Keramisk teknik

Simulering av utsidan av rymdfärjan när den värms upp till över 1 500 °C (2 730 °F) under återinträde i jordens atmosfär
Lagerkomponenter tillverkade av 100 % kiselnitrid Si 3 N 4
Keramisk brödkniv

Keramisk teknik är vetenskapen och tekniken för att skapa föremål från oorganiska, icke-metalliska material. Detta görs antingen genom inverkan av värme eller vid lägre temperaturer med användning av utfällningsreaktioner från kemiska lösningar med hög renhet. Begreppet omfattar rening av råvaror, studie och framställning av de berörda kemiska föreningarna, deras bildning till komponenter och studiet av deras struktur, sammansättning och egenskaper.

Keramiska material kan ha en kristallin eller delvis kristallin struktur med lång räckvidd i atomär skala. Glaskeramik kan ha en amorf eller glasartad struktur, med begränsad eller kort räckvidd atomär ordning. De bildas antingen av en smält massa som stelnar vid kylning, bildas och mognar genom inverkan av värme, eller syntetiseras kemiskt vid låga temperaturer med hjälp av till exempel hydrotermisk eller sol-gelsyntes .

Keramiska materials speciella karaktär ger upphov till många tillämpningar inom materialteknik , elektroteknik , kemiteknik och maskinteknik . Eftersom keramer är värmebeständiga kan de användas för många uppgifter för vilka material som metall och polymerer är olämpliga. Keramiska material används i ett brett spektrum av industrier, inklusive gruv-, flyg-, medicin-, raffinaderi-, livsmedels- och kemiska industrier, förpackningsvetenskap, elektronik, industri- och transmissionselektricitet och guidad ljusvågsöverföring.

Historia

Ordet " keramik " kommer från det grekiska ordet κεραμικός ( keramikos ) som betyder keramik . Det är besläktat med den äldre indoeuropeiska språkroten "att bränna". "Keramik" kan användas som ett substantiv i singular för att hänvisa till ett keramiskt material eller en produkt av keramisk tillverkning, eller som ett adjektiv. Keramik är att göra saker av keramiska material. Keramisk ingenjörskonst, liksom många andra vetenskaper, utvecklades från en annan disciplin enligt dagens standard. Materialvetenskap är grupperat med keramikteknik till denna dag. [ citat behövs ]

Leo Morandis kakelglaslinje (cirka 1945)

Abraham Darby använde koks först 1709 i Shropshire, England, för att förbättra utbytet av en smältprocess. [ citat behövs ] Koks används nu i stor utsträckning för att producera karbidkeramik. Krukmakaren Josiah Wedgwood öppnade den första moderna keramikfabriken i Stoke-on-Trent , England, 1759. Den österrikiska kemisten Carl Josef Bayer , som arbetade för textilindustrin i Ryssland, utvecklade en process för att separera aluminiumoxid från bauxitmalm 1888. Bayerprocessen används fortfarande för att rena aluminiumoxid för keramik- och aluminiumindustrin. [ citat behövs ] Bröderna Pierre och Jacques Curie upptäckte piezoelektricitet i Rochelle salt ca. 1880 . Piezoelektricitet är en av de viktigaste egenskaperna hos elektrokeramik .

EG Acheson värmde en blandning av koks och lera 1893 och uppfann karborundum, eller syntetisk kiselkarbid . Henri Moissan syntetiserade också SiC och volframkarbid i sin elektriska ljusbågsugn i Paris ungefär samtidigt som Acheson. Karl Schröter använde sintring i vätskefas för att binda eller "cementera" Moissans volframkarbidpartiklar med kobolt 1923 i Tyskland. Cementerade (metallbundna) hårdmetallkanter ökar avsevärt hållbarheten hos skärande verktyg av härdat stål . WH Nernst utvecklade kubiskt stabiliserad zirkon på 1920-talet i Berlin. Detta material används som syresensor i avgassystem. Den huvudsakliga begränsningen för användningen av keramik inom teknik är sprödhet.

Militär

Soldater avbildade under Irakkriget 2003 sedda genom IR-transparenta Night Vision Goggles

De militära kraven under andra världskriget uppmuntrade utvecklingen, vilket skapade ett behov av högpresterande material och hjälpte till att påskynda utvecklingen av keramisk vetenskap och ingenjörskonst. Under hela 1960- och 1970-talen utvecklades nya typer av keramik som svar på framsteg inom atomenergi, elektronik, kommunikation och rymdresor. Upptäckten av keramiska supraledare 1986 har stimulerat intensiv forskning för att utveckla supraledande keramiska delar för elektroniska enheter, elmotorer och transportutrustning. [ citat behövs ]

Det finns ett ökande behov inom den militära sektorn av höghållfasta, robusta material som har förmågan att sända ljus runt de synliga (0,4–0,7 mikrometer) och mellaninfraröda (1–5 mikrometer) regionerna av spektrumet. Dessa material behövs för applikationer som kräver transparent rustning . Transparent pansar är ett material eller system av material designat för att vara optiskt transparent, men ändå skydda mot fragmentering eller ballistiska stötar. Det primära kravet för ett genomskinligt pansarsystem är att inte bara besegra det utsedda hotet utan också tillhandahålla en flerträffskapacitet med minimerad förvrängning av omgivande områden. Genomskinliga pansarfönster måste också vara kompatibla med mörkerseendeutrustning. Nya material som är tunnare, lätta och ger bättre ballistisk prestanda eftersträvas.

