Keramika

Typy keramických materiálů

Keramické výrobky se obvykle dělí do čtyř sektorů, které jsou uvedeny níže s několika příklady:

• Stavební, včetně cihel, potrubí, podlahových a střešních dlaždic
• Žáruvzdorné materiály, jako jsou vyzdívky pecí, plynové zářiče, ocelářské a sklářské kelímky.
• bílé zboží, včetně nádobí, obkladů, dekorativních uměleckých předmětů a sanitární keramiky
• Technická keramika je také známá jako inženýrská, pokročilá, speciální a v Japonsku jako jemná keramika. Patří mezi ni například dlaždice používané v programu Space Shuttle, trysky plynových hořáků, neprůstřelné vesty, pelety oxidu uranu do jaderného paliva, biomedicínské implantáty, lopatky turbín proudových motorů a kužely na přídi raket. Mezi suroviny často nepatří jíly.

Příklady keramiky

• Porcelán
• "Tvrdý" porcelán, vypalovaný při vyšší teplotě.
• Porcelán "Soft-Paste", vypalovaný při nižší teplotě: Kostní porcelán
• Hliněné nádobí, které se často vyrábí z hlíny, křemene a živce.
• Kameninové nádobí

Klasifikace technické keramiky

Technickou keramiku lze také rozdělit do tří různých materiálových kategorií:

• Oxidy: oxid hlinitý, zirkoničitý
• Neoxidy: karbidy, boridy, nitridy, silicidy
• Kompozity: vyztužené částicemi, kombinace oxidů a neoxidů

Každá z těchto tříd může mít jedinečné vlastnosti materiálu.

Simulace vnějšího povrchu raketoplánu, který se při návratu do zemské atmosféry zahřeje na teplotu přes 1500 °C.

Vlastnosti keramiky

Mechanické vlastnosti

Keramické materiály jsou obvykle materiály s iontovou nebo kovalentní vazbou a mohou být krystalické nebo amorfní. Materiál držený pohromadě oběma typy vazeb má tendenci se lámat (prasknout) dříve, než dojde k plastické deformaci, což má za následek nízkou houževnatost těchto materiálů. Kromě toho, protože tyto materiály mají tendenci mít mnoho pórů, póry a další mikroskopické nedokonalosti působí jako koncentrátory napětí, což dále snižuje houževnatost a pevnost vtahu. To vše dohromady vede ke katastrofickým poruchám, na rozdíl od obvykle mnohem šetrnějších způsobů poruch kovů.

Tyto materiály vykazují plastickou deformaci. Vzhledem k tuhé struktuře krystalických materiálů je však pro pohyb dislokací k dispozici jen velmi málo kluzných systémů, a proto se deformují velmi pomalu. U nekrystalických (sklovitých) materiálů je hlavním zdrojem plastické deformace viskózní tok, který je rovněž velmi pomalý. Z tohoto důvodu se v mnoha aplikacích keramických materiálů ignoruje.

Elektrické vlastnosti

Polovodiče

Existuje řada keramických materiálů, které jsou polovodiči. Většina z nich jsou oxidy přechodných kovů, které jsou polovodiči II-VI, jako například oxid zinečnatý.

Zatímco se hovoří o výrobě modrých LED diod z oxidu zinečnatého, keramici se nejvíce zajímají o elektrické vlastnosti, které vykazují efekty na hranicích zrn. Jednou z nejpoužívanějších z nich je varistor.

Polovodičová keramika se používá také jako snímače plynů. Při průchodu různých plynů přes polykrystalickou keramiku se mění její elektrický odpor. S vyladěním na možné směsi plynů lze vyrobit velmi levná zařízení.

Supravodivost

Za určitých podmínek, například při extrémně nízké teplotě, vykazují některé keramické materiály supravodivost. Přesný důvod není znám, ale existují dvě hlavní skupiny supravodivých keramik .

Feroelektřina a její příbuzní

Piezoelektrickou vlastnost, tedy spojení mezi elektrickou a mechanickou odezvou, vykazuje velké množství keramických materiálů, včetně křemene používaného k měření času v hodinkách a další elektronice. Taková zařízení mění elektřinu na mechanické pohyby a zpět, čímž vytvářejí stabilní oscilátor.

Piezoelektrický jev je obecně silnější u materiálů, které vykazují také pyroelektrický efekt, a všechny pyroelektrické materiály jsou zároveň piezoelektrické. Tyto materiály lze použít k vzájemné přeměně mezi tepelnou, mechanickou a/nebo elektrickou energií; například pyroelektrický krystal, který se po syntéze v peci nechá vychladnout bez působícího napětí, obvykle vytvoří statický náboj o hodnotě tisíců voltů. Takové materiály se používají v senzorech pohybu, kde stačí nepatrný nárůst teploty způsobený vstupem teplého tělesa do místnosti, aby se v krystalu vytvořilo měřitelné napětí.

