Керамика - Ceramic

Эта статья о материальных свойствах керамики. Для использования в других целях см. Керамический (значения).
Краткая хронология керамики в разных стилях

А керамика представляет собой любой из различных твердых, хрупких, жаропрочных и коррозионно-стойких материалов, полученных путем формования и последующего обжига неметаллического[1] минерал, например глина, при высокой температуре.[2] Общие примеры: глиняная посуда, фарфор, и кирпич.

В кристалличность керамических материалов от высокоориентированных до полукристаллических, остеклованный, а часто и полностью аморфный (например., очки ). Чаще всего обожженная керамика бывает остеклованной или полустеклованной, как в случае с фаянсом, керамика, и фарфор. Различная кристалличность и электрон состав в ионных и ковалентных связях заставляет большинство керамических материалов быть хорошими термическими и электрические изоляторы (широко исследовано в керамическая инженерия ). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава / структуры керамики (например, почти все элементы, почти все типы связи и все уровни кристалличности) широта предмета обширна и идентифицируемые атрибуты (например, твердость, стойкость, электрическая проводимость и т. д.) сложно определить для группы в целом. Общие свойства, такие как высокая температура плавления, высокая твердость, плохая проводимость, высокая модули упругости, химическая стойкость и низкая пластичность являются нормой,[3] с известными исключениями из каждого из этих правил (например, пьезокерамика, стеклование температура, сверхпроводящая керамика, так далее.). Многие композиты, такие как стекловолокно и углеродное волокно, хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью семейства керамических.[4]

Самая ранняя керамика, созданная людьми, была керамика объекты (т.е. горшки или же сосуды) или же статуэтки сделан из глина сам по себе или в смеси с другими материалами, такими как кремнезем, закаленные и спеченный в огне. Позже керамика была застекленный и обстреляли для создания гладких цветных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стекловидных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек.[5] Керамика теперь включает бытовые, промышленные и строительные изделия, а также широкий спектр керамическое искусство. В 20 веке были разработаны новые керамические материалы для использования в передовой керамической технике, например, в полупроводники.

Слово "керамика "исходит из Греческий слово κεραμικός (керамикос), "гончарный" или "гончарный",[6] из κέραμος (керамос), «гончарная глина, кафель, гончарные изделия».[7] Самое раннее известное упоминание о корне «керами-» - это Микенский греческий ke-ra-me-we, "работники керамики", написанные на Линейное письмо B слоговое письмо.[8] Слово «керамика» может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или оно может использоваться как существительное в единственном числе или, что чаще, как существительное во множественном числе «керамика».[9]

Материалы

Малое увеличение СЭМ микрофотография из современного керамического материала. Свойства керамики делают разрушение важным методом контроля.

Керамический материал - это неорганический, неметаллический, часто кристаллический оксид, нитрид или карбид. Некоторые элементы, такие как углерод или же кремний, можно считать керамикой. Керамические материалы хрупкие, твердые, сильные при сжатии и слабые при сжатии. стрижка и напряжение. Они противостоят химической эрозии, которая возникает в других материалах, находящихся в кислой или едкой среде. Керамика обычно выдерживает очень высокие температуры в диапазоне от 1000 ° C до 1600 ° C (от 1800 ° F до 3000 ° F). Стекло часто не считается керамикой из-за ее аморфный (некристаллический) характер. Однако производство стекла включает в себя несколько этапов керамического процесса, и его механические свойства аналогичны керамическим материалам.

Традиционное керамическое сырье включает глинистые минералы, такие как каолинит, тогда как более новые материалы включают оксид алюминия, более известный как глинозем. К современным керамическим материалам, которые относятся к современной керамике, относятся: Карбид кремния и карбид вольфрама. Оба материала ценятся за их стойкость к истиранию и, следовательно, находят применение в таких областях применения, как износостойкие пластины дробильного оборудования при горных работах. Современная керамика также используется в медицине, электротехнике, электронной промышленности и бронежилетах.

Кристаллическая керамика

Кристаллические керамические материалы не поддаются большому диапазону обработки. Способы борьбы с ними, как правило, делятся на две категории: либо придание керамике желаемой формы, либо реакцией. на месте, или путем «формования» порошков в желаемую форму, а затем спекание сформировать твердое тело. Техника керамической формовки включать формирование вручную (иногда включая процесс вращения, называемый "метанием"), шликерное литье, ленточное литье (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов), литье под давлением, сухое прессование и другие варианты.

