stringtranslate.com

Керамика

Краткая хронология керамики в разных стилях

Керамика — это любой из различных твердых, хрупких , термостойких и коррозионно-стойких материалов, изготовленных путем формования и последующего обжига неорганического, неметаллического материала, такого как глина , при высокой температуре. [1] [2] Распространенными примерами являются фаянс , фарфор и кирпич .

Самая ранняя керамика, сделанная людьми, представляла собой обожженные глиняные кирпичи, которые использовались для строительства стен домов и других сооружений. Другие керамические предметы, такие как горшки, сосуды, вазы и статуэтки, изготавливались из глины , либо самой по себе, либо в смеси с другими материалами, такими как кремний , закаленный путем спекания в огне. Позже керамику покрывали глазурью и обжигали для создания гладких цветных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стекловидных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек. [3] Керамика в настоящее время включает бытовые, промышленные и строительные изделия, а также широкий спектр материалов, разработанных для использования в передовой керамической инженерии, таких как полупроводники .

Слово керамика происходит от древнегреческого слова κεραμικός ( keramikós ), означающего «из или для керамики» [4] (от κέραμος ( kéramos )  «гончарная глина, плитка, керамика»). [5] Самое раннее известное упоминание корня ceram- - это микенское греческое слово ke-ra-me-we , рабочие керамики, написанное линейным слоговым письмом B. [6] Слово керамика может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или оно может использоваться как существительное, как единственное число, так и, что более распространено, как множественное число существительное керамика . [7]

Материалы

Ракетный двигатель на основе нитрида кремния. Слева: установлен на испытательном стенде. Справа: проходит испытания с топливом H 2 /O 2 .

Керамический материал — это неорганический, металлический оксид, нитрид или карбидный материал. Некоторые элементы, такие как углерод или кремний , можно считать керамикой. Керамические материалы хрупкие, твердые, прочные на сжатие и слабые на сдвиг и растяжение. Они выдерживают химическую эрозию, которая происходит в других материалах, подвергающихся воздействию кислотных или едких сред. Керамика, как правило, может выдерживать очень высокие температуры в диапазоне от 1000 °C до 1600 °C (от 1800 °F до 3000 °F).

Микрофотография SEM с малым увеличением передового керамического материала. Свойства керамики делают разрушение важным методом проверки.

Кристалличность керамических материалов сильно различается. Чаще всего обожженная керамика либо остекловывается , либо полуостекловывается, как в случае с фаянсом, камнем и фарфором. Различная кристалличность и электронный состав в ионных и ковалентных связях приводят к тому, что большинство керамических материалов являются хорошими тепло- и электроизоляторами ( исследуется в керамической инженерии ). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава/структуры керамики (почти все элементы, почти все типы связей и все уровни кристалличности) широта предмета огромна, и идентифицируемые атрибуты ( твердость , прочность , электропроводность ) трудно определить для группы в целом. Общие свойства, такие как высокая температура плавления, высокая твердость, плохая проводимость, высокие модули упругости , химическая стойкость и низкая пластичность, являются нормой, [8] с известными исключениями из каждого из этих правил ( пьезоэлектрическая керамика , температура стеклования , сверхпроводящая керамика ).

Композитные материалы, такие как стекловолокно и углеродное волокно , хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью керамического семейства. [9]

Высокоориентированные кристаллические керамические материалы не поддаются широкому диапазону обработки. Методы работы с ними, как правило, попадают в одну из двух категорий: либо изготовление керамики в желаемой форме путем реакции in situ , либо «формование» порошков в желаемую форму с последующим спеканием для формирования твердого тела. Методы формования керамики включают формование вручную (иногда включая процесс вращения, называемый «бросанием»), шликерное литье , ленточное литье (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов), литье под давлением , сухое прессование и другие вариации.

Многие эксперты по керамике не считают материалы с аморфным (некристаллическим) характером (например, стекло) керамикой, хотя производство стекла включает несколько этапов керамического процесса и его механические свойства аналогичны свойствам керамических материалов. Однако термическая обработка может превратить стекло в полукристаллический материал, известный как стеклокерамика . [10]

Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит , тогда как более поздние материалы включают оксид алюминия, более известный как глинозем . Современные керамические материалы, которые классифицируются как передовая керамика, включают карбид кремния и карбид вольфрама . Оба ценятся за свою стойкость к истиранию и поэтому используются в таких областях, как износостойкие пластины дробильного оборудования в горнодобывающей промышленности. Передовая керамика также используется в медицинской, электротехнической, электронной и броневой промышленности.

