Keraami

Keraamisten materiaalien tyypit

Yksinkertaisuuden vuoksi keraamiset tuotteet jaetaan yleensä neljään sektoriin, jotka on esitetty seuraavassa muutamien esimerkkien avulla:

• Rakenteet, mukaan lukien tiilet, putket, lattia- ja kattotiilet
• Tulenkestävät aineet, kuten uunien vuoraukset, kaasupolttotutkat, teräksen ja lasin valmistuksen upokkaat.
• Valkotavarat, mukaan lukien pöytäastiat, seinälaatat, koristeelliset taide-esineet ja saniteettitavarat.
• Tekninen keramiikka tunnetaan myös nimellä tekninen, kehittynyt, erikoiskeramiikka ja Japanissa hienokeramiikka. Tällaisia tuotteita ovat muun muassa avaruussukkulaohjelmassa käytetyt laatat, kaasupolttimen suuttimet, luodinkestävät liivit, ydinpolttoaineen uraanioksidipelletit, biolääketieteelliset implantit, suihkumoottorin turbiinien lavat ja ohjusten kärkikartiot. Usein raaka-aineisiin ei sisälly savea.

Esimerkkejä keramiikasta

• Posliini
• Kovaposliini, joka on poltettu korkeammassa lämpötilassa.
• Pehmeäpintainen posliini, joka on poltettu alhaisemmassa lämpötilassa: Luuposliini
• savi, joka on usein valmistettu savesta, kvartsista ja maasälvästä.
• Kivitavaraa

Teknisen keramiikan luokittelu

Tekninen keramiikka voidaan myös luokitella kolmeen eri materiaaliluokkaan:

• Oksidit: alumiinioksidi, zirkoniumoksidi
• Muut kuin oksidit: karbidit, boridit, nitridit, silisidit.
• Komposiitit: hiukkasvahvistetut, oksidien ja ei-oksidien yhdistelmät.

Kukin näistä luokista voi kehittää ainutlaatuisia materiaaliominaisuuksia.

Avaruussukkulan ulkopinnan simulointi, kun se kuumenee yli 1 500 °C:een palatessaan Maan ilmakehään.

Keramiikan ominaisuudet

Mekaaniset ominaisuudet

Keraamiset materiaalit ovat tavallisesti ionisesti tai kovalenttisesti sidottuja materiaaleja, ja ne voivat olla kiteisiä tai amorfisia. Materiaali, jota pitää koossa jompikumpi sidostyyppi, pyrkii murtumaan (rikkoutumaan) ennen kuin plastinen muodonmuutos tapahtuu, minkä vuoksi näiden materiaalien sitkeys on heikko. Koska näissä materiaaleissa on yleensä paljon huokosia, huokoset ja muut mikroskooppiset epätäydellisyydet toimivat jännityskeskittyminä, mikä heikentää sitkeyttä entisestään ja vähentää vetolujuutta. Nämä yhdessä johtavat katastrofaalisiin vikaantumisiin, toisin kuin metallien tavallisesti paljon hellävaraisemmat vikaantumistavat.

Näissä materiaaleissa esiintyy plastista muodonmuutosta. Kiteisten materiaalien jäykän rakenteen vuoksi dislokaatioilla on kuitenkin hyvin vähän käytettävissä olevia liukusysteemejä liikkua, joten ne deformoituvat hyvin hitaasti. Ei-kiteisissä (lasimaisissa) materiaaleissa viskoosinen virtaus on plastisen muodonmuutoksen pääasiallinen lähde, ja se on myös hyvin hidasta. Tämän vuoksi sitä ei oteta huomioon monissa keraamisten materiaalien sovelluksissa.

Sähköiset ominaisuudet

Puolijohteet

Monet keraamiset aineet ovat puolijohteita. Useimmat näistä ovat siirtymämetallioksideja, jotka ovat II-VI-puolijohteita, kuten sinkkioksidi.

Vaikka on puhuttu sinisten LEDien valmistamisesta sinkkioksidista, keramiikan asiantuntijat ovat eniten kiinnostuneita sähköisistä ominaisuuksista, joissa näkyvät raerajavaikutukset. Yksi näistä yleisimmin käytetyistä ominaisuuksista on varistori.

Puolijohdekeramiikkaa käytetään myös kaasuantureina. Kun erilaisia kaasuja johdetaan monikiteisen keraamisen aineen yli, sen sähköinen vastus muuttuu. Mahdollisten kaasusekoitusten virittämisellä voidaan valmistaa hyvin halpoja laitteita.

Suprajohtavuus

Joissakin olosuhteissa, kuten erittäin alhaisissa lämpötiloissa, jotkin keraamiset aineet ovat suprajohtavia. Tarkkaa syytä tähän ei tiedetä, mutta suprajohtavia keraameja on kaksi suurta perhettä.