Некристаллическая керамика

Некристаллическая керамика, будучи стеклом, обычно образуется из расплавов. Стеклу придают форму в полностью расплавленном состоянии путем литья или в состоянии вязкости, напоминающей ириску, с помощью таких методов, как выдувание в форму. Если более поздняя термообработка приводит к тому, что это стекло становится частично кристаллическим, полученный материал известен как стеклокерамика, широко используемый в качестве варочных панелей, а также в качестве стекломатериала для захоронения ядерных отходов.

История

Похоже, что люди производили керамику по крайней мере 26000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву, чтобы плавиться и образовывать керамические материалы. Самые ранние найденные до сих пор были в южной части Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду.[10]

Самая ранняя известная керамика изготавливалась путем смешивания продуктов животного происхождения с глиной и обжигалась в печах при температуре до 800 ° C. Хотя фактические фрагменты глиняной посуды были обнаружены возрастом до 19 000 лет, обычная керамика стала обычным явлением только через десять тысяч лет.

Древний народ, который распространился по большей части Европы, назван в честь использования гончарной посуды. Культура шнуровой керамики. Эти ранние Индоевропейский народы украшали свою керамику, обматывая ее еще влажной веревкой. При обжиге керамики веревка сгорела, но на поверхности остался декоративный узор из сложных бороздок.

Культура шнуровой керамики 2500 г. до н.э.

Изобретение колесо в конечном итоге привело к производству более гладкой и ровной керамики с использованием техники формования круга, такой как гончарный круг.

Ранняя керамика была пористой и легко впитывала воду. Это стало полезным для большего количества предметов с открытием остекление методы, покрытие керамики кремнием, костной золой или другими материалами, которые могут плавиться и превращаться в стеклянную поверхность, делая сосуд менее проницаемым для воды.

Археология

Керамические артефакты играют важную роль в археологии для понимания культуры, технологий и поведения народов прошлого. Это одни из самых распространенных артефактов, которые можно найти на археологических раскопках, как правило, в виде небольших фрагментов разбитой керамики, называемых черепки. Обработка собранных осколков может быть согласована с двумя основными типами анализа: техническим и традиционным.

Традиционный анализ включает сортировку керамических артефактов, черепков и более крупных фрагментов по конкретным типам в зависимости от стиля, состава, изготовления и морфологии. Создавая эти типологии, можно различать различные культурные стили, цель керамики и технологическое состояние людей среди других выводов. Кроме того, глядя на стилистические изменения керамики с течением времени, можно разделить (сериализовать) керамику на отдельные диагностические группы (комплексы). Сравнение керамических артефактов с известными датированными собраниями позволяет определить хронологическое положение этих предметов.[11]

Технический подход к анализу керамики включает более тонкое исследование состава керамических артефактов и осколков для определения источника материала и, следовательно, возможного производственного участка. Ключевыми критериями являются состав глины и характер Используемый при производстве исследуемого изделия: темпер - это материал, добавляемый в глину на начальном этапе производства, и он используется для облегчения последующего процесса сушки. Типы закалки включают в себя осколки раковин, фрагменты гранита и измельченные осколки, называемые «грог». Закалку обычно определяют при микроскопическом исследовании закаленного материала. Идентификация глины определяется процессом повторного обжига керамики и присвоения ей цвета с использованием обозначения цвета почвы Манселла. Путем оценки составов глины и темперирования и определения области, где, как известно, встречаются оба, можно определить источник материала. Исходя из определения источника артефакта, можно провести дальнейшие исследования на месте 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 такими свойствами, как локальные вариации плотности, гранулометрический состав, тип пористости и содержание второй фазы, которые все могут быть коррелированы с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ, с помощью уравнения Холла-Петча, твердость, стойкость, диэлектрическая постоянная, а оптический свойства выставлены прозрачные материалы.

Керамография это искусство и наука приготовления, исследования и оценки керамических микроструктур. Оценка и определение характеристик керамических микроструктур часто осуществляется в пространственных масштабах, аналогичных масштабам, которые обычно используются в развивающейся области нанотехнологий: от десятков ангстремы (A) до десятков микрометров (мкм). Обычно это где-то между минимальной длиной волны видимого света и пределом разрешения невооруженного глаза.

