Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Эта статья о материальных свойствах керамики. Для использования в других целях, см Керамика (значения) .
Краткая хронология керамики в разных стилях

Керамика представляет собой любая из различных твердых, хрупкого, жаропрочных и коррозионно-стойких материалов , изготовленного путем формования и затем обжига неметаллического минерала, такие как глина, при высокой температуре. [1] [2] Распространенными примерами являются фаянс , фарфор и кирпич .

Кристалличности керамических материалов находятся в диапазон от высоко ориентированных на полукристаллический, остеклованный , и часто полностью аморфные ( стекла ). Чаще всего, обожженная керамика либо стеклообразная или пол-остеклованный , как в случае с глиняным, керамикой и фарфором. Различная кристалличность и электронный состав в ионных и ковалентных связях делают большинство керамических материалов хорошими тепло- и электрическими изоляторами (исследования в керамической инженерии). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава / структуры керамики (почти все элементы, почти все типы связи и все уровни кристалличности) широта предмета обширна и идентифицируемые атрибуты ( твердость , вязкость , электропроводность ) сложно 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, [3] с известными исключениями к каждому из этих правил ( пьезоэлектрической керамикой , стеклование температурой, сверхпроводящие керамиками). Многие композиты, такие как стекловолокно и углеродное волокно , хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью семейства керамических. [4]

Самая ранняя керамика, изготовленная людьми, представляла собой керамические изделия ( горшки или сосуды ) или фигурки, сделанные из глины , либо сами по себе, либо в смеси с другими материалами, такими как кремнезем , затвердевшие и спеченные в огне. Позже керамику глазуровали и обжигали для создания гладких окрашенных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стекловидных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек. [5] Керамика теперь включает в себя предметы домашнего обихода, промышленности и строительства, а также широкий спектр керамических изделий.. В 20 веке были разработаны новые керамические материалы для использования в передовой керамической технике, например, в полупроводниках .

Слово « керамика » происходит от греческого слова κεραμικός ( keramikos ), «гончарный» или «гончарный» , [6] от κέραμος ( keramos ), «гончарная глина, черепица, керамика» . [7] Самое раннее известное упоминание о корне «ceram-» - это микенское греческое слово ke-ra-me-we , керамика, написанное слоговым письмом Linear B. [8] Слово «керамический»может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или как существительное в единственном числе или, чаще, как существительное во множественном числе «керамика». [9]

Материалы [ править ]

СЭМ-микрофотография с низким увеличением современного керамического материала. Свойства керамики делают разрушение важным методом контроля.

Керамический материал - это неорганический, неметаллический, часто кристаллический оксид, нитрид или карбид. Некоторые элементы, например углерод или кремний , можно считать керамикой. Керамические материалы хрупкие, твердые, сильные на сжатие и слабые на сдвиг и растяжение. 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 считают 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 применения, как износостойкие пластины дробильного оборудования при горных работах. Современная керамика также используется в медицине, электротехнике, электронной промышленности и бронежилетах.

Кристаллическая керамика [ править ]

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 «придания» порошкам желаемой формы с последующим спеканием с образованием твердого тела. Керамические технологии формования включают в себя формирование вручную (иногда в том числе процесс вращения под названием «бросать»), литье скольжения , литье ленты (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов), литье под давлением , сухого прессования, а также другие варианты.

Некристаллическая керамика [ править ]

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 как стеклокомпозитный материал для захоронения ядерных отходов.

История [ править ]

Похоже, что люди производили керамику в течение как минимум 26000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву, чтобы сплавиться и сформировать керамические материалы. Самые ранние найденные до сих пор были в южной части Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду. [10] Самая ранняя известная керамика была сделана 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 индоевропейскиенароды украшали свою керамику, обматывая ее веревкой, пока она была еще влажной. При обжиге керамики веревка сгорела, но на поверхности остался орнамент из сложных бороздок.

Культура шнуровой керамики 2500 г. до н.э.

