de fysikaliska egenskaperna hos någon keramisk substans är ett direkt resultat av dess kristallina struktur och kemiska sammansättning. Fast tillståndskemi avslöjar den grundläggande kopplingen mellan mikrostruktur och egenskaper, såsom lokaliserade densitetsvariationer, kornstorleksfördelning, typ av porositet och andrafasinnehåll, som alla kan korreleras med keramiska egenskaper såsom mekanisk hållfasthet av Hall-Petch-ekvationen, hårdhet, seghet, Dielektricitetskonstant och de optiska egenskaperna som uppvisas av transparenta material.
Ceramografi är konsten och vetenskapen för beredning, undersökning och utvärdering av keramiska mikrostrukturer. Utvärdering och karakterisering av keramiska mikrostrukturer implementeras ofta på liknande rumsliga skalor som det som vanligtvis används inom det framväxande området för nanoteknik: från tiotals Ångström (A) till tiotals mikrometer (askorbm). Detta är vanligtvis någonstans mellan minsta våglängd för synligt ljus och upplösningsgränsen för det blotta ögat.
mikrostrukturen innehåller de flesta korn, sekundära faser, korngränser, porer, mikrosprickor, strukturella defekter och hårdhetsmikroindragningar. De flesta bulkmekaniska, optiska, termiska, elektriska och magnetiska egenskaper påverkas signifikant av den observerade mikrostrukturen. Tillverkningsmetoden och processförhållandena indikeras generellt av mikrostrukturen. Grundorsaken till många keramiska fel är uppenbar i den klyvda och polerade mikrostrukturen. Fysikaliska egenskaper som utgör området för materialvetenskap och teknik inkluderar följande:
mekaniska egenskaperredigera
mekaniska egenskaper är viktiga i konstruktions-och byggnadsmaterial samt textilvävnader. I modern materialvetenskap är brottmekanik ett viktigt verktyg för att förbättra den mekaniska prestandan hos material och komponenter. Det tillämpar fysiken av stress och belastning, i synnerhet teorierna om elasticitet och plasticitet, till de mikroskopiska kristallografiska defekterna som finns i verkliga material för att förutsäga det makroskopiska mekaniska felet hos kroppar. Fractography används ofta med frakturmekanik för att förstå orsakerna till misslyckanden och även verifiera de teoretiska misslyckandena med verkliga misslyckanden.
keramiska material är vanligtvis joniska eller kovalenta bundna material och kan vara kristallina eller amorfa. Ett material som hålls samman av någon typ av bindning tenderar att spricka innan någon plastisk deformation äger rum, vilket resulterar i dålig seghet i dessa material. Dessutom, eftersom dessa material tenderar att vara porösa, fungerar porerna och andra mikroskopiska brister som spänningskoncentratorer, minskar segheten ytterligare och minskar draghållfastheten. Dessa kombineras för att ge katastrofala fel, i motsats till de mer duktila felsätten för metaller.
dessa material visar plastisk deformation. På grund av den styva strukturen hos de kristallina materialen finns det dock mycket få tillgängliga glidsystem för dislokationer att röra sig, och så deformeras de mycket långsamt. Med de icke-kristallina (glasartade) materialen är visköst flöde den dominerande källan till plastisk deformation och är också mycket långsam. Det försummas därför i många tillämpningar av keramiska material.
för att övervinna det spröda beteendet har keramisk materialutveckling infört klassen av keramiska matriskompositmaterial, i vilka keramiska fibrer är inbäddade och med specifika beläggningar bildar fiberbroar över alla sprickor. Denna mekanism ökar väsentligen brottsegheten hos sådan keramik. Keramiska skivbromsar är ett exempel på att använda ett keramiskt matriskompositmaterial tillverkat med en specifik process.
Ismallering för förbättrade mekaniska egenskaperredigera
om keramik utsätts för väsentlig mekanisk belastning kan den genomgå en process som kallas ismallning, vilket möjliggör viss kontroll av den keramiska produktens mikrostruktur och därmed viss kontroll av de mekaniska egenskaperna. Keramiska ingenjörer använder denna teknik för att ställa in de mekaniska egenskaperna till önskad applikation. Specifikt ökas styrkan när denna teknik används. Ismallning möjliggör skapandet av makroskopiska porer i ett enkelriktat arrangemang. Tillämpningarna av denna oxidförstärkningsteknik är viktiga för fasta oxidbränsleceller och vattenfiltreringsanordningar.
för att bearbeta ett prov genom ismallering bereds en vattenhaltig kolloidal suspension för att innehålla det upplösta keramiska pulvret jämnt dispergerat genom kolloiden, till exempel Yttria-stabiliserad zirkoniumoxid (YSZ). Lösningen kyls sedan från botten till toppen på en plattform som möjliggör enkelriktad kylning. Detta tvingar iskristaller att växa i överensstämmelse med den enkelriktade kylningen och dessa iskristaller tvingar de upplösta YSZ-partiklarna till stelningsfronten på den fasta flytande interfasgränsen, vilket resulterar i rena iskristaller uppradade enriktad tillsammans med koncentrerade fickor av kolloidala partiklar. Provet upphettas sedan samtidigt och trycket reduceras tillräckligt för att tvinga iskristallerna att sublimera och YSZ-fickorna börjar glödgas tillsammans för att bilda makroskopiskt inriktade keramiska mikrostrukturer. Provet sintras sedan ytterligare för att slutföra avdunstningen av restvattnet och den slutliga konsolideringen av den keramiska mikrostrukturen.
