właściwości fizyczne każdej substancji ceramicznej są bezpośrednim wynikiem jej struktury krystalicznej i składu chemicznego. Chemia w stanie stałym ujawnia podstawowy związek między mikrostrukturą i właściwościami, takimi jak zlokalizowane zmiany gęstości, rozkład wielkości ziarna, rodzaj porowatości i zawartość drugiej fazy, które mogą być skorelowane z właściwościami ceramicznymi, takimi jak wytrzymałość mechaniczna σ przez równanie Halla-Petcha, twardość, wytrzymałość, stała dielektryczna i właściwości optyczne wykazywane przez przezroczyste materiały.
Ceramika to sztuka i nauka przygotowania, badania i oceny mikrostruktur ceramicznych. Ocena i charakterystyka mikrostruktur ceramicznych są często realizowane w podobnej skali przestrzennej do tej stosowanej powszechnie w powstającej dziedzinie nanotechnologii: od dziesiątek angstremów (a) do dziesiątek mikrometrów (µm). Jest to zazwyczaj gdzieś pomiędzy minimalną długością fali światła widzialnego a granicą rozdzielczości gołym okiem.
mikrostruktura obejmuje większość ziaren, fazy wtórne, granice ziaren, pory, mikropęknięcia, wady strukturalne i mikro wgłębienia twardości. Większość masowych właściwości mechanicznych, optycznych, termicznych, elektrycznych i magnetycznych ma znaczący wpływ na obserwowaną mikrostrukturę. Metoda produkcji i warunki procesu są na ogół wskazywane przez mikrostrukturę. Główną przyczyną wielu uszkodzeń ceramicznych jest widoczna w rozszczepionej i wypolerowanej mikrostrukturze. Do właściwości fizycznych, które stanowią dziedzinę inżynierii materiałowej należą:
właściwości Mechaniczneedit
właściwości mechaniczne są ważne w materiałach konstrukcyjnych i budowlanych, a także tkaninach tekstylnych. We współczesnej inżynierii materiałowej mechanika pękania jest ważnym narzędziem w poprawie właściwości mechanicznych materiałów i komponentów. Stosuje fizykę naprężeń i odkształceń, w szczególności teorie sprężystości i plastyczności, do mikroskopowych defektów krystalograficznych występujących w materiałach rzeczywistych w celu przewidywania makroskopowych uszkodzeń mechanicznych ciał. Fraktografia jest szeroko stosowana w mechanice złamań, aby zrozumieć przyczyny awarii, a także zweryfikować teoretyczne przewidywania awarii z awariami rzeczywistymi.
materiały ceramiczne są zwykle jonowymi lub kowalencyjnymi materiałami wiążącymi i mogą być krystaliczne lub amorficzne. Materiał utrzymywany razem przez każdy rodzaj wiązania będzie miał tendencję do pękania przed jakimkolwiek odkształceniem plastycznym, co powoduje słabą wytrzymałość tych materiałów. Dodatkowo, ponieważ materiały te wydają się być porowate, pory i inne mikroskopijne niedoskonałości działają jako Koncentratory naprężeń, zmniejszając wytrzymałość dalej i zmniejszając wytrzymałość na rozciąganie. Łączą się one, aby dać katastrofalne awarie, w przeciwieństwie do bardziej ciągliwych trybów awarii metali.
te materiały wykazują odkształcenia plastyczne. Jednak ze względu na sztywną strukturę materiałów krystalicznych, istnieje bardzo niewiele dostępnych systemów poślizgu do przemieszczania się, a więc deformują się bardzo powoli. W przypadku materiałów niekrystalicznych (szklistych) przepływ lepki jest dominującym źródłem odkształceń plastycznych, a także jest bardzo powolny. Dlatego jest zaniedbany w wielu zastosowaniach materiałów ceramicznych.
aby przezwyciężyć kruche zachowanie, rozwój materiału ceramicznego wprowadził klasę materiałów kompozytowych z matrycą ceramiczną, w których osadzone są włókna ceramiczne, a konkretne powłoki tworzą mosty światłowodowe w każdym pęknięciu. Mechanizm ten znacznie zwiększa odporność na pękanie takiej ceramiki. Ceramiczne hamulce tarczowe są przykładem zastosowania materiału kompozytowego z matrycą ceramiczną wytwarzanego w określonym procesie.