Изобретение круга в конечном итоге привело к производству более гладких и ровных керамических изделий с использованием техники формования круга, такой как гончарный круг . Ранняя керамика была пористой и легко впитывала воду. Он стал полезен для большего количества предметов с открытием методов глазирования , покрытия керамики силиконом, костяной золой или другими материалами, которые могут плавиться и превращаться в стеклянную 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 будут найдены на месте археологических раскопок, как правило , в виде небольших фрагментов сломанных глиняных называются черепки . Обработка собранных осколков может быть согласована с двумя основными типами анализа: техническим и традиционным.

Традиционный анализ включает в себя сортировку керамических артефактов, черепков и более крупных фрагментов по конкретным типам на основе стиля, состава, производства и морфологии. Создавая эти типологии, можно среди других выводов различать различные культурные стили, назначение керамики и технологическое состояние людей. 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 собраниями позволяет определить хронологическое положение этих предметов. [11]

Технический подход к анализу керамики включает более тонкое исследование состава керамических артефактов и осколков для определения источника материала и, следовательно, возможного производственного участка. Ключевые критерии - состав глины и темперамент.Используется при производстве исследуемого изделия: закалка - это материал, добавляемый в глину на начальном этапе производства, и он используется для облегчения последующего процесса сушки. Типы закалки включают осколки раковин, осколки гранита и измельченные осколки, называемые «грог». Характер обычно определяется путем микроскопического исследования 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.

Свойства [ править ]

Физические свойства любого керамического вещества являются прямым результатом его кристаллической структуры и химического состава. Химия твердого тела выявляет фундаментальную связь между микроструктурой и свойствами, такими как локальные вариации плотности, гранулометрический состав, тип пористости и содержание второй фазы, которые все могут быть коррелированы с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ по шкале Холла. Уравнение Петча, твердость , вязкость , диэлектрическая проницаемость и оптические свойства прозрачных материалов .

Керамография - это искусство и наука приготовления, исследования и оценки микроструктур керамики. Оценка и определение характеристик керамических микроструктур часто осуществляются в пространственных масштабах, аналогичных тем, которые обычно используются в новой 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:

Механические свойства [ править ]

Отрезные 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. Это относится и к физике в стрессе и напряжения , в частности, теория упругости и пластичности , в микроскопических кристаллографические дефекты нашла в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое повреждение органов. Фрактография широко используется с механикой разрушения , чтобы понять причины неудач , а также проверить теоретическую недостаточность предсказания с реальными неудачами.

Керамические материалы обычно представляют собой материалы с ионной или ковалентной связью и могут быть кристаллическими или аморфными . Материал, удерживаемый любым типом связи, будет иметь тенденцию к разрушению до того, как произойдет пластическая деформация , что приведет к плохой ударной вязкости этих материалов. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений , дополнительно уменьшая ударную вязкость и уменьшая предел прочности . В совокупности они приводят к катастрофическим отказам в отличие от более пластичныхрежимы разрушения металлов.

Эти материалы действительно демонстрируют пластическую деформацию . Однако из-за жесткой структуры кристаллических материалов существует очень мало доступных систем скольжения для перемещения дислокаций , поэтому они деформируются очень медленно. В случае некристаллических (стеклообразных) материалов вязкое течение является основным источником пластической деформации, а также очень медленным. Поэтому во многих областях применения керамических материалов ей 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 волокнистые перемычки через любую трещину. Этот механизм существенно увеличивает трещиностойкость такой керамики. Керамические дисковые тормоза являются примером использования композитного материала с керамической матрицей, изготовленного с помощью специального процесса.

Ice-templating для улучшения механических свойств [ править ]

Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может подвергаться процессу, называемому льдом , который позволяет в некоторой степени контролировать микроструктуру керамического изделия и, следовательно, в некоторой степени контролировать механические свойства. Инженеры-керамики используют этот метод для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. В частности, сила увеличивается при использовании этой техники. Ice templating позволяет создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этого метода оксидного упрочнения важно для твердооксидных топливных элементов и устройств для фильтрации воды . [ требуется разъяснение ] [цитата необходима ]

