Керамика - Ceramic

Краткая хронология керамики в разных стилях

Керамика представляет собой любой из различных твердых, хрупких, жаропрочные и коррозионно-стойких материалов , изготовленных путем формования и обжига затем неорганический, неметаллический материал, например, глины , при высокой температуре. Обычные примеры - фаянс , фарфор и кирпич .

Самая ранняя керамика, изготовленная людьми, представляла собой гончарные изделия ( горшки или сосуды ) или фигурки, сделанные из глины , либо сами по себе, либо в смеси с другими материалами, такими как кремнезем , затвердевшие и спеченные в огне. Позже керамику глазуровали и обжигали для создания гладких окрашенных поверхностей, уменьшая пористость за счет использования стекловидных аморфных керамических покрытий поверх кристаллических керамических подложек. Керамика теперь включает бытовые, промышленные и строительные изделия, а также широкий спектр материалов, которые были разработаны для использования в передовой керамической технике, например, в полупроводниках .

Слово « керамика » происходит от греческого слова κεραμικός ( keramikos ), «гончарный» или «гончарный» , от κέραμος ( keramos ), «гончарная глина, плитка, гончарные изделия» . Самое раннее известное упоминание корня «керами-» - это микенское греческое слово ke-ra-me-we , керамика, написанное слоговым письмом Linear B. Слово керамика может использоваться как прилагательное для описания материала, продукта или процесса, или оно может использоваться как существительное в единственном числе или, чаще, как существительное во множественном числе «керамика».

Материалы

СЭМ-микрофотография передового керамического материала с малым увеличением . Свойства керамики делают разрушение важным методом контроля.

Керамический материал - это неорганический неметаллический оксид, нитрид или карбид. Некоторые элементы, например углерод или кремний , можно считать керамикой. Керамические материалы хрупкие, твердые, сильные при сжатии и слабые при сдвиге и растяжении. Они противостоят химической эрозии, которая возникает в других материалах, находящихся в кислой или едкой среде. Керамика обычно выдерживает очень высокие температуры от 1000 до 1600 ° C (от 1800 до 3000 ° F).

Кристалличности керамических материалов варьирует в широких пределах. Чаще всего, обожженная керамика либо остеклованный или пол-остеклованный , как в случае с глиняным, керамикой и фарфором. Различная кристалличность и электронный состав в ионных и ковалентных связях делают большинство керамических материалов хорошими тепло- и электрическими изоляторами (исследовано в керамической инженерии ). При таком большом диапазоне возможных вариантов состава / структуры керамики (почти все элементы, почти все типы связи и все уровни кристалличности) широта предмета обширна и идентифицируемые атрибуты ( твердость , вязкость , электропроводность ) сложно указать 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, с известными исключениями к каждому из этих правил ( пьезоэлектрической керамикой , стекла переходной температурой, сверхпроводящие керамики ). Многие композиты, такие как стекловолокно и углеродное волокно , хотя и содержат керамические материалы, не считаются частью семейства керамических.

Высокоориентированные кристаллические керамические материалы не поддаются большому диапазону обработки. Способы борьбы с ними, как правило, делятся на две категории: либо получение керамики желаемой формы путем реакции на месте , либо путем «формования» порошков желаемой формы с последующим спеканием с образованием твердого тела. Керамические технологии формования включают в себя формирование вручную (иногда в том числе процесс вращения под названием «бросать»), литье скольжения , литье ленты (используется для изготовления очень тонких керамических конденсаторов), литье под давлением , сухого прессования, а также другие варианты.

Многие специалисты по керамике не считают материалы с аморфным (некристаллическим) характером (например, стекло) керамикой, хотя производство стекла включает в себя несколько этапов керамического процесса, а его механические свойства аналогичны керамическим материалам. Однако термическая обработка может превратить стекло в полукристаллический материал, известный как стеклокерамика .

