Войти
Краткая шкала керамики в различных стилях A керамика любой из различных твердых, хрупких, жаропрочных и устойчивых к коррозии материалов, полученных путем формования и последующего обжига неметаллического минерала, такого как глина, при высокой температуре. Типичными примерами являются фаянсовая посуда, фарфор и кирпич.
кристалличность керамических материалов варьируется от высокоориентированной до полукристаллической, застеклованные и часто полностью аморфные (например, стекла ). Чаще всего обожженная керамика бывает остеклованной или полустеклованной, как, например, фаянс, керамогранит и фарфор. Различная кристалличность и электронный состав в ионных и ковалентных связях делают большинство керамических материалов хорошими тепло- и электрическими изоляторами (широко исследованными в керамической инженерии ). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава / структуры керамики (например, почти все элементы, почти все типы связывания и все уровни кристалличности) широта предмета обширна и идентифицируемые атрибуты (например, твердость, вязкость, электропроводность и т. Д.) Трудно указать для группы в целом. Общие свойства, такие как высокая температура плавления, высокая твердость, плохая проводимость, высокие модули упругости, химическая стойкость и низкая пластичность являются нормой, с известными исключениями из каждого из этих правил (например, пьезокерамика, температура стеклования, сверхпроводящая керамика и т. Д.). Многие композиты, такие как стекловолокно и углеродное волокно, хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью семейства керамических.
Самые ранние керамические изделия, изготовленные людьми керамические изделия предметы (например, горшки или сосуды) или статуэтки, сделанные из глины, либо сами по себе, либо в смеси с другими материалами, такими как кремнезем, затвердевший и спеченный в огне. Позже керамику покрывали глазурью и обжигали для создания гладких цветных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стекловидных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек. Керамика теперь включает бытовые, промышленные и строительные изделия, а также широкий спектр керамического искусства. В 20 веке были разработаны новые керамические материалы для использования в передовой керамической технике, например, в полупроводниках.
Слово «керамика » происходит от Греческое слово κεραμικός (keramikos), «гончарный» или «гончарный», от κέραμος (keramos), «гончарная глина, плитка, керамика». Самое раннее известное упоминание о корне «керами-» - это микенское греческое ke-ra-me-we, «работники керамики», написанное линейным письмом B слоговым письмом. Слово «керамика» может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или оно может использоваться как существительное в единственном числе или, что чаще, как существительное во множественном числе «керамика».
Малое увеличение СЭМ-микрофотография современного керамического материала. Свойства керамики делают разрушение важным методом контроля. Керамический материал представляет собой неорганический, неметаллический, часто кристаллический оксид, нитрид или карбид. Некоторые элементы, такие как углерод или кремний, могут считаться керамическими. Керамические материалы хрупкие, твердые, сильные при сжатии и слабые при сдвиге и растяжении. Они противостоят химической эрозии, которая возникает в других материалах, находящихся в кислой или едкой среде. Керамика обычно выдерживает очень высокие температуры, от 1000 до 1600 ° C (от 1800 до 3000 ° F). Стекло часто не считается керамикой из-за его аморфного (некристаллического) характера. Однако производство стекла включает в себя несколько этапов керамического процесса, и его механические свойства аналогичны керамическим материалам.
Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит, тогда как более современные материалы включают оксид алюминия, более известный как оксид алюминия. Современные керамические материалы, которые классифицируются как современная керамика, включают карбид кремния и карбид вольфрама. Оба материала ценятся за их стойкость к истиранию и, следовательно, находят применение в таких областях, как износные пластины дробильного оборудования при горных работах. Современная керамика также используется в медицине, электротехнике, электронной промышленности и бронежилетах.
Кристаллические керамические материалы не поддаются большому диапазону обработки. Способы борьбы с ними, как правило, делятся на две категории: либо получение керамики желаемой формы путем реакции на месте, либо путем «формования» порошков в желаемую форму, а затем спекание с образованием твердое тело. Методы формовки керамики включают формование вручную (иногда включая процесс вращения, называемый «метание»), литье в шликере, литье лентой (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов.), литье под давлением, сухое прессование и другие варианты.
