Keramika: definícia, typy, vlastnosti a použitie keramických materiálov

Keramické výrobky sa zvyčajne delia do štyroch sektorov, ktoré sú uvedené nižšie s niekoľkými príkladmi:

• Stavebné vrátane tehál, potrubí, podlahových a strešných dlaždíc
• žiaruvzdorné materiály, ako sú výmurovky pecí, plynové žiariče, oceľové a sklárske tégliky
• Biele výrobky vrátane stolového riadu, obkladačiek, dekoratívnych umeleckých predmetov a sanitárnej keramiky
• Technická keramika je známa aj ako inžinierska, pokročilá, špeciálna a v Japonsku ako jemná keramika. Medzi takéto výrobky patria dlaždice používané v programe Space Shuttle, dýzy plynových horákov, nepriestrelné vesty, pelety oxidu uránu do jadrového paliva, biomedicínske implantáty, lopatky turbín prúdových motorov a nábežné kužele rakiet. Medzi suroviny často nepatria íly.

Príklady keramiky

• Porcelán
• "Tvrdý" porcelán, vypaľovaný pri vyššej teplote.
• Porcelán "Soft-paste", vypaľovaný pri nižšej teplote: Kostný porcelán
• Hlinený riad, ktorý sa často vyrába z hliny, kremeňa a živca
• Kameninová nádoba

Klasifikácia technickej keramiky

Technickú keramiku možno tiež rozdeliť do troch rôznych materiálových kategórií:

• Oxidy: oxid hlinitý, zirkón
• Neoxidy: karbidy, boridy, nitridy, silicidy
• Kompozity: vystužené časticami, kombinácie oxidov a neoxidov

Každá z týchto tried môže mať jedinečné vlastnosti materiálu.

Mechanické vlastnosti

Keramické materiály sú zvyčajne materiály s iónovou alebo kovalentnou väzbou a môžu byť kryštalické alebo amorfné. Materiál držaný pohromade oboma typmi väzieb má tendenciu sa zlomiť (prasknúť) skôr, ako dôjde k plastickej deformácii, čo má za následok slabú húževnatosť týchto materiálov. Okrem toho, keďže tieto materiály majú tendenciu mať veľa pórov, póry a iné mikroskopické nedokonalosti pôsobia ako koncentrátory napätia, čo ďalej znižuje húževnatosť a znižuje pevnosť v ťahu. To všetko spolu vedie ku katastrofickým poruchám, na rozdiel od zvyčajne oveľa miernejších spôsobov porúch kovov.

Tieto materiály vykazujú plastickú deformáciu. Vzhľadom na tuhú štruktúru kryštalických materiálov je však pre pohyb dislokácií k dispozícii len veľmi málo klzných systémov, a preto sa deformujú veľmi pomaly. V prípade nekryštalických (sklovitých) materiálov je hlavným zdrojom plastickej deformácie viskózne prúdenie, ktoré je tiež veľmi pomalé. Z tohto dôvodu sa v mnohých aplikáciách keramických materiálov ignoruje.

Elektrické vlastnosti

Polovodiče

Existuje množstvo keramiky, ktorá je polovodičom. Väčšina z nich sú oxidy prechodných kovov, ktoré sú polovodičmi II-VI, ako napríklad oxid zinočnatý.

Hoci sa hovorí o výrobe modrých LED diód z oxidu zinočnatého, keramikov najviac zaujímajú elektrické vlastnosti, ktoré sa prejavujú na hraniciach zrna. Jednou z najpoužívanejších z nich je varistor.

Polovodičová keramika sa používa aj ako snímače plynov. Keď cez polykryštalickú keramiku prechádzajú rôzne plyny, mení sa jej elektrický odpor. S vyladením na možné zmesi plynov možno vyrobiť veľmi lacné zariadenia.

Supravodivosť

Za určitých podmienok, napríklad pri extrémne nízkej teplote, vykazujú niektoré keramické materiály supravodivosť. Presný dôvod nie je známy, ale existujú dve hlavné skupiny supravodivej keramiky .