История

Самые ранние известные керамические изделия — граветтианские статуэтки, датируемые 29 000–25 000 гг. до н. э.

Люди, по-видимому, изготавливали собственную керамику по меньшей мере 26 000 лет назад, подвергая глину и кремний сильному нагреву для сплавления и формирования керамических материалов. Самые ранние из найденных на сегодняшний день были в южной части Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду. [11] Самая ранняя известная керамика была изготовлена ​​путем смешивания продуктов животного происхождения с глиной и обжига ее при температуре до 800 °C (1500 °F). Хотя были найдены фрагменты керамики возрастом до 19 000 лет, обычная керамика стала распространенной только примерно 10 000 лет спустя. Ранний народ, который распространился по большей части Европы, назван в честь своего использования керамики: культура шнуровой керамики . Эти ранние индоевропейские народы украшали свою керамику, обматывая ее веревкой, пока она была еще влажной. Когда керамику обжигали, веревка сгорала, но оставляла на поверхности декоративный узор из сложных канавок.

Керамика культуры шнуровой керамики, датируемая 2500 годом до н.э.

Изобретение круга в конечном итоге привело к производству более гладкой, более ровной керамики с использованием техники формовки круга (бросания), как на гончарном круге . Ранняя керамика была пористой, легко впитывающей воду. Она стала полезной для большего количества предметов с открытием методов глазурования , которые включали покрытие керамики кремнием, костяной золой или другими материалами, которые могли плавиться и преобразовываться в стекловидную поверхность, делая сосуд менее проницаемым для воды.

Археология

Керамические артефакты играют важную роль в археологии для понимания культуры, технологий и поведения людей прошлого. Они являются одними из самых распространенных артефактов, которые можно найти на археологических раскопках, как правило, в виде небольших фрагментов разбитой керамики, называемых черепками . Обработка собранных черепков может соответствовать двум основным типам анализа: техническому и традиционному.

Традиционный анализ включает сортировку керамических артефактов, черепков и более крупных фрагментов по определенным типам на основе стиля, состава, производства и морфологии. Создавая эти типологии, можно различать различные культурные стили, назначение керамики и технологическое состояние людей, среди прочих выводов. Кроме того, рассматривая стилистические изменения в керамике с течением времени, можно разделить (сериализовать) керамику на отдельные диагностические группы (ассоциации). Сравнение керамических артефактов с известными датированными ассоциациями позволяет хронологически назначать эти части. [12]

Технический подход к анализу керамики включает более тонкое исследование состава керамических артефактов и черепков для определения источника материала и, посредством этого, возможного места производства. Ключевыми критериями являются состав глины и закалка, используемая при изготовлении исследуемого изделия: закалка — это материал, добавляемый к глине на начальном этапе производства и используемый для облегчения последующего процесса сушки. Типы закалки включают в себя куски ракушек , фрагменты гранита и измельченные черепки, называемые « шамот ». Закалка обычно определяется путем микроскопического исследования закаленного материала. Идентификация глины определяется процессом повторного обжига керамики и присвоения ей цвета с использованием нотации цвета почвы Манселла . Оценивая как состав глины, так и закалку и находя область, где, как известно, встречаются оба, можно сделать назначение источника материала. На основании назначения источника артефакта можно провести дальнейшие исследования места изготовления.

Характеристики

Физические свойства любого керамического вещества являются прямым результатом его кристаллической структуры и химического состава. Химия твердого тела раскрывает фундаментальную связь между микроструктурой и свойствами, такими как локализованные изменения плотности, распределение размеров зерен, тип пористости и содержание второй фазы, которые могут быть соотнесены с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ по уравнению Холла-Петча, твердость , ударная вязкость , диэлектрическая проницаемость и оптические свойства, демонстрируемые прозрачными материалами .

Керамография — это искусство и наука подготовки, исследования и оценки керамических микроструктур. Оценка и характеристика керамических микроструктур часто реализуются в пространственных масштабах, аналогичных тем, которые обычно используются в новой области нанотехнологий: от нанометров до десятков микрометров (мкм). Обычно это где-то между минимальной длиной волны видимого света и пределом разрешения невооруженного глаза.

