Керамика

Краткая хронология керамики в разных стилях

Керамика , — это любой из различных твердых, хрупких , термостойких и устойчивых к коррозии материалов изготовленных путем формования и последующего обжига неорганического неметаллического материала, такого как глина , при высокой температуре. ^[1]^[2] Распространенными примерами являются глиняная посуда , фарфор и кирпич .

Самая ранняя керамика, изготовленная людьми, представляла собой кирпичные стены, используемые для строительства домов и других построек, а керамические предметы (горшки, сосуды или вазы) или статуэтки , сделанные из глины , либо самой по себе, либо в смеси с другими материалами, такими как кремнезем , затвердевали и спекались в огне. — распространенное мнение о том, как была изготовлена керамика. Позже керамику покрывали глазурью и обжигали для создания гладких цветных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стеклообразных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек. ^[3] В настоящее время керамика включает в себя бытовые, промышленные и строительные изделия, а также широкий спектр материалов, разработанных для использования в передовой керамической технике, таких как полупроводники .

Слово керамика происходит от древнегреческого слова κεραμικός ( keramikós ), что означает «керамика или гончарное дело». ^[4] (от κέραμος ( keramos ) «гончарная глина, черепица, керамика»). ^[5] Самое раннее известное упоминание о корне ceram — это микенское греческое ke-ra-me-we , рабочие керамики, написанное B. линейным письмом ^[6] Слово « керамика» может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или как существительное в единственном числе или, чаще, как существительное « во множественном числе керамика » . ^[7]

Материалы [ править ]

Ракетный двигатель из нитрида кремния. Слева: установлен на испытательном стенде. Справа: Испытания с пропеллентами H ₂ /O ₂ .

Керамический материал представляет собой неорганический материал, оксид металла, нитрид или карбид металла. Некоторые элементы, такие как углерод или кремний , можно считать керамикой. Керамические материалы хрупкие, твердые, прочные при сжатии и слабые при сдвиге и растяжении. Они выдерживают химическую эрозию, которая возникает в других материалах, подвергающихся воздействию кислой или едкой среды. Керамика обычно выдерживает очень высокие температуры: от 1000 до 1600 °C (от 1800 до 3000 °F).

Кристалличность . керамических материалов широко варьируется Чаще всего обожженная керамика бывает остеклованной или полустеклованной, как в случае с фаянсом, керамикой и фарфором. Различная кристалличность и электронный состав ионных и ковалентных связей делают большинство керамических материалов хорошими тепловыми и электрическими изоляторами (исследования в области керамической техники ). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава/структуры керамики (почти все элементы, почти все типы связей и все уровни кристалличности) широта темы огромна, и ее атрибуты можно идентифицировать ( твердость , ударная вязкость , электропроводность ) 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. ^[8] с известными исключениями из каждого из этих правил ( пьезоэлектрическая керамика , температура стеклования , сверхпроводящая керамика ).

Композиты, такие как стекловолокно и углеродное волокно , хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью семейства керамических материалов. ^[9]

Высокоориентированные кристаллические керамические материалы не поддаются широкому спектру обработки. Методы борьбы с ними, как правило, делятся на две категории: либо придание керамике желаемой формы путем реакции на месте , либо «придание» порошкам желаемой формы с последующим спеканием с образованием твердого тела. Методы формования керамики включают ручное формование (иногда включая процесс вращения, называемый «метанием»), шликерное литье , ленточное литье (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов), литье под давлением , сухое прессование и другие варианты.

Многие специалисты по керамике не считают керамикой материалы с аморфным (некристаллическим) характером (например, стекло), хотя производство стекла включает в себя несколько стадий керамического процесса и его механические свойства аналогичны свойствам керамических материалов. Однако термическая обработка может превратить стекло в полукристаллический материал, известный как стеклокерамика . ^[10]^[11]

Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит , тогда как более поздние материалы включают оксид алюминия, более известный как глинозем . Современные керамические материалы, которые относятся к современной керамике, включают карбид кремния и карбид вольфрама . Оба ценятся за свою стойкость к истиранию и поэтому используются в таких областях, как износостойкие пластины дробильного оборудования в горнодобывающей промышленности. Усовершенствованная керамика также используется в медицинской, электротехнической, электронной и броневой промышленности.