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

История

Похоже, что люди производили керамику по крайней мере 26000 лет, подвергая глину и кремнезем интенсивному нагреву для плавления и образования керамических материалов. Самые ранние найденные до сих пор были в южной части Центральной Европы и представляли собой скульптурные фигуры, а не посуду. Самая ранняя известная керамика изготавливалась путем смешивания продуктов животного происхождения с глиной и обжигалась в печах при температуре до 800 ° C. Хотя фактические фрагменты керамики были обнаружены возрастом до 19000 лет, обычная керамика стала обычным явлением только примерно через десять тысяч лет. Древний народ, который распространился по большей части Европы, назван в честь использования керамики - культуры шнуровой керамики . Эти ранние индоевропейские народы украшали свою керамику, обматывая ее веревкой, пока она была еще влажной. При обжиге керамики веревка перегорела, но на поверхности остался декоративный узор из сложных бороздок.

Культура шнуровой керамики 2500 г. до н.э.

Изобретение круга в конечном итоге привело к производству более гладких и ровных керамических изделий с использованием техники формования круга, такой как гончарный круг . Ранняя керамика была пористой и легко впитывала воду. Он стал полезен для большего количества предметов с открытием методов глазирования , покрытия керамики силиконом, костяной 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. Они являются одними из наиболее распространенных артефактов , которые будут найдены на месте археологических раскопок, как правило , в виде небольших фрагментов сломанных глиняных называются 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 на основе стиля, состава, производства и морфологии. Создавая эти типологии, можно среди других выводов различать различные культурные стили, назначение керамики и технологическое состояние людей. 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 установить хронологическую принадлежность этих предметов.

Технический подход к анализу керамики включает более тонкое исследование состава керамических артефактов и осколков для определения источника материала и, следовательно, возможного производственного участка. Основные критерии состав глины и характер используемый при изготовлении изделия в стадии изучения: нрав представляет собой материал , добавляет к глине во время начальной стадии производства, и используются , чтобы помочь последующему процессу сушки. Типы закалки включают осколки раковин, осколки гранита и измельченные осколки, называемые «грог». Характер обычно определяется путем микроскопического исследования 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 и то, и другое, 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 выявляет фундаментальную связь между микроструктурой и свойствами, такими как локальные вариации плотности, гранулометрическое распределение, тип пористости и содержание второй фазы, которые все могут быть коррелированы с керамическими свойствами, такими как механическая прочность σ по шкале Холла. Уравнение Петча, твердость , вязкость , диэлектрическая проницаемость и оптические свойства прозрачных материалов .

Керамография - это искусство и наука приготовления, исследования и оценки микроструктур керамики. Оценка и определение характеристик керамических микроструктур часто осуществляются в пространственных масштабах, аналогичных тем, которые обычно используются в развивающейся области нанотехнологий: от десятков ангстремов (Å) 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, которые составляют область материаловедения и инженерии, включают следующее:

Механические свойства

Отрезные диски из карбида кремния

Механические свойства важны для конструкционных и строительных материалов, а также для текстильных тканей. В современном материаловедении механика разрушения является важным инструментом улучшения механических характеристик материалов и компонентов. Это относится и к физике в стрессе и напряжения , в частности, теория упругости и пластичности , в микроскопических кристаллографические дефекты нашла в реальных материалах, чтобы предсказать макроскопическое механическое повреждение органов. Фрактография широко используется в механике разрушения, чтобы понять причины отказов, а также проверить теоретические прогнозы отказов с реальными отказами.

Керамические материалы обычно представляют собой материалы с ионной или ковалентной связью. Материал, удерживаемый любым типом связи, будет иметь тенденцию к разрушению до того, как произойдет пластическая деформация , что приведет к плохой ударной вязкости этих материалов. Кроме того, поскольку эти материалы имеют тенденцию быть пористыми, поры и другие микроскопические дефекты действуют как концентраторы напряжений , дополнительно снижая ударную вязкость и уменьшая предел прочности . В совокупности они приводят к катастрофическим отказам , в отличие от более пластичных видов разрушения металлов.

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

Чтобы преодолеть хрупкое поведение, разработка керамических материалов представила класс композитных материалов с керамической матрицей , в которые керамические волокна встроены и с особыми покрытиями образуют волокнистые перемычки через любую трещину. Этот механизм существенно увеличивает трещиностойкость такой керамики. Керамические дисковые тормоза являются примером использования композитного материала с керамической матрицей, изготовленного с помощью специального процесса.