Sådana solid state-komponenter har funnit utbredd användning för olika tillämpningar inom det elektrooptiska området inklusive: optiska fibrer för styrd ljusvågsöverföring, optiska omkopplare , laserförstärkare och linser , värdar för solid state- lasrar och optiska fönstermaterial för gaslasrar, och infraröda (IR) värmesökande enheter för missilstyrningssystem och IR mörkerseende .

Modern industri

Nu har en mångmiljard dollar per år industri, keramisk ingenjörskonst och forskning etablerat sig som ett viktigt vetenskapsområde. Applikationerna fortsätter att expandera när forskare utvecklar nya typer av keramik för att tjäna olika syften.

  • Zirkoniumdioxidkeramik används vid tillverkning av knivar. Bladet på den keramiska kniven kommer att förbli skarpt mycket längre än på en stålkniv, även om det är sprödare och kan knäppas av genom att tappa det på en hård yta.
  • Keramik som aluminiumoxid, borkarbid och kiselkarbid har använts i skottsäkra västar för att stöta bort eld från handeldvapen . Sådana plattor är vanligtvis kända som ballistiska plattor . Liknande material används för att skydda cockpits på vissa militära flygplan, på grund av materialets låga vikt.
  • Kiselnitriddelar används i keramiska kullager. Deras högre hårdhet gör att de är mycket mindre känsliga för slitage och kan erbjuda mer än tredubbla livstider. De deformeras också mindre under belastning vilket innebär att de har mindre kontakt med lagerhållarväggarna och kan rulla snabbare. I applikationer med mycket hög hastighet kan värme från friktion under valsning orsaka problem för metalllager; problem som minskar genom användning av keramik. Keramik är också mer kemiskt resistent och kan användas i våta miljöer där stållager skulle rosta. Den stora nackdelen med att använda keramik är en betydligt högre kostnad. I många fall kan deras elektriskt isolerande egenskaper också vara värdefulla i lager. [ citat behövs ]
  • I början av 1980-talet forskade Toyota om produktionen av en adiabatisk keramisk motor som kan köras vid en temperatur på över 6000 °F (3300 °C). Keramiska motorer kräver inget kylsystem och tillåter därför en kraftig viktminskning och därmed högre bränsleeffektivitet. Motorns bränsleeffektivitet är också högre vid hög temperatur, vilket framgår av Carnots teorem. I en konventionell metallmotor måste mycket av den energi som frigörs från bränslet försvinna som spillvärme för att förhindra en nedsmältning av metalldelarna. Trots alla dessa önskvärda egenskaper är sådana motorer inte i produktion eftersom tillverkningen av keramiska delar med erforderlig precision och hållbarhet är svår. Ofullkomlighet i keramen leder till sprickor, vilket kan leda till potentiellt farliga utrustningsfel. Sådana motorer är möjliga i laboratoriemiljöer, men massproduktion är inte möjlig med nuvarande teknik. [ citat behövs ]
  • Arbete pågår med att utveckla keramiska delar till gasturbinmotorer . För närvarande kräver även blad tillverkade av avancerade metallegeringar som används i motorernas varma sektion kylning och noggrann begränsning av driftstemperaturerna. Turbinmotorer gjorda med keramik skulle kunna fungera mer effektivt, vilket ger flygplan större räckvidd och nyttolast för en viss mängd bränsle. [ citat behövs ]
Kollagenfibrer av vävt ben
Svepelektronmikroskopi bild av ben
  • Nyligen har det skett framsteg inom keramik som inkluderar biokeramik, såsom tandimplantat och syntetiska ben. Hydroxiapatit , den naturliga mineralkomponenten i ben, har tillverkats syntetiskt från ett antal biologiska och kemiska källor och kan formas till keramiska material. Ortopediska implantat gjorda av dessa material binder lätt till ben och andra vävnader i kroppen utan avstötning eller inflammatoriska reaktioner. På grund av detta är de av stort intresse för genleverans och vävnadskonstruktionsställningar . De flesta hydroxiapatitkeramer är mycket porösa och saknar mekanisk styrka och används för att belägga ortopediska metallanordningar för att hjälpa till att bilda en bindning till ben eller som benfyllmedel. De används också som fyllmedel för ortopediska plastskruvar för att hjälpa till att minska inflammationen och öka absorptionen av dessa plastmaterial. Arbete pågår för att tillverka starka, helt täta nanokristallina hydroxiapatitkeramiska material för ortopediska viktbärande anordningar, som ersätter främmande metall- och plastortopediska material med ett syntetiskt, men naturligt förekommande, benmineral. I slutändan kan dessa keramiska material användas som benersättning eller med inkorporering av proteinkollagener, syntetiska ben. [ citat behövs ]
  • Hållbara keramiska material som innehåller aktinid har många användningsområden såsom i kärnbränslen för förbränning av överskott av Pu och i kemiskt inerta källor för alfabestrålning för strömförsörjning av obemannade rymdfarkoster eller för att producera elektricitet för mikroelektroniska enheter. Både användning och bortskaffande av radioaktiva aktinider kräver att de immobiliseras i ett hållbart värdmaterial. Kärnavfall långlivade radionuklider såsom aktinider immobiliseras med hjälp av kemiskt hållbara kristallina material baserade på polykristallin keramik och stora enkristaller.

