Керамическая инженерия

Моделирование внешней части космического корабля "Шаттл", когда он нагревается до более чем 1500 ° C (2730 ° F) во время повторного входа в атмосферу Земли.

Детали подшипников из 100% нитрида кремния Si ₃ N ₄

Керамический нож для хлеба

Керамическая инженерия - это наука и технология создания предметов из неорганических неметаллических материалов. Это достигается либо действием тепла, либо при более низких температурах с использованием реакций осаждения из химических растворов высокой чистоты. Этот термин включает очистку сырья, изучение и производство соответствующих химических соединений, их превращение в компоненты и изучение их структуры, состава и свойств.

Керамические материалы могут иметь кристаллическую или частично кристаллическую структуру с дальним порядком на атомном уровне. Стеклокерамика может иметь аморфную или стеклообразную структуру с ограниченным или ближним атомным порядком. Они либо образуются из расплавленной массы, которая затвердевает при охлаждении, формируется и созревает под действием тепла, либо синтезируется химическим путем при низких температурах с использованием, например, гидротермального или золь-гелевого синтеза.

Особый характер керамических материалов дает повод для множества применений в материаловедении , электротехнике , химической инженерии и машиностроении . Поскольку керамика термостойкая, ее можно использовать для многих задач, для которых такие материалы, как металл и полимеры, не подходят. Керамические материалы используются в широком спектре отраслей, включая горнодобывающую, аэрокосмическую, медицинскую, нефтеперерабатывающую, пищевую и химическую промышленность, упаковочную промышленность, электронику, промышленное производство и передачу электроэнергии, а также управляемую передачу световых волн. ^[1]

История [ править ]

Слово « керамика » происходит от греческого слова κεραμικός ( keramikos ), что означает керамика . Это связано с древним корнем индоевропейского языка «сжигать». ^[2] «Керамика» может использоваться как существительное в единственном числе для обозначения керамического материала или продукта керамического производства или как прилагательное. Керамика - это изготовление вещей из керамических материалов. Керамическая инженерия, как и многие другие науки, по сегодняшним меркам возникла из другой дисциплины. Инженерия материаловедения и по сей день объединяется с инженерией керамики. ^{[ необходима цитата ]}

Авраам Дарби впервые использовал кокс в 1709 году в Шропшире, Англия, для повышения выхода в процессе плавки. ^{[ необходима цитата ] В} настоящее время кокс широко используется для производства карбидной керамики. Поттер Джозия Веджвуд открыл первую современную керамическую фабрику в Сток-он-Трент , Англия, в 1759 году. Австрийский химик Карл Йозеф Байер , работавший на текстильную промышленность в России, в 1888 году разработал процесс отделения глинозема от бокситовой руды. до сих пор используется для очистки глинозема в керамической и алюминиевой промышленности. ^{[ необходима цитата ]} Братья Пьер и ЖакКюри открыл пьезоэлектричество в Рошельской соли около 1880 года. Пьезоэлектричество - одно из ключевых свойств электрокерамики .

Э. Г. Ачесон нагрел смесь кокса и глины в 1893 году и изобрел карборунд, или синтетический карбид кремния . Анри Муассан также синтезировал SiC и карбид вольфрама в своей электродуговой печи в Париже примерно в то же время, что и Ачесон. Карл Шретер использовал жидкофазное спекание, чтобы связать или «цементировать» частицы карбида вольфрама Муассана с кобальтом в 1923 году в Германии. Кромки из твердого сплава (на металлической связке) значительно увеличивают долговечность режущих инструментов из закаленной стали . WH Nernst разработал кубический стабилизированный диоксид циркония.в 20-е годы в Берлине. Этот материал используется в качестве датчика кислорода в выхлопных системах. Основное ограничение использования керамики в технике - хрупкость. ^[1]

Военные [ править ]

В военных требованиях Второй мировой войны призвали событие, которые создали потребность в высокоэффективных материалы и помог ускорить разработку керамической науки и техники. На протяжении 1960-х и 1970-х годов в ответ на достижения в области атомной энергии, электроники, связи и космических путешествий были разработаны новые типы керамики. Открытие керамических сверхпроводников в 1986 году стимулировало интенсивные исследования по разработке сверхпроводящих керамических деталей для электронных устройств, электродвигателей и транспортного оборудования. ^{[ необходима цитата ]}