История [ править ]

Люди, судя по всему, изготавливали свою собственную керамику уже по меньшей мере 26 000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву для плавления и образования керамических материалов. Самые ранние найденные до сих пор были найдены на юге Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду. ^[12]Самая ранняя известная керамика была изготовлена путем смешивания продуктов животного происхождения с глиной и обжига при температуре до 800 °C (1500 °F). Хотя фрагменты керамики были найдены возрастом до 19 000 лет, обычная керамика стала обычным явлением только примерно 10 000 лет спустя. Первые люди, распространившиеся по большей части Европы, названы в честь использования ими керамики: культура шнуровой керамики . Эти ранние индоевропейские народы украшали свою керамику, обматывая ее еще влажной веревкой. При обжиге керамики веревка сгорала, но оставляла на поверхности декоративный узор из сложных борозд.

Изобретение круга в конечном итоге привело к производству более гладкой и ровной керамики с использованием техники формования (метания), такой как гончарный круг . Ранняя керамика была пористой и легко впитывала воду. Он стал полезен для большего количества предметов с открытием методов глазурования , которые включали покрытие керамики кремнием, костной золой или другими материалами, которые могли плавиться и превращаться в стекловидную поверхность, делая сосуд менее проницаемым для воды.

Археология [ править ]

Керамические артефакты играют важную роль в археологии для понимания культуры, технологий и поведения народов прошлого. Они являются одними из наиболее распространенных артефактов, которые можно найти на археологических раскопках, обычно в виде небольших фрагментов разбитой керамики, называемых черепками . Обработка собранных осколков может соответствовать двум основным типам анализа: техническому и традиционному.

Традиционный анализ включает сортировку керамических артефактов, черепков и более крупных фрагментов на определенные типы на основе стиля, состава, производства и морфологии. Создавая эти типологии, можно, среди прочего, различать различные культурные стили, назначение керамики и технологическое состояние людей. Кроме того, глядя на стилистические изменения керамики с течением времени, можно разделить (серийировать) керамику на отдельные диагностические группы (комплексы). Сопоставление керамических изделий с известными датированными комплексами позволяет установить хронологическую принадлежность этих изделий. ^[13]

Технический подход к анализу керамики предполагает более тщательное изучение состава керамических артефактов и черепков для определения источника материала и, следовательно, возможного места производства. Ключевыми критериями являются состав глины и закалка , используемая при изготовлении исследуемого изделия: закалка — это материал, добавляемый в глину на начальном этапе производства и используемый для облегчения последующего процесса сушки. Типы закалки включают куски ракушек , фрагменты гранита и измельченные кусочки черепков, называемые « грог ». Закалу обычно определяют путем микроскопического исследования закаленного материала. Идентификация глины определяется процессом повторного обжига керамики и присвоения ей цвета с использованием обозначения цвета почвы Munsell . Оценив составы глины и закалки и определив регион, где они, как известно, встречаются, можно определить источник материала. На основании определения источника артефакта могут быть проведены дальнейшие исследования места изготовления.

Свойства [ править ]

Физические свойства любого керамического вещества являются прямым результатом его кристаллической структуры и химического состава. Химия твердого тела обнаруживает фундаментальную связь между микроструктурой и свойствами, такими как локализованные изменения плотности, распределение зерен по размерам, тип пористости и содержание второй фазы, которые все можно коррелировать со свойствами керамики, такими как механическая прочность σ по шкале Холла. Уравнение Петча, твердость , ударная вязкость , диэлектрическая проницаемость и оптические свойства прозрачных материалов .

Керамография — это искусство и наука подготовки, исследования и оценки керамических микроструктур. Оценка и характеристика керамических микроструктур часто осуществляются в пространственных масштабах, аналогичных тем, которые обычно используются в развивающейся области нанотехнологий: от нанометров до десятков микрометров (мкм). Обычно это находится где-то между минимальной длиной волны видимого света и пределом разрешения невооруженного глаза.