Ice-templating для улучшения механических свойств

Если керамика подвергается значительной механической нагрузке, она может подвергнуться процессу, называемому льдом , который позволяет в некоторой степени контролировать микроструктуру керамического изделия и, следовательно, в некоторой степени контролировать механические свойства. Инженеры-керамики используют эту технику для настройки механических свойств в соответствии с желаемым применением. В частности, при использовании этой техники увеличивается сила . Ice templating позволяет создавать макроскопические поры в однонаправленном расположении. Применение этого метода оксидного упрочнения важно для твердооксидных топливных элементов и устройств для фильтрации воды .

Для обработки образца посредством ледяной матрицы готовят водную коллоидную суспензию , содержащую растворенный керамический порошок, равномерно диспергированный в коллоиде, например диоксид циркония, стабилизированный иттрием (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 выталкивают растворенные частицы YSZ к фронту затвердевания на межфазной границе твердое тело-жидкость, в результате чего чистые кристаллы льда выстраиваются в одном направлении рядом с концентрированными карманами коллоидных частиц. Затем образец одновременно нагревают, и давление снижается достаточно, чтобы заставить кристаллы льда сублимироваться, и карманы YSZ начинают отжигаться вместе, образуя макроскопически выровненные керамические микроструктуры. Затем образец спекается для завершения испарения остаточной воды и окончательного отверждения керамической микроструктуры.

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 взаимосвязей между обработкой, микроструктурой и механическими свойствами анизотропно пористых материалов.

Электрические свойства

Полупроводники

Некоторые керамические материалы являются полупроводниками . Большинство из них представляют собой оксиды переходных металлов, которые являются полупроводниками II-VI, например оксид цинка . Хотя есть перспективы массового производства синих светодиодов из оксида цинка, керамистов больше всего интересуют электрические свойства, которые показывают эффекты границ зерен . Одним из наиболее широко используемых из них является варистор. Это устройства, которые обладают тем свойством, что сопротивление резко падает при определенном пороговом напряжении . Когда напряжение на устройстве достигает порогового значения, происходит нарушение электрической структуры вблизи границ зерен, в результате чего его электрическое сопротивление падает с нескольких мегом до нескольких сотен ом . Основным преимуществом этого является то, что они могут рассеивать много энергии, и они самовосстанавливаются; после того, как напряжение на устройстве упадет ниже порогового значения, его сопротивление снова станет высоким. Это делает их идеальными для устройств защиты от перенапряжения ; поскольку есть контроль над пороговым напряжением и допустимым отклонением энергии, они находят применение во всех видах приложений. Лучше всего они демонстрируют свои способности на электрических подстанциях , где они используются для защиты инфраструктуры от ударов молнии . 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 газовых сенсоров . Когда через поликристаллическую керамику пропускают различные газы, ее электрическое сопротивление изменяется. При настройке на возможные газовые смеси можно производить очень недорогие устройства.

Сверхпроводимость

Эффект Мейснера демонстрируется при левитации магнита над купратным сверхпроводником, охлаждаемым жидким азотом.

При определенных условиях, например при чрезвычайно низкой температуре, некоторые керамические изделия проявляют высокотемпературную сверхпроводимость . Причина этого не выяснена, но существует два основных семейства сверхпроводящей керамики.

Сегнетоэлектричество и суперсеты

Пьезоэлектричество , связующее звено между электрическим и механическим откликом, проявляется в большом количестве керамических материалов, включая кварц, используемый для измерения времени в часах и другой электронике. Такие устройства используют оба свойства пьезоэлектриков, используя электричество для создания механического движения (питание устройства), а 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 датчиках движения , где крошечного повышения температуры от теплого тела, входящего в комнату, достаточно для создания измеримого напряжения в кристалле.

В свою очередь, пироэлектричество наиболее ярко проявляется в материалах, которые также демонстрируют сегнетоэлектрический эффект , в которых стабильный электрический диполь может быть ориентирован или инвертирован путем приложения электростатического поля. Пироэлектричество также является необходимым следствием сегнетоэлектричества. Это может быть использовано для хранения информации в сегнетоэлектрических конденсаторах , элементах сегнетоэлектрического RAM .