В военном секторе растет потребность в высокопрочных, надежных материалах, способных пропускать свет в видимой (0,4–0,7 мкм) и средней инфракрасной (1–5 мкм) областях спектра. Эти материалы необходимы для приложений, требующих прозрачной брони.. Прозрачная броня - это материал или система материалов, которые должны быть оптически прозрачными, но защищать их от осколков или баллистических ударов. Основное требование к прозрачной системе брони - не только противостоять обозначенной угрозе, но и обеспечивать возможность множественного попадания с минимальным искажением окружающих областей. Прозрачные бронированные окна также должны быть совместимы с оборудованием ночного видения. Ведется поиск новых материалов, которые будут более тонкими, легкими и обладают лучшими баллистическими характеристиками. ^[3]

Такие твердотельные компоненты нашли широкое применение для различных приложений в электрооптической области, включая: оптические волокна для направленной передачи световых волн, оптические переключатели , лазерные усилители и линзы , хосты для твердотельных лазеров и материалы для оптических окон для газовых лазеров, а также инфракрасное (ИК) тепло ищет устройства для наведения ракет систем и ночного видения ИК . ^[4]

Современная промышленность [ править ]

Сейчас промышленность с оборотом в несколько миллиардов долларов в год, керамическая инженерия и исследования зарекомендовали себя как важная область науки. Области применения продолжают расширяться, поскольку исследователи разрабатывают новые виды керамики для различных целей. ^{[1] [5]}

• Керамика из диоксида циркония используется при изготовлении ножей. Лезвие керамического ножа будет оставаться острым намного дольше, чем лезвие стального ножа, хотя оно более хрупкое и его можно сломать, уронив его на твердую поверхность.
• Керамика, такая как оксид алюминия, карбид бора и карбид кремния, использовалась в пуленепробиваемых жилетах для отражения огня из стрелкового оружия . Такие пластины широко известны как пластины для травм . Подобный материал используется для защиты кабины некоторых военных самолетов из-за небольшого веса материала.
• Детали из нитрида кремния используются в керамических шарикоподшипниках. Их более высокая твердость означает, что они гораздо менее подвержены износу и могут обеспечить более чем трехкратный срок службы. Они также меньше деформируются под нагрузкой, что означает, что они меньше контактируют с опорными стенками подшипника и могут катиться быстрее. В условиях очень высоких скоростей тепло от трения во время прокатки может вызвать проблемы с металлическими подшипниками; проблемы, которые уменьшаются за счет использования керамики. Керамика также более химически стойкая и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники могут ржаветь. Главный недостаток использования керамики - значительно более высокая стоимость. Во многих случаях их электроизоляционные свойства также могут быть полезны для подшипников. ^{[ необходима цитата ]}
• В начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического керамического двигателя, который может работать при температуре более 6000 ° F (3300 ° C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и, следовательно, повысить топливную эффективность. Как показывает теорема Карно, топливная эффективность двигателя также выше при высоких температурах . В обычном металлическом двигателе большая часть энергии, выделяемой из топлива, должна рассеиваться в виде отработанного тепла.во избежание расплавления металлических частей. Несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не производятся, поскольку изготовление керамических деталей с необходимой точностью и долговечностью затруднено. Несовершенство керамики приводит к появлению трещин, что может привести к потенциально опасному отказу оборудования. Такие двигатели возможны в лабораторных условиях, но массовое производство невозможно при существующих технологиях. ^{[ необходима цитата ]}
• 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, изготовленные из керамики, могли работать более эффективно, давая самолету большую дальность полета и полезную нагрузку при определенном количестве топлива. ^{[ необходима цитата ]}

• В последнее время были достигнуты успехи в керамике, которая включает биокерамику, такую ​​как зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит , природный минеральный компонент кости, был получен синтетическим путем из ряда биологических и химических источников и может быть преобразован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, изготовленные из этих материалов, легко прикрепляются к костям и другим тканям тела без отторжения или воспалительных реакций. По этой причине они представляют большой интерес для доставки генов и тканевой инженерии.строительные леса. Большая часть керамики на основе гидроксиапатита очень пористая и не имеет механической прочности и используется для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы помочь в формировании связи с костью или в качестве костных наполнителей. Они также используются в качестве наполнителя для ортопедических пластиковых винтов, чтобы помочь уменьшить воспаление и увеличить абсорбцию этих пластиковых материалов. Ведутся работы по изготовлению прочных, полностью плотных нанокристаллических гидроксиапатитовых керамических материалов для ортопедических грузонесущих устройств с заменой инородных металлических и пластиковых ортопедических материалов синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном итоге эти керамические материалы могут использоваться в качестве заменителей костей или с добавлением белковых коллагенов, синтетических костей. ^{[ необходима цитата ]}
• Прочные 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. Как использование, так и удаление радиоактивных актинидов требует их иммобилизации в прочном материале-хозяине. Долгоживущие радионуклиды ядерных отходов, такие как актиниды, иммобилизуются с помощью химически стойких кристаллических материалов на основе поликристаллической керамики и крупных монокристаллов. ^[6]