Чтобы обработать образец посредством ледяной матрицы, готовят водную коллоидную суспензию , содержащую растворенный керамический порошок, равномерно диспергированный в коллоиде, [ требуется разъяснение ], например, диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). Затем раствор охлаждают снизу вверх на платформе, которая обеспечивает однонаправленное охлаждение. Это заставляет ледкристаллы должны расти в соответствии с однонаправленным охлаждением, и эти кристаллы льда вынуждают растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания на межфазной границе твердое тело-жидкость, в результате чего чистые кристаллы льда выстраиваются в однонаправленном направлении рядом с концентрированными карманами коллоидных частиц. Затем образец одновременно нагревают, и давление снижается достаточно, чтобы заставить кристаллы льда сублимироваться, и карманы YSZ начинают отжигаться вместе, образуя макроскопически выровненные керамические микроструктуры. Затем образец спекается для завершения испарения остаточной воды и окончательного отверждения керамической микроструктуры. [ необходима цитата ]

Во время формирования льда можно контролировать несколько переменных, влияющих 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 необходимо для понимания взаимосвязей между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно пористых материалов. [12]

Электрические свойства [ править ]

Полупроводники [ править ]

Некоторые керамические материалы являются полупроводниками . Большинство из них представляют собой 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 показывают 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 . Когда напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит пробой электрической структуры вблизи границ зерен, что приводит к ее электрическому сопротивлению.падение с нескольких МОм до нескольких сотен Ом . Основным преимуществом этого является то, что они могут рассеивать много энергии, и они самовосстанавливаются; после того, как напряжение на устройстве упадет ниже порогового значения, его сопротивление снова станет высоким. Это делает их идеальными для приложений защиты от перенапряжения ; поскольку есть контроль над пороговым напряжением и допустимым отклонением энергии, они находят применение во всех видах приложений. Лучше всего они демонстрируют свои способности на электрических подстанциях , где они используются для защиты инфраструктуры от молнии.удары. Они быстро реагируют, не требуют особого обслуживания и практически не выходят из строя, что делает их практически идеальными устройствами для этого приложения. Полупроводниковая керамика также используется в качестве газовых сенсоров . Когда через поликристаллическую керамику пропускают различные газы, ее электрическое сопротивление изменяется. При настройке на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.

Сверхпроводимость [ править ]

Эффект Мейснера демонстрируется при левитации магнита над купратным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом.

При определенных условиях, например при чрезвычайно низкой температуре, некоторые керамические изделия проявляют высокотемпературную сверхпроводимость . [ требуется пояснение ] Причина этого не выяснена, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Сегнетоэлектричество и суперсеты [ править ]

Пьезоэлектричество , связь между электрическим и механическим откликом, проявляется в большом количестве керамических материалов, включая кварц, используемый для измерения времени в часах и другой электронике. 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, чтобы создать измеримое напряжение в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее ярко проявляется в материалах, которые также демонстрируют сегнетоэлектрический эффект , в которых стабильный электрический диполь может быть ориентирован или перевернут путем приложения электростатического поля. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в сегнетоэлектрических конденсаторах , элементах сегнетоэлектрического RAM .

Наиболее распространенными такими материалами являются титанат цирконата свинца и титанат бария . Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется в конструкции высокочастотных громкоговорителей , преобразователей для гидролокатора и исполнительных механизмов для атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов .

Положительный тепловой коэффициент [ править ]

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

Повышение температуры может вызвать внезапное превращение границ зерен в изолирующие в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях титанатов тяжелых металлов . Критическую температуру перехода можно регулировать в широком диапазоне в зависимости от химического состава. В таких материалах ток будет проходить через материал, пока джоулевое нагревание не доведет его до температуры перехода, после чего цепь будет разорвана и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулируемых нагревательных элементов, например, в схемах оттаивания задних окон автомобилей.

При температуре перехода диэлектрический отклик материала теоретически становится бесконечным. В то время как отсутствие контроля температуры исключает любое практическое использование материала вблизи его 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.