Микроструктура включает в себя большинство зерен, вторичные фазы, границы зерен, поры, микротрещины, структурные дефекты и микровыемки твердости. На большинство объемных механических, оптических, тепловых, электрических и магнитных свойств существенно влияет наблюдаемая микроструктура. Метод изготовления и условия процесса обычно определяются микроструктурой. Основная причина многих поломок керамики очевидна в сколах и полировке микроструктуры. Физические свойства, составляющие область материаловедения и техники, включают следующее:

Механические свойства [ править ]

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 напряжений , и деформаций , в частности теории упругости и пластичности , к микроскопическим кристаллографическим дефектам обнаруженным в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое разрушение тел. Фрактография широко используется в механике разрушения для понимания причин отказов, а также для проверки теоретических прогнозов отказов с реальными отказами.

Керамические материалы обычно представляют собой материалы с ионной или ковалентной связью. Материал, скрепленный любым типом связи, будет иметь тенденцию разрушаться до того, как пластическая деформация произойдет , что приводит к плохой ударной вязкости этих материалов. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений , еще больше снижая ударную вязкость и снижая прочность на разрыв . В совокупности они приводят к катастрофическим разрушениям , в отличие от более пластичных разрушений металлов.

Эти материалы действительно демонстрируют пластическую деформацию . Однако из-за жесткой структуры кристаллического материала существует очень мало доступных систем скольжения, по которым дислокации могут двигаться, и поэтому они деформируются очень медленно.

Чтобы преодолеть хрупкое поведение, при разработке керамических материалов был введен класс композиционных материалов с керамической матрицей , в которые встроены керамические волокна, которые со специальным покрытием образуют волокнистые перемычки через любую трещину. Этот механизм существенно повышает вязкость разрушения такой керамики. Керамические дисковые тормоза являются примером использования композиционного материала с керамической матрицей, изготовленного по определенному процессу.

Ученые работают над разработкой керамических материалов, способных выдерживать значительные деформации, не разрушаясь. Первый такой материал, способный деформироваться при комнатной температуре, был найден в 2024 году. ^[14]

Ледяной шаблон для свойств улучшения механических

Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может подвергнуться процессу, называемому ледяным шаблоном , который позволяет в некоторой степени контролировать микроструктуру керамического продукта и, следовательно, в некоторой степени контролировать механические свойства. Инженеры-керамисты используют этот метод для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. В частности, прочность при использовании этой техники увеличивается . Ледяные шаблоны позволяют создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этого метода оксидного упрочнения важно для твердооксидных топливных элементов и устройств для фильтрации воды . ^[15]

Для обработки образца с помощью шаблонов льда готовят водную коллоидную суспензию , содержащую растворенный керамический порошок, равномерно диспергированный по всему коллоиду. ^{[ нужны разъяснения ]}например, диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). Затем раствор охлаждается снизу вверх на платформе, обеспечивающей однонаправленное охлаждение. Это заставляет кристаллы льда расти в соответствии с однонаправленным охлаждением, и эти кристаллы льда вытесняют растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания. ^{[ нужны разъяснения ]}межфазной границы твердое тело-жидкость, в результате чего кристаллы чистого льда выстраиваются в одном направлении рядом с концентрированными карманами коллоидных частиц. Затем образец нагревается, и в то же время давление снижается настолько, чтобы кристаллы льда возгонялись, а YSZ-карманы начинают отжигаться вместе, образуя макроскопически выровненные керамические микроструктуры. Затем образец подвергается дальнейшему спеканию для завершения испарения остаточной воды и окончательного закрепления керамической микроструктуры. ^{[ нужна цитата ]}

Во время создания ледяных шаблонов можно контролировать несколько переменных, чтобы влиять на размер пор и морфологию микроструктуры. Этими важными переменными являются начальная загрузка коллоида твердыми веществами, скорость охлаждения, температура и продолжительность спекания, а также использование определенных добавок, которые могут влиять на морфологию микроструктуры во время процесса. Хорошее понимание этих параметров необходимо для понимания взаимосвязи между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно-пористых материалов. ^[16]

Электрические свойства [ править ]

Полупроводники [ править ]