Стеклокерамика [ править ]

Стеклокерамические материалы имеют много общих свойств как со стеклом, так и с керамикой. Стеклокерамика имеет аморфную фазу и одну или несколько кристаллических фаз и производится путем так называемой «контролируемой кристаллизации», которой обычно избегают при производстве стекла. Стеклокерамика часто содержит кристаллическую фазу, которая составляет от 30% [м / м] до 90% [м / м] от ее объема по объему, давая множество материалов с интересными термомеханическими свойствами. ^[5]

При обработке стеклокерамики расплавленное стекло постепенно охлаждают перед повторным нагревом и отжигом. При такой термообработке стекло частично кристаллизуется . Во многих случаях добавляют так называемые «агенты зародышеобразования», чтобы регулировать и контролировать процесс кристаллизации. Поскольку обычно не происходит прессования и спекания, стеклокерамика не содержит объемной доли пористости, обычно присутствующей в спеченной керамике. ^[1]

Этот термин в основном относится к смеси лития и алюмосиликатов, которая дает множество материалов с интересными термомеханическими свойствами. Наиболее коммерчески важные из них отличаются тем, что они невосприимчивы к тепловым ударам. Таким образом, стеклокерамика стала чрезвычайно полезной для приготовления пищи на столешнице. Отрицательный коэффициент теплового расширения (TEC) кристаллической керамической фазы может быть уравновешен положительным TEC стеклообразной фазы. В определенной точке (~ 70% кристалличности) стеклокерамика имеет чистое значение TEC, близкое к нулю. Этот тип стеклокерамические обладает превосходными механическими свойствами и может выдержать повторяться и быстро изменяет температуру до 1000 ° С. ^{[1] [5]}

Этапы обработки [ править ]

Традиционный керамический процесс обычно следует такой последовательности: Фрезерование → Дозирование → Смешивание → Формовка → Сушка → Обжиг → Сборка. ^{[7] [8] [9] [10]}

• Фрезерование - это процесс, при котором материалы уменьшаются от большого до меньшего размера. Измельчение может включать измельчение цементированного материала (в этом случае отдельные частицы сохраняют свою форму) или измельчение (которое включает измельчение самих частиц до меньшего размера). Измельчение обычно осуществляется механическими средствами, включая истирание (столкновение частиц с частицами, которое приводит к дроблению агломерата или сдвигу частиц), сжатие (которое прикладывает силы, приводящие к разрушению) и удар.(который использует измельчающую среду или сами частицы, чтобы вызвать разрушение). Оборудование для измельчения истиранием включает мокрый скруббер (также называемый планетарной мельницей или мельницей мокрого истирания), который имеет лопасти в воде, создающие вихри, в которых материал сталкивается и разрушается. Компрессионные мельницы включают щековую дробилку , валковую дробилку и конусную дробилку. Ударные мельницы включают в себя шаровую мельницу , в которой есть среда, которая кувыркается и разрушает материал. Ударные валы вызывают истирание и сжатие частиц.
• Дозирование - это процесс взвешивания оксидов в соответствии с рецептами и их подготовки к смешиванию и сушке.
• Смешивание происходит после дозирования и выполняется с помощью различных машин, таких как ленточные миксеры для сухого смешивания (тип миксера для цемента), миксеры Мюллера, ^{[ требуется уточнение ]} и мельницы . Для мокрого смешивания обычно используется одно и то же оборудование.
• Формование - это придание смешанному материалу форм, от унитазов до изоляторов свечей зажигания. Формование может включать: (1) экструзию, такую ​​как выдавливание «заготовок» для изготовления кирпичей, (2) прессование для изготовления фасонных деталей, (3) скользящее литье , как при изготовлении унитазов, умывальников и украшений, таких как керамические статуи. При формовании получается «зеленая» деталь, готовая к сушке. Зеленые детали мягкие, податливые и со временем потеряют форму. Обработка зеленого продукта изменит его форму. Например, зеленый кирпич можно «выдавить», и после сдавливания он так и останется.
• Сушка - это удаление воды или связующего из сформированного материала. Распылительная сушка широко используется для подготовки порошка к операциям прессования. Другие сушилки - туннельные сушилки и сушилки периодического действия. В этом двухэтапном процессе применяется контролируемое тепло. Во-первых, тепло удаляет воду. Этот этап требует тщательного контроля, так как быстрое нагревание приводит к появлению трещин и дефектов поверхности. Высохшая часть меньше зеленой и хрупкая, что требует осторожного обращения, так как небольшой удар вызовет крошку и поломку.
• Спекание - это процесс, при котором высушенные детали проходят контролируемый процесс нагрева, а оксиды химически изменяются, вызывая связывание и уплотнение. Обожженная часть будет меньше высохшей.