Оптические свойства [ править ]

Ксеноновая дуговая лампа Cermax с выходным окном из синтетического сапфира

Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на падающие световые волны в диапазоне длин волн. Частотно-селективные оптические фильтры могут использоваться для изменения или увеличения яркости и контрастности цифрового изображения. Управляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стекловидных композиций в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с минимальными интерференциями между конкурирующими длинами волн или частотами или без них. Этот резонансный режим в энергиии передача данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн , хотя и маломощна, практически без потерь. Оптические волноводы используются как компоненты в интегральных оптических схемах (например, светоизлучающие диоды , светодиоды) или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах 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 военном секторе растет потребность в высокопрочных, надежных материалах, способных передавать свет ( электромагнитные волны ) в видимой (0,4–0,7 мкм) и средней инфракрасной (1–5 мкм) областях спектра. спектр. Эти материалы необходимы для применений, требующих прозрачной брони, в том числе для высокоскоростных ракет и контейнеров нового поколения , а также для защиты от самодельных взрывных устройств (СВУ).

В 1960-х годах ученые General Electric (GE) обнаружили, что при правильных производственных условиях некоторые керамические материалы, особенно оксид алюминия (глинозем), могут быть полупрозрачными . Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для сдерживания электрической плазмы, генерируемой в натриевых уличных фонарях высокого давления . В течение последних двух десятилетий, дополнительные типы прозрачной керамики были разработаны для таких применений, как нос конусов для тепловых луча ракет , окна для истребителей самолетов и сцинтилляционных счетчики для вычисляемых томографии 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.

По сути, это эффект размера частиц . Непрозрачность возникает из-за 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 формировании поликристаллических материалов ( металлов и керамики) размер кристаллических зерен в значительной степени определяется размером кристаллических частиц, присутствующих 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 длина волны от видимого света (\ 0,5 мкм для коротковолновых фиолетового) устраняет любой свет рассеяния , в результате прозрачного материала.

Недавно [ когда? ] , Японские ученые разработали методы производства керамических деталей, которые по прозрачности не уступают традиционным кристаллам (выращенным из одного кристалла) и превышают вязкость разрушения монокристалла. [ необходима цитата ] В частности, ученые японской фирмы Konoshima Ltd., производителя керамических строительных материалов и промышленных химикатов, искали рынки для своей прозрачной керамики.

Исследователи из Ливермора 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). [ Требуется цитата ] [13] Ливерморские исследователи также тестировали применение этих материалов для таких приложений, как усовершенствованные драйверы для термоядерных электростанций с лазерным приводом .

Примеры [ править ]

Изолятор высоковольтный фарфоровый
Карбид кремния используется для изготовления внутренних пластин бронежилетов.
Керамический тигель БН

Композитный материал из керамики и металла известен как металлокерамики .

Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты по сравнению с приведенными выше, включают формы нескольких химических соединений, в том числе:

  1. Титанат бария : (часто смешанный с титанатом стронция ) проявляет сегнетоэлектричество , что означает, что его механические, электрические и тепловые характеристики связаны друг с другом и также зависят от истории. Он широко используется в электромеханических преобразователях , керамических конденсаторах и элементах хранения данных . Граничные условия зерна могут создавать эффекты PTC в нагревательных элементах .
  2. Висмут стронция кальций оксид меди , высокотемпературный сверхпроводник
  3. Оксид бора используется в бронежилетах.
  4. Нитрид бора структурно изоэлектронен углероду и принимает аналогичные физические формы: графитоподобный, используемый в качестве смазки , и алмазоподобный, используемый в качестве абразива.
  5. Фаянс используется для изготовления домашней посуды, например, тарелок и кружек.
  6. Феррит используется в магнитных сердечниках электрических трансформаторов и памяти магнитных сердечников .
  7. Цирконат - титанат свинца (ЦТС) был разработан в США Национального бюро стандартов в 1954 г. PZT используетсякачестве ультразвукового преобразователя ,как его пьезоэлектрические свойства значительно превышают те из сегнетовой соли . [14]
  8. Диборид магния ( Mg B 2 ) - нетрадиционный сверхпроводник .
  9. Фарфор используется для изготовления широкого спектра бытовых и промышленных товаров.
  10. Сиалон ( кремний-оксинитрид алюминия ) обладает высокой прочностью; устойчивость к тепловому удару, химическая и износостойкость, а также низкая плотность. Эта керамика используется при транспортировке расплавленных металлов, сварных штифтов и в химической промышленности.
  11. Карбид кремния (SiC) , используетсякачестве токоприемника в микроволновых печах, широко используемого абразивного материала, акачестве огнеупорного материала.
  12. Нитрид кремния (Si 3 N 4 ) используется в качестве абразивного порошка.
  13. Стеатит (силикаты магния) используется в качестве электроизолятора .
  14. Карбид титана Используется в щитках для посадки космических челноков и часах, устойчивых к царапинам.
  15. Оксид урана ( U O 2 ) , используемый в качестве топлива в ядерных реакторах .
  16. Оксид иттрия-бария-меди (Y Ba 2 Cu 3 O 7 − x ) , еще один высокотемпературный сверхпроводник .
  17. Оксид цинка ( Zn O) , который является полупроводником , используется в конструкции варисторов .
  18. Диоксид циркония (диоксид циркония) , который в чистом виде претерпевает множество фазовых превращений между комнатной температурой и практическимитемпературами спекания , может быть химически «стабилизирован» в нескольких различных формах. Его высокая проводимость поионам кислорода позволяет использовать его в топливных элементах и автомобильных датчиках кислорода . В другом варианте метастабильные структуры могут придавать трансформационное упрочнение для механических приложений; самый керамический ножлезвия сделаны из этого материала. Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) намного менее хрупкий, чем другая керамика, и используется для обработки металлов давлением, клапанов и футеровок, абразивных суспензий, кухонных ножей и подшипников, подверженных сильному истиранию. [15]
Кухонный нож с керамическим лезвием