Некристаллическая керамика, будучи стеклом, обычно образуется из расплавов. Стеклу придают форму в полностью расплавленном состоянии путем литья или в состоянии вязкости, напоминающей ириску, с помощью таких методов, как выдувание в форму. Если более поздняя термообработка приводит к тому, что это стекло становится частично кристаллическим, полученный материал известен как стеклокерамика, широко используемый в качестве варочных панелей, а также в качестве стекломатериала для захоронения ядерных отходов.
Похоже, что люди производили керамику в течение как минимум 26000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву, чтобы плавиться и образовывать керамические материалы. Самые ранние найденные до сих пор были в южной части Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду.
Самая ранняя известная керамика была изготовлена путем смешивания продуктов животного происхождения с глиной и обожжена в печах при температуре до 800 ° C. Хотя фактические фрагменты глиняной посуды были обнаружены возрастом до 19 000 лет, обычная керамика стала обычным явлением только через десять тысяч лет.
Древний народ, который распространился по большей части Европы, назван в честь использования керамики, культуры шнуровой керамики. Эти ранние индоевропейские народы украшали свою керамику, обматывая ее веревкой, пока она еще влажная. При обжиге керамики веревка сгорела, но на поверхности остался декоративный узор из сложных бороздок.
Керамика из культивирования шнуровой керамики 2500 г. до н.э. Изобретение круга в конечном итоге привело к производству более гладких и ровных керамических изделий с использованием техники формирования круга, таких как колесо.
Ранняя керамика была пористой и легко впитывала воду. Он стал полезен для большего количества предметов с открытием методов глазурования, покрытия керамики кремнием, костной золой или другими материалами, которые могут плавиться и превращаться в стеклообразную поверхность, делая сосуд менее проницаемым для воды.
Керамические артефакты играют важную роль в археологии для понимания культуры, технологий и поведения народов прошлого. Это одни из самых распространенных артефактов, которые можно найти на археологических раскопках, как правило, в виде небольших фрагментов разбитой керамики, называемых черепками. Обработка собранных осколков может быть согласована с двумя основными типами анализа: техническим и традиционным.
Традиционный анализ включает сортировку керамических артефактов, черепков и более крупных фрагментов по определенным типам на основе стиля, состава, изготовления и морфологии. Создавая эти типологии, можно различать различные культурные стили, цель керамики и технологическое состояние людей среди других выводов. Кроме того, глядя на стилистические изменения керамики с течением времени, можно разделить (сериализовать) керамику на отдельные диагностические группы (комплексы). Сравнение керамических артефактов с известными датированными коллекциями позволяет хронологически отнести эти предметы.
Технический подход к анализу керамики включает более детальное изучение состава керамических артефактов и осколков для определения источника материала и через это возможное производственное предприятие. Ключевыми критериями являются состав глины и состояние, использованные при производстве исследуемого изделия: темперинг - это материал, добавляемый в глину на начальном этапе производства, и он используется для облегчения последующей сушки процесс. Типы закалки включают в себя осколки раковин, фрагменты гранита и измельченные осколки, называемые «грог». Закалку обычно определяют при микроскопическом исследовании закаленного материала. Идентификация глины определяется процессом повторного обжига керамики и присвоения ей цвета с использованием обозначения цвета почвы Манселла. Путем оценки составов глины и темперирования и определения области, где, как известно, встречаются оба, можно определить источник материала. Исходя из определения источника артефакта, можно провести дальнейшие исследования на месте изготовления.
Физические свойства любого керамического вещества являются прямым результатом его кристаллической структуры и химического состава. Химия твердого тела выявляет фундаментальную связь между микроструктурой и такими свойствами, как локальные вариации плотности, гранулометрический состав, тип пористости и содержание второй фазы, которые все могут коррелировать со свойствами керамики, такими как механическая прочность σ по уравнению Холла-Петча, твердость, вязкость, диэлектрическая постоянная и оптические свойства, проявляемые прозрачными материалами.
Керамография - это искусство и наука приготовления, исследования и оценки микроструктур керамики. Оценка и определение характеристик керамических микроструктур часто осуществляется в пространственных масштабах, аналогичных тем, которые обычно используются в развивающейся области нанотехнологий: от десятков ангстрем (A) до десятков микрометров (мкм). Обычно это где-то между минимальной длиной волны видимого света и пределом разрешения невооруженного глаза.