Ferrosähköisyys ja sen sukulaiset

Pietsosähköisyyttä, sähköisen ja mekaanisen vasteen välistä yhteyttä, esiintyy monissa keraamisissa materiaaleissa, kuten kellojen ja muun elektroniikan ajanmittaukseen käytettävässä kvartsissa. Tällaiset laitteet muuttavat sähkön mekaaniseksi liikkeeksi ja takaisin, jolloin syntyy vakaa oskillaattori.

Pietsosähköinen vaikutus on yleensä voimakkaampi materiaaleissa, jotka ovat myös pyrosähköisiä, ja kaikki pyrosähköiset materiaalit ovat myös pietsosähköisiä. Näitä materiaaleja voidaan käyttää lämpöenergian, mekaanisen energian ja/tai sähköenergian muuntamiseen; esimerkiksi uunissa syntetisoidun pyrosähköisen kiteen, jonka annetaan jäähtyä ilman jännitettä, muodostuu yleensä tuhansien volttien staattinen varaus. Tällaisia materiaaleja käytetään liiketunnistimissa, joissa huoneeseen tulevan lämpimän kehon aiheuttama pieni lämpötilan nousu riittää tuottamaan kiteessä mitattavan jännitteen.

Pyrosähköisyys puolestaan näkyy voimakkaimmin materiaaleissa, joissa esiintyy myös ferrosähköinen ilmiö, jossa vakaa sähköinen dipoli voidaan suunnata tai kääntää sähköstaattisen kentän avulla. Pyrosähköisyys on myös ferrosähköisyyden välttämätön seuraus. Sitä voidaan käyttää tiedon tallentamiseen ferrosähköisiin kondensaattoreihin, ferrosähköisen RAM-muistin elementteihin.

Yleisimpiä tällaisia materiaaleja ovat lyijy-zirkonaattititanaatti ja bariumtitanaatti. Edellä mainittujen käyttötarkoitusten lisäksi niiden voimakasta pietsosähköistä vastetta hyödynnetään korkeataajuisten kaiuttimien, kaikuluotaimen antureiden sekä atomivoima- ja pyyhkäisytunnelimikroskooppien toimilaitteiden suunnittelussa.

Positiivinen lämpökerroin

Lämpötilan nousu voi aiheuttaa raerajojen muuttumisen yhtäkkiä eristäviksi joissakin puolijohtavissa keraamisissa materiaaleissa, jotka ovat useimmiten raskasmetallien titanaattiseoksia. Kriittistä siirtymälämpötilaa voidaan säätää laajalla alueella kemian vaihteluilla. Tällaisissa materiaaleissa virta kulkee materiaalin läpi, kunnes joule-kuumeneminen nostaa sen siirtymälämpötilaan, jolloin virtapiiri katkeaa ja virran kulku lakkaa. Tällaisia keraamisia käytetään itseohjautuvina lämmityselementteinä esimerkiksi autojen takaikkunoiden sulatuspiireissä.

Siirtymälämpötilassa materiaalin dielektrinen vaste muuttuu teoreettisesti äärettömäksi. Vaikka lämpötilan hallinnan puute sulkee pois materiaalin käytännön käytön lähellä kriittistä lämpötilaa, dielektrinen vaikutus pysyy poikkeuksellisen voimakkaana myös paljon korkeammissa lämpötiloissa. Titanaateista, joiden kriittiset lämpötilat ovat paljon alle huoneenlämpötilan, on tullut keraamisten kondensaattoreiden yhteydessä "keraamisen" synonyymi juuri tästä syystä.

Keramiikan luokittelu

Kiteytymätön keramiikka: Kiteettömät keraamiset, jotka ovat laseja, muodostuvat yleensä sulasta. Lasi muotoillaan joko täysin sulana valamalla tai toffeemaiseen viskositeettiin sulatettuna esimerkiksi puhaltamalla muottiin. Jos tämä luokka muuttuu myöhempien lämpökäsittelyjen seurauksena osittain kiteiseksi, tuloksena syntyvää materiaalia kutsutaan lasikeramiikaksi.

Kiteinen keramiikka: Kiteiset keraamiset materiaalit eivät sovellu monenlaiseen käsittelyyn. Niiden käsittelymenetelmät jakautuvat yleensä jompaankumpaan kahteen ryhmään: joko valmistetaan keramiikka haluttuun muotoon reaktiolla paikan päällä tai "muotoillaan" jauheet haluttuun muotoon ja sintrataan sitten kiinteäksi kappaleeksi. Keraamisia muotoilutekniikoita ovat käsin muokkaaminen (joskus myös "heittämiseksi" kutsuttu pyöritysprosessi), liukuvalu, nauhavalu (jota käytetään hyvin ohuiden keraamisten kondensaattoreiden jne. valmistukseen), ruiskuvaluprosessi, kuivapuristus ja muut muunnelmat. (Katso myös Keraamiset muokkaustekniikat. Näiden prosessien yksityiskohtia kuvataan kahdessa jäljempänä luetellussa kirjassa). Muutamissa menetelmissä käytetään näiden kahden lähestymistavan yhdistelmää.