Glaskeramik

En höghållfast glaskeramisk spishäll med försumbar termisk expansion.

Glaskeramiska material delar många egenskaper med både glas och keramik. Glaskeramer har en amorf fas och en eller flera kristallina faser och framställs genom en så kallad "kontrollerad kristallisation", som vanligtvis undviks vid glastillverkning. Glaskeramik innehåller ofta en kristallin fas som utgör allt från 30 % [m/m] till 90 % [m/m] av dess sammansättning i volym, vilket ger en rad material med intressanta termomekaniska egenskaper.

Vid bearbetning av glaskeramik kyls smält glas ned gradvis före återuppvärmning och glödgning. Vid denna värmebehandling kristalliserar glaset delvis . I många fall tillsätts så kallade "kärnbildningsmedel" för att reglera och kontrollera kristallisationsprocessen. Eftersom det vanligtvis inte förekommer någon pressning och sintring, innehåller glaskeramik inte den volymandel av porositet som vanligtvis finns i sintrad keramik.

Termen syftar främst på en blandning av litium och aluminiumsilikater som ger en mängd material med intressanta termomekaniska egenskaper. De kommersiellt viktigaste av dessa har utmärkelsen att vara ogenomträngliga för termisk chock. Således har glaskeramik blivit extremt användbar för matlagning på bänkskivor. Den negativa termiska expansionskoefficienten (TEC) för den kristallina keramiska fasen kan balanseras med den positiva TEC för den glasartade fasen. Vid en viss punkt (~70% kristallint) har glaskeramen en netto-TEC nära noll. Denna typ av glaskeramik uppvisar utmärkta mekaniska egenskaper och tål upprepade och snabba temperaturförändringar upp till 1000 °C.

Bearbetningssteg

Den traditionella keramiska processen följer i allmänhet denna sekvens: Fräsning → Dosering → Blandning → Formning → Torkning → Bränning → Montering.

Kulkvarn
  • Fräsning är den process genom vilken material reduceras från en stor storlek till en mindre storlek. Målning kan innebära att bryta upp cementerat material (i vilket fall enskilda partiklar behåller sin form) eller pulverisering (vilket innebär att själva partiklarna mals till en mindre storlek). Fräsning görs vanligtvis på mekanisk väg, inklusive nötning (vilket är partikel-till-partikel-kollision som resulterar i agglomerat sönderdelning eller partikelskjuvning), kompression (som applicerar en kraft som resulterar i sprickbildning) och stöt (som använder ett fräsmedium eller partiklarna själva för att orsaka sprickbildning). Utrustning för nötningsfräsning inkluderar våtskrubbern (även kallad planetkvarnen eller våtnötningskvarnen), som har paddlar i vatten som skapar virvlar där materialet kolliderar och bryts upp. Kompressionskvarnar inkluderar käftkrossen , rullkrossen och konkrossen. Slagkvarnar inkluderar kulkvarnen , som har media som tumlar och bryter sönder materialet. Skaftimpaktorer orsakar partikel-till-partikelnötning och kompression.
  • Batching är processen att väga oxiderna enligt recept och förbereda dem för blandning och torkning.
  • Blandning sker efter batchning och utförs med olika maskiner, såsom torrblandande bandblandare (en typ av cementblandare), Mueller-blandare, [ förtydligande behövs ] och mopskvarnar . Våtblandning involverar i allmänhet samma utrustning.
  • Formning är att göra det blandade materialet till former, allt från toalettskålar till tändstiftsisolatorer. Formning kan innebära: (1) Extrudering, såsom extrudering av "sniglar" för att göra tegelstenar, (2) Pressning för att göra formade delar, (3) Slipgjutning , som vid tillverkning av toalettskålar, tvättställ och prydnadsföremål som keramiska statyer. Formning ger en "grön" del, redo för torkning. Gröna delar är mjuka, följsamma och kommer med tiden att tappa formen. Hantering av den gröna produkten kommer att ändra dess form. Till exempel kan en grön tegelsten "klämmas" och efter klämning förblir den så.
  • Torkning är att avlägsna vattnet eller bindemedlet från det formade materialet. Spraytorkning används ofta för att förbereda pulver för pressning. Andra torktumlare är tunneltorkar och periodiska torktumlare. Kontrollerad värme appliceras i denna tvåstegsprocess. Först tar värme bort vatten. Detta steg kräver noggrann kontroll, eftersom snabb uppvärmning orsakar sprickor och ytdefekter. Den torkade delen är mindre än den gröna delen och är spröd, vilket kräver noggrann hantering, eftersom en liten stöt kommer att göra att den smulas sönder och går sönder.
  • Sintring är där de torkade delarna passerar genom en kontrollerad uppvärmningsprocess, och oxiderna förändras kemiskt för att orsaka bindning och förtätning. Den brända delen kommer att vara mindre än den torkade delen.