Микроструктура включает большинство зерен, вторичные фазы, границы зерен, поры, микротрещины, структурные дефекты и микровыступы твердости. Наблюдаемая микроструктура существенно влияет на механические, оптические, термические, электрические и магнитные свойства объема. Метод изготовления и условия процесса обычно указываются микроструктурой. Основная причина многих повреждений керамики очевидна в микроструктуре сколов и полировки. Физические свойства, составляющие область материаловедение и инженерное дело включая следующее:

Механические свойства

Диски отрезные из Карбид кремния

Механические свойства важны для конструкционных и строительных материалов, а также для текстильных тканей. В современном материаловедение, механика разрушения - важный инструмент в улучшении механических характеристик материалов и компонентов. Он применяет физика из стресс и напряжение, в частности теории эластичность и пластичность, микроскопическим кристаллографические дефекты найдены в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое разрушение тел. Фрактография широко используется в механике разрушения, чтобы понять причины отказов, а также проверить теоретические отказ предсказания с реальными жизненными неудачами.

Керамические материалы обычно ионный или же ковалентный склеенные материалы и могут быть кристаллический или же аморфный. Материал, удерживаемый любым типом связи, будет иметь тенденцию перелом перед любым Пластическая деформация происходит, что приводит к плохим стойкость в этих материалах. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений, дополнительно уменьшая ударную вязкость и уменьшая предел прочности. Все это вместе дает катастрофические сбои, в отличие от более пластичных режимы отказа металлов.

Эти материалы показывают Пластическая деформация. Однако из-за жесткой структуры кристаллических материалов их очень мало. системы скольжения за вывихи двигаться, и поэтому они очень медленно деформируются. С некристаллическими (стеклообразными) материалами, вязкий течение является основным источником пластической деформации, а также очень медленным. Поэтому во многих областях применения керамических материалов ей пренебрегают.

Чтобы преодолеть хрупкое поведение, разработка керамических материалов ввела класс композит с керамической матрицей материалы, в которые встроены керамические волокна и со специальными покрытиями, образуют волокнистые мостики через любую трещину. Этот механизм существенно увеличивает трещиностойкость такой керамики. Керамика дисковые тормоза являются примером использования композитного материала с керамической матрицей, изготовленного с помощью определенного процесса.

Ice-templating для улучшения механических свойств

Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может подвергнуться процессу, называемому ледяной шаблон, что позволяет контролировать микроструктура керамического изделия и, следовательно, некоторый контроль механических свойств. Инженеры-керамики используют этот метод для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. Конкретно, сила увеличивается при использовании этой техники. Ice templating позволяет создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этого метода оксидного упрочнения важно для твердооксидные топливные элементы и фильтрация воды устройств.[требуется разъяснение ][нужна цитата ]

Чтобы обработать образец с помощью ледяной матрицы, коллоидная суспензия подготовлен, содержащий растворенный керамический порошок, равномерно распределенный по коллоиду,[требуется разъяснение ] Например Диоксид циркония, стабилизированный иттрием (YSZ). Затем раствор охлаждают снизу вверх на платформе, которая обеспечивает однонаправленное охлаждение. Это заставляет лед кристаллы растут в соответствии с однонаправленным охлаждением, и эти кристаллы льда вынуждают растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания межфазной границы твердое тело-жидкость, в результате чего чистые кристаллы льда выстраиваются в однонаправленном порядке рядом с концентрированными карманами коллоидных частиц. Затем образец одновременно нагревают и давление снижают настолько, чтобы кристаллы льда сублимировать и карманы YSZ начинают отжиг вместе, чтобы сформировать макроскопически выровненные керамические микроструктуры. Затем образец далее спеченный завершить испарение остаточной воды и окончательное закрепление микроструктуры керамики.[нужна цитата ]

Во время формирования льда можно контролировать несколько переменных, влияющих на размер пор и морфологию микроструктуры. Этими важными переменными являются начальная загрузка коллоида твердыми частицами, скорость охлаждения, температура и продолжительность спекания, а также использование определенных добавок, которые могут влиять на морфологию микроструктуры во время процесса. Хорошее понимание этих параметров важно для понимания взаимосвязи между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно пористых материалов.[12]

Электрические свойства

Полупроводники

Некоторые керамические изделия полупроводники. Большинство из них оксиды переходных металлов которые являются полупроводниками II-VI, такими как оксид цинка.