Микроструктура включает большинство зерен, вторичных фаз, границ зерен, пор, микротрещин, структурных дефектов и микровмятин твердости. Большинство объемных механических, оптических, термических, электрических и магнитных свойств в значительной степени зависят от наблюдаемой микроструктуры. Метод изготовления и условия процесса обычно указываются микроструктурой. Основная причина многих керамических разрушений очевидна в сколотой и полированной микроструктуре. Физические свойства, которые составляют область материаловедения и инженерии , включают следующее:

Механические свойства

Режущие диски из карбида кремния

Механические свойства важны для конструкционных и строительных материалов, а также текстильных тканей. В современном материаловедении механика разрушения является важным инструментом для улучшения механических характеристик материалов и компонентов. Она применяет физику напряжения и деформации , в частности теории упругости и пластичности , к микроскопическим кристаллографическим дефектам, обнаруженным в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое разрушение тел. Фрактография широко используется с механикой разрушения для понимания причин разрушений, а также для проверки теоретических прогнозов разрушений с реальными разрушениями.

Керамические материалы обычно являются материалами с ионными или ковалентными связями. Материал, удерживаемый вместе любым типом связи, будет иметь тенденцию к разрушению до того, как произойдет какая-либо пластическая деформация , что приводит к плохой прочности этих материалов. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений , еще больше снижая прочность и уменьшая прочность на разрыв . Они объединяются, чтобы дать катастрофические отказы , в отличие от более пластичных режимов отказа металлов.

Эти материалы демонстрируют пластическую деформацию . Однако из-за жесткой структуры кристаллического материала существует очень мало доступных систем скольжения для перемещения дислокаций , и поэтому они деформируются очень медленно.

Для преодоления хрупкого поведения разработка керамических материалов ввела класс керамических матричных композитных материалов, в которые встроены керамические волокна и с определенными покрытиями образуют волоконные мосты через любую трещину. Этот механизм существенно увеличивает вязкость разрушения такой керамики. Керамические дисковые тормоза являются примером использования керамического матричного композитного материала, изготовленного с помощью определенного процесса.

Ученые работают над разработкой керамических материалов, которые могут выдерживать значительную деформацию без разрушения. Первый такой материал, который может деформироваться при комнатной температуре, был найден в 2024 году. [13]

Ледяная темплатация для улучшения механических свойств

Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может пройти процесс, называемый ледяным шаблоном , который позволяет в некоторой степени контролировать микроструктуру керамического продукта и, следовательно, в некоторой степени контролировать механические свойства. Инженеры-керамисты используют эту технику для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. В частности, прочность увеличивается при использовании этой техники. Ледяной шаблон позволяет создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этой техники укрепления оксида важно для твердооксидных топливных элементов и устройств фильтрации воды . [14]

Для обработки образца посредством ледяного шаблона готовят водную коллоидную суспензию , содержащую растворенный керамический порошок, равномерно распределенный по всему коллоиду, [ требуется разъяснение ], например, стабилизированный иттрием цирконий (YSZ). Затем раствор охлаждают снизу вверх на платформе, которая обеспечивает однонаправленное охлаждение. Это заставляет кристаллы льда расти в соответствии с однонаправленным охлаждением, и эти кристаллы льда вытесняют растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания [ требуется разъяснение ] границы раздела твердое тело-жидкость, в результате чего чистые кристаллы льда выстраиваются в однонаправленном направлении рядом с концентрированными карманами коллоидных частиц. Затем образец нагревают, и в то же время давление понижают достаточно, чтобы заставить кристаллы льда сублимироваться , а карманы YSZ начинают отжигаться вместе, образуя макроскопически выровненные керамические микроструктуры. Затем образец дополнительно спекают для завершения испарения остаточной воды и окончательного уплотнения керамической микроструктуры. [ требуется цитата ]

Во время ледяного темплатирования можно контролировать несколько переменных, чтобы влиять на размер пор и морфологию микроструктуры. Этими важными переменными являются начальная загрузка твердых частиц коллоида, скорость охлаждения, температура и продолжительность спекания, а также использование определенных добавок, которые могут влиять на микроструктурную морфологию во время процесса. Хорошее понимание этих параметров необходимо для понимания взаимосвязей между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно пористых материалов. [15]