Методы формирования [ править ]

Методы керамического формования включают метание, литье в шликере , литье на ленте, литье замораживанием, литье под давлением, сухое прессование, изостатическое прессование, горячее изостатическое прессование (HIP), 3D-печать и другие. Способы формования керамических порошков сложной формы желательны во многих областях техники. Такие методы необходимы для производства сложных высокотемпературных конструкционных деталей, таких как компоненты тепловых двигателей и турбин . В число других материалов, кроме керамики, которые используются в этих процессах, могут входить: дерево, металл, вода, гипс и эпоксидная смола, большая часть которых будет удалена при обжиге. ^[7] керамическая заполненный эпоксидная смола, такие как Martyte, иногда используются для защиты конструкционной стали в условиях столкновения с выхлопом ракет. ^[11]

Эти методы формования хорошо известны тем, что обеспечивают инструменты и другие компоненты стабильностью размеров, качеством поверхности, высокой (близкой к теоретической) плотностью и однородностью микроструктуры. Растущее использование и разнообразие специальных форм керамики увеличивает разнообразие используемых технологических процессов. ^[7]

Таким образом, армирующие волокна и нити в основном изготавливаются с помощью процессов полимера, золь-гель или химического осаждения из паровой фазы, но также применима обработка расплавом. Наиболее широко используемая специальная форма - это слоистые структуры, среди которых преобладает ленточное литье для электронных подложек и корпусов. Фотолитография представляет все больший интерес для точного моделирования проводников и других компонентов для такой упаковки. Процессы литья или формования ленты также вызывают все больший интерес для других приложений, начиная от открытых структур, таких как топливные элементы, до керамических композитов. ^[7]

Другой основной структурой слоя является покрытие, где распыление расплава очень важно, но химические и физические методы осаждения из паровой фазы и химические методы (например, золь-гель и пиролиз полимеров) находят все более широкое применение. Помимо открытых структур из формованной ленты, все более широкое применение находят экструдированные структуры, такие как сотовые носители катализатора, и высокопористые структуры, в том числе различные пены, например сетчатая пена . ^[7]

Уплотнение консолидированных порошковых тел по-прежнему достигается преимущественно спеканием (без давления). Однако использование спекания под давлением путем горячего прессования все чаще используется, особенно для неоксидных изделий и деталей простой формы, где требуется более высокое качество (в основном микроструктурная однородность), а больший размер или несколько деталей за одно прессование могут быть преимуществом. ^[7]

Процесс спекания [ править ]

Принципы методов спекания просты («sinter» имеет корни от английского « cinder »). Обжиг производится при температуре ниже точки плавления керамики. После того, как создается грубо скрепленный объект, называемый «зеленым телом», его обжигают в печи , где процессы атомной и молекулярной диффузии приводят к значительным изменениям в основных микроструктурных характеристиках. Это включает постепенное устранение пористости , которое обычно сопровождается чистой усадкой и общим уплотнением компонента. Таким образом, поры в объекте могут закрыться, что приведет к более плотному продукту со значительно большей прочностью и вязкостью разрушения .

Еще одним важным изменением в теле в процессе обжига или спекания будет установление поликристаллической природы твердого тела. Это изменение приведет к некоторой форме распределения зерен по размеру, что окажет значительное влияние на конечные физические свойства материала. Размеры зерен будут связаны либо с начальным размером частиц , либо, возможно, с размерами агрегатов или кластеров частиц, которые возникают на начальных стадиях обработки.

Конечная микроструктура (и, следовательно, физические свойства) конечного продукта будет ограничиваться и зависеть от формы структурного шаблона или предшественника, который создается на начальных стадиях химического синтеза и физического формования. Отсюда важность химического порошка и полимерной обработки , как это относится к синтезу промышленной керамики, стекол и стеклокерамики.

Существует множество возможных усовершенствований процесса спекания. Некоторые из наиболее распространенных включают прессование сырого тела, чтобы дать толчок уплотнению и сократить необходимое время спекания. Иногда добавляются органические связующие, такие как поливиниловый спирт , чтобы скрепить зеленую массу; они выгорают при обжиге (при 200–350 ° C). Иногда во время прессования добавляют органические смазочные материалы для увеличения плотности. Обычно их комбинируют и добавляют в порошок связующие и смазочные материалы, а затем прессуют. (Составление этих органических химических добавок - это уже само по себе искусство. Это особенно важно при производстве керамики с высокими эксплуатационными характеристиками, например, той, которая используется миллиардами для электроники , в конденсаторах, индукторах., датчики и т. д.)