Пока есть перспективы массового производства синих Светодиоды из оксида цинка керамистов больше всего интересуют электрические свойства, которые показывают граница зерна последствия.

Одним из наиболее широко используемых из них является варистор. Это устройства, которые обладают свойством резко снижать сопротивление при определенном пороговое напряжение. Когда напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит авария электрической структуры в окрестности границ зерен, что приводит к ее электрическое сопротивление снижается с нескольких МОм до нескольких сотен Ом. Основным преимуществом этого является то, что они могут рассеивать много энергии, и они автоматически сбрасываются - после того, как напряжение на устройстве падает ниже порогового значения, его сопротивление возвращается к высокому.

Это делает их идеальными для защита от перегрузки Приложения; поскольку есть контроль над пороговым напряжением и допустимым отклонением энергии, они находят применение во всех видах приложений. Лучшую демонстрацию их возможностей можно найти в электрические подстанции, где они используются для защиты инфраструктуры от молния удары. Они быстро реагируют, не требуют особого обслуживания и практически не выходят из строя, что делает их практически идеальными устройствами для этого приложения.

Полупроводниковая керамика также используется в качестве датчики газа. Когда через поликристаллическую керамику пропускают различные газы, ее электрическое сопротивление изменяется. При настройке на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.

Сверхпроводимость

В Эффект Мейснера демонстрируется путем левитации магнита над купратным сверхпроводником, который охлаждается за счет жидкий азот

При некоторых условиях, например при чрезвычайно низкой температуре, некоторые керамические изделия проявляют высокотемпературная сверхпроводимость.[требуется разъяснение ] Причина этого не выяснена, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Сегнетоэлектричество и суперсеты

Пьезоэлектричество, связь между электрическим и механическим откликом, проявляется в большом количестве керамических материалов, включая кварц, используемый для измерить время в часах и другой электронике. Такие устройства используют оба свойства пьезоэлектриков, используя электричество для создания механического движения (питание устройства) и затем используя это механическое движение для производства электричества (генерируя сигнал). Единица измерения времени - это 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 пьезоэлектрическими. Эти материалы могут использоваться для взаимного преобразования тепловой, механической или электрической энергии; например, после синтеза в печи пироэлектрический кристалл, которому позволено охладиться без приложенного напряжения, обычно создает статический заряд в тысячи вольт. Такие материалы используются в датчики движения, где крошечного повышения температуры от теплого тела, входящего в комнату, достаточно, чтобы вызвать измеримое напряжение в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее ярко проявляется в материалах, которые также демонстрируют сегнетоэлектрический эффект, в котором стабильный электрический диполь можно сориентировать или перевернуть, приложив электростатическое поле. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это можно использовать для хранения информации в сегнетоэлектрические конденсаторы, элементы сегнетоэлектрическое RAM.

Наиболее распространены такие материалы. цирконат титанат свинца и титанат бария. Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется в конструкции высокочастотных музыкальные колонки, преобразователи для сонар, и приводы для атомная сила и сканирующие туннельные микроскопы.

Положительный тепловой коэффициент

Ракетный двигатель из нитрида кремния. Слева: установлен на испытательном стенде. Справа: тестирование с H2/ O2 пропелленты

Повышение температуры может вызвать внезапное превращение границ зерен в изолирующие в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях тяжелый металл титанаты. Критическую температуру перехода можно регулировать в широком диапазоне в зависимости от химического состава. В таких материалах ток будет проходить через материал до тех пор, пока джоулевое нагревание доводит его до температуры перехода, после чего цепь прерывается и ток прекращается. Такая керамика используется в качестве саморегулируемых нагревательных элементов, например, в схемах оттаивания задних окон автомобилей.

При температуре перехода материал диэлектрик отклик становится теоретически бесконечным. В то время как отсутствие контроля температуры исключает любое практическое использование материала вблизи его критической температуры, диэлектрический эффект остается исключительно сильным даже при гораздо более высоких температурах. Именно по этой причине титанаты с критическими температурами намного ниже комнатной стали синонимом «керамики» в контексте керамических конденсаторов.

