Seramik

Seramik malzeme çeşitleri

Kolaylık sağlamak amacıyla seramik ürünler genellikle dört sektöre ayrılır ve bunlar aşağıda bazı örneklerle gösterilmiştir:

• Tuğlalar, borular, zemin ve çatı kiremitleri dahil yapısal
• Fırın astarları, gaz ateş radyanları, çelik ve cam yapım potaları gibi refrakterler
• Sofra takımları, duvar karoları, dekoratif sanat objeleri ve sıhhi tesisat ürünleri dahil olmak üzere beyaz eşya
• Teknik seramikler aynı zamanda mühendislik, gelişmiş, özel ve Japonya'da ince seramikler olarak da bilinir. Bu ürünler arasında Uzay Mekiği programında kullanılan karolar, gaz yakıcı nozullar, kurşun geçirmez yelekler, nükleer yakıt uranyum oksit peletleri, biyo-medikal implantlar, jet motoru türbin kanatları ve füze burun konileri yer almaktadır. Sıklıkla hammaddeler kil içermez.

Seramik örnekleri

• Porselen
• 'Sert hamurlu' porselen, daha yüksek bir sıcaklıkta pişirilir.
• 'Yumuşak hamurlu' porselen, daha düşük bir sıcaklıkta pişirilir: Kemik porseleni
• Genellikle kil, kuvars ve feldispattan yapılan toprak kaplar
• Taş Çömlek

Teknik seramiklerin sınıflandırılması

Teknik seramikler de üç ayrı malzeme kategorisinde sınıflandırılabilir:

• Oksitler: alümina, zirkonya
• Oksit olmayanlar: karbürler, borürler, nitrürler, silikitler
• Kompozitler: partikül takviyeli, oksit ve oksit olmayan kombinasyonlar

Bu sınıfların her biri benzersiz malzeme özellikleri geliştirebilir.

Dünya atmosferine yeniden giriş sırasında 1.500 °C'nin üzerinde ısınan Uzay Mekiği'nin dış kısmının simülasyonu

Seramiklerin özellikleri

Mekanik özellikler

Seramik malzemeler genellikle iyonik veya kovalent bağlı malzemelerdir ve kristal veya amorf olabilirler. Her iki bağ türü tarafından bir arada tutulan bir malzeme, herhangi bir plastik deformasyon gerçekleşmeden önce kırılma (kopma) eğiliminde olacaktır, bu da bu malzemelerde zayıf tokluğa neden olur. Ayrıca, bu malzemeler çok sayıda gözeneğe sahip olma eğiliminde olduğundan, gözenekler ve diğer mikroskobik kusurlar stres yoğunlaştırıcı olarak hareket ederek tokluğu daha da azaltır ve çekme mukavemetini düşürür. Bunlar bir araya gelerek, metallerin normalde çok daha yumuşak olan arıza modlarının aksine, katastrofik arızalara yol açmaktadır.

Bu malzemeler plastik deformasyon gösterir. Ancak, kristalin malzemelerin sert yapısı nedeniyle, dislokasyonların hareket etmesi için çok az sayıda kayma sistemi mevcuttur ve bu nedenle çok yavaş deforme olurlar. Kristal olmayan (camsı) malzemelerde, viskoz akış plastik deformasyonun ana kaynağıdır ve bu da çok yavaştır. Bu nedenle, seramik malzemelerin birçok uygulamasında göz ardı edilir.

Elektriksel özellikler

Yarı İletkenler

Yarı iletken olan bir dizi seramik vardır. Bunların çoğu, çinko oksit gibi II-VI yarı iletkenleri olan geçiş metal oksitleridir.

Çinko oksitten mavi LED'ler yapılması konuşulurken, seramikçiler en çok tane sınırı etkilerini gösteren elektriksel özelliklerle ilgileniyor. Bunların en yaygın kullanılanlarından biri varistördür.

Yarı iletken seramikler de gaz sensörü olarak kullanılmaktadır. Polikristalin bir seramik üzerinden çeşitli gazlar geçirildiğinde, elektrik direnci değişir. Olası gaz karışımlarına göre ayarlama yapılarak çok ucuz cihazlar üretilebilir.

Süperiletkenlik

Aşırı düşük sıcaklık gibi bazı koşullar altında, bazı seramikler süper iletkenlik gösterir. Bunun kesin nedeni bilinmemektedir, ancak iki ana süper iletken seramik ailesi vardır.