Formningsmetoder

Keramiska formningstekniker inkluderar kastning, slipcasting , tejpgjutning , frysgjutning , formsprutning, torrpressning, isostatisk pressning, varm isostatisk pressning (HIP), 3D-utskrift och andra. Metoder för att forma keramiska pulver till komplexa former är önskvärda inom många teknikområden. Sådana metoder krävs för att producera avancerade, högtemperaturstrukturella delar som värmemotorkomponenter och turbiner . Andra material än keramik som används i dessa processer kan vara: trä, metall, vatten, gips och epoxi, varav de flesta kommer att elimineras vid bränning. En keramikfylld epoxi , såsom Martyte, används ibland för att skydda konstruktionsstål under förhållanden då raketavgaser träffar.

Dessa formningstekniker är välkända för att tillhandahålla verktyg och andra komponenter med dimensionsstabilitet, ytkvalitet, hög (nästan teoretisk) densitet och mikrostrukturell enhetlighet. Den ökande användningen och mångfalden av specialformer av keramik bidrar till mångfalden av processteknologier som ska användas.

Således tillverkas förstärkningsfibrer och filament huvudsakligen genom polymer-, sol-gel- eller CVD-processer, men smältbearbetning har också tillämpbarhet. Den mest använda specialformen är skiktade strukturer, där tejpgjutning för elektroniska substrat och förpackningar är framträdande. Fotolitografi är av ökande intresse för exakt mönstring av ledare och andra komponenter för sådana förpackningar. Bandgjutning eller formningsprocesser är också av ökande intresse för andra applikationer, allt från öppna strukturer som bränsleceller till keramiska kompositer.

Den andra stora lagerstrukturen är beläggning, där smältsprayning är mycket viktig, men kemisk och fysikalisk ångavsättning och kemiska (t.ex. sol-gel och polymerpyrolys) metoder får allt större användning. Förutom öppna strukturer från formad tejp, är extruderade strukturer, såsom bikakekatalysatorbärare, och mycket porösa strukturer, inklusive olika skum, till exempel, retikulerat skum , av ökande användning.

Förtätning av konsoliderade pulverkroppar fortsätter att uppnås huvudsakligen genom (lustlös) sintring. Användningen av trycksintring genom varmpressning ökar dock, särskilt för icke-oxider och delar av enkla former där högre kvalitet (främst mikrostrukturell homogenitet) krävs, och större storlek eller flera delar per pressning kan vara en fördel.

Sintringsprocessen

Se även: Sintringsmekanismer

Principerna för sintringsbaserade metoder är enkla ("sinter" har rötter i engelskan " cinder "). Bränningen görs vid en temperatur under keramikens smältpunkt. När ett grovt sammanhållet föremål som kallas en "grön kropp" är tillverkat, bakas det i en ugn , där atomära och molekylära diffusionsprocesser ger upphov till betydande förändringar i de primära mikrostrukturella egenskaperna. Detta inkluderar den gradvisa elimineringen av porositeten , som vanligtvis åtföljs av en nettokrympning och total förtätning av komponenten. Således kan porerna i föremålet sluta sig, vilket resulterar i en tätare produkt med betydligt större styrka och brottseghet .

En annan stor förändring i kroppen under brännings- eller sintringsprocessen kommer att vara fastställandet av det fasta ämnets polykristallina natur. Betydande korntillväxt tenderar att inträffa under sintring, med denna tillväxt beroende på temperatur och varaktighet av sintringsprocessen. Tillväxten av korn kommer att resultera i någon form av kornstorleksfördelning , vilket kommer att ha en betydande inverkan på materialets slutliga fysikaliska egenskaper . I synnerhet kommer onormal korntillväxt där vissa korn växer sig mycket stora i en matris av finare korn avsevärt att förändra de fysiska och mekaniska egenskaperna hos den erhållna keramen. I den sintrade kroppen är kornstorlekar en produkt av de termiska bearbetningsparametrarna såväl som den initiala partikelstorleken , eller möjligen storleken på aggregat eller partikelkluster som uppstår under de inledande stadierna av bearbetningen.

Den slutliga mikrostrukturen (och därmed de fysikaliska egenskaperna) hos slutprodukten kommer att begränsas av och beroende av formen av den strukturella mallen eller prekursorn som skapas i de inledande stadierna av kemisk syntes och fysikalisk formning. Därav betydelsen av kemisk pulver- och polymerbearbetning när den hänför sig till syntesen av industriell keramik, glas och glaskeramik .