Некоторые керамики являются полупроводниками . Большинство из них представляют собой оксиды переходных металлов , которые относятся к полупроводникам II-VI, например, оксид цинка . Хотя существуют 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, обладающие свойством резкого падения сопротивления при определенном пороговом напряжении . Как только напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит пробой электрической структуры. ^{[ нужны разъяснения ]}вблизи границ зерен, в результате чего его электрическое сопротивление падает с нескольких МОм до нескольких сотен Ом . Их главное преимущество заключается в том, что они могут рассеивать много энергии и самовосстанавливаются; после того, как напряжение на устройстве упадет ниже порогового значения, его сопротивление снова станет высоким. Это делает их идеальными для защиты от перенапряжений ; поскольку существует контроль над пороговым напряжением и допуском по энергии, они находят применение во всех видах приложений. Наилучшую демонстрацию их возможностей можно найти на электрических подстанциях , где они используются для защиты инфраструктуры от ударов молний . Они имеют быстрый отклик, не требуют особого обслуживания и не подвергаются заметному износу в процессе использования, что делает их практически идеальными устройствами для этого применения. Полупроводниковая керамика также используется в качестве датчиков газа . При пропускании различных газов через поликристаллическую керамику изменяется ее электрическое сопротивление. При настройке на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.

Сверхпроводимость [ править ]

В некоторых условиях, например при чрезвычайно низких температурах, некоторые керамики проявляют высокотемпературную сверхпроводимость (в сверхпроводимости «высокая температура» означает температуру выше 30 К). Причина этого неизвестна, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Сегнетоэлектричество и суперсеты [ править ]

Пьезоэлектричество , связующее звено между электрическим и механическим откликом, проявляется во многих керамических материалах, включая кварц, используемый для измерения времени в часах и другой электронике. Такие устройства используют оба свойства пьезоэлектриков: используют электричество для создания механического движения (питания устройства), а затем используют это механическое движение для производства электричества (генерации сигнала). Единицей измерения времени является 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 можно использовать для взаимного преобразования тепловой, механической или электрической энергии; например, после синтеза в печи пироэлектрический кристалл, которому позволили остыть без приложенного напряжения, обычно накапливает статический заряд в тысячи вольт. Такие материалы используются в датчиках движения , где малейшего повышения температуры от теплого тела, входящего в комнату, достаточно, чтобы создать измеримое напряжение в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее сильно проявляется в материалах, которые также проявляют сегнетоэлектрический эффект , в котором стабильный электрический диполь можно ориентировать или переворачивать, применяя электростатическое поле. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в сегнетоэлектрических конденсаторах , элементах сегнетоэлектрической оперативной памяти .

Наиболее распространенными такими материалами являются цирконат-титанат свинца и титанат бария . Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется при разработке высокочастотных громкоговорителей , преобразователей для гидролокаторов и приводов для атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов .

термический коэффициент Положительный

Повышение температуры может привести к тому, что границы зерен внезапно станут изолирующими в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях тяжелых металлов титанатов . Критическая температура перехода может регулироваться в широком диапазоне за счет изменения химического состава. В таких материалах ток будет проходить через материал до тех пор, пока джоулевый нагрев не доведет его до температуры перехода, после чего цепь разорвется и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, например, в контурах обогрева заднего стекла автомобилей.

отклик материала При температуре перехода диэлектрический теоретически становится бесконечным. Хотя 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 температуры стали синонимом слова «керамика» в контексте керамических конденсаторов.

Оптические свойства [ править ]

Cermax Ксеноновая дуговая лампа с из синтетического сапфира выходным окном

Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на входящие световые волны определенного диапазона длин волн. Частотно-избирательные оптические фильтры можно использовать для изменения или повышения яркости и контрастности цифрового изображения. Направленная передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стеклянных композиций выступать в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с небольшими помехами или без них между конкурирующими длинами волн или частотами. Этот резонансный режим передачи энергии и данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн , хотя и маломощный, практически без потерь. Оптические волноводы используются в качестве компонентов интегральных оптических схем (например, светодиодов , светодиодов) или в качестве среды передачи в системах местной и дальней оптической связи . Также ценность для начинающих материаловедов представляет чувствительность материалов к радиации в тепловых режимах. инфракрасная (ИК) часть электромагнитного спектра . Эта способность искать тепло отвечает за такие разнообразные оптические явления, как ночное видение и ИК- люминесценция .