Ferroelektrik ve akrabaları

Elektrik ve mekanik tepki arasında bir bağlantı olan piezoelektrik, saatlerde ve diğer elektronik cihazlarda zamanı ölçmek için kullanılan kuvars da dahil olmak üzere çok sayıda seramik malzeme tarafından sergilenmektedir. Bu tür cihazlar elektriği mekanik hareketlere ve geri döndürerek kararlı bir osilatör oluşturur.

Piezoelektrik etki genellikle piroelektriklik de gösteren malzemelerde daha güçlüdür ve tüm piroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir. Bu malzemeler termal, mekanik ve/veya elektrik enerjisi arasında dönüşüm yapmak için kullanılabilir; örneğin, bir fırında sentezlendikten sonra, uygulanan hiçbir stres altında soğumaya bırakılan bir piroelektrik kristal genellikle binlerce voltluk bir statik yük oluşturur. Bu tür malzemeler, odaya giren sıcak bir cisimden kaynaklanan küçük sıcaklık artışının kristalde ölçülebilir bir voltaj üretmek için yeterli olduğu hareket sensörlerinde kullanılır.

Buna karşılık, piroelektriklik en güçlü şekilde, kararlı bir elektrik dipolünün bir elektrostatik alan uygulanarak yönlendirilebildiği veya tersine çevrilebildiği ferroelektrik etkiyi de gösteren malzemelerde görülür. Piroelektriklik aynı zamanda ferroelektrikliğin gerekli bir sonucudur. Bu, ferroelektrik RAM elemanları olan ferroelektrik kapasitörlerde bilgi depolamak için kullanılabilir.

Bu tür malzemelerin en yaygın olanları kurşun zirkonat titanat ve baryum titanattır. Yukarıda belirtilen kullanımlarının yanı sıra, güçlü piezoelektrik tepkilerinden yüksek frekanslı hoparlörler, sonar için dönüştürücüler ve atomik kuvvet ve taramalı tünelleme mikroskopları için aktüatörlerin tasarımında yararlanılmaktadır.

Pozitif termal katsayı

Sıcaklıktaki artışlar, çoğunlukla ağır metal titanat karışımları olan bazı yarı iletken seramik malzemelerde tane sınırlarının aniden yalıtkan hale gelmesine neden olabilir. Kritik geçiş sıcaklığı, kimyadaki değişikliklerle geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Bu tür malzemelerde akım, joule ısıtması malzemeyi geçiş sıcaklığına getirene kadar malzemeden geçecek, bu noktada devre kesilecek ve akım akışı duracaktır. Bu tür seramikler, örneğin otomobillerin arka cam buz çözme devrelerinde kendinden kontrollü ısıtma elemanları olarak kullanılır.

Geçiş sıcaklığında, malzemenin dielektrik tepkisi teorik olarak sonsuz hale gelir. Sıcaklık kontrolünün olmaması, malzemenin kritik sıcaklığına yakın herhangi bir pratik kullanımını ortadan kaldırırken, dielektrik etki çok daha yüksek sıcaklıklarda bile son derece güçlü kalır. Kritik sıcaklıkları oda sıcaklığının çok altında olan titanatlar, tam da bu nedenle seramik kapasitörler bağlamında "seramik" ile eş anlamlı hale gelmiştir.

Seramiklerin sınıflandırılması

Kristal olmayan seramikler: Kristal olmayan seramikler, camlar olarak, eriyiklerden oluşma eğilimindedir. Cam ya tamamen erimiş haldeyken döküm yoluyla ya da şekerleme benzeri bir viskozite halindeyken bir kalıba üfleme gibi yöntemlerle şekillendirilir. Daha sonraki ısıl işlemler bu sınıfın kısmen kristalleşmesine neden olursa, ortaya çıkan malzeme cam-seramik olarak bilinir.

Kristal seramikler: Kristal seramik malzemeler çok çeşitli işlemlere uygun değildir. Bunlarla başa çıkma yöntemleri iki kategoriden birine girme eğilimindedir - ya seramiği yerinde reaksiyonla istenen şekilde yapmak ya da tozları istenen şekle "şekillendirmek" ve ardından katı bir gövde oluşturmak için sinterlemek. Seramik şekillendirme teknikleri arasında elle şekillendirme (bazen "fırlatma" adı verilen bir döndürme işlemi de dahil olmak üzere), slip döküm, bant döküm (çok ince seramik kapasitörler vb. yapmak için kullanılır), enjeksiyon kalıplama, kuru presleme ve diğer varyasyonlar yer alır. (Ayrıca bkz. Seramik şekillendirme teknikleri. Bu işlemlerin ayrıntıları aşağıda listelenen iki kitapta açıklanmaktadır). Birkaç yöntem iki yaklaşım arasında bir melez kullanır.