Микроструктура включает большинство зерен, вторичных фаз, границ зерен, пор, микротрещин, структурных дефектов и микровыступов твердости. Наблюдаемая микроструктура существенно влияет на механические, оптические, термические, электрические и магнитные свойства объема. Метод изготовления и условия процесса обычно указываются микроструктурой. Основная причина многих повреждений керамики очевидна в микроструктуре сколов и полировки. Физические свойства, которые составляют область материаловедения и инженерии, включают следующее:
Режущие диски из карбида кремния Механические свойства важны для конструкционных и строительных материалов, а также для текстильных тканей. В современном материаловедении механика разрушения является важным инструментом улучшения механических характеристик материалов и компонентов. Он применяет физику напряжения и деформации, в частности теории упругости и пластичности, к микроскопические кристаллографические дефекты, обнаруженные в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое разрушение тел. Фрактография широко используется в механике разрушения, чтобы понять причины отказов, а также проверить теоретические предсказания отказов с реальными отказами.
Керамические материалы обычно являются ионными или ковалентными связанными материалами и могут быть кристаллическими или аморфными. Материал, удерживаемый посредством любого типа связи, будет иметь тенденцию к разрушению до того, как произойдет какая-либо пластическая деформация, что приведет к плохой ударной вязкости в этих материалах. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений, дополнительно снижая ударную вязкость и уменьшая предел прочности. В совокупности они дают катастрофические отказы, в отличие от более пластичных видов разрушения металлов.
Эти материалы действительно демонстрируют пластическую деформацию. Однако из-за жесткой структуры кристаллических материалов очень мало доступных для перемещения дислокаций , и поэтому они очень медленно деформируются. В случае некристаллических (стеклообразных) материалов вязкое течение является доминирующим источником пластической деформации, а также очень медленным. Поэтому во многих областях применения керамических материалов им пренебрегают.
Чтобы преодолеть хрупкое поведение, разработка керамических материалов представила класс композитных материалов с керамической матрицей, в которые керамические волокна встроены и с особыми покрытиями образуют волоконные перемычки через любую трещину. Этот механизм существенно увеличивает трещиностойкость такой керамики. Керамические дисковые тормоза представляют собой пример использования композитного материала с керамической матрицей, изготовленного с помощью специального процесса.
Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может подвергнуться процессу, называемому ледяному шаблону, который позволяет в некоторой степени контролировать микроструктура керамического изделия и, следовательно, некоторый контроль механических свойств. Инженеры-керамики используют эту технику для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. В частности, сила увеличивается, когда используется этот метод. Шаблон Ice позволяет создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этого метода оксидного упрочнения важно для твердооксидных топливных элементов и устройств для фильтрации воды.
Для обработки образца с помощью ледяной матрицы используется водный Готовят коллоидную суспензию, содержащую растворенный керамический порошок, равномерно диспергированный в коллоиде, например, диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). Затем раствор охлаждают снизу вверх на платформе, которая обеспечивает однонаправленное охлаждение. Это заставляет кристаллы льда расти в соответствии с однонаправленным охлаждением, и эти кристаллы льда вынуждают растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания межфазной границы твердое тело-жидкость, в результате чего чистые кристаллы льда выстраиваются в одном направлении рядом с концентрированными карманы коллоидных частиц. Затем образец одновременно нагревают, и давление снижается достаточно, чтобы заставить кристаллы льда сублимировать, и карманы YSZ начинают отжиг вместе с образованием макроскопически выровненных керамических микроструктур. Затем образец дополнительно спекается для завершения испарения остаточной воды и окончательного отверждения керамической микроструктуры.
Во время ледяной матрицы могут быть изменены несколько переменных. контролируется, чтобы влиять на размер пор и морфологию микроструктуры. Этими важными переменными являются начальная загрузка коллоида твердыми частицами, скорость охлаждения, температура и продолжительность спекания, а также использование определенных добавок, которые могут влиять на морфологию микроструктуры во время процесса. Хорошее понимание этих параметров важно для понимания взаимосвязи между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно пористых материалов.
Некоторые керамические материалы полупроводники. Большинство из них - это оксиды переходных металлов, которые являются полупроводниками II-VI, например оксид цинка.
. Хотя есть перспективы массового производства синих светодиодов из оксида цинка, керамистов больше всего интересуют электрические свойства, которые демонстрируют эффекты границ зерен.
