tentoongesteld door een groot aantal keramische materialen, waaronder het kwarts dat wordt gebruikt om tijd te meten in horloges en andere elektronica. Dergelijke apparaten gebruiken beide eigenschappen van piëzo-elektriciteit, met behulp van elektriciteit om een mechanische beweging te produceren (het voeden van het apparaat) en vervolgens met behulp van deze mechanische beweging om elektriciteit te produceren (het genereren van een signaal). De gemeten tijdseenheid is het natuurlijke interval dat nodig is om elektriciteit om te zetten in mechanische energie en weer terug.
het piëzo-elektrisch effect is over het algemeen sterker in materialen die ook Pyro-elektriciteit vertonen, en alle pyro-elektrische materialen zijn ook piëzo-elektrisch. Deze materialen kunnen worden gebruikt om thermische, mechanische of elektrische energie onderling om te zetten; bijvoorbeeld, na synthese in een oven, een pyro-elektrisch kristal toegestaan om te koelen onder geen toegepaste spanning bouwt over het algemeen een statische lading van duizenden volt. Dergelijke materialen worden gebruikt in bewegingssensoren, waar de kleine stijging van de temperatuur van een warm lichaam het invoeren van de kamer is genoeg om een meetbare spanning in het kristal te produceren.
op zijn beurt wordt Pyro-elektriciteit het sterkst waargenomen in materialen die ook het ferro-elektrische effect vertonen, waarbij een stabiele elektrische dipool kan worden georiënteerd of omgekeerd door het toepassen van een elektrostatisch veld. Pyro-elektriciteit is ook een noodzakelijk gevolg van ferro-elektriciteit. Dit kan worden gebruikt om informatie op te slaan in ferro-elektrische condensatoren, elementen van ferro-elektrische RAM.
de meest voorkomende materialen zijn loodzirkonaattitanaat en bariumtitanaat. Afgezien van de hierboven genoemde toepassingen, wordt hun sterke piëzo-elektrische respons benut bij het ontwerp van hoogfrequente Luidsprekers, transducers voor sonar en actuatoren voor atomaire kracht en scanning tunneling microscopen.
positieve thermische coëfficiënt
kunnen temperatuurstijgingen ertoe leiden dat korrelgrenzen plotseling isolerend worden in sommige halfgeleidende keramische materialen, meestal mengsels van titanaten van zware metalen. De kritische overgangstemperatuur kan over een brede waaier door variaties in chemie worden aangepast. In dergelijke materialen gaat de stroom door het materiaal totdat joule verwarming brengt het naar de overgangstemperatuur, op welk punt het circuit zal worden verbroken en de huidige stroom zal ophouden. Dergelijke Keramiek worden gebruikt als zelfgestuurde verwarmingselementen in bijvoorbeeld de achterruit ontdooit circuits van auto ‘ s.
bij de overgangstemperatuur wordt de diëlektrische respons van het materiaal theoretisch oneindig. Hoewel een gebrek aan temperatuurregeling elk praktisch gebruik van het materiaal in de buurt van de kritische temperatuur zou uitsluiten, blijft het diëlektrische effect uitzonderlijk sterk, zelfs bij veel hogere temperaturen. Titanaten met kritische temperaturen ver onder kamertemperatuur zijn synoniem geworden met “keramiek” in de context van keramische condensatoren om deze reden.
Optische eigenschappenedit
optisch transparante materialen focussen op de respons van een materiaal op binnenkomende lichtgolven met een bereik van golflengten. Frequentie selectieve optische filters kunnen worden gebruikt om de helderheid en het contrast van een digitaal beeld te veranderen of te verbeteren. Geleide lichtgolftransmissie via frequentie selectieve golfgeleiders omvat het opkomende gebied van glasvezel en het vermogen van bepaalde glasachtige samenstellingen als transmissiemedium voor een reeks frequenties tegelijkertijd (multi-mode optische vezel) met weinig of geen interferentie tussen concurrerende golflengten of frequenties. Deze resonante wijze van energie-en datatransmissie via elektromagnetische (licht) golfvoortplanting, hoewel laag aangedreven, is vrijwel verliesloos. Optische golfgeleiders worden gebruikt als componenten in geïntegreerde optische circuits (bijv. luminescentiedioden, LED ‘ s) of als transmissiemedium in lokale en langeafstands optische communicatiesystemen. Ook van waarde voor de opkomende materialen wetenschapper is de gevoeligheid van materialen voor straling in het thermische infrarood (IR) gedeelte van het elektromagnetische spectrum. Dit warmtezoekende vermogen is verantwoordelijk voor uiteenlopende optische verschijnselen als nachtzicht en IR-luminescentie.