Оптические свойства

Ксеноновая дуговая лампа Cermax с выходным окном из синтетического сапфира

Оптически прозрачные материалы сосредоточиться на реакции материала на падающие световые волны в диапазоне длин волн. Частотно-селективные оптические фильтры может использоваться для изменения или увеличения яркости и контрастности цифрового изображения. Управляемая передача световых волн посредством частотно-селективной волноводы вовлекает развивающуюся область волокна оптика и способность некоторых стекловидных композиций как среда передачи для диапазона частот одновременно (многомодовое оптическое волокно ) с небольшим или без вмешательство между конкурирующими длины волн или частоты. Этот резонансный Режим из энергия и передача данных через электромагнитный (световой) распространение волн хоть и маломощный, но практически без потерь. Оптические волноводы используются как компоненты в Интегральные оптические схемы (например. светодиоды, Светодиоды) или в качестве среды передачи в местных и дальних оптическая связь системы. Также для начинающего материаловеда представляет ценность чувствительность материалов к излучению в тепловом инфракрасный (IR) часть электромагнитный спектр. Эта способность к тепловыделению отвечает за такие разнообразные оптические явления, как Ночное видение и IR свечение.

Таким образом, потребность в военный сектор высокопрочных, надежных материалов, которые могут передавать свет (электромагнитные волны ) в видимый (0,4 - 0,7 мкм) и средниеинфракрасный (1-5 микрометров) области спектра. Эти материалы необходимы для приложений, требующих прозрачный броня, в том числе скоростная следующего поколения ракеты и контейнеры, а также защита от самодельных взрывных устройств (СВУ).

В 1960-х годах ученые General Electric (GE) обнаружили, что при правильных производственных условиях некоторые керамические изделия, особенно оксид алюминия (оксид алюминия), может быть изготовлен полупрозрачный. Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для сдерживания электрических цепей. плазма генерируется вдавление натрий уличные фонари. За последние два десятилетия были разработаны дополнительные типы прозрачной керамики для таких областей применения, как носовые конусы для поиск тепла ракеты, окна для бойца самолет, и сцинтилляционные счетчики для вычисленных томография сканеры.

В начале 1970-х Томас Соулз впервые применил компьютерное моделирование передачи света через полупрозрачный керамический оксид алюминия. Его модель показала, что микроскопические поры в керамике, в основном улавливается на стыках микрокристаллических зерна, вызвал свет разбросать и препятствовал истинной прозрачности. Объемная доля этих микроскопических пор должна быть менее 1% для качественного оптического пропускания.

Это в основном размер частицы эффект. Непрозрачность результаты из некогерентное рассеяние света на поверхностях и интерфейсы. Помимо пор, большинство границ раздела в типичном металлическом или керамическом объекте имеют форму границы зерен которые разделяют крошечные области кристаллического порядка. Когда размер рассеивающего центра (или границы зерен) уменьшается ниже размера длины волны рассеиваемого света, рассеяние больше не происходит в какой-либо значительной степени.

В формировании поликристаллический материалы (металлы и керамика) размер кристаллический зерна во многом определяется размером кристаллического частицы присутствует в сырье при формовании (или прессовании) объекта. Кроме того, размер границы зерен масштабируется непосредственно в зависимости от размера частиц. Таким образом, уменьшение исходного размера частиц ниже длина волны из видимый свет (~ 0,5 микрометра для коротковолнового фиолетового) устраняет любой свет рассеяние, в результате чего прозрачный материал.

Недавно[когда? ], Японские ученые разработали методы производства керамических деталей, которые конкурируют с прозрачность традиционных кристаллов (выращенных из одной затравки) и превышают вязкость разрушения монокристалла.[нужна цитата ] В частности, ученые японской фирмы Konoshima Ltd., производителя керамических строительных материалов и промышленных химикатов, искали рынки для своей прозрачной керамики.

Исследователи из Ливермора поняли, что эта керамика может принести большую пользу мощным лазеры используется в Управлении программ по национальным объектам зажигания (NIF). В частности, исследовательская группа из Ливермора начала приобретать передовую прозрачную керамику в Коносиме, чтобы определить, могут ли они соответствовать требованиям оптический требования, необходимые для твердотельного лазера теплоемкости Ливермора (SSHCL).[нужна цитата ][13] Ливерморские исследователи также тестировали применение этих материалов для таких приложений, как усовершенствованные драйверы для лазерных устройств. слияние электростанции.

Примеры

Изолятор высоковольтный фарфоровый
Карбид кремния используется для внутренних пластин баллистические жилеты
Керамический тигель БН

А композитный материал керамики и металл известен как металлокерамика.

Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты по сравнению с приведенными выше, включают формы нескольких химических соединений, в том числе:

Кухонный нож с керамическим лезвием

Товары

По использованию

Для удобства керамические изделия принято делить на четыре основных типа; они показаны ниже с некоторыми примерами:

Керамика из глины

Основная статья: Керамика

Часто сырье современной керамики не включает глины.[17]Те, которые это делают, классифицируются следующим образом:

Классификация

Керамику также можно разделить на три категории материалов:

Каждый из этих классов можно развить в уникальные свойства материала, потому что керамика имеет тенденцию быть кристаллической.

Приложения

  • Лезвия ножа: лезвие Керамический Нож останется острым намного дольше, чем у стального ножа, хотя он более хрупкий и подвержен поломкам.
  • Карбон-керамические тормозные диски для автомобилей устойчивы к тормозной эффект при высоких температурах.
  • Передовой композитные керамические и металлические матрицы были разработаны для самых современных боевые бронированные машины потому что они обеспечивают превосходное сопротивление проникновению кумулятивные заряды (Такие как ВЫСОКАЯ ТЕМПЕРАТУРА раундов) и пенетраторы кинетической энергии.
  • Керамика, такая как глинозем и карбид бора были использованы в баллистические бронежилеты отразить скоростную винтовка Огонь. Такие пластины широко известны как защитные вставки для стрелкового оружия, или SAPI. Аналогичный материал используется для защиты кабины некоторых военных самолетов из-за небольшого веса материала.
  • Керамику можно использовать вместо стали для шарикоподшипники. Их более высокая твердость означает, что они гораздо менее подвержены износу и обычно служат в три раза дольше, чем стальная деталь. Кроме того, они меньше деформируются под нагрузкой, а это означает, что они меньше контактируют с опорными стенками подшипника и могут катиться быстрее. В приложениях с очень высокой скоростью тепло от трение во время прокатки может вызвать проблемы с металлическими подшипниками, которые уменьшаются за счет использования керамики. Керамика также более химически стойкая и может использоваться во влажных средах, где стальные подшипники могут ржаветь. В некоторых случаях их электроизоляционные свойства также могут быть полезны для подшипников. Два недостатка керамических подшипников - это значительно более высокая стоимость и возможность повреждения при ударных нагрузках.
  • В начале 1980-х гг. Toyota исследовал производство адиабатический двигатель использование керамических компонентов в зоне горячего газа. Керамика допускала бы температуру выше 3000 ° F (1650 ° C). Ожидаемыми преимуществами были бы более легкие материалы и меньшая система охлаждения (или отсутствие необходимости в ней вообще), что привело бы к значительному снижению веса. Ожидаемое увеличение эффективность топлива двигателя (вызвано более высокой температурой, как показано Карно теорема) не удалось проверить экспериментально; Было обнаружено, что теплопередача на горячих керамических стенках цилиндра выше, чем на более холодную металлическую стенку, поскольку пленка более холодного газа на металлической поверхности работает как теплоизолятор. Таким образом, несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не были успешными в производстве из-за стоимости керамических компонентов и ограниченных преимуществ. (Небольшие дефекты керамического материала с его низким вязкость разрушения привести к трещинам, которые могут привести к потенциально опасному отказу оборудования.) Такие двигатели возможны в лабораторных условиях, но массовое производство невозможно при существующих технологиях.[нужна цитата ]
  • Ведутся работы по разработке керамических деталей для газовая турбина двигатели. В настоящее время даже лезвия из современные металлические сплавы используемые в горячей части двигателей требуют охлаждения и тщательного ограничения рабочих температур. Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могли работать более эффективно, давая самолету большую дальность полета и полезную нагрузку при определенном количестве топлива.