Суспензию можно использовать вместо порошка, а затем отлить в желаемую форму, высушить и затем спечь. Действительно, традиционная керамика выполняется этим методом с использованием пластической смеси, обработанной руками. Если в керамике используется смесь различных материалов, температура спекания иногда выше точки плавления одного второстепенного компонента - жидкофазного спекания. Это приводит к более короткому времени спекания по сравнению со спеканием в твердом состоянии. ^[12]

Прочность керамики [ править ]

Прочность материала зависит от его микроструктуры. Технологические процессы, которым подвергается материал, могут изменить его микроструктуру. Разнообразие механизмов упрочнения, изменяющих прочность материала, включает механизм упрочнения границ зерен . Таким образом, хотя предел текучести увеличивается с уменьшением размера зерен, в конечном итоге очень маленькие размеры зерен делают материал хрупким. Принимая во внимание тот факт, что предел текучести является параметром, который прогнозирует пластическую деформацию в материале, можно принимать обоснованные решения о том, как повысить прочность материала в зависимости от его микроструктурных свойств и желаемого конечного эффекта.

Связь между пределом текучести и размером зерна математически описывается уравнением Холла-Петча, которое имеет вид

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}}$

где k _y - коэффициент упрочнения (константа, уникальная для каждого материала), σ _o - константа материала для начального напряжения для движения дислокации (или сопротивления решетки движению дислокации), d - диаметр зерна, а σ _y предел текучести.

Теоретически материал можно было бы сделать бесконечно прочным, если бы зерна были бесконечно маленькими. К сожалению, это невозможно, поскольку нижний предел размера зерна составляет одну элементарную ячейку материала. Даже в этом случае, если зерна материала имеют размер одной элементарной ячейки, тогда материал фактически является аморфным, а не кристаллическим, поскольку отсутствует дальний порядок, и в аморфном материале нельзя определить дислокации. Экспериментально было обнаружено, что микроструктура с наивысшим пределом текучести имеет размер зерна около 10 нанометров, поскольку зерна меньшего размера подвергаются другому механизму текучести - зернограничному скольжению. ^[13]Производство технических материалов с таким идеальным размером зерна затруднено из-за ограничений начального размера частиц, присущих наноматериалам и нанотехнологиям.

Теория химической обработки [ править ]

Однородность микроструктуры [ править ]

При обработке тонкой керамики неправильные размеры и формы частиц в типичном порошке часто приводят к неоднородной морфологии упаковки, что приводит к изменениям плотности упаковки в порошковой прессовке. Неконтролируемая агломерация порошков из-за притягивающих сил Ван-дер-Ваальса также может приводить к микроструктурным неоднородностям. ^{[7] [14]}

Дифференциальные напряжения, возникающие в результате неравномерной усадки при сушке, напрямую связаны со скоростью, с которой может быть удален растворитель , и, таким образом, сильно зависят от распределения пористости. Такие напряжения были связаны с переходом от пластического к хрупкому в консолидированных телах ^[15] и могут привести к распространению трещин в необожженном теле, если их не снять.

Кроме того, любые колебания плотности упаковки прессованного материала при его подготовке для печи часто усиливаются в процессе спекания, что приводит к неоднородному уплотнению. ^{[16] [17]} Было показано, что некоторые поры и другие структурные дефекты, связанные с изменениями плотности, играют пагубную роль в процессе спекания, увеличивая и тем самым ограничивая конечную плотность. ^[18] Было также показано, что дифференциальные напряжения, возникающие из-за неоднородного уплотнения, приводят к распространению внутренних трещин, становясь, таким образом, дефектами, контролирующими прочность. ^[19]

Поэтому представляется желательным обрабатывать материал таким образом, чтобы он был физически однородным с точки зрения распределения компонентов и пористости, а не с использованием распределения частиц по размерам, которое максимизирует плотность сырого материала. Сдерживание однородно диспергированной сборки сильно взаимодействующих частиц в суспензии требует полного контроля над взаимодействиями частица-частица. Этот потенциал обеспечивают монодисперсные коллоиды . ^[20]

Таким образом, монодисперсные порошки коллоидного диоксида кремния , например, могут быть достаточно стабилизированы для обеспечения высокой степени порядка в коллоидном кристалле или поликристаллическом коллоидном твердом веществе, которое возникает в результате агрегации. Степень упорядоченности, по-видимому, ограничена временем и пространством, позволяющим установить корреляции более дальнего действия. ^{[21] [22]}

Такие дефектные поликристаллические коллоидные структуры, по-видимому, являются основными элементами субмикронного коллоидного материаловедения и, следовательно, обеспечивают первый шаг в развитии более строгого понимания механизмов, участвующих в эволюции микроструктуры в неорганических системах, таких как поликристаллическая керамика.