Det finns många möjliga förbättringar av sintringsprocessen. Några av de vanligaste är att man trycker på den gröna kroppen för att ge förtätningen ett försprång och minska sintringstiden som behövs. tillsätts organiska bindemedel som polyvinylalkohol för att hålla ihop den gröna kroppen; dessa brinner ut under eldningen (vid 200–350 °C). Ibland tillsätts organiska smörjmedel under pressningen för att öka förtätningen. Det är vanligt att man kombinerar dessa, och tillsätter bindemedel och smörjmedel till ett pulver och sedan pressar. (Formuleringen av dessa organiska kemiska tillsatser är en konst i sig. Detta är särskilt viktigt vid tillverkning av högpresterande keramik som de som används av miljarder för elektronik, i kondensatorer, induktorer , sensorer , etc. )

En slurry kan användas i stället för ett pulver och sedan gjutas till önskad form, torkas och sedan sintras. Faktum är att traditionell keramik görs med denna typ av metod, med en plastblandning som arbetas med händerna. Om en blandning av olika material används tillsammans i en keramik är sintringstemperaturen ibland över smältpunkten för en mindre komponent – ​​en sintring i vätskefas . Detta resulterar i kortare sintringstider jämfört med sintring i fast tillstånd. Sådan sintring i vätskefas involverar snabbare diffusionsprocesser och kan resultera i onormal korntillväxt .

Styrkan hos keramik

Ett materials styrka är beroende av dess mikrostruktur. De tekniska processer som ett material utsätts för kan förändra dess mikrostruktur. Mångfalden av förstärkningsmekanismer som ändrar styrkan hos ett material inkluderar mekanismen för förstärkning av korngränserna . Även om sträckgränsen maximeras med minskande kornstorlek, gör sålunda mycket små kornstorlekar materialet sprött. Betraktat i takt med att sträckgränsen är den parameter som förutsäger plastisk deformation i materialet, kan man fatta välgrundade beslut om hur man ökar hållfastheten i ett material beroende på dess mikrostrukturella egenskaper och önskad sluteffekt.

Relationen mellan sträckgräns och kornstorlek beskrivs matematiskt av Hall-Petch-ekvationen som är

där k y är förstärkningskoefficienten (en konstant unik för varje material), σ o är en materialkonstant för startspänningen för dislokationsrörelse (eller gittrets motstånd mot dislokationsrörelse), d är korndiametern och σ y är flytspänningen.

Teoretiskt skulle ett material kunna göras oändligt starkt om kornen görs oändligt små. Detta är tyvärr omöjligt eftersom den nedre gränsen för kornstorlek är en enda enhetscell av materialet. Även då, om kornen i ett material är storleken på en enda enhetscell, så är materialet i själva verket amorft, inte kristallint, eftersom det inte finns någon lång räckviddsordning och dislokationer inte kan definieras i ett amorft material. Det har observerats experimentellt att mikrostrukturen med den högsta sträckgränsen är en kornstorlek på cirka 10 nanometer, eftersom korn som är mindre än detta genomgår en annan eftergivningsmekanism, korngränsglidning. Att producera tekniska material med denna idealiska kornstorlek är svårt på grund av begränsningarna av initiala partikelstorlekar som är inneboende för nanomaterial och nanoteknik.

En materialmekanikmodell har utvecklats för att förutsäga ökningen av brottseghet i keramer på grund av sprickavböjning runt andrafaspartiklar som är benägna att mikrospricka i en matris. Denna modell, utvecklad av Katherine Faber och Anthony G. Evans , beräknar den genomsnittliga frisättningshastigheten för töjningsenergi baserat på partikelmorfologin, bildförhållandet, avståndet och volymfraktionen för den andra fasen. Den tar hänsyn till minskningen av lokal spänningsintensitet vid sprickspetsen som uppstår när sprickan böjs eller sprickplanet böjer sig. Den faktiska spricktortuositeten erhålls genom bildteknik, vilket gör att avböjnings- (lutnings-) och böjningsvinklarna (twist) kan matas in direkt i modellen. Den resulterande brottseghetsökningen jämförs sedan med den för en plan spricka genom den släta matrisen. Segheten blir märkbar med en snäv storleksfördelning av partiklar av lämplig storlek. Storleken på härdningen bestäms av den felaktiga töjningen som orsakas av termisk kontraktionsinkompatibilitet och mikrofrakturmotståndet hos gränsytan partikel/matris.

Teori om kemisk bearbetning

Mikrostrukturell enhetlighet

Vid bearbetning av finkeramer leder de oregelbundna partikelstorlekarna och formerna i ett typiskt pulver ofta till olikformiga packningsmorfologier som resulterar i packningsdensitetsvariationer i pulverpresskroppen. Okontrollerad agglomerering av pulver på grund av attraktiva van der Waals-krafter kan också ge upphov till mikrostrukturella inhomogeniteter.

Differentiella spänningar som utvecklas som ett resultat av ojämn torkkrympning är direkt relaterade till den hastighet med vilken lösningsmedlet kan avlägsnas och är sålunda starkt beroende av fördelningen av porositet. Sådana spänningar har associerats med en plast-till-spröd övergång i konsoliderade kroppar, och kan ge efter för sprickutbredning i den obrända kroppen om den inte lindras.