Электрические свойства

Полупроводники

Некоторые виды керамики являются полупроводниками . Большинство из них являются оксидами переходных металлов , которые являются полупроводниками II-VI, такими как оксид цинка . Хотя есть перспективы массового производства синих светодиодов из оксида цинка, керамисты больше всего интересуются электрическими свойствами, которые демонстрируют эффекты границ зерен . Одним из наиболее широко используемых из них является варистор. Это устройства, которые демонстрируют свойство резкого падения сопротивления при определенном пороговом напряжении . Как только напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит пробой электрической структуры [ необходимо разъяснение ] вблизи границ зерен, что приводит к падению его электрического сопротивления с нескольких мегаом до нескольких сотен ом . Главным преимуществом этих устройств является то, что они могут рассеивать много энергии и самовосстанавливаться; после того, как напряжение на устройстве падает ниже порогового значения, его сопротивление возвращается к высокому значению. Это делает их идеальными для защиты от перенапряжения ; поскольку существует контроль над пороговым напряжением и допустимой энергией, они находят применение во всех видах приложений. Лучшую демонстрацию их возможностей можно найти на электрических подстанциях , где они используются для защиты инфраструктуры от ударов молнии . Они имеют быструю реакцию, требуют минимального обслуживания и не деградируют заметно от использования, что делает их практически идеальными устройствами для этого применения. Полупроводниковая керамика также используется в качестве газовых датчиков . Когда различные газы пропускаются через поликристаллическую керамику, ее электрическое сопротивление изменяется. С настройкой на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.

Сверхпроводимость

Эффект Мейснера , продемонстрированный путем левитации магнита над купратным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом.

При некоторых условиях, таких как экстремально низкие температуры, некоторые виды керамики проявляют высокотемпературную сверхпроводимость (в сверхпроводимости «высокая температура» означает выше 30 К). Причина этого не понята, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Сегнетоэлектричество и супермножества

Пьезоэлектричество , связь между электрическим и механическим откликом, проявляется во многих керамических материалах, включая кварц, используемый для измерения времени в часах и другой электронике. Такие устройства используют оба свойства пьезоэлектриков, используя электричество для создания механического движения (питания устройства), а затем используя это механическое движение для создания электричества (генерации сигнала). Единицей измерения времени является естественный интервал, необходимый для преобразования электричества в механическую энергию и обратно.

Пьезоэлектрический эффект обычно сильнее в материалах, которые также проявляют пироэлектричество , и все пироэлектрические материалы также являются пьезоэлектриками. Эти материалы могут использоваться для взаимного преобразования тепловой, механической или электрической энергии; например, после синтеза в печи пироэлектрический кристалл, которому дают остыть без приложенного напряжения, обычно накапливает статический заряд в тысячи вольт. Такие материалы используются в датчиках движения , где крошечного повышения температуры от теплого тела, входящего в комнату, достаточно, чтобы создать измеримое напряжение в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее сильно проявляется в материалах, которые также демонстрируют сегнетоэлектрический эффект , в котором стабильный электрический диполь может быть ориентирован или обращен путем приложения электростатического поля. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в сегнетоэлектрических конденсаторах , элементах сегнетоэлектрической оперативной памяти .

Наиболее распространенными такими материалами являются цирконат-титанат свинца и титанат бария . Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется в разработке высокочастотных громкоговорителей , преобразователей для сонаров и приводов для атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов .

Положительный термический коэффициент

Повышение температуры может привести к тому, что границы зерен внезапно станут изолирующими в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном смесях титанатов тяжелых металлов . Критическую температуру перехода можно регулировать в широком диапазоне путем изменения химии. В таких материалах ток будет проходить через материал до тех пор, пока джоулев нагрев не доведет его до температуры перехода, после чего цепь будет разорвана и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулирующихся нагревательных элементов, например, в цепях размораживания заднего стекла автомобилей.

При температуре перехода диэлектрический отклик материала становится теоретически бесконечным. Хотя отсутствие контроля температуры исключило бы любое практическое использование материала вблизи его критической температуры, диэлектрический эффект остается исключительно сильным даже при гораздо более высоких температурах. Титанаты с критическими температурами намного ниже комнатной стали синонимом слова «керамика» в контексте керамических конденсаторов именно по этой причине.