under ismallning kan några variabler styras för att påverka mikrostrukturens porstorlek och morfologi. Dessa viktiga variabler är den initiala fasta belastningen av kolloid, kylhastigheten, sintringstemperaturen och varaktigheten och användningen av vissa tillsatser som kan påverka mikrostrukturell morfologi under processen. En god förståelse för dessa parametrar är avgörande för att förstå förhållandet mellan bearbetning, mikrostruktur och mekaniska egenskaper hos anisotropiskt porösa material.
elektriska egenskaperredigera
Halvledareredigera
vissa keramik är halvledare. De flesta av dessa är övergångsmetalloxider som är Ii-VI halvledare, såsom zinkoxid. Medan det finns utsikter till massproducerande blå lysdioder från zinkoxid, är keramiker mest intresserade av de elektriska egenskaperna som visar korngränseffekter. En av de mest använda av dessa är varistoren. Dessa är enheter som uppvisar egenskapen att motståndet sjunker kraftigt vid en viss tröskelspänning. När spänningen över enheten når tröskeln, det finns en nedbrytning av den elektriska strukturen i närheten av korngränserna, vilket resulterar i att dess elektriska motstånd sjunker från flera megohm ner till några hundra ohm. Den stora fördelen med dessa är att de kan skingra en hel del energi, och de själv återställa; när spänningen över enheten sjunker under tröskeln återgår dess motstånd till att vara hög. Detta gör dem idealiska för överspänningsskydd; eftersom det finns kontroll över tröskelspänningen och energitoleransen, hittar de användning i alla typer av applikationer. Den bästa demonstrationen av deras förmåga finns i elektriska transformatorstationer, där de används för att skydda infrastrukturen från blixtnedslag. De har snabb respons, är lågt underhåll, och inte märkbart försämras från användning, vilket gör dem praktiskt taget idealiska enheter för denna applikation. Halvledande keramik används också som gassensorer. När olika gaser passerar över en polykristallin keramik förändras dess elektriska motstånd. Med inställning till möjliga gasblandningar kan mycket billiga anordningar produceras.
SuperconductivityEdit
Under vissa förhållanden, såsom extremt låg temperatur, vissa keramik uppvisar hög temperatur supraledning. Anledningen till detta förstås inte, men det finns två stora familjer av superledande keramik.
Ferroelektricitet och supersetsEdit
piezoelektricitet, en länk mellan elektrisk och mekanisk respons, uppvisas av ett stort antal keramiska material, inklusive kvarts som används för att mäta tid i klockor och annan elektronik. Sådana anordningar använder båda egenskaperna hos piezoelektrikum, använder elektricitet för att producera en mekanisk rörelse (driva enheten) och sedan använda denna mekaniska rörelse för att producera el (generera en signal). Den uppmätta tidsenheten är det naturliga intervallet som krävs för att el ska omvandlas till mekanisk energi och tillbaka igen.
den piezoelektriska effekten är i allmänhet starkare i material som också uppvisar pyroelektricitet, och alla pyroelektriska material är också piezoelektriska. Dessa material kan användas för att interkonvertera mellan termisk, mekanisk eller elektrisk energi; till exempel, efter syntes i en ugn, får en pyroelektrisk kristall svalna under ingen applicerad stress bygger i allmänhet upp en statisk laddning av tusentals volt. Sådana material används i rörelsesensorer, där den lilla temperaturhöjningen från en varm kropp som kommer in i rummet är tillräcklig för att producera en mätbar spänning i kristallen.
i sin tur ses pyroelektricitet starkast i material som också visar den ferroelektriska effekten, där en stabil elektrisk dipol kan orienteras eller vändas genom att applicera ett elektrostatiskt fält. Pyroelektricitet är också en nödvändig följd av ferroelektricitet. Detta kan användas för att lagra information i ferroelektriska kondensatorer, element av ferroelektrisk RAM.
de vanligaste sådana materialen är blyzirkonattitanat och bariumtitanat. Bortsett från de ovan nämnda användningarna utnyttjas deras starka piezoelektriska svar vid utformningen av högfrekventa högtalare, givare för sonar och ställdon för atomkraft och skanningstunnelmikroskop.
positiv termisk koefficientredigera
temperaturökningar kan orsaka korngränser att plötsligt bli isolerande i vissa halvledande keramiska material, mestadels blandningar av tungmetall titanater. Den kritiska övergångstemperaturen kan justeras över ett brett område genom variationer i kemi. I sådana material kommer strömmen att passera genom materialet tills joule uppvärmning leder det till övergångstemperaturen, vid vilken tidpunkt kretsen kommer att brytas och strömflödet upphör. Sådan keramik används som självstyrda värmeelement i exempelvis bakfönstrets avfrostningskretsar av bilar.