Одним из наиболее широко используемых из них является варистор. Это устройства, которые обладают тем свойством, что сопротивление резко падает при определенном пороговом напряжении. Как только напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит пробой электрической структуры вблизи границ зерен, в результате чего ее электрическое сопротивление падает с нескольких мегомов до несколько сотен Ом. Основным преимуществом этого является то, что они могут рассеивать много энергии, и они автоматически сбрасываются - после того, как напряжение на устройстве падает ниже порогового значения, его сопротивление возвращается к высокому.
Это делает их идеальными для применения защиты от перенапряжения ; поскольку есть контроль над пороговым напряжением и допустимым отклонением энергии, они находят применение во всех видах приложений. Лучше всего их возможности можно найти на электрических подстанциях, где они используются для защиты инфраструктуры от ударов молнии. Они отличаются быстрым откликом, не требуют особого обслуживания и существенно не выходят из строя, что делает их практически идеальными устройствами для этого приложения.
Полупроводниковая керамика также используется в качестве газовых датчиков. Когда через поликристаллическую керамику пропускают различные газы, ее электрическое сопротивление изменяется. При настройке на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.
Эффект Мейснера, демонстрируемый при левитации магнита над купратным сверхпроводником, который охлаждается жидким азотом При некоторых условиях, например при чрезвычайно низкой температуре, некоторые керамики обладают высокотемпературной сверхпроводимостью. Причина этого не выяснена, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.
Пьезоэлектричество, связь между электрическим и механическим откликом, проявляется в большом количестве керамических материалов, включая кварц, используемый для измерения времени в часах. и прочая электроника. В таких устройствах используются оба свойства пьезоэлектриков: электричество используется для создания механического движения (питание устройства), а затем используется это механическое движение для производства электричества (генерирования сигнала). Единица измерения времени - это естественный интервал, необходимый для преобразования электричества в механическую энергию и обратно.
Пьезоэлектрический эффект обычно сильнее в материалах, которые также проявляют пироэлектричество, и все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектрическими. Эти материалы могут использоваться для взаимного преобразования тепловой, механической или электрической энергии; например, после синтеза в печи пироэлектрический кристалл, которому позволено охладиться без приложенного напряжения, обычно создает статический заряд в тысячи вольт. Такие материалы используются в датчиках движения, где крошечного повышения температуры от теплого тела, входящего в комнату, достаточно для создания измеримого напряжения в кристалле.
В свою очередь, пироэлектричество наиболее ярко проявляется в материалах, которые также проявляют сегнетоэлектрический эффект, в которых стабильный электрический диполь может быть ориентирован или инвертирован путем приложения электростатического поля. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в сегнетоэлектрических конденсаторах, элементах сегнетоэлектрической RAM.
. Наиболее распространенными такими материалами являются цирконат-титанат свинца и титанат бария <219.>. Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется в конструкции высокочастотных громкоговорителей, преобразователей для сонара и приводов для атомной силы и сканирующие туннельные микроскопы.
Ракетный двигатель из нитрида кремния. Слева: установлен на испытательном стенде. Справа: Испытание с пропеллентом H 2/O2Повышение температуры может вызвать внезапное превращение границ зерен в изолирующие в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях тяжелых металлов титанатов. Критическую температуру перехода можно регулировать в широком диапазоне в зависимости от химического состава. В таких материалах ток будет проходить через материал до тех пор, пока джоулевое нагревание не доведет его до температуры перехода, в этот момент цепь будет разорвана, и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулируемых нагревательных элементов, например, в схемах оттаивания задних окон автомобилей.
При температуре перехода диэлектрическая характеристика материала теоретически становится бесконечной. В то время как отсутствие контроля температуры исключает любое практическое использование материала вблизи критической температуры, диэлектрический эффект остается исключительно сильным даже при гораздо более высоких температурах. Именно по этой причине титанаты с критическими температурами намного ниже комнатной стали синонимом «керамики» в контексте керамических конденсаторов.