Самостоятельная сборка [ править ]

Самосборка - это наиболее распространенный термин, используемый в современном научном сообществе для описания спонтанной агрегации частиц (атомов, молекул, коллоидов, мицелл и т. Д.) Без влияния каких-либо внешних сил. Известно, что большие группы таких частиц собираются в термодинамически стабильные, структурно четко определенные массивы, весьма напоминающие одну из 7 кристаллических систем, встречающихся в металлургии и минералогии (например, гранецентрированная кубическая , объемноцентрированная кубическая и т. Д.). ^{[ необходимая цитата ]} Фундаментальное различие в равновесной структуре заключается в пространственном масштабе элементарной ячейки (илипараметр решетки ) в каждом конкретном случае.

Таким образом, самосборка становится новой стратегией в химическом синтезе и нанотехнологиях . Самосборка молекул наблюдалась в различных биологических системах и лежит в основе формирования самых разнообразных сложных биологических структур. Молекулярные кристаллы, жидкие кристаллы, коллоиды, мицеллы, эмульсии , полимеры с фазовым разделением, тонкие пленки и самоорганизованные монослои представляют собой примеры типов высокоупорядоченных структур, которые получают с использованием этих методов. Отличительная особенность этих методов - самоорганизация при отсутствии каких-либо внешних сил. ^{[ необходима цитата ]}

Кроме того, пересматриваются основные механические характеристики и структуры биологической керамики, полимерных композитов , эластомеров и ячеистых материалов, с акцентом на биоинспирированные материалы и структуры. Традиционные подходы сосредоточены на методах создания биологических материалов с использованием обычных синтетических материалов. Это включает в себя новый класс механически превосходных биоматериалов, основанных на микроструктурных особенностях и конструкциях, встречающихся в природе. Были выявлены новые горизонты в синтезе биовоздушных материалов посредством процессов, характерных для биологических систем в природе. Это включает в себя самосборку компонентов в наномасштабе и разработкуиерархические структуры. ^{[21] [22] [24]}

Керамические композиты [ править ]

В последние годы возник значительный интерес к изготовлению керамических композитов. Хотя существует значительный интерес к композитам с одним или несколькими некерамическими компонентами, наибольшее внимание уделяется композитам, в которых все компоненты являются керамическими. Они обычно содержат две керамические составляющие: непрерывную матрицу и дисперсную фазу керамических частиц, нитевидных кристаллов или коротких (рубленых) или непрерывных керамических волокон . Задача, как и при влажной химической обработке, состоит в том, чтобы получить однородное или гомогенное распределение дисперсной фазы частиц или волокна. ^{[25] [26]}

Рассмотрим сначала обработку композитов из твердых частиц. Наиболее интересной фазой в виде частиц является тетрагональный диоксид циркония из-за упрочнения, которое может быть достигнуто в результате фазового превращения из метастабильной тетрагональной в моноклинную кристаллическую фазу, или упрочнения при превращении . Также существует значительный интерес к дисперсии твердых неоксидных фаз, таких как SiC, TiB, TiC, бор , углерод и особенно оксидные матрицы, такие как оксид алюминия и муллит . Также представляет интерес включение других керамических частиц, особенно тех, которые обладают сильно анизотропным тепловым расширением. Примеры включают Al ₂ O ₃ , TiO _2., графит и нитрид бора. ^{[25] [26]}

При обработке композиционных материалов в виде частиц проблема заключается не только в однородности размера и пространственного распределения дисперсной и матричной фаз, но и в контроле размера зерна матрицы. Однако есть некоторая встроенная функция самоконтроля из-за подавления роста зерен матрицы дисперсной фазой. Композиты из твердых частиц, хотя обычно обладают повышенной устойчивостью к повреждению, разрушению или и тем, и другим, все же весьма чувствительны к неоднородностям состава, а также к другим дефектам обработки, таким как поры. Таким образом, им нужна хорошая обработка, чтобы быть эффективными. ^{[1] [5]}

Композиты в виде частиц были получены на коммерческой основе путем простого смешивания порошков двух компонентов. Хотя этот подход по своей природе ограничен достижимой однородностью, он наиболее легко адаптируется к существующей технологии производства керамики. Однако представляют интерес другие подходы. ^{[1] [5]}

С технологической точки зрения особенно желательным подходом к изготовлению композитов в виде частиц является нанесение матрицы или ее предшественника на мелкие частицы дисперсной фазы с хорошим контролем исходного размера дисперсных частиц и толщины получаемого покрытия матрицы. В принципе, нужно иметь возможность достичь максимальной однородности распределения и тем самым оптимизировать составные характеристики. Это также может иметь другие ответвления, такие как обеспечение более полезных характеристик композита, которые могут быть достигнуты в теле, имеющем пористость, что может быть желательным для других факторов, таких как ограничение теплопроводности.