Оптические свойства

Ксеноновая дуговая лампа Cermax с выходным окном из синтетического сапфира

Оптически прозрачные материалы фокусируются на реакции материала на входящие световые волны диапазона длин волн. Частотно-селективные оптические фильтры могут использоваться для изменения или повышения яркости и контрастности цифрового изображения. Направляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стекловидных композиций выступать в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с небольшими или нулевыми помехами между конкурирующими длинами волн или частотами. Этот резонансный режим передачи энергии и данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн , хотя и маломощный, практически не имеет потерь. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах (например , светодиоды ) или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах связи. Также для начинающего ученого-материаловеда ценна чувствительность материалов к излучению в тепловой инфракрасной (ИК) части электромагнитного спектра . Эта способность к поиску тепла отвечает за такие разнообразные оптические явления, как ночное видение и ИК- люминесценция .

Таким образом, в военном секторе растет потребность в высокопрочных, надежных материалах, которые способны пропускать свет ( электромагнитные волны ) в видимой (0,4–0,7 мкм) и средней инфракрасной (1–5 мкм) областях спектра. Эти материалы необходимы для приложений, требующих прозрачной брони, включая высокоскоростные ракеты и контейнеры следующего поколения, а также для защиты от самодельных взрывных устройств (СВУ).

В 1960-х годах ученые из General Electric (GE) обнаружили, что при правильных условиях производства некоторые виды керамики, особенно оксид алюминия (глинозем), можно сделать полупрозрачными . Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для удержания электрической плазмы, генерируемой в уличных натриевых фонарях высокого давления . За последние два десятилетия были разработаны дополнительные типы прозрачной керамики для таких применений, как носовые обтекатели для ракет с тепловым наведением , окна для истребителей и сцинтилляционные счетчики для сканеров компьютерной томографии . Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты в своем составе, чем те, что указаны выше, включают формы нескольких химических соединений, в том числе:

  1. Титанат бария : (часто в смеси с титанатом стронция ) проявляет сегнетоэлектричество , что означает, что его механические, электрические и тепловые реакции
  2. Сиалон (кремнийалюминиевый оксинитрид) обладает высокой прочностью, устойчивостью к тепловому удару, химической и износостойкостью, а также низкой плотностью. Эта керамика используется в обработке цветных расплавленных металлов, сварных штифтах и ​​химической промышленности.
  3. Карбид кремния (SiC) используется в качестве токоприемника в микроволновых печах, широко используемого абразива и огнеупорного материала .
  4. Нитрид кремния ( Si3N4 ) используется в качестве абразивного порошка .
  5. Стеатит (силикаты магния) используется в качестве электроизолятора .
  6. Карбид титана Используется в защитных экранах космических челноков и часах, устойчивых к царапинам.
  7. Оксид урана (U2O2 ) , используемый в качестве топлива в ядерных реакторах .
  8. Оксид иттрия-бария-меди (Y Ba 2 Cu 3 O 7−x ), высокотемпературный сверхпроводник .
  9. Оксид цинка ( ZnO ), который является полупроводником и используется в конструкции варисторов .
  10. Диоксид циркония (цирконий), который в чистом виде претерпевает множество фазовых переходов между комнатной температурой и практическими температурами спекания , может быть химически «стабилизирован» в нескольких различных формах. Его высокая проводимость ионов кислорода рекомендует его для использования в топливных элементах и ​​автомобильных кислородных датчиках . В другом варианте метастабильные структуры могут придавать трансформационную жесткость для механических применений; большинство керамических лезвий ножей изготовлены из этого материала. Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) гораздо менее хрупок, чем другие виды керамики, и используется для инструментов для формовки металла, клапанов и вкладышей, абразивных суспензий, кухонных ножей и подшипников, подверженных сильному истиранию. [16]

Продукция

По использованию

Для удобства керамические изделия обычно делят на четыре основных типа; ниже они показаны с некоторыми примерами: [17]

  1. Конструкционные, включая кирпичи , трубы , напольную и кровельную плитку , керамическую плитку
  2. Огнеупорные материалы , такие как футеровка печей , газовые обогреватели, тигли для производства стали и стекла
  3. Изделия из белого фарфора, включая столовые приборы , кухонную утварь, настенную плитку, керамические изделия и сантехнику [18]
  4. Техническая, также известная как инженерная, передовая, специальная и тонкая керамика. К таким предметам относятся:

Керамика из глины

Часто в состав сырья для современной керамики не входят глины. [19] Те, в которых они есть, классифицируются следующим образом:

  1. Фаянс , обожженный при более низких температурах, чем другие виды
  2. Керамические изделия , стекловидные или полустеклянные
  3. Фарфор , содержащий большое количество каолина.
  4. костяной фарфор

Классификация

Керамику также можно разделить на три отдельные категории материалов:

  1. Оксиды : оксид алюминия , бериллий , церий , цирконий
  2. Неоксиды: карбид , борид , нитрид , силицид
  3. Композитные материалы : армированные дисперсными частицами, армированные волокнами , комбинации оксидов и неоксидов.