daarom is er in de militaire sector een toenemende behoefte aan sterke, robuuste materialen die in staat zijn licht (elektromagnetische golven) in het zichtbare (0,4-0) over te brengen.7 micrometer) en midden-infrarood (1 – 5 micrometer) gebieden van het spectrum. Deze materialen zijn nodig voor toepassingen die een transparant pantser vereisen, waaronder hogesnelheidsraketten en pods van de volgende generatie, evenals bescherming tegen geïmproviseerde explosieven (IED).in de jaren zestig ontdekten wetenschappers van General Electric (GE) dat onder de juiste productieomstandigheden sommige keramiek, met name aluminiumoxide (aluminiumoxide), doorschijnend kon worden gemaakt. Deze doorschijnende materialen waren transparant genoeg om te worden gebruikt voor het bevatten van het Elektrische plasma gegenereerd in hogedruk natrium straatlantaarns. In de afgelopen twee decennia zijn extra soorten Transparante Keramiek ontwikkeld voor toepassingen zoals neuskegels voor warmtezoekende raketten, ramen voor gevechtsvliegtuigen en scintillatietellers voor computertomografie scanners.in het begin van de jaren zeventig was Thomas Soules een pionier op het gebied van computermodellering van lichttransmissie via doorschijnend keramisch aluminiumoxide. Zijn model toonde aan dat microscopische poriën in keramiek, voornamelijk gevangen op de kruispunten van microkristallijne korrels, het licht verstrooiden en echte transparantie verhinderden. De volumefractie van deze microscopische poriën moest minder dan 1% zijn voor hoogwaardige optische transmissie.
Dit is in principe een effect van de deeltjesgrootte. De opaciteit is het gevolg van de onsamenhangende verstrooiing van licht op oppervlakken en interfaces. Naast poriën, zijn de meeste interfaces in een typisch metaal of keramisch object in de vorm van korrelgrenzen die kleine gebieden van kristallijne orde scheiden. Wanneer de grootte van het verstrooiende centrum (of korrelgrens) onder de grootte van de golflengte van het licht wordt verminderd die wordt verstrooid, komt het verstrooien niet meer voor om het even welke significante mate.
bij de vorming van polykristallijne materialen (metalen en keramiek) wordt de grootte van de kristallijne korrels grotendeels bepaald door de grootte van de kristallijne deeltjes die aanwezig zijn in de grondstof tijdens de vorming (of persing) van het object. Bovendien schaalt de grootte van de korrelgrenzen direct met de deeltjesgrootte. Aldus elimineert een vermindering van de oorspronkelijke deeltjesgrootte onder de golflengte van zichtbaar licht (~0,5 micrometer voor kortegolfviolet) om het even welke lichte verstrooiing, resulterend in een transparant materiaal.onlangs hebben Japanse wetenschappers technieken ontwikkeld om keramische onderdelen te produceren die de transparantie van traditionele kristallen (gekweekt uit één zaadje) evenaren en de breukvastheid van een enkel kristal overschrijden. In het bijzonder, wetenschappers van de Japanse firma Konoshima Ltd., een producent van keramische bouwmaterialen en industriële chemicaliën, zijn op zoek naar markten voor hun transparante Keramiek.de onderzoekers van Livermore realiseerden zich dat deze Keramiek zeer nuttig zou kunnen zijn voor krachtige lasers die gebruikt worden in de National Ignition Facility (NIF) programma ‘ s Directorate. In het bijzonder begon een Livermore onderzoeksteam geavanceerde transparante keramiek van Konoshima te verwerven om te bepalen of ze konden voldoen aan de optische vereisten die nodig waren voor Livermore ‘ s Solid-State hittecapaciteit Laser (SSHCL). Livermore-onderzoekers hebben ook toepassingen van deze materialen getest voor toepassingen zoals geavanceerde drivers voor lasergestuurde fusiecentrales.