Pyroelektrický jev se zase nejsilněji projevuje u materiálů, které vykazují také feroelektrický jev, při němž lze stabilní elektrický dipól orientovat nebo obrátit působením elektrostatického pole. Pyroelektricita je také nutným důsledkem feroelektricity. Toho lze využít k ukládání informací ve feroelektrických kondenzátorech, prvcích feroelektrické paměti RAM.

Nejběžnějšími materiály jsou titaničitan olovnatý a titaničitan barnatý. Kromě výše uvedených použití se jejich silná piezoelektrická odezva využívá při konstrukci vysokofrekvenčních reproduktorů, měničů pro sonary a aktuátorů pro mikroskopy atomárních sil a skenovací tunelové mikroskopy.

Kladný tepelný koeficient

Zvýšení teploty může u některých polovodičových keramických materiálů, většinou směsí titaničitanů těžkých kovů, způsobit náhlou izolaci hranic zrn. Teplotu kritického přechodu lze upravit v širokém rozmezí změnami v chemickém složení. V takových materiálech bude proud procházet materiálem, dokud jej jouleův ohřev nepřivede na teplotu přechodu, kdy se obvod přeruší a proud přestane téct. Taková keramika se používá jako samočinně řízené topné prvky například v obvodech odmrazování zadních oken automobilů.

Při teplotě přechodu se dielektrická charakteristika materiálu stává teoreticky nekonečnou. Zatímco nedostatek teplotní regulace by vylučoval jakékoli praktické využití materiálu v blízkosti jeho kritické teploty, dielektrický efekt zůstává mimořádně silný i při mnohem vyšších teplotách. Titanáty s kritickou teplotou hluboko pod pokojovou teplotou se právě z tohoto důvodu staly synonymem pro "keramiku" v kontextu keramických kondenzátorů.

Klasifikace keramiky

Nekrystalická keramika: Nekrystalická keramika, která je sklem, bývá tvořena taveninou. Sklo se tvaruje buď ve zcela roztaveném stavu odléváním, nebo ve stavu viskozity podobné karamelu metodami, jako je vyfukování do formy. Pokud pozdější tepelné zpracování způsobí, že se tato třída stane částečně krystalickou, výsledný materiál se nazývá sklokeramika.

Krystalická keramika: Krystalické keramické materiály se nedají zpracovávat ve velkém rozsahu. Metody jejich zpracování se obvykle dělí do jedné ze dvou kategorií - buď se keramika vyrobí v požadovaném tvaru reakcí na místě, nebo se prášek "vytvaruje" do požadovaného tvaru a poté se spékáním vytvoří pevné těleso. Mezi techniky tvarování keramiky patří ruční tvarování (někdy včetně rotačního procesu zvaného "házení"), odlévání do skluzavky, odlévání do pásky (používá se pro výrobu velmi tenkých keramických kondenzátorů atd.), vstřikování, lisování za sucha a další varianty. (Viz také Techniky tváření keramiky. Podrobnosti o těchto procesech jsou popsány ve dvou níže uvedených knihách.) Několik metod používá hybrid mezi oběma přístupy.

Výroba in situ

Nejčastěji se tato metoda používá při výrobě cementu a betonu. Zde se dehydratované prášky smíchají s vodou. Tím se spustí hydratační reakce, jejichž výsledkem je tvorba dlouhých, vzájemně propojených krystalů kolem kameniva. Ty časem vyústí v pevnou keramiku.

Největším problémem této metody je, že většina reakcí je tak rychlá, že není možné dobré promíchání, což brání rozsáhlé výstavbě. Systémy v malém měřítku však lze vyrobit technikou nanášení, kdy se různé materiály zavádějí nad substrát, reagují a vytvářejí keramiku na substrátu. Tato technika je převzata z polovodičového průmyslu, jako je chemické napařování, a je velmi užitečná pro povlaky.

Ty mají tendenci vyrábět velmi hustou keramiku, ale dělají to pomalu.

Metody založené na spékání

Princip metod založených na spékání je jednoduchý. Jakmile je vyroben nahrubo spojený předmět (tzv. "zelené těleso"), vypálí se v peci, kde difuzní procesy způsobí smrštění zeleného tělesa. Póry v předmětu se uzavřou, čímž vznikne hustší a pevnější výrobek. Výpal probíhá při teplotě nižší, než je teplota tání keramiky. Prakticky vždy zůstane nějaká pórovitost, ale skutečnou výhodou této metody je, že zelené těleso lze vyrobit jakýmkoli myslitelným způsobem, a přesto může být slinuté. Jedná se tedy o velmi univerzální způsob.