Yerinde üretim

Bu yöntemin en yaygın kullanım alanı çimento ve beton üretimidir. Burada, suyu alınmış tozlar su ile karıştırılır. Bu, agregaların etrafında uzun, birbirine kenetlenmiş kristallerin oluşmasıyla sonuçlanan hidrasyon reaksiyonlarını başlatır. Zamanla bunlar katı bir seramikle sonuçlanır.

Bu yöntemle ilgili en büyük sorun, çoğu reaksiyonun çok hızlı olması ve iyi bir karışımın mümkün olmamasıdır; bu da büyük ölçekli inşaatı engelleme eğilimindedir. Bununla birlikte, küçük ölçekli sistemler, çeşitli malzemelerin bir alt tabakanın üzerine yerleştirildiği ve reaksiyona girerek alt tabaka üzerinde seramik oluşturduğu biriktirme teknikleri ile yapılabilir. Bu, kimyasal buhar biriktirme gibi yarı iletken endüstrisinden teknikler ödünç alır ve kaplamalar için çok kullanışlıdır.

Bunlar çok yoğun seramikler üretme eğilimindedir, ancak bunu yavaş yaparlar.

Sinterleme tabanlı yöntemler

Sinterleme tabanlı yöntemlerin prensipleri basittir. Kabaca bir arada tutulan bir nesne ("yeşil gövde" olarak adlandırılır) yapıldıktan sonra, difüzyon süreçlerinin yeşil gövdenin küçülmesine neden olduğu bir fırında pişirilir. Nesnedeki gözenekler kapanır ve daha yoğun, daha güçlü bir ürün elde edilir. Pişirme işlemi seramiğin erime noktasının altındaki bir sıcaklıkta yapılır. Neredeyse her zaman bir miktar gözeneklilik kalır, ancak bu yöntemin asıl avantajı yeşil gövdenin akla gelebilecek her şekilde üretilebilmesi ve yine de sinterlenebilmesidir. Bu da onu çok yönlü bir yol haline getirmektedir.

Bu sürecin binlerce olası iyileştirmesi vardır. En yaygın olanlardan bazıları, yoğunlaştırmaya bir avantaj sağlamak ve gereken sinterleme süresini azaltmak için yeşil gövdeye pres uygulanmasını içerir. Bazen yeşil gövdeyi bir arada tutmak için polivinil alkol gibi organik bağlayıcılar eklenir; bunlar fırınlama sırasında (200-350 °C'de) yanar. Bazen yoğunlaştırmayı artırmak için presleme sırasında organik yağlayıcılar eklenir. Bunları birleştirmek, bağlayıcıları ve yağlayıcıları bir toza eklemek ve ardından preslemek nadir değildir. (Bu organik kimyasal katkıların formülasyonu başlı başına bir sanattır. Bu özellikle elektronikte, kapasitörlerde, indüktörlerde, sensörlerde vb. kullanılanlar gibi yüksek performanslı seramiklerin üretiminde önemlidir. Elektronikte en yaygın olarak kullanılan özel formülasyonlar, R.E. Mistler ve diğerleri tarafından yazılan "Tape Casting" adlı kitapta ayrıntılı olarak açıklanmıştır. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) Hem mekanik hem de elektronik uygulamalar için konuyla ilgili kapsamlı bir kitap "Organic Additives and Ceramic Processing," D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

Bir toz yerine bir bulamaç kullanılabilir ve daha sonra istenen bir şekle dökülür, kurutulur ve daha sonra sinterlenir. Aslında, geleneksel çömlekçilik bu tür bir yöntemle, ellerle işlenen plastik bir karışım kullanılarak yapılır.

Bir seramikte farklı malzemelerin karışımı bir arada kullanılıyorsa, sinterleme sıcaklığı bazen küçük bir bileşenin erime noktasının üzerindedir - bir sıvı faz sinterlemesi. Bu da katı hal sinterlemesine kıyasla daha kısa sinterleme süreleri ile sonuçlanır.

Seramiğin diğer uygulamaları

• Bazı bıçaklar seramiktir. Seramik bıçak ağzı çok daha uzun süre keskin kalacaktır, ancak daha kırılgandır ve sert bir yüzeye düşürüldüğünde kırılabilir.