Ice-templating dla ulepszonych właściwości mechanicznychedytuj
Jeśli ceramika jest poddawana dużemu obciążeniu mechanicznemu, może przejść proces zwany Ice-templating, który umożliwia pewną kontrolę mikrostruktury produktu ceramicznego, a tym samym pewną kontrolę właściwości mechanicznych. Inżynierowie ceramiczni wykorzystują tę technikę do dostrojenia właściwości mechanicznych do pożądanego zastosowania. W szczególności zwiększa się wytrzymałość, gdy ta technika jest stosowana. Szablony lodu umożliwiają tworzenie makroskopowych porów w układzie jednokierunkowym. Zastosowania tej techniki wzmacniania tlenków są ważne dla ogniw paliwowych z tlenkiem stałym i urządzeń do filtracji wody.
w celu przetworzenia próbki przez szablony lodowe przygotowuje się wodną zawiesinę koloidalną tak, aby zawierała rozpuszczony proszek ceramiczny równomiernie rozproszony w całym koloidu, na przykład cyrkon stabilizowany Itrią (YSZ). Rozwiązanie jest następnie chłodzone od dołu do góry na platformie, która umożliwia jednokierunkowe chłodzenie. To zmusza kryształy lodu do wzrostu zgodnie z jednokierunkowym chłodzeniem, a te kryształy lodu zmuszają rozpuszczone cząstki YSZ do zestalenia się z przodu granicy międzyfazowej ciało stałe-ciecz, w wyniku czego czyste kryształy lodu ustawione są jednokierunkowo obok skoncentrowanych kieszeni cząstek koloidalnych. Próbka jest następnie jednocześnie podgrzewana i ciśnienie jest zmniejszone na tyle, aby zmusić kryształy lodu do sublimacji, a kieszenie YSZ zaczynają wyżarzać się razem, tworząc makroskopowo wyrównane mikrostruktury ceramiczne. Próbka jest następnie dalej spiekana w celu zakończenia odparowania pozostałej wody i ostatecznej konsolidacji mikrostruktury ceramicznej.
podczas tworzenia szablonów lodu można kontrolować kilka zmiennych, aby wpływać na wielkość porów i morfologię mikrostruktury. Tymi ważnymi zmiennymi są początkowe obciążenia ciał stałych koloidu, szybkość chłodzenia, temperatura spiekania i czas trwania oraz stosowanie niektórych dodatków, które mogą wpływać na morfologię mikrostruktury podczas procesu. Dobre zrozumienie tych parametrów jest niezbędne do zrozumienia zależności między przetwarzaniem, mikrostrukturą i właściwościami mechanicznymi anizotropowo porowatych materiałów.
właściwości Elektryczneedit
Półprzewodnikiedit
niektóre ceramiki są półprzewodnikami. Większość z nich to tlenki metali przejściowych, które są półprzewodnikami II-VI, takimi jak tlenek cynku. Chociaż istnieją perspektywy masowej produkcji niebieskich diod LED z tlenku cynku, ceramicy są najbardziej zainteresowani właściwościami elektrycznymi, które pokazują efekty graniczne ziarna. Jednym z najczęściej stosowanych z nich jest warystor. Są to urządzenia, które wykazują właściwość, że rezystancja gwałtownie spada przy pewnym napięciu progowym. Gdy napięcie w urządzeniu osiągnie próg, następuje załamanie struktury elektrycznej w pobliżu granic ziaren, co powoduje spadek jego oporu elektrycznego z kilku megohów do kilkuset omów. Główną zaletą jest to, że mogą rozpraszać dużo energii i samoczynnie się resetują; po tym, jak napięcie w urządzeniu spadnie poniżej progu, jego rezystancja powraca do bycia wysoką. To sprawia, że są idealne do zastosowań ochrony przeciwprzepięciowej; ponieważ istnieje kontrola nad napięciem progowym i tolerancją energii, znajdują zastosowanie we wszelkiego rodzaju zastosowaniach. Najlepszy pokaz ich zdolności można znaleźć w podstacjach elektrycznych, gdzie są one wykorzystywane do ochrony infrastruktury przed uderzeniami pioruna. Mają szybką reakcję, są niskie koszty utrzymania i nie ulegają znacznej degradacji z użytkowania, co czyni je praktycznie idealnymi urządzeniami do tego zastosowania. Ceramika półprzewodnikowa jest również wykorzystywana jako czujniki gazu. Gdy różne gazy są przepuszczane przez polikrystaliczną ceramikę, zmienia się jej opór elektryczny. Dzięki dostrojeniu do możliwych mieszanek gazowych można produkować bardzo tanie urządzenia.
Nadprzewodnikedytuj
w niektórych warunkach, takie jak bardzo niska temperatura, niektóre ceramiki wykazują nadprzewodnictwo w wysokiej temperaturze. Powód tego nie jest zrozumiany, ale istnieją dwie główne rodziny ceramiki nadprzewodzącej.
Ferroelektryczność i supersetsEdit
piezoelektryczność, związek między reakcją elektryczną i mechaniczną, jest wykazywany przez dużą liczbę materiałów ceramicznych, w tym kwarc używany do pomiaru czasu w zegarkach i innych elektronikach. Takie urządzenia wykorzystują obie właściwości piezoelektryków, wykorzystując energię elektryczną do wytworzenia ruchu mechanicznego (zasilanie urządzenia), a następnie wykorzystując ten ruch mechaniczny do wytworzenia energii elektrycznej (generowanie sygnału). Jednostka czasu mierzona jest naturalnym interwałem wymaganym do przekształcenia energii elektrycznej w energię mechaniczną i z powrotem.
efekt piezoelektryczny jest na ogół silniejszy w materiałach, które również wykazują piroelektryczność, a wszystkie materiały piroelektryczne są również piezoelektryczne. Materiały te mogą być używane do konwersji między energią cieplną, mechaniczną lub elektryczną; na przykład, po syntezie w piecu, kryształ piroelektryczny może chłodzić się bez przyłożonego naprężenia na ogół buduje ładunek statyczny tysięcy woltów. Takie materiały są stosowane w czujnikach ruchu, gdzie niewielki wzrost temperatury z ciepłego ciała wchodzącego do pomieszczenia wystarcza do wytworzenia mierzalnego napięcia w krysztale.
z kolei piroelektryczność jest najsilniej widoczna w materiałach, które również wykazują efekt ferroelektryczny, w którym stabilny dipol elektryczny może być zorientowany lub odwrócony przez zastosowanie pola elektrostatycznego. Piroelektryczność jest również konieczną konsekwencją ferroelektryczności. Może być używany do przechowywania informacji w kondensatorach ferroelektrycznych, elementach ferroelektrycznej pamięci RAM.
najczęstszymi takimi materiałami są tytanian cyrkonianu ołowiu i tytanian baru. Oprócz wyżej wymienionych zastosowań, ich silna reakcja piezoelektryczna jest wykorzystywana w konstrukcji głośników wysokiej częstotliwości, przetworników do sonaru i siłowników do sił atomowych i skaningowych mikroskopów tunelowych.
dodatni współczynnik termicznyedit
wzrost temperatury może spowodować, że granice ziaren nagle staną się izolacyjne w niektórych półprzewodnikowych materiałach ceramicznych, głównie mieszaninach tytanianów metali ciężkich. Krytyczna temperatura przejścia może być regulowana w szerokim zakresie przez zmiany w chemii. W takich materiałach prąd przejdzie przez materiał, dopóki ogrzewanie dżula nie doprowadzi go do temperatury przejścia, w którym to momencie obwód zostanie przerwany i przepływ prądu ustanie. Takie ceramiki są stosowane jako samokontrolowane elementy grzejne, na przykład w obwodach odmrażania tylnych szyb samochodów.
w temperaturze przejścia reakcja dielektryczna materiału staje się teoretycznie nieskończona. Podczas gdy brak kontroli temperatury wykluczyłby praktyczne zastosowanie materiału w pobliżu jego krytycznej temperatury, efekt dielektryczny pozostaje wyjątkowo silny nawet w znacznie wyższych temperaturach. Tytaniany o temperaturach krytycznych znacznie poniżej temperatury pokojowej stały się synonimem „ceramicznych” w kontekście kondensatorów ceramicznych właśnie z tego powodu.
właściwości Optyczneedit
optycznie przezroczyste materiały koncentrują się na reakcji materiału na nadchodzące fale świetlne zakres długości fal. Selektywne filtry optyczne o częstotliwości mogą być wykorzystywane do zmiany lub zwiększenia jasności i kontrastu obrazu cyfrowego. Kierowana transmisja fal świetlnych za pomocą falowodów selektywnych częstotliwości obejmuje pojawiające się pole światłowodów i zdolność pewnych szklistych kompozycji jako medium transmisyjnego dla zakresu częstotliwości jednocześnie (światłowód wielomodowy) z niewielkimi lub żadnymi zakłóceniami między konkurencyjnymi długościami fal lub częstotliwościami. Ten rezonansowy tryb transmisji energii i danych za pomocą propagacji fal elektromagnetycznych (świetlnych), choć o małej mocy, jest praktycznie bezstratny. Falowody optyczne są stosowane jako komponenty w scalonych układach optycznych (np. diody elektroluminescencyjne, Diody LED) lub jako medium transmisyjne w lokalnych i dalekobieżnych systemach komunikacji optycznej. Również wartość dla wschodzących materiałów naukowca jest wrażliwość materiałów na promieniowanie w podczerwieni termicznej (ir) część widma elektromagnetycznego. Ta zdolność poszukiwania ciepła jest odpowiedzialna za tak różnorodne zjawiska optyczne, jak noktowizor i luminescencja w podczerwieni.
w związku z tym w sektorze wojskowym rośnie zapotrzebowanie na wytrzymałe, wytrzymałe materiały, które mają zdolność do przesyłania światła (fal elektromagnetycznych) w widzialnym (0,4-0.7 mikrometrów) i średniej podczerwieni (1-5 mikrometrów) obszary widma. Materiały te są potrzebne do zastosowań wymagających przezroczystego pancerza, w tym szybkich pocisków i kapsuł nowej generacji, a także ochrony przed improwizowanymi ładunkami wybuchowymi (IED).
w latach 60.naukowcy z General Electric (GE) odkryli, że w odpowiednich warunkach produkcyjnych niektóre materiały ceramiczne, zwłaszcza tlenek glinu (tlenek glinu), mogą być półprzezroczyste. Te półprzezroczyste materiały były wystarczająco przezroczyste, aby można je było wykorzystać do przechowywania plazmy elektrycznej wytwarzanej w wysokociśnieniowych sodowych lampach ulicznych. W ciągu ostatnich dwóch dekad opracowano dodatkowe rodzaje przezroczystej ceramiki do zastosowań takich jak stożki nosowe do rakiet poszukujących ciepła, okna do Samolotów myśliwskich i liczniki scyntylacyjne do skanerów tomografii komputerowej.
na początku lat 70.Thomas Soules był pionierem komputerowego modelowania transmisji światła za pomocą półprzezroczystego ceramicznego tlenku glinu. Jego model wykazał, że mikroskopijne pory w ceramice, głównie uwięzione na styku ziaren mikrokrystalicznych, powodowały rozpraszanie światła i uniemożliwiały prawdziwą przezroczystość. Frakcja objętościowa tych mikroskopijnych porów musiała być mniejsza niż 1% dla wysokiej jakości transmisji optycznej.
jest to w zasadzie efekt wielkości cząstek. Nieprzezroczystość wynika z niespójnego rozpraszania światła na powierzchniach i interfejsach. Oprócz porów, większość interfejsów w typowym obiekcie metalowym lub ceramicznym ma postać granic ziaren, które oddzielają małe regiony krystalicznego porządku. Gdy wielkość centrum rozpraszania (lub granicy ziarna) jest zmniejszona poniżej wielkości długości fali rozpraszanego światła, rozpraszanie nie występuje już w znaczącym stopniu.
w tworzeniu materiałów polikrystalicznych (metali i ceramiki) wielkość ziaren krystalicznych zależy w dużej mierze od wielkości cząstek krystalicznych obecnych w surowcu podczas tworzenia (lub prasowania) obiektu. Ponadto wielkość granic ziaren skaluje się bezpośrednio z wielkością cząstek. W ten sposób zmniejszenie pierwotnej wielkości cząstek poniżej długości fali światła widzialnego (~ 0,5 mikrometra dla fal krótkich) eliminuje wszelkie rozpraszanie światła, w wyniku czego powstaje przezroczysty materiał.
Ostatnio japońscy naukowcy opracowali techniki produkcji części ceramicznych, które rywalizują z przezroczystością tradycyjnych kryształów (wyhodowanych z pojedynczego ziarna) i przekraczają wytrzymałość na pękanie pojedynczego kryształu. W szczególności naukowcy z japońskiej firmy Konoshima Ltd., producent ceramicznych materiałów budowlanych i chemii przemysłowej, poszukuje rynków dla swojej przezroczystej ceramiki.
badacze z Livermore zdali sobie sprawę, że ceramika ta może być bardzo korzystna dla laserów o dużej mocy stosowanych w Dyrekcji programów National Ignition Facility (NIF). W szczególności zespół badawczy Livermore zaczął nabywać zaawansowaną przezroczystą ceramikę od Konoshima, aby ustalić, czy mogą one spełniać wymagania optyczne potrzebne do lasera półprzewodnikowego Livermore (Sshcl). Badacze z Livermore testują również zastosowania tych materiałów w takich zastosowaniach, jak zaawansowane sterowniki dla elektrowni termojądrowych napędzanych laserem.