Продукты [ править ]

По использованию [ править ]

Для удобства керамические изделия принято делить на четыре основных типа; они показаны ниже с некоторыми примерами:

  1. Конструкционные, включая кирпичи , трубы , напольную и кровельную черепицу
  2. Огнеупоры , такие как футеровка печей , газовые обогреватели, тигли для производства стали и стекла
  3. Белая посуда , в том числе столовая , кухонная, настенная плитка, керамические изделия и сантехника [16]
  4. Техническая, также известная как инженерная, передовая, специальная и тонкая керамика. К таким предметам относятся:
    1. форсунки газовых горелок
    2. баллистическая защита , броня автомобиля
    3. таблетки оксида урана для ядерного топлива
    4. биомедицинские имплантаты
    5. покрытия лопаток турбин реактивных двигателей
    6. Композитные детали для газовых турбин с керамической матрицей
    7. Усиленные углеродно- керамические дисковые тормоза
    8. носовые обтекатели ракет
    9. подшипник (механический)
    10. плитки, используемые в программе Space Shuttle

Керамика из глины [ править ]

Основная статья: Керамика

Часто сырье современной керамики не включает глины. [17] Те, кто это делает, классифицируются следующим образом:

  1. Глиняная посуда , обожженная при более низких температурах, чем другие виды
  2. Керамика , стекловидное или полустекловидное тело
  3. Фарфор с высоким содержанием каолина
  4. Костяной фарфор

Классификация [ править ]

Керамику также можно разделить на три категории материалов:

  1. Оксиды : глинозем , бериллий , оксид церия , диоксид циркония
  2. Неоксиды: карбид , борид , нитрид , силицид
  3. Композитные материалы : армированные частицами, армированные волокном , комбинации оксидов и неоксидов.

Каждый из этих классов можно развить в уникальные свойства материала, потому что керамика имеет тенденцию быть кристаллической.

Приложения [ править ]