vid övergångstemperaturen blir materialets dielektriska svar teoretiskt oändligt. Medan en brist på temperaturkontroll skulle utesluta någon praktisk användning av materialet nära dess kritiska temperatur, förblir den dielektriska effekten exceptionellt stark även vid mycket högre temperaturer. Titanater med kritiska temperaturer långt under rumstemperatur har blivit synonymt med” keramik ” i samband med keramiska kondensatorer av just denna anledning.
optiska egenskaperredigera
optiskt transparenta material fokuserar på ett materials svar på inkommande ljusvågor i ett intervall av våglängder. Frekvensselektiva optiska filter kan användas för att ändra eller förbättra ljusstyrkan och kontrasten hos en digital bild. Guidad ljusvågöverföring via frekvensselektiva vågledare involverar det framväxande fältet för fiberoptik och förmågan hos vissa glasartade kompositioner som ett överföringsmedium för ett frekvensområde samtidigt (multi-mode optisk fiber) med liten eller ingen störning mellan konkurrerande våglängder eller frekvenser. Detta resonansläge för energi och dataöverföring via elektromagnetisk (ljus) vågutbredning, även om den är lågdriven, är praktiskt taget förlustfri. Optiska vågledare används som komponenter i integrerade optiska kretsar (t. ex. lysdioder, lysdioder) eller som överföringsmedium i lokala och långdistans optiska kommunikationssystem. Också av värde för den framväxande materialforskaren är materialets känslighet för strålning i den termiska infraröda (IR) delen av det elektromagnetiska spektrumet. Denna värmesökande förmåga är ansvarig för så olika optiska fenomen som nattsyn och IR-luminescens.
således finns det ett ökande behov i den militära sektorn för höghållfasta, robusta material som har förmågan att överföra ljus (elektromagnetiska vågor) i det synliga (0,4 – 0.7 mikrometer) och mid-infraröda (1 – 5 mikrometer) regioner i spektrumet. Dessa material behövs för applikationer som kräver transparent Rustning, inklusive nästa generations höghastighetsmissiler och pods, samt skydd mot Improviserade explosiva anordningar (IED).
på 1960-talet upptäckte forskare vid General Electric (GE) att under rätt tillverkningsförhållanden kunde vissa keramik, särskilt aluminiumoxid (aluminiumoxid), göras genomskinlig. Dessa genomskinliga material var tillräckligt transparenta för att användas för att innehålla den elektriska plasma som genereras i högtrycksnatriumgata lampor. Under de senaste två decennierna har ytterligare typer av transparent keramik utvecklats för applikationer som näskottar för värmesökande missiler, fönster för stridsflygplan och scintillationsräknare för datortomografiskannrar.
i början av 1970-talet var Thomas Soules banbrytande i datormodellering av ljusöverföring genom genomskinlig keramisk aluminiumoxid. Hans modell visade att mikroskopiska porer i keramik, huvudsakligen fångade vid korsningarna av mikrokristallina korn, fick ljuset att sprida sig och förhindrade sann transparens. Volymfraktionen av dessa mikroskopiska porer måste vara mindre än 1% för högkvalitativ optisk överföring.
detta är i grunden en partikelstorlekseffekt. Opacitet är resultatet av osammanhängande spridning av ljus vid ytor och gränssnitt. Förutom porer är de flesta gränssnitten i ett typiskt metall-eller keramiskt föremål i form av korngränser som separerar små regioner av kristallin ordning. När storleken på spridningscentret (eller korngränsen) reduceras under storleken på våglängden för det ljus som sprids, sker spridningen inte längre i någon signifikant utsträckning.
vid bildandet av polykristallina material (metaller och keramik) bestäms storleken på de kristallina kornen till stor del av storleken på de kristallina partiklarna som finns i råmaterialet under bildandet (eller pressningen) av objektet. Dessutom skalar storleken på korngränserna direkt med partikelstorlek. Således eliminerar en minskning av den ursprungliga partikelstorleken under våglängden för synligt ljus (~ 0,5 mikrometer för kortvågviolett) eventuell ljusspridning, vilket resulterar i ett transparent material.
nyligen har japanska forskare utvecklat tekniker för att producera keramiska delar som konkurrerar med transparensen hos traditionella kristaller (odlade från ett enda frö) och överstiger frakturens seghet hos en enda kristall. I synnerhet forskare vid det japanska företaget Konoshima Ltd., en tillverkare av keramiska byggmaterial och industrikemikalier, har letat efter marknader för sin transparenta keramik.
Livermore-forskare insåg att dessa keramik kan ha stor nytta av högdrivna lasrar som används i direktoratet för National Ignition Facility (NIF). I synnerhet började ett Livermore-forskargrupp förvärva avancerad transparent keramik från Konoshima för att avgöra om de kunde uppfylla de optiska kraven som behövs för Livermores Solid State Heat Capacity Laser (SSHCL). Livermore-forskare har också testat applikationer av dessa material för applikationer som avancerade drivrutiner för laserdrivna fusionskraftverk.