In situ valmistus

Tätä menetelmää käytetään yleisimmin sementin ja betonin valmistuksessa. Tällöin kuivatut jauheet sekoitetaan veteen. Tämä käynnistää hydrataatioreaktiot, joiden tuloksena muodostuu pitkiä, toisiinsa liittyviä kiteitä kiviaineksen ympärille. Ajan myötä näistä muodostuu kiinteä keramiikka.

Suurin ongelma tässä menetelmässä on se, että useimmat reaktiot ovat niin nopeita, että hyvä sekoittuminen ei ole mahdollista, mikä yleensä estää laajamittaisen rakentamisen. Pienimuotoisia järjestelmiä voidaan kuitenkin valmistaa laskeutumistekniikoilla, joissa eri materiaalit tuodaan alustan yläpuolelle, reagoivat ja muodostavat keraamisen materiaalin alustalle. Tämä tekniikka on lainattu puolijohdeteollisuudesta, kuten kemiallinen kaasufaasipinnoitus, ja se on erittäin käyttökelpoinen pinnoitteissa.

Nämä tuottavat yleensä hyvin tiheää keramiikkaa, mutta hitaasti.

Sintraukseen perustuvat menetelmät

Sintraukseen perustuvien menetelmien periaate on yksinkertainen. Kun karkeasti koottu esine (jota kutsutaan "vihreäksi kappaleeksi") on valmistettu, se paistetaan uunissa, jossa diffuusioprosessit saavat vihreän kappaleen kutistumaan. Kappaleen huokoset sulkeutuvat, jolloin tuotteesta tulee tiiviimpi ja lujempi. Poltto tapahtuu lämpötilassa, joka on alle keraamisen aineen sulamispisteen. Huokoisuutta jää käytännössä aina jonkin verran, mutta tämän menetelmän todellinen etu on se, että raakakappale voidaan valmistaa millä tahansa kuviteltavissa olevalla tavalla ja silti sintrattavaksi. Tämä tekee siitä erittäin monipuolisen menetelmän.

Tätä prosessia voidaan tarkentaa tuhansilla eri tavoilla. Joihinkin yleisimpiin kuuluu vihreän kappaleen puristaminen, jotta tiivistyminen pääsisi etenemään ja tarvittava sintrausaika lyhenisi. Joskus lisätään orgaanisia sideaineita, kuten polyvinyylialkoholia, pitämään raakakappale kasassa; ne palavat pois polton aikana (200-350 °C:ssa). Joskus orgaanisia voiteluaineita lisätään puristamisen aikana tiivistymisen lisäämiseksi. Ei ole harvinaista, että nämä yhdistetään ja että side- ja voiteluaineet lisätään jauheeksi ja sitten puristetaan. (Näiden orgaanisten kemiallisten lisäaineiden formulointi on oma taiteenlajinsa). Tämä on erityisen tärkeää korkean suorituskyvyn omaavien keraamisten tuotteiden valmistuksessa, joita käytetään miljardeja elektroniikassa, kondensaattoreissa, induktoreissa, antureissa jne. Elektroniikassa yleisimmin käytetyt erikoisvalmisteet on esitetty yksityiskohtaisesti kirjassa "Tape Casting", kirjoittanut R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). Kattava kirja aiheesta sekä mekaanisia että elektronisia sovelluksia varten on D. J. Shanefieldin "Organic Additives and Ceramic Processing", Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Jauheen sijasta voidaan käyttää lietettä, joka valetaan haluttuun muotoon, kuivataan ja sintrataan. Perinteinen keramiikka tehdäänkin tämäntyyppisellä menetelmällä, jossa käytetään käsin työstettyä muoviseosta.

Jos keramiikassa käytetään eri materiaalien seosta yhdessä, sintrauslämpötila on joskus yhden pienemmän komponentin sulamispisteen yläpuolella - kyseessä on nestefaasisintraus. Tämä johtaa lyhyempiin sintrausaikoihin verrattuna kiinteän faasin sintraukseen.

Muut keramiikan sovellukset

• Jotkut veitset ovat keraamisia. Keraaminen veitsenterä pysyy terävänä paljon pidempään kuin teräs, mutta se on hauraampi ja voi katketa pudottamalla sen kovalle pinnalle.