  1. Лезвия ножа: лезвие керамического ножа будет оставаться острым намного дольше, чем лезвие стального ножа, хотя оно более хрупкое и подвержено поломкам.
  2. Карбон-керамические тормозные диски: для автомобилей устойчивы к выгоранию тормозов при высоких температурах.
  3. «Усовершенствованные композитные керамические и металлические матрицы» были разработаны для большинства современных боевых бронированных машин, поскольку они обладают превосходной пробивной стойкостью к кумулятивным зарядам ( кумулятивные снаряды) и проникающим элементам с кинетической энергией .
  4. «Керамика, такая как оксид алюминия и карбид бора » использовалась в баллистических бронежилетах для отражения высокоскоростного ружейного огня. Такие пластины широко известны как защитные вставки для стрелкового оружия или SAPI. Подобный материал используется для защиты кабины некоторых военных самолетов из-за небольшого веса материала.
  5. Керамику можно использовать вместо стали для шарикоподшипников . Их более высокая твердость означает, что они гораздо менее подвержены износу и обычно служат в три раза дольше, чем стальная деталь. Они также меньше деформируются под нагрузкой, а это означает, что они меньше контактируют с опорными стенками подшипника и могут катиться быстрее. В высокоскоростных приложениях тепло от трения во время прокатки может вызвать проблемы для металлических подшипников, которые уменьшаются за счет использования керамики. Керамика также более химически стойкая и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники могут ржаветь. В некоторых случаях их электроизоляционные свойства также могут быть полезны для подшипников. Два недостатка керамических подшипников - это значительно более высокая стоимость и возможность повреждения при ударных нагрузках.
  6. В начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического двигателя с использованием керамических компонентов в области горячего газа. Керамика допускала температуру выше 1650 ° C. Ожидаемыми преимуществами были бы более легкие материалы и меньшая система охлаждения (или отсутствие необходимости в ней вообще), что привело бы к значительному снижению веса. Ожидаемое повышение топливной экономичности двигателя (вызванное более высокой температурой, как показано теоремой Карно ) не могло быть подтверждено экспериментально; Было обнаружено, что теплопередача на горячих керамических стенках цилиндра была выше, чем на более холодную металлическую стенку, поскольку более холодная газовая пленка на металлической поверхности работает как теплоизолятор.. Таким образом, несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не были успешными в производстве из-за стоимости керамических компонентов и ограниченных преимуществ. (Небольшие дефекты керамического материала с его низкой вязкостью разрушения приводят к трещинам, которые могут привести к потенциально опасному отказу оборудования.) Такие двигатели возможны в лабораторных условиях, но массовое производство невозможно при существующих технологиях. [ необходима цитата ]
  7. Ведутся работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей . В настоящее время даже лопатки из современных металлических сплавов, используемые в горячей части двигателей, требуют охлаждения и тщательного ограничения рабочих температур. Турбинные двигатели, сделанные из керамики, могли работать более эффективно, давая самолету большую дальность полета и полезную нагрузку при определенном количестве топлива.
  8. Недавние успехи были достигнуты в керамике, включая биокерамику , такую ​​как зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит , природный минеральный компонент кости, был получен синтетическим путем из нескольких биологических и химических источников и может быть преобразован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, покрытые этими материалами, легко прикрепляются к костям и другим тканям тела без отторжения или воспалительных реакций, поэтому представляют большой интерес для доставки генов и тканевой инженерии.строительные леса. Большинство гидроксиапатитовой керамики очень пористые и не обладают механической прочностью и используются для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы способствовать образованию связи с костью или в качестве наполнителей кости. Они также используются в качестве наполнителя для ортопедических пластиковых винтов, помогая уменьшить воспаление и увеличить абсорбцию этих пластиковых материалов. Ведутся работы по созданию прочных, полностью плотных нанокристаллических гидроксиапатитовых керамических материалов для ортопедических устройств, несущих нагрузку, с заменой инородных металлических и пластиковых ортопедических материалов синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном счете, эти керамические материалы могут использоваться в качестве заменителей костей или с добавлением белковых коллагенов , синтетических костей.
  9. Долговечные керамические материалы, содержащие актиниды, находят множество применений, например, в ядерном топливе для сжигания избыточного плутония и в химически инертных источниках альфа-излучения для питания беспилотных космических аппаратов или для производства электроэнергии для микроэлектронных устройств. И использование, и удаление радиоактивных актинидов требует их иммобилизации в прочном материале-хозяине. Долгоживущие радионуклиды ядерных отходов, такие как актиниды, иммобилизуются с использованием химически стойких кристаллических материалов на основе поликристаллической керамики и крупных монокристаллов. [18]
  10. Высокотехнологичная керамика используется в часовом производстве для изготовления корпусов часов. Этот материал ценится часовщиками за его легкий вес, устойчивость к царапинам, долговечность и гладкость на ощупь. IWC - один из брендов, положивших начало использованию керамики в часовом производстве. [19]