Каждый из этих классов может быть развит в уникальные свойства материалов.

Приложения

Кухонный нож с керамическим лезвием
Техническая керамика, используемая в качестве прочного верхнего материала на вставке безеля часов для дайвинга
  1. Лезвия ножей: лезвие керамического ножа останется острым гораздо дольше, чем лезвие стального ножа, хотя оно более хрупкое и подвержено поломкам.
  2. Углерод-керамические тормозные диски для транспортных средств: высокая устойчивость к снижению эффективности торможения при высоких температурах.
  3. Для большинства современных боевых бронированных машин были разработаны усовершенствованные композитные керамические и металлические матрицы, поскольку они обеспечивают превосходную проникающую стойкость против кумулятивных снарядов ( снарядов HEAT ) и кинетических боеприпасов .
  4. Керамика, такая как оксид алюминия и карбид бора, использовалась в качестве пластин в бронежилетах для защиты от высокоскоростного винтовочного огня. Такие пластины обычно известны как защитные вставки для стрелкового оружия , или SAPI. Похожий легкий материал используется для защиты кабин некоторых военных самолетов.
  5. Керамические шарикоподшипники можно использовать вместо стальных. Их большая твердость приводит к меньшей подверженности износу. Керамические подшипники обычно служат в три раза дольше стальных подшипников. Они деформируются меньше, чем стальные под нагрузкой, что приводит к меньшему контакту со стенками фиксатора подшипника и меньшему трению. В очень высокоскоростных приложениях тепло от трения вызывает больше проблем для металлических подшипников, чем для керамических подшипников. Керамика химически устойчива к коррозии и предпочтительна для сред, где стальные подшипники ржавеют. В некоторых приложениях их электроизоляционные свойства являются преимуществом. Недостатки керамических подшипников включают значительно более высокую стоимость, подверженность повреждениям при ударных нагрузках и потенциальный износ стальных деталей из-за большей твердости керамики.
  6. В начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического двигателя с использованием керамических компонентов в зоне горячего газа. Использование керамики позволило бы достичь температур, превышающих 1650 °C. Преимуществами были бы более легкие материалы и меньшая система охлаждения (или полное отсутствие системы охлаждения), что привело бы к значительному снижению веса. Ожидаемое увеличение топливной эффективности (из-за более высоких рабочих температур, продемонстрированное в теореме Карно ) не могло быть проверено экспериментально. Было обнаружено, что теплопередача на горячей керамической стенке цилиндра была больше, чем теплопередача на более холодной металлической стенке. Это связано с тем, что более холодная газовая пленка на поверхности металла действует как теплоизолятор . Таким образом, несмотря на желаемые свойства керамики, непомерно высокие производственные затраты и ограниченные преимущества помешали широкому внедрению керамических компонентов двигателя. Кроме того, небольшие дефекты в керамическом материале наряду с низкой вязкостью разрушения могут привести к растрескиванию и потенциально опасному отказу оборудования. Такие двигатели возможны экспериментально, но массовое производство нецелесообразно при современных технологиях. [ необходима цитата ]
  7. Проводятся эксперименты с керамическими деталями для газотурбинных двигателей . В настоящее время даже лопатки из современных металлических сплавов, используемые в горячем отсеке двигателей, требуют охлаждения и тщательного контроля рабочих температур. Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могут работать более эффективно, обеспечивая большую дальность и полезную нагрузку.
  8. Недавние достижения были достигнуты в керамике, которая включает биокерамику, такую ​​как зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит , основной минеральный компонент кости, был изготовлен синтетически из нескольких биологических и химических компонентов и может быть сформирован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, покрытые этими материалами, легко связываются с костью и другими тканями в организме без отторжения или воспалительной реакции. Они представляют большой интерес для доставки генов и создания каркасов для тканевой инженерии . Большинство гидроксиапатитовых керамик довольно пористые и не обладают механической прочностью, поэтому используются исключительно для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы помочь сформировать связь с костью или в качестве костных наполнителей. Они также используются в качестве наполнителей для ортопедических пластиковых винтов, чтобы помочь уменьшить воспаление и увеличить абсорбцию этих пластиковых материалов. Ведется работа по созданию прочных, полностью плотных нанокристаллических гидроксиапатитовых керамических материалов для ортопедических несущих устройств, заменяя инородные металлические и пластиковые ортопедические материалы синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном итоге эти керамические материалы могут быть использованы в качестве заменителя костей или, при добавлении белковых коллагенов , для изготовления синтетических костей.
  9. Применение актиноидсодержащих керамических материалов включает ядерное топливо для сжигания избыточного плутония (Pu) или химически инертный источник альфа-излучения в источниках питания для беспилотных космических аппаратов или микроэлектронных устройств. Использование и утилизация радиоактивных актинидов требуют иммобилизации в прочном материале-хозяине. Радионуклиды с длительным периодом полураспада, такие как актиниды, иммобилизуются с использованием химически прочных кристаллических материалов на основе поликристаллической керамики и крупных монокристаллов. [20]
  10. Высокотехнологичная керамика используется для производства корпусов часов. Материал ценится часовщиками за его малый вес, устойчивость к царапинам, долговечность и гладкость на ощупь. IWC — один из брендов, который первым начал использовать керамику в часовом деле. [21]
  11. Керамика используется в конструкции корпусов мобильных телефонов из-за ее высокой твердости, устойчивости к царапинам и способности рассеивать тепло. [22] Свойства терморегулирования керамики помогают поддерживать оптимальную температуру устройства при интенсивном использовании, повышая производительность. Кроме того, керамические материалы могут поддерживать беспроводную зарядку [23] и обеспечивать лучшую передачу сигнала по сравнению с металлами, которые могут мешать антеннам . [24] Такие компании, как Apple и Samsung, включили керамику в свои устройства. [25] [26]
  12. Керамика из карбида кремния используется в компонентах насосов и клапанов из-за ее коррозионной стойкости. [27] Она также используется в ядерных реакторах в качестве материалов для оболочки твэлов из-за ее способности выдерживать радиацию и термические нагрузки . [28] Другие области применения керамики из карбида кремния включают производство бумаги, баллистику , химическое производство и в качестве компонентов трубопроводных систем. [29]