• Keraamisia aineita, kuten alumiinioksidia ja boorikarbidia, on käytetty suojapanssareissa luoteja hylkivinä aineina. Samanlaista materiaalia käytetään joidenkin sotilaslentokoneiden ohjaamoiden suojaamiseen materiaalin alhaisen painon vuoksi.

• Keraamisilla kuulilla voidaan korvata teräs kuulalaakereissa. Suuremman kovuutensa ansiosta ne kestävät kolminkertaisesti kauemmin. Ne myös deformoituvat vähemmän kuormituksessa, mikä tarkoittaa, että ne ovat vähemmän kosketuksissa laakeripesän seinämiin ja voivat rullata nopeammin. Erittäin suurten nopeuksien sovelluksissa kitkan aiheuttama lämpö voi aiheuttaa ongelmia metallilaakereille; keraamien käyttö vähentää näitä ongelmia. Keramiikka on myös kemiallisesti kestävämpää, ja sitä voidaan käyttää kosteissa ympäristöissä, joissa teräslaakerit ruostuisivat. Suurin haittapuoli keramiikan käytössä ovat korkeat kustannukset.

• 1980-luvun alussa Toyota tutki adiabaattista keraamista moottoria, joka voi toimia yli 3300 °C:n (6000 °F) lämpötilassa. Keraamiset moottorit eivät vaadi jäähdytysjärjestelmää, joten niiden avulla voidaan vähentää merkittävästi painoa ja siten parantaa polttoainetehokkuutta. Kuumemman moottorin polttoainetehokkuus on myös suurempi Carnot'n lauseen mukaan. Metallimoottorissa suuri osa polttoaineesta vapautuvasta energiasta on haihdutettava hukkalämpönä, jotta se ei sulata metalliosia. Kaikista näistä toivottavista ominaisuuksista huolimatta tällaisia moottoreita ei ole tuotannossa, koska keraamisten osien valmistaminen vaaditulla tarkkuudella ja kestävyydellä on vaikeaa. Keraamiset virheet aiheuttavat halkeamia, jotka voivat tuhota moottorin, mahdollisesti räjähdyksen seurauksena. Massatuotanto ei ole mahdollista nykyisellä tekniikalla.

• Kaasuturbiinimoottoreiden keraamiset osat voivat olla käytännöllisiä. Tällä hetkellä jopa moottoreiden kuumassa osassa käytettävät kehittyneistä metalliseoksista valmistetut siivet vaativat jäähdytystä ja käyttölämpötilan huolellista rajoittamista. Keraamisilla materiaaleilla valmistetut turbiinimoottorit voisivat toimia tehokkaammin, jolloin lentokoneet saisivat suuremman kantaman ja hyötykuorman tietyllä polttoainemäärällä.

• Biokeramiikkaan kuuluvat hammasimplantit ja synteettiset luut. Hydroksiapatiittia, luun luonnollista mineraaliainesta, on valmistettu synteettisesti useista biologisista ja kemiallisista lähteistä, ja sitä voidaan muokata keraamisiksi materiaaleiksi. Näistä materiaaleista valmistetut ortopediset implantit kiinnittyvät helposti luuhun ja muihin kehon kudoksiin ilman hylkimistä tai tulehdusreaktioita. Tämän vuoksi ne ovat erittäin kiinnostavia geeninsiirron ja kudostekniikan telineitä. Useimmat hydroksiapatiittikeramiikat ovat hyvin huokoisia, eikä niillä ole mekaanista lujuutta, ja niitä käytetään metallisten ortopedisten laitteiden päällystämiseen luuhun kiinnittymisen helpottamiseksi tai luun täyteaineina. Niitä käytetään myös ortopedisten muoviruuvien täyteaineina, jotka auttavat vähentämään tulehdusta ja lisäämään näiden muovimateriaalien imeytymistä. Parhaillaan tehdään työtä vahvojen, täysin tiiviiden nanokiteisten hydroksiapatiittikeraamisten materiaalien valmistamiseksi ortopedisiin painonsiirtolaitteisiin, jolloin vieraat metalli- ja muoviset ortopediset materiaalit korvataan synteettisellä, mutta luonnossa esiintyvällä luun mineraalilla. Lopulta näitä keraamisia materiaaleja voidaan käyttää luun korvikkeina tai proteiinikollageenien avulla synteettisinä luina.

• Kellojen koteloissa käytetään huipputekniikan keramiikkaa. Materiaalia arvostetaan sen keveyden, naarmuuntumattomuuden, kestävyyden ja pehmeän tuntuman vuoksi. IWC on yksi niistä tuotemerkeistä, jotka aloittivat keraamisen materiaalin käytön kelloteollisuudessa.