Dessutom förstärks ofta eventuella fluktuationer i packningsdensiteten i presskroppen när den förbereds för ugnen under sintringsprocessen, vilket ger inhomogen förtätning. Vissa porer och andra strukturella defekter associerade med densitetsvariationer har visat sig spela en skadlig roll i sintringsprocessen genom att växa och därmed begränsa slutpunktstätheterna. Differentiella spänningar som härrör från inhomogen förtätning har också visat sig resultera i utbredning av inre sprickor, och därmed bli de hållfasthetskontrollerande bristerna.

Det skulle därför förefalla önskvärt att bearbeta ett material på ett sådant sätt att det är fysiskt enhetligt med avseende på fördelning av komponenter och porositet, snarare än att använda partikelstorleksfördelningar som kommer att maximera gröndensiteten. Inneslutningen av en enhetligt dispergerad sammansättning av starkt interagerande partiklar i suspension kräver total kontroll över partikel-partikel-interaktioner. Monodispersa kolloider ger denna potential.

Monodispersa pulver av kolloidal kiseldioxid , till exempel, kan därför stabiliseras tillräckligt för att säkerställa en hög grad av ordning i den kolloidala kristallen eller polykristallina kolloidala fasta substansen som resulterar från aggregation. Graden av ordning tycks vara begränsad av den tid och det utrymme som tillåts för att fastställa korrelationer på längre räckvidd.

Sådana defekta polykristallina kolloidala strukturer verkar vara de grundläggande elementen i submikrometer kolloidal materialvetenskap , och ger därför det första steget i att utveckla en mer rigorös förståelse av de mekanismer som är involverade i mikrostrukturell evolution i oorganiska system som polykristallin keramik.

Självmontering

Ett exempel på en supramolekylär sammansättning.

Självmontering är den vanligaste termen som används i det moderna forskarsamhället för att beskriva den spontana aggregeringen av partiklar (atomer, molekyler, kolloider, miceller, etc.) utan påverkan av några yttre krafter. Stora grupper av sådana partiklar är kända för att sätta ihop sig själva till termodynamiskt stabila, strukturellt väldefinierade arrayer, som ganska påminner om ett av de 7 kristallsystem som finns inom metallurgi och mineralogi (t.ex. ansiktscentrerad kubisk , kroppscentrerad kubisk, etc.). [ citat behövs ] Den grundläggande skillnaden i jämviktsstruktur är i den rumsliga skalan av enhetscellen (eller gitterparametern ) i varje särskilt fall.

Således växer självmontering fram som en ny strategi inom kemisk syntes och nanoteknik . Molekylär självmontering har observerats i olika biologiska system och ligger till grund för bildandet av en mängd olika komplexa biologiska strukturer. Molekylära kristaller, flytande kristaller, kolloider, miceller, emulsioner , fasseparerade polymerer, tunna filmer och självmonterade monolager representerar alla exempel på de typer av högordnade strukturer som erhålls med dessa tekniker. Det utmärkande för dessa metoder är självorganisering i frånvaro av några yttre krafter. [ citat behövs ]

Dessutom omvärderas de huvudsakliga mekaniska egenskaperna och strukturerna hos biologisk keramik, polymerkompositer, elastomerer och cellulära material, med tonvikt på bioinspirerade material och strukturer . Traditionella metoder fokuserar på designmetoder för biologiska material med användning av konventionella syntetiska material. Detta inkluderar en framväxande klass av mekaniskt överlägsna biomaterial baserade på mikrostrukturella egenskaper och design som finns i naturen. De nya horisonterna har identifierats i syntesen av bioinspirerade material genom processer som är karakteristiska för biologiska system i naturen. Detta inkluderar självmontering av komponenterna i nanoskala och utveckling av hierarkiska strukturer.

Keramiska kompositer

Porsche Carrera GT:s kol-keramiska (kiselkarbid) kompositskivbroms

Ett stort intresse har uppstått under senare år för att tillverka keramiska kompositer. Även om det finns ett stort intresse för kompositer med en eller flera icke-keramiska beståndsdelar, ligger den största uppmärksamheten på kompositer där alla beståndsdelar är keramiska. Dessa består typiskt av två keramiska beståndsdelar: en kontinuerlig matris och en dispergerad fas av keramiska partiklar, whiskers eller korta (hackade) eller kontinuerliga keramiska fibrer . Utmaningen, som vid våtkemisk bearbetning, är att erhålla en enhetlig eller homogen fördelning av den dispergerade partikel- eller fiberfasen.

Tänk först på bearbetningen av partikelformiga kompositer. Den partikelformiga fasen av störst intresse är tetragonal zirkoniumoxid på grund av den seghet som kan uppnås från fastransformationen från den metastabila tetragonala till den monokliniska kristallina fasen, aka transformationshärdning. Det finns också ett stort intresse för dispergering av hårda icke-oxidfaser såsom SiC, TiB, TiC, bor , kol och speciellt oxidmatriser som aluminiumoxid och mullit . Det finns också intresse för att införliva andra keramiska partiklar, speciellt de med starkt anisotropisk termisk expansion. Exempel inkluderar Al2O3 , TiO2 , grafit och bornitrid .