Feroelektrickosť a jej príbuzné

Piezoelektrickosť, spojenie medzi elektrickou a mechanickou odozvou, vykazuje veľké množstvo keramických materiálov vrátane kremeňa, ktorý sa používa na meranie času v hodinkách a inej elektronike. Takéto zariadenia menia elektrickú energiu na mechanické pohyby a späť, čím vytvárajú stabilný oscilátor.

Piezoelektrický efekt je vo všeobecnosti silnejší v materiáloch, ktoré vykazujú aj pyroelektrický efekt, a všetky pyroelektrické materiály sú zároveň aj piezoelektrické. Tieto materiály možno použiť na vzájomnú premenu medzi tepelnou, mechanickou a/alebo elektrickou energiou; napríklad pyroelektrický kryštál, ktorý sa po syntéze v peci nechá vychladnúť bez pôsobiaceho napätia, spravidla vytvorí statický náboj v hodnote tisícov voltov. Takéto materiály sa používajú v snímačoch pohybu, kde stačí nepatrný nárast teploty spôsobený vstupom teplého telesa do miestnosti, aby sa v kryštáli vytvorilo merateľné napätie.

Pyroelektrický efekt sa zase najvýraznejšie prejavuje v materiáloch, ktoré vykazujú aj feroelektrický efekt, pri ktorom sa stabilný elektrický dipól môže orientovať alebo obrátiť pôsobením elektrostatického poľa. Pyroelektrickosť je tiež nevyhnutným dôsledkom feroelektrickosti. Tá sa dá využiť na ukladanie informácií vo feroelektrických kondenzátoroch, prvkoch feroelektrickej pamäte RAM.

Najbežnejšími takýmito materiálmi sú titaničitan olovnatý a titaničitan bárnatý. Okrem vyššie uvedených použití sa ich silná piezoelektrická odozva využíva pri konštrukcii vysokofrekvenčných reproduktorov, snímačov pre sonary a aktuátorov pre atómové silové a skenovacie tunelové mikroskopy.

Kladný tepelný koeficient

Zvýšenie teploty môže spôsobiť, že hranice zŕn sa v niektorých polovodičových keramických materiáloch, väčšinou zmesiach titaničitanov ťažkých kovov, náhle stanú izolačnými. Kritická teplota prechodu sa dá upraviť v širokom rozsahu pomocou zmien v chemickom zložení. V takýchto materiáloch bude materiálom prechádzať prúd, až kým ho joulovým ohrevom nedosiahne teplota prechodu, pri ktorej sa obvod preruší a prúd prestane tiecť. Takáto keramika sa používa ako samočinne riadené vykurovacie prvky napríklad v obvodoch rozmrazovania zadných okien automobilov.

Pri teplote prechodu sa dielektrická odozva materiálu stáva teoreticky nekonečnou. Hoci nedostatočná kontrola teploty by vylúčila akékoľvek praktické využitie materiálu v blízkosti jeho kritickej teploty, dielektrický efekt zostáva mimoriadne silný aj pri oveľa vyšších teplotách. Titanáty s kritickou teplotou hlboko pod izbovou teplotou sa práve z tohto dôvodu stali synonymom pre "keramiku" v kontexte keramických kondenzátorov.

Nekryštalická keramika: Nekryštalická keramika, ktorá je sklom, sa zvyčajne tvorí z taveniny. Sklo sa tvaruje buď úplne roztavené, odlievaním, alebo v stave viskozity podobnej karamelu, metódami, ako je vyfukovanie do formy. Ak neskoršie tepelné spracovanie spôsobí, že sa táto trieda stane čiastočne kryštalickou, výsledný materiál sa nazýva sklokeramika.

Kryštalická keramika: Kryštalické keramické materiály nie sú vhodné na rôzne spôsoby spracovania. Metódy ich spracovania patria do jednej z dvoch kategórií - buď sa keramika vyrobí v požadovanom tvare reakciou na mieste, alebo sa prášky "formujú" do požadovaného tvaru a potom sa spekaním vytvorí pevné teleso. Medzi techniky tvarovania keramiky patrí ručné tvarovanie (niekedy vrátane procesu otáčania nazývaného "hádzanie"), odlievanie do sklzu, odlievanie do pásky (používa sa na výrobu veľmi tenkých keramických kondenzátorov atď.), vstrekovanie, suché lisovanie a iné varianty. (Pozri tiež Techniky tvarovania keramiky. Podrobnosti o týchto procesoch sú opísané v dvoch knihách uvedených nižšie.) Niekoľko metód využíva hybrid medzi týmito dvoma prístupmi.