См. Также [ править ]

  • Керамическая химия
  • Керамическая инженерия  - наука и технология создания объектов из неорганических неметаллических материалов.
  • Керамическая наночастица
  • Композит с керамической матрицей
  • Керамическое искусство  - декоративные предметы, сделанные из глины и другого сырья в гончарном процессе.
  • Керамика перелом

Ссылки [ править ]

  1. ^ Хейман, Роберт Б. (16 апреля 2010). Классическая и продвинутая керамика: от основ до приложений, предисловие . ISBN 9783527630189.
  2. ^ "бесплатный словарь" .
  3. ^ Черный, JT; Козер, Р.А. (2012). Материалы и процессы DeGarmo в производстве . Вайли. п. 226. ISBN. 978-0-470-92467-9.
  4. ^ Картер, CB; Нортон, MG (2007). Керамические материалы: Наука и техника . Springer. стр. 3 и 4. ISBN 978-0-387-46271-4.
  5. ^ Картер, CB; Нортон, MG (2007). Керамические материалы: Наука и техника . Springer. стр. 20 и 21. ISBN 978-0-387-46271-4.
  6. ^ κεραμικός , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , в цифровой библиотеке Персея
  7. ^ κέραμος , Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон , в цифровой библиотеке Персея
  8. ^ Палеолексикон , инструмент изучения слов древних языков
  9. ^ "керамический" . Оксфордский словарь английского языка (Интернет-изд.). Издательство Оксфордского университета. (Требуется подписка или членство в учреждении-участнике .)
  10. ^ История керамики - Вашингтонский университет
  11. ^ Mississippi Valley Археологический центр, керамический анализ архивации 3 июня 2012, в Wayback Machine , Источник 04-11-12
  12. ^ Seuba, Jordi, Сильвен Deville, Кристиан Guizard и Адам Дж Стивенсон (14 апреля 2016). «Механические свойства и поведение разрушения однонаправленной пористой керамики». Научные отчеты , т. 6, статья № 24326. Проверено 9 октября 2019 года.
  13. ^ Хеллер, Арни (апрель 2006 г.). «Гибкое определение напряжения» (PDF) . Обзор науки и технологий .
  14. ^ Вахтман, Джон Б., младший (редактор) (1999) Керамические инновации в 20-м веке , Американское керамическое общество. ISBN 978-1-57498-093-6 . 
  15. ^ Гарви, RC; Hannink, RH; Паско, RT (1975). «Керамическая сталь?». Природа . 258 (5537): 703–704. Bibcode : 1975Natur.258..703G . DOI : 10.1038 / 258703a0 . S2CID 4189416 . 
  16. ^ "Whiteware Pottery" . Encyclopdia Britannica . Проверено 30 июня 2015 года .
  17. ^ Гейгер, Грег. Введение в керамику , Американское керамическое общество
  18. ^ BE Бураков, MI Ojovan, WE Ли (июль 2010). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов . Материалы для инженерии. 1 . Imperial College Press. DOI : 10,1142 / p652 . ISBN 978-1-84816-418-5.CS1 maint: использует параметр авторов ( ссылка )
  19. ^ «Объяснение материалов корпуса часов: керамика» . aBlogtoWatch . 18 апреля 2012 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Гай, Джон (1986). Гай, Джон (ред.). Восточная торговая керамика в Юго-Восточной Азии, девятый-шестнадцатый века: с каталогом китайских, вьетнамских и тайских изделий в австралийских коллекциях (иллюстрированный, переработанный ред.). Издательство Оксфордского университета. ISBN 9780195825930. Проверено 24 апреля 2014 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Долни Вестонице Венера - старейшая известная Керамическая статуэтка обнаженной женской фигуры, датируемая 29 000 - 25 000 лет до н.э. (Gravettian industry. Чешская Республика
  • Музей Гардинера - единственный музей в Канаде, полностью посвященный керамике.
  • Введение, научные принципы, свойства и обработка керамики
  • Современная керамика - эволюция, классификация, свойства, производство, обжиг, отделка и дизайн современной керамики
  • Cerame-Unie, aisbl - Европейская ассоциация керамической промышленности