  • Недавние успехи были достигнуты в керамике, включая: биокерамика, например зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит, природный минеральный компонент кости, был получен синтетическим путем из ряда биологических и химических источников и может быть преобразован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, покрытые этими материалами, легко прикрепляются к костям и другим тканям тела без отторжения или воспалительных реакций, поэтому представляют большой интерес для доставки генов и тканевая инженерия строительные леса. Большинство гидроксиапатитовой керамики очень пористы и не обладают механической прочностью и используются для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы способствовать формированию связи с костью или в качестве костных наполнителей. Они также используются в качестве наполнителя для ортопедических пластиковых винтов, чтобы помочь уменьшить воспаление и увеличить абсорбцию этих пластиковых материалов. Ведутся работы по созданию прочных, полностью плотных нанокристаллических керамических материалов на основе гидроксиапатита для ортопедических устройств, несущих нагрузку, с заменой инородных металлических и пластиковых ортопедических материалов синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном итоге эти керамические материалы могут использоваться в качестве заменителей костей или с добавлением белка. коллагены, синтетические кости.
  • Долговечные керамические материалы, содержащие актиниды, находят множество применений, например, в ядерном топливе для сжигания избыточного плутония и в химически инертных источниках альфа-излучения для питания беспилотных космических аппаратов или для производства электроэнергии для микроэлектронных устройств. Как использование, так и удаление радиоактивных актинидов требует их иммобилизации в прочном материале-хозяине. Долгоживущие радионуклиды ядерных отходов, такие как актиниды, иммобилизуются с использованием химически стойких кристаллических материалов на основе поликристаллической керамики и крупных монокристаллов.[18]
  • Высокотехнологичная керамика используется в часовом производстве для изготовления корпусов часов. Этот материал ценится часовщиками за его легкий вес, устойчивость к царапинам, долговечность и гладкость на ощупь. IWC - один из брендов, положивших начало использованию керамики в часовом производстве.[19]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хайманн, Роберт Б. (16 апреля 2010 г.). Классическая и продвинутая керамика: от основ до приложений, предисловие. ISBN  9783527630189.
  2. ^ "бесплатный словарь".
  3. ^ Black, J. T .; Козер, Р. А. (2012). Материалы и процессы DeGarmo в производстве. Вайли. п. 226. ISBN  978-0-470-92467-9.
  4. ^ Carter, C.B .; Нортон, М. Г. (2007). Керамические материалы: наука и техника. Springer. С. 3 и 4. ISBN  978-0-387-46271-4.
  5. ^ Carter, C.B .; Нортон, М. Г. (2007). Керамические материалы: наука и техника. Springer. С. 20 и 21. ISBN  978-0-387-46271-4.
  6. ^ κεραμικός, Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон, в цифровой библиотеке Персея
  7. ^ κέραμος, Генри Джордж Лидделл, Роберт Скотт, Греко-английский лексикон, в цифровой библиотеке Персея
  8. ^ Палеолексикон, Инструмент изучения слов древних языков
  9. ^ "керамический". Оксфордский словарь английского языка (Интернет-ред.). Издательство Оксфордского университета. (Подписка или членство участвующего учреждения требуется.)
  10. ^ История керамики - Вашингтонский университет
  11. ^ Археологический центр долины Миссисипи, Керамический анализ В архиве 3 июня 2012 г. Wayback Machine, Дата обращения 4-11-12
  12. ^ Сеуба, Хорди, Сильвейн Девиль, Кристиан Гизард и Адам Дж. Стивенсон (14 апреля 2016 г.). «Механические свойства и поведение разрушения однонаправленной пористой керамики». Научные отчеты, т. 6, статья № 24326. Проверено 9 октября 2019 года.
  13. ^ Хеллер, Арни (апрель 2006 г.). «Гибкое определение стресса» (PDF). Обзор науки и технологий.
  14. ^ Вахтман, Джон Б., младший (редактор) (1999) Керамические инновации в 20 веке, Американское керамическое общество. ISBN  978-1-57498-093-6.
  15. ^ Garvie, R.C .; Hannink, R.H .; Паско, Р. Т. (1975). «Керамическая сталь?». Природа. 258 (5537): 703–704. Bibcode:1975Натура.258..703Г. Дои:10.1038 / 258703a0. S2CID  4189416.
  16. ^ "Белая керамика". Британская энциклопедия. Получено 30 июн 2015.
  17. ^ Гейгер, Грег. Введение в керамику, Американское керамическое общество
  18. ^ БЫТЬ. Бураков, М.И. Охован, В.Е. Ли (июль 2010 г.). Кристаллические материалы для иммобилизации актинидов. Материалы для инженерии. 1. Imperial College Press. Дои:10.1142 / p652. ISBN  978-1-84816-418-5.CS1 maint: использует параметр авторов (связь)
  19. ^ «Объяснение материалов корпуса часов: керамика». aBlogtoWatch. 18 апреля 2012 г.

дальнейшее чтение

внешняя ссылка