Výroba in situ

Táto metóda sa najčastejšie používa pri výrobe cementu a betónu. Tu sa dehydrované prášky zmiešajú s vodou. Tým sa spustia hydratačné reakcie, ktorých výsledkom sú dlhé, vzájomne sa prelínajúce kryštály, ktoré sa vytvárajú okolo kameniva. Tie časom vyústia do pevnej keramiky.

Najväčším problémom tejto metódy je, že väčšina reakcií je taká rýchla, že nie je možné dobré premiešanie, čo bráni rozsiahlej výstavbe. Systémy v malom meradle sa však dajú vyrobiť technikou nanášania, pri ktorej sa rôzne materiály zavádzajú nad substrát, reagujú a vytvárajú keramiku na substráte. Táto technika je prevzatá z polovodičového priemyslu, ako napríklad chemické vylučovanie z plynnej fázy, a je veľmi užitočná pre povlaky.

Tie majú tendenciu vyrábať veľmi hustú keramiku, ale robia to pomaly.

Metódy založené na spekaní

Princípy metód založených na spekaní sú jednoduché. Keď sa vyrobí zhruba držiaci predmet (nazývaný "zelené teleso"), vypečie sa v peci, kde difúzne procesy spôsobia zmrštenie zeleného telesa. Póry v predmete sa uzavrú, čím vznikne hustejší a pevnejší výrobok. Vypálenie sa vykonáva pri teplote nižšej, ako je teplota tavenia keramiky. Prakticky vždy zostane nejaká pórovitosť, ale skutočnou výhodou tejto metódy je, že zelené teleso sa môže vyrábať akýmkoľvek predstaviteľným spôsobom a stále sa speká. To z nej robí veľmi univerzálny spôsob.

Tento proces je možné vylepšiť tisíckrát. Niektoré z najbežnejších zahŕňajú lisovanie zeleného telesa, aby sa urýchlilo zhutňovanie a skrátil potrebný čas spekania. Niekedy sa pridávajú organické spojivá, ako napríklad polyvinylalkohol, ktoré držia zelené teleso pohromade; tie sa počas výpalu (pri 200 - 350 °C) vypaľujú. Niekedy sa počas lisovania pridávajú organické mazadlá, aby sa zvýšila hustota. Nie je zriedkavé kombinovať ich a pridávať spojivá a mazadlá do prášku, potom lisovať. (Zloženie týchto organických chemických prísad je umenie samo osebe. Je to obzvlášť dôležité pri výrobe vysoko výkonnej keramiky, aká sa používa v miliardách pre elektroniku, v kondenzátoroch, induktoroch, senzoroch atď. Špecializované receptúry, ktoré sa najčastejšie používajú v elektronike, sú podrobne opísané v knihe "Tape Casting" (Odlievanie pások), autor R. E. Mistler a kol. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) Komplexnou knihou na túto tému pre mechanické aj elektronické aplikácie je "Organic Additives and Ceramic Processing", D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Namiesto prášku sa môže použiť suspenzia, ktorá sa potom odlije do požadovaného tvaru, vysuší a následne speká. Tradičná keramika sa skutočne vyrába touto metódou, pričom sa používa plastická zmes spracovaná rukami.

Ak sa v keramike používa zmes rôznych materiálov, teplota spekania je niekedy vyššia ako teplota topenia jednej menšej zložky - ide o spekanie v kvapalnej fáze. Výsledkom je kratší čas spekania v porovnaní so spekaním v pevnej fáze.

• Niektoré nože sú keramické. Keramická čepeľ noža zostane ostrá oveľa dlhšie ako oceľ, hoci je krehkejšia a môže sa zlomiť pádom na tvrdý povrch.