Существуют также некоторые возможности использования обработки в расплаве для изготовления керамических композитов, композитов в виде частиц, нитевидных кристаллов, коротковолокнистых и непрерывных волокон. Ясно, что композиты в виде частиц и нитевидных кристаллов могут быть получены путем осаждения в твердом состоянии после затвердевания расплава. В некоторых случаях это также может быть получено путем спекания, например, для частично стабилизированного диоксида циркония, упрочненного дисперсионным слоем. Точно так же известно, что можно направленно отверждать керамические эвтектические смеси и, следовательно, получать одноосно ориентированные волокнистые композиты. Такая обработка композита обычно ограничивается очень простыми формами и, таким образом, страдает серьезными экономическими проблемами из-за высоких затрат на обработку. ^{[25] [26]}

Очевидно, что для многих из этих подходов есть возможности использования литья из расплава. Потенциально даже более желательно использовать частицы, полученные из расплава. В этом методе закалка осуществляется в твердом растворе или в мелкой эвтектической структуре, в которой частицы затем перерабатываются более типичными методами обработки керамического порошка в полезное тело. Также были предварительные попытки использовать распыление расплава в качестве средства формирования композитов путем введения фазы диспергированных частиц, нитевидных кристаллов или волокон в сочетании с процессом распыления расплава.

К другим методам производства керамических композитов с армированием длинными волокнами, помимо инфильтрации расплава, относятся химическая инфильтрация паров и инфильтрация волокнистых преформ органическим предшественником , которые после пиролиза дают аморфную керамическую матрицу, первоначально с низкой плотностью. При повторных циклах инфильтрации и пиролиза получается один из таких композитов с керамической матрицей . Химическая инфильтрация паров используется для производства углерода / углерода и карбида кремния, армированного углеродными волокнами или волокнами карбида кремния .

Помимо множества усовершенствований технологического процесса, первая из двух основных потребностей волоконных композитов - это снижение стоимости волокна. Вторая важная потребность - это составы волокон или покрытия, или обработка композита, чтобы уменьшить деградацию, которая возникает в результате воздействия высокотемпературного композита в окислительных условиях. ^{[25] [26]}

Приложения [ править ]

Продукция из технической керамики включает плитку, используемую в программе Space Shuttle , сопла газовых горелок , баллистическую защиту , гранулы оксида урана для ядерного топлива, биомедицинские имплантаты , лопатки турбин реактивных двигателей и носовые обтекатели ракет .

Его изделия часто изготавливаются не из глины, а из других материалов, выбранных из-за их особых физических свойств. Их можно классифицировать следующим образом:

• Оксиды : диоксид кремния, оксид алюминия, диоксид циркония
• Неоксиды: карбиды, бориды , нитриды , силициды.
• Композиты : матрицы, армированные частицами или нитевидными кристаллами, комбинации оксидов и неоксидов (например, полимеры).

Керамику можно использовать во многих технологических отраслях. Одним из применений является керамическая плитка на космическом шаттле НАСА , используемая для защиты его и будущих сверхзвуковых космических самолетов от палящего тепла при входе в атмосферу Земли. Они также широко используются в электронике и оптике. Помимо перечисленных здесь применений, керамика также используется в качестве покрытия в различных инженерных целях. Примером может служить керамическое покрытие подшипника на титановой раме самолета. В последнее время эта область стала включать исследования монокристаллов или стеклянных волокон в дополнение к традиционным поликристаллическим материалам, и области их применения перекрываются и быстро меняются.