Tento proces lze vylepšit tisíci způsoby. Některé z nejběžnějších zahrnují lisování zeleného tělesa, které umožní náběh hutnění a zkrátí potřebnou dobu spékání. Někdy se přidávají organická pojiva, jako je polyvinylalkohol, která drží zelené těleso pohromadě; ta se během výpalu (při teplotě 200-350 °C) vypálí. Někdy se během lisování přidávají organická maziva, aby se zvýšila hustota. Nezřídka se tyto postupy kombinují a do prášku se přidávají pojiva a mazadla, poté se lisuje. (Složení těchto organických chemických přísad je umění samo o sobě. To je zvláště důležité při výrobě vysoce výkonné keramiky, jaké se používají v miliardách pro elektroniku, v kondenzátorech, induktorech, senzorech atd. Specializované receptury nejčastěji používané v elektronice jsou podrobně popsány v knize "Tape Casting", R. E. Mistler a kol., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) Komplexní knihou na toto téma, pro mechanické i elektronické aplikace, je "Organic Additives and Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Místo prášku lze použít suspenzi, kterou lze odlít do požadovaného tvaru, vysušit a následně slinout. Tradiční keramika se skutečně vyrábí touto metodou, přičemž se používá plastická směs zpracovávaná rukama.

Pokud je v keramice použita směs různých materiálů dohromady, teplota spékání je někdy vyšší než teplota tání jedné menší složky - dochází ke spékání v kapalné fázi. To má za následek kratší dobu spékání ve srovnání se spékáním v pevné fázi.

Další aplikace keramiky

• Některé nože jsou keramické. Keramická čepel nože vydrží ostrá mnohem déle než ocelová, i když je křehčí a může se zlomit pádem na tvrdý povrch.

• Keramika, jako je oxid hlinitý a karbid boru, se používá v neprůstřelných vestách, které odpuzují střely. Podobný materiál se používá k ochraně kokpitů některých vojenských letadel, a to z důvodu nízké hmotnosti materiálu.

• Keramické kuličky lze použít jako náhradu oceli v kuličkových ložiskách. Díky jejich vyšší tvrdosti vydrží třikrát déle. Při zatížení se také méně deformují, což znamená, že mají menší kontakt se stěnami ložiskového držáku a mohou se rychleji odvalovat. Při velmi vysokých rychlostech může teplo vznikající třením při odvalování způsobovat kovovým ložiskům problémy, které se použitím keramiky snižují. Keramika je také chemicky odolnější a lze ji používat ve vlhkém prostředí, kde by ocelová ložiska rezavěla. Hlavní nevýhodou použití keramiky je vysoká cena.

• Na počátku 80. let 20. století zkoumala společnost Toyota adiabatický keramický motor, který může pracovat při teplotě vyšší než 3300 °C (6000 °F). Keramické motory nevyžadují chladicí systém, a proto umožňují výrazné snížení hmotnosti, a tím i vyšší účinnost paliva. Účinnost paliva u teplejšího motoru je vyšší i podle Carnotova teorému. V kovovém motoru musí být velká část energie uvolněné z paliva odvedena jako odpadní teplo, aby nedošlo k roztavení kovových částí. Přes všechny tyto žádoucí vlastnosti se takové motory nevyrábějí, protože výroba keramických dílů v potřebné přesnosti a trvanlivosti je obtížná. Nedokonalost keramiky vede k prasklinám, které mohou motor zničit, případně i výbuchem. Sériová výroba není se současnou technologií proveditelná.

• Keramické díly pro motory plynových turbín mohou být praktické. V současné době vyžadují i lopatky z moderních kovových slitin používané v horké části motorů chlazení a pečlivé omezování provozních teplot. Turbíny vyrobené z keramiky by mohly pracovat efektivněji, což by letadlům umožnilo větší dolet a užitečné zatížení při stanoveném množství paliva.

• Biokeramika zahrnuje zubní implantáty a syntetické kosti. Hydroxyapatit, přirozená minerální složka kosti, byl vyroben synteticky z řady biologických a chemických zdrojů a může být formován do keramických materiálů. Ortopedické implantáty vyrobené z těchto materiálů se snadno spojují s kostí a dalšími tkáněmi v těle bez odmítnutí nebo zánětlivých reakcí. Z tohoto důvodu jsou velmi zajímavé pro dodávání genů a scaffoldy tkáňového inženýrství. Většina hydroxyapatitové keramiky je velmi porézní a postrádá mechanickou pevnost a používá se k potahování kovových ortopedických pomůcek, aby napomohla vytvoření vazby s kostí, nebo jako kostní výplně. Používají se také jako výplně ortopedických plastových šroubů, aby napomohly snížení zánětu a zvýšily absorpci těchto plastových materiálů. Pracuje se na výrobě silných, plně hustých nanokrystalických hydroxyapatitových keramických materiálů pro ortopedické nosné pomůcky, které nahrazují cizí kovové a plastové ortopedické materiály syntetickým, ale přirozeně se vyskytujícím kostním minerálem. V konečném důsledku mohou být tyto keramické materiály použity jako kostní náhrady nebo s přídavkem proteinových kolagenů jako syntetické kosti.

• V pouzdrech hodinek se používá špičková keramika. Tento materiál je ceněn pro svou nízkou hmotnost, odolnost proti poškrábání, trvanlivost a hladký dotek. IWC je jednou ze značek, které iniciovaly používání keramiky v hodinářství.