• Keramika, ako napríklad oxid hlinitý a karbid bóru, sa používa v pancieroch na odpudzovanie striel. Podobný materiál sa používa na ochranu kokpitov niektorých vojenských lietadiel, pretože má nízku hmotnosť.

• Keramické guľôčky sa môžu použiť ako náhrada ocele v guľôčkových ložiskách. Vďaka ich vyššej tvrdosti vydržia trikrát dlhšie. Okrem toho sa pri zaťažení menej deformujú, čo znamená, že majú menší kontakt so stenami ložiskového držiaka a môžu sa rýchlejšie odvaľovať. Pri veľmi vysokých rýchlostiach môže teplo vznikajúce pri trení počas valenia spôsobovať kovovým ložiskám problémy, ktoré sa použitím keramiky znižujú. Keramika je tiež chemicky odolnejšia a môže sa používať vo vlhkom prostredí, kde by oceľové ložiská hrdzaveli. Hlavnou nevýhodou používania keramiky je vysoká cena.

• Začiatkom 80. rokov 20. storočia spoločnosť Toyota skúmala adiabatický keramický motor, ktorý môže pracovať pri teplote viac ako 3300 °C (6000 °F). Keramické motory nevyžadujú chladiaci systém, a preto umožňujú výrazné zníženie hmotnosti, a tým aj vyššiu účinnosť paliva. Palivová účinnosť teplejšieho motora je vyššia aj podľa Carnotovej vety. V kovovom motore sa veľká časť energie uvoľnenej z paliva musí odviesť ako odpadové teplo, aby sa neroztavili kovové časti. Napriek všetkým týmto žiaducim vlastnostiam sa takéto motory nevyrábajú, pretože výroba keramických dielov v požadovanej presnosti a trvanlivosti je náročná. Nedokonalosť keramiky vedie k vzniku trhlín, ktoré môžu zničiť motor, prípadne spôsobiť výbuch. Hromadná výroba nie je pri súčasnej technológii možná.

• Keramické diely pre motory plynových turbín môžu byť praktické. V súčasnosti si aj lopatky z moderných kovových zliatin používané v horúcej časti motorov vyžadujú chladenie a starostlivé obmedzenie prevádzkových teplôt. Turbínové motory vyrobené z keramiky by mohli pracovať efektívnejšie, čo by lietadlám umožnilo väčší dolet a užitočné zaťaženie pri stanovenom množstve paliva.

• Biokeramika zahŕňa zubné implantáty a syntetické kosti. Hydroxyapatit, prirodzená minerálna zložka kostí, sa vyrába synteticky z viacerých biologických a chemických zdrojov a môže sa formovať do keramických materiálov. Ortopedické implantáty vyrobené z týchto materiálov sa ľahko spájajú s kosťou a inými tkanivami v tele bez odmietnutia alebo zápalových reakcií. Z tohto dôvodu sú veľmi zaujímavé pre nosiče génov a lešenia pre tkanivové inžinierstvo. Väčšina hydroxyapatitovej keramiky je veľmi pórovitá a nemá dostatočnú mechanickú pevnosť a používa sa na pokrytie kovových ortopedických pomôcok, aby pomohla vytvoriť väzbu s kosťou alebo ako kostné výplne. Používajú sa aj ako plnivá do ortopedických plastových skrutiek, aby pomohli znížiť zápal a zvýšili absorpciu týchto plastových materiálov. Pracuje sa na výrobe silných, úplne hustých nanokryštalických hydroxyapatitových keramických materiálov pre ortopedické pomôcky na váženie, ktoré nahrádzajú cudzie kovové a plastové ortopedické materiály syntetickým, ale prirodzene sa vyskytujúcim kostným minerálom. V konečnom dôsledku sa tieto keramické materiály môžu používať ako kostné náhrady alebo so zabudovaním proteínových kolagénov ako syntetické kosti.

• V puzdrách hodiniek sa používa high-tech keramika. Tento materiál je cenený pre svoju nízku hmotnosť, odolnosť proti poškriabaniu, trvanlivosť a hladký dotyk. IWC je jednou zo značiek, ktoré iniciovali používanie keramiky v hodinárstve.