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Хейманн, Роберт Б. (16 апреля 2010 г.). Классическая и передовая керамика: от основ к применению, предисловие. John Wiley & Sons. ISBN 9783527630189. Архивировано из оригинала 10 декабря 2020 . Получено 30 октября 2020 .
  2. ^ "ceramic". Бесплатный словарь . Архивировано из оригинала 2020-08-03 . Получено 2020-08-03 .
  3. ^ Картер, К. Б.; Нортон, М. Г. (2007). Керамические материалы: Наука и техника. Springer . С. 20, 21. ISBN 978-0-387-46271-4.
  4. ^ keramiko/s. Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте «Персей»
  5. ^ ke/ramos. Лидделл, Генри Джордж ; Скотт, Роберт ; Греко-английский лексикон в проекте «Персей»
  6. ^ "keramewe". Palaeolexicon . Архивировано из оригинала 2011-05-01.
  7. ^ "ceramic" . Оксфордский словарь английского языка (Электронная правка). Oxford University Press . (Требуется подписка или членство в участвующем учреждении.)
  8. ^ Блэк, Дж. Т.; Кохсер, Р. А. (2012). Материалы и процессы ДеГармо в производстве . Wiley. стр. 226. ISBN 978-0-470-92467-9.
  9. ^ Картер, К. Б.; Нортон, М. Г. (2007). Керамические материалы: Наука и техника. Springer. С. 3 и 4. ISBN 978-0-387-46271-4.
  10. ^ "Как определяются стекло, керамика и стеклокерамика?". TWI Global . Архивировано из оригинала 2021-10-01 . Получено 2021-10-01 .
  11. ^ "История керамики". Материаловедение и инженерное образование . Кафедры Вашингтонского университета. Архивировано из оригинала 2020-11-06 . Получено 2020-03-02 .
  12. ^ "Керамический анализ". Процесс археологии . Археологический центр долины Миссисипи. Архивировано из оригинала 3 июня 2012 года . Получено 2004-11-12 .
  13. ^ "Первая объемная керамика, которая деформируется как металл при комнатной температуре". Nature . 23 февраля 2024. doi :10.1038/d41586-024-00443-8. PMID  38396100.подведение итогов Ву, Инджу; Чжан, Ян; Ван, Сяоюй; Ху, Вэньтао; Чжао, Сун; Офицер Тимоти; Ло, Кун; Тонг, Кэ; Ду, Конгконг; Чжан, Лицян; Ли, Баочжун; Чжугэ, Зевен; Лян, Зитай; Ма, Мэндонг; Не, Аньмин; Ю, Донгли; Он, Джулонг; Лю, Чжунюань; Сюй, Бо; Ван, Янбинь; Чжао, Чжишэн; Тянь, Юнджун (22 февраля 2024 г.). «Крученая нитридборная керамика с высокой деформируемостью и прочностью». Природа . 626 (8000): 779–784. Бибкод : 2024Natur.626..779W. doi : 10.1038/s41586-024-07036-5. PMC 10881384. PMID  38383626 . 
  14. ^ Мартинич, Фране; Радица, Гоймир; Барбир, Франко (31 декабря 2018 г.). «Применение и анализ твердооксидных топливных элементов в судовых энергетических системах». Бродоградня . 69 (4): 53–68. дои : 10.21278/brod69405 . S2CID  115752128.