Ксеноновая дуговая лампа Cermax с выходным окном из синтетического сапфира Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на падающие световые волны различного диапазона длин волн. Частотно-избирательные оптические фильтры могут использоваться для изменения или повышения яркости и контрастности цифрового изображения. Управляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стекловидных составов в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с незначительными или отсутствующими интерференциями между конкурирующими длинами волн или частотами. Этот резонансный режим энергии и передачи данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн, хотя и маломощный, практически без потерь. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в Интегральных оптических схемах (например, светодиоды, светодиоды) или в качестве среды передачи в системах локальной и дальней связи оптической связи. Для начинающего материаловеда также представляет ценность чувствительность материалов к излучению в тепловой инфракрасной (ИК) части электромагнитного спектра. Эта способность к тепловому наведению отвечает за такие разнообразные оптические явления, как ночное видение и ИК люминесценция.
. Таким образом, в секторе военный возрастает потребность в высоких -прочные, прочные материалы, которые способны передавать свет (электромагнитные волны ) в видимом (0,4 - 0,7 микрометра) и средне- инфракрасные (1–5 мкм) области спектра. Эти материалы необходимы для приложений, требующих прозрачной брони, включая высокоскоростные ракеты и гондолы нового поколения, а также защиту от самодельных взрывных устройств (СВУ).
В 1960-х годах ученые General Electric (GE) обнаружили, что при правильных условиях производства некоторые керамические материалы, особенно оксид алюминия (оксид алюминия), могут быть полупрозрачными. Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для сдерживания электрической плазмы, генерируемой в натриевых уличных фонарях с высоким давлением . В течение последних двух десятилетий были разработаны дополнительные типы прозрачной керамики для таких применений, как носовые обтекатели для тепловыделяющих ракет, окон для истребителей самолет и сцинтилляционные счетчики для компьютерных томографических сканеров.
В начале 1970-х Томас Соулз впервые применил компьютерное моделирование передачи света через полупрозрачный керамический оксид алюминия. Его модель показала, что микроскопические поры в керамике, в основном захваченные на стыках микрокристаллических зерен, вызывают рассеяние света и препятствуют истинной прозрачности. Объемная доля этих микроскопических пор должна быть менее 1% для качественного оптического пропускания.
Это в основном эффект размера частиц. Непрозрачность возникает в результате некогерентного рассеяния света на поверхностях и границах раздела. Помимо пор, большинство границ раздела в типичном металлическом или керамическом объекте имеют форму границ зерен, которые разделяют крошечные области кристаллического порядка. Когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в какой-либо значительной степени.
При образовании поликристаллических материалов (металлов и керамики) размер кристаллических зерен в основном определяется размером кристаллических частицы, присутствующие в сырье во время формирования (или прессования) объекта. Более того, размер границ зерен напрямую зависит от размера частиц. Таким образом, уменьшение исходного размера частиц ниже длины волны видимого света (~ 0,5 микрометра для коротковолнового фиолетового) устраняет любое рассеяние света , в результате чего прозрачный материал.
Недавно японские ученые разработали методы производства керамических деталей, которые могут соперничать с прозрачностью традиционных кристаллов (выращенных из одной затравки) и превосходить вязкость разрушения кристаллов. монокристалл. В частности, ученые японской фирмы Konoshima Ltd., производителя керамических строительных материалов и промышленных химикатов, искали рынки для своей прозрачной керамики.
Ливерморские исследователи поняли, что эта керамика может принести большую пользу мощным лазерам, используемым в Управлении программ Национального фонда зажигания (NIF). В частности, группа исследователей из Ливермора начала приобретать передовую прозрачную керамику в Коносиме, чтобы определить, могут ли они соответствовать оптическим требованиям, необходимым для твердотельного лазера теплоемкости Ливермора (SSHCL). Ливерморские исследователи также тестировали применение этих материалов для таких приложений, как усовершенствованные драйверы для лазерных термоядерных электростанций.
Фарфоровый изолятор высокого напряжения 
Карбид кремния используется для внутренних пластин баллистических бронежилетов 
Керамический тигель BN A композитный материал из керамики и металл известен как кермет.
. Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты, чем указанные выше, включают формы нескольких химических соединений, включая:
Кухонный нож с керамическим лезвием Для удобства керамические изделия обычно делятся на четыре основных типа; они показаны ниже с некоторыми примерами:
Часто сырье для современной керамики не включает глину. Те, которые это делают, классифицируются следующим образом:
Керамику также можно разделить на три отдельные категории материалов:
Каждый из этих классов может быть приобрели уникальные свойства материала, потому что керамика имеет тенденцию быть кристаллической.