секторе растет потребность Таким образом, в военном в высокопрочных и надежных материалах, способных передавать свет ( электромагнитные волны ) в видимом (0,4–0,7 микрометра) и средне- инфракрасном (1–5 микрометров) диапазонах. спектр. Эти материалы необходимы для применений, требующих прозрачной брони, включая высокоскоростные ракеты и контейнеры нового поколения, а также для защиты от самодельных взрывных устройств (СВУ).

В 1960-х годах ученые из General Electric (GE) обнаружили, что при правильных условиях производства некоторые виды керамики, особенно оксид алюминия (глинозем), можно сделать полупрозрачными . Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для сдерживания электрической плазмы , генерируемой в высокого давления натриевых уличных фонарях . За последние два десятилетия были разработаны дополнительные типы прозрачной керамики для таких применений, как носовые обтекатели с тепловым наведением ракет , окна для истребителей и сцинтилляционные счетчики для сканеров компьютерной томографии . Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты состава, чем указанные выше, включают формы нескольких химических соединений, в том числе:

Титанат бария : (часто смешивается с титанатом стронция ) проявляет сегнетоэлектричество , что означает, что его механические, электрические и термические реакции являются c
Сиалон (оксинитрид кремния-алюминия) обладает высокой прочностью; устойчивость к термическому удару, химическая и износостойкость, низкая плотность. Эта керамика используется при работе с расплавленными цветными металлами, приварными штифтами и в химической промышленности.
Карбид кремния (SiC) используется в качестве токоприемника в микроволновых печах, широко используемого абразива и в качестве огнеупорного материала .
Нитрид кремния (Si ₃ N ₄ ) используется в качестве абразивного порошка.
Стеатит (силикаты магния) используется в качестве электрического изолятора .
Карбид титана. Используется в щитах для входа в атмосферу космических кораблей и в часах, устойчивых к царапинам.
Оксид урана ( U O ₂ ), используемый в качестве топлива в ядерных реакторах .
Оксид иттрия-бария-меди (Y Ba ₂ Cu ₃ O _7-x ), высокотемпературный сверхпроводник .
Оксид цинка ( Zn O), который является полупроводником и используется в конструкции варисторов .
Диоксид циркония (диоксид циркония), который в чистом виде претерпевает множество фазовых изменений между комнатной температурой и практическими температурами спекания , может быть химически «стабилизирован» в нескольких различных формах. Его высокая проводимость ионов кислорода позволяет использовать его в топливных элементах и автомобильных кислородных датчиках . В другом варианте метастабильные структуры могут придавать трансформационную прочность механическим применениям; большинство лезвий керамических ножей изготовлены из этого материала. Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) гораздо менее хрупкий, чем другая керамика, и используется для изготовления инструментов для обработки металла, клапанов и вкладышей, абразивных растворов, кухонных ножей и подшипников, подверженных сильному истиранию. ^[17]

Продукты [ править ]

По использованию [ править ]

Для удобства керамические изделия принято разделять на четыре основных вида; они показаны ниже с некоторыми примерами: ^[18]

Конструктивные элементы, включая кирпичи , трубы , для пола и крыши. черепицу
Огнеупорные материалы , такие как футеровка печей , газовые излучатели, тигли для производства стали и стекла.
Белая посуда, включая столовую посуду , кухонную утварь, настенную плитку, керамические изделия и сантехнику. ^[19]
Техническая, также известная как инженерная, современная, специальная и тонкая керамика. К таким предметам относятся:
- газовой горелки форсунки
- баллистическая защита , броня автомобиля
- ядерное топливо, таблетки оксида урана
- биомедицинские имплантаты
- покрытия реактивных двигателей турбин лопаток
- из композита с керамической матрицей Детали газовой турбины
- усиленные углеродно-углеродно- керамические дисковые тормоза
- ракет носовые обтекатели
- подшипники
- плитки, используемые в программе «Спейс шаттл»