proprietățile fizice ale oricărei substanțe ceramice sunt un rezultat direct al structurii sale cristaline și al compoziției chimice. Chimia în stare solidă relevă legătura fundamentală dintre microstructură și proprietăți, cum ar fi variațiile de densitate localizate, distribuția mărimii granulelor, tipul de porozitate și conținutul fazei a doua, care pot fi corelate cu proprietățile ceramice, cum ar fi rezistența mecanică, prin ecuația Hall-Petch, duritatea, duritatea, constanta dielectrică și proprietățile optice expuse de materialele transparente.Ceramografia este arta și știința pregătirii, examinării și evaluării microstructurilor ceramice. Evaluarea și caracterizarea microstructurilor ceramice sunt adesea implementate pe scale spațiale similare cu cele utilizate în mod obișnuit în domeniul emergent al nanotehnologiei: de la zeci de angstromi (a) la zeci de micrometri (micrometri). Aceasta este de obicei undeva între lungimea de undă minimă a luminii vizibile și limita de rezoluție a ochiului liber.
microstructura include cele mai multe boabe, faze secundare, limitele de cereale, porii, micro-fisuri, defecte structurale, și duritate micro indentions. Majoritatea proprietăților mecanice, optice, termice, electrice și magnetice în vrac sunt afectate semnificativ de microstructura observată. Metoda de fabricație și condițiile de proces sunt în general indicate de microstructură. Cauza principală a multor defecțiuni ceramice este evidentă în microstructura despicată și lustruită. Proprietățile fizice care constituie domeniul științei și ingineriei materialelor includ următoarele:
proprietăți Mecaniceedit
proprietățile mecanice sunt importante în materialele structurale și de construcție, precum și în țesăturile textile. În știința modernă a materialelor, mecanica fracturilor este un instrument important în îmbunătățirea performanței mecanice a materialelor și componentelor. Aplică fizica stresului și tulpinii, în special teoriile elasticității și plasticității, defectelor cristalografice microscopice găsite în materialele reale pentru a prezice eșecul mecanic macroscopic al corpurilor. Fractografia este utilizată pe scară largă cu mecanica fracturilor pentru a înțelege cauzele eșecurilor și, de asemenea, pentru a verifica predicțiile teoretice ale eșecului cu eșecuri din viața reală.
materialele ceramice sunt de obicei materiale lipite ionice sau covalente și pot fi cristaline sau amorfe. Un material ținut împreună de oricare tip de legătură va tinde să se fractureze înainte ca orice deformare plastică să aibă loc, ceea ce duce la o rezistență slabă a acestor materiale. În plus, deoarece aceste materiale tind să fie poroase, porii și alte imperfecțiuni microscopice acționează ca concentratori de stres, scăzând în continuare duritatea și reducând rezistența la tracțiune. Acestea se combină pentru a da eșecuri catastrofale, spre deosebire de modurile de defectare mai ductile ale metalelor.
aceste materiale prezintă deformări plastice. Cu toate acestea, datorită structurii rigide a materialelor cristaline, există foarte puține sisteme de alunecare disponibile pentru deplasarea dislocărilor și astfel se deformează foarte încet. Cu materialele non-cristaline (sticloase), fluxul vâscos este sursa dominantă de deformare plastică și este, de asemenea, foarte lent. Prin urmare, este neglijat în multe aplicații ale materialelor ceramice.
pentru a depăși comportamentul fragil, dezvoltarea materialelor ceramice a introdus clasa materialelor compozite cu matrice ceramică, în care fibrele ceramice sunt încorporate și cu acoperiri specifice formează punți de fibre peste orice fisură. Acest mecanism crește substanțial rezistența la fractură a acestor ceramice. Frânele cu disc Ceramic sunt un exemplu de utilizare a unui material compozit cu matrice ceramică fabricat cu un proces specific.