  15. ^ Seuba, Jordi; Deville, Sylvain; Guizard, Christian; Stevenson, Adam J. (14 апреля 2016 г.). «Механические свойства и поведение при разрушении однонаправленной пористой керамики». Scientific Reports . 6 (1): 24326. Bibcode :2016NatSR...624326S. doi :10.1038/srep24326. PMC 4830974 . PMID  27075397. 
  16. ^ Гарви, RC; Ханнинк, RH; Паско, RT (1975). «Керамическая сталь?». Nature . 258 (5537): 703–704. Bibcode : 1975Natur.258..703G. doi : 10.1038/258703a0. S2CID  4189416.
  17. ^ «Белая посуда: производство, тестирование и контроль качества». У. Райан, К. Рэдфорд. Pergamon Press, 1987.
  18. ^ "Whiteware Pottery". Encyclopaedia Britannica . Архивировано из оригинала 9 июля 2015 года . Получено 30 июня 2015 года .
  19. ^ Гейгер, Грег. Введение в керамику, Американское керамическое общество
  20. ^ Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов . Материалы для машиностроения. Том 1. 2010. doi :10.1142/p652. ISBN 978-1-84816-418-5.[ нужна страница ]
  21. ^ "Watch Case Materials Explained: Ceramic". aBlogtoWatch . 18 апреля 2012 г. Архивировано из оригинала 8 марта 2017 г. Получено 8 марта 2017 г.
  22. ^ Тренто, Чин (27 декабря 2023 г.). «Каков материал корпуса вашего телефона?». Stanford Advanced Materials . Получено 21 июня 2024 г.
  23. ^ Вэнь, Хайбинг; Ли, Цзяюань; Ян, Лэй; Тонг, Сянцянь (2022). «Исследование целесообразности беспроводной передачи энергии для АПА с новыми керамическими материалами, устойчивыми к давлению». Международная конференция по силовой электронике 2022 года (IPEC-Himeji 2022- ECCE Asia) . стр. 182–185. doi :10.23919/IPEC-Himeji2022-ECCE53331.2022.9806898. ISBN 978-4-8868-6425-3.
  24. ^ Gocha, апрель (2018). «Умные материалы делают смартфон» (PDF) . Американское керамическое общество . Получено 21 июня 2024 г.
  25. ^ «Каковы новые особенности дизайна Samsung Galaxy S10?». Samsung . 3 августа 2022 г. Получено 21 июня 2024 г.
  26. ^ Кин, Шон (13 октября 2020 г.). «Дисплей iPhone 12 защищен стеклом «ceramic shield»». Cnet . Получено 21 июня 2024 г.
  27. ^ Boecker, Wolfgang; Kruener, Hartmut (1994). «Керамика из карбида кремния и нитрида кремния для высокопроизводительных структурных применений: состояние разработки и потенциал». В Sakaki, H. (ред.). Сверхпроводники, поверхности и сверхрешетки . Elsevier. стр. 865–973. ISBN 9781483283821.
  28. ^ Дэн, Янбин; Цю, Боуэн (2020). «Исследование повышения производительности ядерного топлива с оболочкой из карбида кремния путем использования топлива с высокой теплопроводностью». Прогресс в ядерной энергетике . 124. doi :10.1016/j.pnucene.2020.103330.
  29. ^ Росс, Лиза. «Почему карбид кремния используется в полупроводниках» . Получено 27 июня 2024 г.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки