Keramiek

Soorten keramische materialen

Voor het gemak worden keramische producten meestal onderverdeeld in vier sectoren, en deze worden hieronder met enkele voorbeelden getoond:

• Constructie, inclusief bakstenen, buizen, vloer- en dakpannen
• Vuurvaste materialen, zoals ovenbekledingen, gasvuurstralen, staal- en glaskroezen
• Witgoed, waaronder serviesgoed, wandtegels, decoratieve kunstvoorwerpen en sanitair
• Technische keramiek is ook bekend als engineering, geavanceerd, speciaal, en in Japan, fijne keramiek. Dergelijke items zijn onder andere tegels die worden gebruikt in het Space Shuttle-programma, gasbrandermondstukken, kogelvrije vesten, nucleaire brandstof uraniumoxidepellets, biomedische implantaten, turbinebladen van straalmotoren, en neuskegels van raketten. Vaak bevatten de grondstoffen geen klei.

Voorbeelden van keramiek

• Porselein
• Hard-paste' porselein, gebakken op een hogere temperatuur.
• Soft-paste' porselein, gebakken op een lagere temperatuur: Beenporselein
• Aardewerk, vaak gemaakt van klei, kwarts en veldspaat
• Steengoed

Classificatie van technische keramiek

Technische keramiek kan ook worden ingedeeld in drie verschillende materiaalcategorieën:

• Oxiden: aluminiumoxide, zirkoniumoxide
• Niet-oxiden: carbiden, boriden, nitriden, siliciden
• Composieten: deeltjesversterkt, combinaties van oxiden en niet-oxiden

Elk van deze klassen kan unieke materiaaleigenschappen ontwikkelen.

Simulatie van de buitenkant van de Space Shuttle terwijl deze opwarmt tot meer dan 1.500 °C tijdens de terugkeer in de dampkring van de aarde.

Eigenschappen van keramiek

Mechanische eigenschappen

Keramische materialen zijn meestal ionisch of covalent gebonden materialen, en kunnen kristallijn of amorf zijn. Een materiaal dat bij elkaar wordt gehouden door een van beide soorten verbindingen zal de neiging hebben om te breken (breken) voordat er enige plastische vervorming plaatsvindt, wat resulteert in een slechte taaiheid in deze materialen. Omdat deze materialen de neiging hebben om veel poriën te hebben, werken de poriën en andere microscopische onvolkomenheden als spanningsconcentrators, waardoor de taaiheid verder afneemt en de treksterkte afneemt. Dit alles leidt tot catastrofale mislukkingen, in tegenstelling tot de normaal gesproken veel zachtere faalwijzen van metalen.

Deze materialen vertonen wel degelijk plastische vervorming. Door de stijve structuur van de kristallijne materialen zijn er echter maar heel weinig slipsystemen beschikbaar om dislocaties te laten bewegen, en dus vervormen ze heel langzaam. Bij de niet-kristallijne (glasachtige) materialen is de viskeuze stroming de belangrijkste bron van plastische vervorming, en is deze ook zeer langzaam. Daarom wordt het in veel toepassingen van keramische materialen genegeerd.

Elektrische eigenschappen

Halfgeleiders

Er zijn een aantal keramieken die halfgeleiders zijn. De meeste daarvan zijn overgangsmetaaloxiden die II-VI-halfgeleiders zijn, zoals zinkoxide.

Terwijl er sprake is van het maken van blauwe LED's uit zinkoxide, zijn keramisten het meest geïnteresseerd in de elektrische eigenschappen die korrelgrens effecten laten zien. Een van de meest gebruikte daarvan is de varistor.

Halfgeleidende keramiek wordt ook gebruikt als gassensor. Wanneer verschillende gassen over een polykristallijne keramiek worden geleid, verandert de elektrische weerstand ervan. Met afstemming op de mogelijke gasmengsels kunnen zeer goedkope apparaten worden geproduceerd.

Supergeleiding

Onder sommige omstandigheden, zoals bij extreem lage temperaturen, vertonen sommige keramische producten supergeleiding. De exacte reden hiervoor is niet bekend, maar er zijn twee grote families van supergeleidende keramiek.

Ferro-elektriciteit en zijn verwanten

Piëzo-elektriciteit, een verbinding tussen elektrische en mechanische respons, wordt tentoongesteld door een groot aantal keramische materialen, waaronder het kwarts dat wordt gebruikt om de tijd te meten in horloges en andere elektronica. Dergelijke apparaten zetten elektriciteit om in mechanische bewegingen en terug, waardoor een stabiele oscillator ontstaat.

Het piëzo-elektrisch effect is over het algemeen sterker in materialen die ook pyro-elektrisch zijn, en alle pyro-elektrische materialen zijn ook piëzo-elektrisch. Deze materialen kunnen worden gebruikt om thermische, mechanische en/of elektrische energie om te zetten; bijvoorbeeld, na synthese in een oven, bouwt een pyro-elektrisch kristal dat onder geen enkele toegepaste spanning kan afkoelen over het algemeen een statische lading van duizenden volt op. Dergelijke materialen worden gebruikt in bewegingssensoren, waar de kleine stijging van de temperatuur van een warm lichaam dat de ruimte binnenkomt, voldoende is om een meetbare spanning in het kristal te produceren.

Pyro-elektriciteit wordt op zijn beurt het sterkst gezien in materialen die ook het ferro-elektrische effect vertonen, waarbij een stabiele elektrische dipool kan worden georiënteerd of omgekeerd door het toepassen van een elektrostatisch veld. Pyro-elektriciteit is ook een noodzakelijk gevolg van ferro-elektriciteit. Dit kan worden gebruikt om informatie op te slaan in ferro-elektrische condensatoren, elementen van ferro-elektrisch RAM.

De meest voorkomende dergelijke materialen zijn loodzirkoniumtitanaat en bariumtitanaat. Naast de bovengenoemde toepassingen wordt hun sterke piëzo-elektrische respons benut in het ontwerp van hoogfrequente luidsprekers, transducers voor sonar en actuators voor atoomkracht- en scantunnelmicroscopen.

Positieve thermische coëfficiënt

Door de stijging van de temperatuur kunnen de korrelgrenzen in sommige halfgeleidende keramische materialen, meestal mengsels van zware metaaltitanaten, plotseling isolerend worden. De kritische overgangstemperatuur kan over een groot bereik worden aangepast door variaties in de chemie. In dergelijke materialen zal de stroom door het materiaal gaan totdat de joule-verwarming het materiaal op de overgangstemperatuur brengt, op welk punt de kringloop zal worden verbroken en de stroomtoevoer zal ophouden. Dergelijke keramische materialen worden gebruikt als zelfgestuurde verwarmingselementen in bijvoorbeeld de achterruit ontdooicircuits van auto's.

Bij de overgangstemperatuur wordt de diëlektrische reactie van het materiaal theoretisch oneindig. Terwijl een gebrek aan temperatuurbeheersing elk praktisch gebruik van het materiaal in de buurt van zijn kritieke temperatuur zou uitsluiten, blijft het diëlektrische effect uitzonderlijk sterk, zelfs bij veel hogere temperaturen. Titanaten met kritische temperaturen ver onder de kamertemperatuur zijn om deze reden synoniem geworden met "keramiek" in de context van keramische condensatoren.

Classificatie van keramiek

Niet-kristallijne keramiek: Niet-kristallijne keramiek, zijnde glazen, wordt meestal gevormd uit smeltingen. Het glas wordt gevormd wanneer het volledig gesmolten is, door gieten, of wanneer het in een staat van toffeeachtige viscositeit is, door methodes zoals het blazen in een mal. Als door latere warmtebehandelingen deze klasse gedeeltelijk kristallijn wordt, staat het resulterende materiaal bekend als glaskeramiek.

Kristallijn keramiek: Kristallijne keramische materialen zijn niet vatbaar voor een groot aantal bewerkingen. De methoden om ermee om te gaan vallen in een van de twee categorieën - ofwel de keramiek in de gewenste vorm maken, door reactie in situ, ofwel door het "vormen" van poeders in de gewenste vorm, en dan sinteren om een vast lichaam te vormen. Keramische vormtechnieken omvatten het vormen met de hand (soms met inbegrip van een rotatieproces dat "gooien" wordt genoemd), slipgieten, bandgieten (gebruikt voor het maken van zeer dunne keramische condensatoren, etc.), spuitgieten, droogpersen, en andere variaties. (Zie ook Keramische vormtechnieken. Details van deze processen worden beschreven in de twee onderstaande boeken). Enkele methoden maken gebruik van een hybride tussen de twee benaderingen.

Productie in situ

Deze methode wordt het meest gebruikt bij de productie van cement en beton. Hier worden de gedehydrateerde poeders gemengd met water. Hierdoor ontstaan hydratatiereacties, die resulteren in lange, in elkaar grijpende kristallen die zich rond de aggregaten vormen. Na verloop van tijd resulteren deze in een vaste keramiek.

Het grootste probleem met deze methode is dat de meeste reacties zo snel gaan dat een goede menging niet mogelijk is, wat de neiging heeft om grootschalige bouw te voorkomen. Kleinschalige systemen kunnen echter wel worden gemaakt door middel van depositietechnieken, waarbij de verschillende materialen boven een substraat worden aangebracht en reageren en het keramiek op het substraat vormen. Dit leent technieken uit de halfgeleiderindustrie, zoals chemische dampdepositie, en is zeer nuttig voor coatings.

Deze hebben de neiging om zeer dicht keramiek te produceren, maar doen dat langzaam.

Op sintering gebaseerde methoden

De principes van op sintering gebaseerde methoden zijn eenvoudig. Zodra een ruw samengehouden object (een "groen lichaam" genoemd) is gemaakt, wordt het in een oven gebakken, waar verspreidingsprocessen het groene lichaam doen krimpen. De poriën in het object sluiten zich af, wat resulteert in een dichter en sterker product. Het bakken gebeurt bij een temperatuur onder het smeltpunt van het keramiek. Er blijft vrijwel altijd enige porositeit over, maar het echte voordeel van deze methode is dat het groene lichaam op elke denkbare manier kan worden geproduceerd en toch gesinterd. Dit maakt het een zeer veelzijdige route.

Er zijn duizenden mogelijke verfijningen van dit proces. Enkele van de meest voorkomende zijn het indrukken van het groene lichaam om de verdichting een voorsprong te geven en de benodigde sintertijd te verkorten. Soms worden organische bindmiddelen zoals polyvinylalcohol toegevoegd om het groene lichaam bij elkaar te houden; deze branden uit tijdens het bakken (bij 200-350 °C). Soms worden tijdens het persen organische smeermiddelen toegevoegd om de verdichting te verhogen. Het is niet ongewoon om deze te combineren, en bindmiddelen en smeermiddelen aan een poeder toe te voegen en vervolgens te persen. (De formulering van deze organische chemische additieven is een kunst op zich. Dit is vooral belangrijk bij de productie van hoogwaardige keramiek zoals die gebruikt wordt door de miljarden voor elektronica, in condensatoren, inductoren, sensoren, enz. De gespecialiseerde formuleringen die het meest gebruikt worden in de elektronica worden gedetailleerd in het boek "Tape Casting" van R.E. Mistler, et al., Amer. Keramische Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) Een uitgebreid boek over dit onderwerp, voor zowel mechanische als elektronische toepassingen, is "Organic Additives and Ceramic Processing," van D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Een slurry kan in plaats van een poeder worden gebruikt en vervolgens in de gewenste vorm worden gegoten, gedroogd en vervolgens gesinterd. Inderdaad, traditioneel aardewerk wordt gedaan met dit soort methode, met behulp van een plastic mengsel bewerkt met de handen.

Als een mengsel van verschillende materialen samen in een keramiek wordt gebruikt, ligt de sintertemperatuur soms boven het smeltpunt van een kleine component - een vloeibare fase sintering. Dit resulteert in kortere sintertijden in vergelijking met sinteren in vaste toestand.

Andere toepassingen van keramiek

• Sommige messen zijn keramisch. Het keramische lemmet blijft veel langer scherp, hoewel het brozer is en kan worden gebroken door het op een hard oppervlak te laten vallen.

• Keramiek zoals aluminiumoxide en boorcarbide zijn gebruikt in kogelvrije vesten om kogels af te weren. Vergelijkbaar materiaal wordt gebruikt om de cockpits van sommige militaire vliegtuigen te beschermen, vanwege het lage gewicht van het materiaal.

• Keramische kogels kunnen worden gebruikt om staal in kogellagers te vervangen. Door hun hogere hardheid gaan ze drie keer zo lang mee. Ook vervormen ze minder onder belasting, waardoor ze minder contact hebben met de lagerschalen en sneller kunnen rollen. Bij zeer hoge snelheden kan de wrijvingswarmte tijdens het walsen problemen veroorzaken voor metalen lagers; problemen die door het gebruik van keramiek worden verminderd. Keramiek is ook chemisch resistenter en kan worden gebruikt in natte omgevingen waar stalen lagers zouden roesten. Het grote nadeel van het gebruik van keramiek is dat het hoge kosten met zich meebrengt.

• In het begin van de jaren '80 onderzocht Toyota een adiabatische keramische motor die kan draaien bij een temperatuur van meer dan 6000 °F (3300 °C). Keramische motoren hebben geen koelsysteem nodig en maken dus een grote gewichtsvermindering en dus een grotere brandstofefficiëntie mogelijk. Het brandstofrendement van de warmere motor is ook hoger door de stelling van Carnot. In een metalen motor moet veel van de energie die vrijkomt uit de brandstof worden afgevoerd als afvalwarmte, zodat de metalen onderdelen niet smelten. Ondanks al deze gewenste eigenschappen zijn dergelijke motoren niet in productie omdat de productie van keramische onderdelen in de vereiste precisie en duurzaamheid moeilijk is. Imperfectie in het keramiek leidt tot scheuren, die de motor kunnen vernielen, mogelijk door een explosie. Massaproductie is met de huidige technologie niet haalbaar.

• Keramische onderdelen voor gasturbinemotoren kunnen praktisch zijn. Op dit moment moeten zelfs bladen van geavanceerde metaallegeringen die in het hete gedeelte van de motor worden gebruikt, worden gekoeld en moeten de bedrijfstemperaturen zorgvuldig worden beperkt. Turbinemotoren die met keramiek zijn gemaakt, zouden efficiënter kunnen werken, waardoor vliegtuigen een groter bereik en een groter laadvermogen hebben voor een bepaalde hoeveelheid brandstof.

• Bio-keramiek omvat tandheelkundige implantaten en synthetische botten. Hydroxyapatiet, de natuurlijke minerale component van het bot, is synthetisch gemaakt van een aantal biologische en chemische bronnen en kan worden gevormd tot keramische materialen. Orthopedische implantaten van deze materialen hechten zich gemakkelijk aan bot en andere weefsels in het lichaam zonder afstoting of ontstekingsreacties. Hierdoor zijn ze van groot belang voor de levering van genen en voor weefselengineeringsteigers. De meeste hydroxyapatietkeramiek is zeer poreus en heeft een gebrek aan mechanische sterkte en wordt gebruikt om metalen orthopedische hulpmiddelen te coaten om te helpen bij het vormen van een band met het bot of als botvullers. Ze worden ook gebruikt als vulstoffen voor orthopedische kunststofschroeven om de ontsteking te verminderen en de absorptie van deze kunststofmaterialen te verhogen. Er wordt gewerkt aan sterke, volledig dichte nanokristallijne hydroxyapatietkeramische materialen voor orthopedische gewichtdragende hulpmiddelen, waarbij vreemde metalen en plastic orthopedische materialen worden vervangen door een synthetisch, maar natuurlijk voorkomend, botmineraal. Uiteindelijk kunnen deze keramische materialen worden gebruikt als botvervangers of met de toevoeging van eiwitcollageen, synthetische botten.

• High-tech keramiek wordt gebruikt in horlogekasten. Het materiaal wordt gewaardeerd om zijn lichte gewicht, krasbestendigheid, duurzaamheid en gladde afwerking. IWC is een van de merken die het gebruik van keramiek in de horloge-industrie heeft geïnitieerd.