Ice-templating pentru proprietăți mecanice îmbunătățite
dacă ceramica este supusă unei încărcări mecanice substanțiale, aceasta poate suferi un proces numit Ice-templating, care permite un anumit control al microstructurii produsului ceramic și, prin urmare, un anumit control al proprietăților mecanice. Inginerii ceramici folosesc această tehnică pentru a regla proprietățile mecanice la aplicația dorită. Mai exact, puterea este crescută, atunci când se folosește această tehnică. Templarea gheții permite crearea de pori macroscopici într-un aranjament unidirecțional. Aplicațiile acestei tehnici de întărire a oxidului sunt importante pentru celulele de combustie cu oxid solid și dispozitivele de filtrare a apei.
pentru a procesa o probă prin templarea gheții, se prepară o suspensie coloidală apoasă pentru a conține pulberea ceramică dizolvată uniform dispersată în coloid, de exemplu zirconia stabilizată cu Ytria (YSZ). Soluția este apoi răcită de jos în sus pe o platformă care permite răcirea unidirecțională. Acest lucru forțează cristalele de gheață să crească în conformitate cu răcirea unidirecțională și aceste cristale de gheață forțează particulele YSZ dizolvate în fața solidificării limitei interfazei solid-lichid, rezultând cristale de gheață pure aliniate unidirecțional alături de buzunarele concentrate de particule coloidale. Proba este apoi încălzită simultan și presiunea este redusă suficient pentru a forța cristalele de gheață să se sublimeze, iar buzunarele YSZ încep să se recoacă împreună pentru a forma microstructuri ceramice aliniate macroscopic. Eșantionul este apoi sinterizat în continuare pentru a finaliza evaporarea apei reziduale și consolidarea finală a microstructurii ceramice.
în timpul modelării gheții, câteva variabile pot fi controlate pentru a influența dimensiunea porilor și morfologia microstructurii. Aceste variabile importante sunt încărcarea inițială a solidelor coloidului, viteza de răcire, temperatura și durata sinterizării și utilizarea anumitor aditivi care pot influența morfologia microstructurală în timpul procesului. O bună înțelegere a acestor parametri este esențială pentru înțelegerea relațiilor dintre prelucrare, microstructură și proprietățile mecanice ale materialelor anizotropic poroase.
proprietăți Electriceedit
Semiconductoriedit
unele ceramică sunt semiconductori. Cele mai multe dintre acestea sunt oxizi de metal de tranziție care sunt semiconductori II-VI, cum ar fi oxidul de zinc. Deși există perspective de producere în masă a LED-urilor albastre din oxid de zinc, ceramicii sunt cei mai interesați de proprietățile electrice care prezintă efecte de graniță a cerealelor. Unul dintre cele mai utilizate dintre acestea este varistorul. Acestea sunt dispozitive care prezintă proprietatea că rezistența scade brusc la o anumită tensiune de prag. Odată ce tensiunea pe dispozitiv atinge pragul, există o defalcare a structurii electrice în vecinătatea limitelor cerealelor, ceea ce duce la scăderea rezistenței sale electrice de la câțiva megohmi până la câteva sute de ohmi. Avantajul major al acestora este că pot disipa o mulțime de energie și se resetează; după ce tensiunea pe dispozitiv scade sub prag, rezistența sa revine la a fi ridicată. Acest lucru le face ideale pentru aplicații de protecție la supratensiune; deoarece există control asupra tensiunii de prag și a toleranței la energie, acestea își găsesc utilizarea în tot felul de aplicații. Cea mai bună demonstrație a capacității lor poate fi găsită în stațiile electrice, unde sunt angajați pentru a proteja infrastructura de fulgere. Au răspuns rapid, au o întreținere redusă și nu se degradează apreciabil de la utilizare, făcându-le dispozitive practic ideale pentru această aplicație. Ceramica semiconductoare este, de asemenea, utilizată ca senzori de gaz. Când diferite gaze sunt trecute peste o ceramică policristalină, rezistența sa electrică se schimbă. Cu reglarea posibilelor amestecuri de gaze, pot fi produse Dispozitive foarte ieftine.
Supraconductibilitateedit
sub o condiții, cum ar fi temperatura extrem de scăzută, unele ceramică prezintă supraconductivitate la temperaturi ridicate. Motivul pentru aceasta nu este înțeles, dar există două familii majore de ceramică supraconductoare.
Feroelectricitatea și supersetsEdit
Piezoelectricitatea, o legătură între răspunsul electric și mecanic, este expusă de un număr mare de materiale ceramice, inclusiv cuarțul utilizat pentru măsurarea timpului în ceasuri și alte electronice. Astfel de dispozitive folosesc ambele proprietăți ale piezoelectricilor, folosind electricitatea pentru a produce o mișcare mecanică (alimentarea dispozitivului) și apoi folosind această mișcare mecanică pentru a produce electricitate (generarea unui semnal). Unitatea de timp măsurată este intervalul natural necesar pentru ca energia electrică să fie transformată în energie mecanică și înapoi.
efectul piezoelectric este în general mai puternic în materialele care prezintă și piroelectricitate, iar toate materialele piroelectrice sunt, de asemenea, piezoelectrice. Aceste materiale pot fi folosite pentru a converti între energia termică, mecanică sau electrică; de exemplu, după sinteza într-un cuptor, un cristal piroelectric lăsat să se răcească fără stres aplicat, în general, acumulează o sarcină statică de mii de volți. Astfel de materiale sunt utilizate în senzorii de mișcare, unde creșterea mică a temperaturii de la un corp cald care intră în cameră este suficientă pentru a produce o tensiune măsurabilă în Cristal.la rândul său, piroelectricitatea este văzută cel mai puternic în materialele care afișează și efectul feroelectric, în care un dipol electric stabil poate fi orientat sau inversat prin aplicarea unui câmp electrostatic. Piroelectricitatea este, de asemenea, o consecință necesară a feroelectricității. Aceasta poate fi utilizată pentru a stoca informații în condensatoare feroelectrice, elemente de RAM feroelectric.
cele mai frecvente astfel de materiale sunt titanatul de zirconiu de plumb și titanatul de bariu. În afară de utilizările menționate mai sus, răspunsul lor piezoelectric puternic este exploatat în proiectarea difuzoarelor de înaltă frecvență, traductoare pentru sonar și actuatoare pentru forța atomică și microscoape de scanare a tunelurilor.
coeficient termic Pozitivedit
creșterile de temperatură pot determina limitele granulelor să devină brusc izolante în unele materiale ceramice semiconductoare, în principal amestecuri de titanați de metale grele. Temperatura critică de tranziție poate fi reglată pe o gamă largă de variații în chimie. În astfel de materiale, curentul va trece prin material până când încălzirea joule îl aduce la temperatura de tranziție, moment în care circuitul va fi rupt și fluxul de curent va înceta. Astfel de ceramică sunt utilizate ca elemente de încălzire autocontrolate, de exemplu, în circuitele de dezghețare a geamurilor din spate ale automobilelor.
la temperatura de tranziție, răspunsul dielectric al materialului devine teoretic infinit. În timp ce lipsa controlului temperaturii ar exclude orice utilizare practică a materialului în apropierea temperaturii sale critice, efectul dielectric rămâne excepțional de puternic chiar și la temperaturi mult mai ridicate. Titanatele cu temperaturi critice mult sub temperatura camerei au devenit sinonime cu” ceramica ” în contextul condensatoarelor ceramice tocmai din acest motiv.
proprietăți Opticeedit
materialele transparente optic se concentrează pe răspunsul unui material la undele luminoase primite dintr-o gamă de lungimi de undă. Filtrele optice selective de frecvență pot fi utilizate pentru a modifica sau îmbunătăți luminozitatea și contrastul unei imagini digitale. Transmisia undelor luminoase ghidate prin ghiduri de undă selective de frecvență implică câmpul emergent al fibrei optice și capacitatea anumitor compoziții sticloase ca mediu de transmisie pentru o gamă de frecvențe simultan (fibră optică multi-mode) cu interferențe reduse sau deloc între lungimile de undă sau frecvențele concurente. Acest mod rezonant de transmitere a energiei și a datelor prin propagarea undelor electromagnetice (ușoare), deși cu putere redusă, este practic fără pierderi. Ghidurile de undă optice sunt utilizate ca componente în circuitele optice integrate (de ex. diode emițătoare de lumină, LED – uri) sau ca mediu de transmisie în sistemele de comunicații optice locale și de lungă durată. De asemenea, o valoare pentru omul de știință în materie de materiale emergente este sensibilitatea materialelor la radiații în porțiunea termică în infraroșu (IR) a spectrului electromagnetic. Această capacitate de căutare a căldurii este responsabilă pentru fenomene optice atât de diverse precum viziunea nocturnă și luminiscența IR.