Enkristall av kiselkarbid

Vid bearbetning av partikelformiga kompositer handlar det inte bara om homogenitet i storleken och den rumsliga fördelningen av de dispergerade faserna och matrisfasen, utan även kontroll av matriskornstorleken. Det finns dock en viss inbyggd självkontroll på grund av hämning av matriskorntillväxt av den dispergerade fasen. Partikelformiga kompositer, även om de i allmänhet erbjuder ökad motståndskraft mot skada, brott eller båda, är fortfarande ganska känsliga för inhomogeniteter i sammansättningen såväl som andra bearbetningsdefekter såsom porer. Därför behöver de bra bearbetning för att vara effektiva.

Partikelformiga kompositer har tillverkats på kommersiell basis genom att helt enkelt blanda pulver av de två beståndsdelarna. Även om detta tillvägagångssätt i sig är begränsat i den homogenitet som kan uppnås, är det det som är lättast att anpassa för befintlig keramisk produktionsteknik. Men andra tillvägagångssätt är av intresse.

Fräsar av volframkarbid

Ur teknisk synvinkel är ett särskilt önskvärt tillvägagångssätt för tillverkning av partikelformiga kompositer att belägga matrisen eller dess prekursor på fina partiklar av den dispergerade fasen med god kontroll av den dispergerade utgångspartikelstorleken och den resulterande matrisbeläggningstjockleken. Man bör i princip kunna uppnå den ultimata homogeniteten i distributionen och därigenom optimera kompositprestanda. Detta kan också ha andra konsekvenser, såsom att tillåta mer användbar kompositprestanda att uppnås i en kropp med porositet, vilket kan vara önskvärt för andra faktorer, såsom begränsning av värmeledningsförmåga.

Det finns också vissa möjligheter att använda smältbearbetning för tillverkning av kompositer av keramik, partiklar, whisker och kortfibrer och kontinuerliga fibrer. Det är uppenbart att både partikelformiga och whiskerkompositer är tänkbara genom utfällning i fast tillstånd efter stelning av smältan. Detta kan även erhållas i vissa fall genom sintring, som för fällningshärdade, delvis stabiliserade zirkoniumoxider. På liknande sätt är det känt att man kan riktningsstelna keramiska eutektiska blandningar och följaktligen erhålla enaxligt inriktade fiberkompositer. Sådan kompositbearbetning har typiskt varit begränsad till mycket enkla former och lider således av allvarliga ekonomiska problem på grund av höga bearbetningskostnader.

Det är uppenbart att det finns möjligheter att använda smältgjutning för många av dessa tillvägagångssätt. Potentiellt ännu mer önskvärt är att använda smälthärledda partiklar. I denna metod görs härdning i en fast lösning eller i en fin eutektisk struktur, där partiklarna sedan bearbetas med mer typiska keramiska pulverbearbetningsmetoder till en användbar kropp. Det har även gjorts preliminära försök att använda smältsprayning som ett sätt att bilda kompositer genom att införa den dispergerade partikelformiga, whisker- eller fiberfasen i samband med smältsprayningsprocessen.

Andra metoder förutom smältinfiltration för att tillverka keramiska kompositer med långfiberarmering är kemisk ånginfiltration och infiltration av fiberförformer med organisk prekursor , som efter pyrolys ger en amorf keramisk matris, initialt med låg densitet. Med upprepade cykler av infiltration och pyrolys framställs en av dessa typer av keramiska matriskompositer . Kemisk ånginfiltration används för att tillverka kol/kol och kiselkarbid förstärkt med kol- eller kiselkarbidfibrer.

Förutom många processförbättringar är det första av två stora behov för fiberkompositer lägre fiberkostnader. Det andra stora behovet är fiberkompositioner eller beläggningar, eller kompositbearbetning, för att minska nedbrytning som är ett resultat av högtemperaturkompositexponering under oxiderande förhållanden.

Ansökningar

Silikonnitrid thruster. Vänster: Monterad i testbänk. Till höger: Testas med H 2 /O 2 -drivmedel

Produkterna av teknisk keramik inkluderar plattor som används i rymdfärjans program , gasbrännarmunstycken , ballistiskt skydd , kärnbränsleuranoxidpellets, biomedicinska implantat , jetmotors turbinblad och missilnoskoner .

Dess produkter är ofta gjorda av andra material än lera, valda för sina speciella fysiska egenskaper. Dessa kan klassificeras enligt följande:

Keramik kan användas i många tekniska industrier. En tillämpning är de keramiska plattorna på NASA :s rymdfärja, som används för att skydda den och de framtida överljudsrymdplanen från den brännande hettan av återinträde i jordens atmosfär. De används också flitigt inom elektronik och optik. Utöver de applikationer som listas här, används keramik även som beläggning i olika tekniska fall. Ett exempel skulle vara en keramisk lagerbeläggning över en titanram som används för ett flygplan. Nyligen har området kommit att omfatta studier av enkristaller eller glasfibrer, förutom traditionella polykristallina material, och tillämpningarna av dessa har överlappat och förändrats snabbt.