• Alümina ve bor karbür gibi seramikler mermileri püskürtmek için vücut zırhlarında kullanılmıştır. Benzer malzemeler, malzemenin düşük ağırlığı nedeniyle bazı askeri uçakların kokpitlerini korumak için kullanılmaktadır.

• Seramik bilyalar, bilyalı rulmanlarda çeliğin yerini almak için kullanılabilir. Daha yüksek sertlikleri sayesinde üç kat daha uzun ömürlüdürler. Ayrıca yük altında daha az deforme olurlar, yani rulman tutucu duvarlarıyla daha az temas ederler ve daha hızlı yuvarlanabilirler. Çok yüksek hızlı uygulamalarda, yuvarlanma sırasında sürtünmeden kaynaklanan ısı metal rulmanlar için sorunlara neden olabilir; seramik kullanımıyla bu sorunlar azalır. Seramikler ayrıca kimyasal olarak daha dayanıklıdır ve çelik rulmanların paslanabileceği ıslak ortamlarda kullanılabilir. Seramik kullanımının en büyük dezavantajı yüksek maliyettir.

• 1980'lerin başında Toyota, 6000 °F'nin (3300 °C) üzerinde bir sıcaklıkta çalışabilen adyabatik bir seramik motoru araştırdı. Seramik motorlar bir soğutma sistemi gerektirmez ve dolayısıyla ağırlıkta büyük bir azalma ve dolayısıyla daha fazla yakıt verimliliği sağlar. Daha sıcak motorun yakıt verimliliği de Carnot teoremine göre daha yüksektir. Metalik bir motorda, yakıttan salınan enerjinin çoğunun metalik parçaları eritmemesi için atık ısı olarak dağıtılması gerekir. Tüm bu arzu edilen özelliklere rağmen, seramik parçaların gerekli hassasiyet ve dayanıklılıkta üretilmesi zor olduğu için bu tür motorlar üretilmemektedir. Seramikteki kusurlar çatlaklara yol açar ve bu da muhtemelen patlamayla motoru bozabilir. Mevcut teknoloji ile seri üretim mümkün değildir.

• Gaz türbini motorları için seramik parçalar pratik olabilir. Şu anda, motorların sıcak bölümünde kullanılan gelişmiş metal alaşımlardan yapılmış kanatlar bile soğutma ve çalışma sıcaklıklarının dikkatli bir şekilde sınırlandırılmasını gerektirmektedir. Seramikle yapılan türbin motorları daha verimli çalışarak uçaklara belirli bir yakıt miktarı için daha fazla menzil ve taşıma kapasitesi sağlayabilir.

• Biyo-seramikler diş implantlarını ve sentetik kemikleri içerir. Kemiğin doğal mineral bileşeni olan hidroksiapatit, bir dizi biyolojik ve kimyasal kaynaktan sentetik olarak üretilmiştir ve seramik malzemelere dönüştürülebilir. Bu malzemelerden yapılan ortopedik implantlar, reddedilme veya enflamatuar reaksiyonlar olmaksızın vücuttaki kemik ve diğer dokulara kolayca bağlanır. Bu nedenle, gen iletimi ve doku mühendisliği iskeleleri için büyük ilgi görmektedirler. Çoğu hidroksiapatit seramiği çok gözeneklidir ve mekanik mukavemetten yoksundur ve kemiğe bağ oluşturmaya yardımcı olmak için metal ortopedik cihazları kaplamak için veya kemik dolgu maddesi olarak kullanılır. Ayrıca iltihaplanmayı azaltmaya yardımcı olmak ve bu plastik malzemelerin emilimini artırmak için ortopedik plastik vidalar için dolgu maddesi olarak kullanılırlar. Ortopedik ağırlık taşıma cihazları için güçlü, tamamen yoğun nano kristalin hidroksiapatit seramik malzemeler yapmak, yabancı metal ve plastik ortopedik malzemeleri sentetik, ancak doğal olarak oluşan bir kemik minerali ile değiştirmek için çalışmalar yapılmaktadır. Nihayetinde bu seramik malzemeler kemik replasmanı olarak ya da protein kolajenlerin eklenmesiyle sentetik kemik olarak kullanılabilecektir.

• Saat kasalarında yüksek teknoloji seramik kullanılmıştır. Bu malzeme hafifliği, çizilmeye karşı direnci, dayanıklılığı ve pürüzsüz dokunuşu ile değerlidir. IWC, saat yapımında seramik kullanımını başlatan markalardan biridir.