Аэрокосмическая промышленность [ править ]

• Двигатели : защита горячего авиационного двигателя от повреждения других компонентов.
• Планер : используется как высоконадежный, жаропрочный и легкий несущий и структурный элемент.
• Носовые обтекатели ракеты: защита внутренних частей ракеты от тепла.
• Шаттл плитки
• Баллистические экраны от космического мусора : экраны из плетеного керамического волокна обеспечивают лучшую защиту от сверхскоростных (~ 7 км / с) частиц, чем алюминиевые экраны того же веса. ^[27]
• Сопла ракеты: фокусировка высокотемпературных выхлопных газов ракетного ускорителя.
• Беспилотные летательные аппараты : использование керамических двигателей в авиационных приложениях (например, в беспилотных летательных аппаратах) может привести к улучшенным характеристикам и меньшим эксплуатационным расходам. ^[28]

Биомедицинские [ править ]

• Искусственная кость ; Приложения для стоматологии, зубы.
• Биоразлагаемые шины; Укрепление костей после остеопороза
• Материал имплантата

Электроника [ править ]

• Конденсаторы
• Пакеты интегральных схем
• Преобразователи
• Изоляторы

Оптический [ править ]

• Оптические волокна, управляемая передача световых волн
• Переключатели
• Лазерные усилители
• Линзы
• Инфракрасные тепловизионные устройства

Автомобильная промышленность [ править ]

• Тепловой экран
• Управление теплом выхлопных газов

Биоматериалы [ править ]

Силицификация довольно распространена в биологическом мире и встречается у бактерий, одноклеточных организмов, растений и животных (беспозвоночных и позвоночных). Кристаллические минералы, образованные в такой среде, часто демонстрируют исключительные физические свойства (например, прочность, твердость, вязкость разрушения) и имеют тенденцию образовывать иерархические структуры, которые демонстрируют микроструктурный порядок в диапазоне длин или пространственных масштабов. Минералы кристаллизуются в недосыщенной по отношению к кремнию среде, в условиях нейтрального pH и низкой температуры (0–40 ° C). Образование минерала может происходить как внутри, так и за пределами клеточной стенки организма, и существуют определенные биохимические реакции для отложения минералов, которые включают липиды, белки и углеводы.

Большинство природных (или биологических) материалов представляют собой сложные композиты, механические свойства которых часто выдающиеся, учитывая слабые составляющие, из которых они собраны. Эти сложные структуры, возникшие в результате эволюции в течение сотен миллионов лет, вдохновляют на разработку новых материалов с исключительными физическими свойствами для высоких характеристик в неблагоприятных условиях. Их определяющие характеристики, такие как иерархия, многофункциональность и способность к самовосстановлению, в настоящее время исследуются. ^[30]

Основные строительные блоки начинаются с 20 аминокислот и переходят к полипептидам, полисахаридам и полипептидам-сахаридам. Они, в свою очередь, составляют основные белки, которые являются основными составляющими «мягких тканей», общих для большинства биоминералов. Текущие исследования, в которых возможно более 1000 белков, подчеркивают использование коллагена, хитина, кератина и эластина. «Твердые» фазы часто усилены кристаллическими минералами, которые зарождаются и растут в биопосредованной среде, которая определяет размер, форму и распределение отдельных кристаллов. Наиболее важные минеральные фазы были идентифицированы как гидроксиапатит, кремнезем и арагонит.. С использованием классификации Вегста и Эшби представлены основные механические характеристики и структуры биологической керамики, полимерных композитов, эластомеров и ячеистых материалов. Отдельные системы в каждом классе исследуются с упором на взаимосвязь между их микроструктурой в диапазоне масштабов длины и их механическим откликом.

Таким образом, кристаллизация неорганических материалов в природе обычно происходит при температуре и давлении окружающей среды. Тем не менее, жизненно важные организмы, с помощью которых формируются эти минералы, способны последовательно создавать чрезвычайно точные и сложные структуры. Понимание процессов, в которых живые организмы контролируют рост кристаллических минералов, таких как диоксид кремния, может привести к значительным достижениям в области материаловедения и открыть дверь к новым методам синтеза наноразмерных композитных материалов или нанокомпозитов.

С помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) высокого разрешения были выполнены наблюдения микроструктуры перламутровой (или перламутровой ) части морского ушка.ракушка. Эти оболочки демонстрируют самую высокую механическую прочность и вязкость разрушения среди всех известных неметаллических материалов. Перламутр из раковины морского ушка стал одной из наиболее интенсивно изучаемых биологических структур в материаловедении. На этих изображениях отчетливо видны аккуратно уложенные (или упорядоченные) минеральные плитки, разделенные тонкими органическими листами, а также макроструктура из более крупных периодических полос роста, которые в совокупности образуют то, что ученые в настоящее время называют иерархической композитной структурой. (Термин «иерархия» просто означает, что существует ряд структурных особенностей, которые существуют в широком диапазоне масштабов длины). ^[31]

Будущие разработки связаны с синтезом биологических материалов с помощью методов и стратегий обработки, характерных для биологических систем. Они включают в себя самосборку компонентов в наномасштабе и развитие иерархических структур. ^{[21] [22] [24] [32]}

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Керамическая организация Хурджа
• Американское керамическое общество
• Институт керамической плитки Америки
• http://standardceramics.org