Flyg och rymd

  • Motorer : skyddar en varmgående flygplansmotor från att skada andra komponenter.
  • Flygplansskrov : används som en högspännings-, högtemperatur- och lätt lager- och strukturkomponent.
  • Missilnoskoner: skyddar missilens inre delar från värme.
  • Rymdfärjan plattor
  • Ballistiska sköldar med rymdskräp : vävda sköldar av keramiska fibrer ger bättre skydd mot partiklar med hög hastighet (~7 km/s) än aluminiumsköldar med samma vikt.
  • Raketmunstycken: fokuserar högtemperaturavgaser från raketboostern.
  • Obemannade flygfordon : användning av keramiska motorer i flygtillämpningar (som obemannade flygfordon) kan resultera i förbättrade prestandaegenskaper och lägre driftskostnader.

Biomedicinsk

En höftprotes i titan , med ett keramiskt huvud och en acetabulär kupa av polyeten .

Elektronik

Optisk

Huvudartikel: Transparent keramik

Bil

Biomaterial

Huvudartikel: Biomaterial
DNA-strukturen till vänster (schematiskt visas) kommer att självmontera i strukturen som visualiseras med atomkraftsmikroskopi till höger.

Kiselbildning är ganska vanligt i den biologiska världen och förekommer i bakterier, encelliga organismer, växter och djur (ryggradslösa och ryggradslösa djur). Kristallina mineraler som bildas i en sådan miljö visar ofta exceptionella fysikaliska egenskaper (t.ex. styrka, hårdhet, brottseghet) och tenderar att bilda hierarkiska strukturer som uppvisar mikrostrukturell ordning över ett intervall av längder eller rumsliga skalor. Mineralerna kristalliseras från en miljö som är undermättad med avseende på kisel, och under förhållanden med neutralt pH och låg temperatur (0–40 °C). Bildning av mineralet kan ske antingen inom eller utanför cellväggen hos en organism, och specifika biokemiska reaktioner för mineralavsättning existerar som inkluderar lipider, proteiner och kolhydrater.

De flesta naturliga (eller biologiska) material är komplexa kompositer vars mekaniska egenskaper ofta är enastående, med tanke på de svaga beståndsdelarna från vilka de är sammansatta. Dessa komplexa strukturer, som har rest sig från hundratals miljoner år av evolution, inspirerar designen av nya material med exceptionella fysikaliska egenskaper för hög prestanda under ogynnsamma förhållanden. Deras definierande egenskaper såsom hierarki, multifunktionalitet och förmåga till självläkning undersöks för närvarande.

De grundläggande byggstenarna börjar med de 20 aminosyrorna och fortsätter till polypeptider, polysackarider och polypeptider-sackarider. Dessa utgör i sin tur de grundläggande proteinerna, som är de primära beståndsdelarna i de "mjuka vävnaderna" som är gemensamma för de flesta biomineraler. Med långt över 1000 möjliga proteiner betonar aktuell forskning användningen av kollagen, kitin, keratin och elastin. De "hårda" faserna förstärks ofta av kristallina mineraler, som kärnor och växer i en biomedierad miljö som bestämmer storleken, formen och fördelningen av enskilda kristaller. De viktigaste mineralfaserna har identifierats som hydroxiapatit, kiseldioxid och aragonit . Med hjälp av klassificeringen av Wegst och Ashby har de huvudsakliga mekaniska egenskaperna och strukturerna för biologisk keramik, polymerkompositer, elastomerer och cellulära material presenterats. Utvalda system i varje klass undersöks med tonvikt på förhållandet mellan deras mikrostruktur över en rad längdskalor och deras mekaniska respons.

Sålunda sker kristallisationen av oorganiska material i naturen i allmänhet vid omgivande temperatur och tryck. Ändå kan de livsviktiga organismer genom vilka dessa mineral bildas konsekvent producera extremt exakta och komplexa strukturer. Att förstå processerna i vilka levande organismer styr tillväxten av kristallina mineraler som kiseldioxid kan leda till betydande framsteg inom materialvetenskapen och öppna dörren för nya syntestekniker för nanoskala kompositmaterial, eller nanokompositer.

Den skimrande pärlemorna inuti ett Nautilus -skal.

Högupplösta scanning elektronmikroskop (SEM) observationer utfördes av mikrostrukturen av pärlemor (eller pärlemor ) delen av abalone skal. Dessa skal uppvisar den högsta mekaniska hållfastheten och brottsegheten av alla kända icke-metalliska ämnen. Pärlemor från abalonens skal har blivit en av de mer intensivt studerade biologiska strukturerna inom materialvetenskap. Tydligt synliga i dessa bilder är de prydligt staplade (eller ordnade) mineralplattorna åtskilda av tunna organiska ark tillsammans med en makrostruktur av större periodiska tillväxtband som tillsammans bildar vad forskare för närvarande refererar till som en hierarkisk sammansatt struktur. (Termen hierarki innebär helt enkelt att det finns en rad strukturella egenskaper som finns över ett brett spektrum av längdskalor).

Framtida utveckling ligger i syntesen av bioinspirerade material genom bearbetningsmetoder och strategier som är karakteristiska för biologiska system. Dessa involverar självmontering av komponenterna i nanoskala och utveckling av hierarkiska strukturer.

Se även

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ceramic_engineering&oldid=1139568832 "