astfel, există o nevoie tot mai mare în sectorul militar pentru materiale de înaltă rezistență, robuste, care au capacitatea de a transmite lumina (unde electromagnetice) în vizibil (0,4-0.7 micrometri) și regiunile cu infraroșu mediu (1-5 micrometri) ale spectrului. Aceste materiale sunt necesare pentru aplicații care necesită armuri transparente, inclusiv rachete și păstăi de mare viteză de generație următoare, precum și protecție împotriva dispozitivelor explozive improvizate (IED).
în anii 1960, oamenii de știință de la General Electric (GE) au descoperit că, în condițiile de fabricație potrivite, unele ceramică, în special oxid de aluminiu (alumină), ar putea fi făcute translucide. Aceste materiale translucide au fost suficient de transparente pentru a fi utilizate pentru a conține plasma electrică generată în lămpile stradale de sodiu de înaltă presiune. În ultimele două decenii, au fost dezvoltate tipuri suplimentare de ceramică transparentă pentru aplicații precum conuri de nas pentru rachete care caută căldură, ferestre pentru avioane de luptă și contoare de scintilație pentru scanere de tomografie computerizată.
la începutul anilor 1970, Thomas Soules a fost pionier în modelarea computerizată a transmisiei luminii prin alumină ceramică translucidă. Modelul său a arătat că porii microscopici din ceramică, prinși în principal la joncțiunile boabelor microcristaline, au făcut ca lumina să se împrăștie și să împiedice transparența adevărată. Fracția de volum a acestor pori microscopici trebuia să fie mai mică de 1% pentru transmisia optică de înaltă calitate.
acesta este practic un efect de dimensiune a particulelor. Opacitatea rezultă din împrăștierea incoerentă a luminii la suprafețe și interfețe. În plus față de pori, majoritatea interfețelor dintr-un obiect tipic metalic sau ceramic sunt sub formă de limite de cereale care separă mici regiuni de ordin cristalin. Când dimensiunea Centrului de împrăștiere (sau limita granulelor) este redusă sub dimensiunea lungimii de undă a luminii împrăștiate, împrăștierea nu mai are loc într-o măsură semnificativă.
în formarea materialelor policristaline (metale și ceramică) dimensiunea boabelor cristaline este determinată în mare măsură de dimensiunea particulelor cristaline prezente în materia primă în timpul formării (sau presării) obiectului. Mai mult decât atât, dimensiunea granulelor se scalează direct cu dimensiunea particulelor. Astfel, o reducere a dimensiunii inițiale a particulelor sub lungimea de undă a luminii vizibile (~ 0,5 micrometri pentru violet cu unde scurte) elimină orice împrăștiere a luminii, rezultând un material transparent.recent, oamenii de știință japonezi au dezvoltat tehnici pentru a produce piese ceramice care rivalizează cu transparența cristalelor tradiționale (crescute dintr-o singură sămânță) și depășesc rezistența la fractură a unui singur cristal. În special, oamenii de știință de la firma japoneză Konoshima Ltd., un producător de materiale de construcții ceramice și produse chimice industriale, au căutat piețe pentru ceramica lor transparentă.
cercetătorii Livermore și-au dat seama că aceste ceramice ar putea beneficia foarte mult de laserele de mare putere utilizate în direcția programelor National Ignition Facility (NIF). În special, o echipă de cercetare Livermore a început să achiziționeze ceramică transparentă avansată de la Konoshima pentru a determina dacă ar putea îndeplini cerințele optice necesare pentru laserul de capacitate termică în stare solidă (Sshcl) al Livermore. Cercetătorii Livermore au testat, de asemenea, aplicațiile acestor materiale pentru aplicații precum drivere avansate pentru centralele de fuziune cu laser.