Наиболее распространенными такими материалами являются титанат цирконата свинца и титанат бария . Помимо упомянутых выше применений, их сильный пьезоэлектрический отклик используется в конструкции высокочастотных громкоговорителей , преобразователей для гидролокатора и исполнительных механизмов для атомно-силовых и сканирующих туннельных микроскопов .

Положительный тепловой коэффициент

Ракетный двигатель из нитрида кремния. Слева: установлен на испытательном стенде. Справа: Испытания с пропеллентами H 2 / O 2

Повышение температуры может привести к тому, что границы зерен внезапно станут изолирующими в некоторых полупроводниковых керамических материалах, в основном в смесях титанатов тяжелых металлов . 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 не доведет его до температуры перехода, после чего цепь разомкнется и ток прекратится. Такая керамика используется в качестве саморегулируемых нагревательных элементов, например, в схемах оттаивания задних окон автомобилей.

При температуре перехода диэлектрический отклик материала теоретически становится бесконечным. В то время как отсутствие контроля температуры исключает любое практическое использование материала вблизи 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 фокусируются на реакции материала на падающие световые волны в диапазоне длин волн. Частотно-селективные оптические фильтры могут использоваться для изменения или повышения яркости и контрастности цифрового изображения. Управляемая передача световых волн через частотно-селективные волноводы включает в себя развивающуюся область волоконной оптики и способность определенных стекловидных композиций в качестве среды передачи для диапазона частот одновременно ( многомодовое оптическое волокно ) с минимальными интерференциями между конкурирующими длинами волн или частотами или без них. Этот резонансный режим передачи энергии и данных посредством распространения электромагнитных (световых) волн хоть и маломощен, но практически без потерь. Оптические волноводы используются в качестве компонентов в интегральных оптических схемах (например, светодиоды , светодиоды) или в качестве среды передачи в локальных и дальних оптических системах связи . Для начинающего материаловеда также представляет ценность чувствительность материалов к излучению в тепловой инфракрасной (ИК) части электромагнитного спектра . Эта способность к тепловыделению отвечает за такие разнообразные оптические явления, как ночное видение и ИК- люминесценция .

Таким образом, в военном секторе растет потребность в высокопрочных, надежных материалах, которые обладают способностью передавать свет ( электромагнитные волны ) в видимой (0,4–0,7 мкм) и средней инфракрасной (1–5 мкм) областях спектра. спектр. Эти материалы необходимы для приложений, требующих прозрачной брони, в том числе для высокоскоростных ракет и контейнеров нового поколения , а также для защиты от самодельных взрывных устройств (СВУ).

В 1960-х годах ученые General Electric (GE) обнаружили, что при правильных производственных условиях некоторые керамические материалы, особенно оксид алюминия (глинозем), могут быть полупрозрачными . Эти полупрозрачные материалы были достаточно прозрачными, чтобы их можно было использовать для сдерживания электрической плазмы, генерируемой в натриевых уличных фонарях высокого давления . В течение последних двух десятилетий, дополнительные типы прозрачной керамики были разработаны для таких применений, как нос конусов для тепловых луча ракет , окна для истребителей самолетов и сцинтилляционных счетчики для вычисляемых томографии сканеров. Другие керамические материалы, обычно требующие большей чистоты по сравнению с указанными выше, включают формы нескольких химических соединений, в том числе:

  1. Титанат бария : (часто смешанный с титанатом стронция ) проявляет сегнетоэлектричество , что означает, что его механические, электрические и тепловые характеристики равны c
  2. Сиалон ( кремниевый оксинитрид алюминия ) обладает высокой прочностью; стойкость к термическому удару, химическая и износостойкость, а также низкая плотность. Эта керамика используется при транспортировке расплавленных металлов цветных металлов, сварочных штифтах и ​​в химической промышленности.
  3. Карбид кремния (SiC) используется в качестве токоприемника в микроволновых печах, обычно используется в качестве абразива и в качестве огнеупорного материала.
  4. Нитрид кремния (Si 3 N 4 ) используется в качестве абразивного порошка.
  5. Стеатит (силикаты магния) используется в качестве электроизолятора .
  6. Карбид титана Используется в щитах для посадки космических челноков и часах, устойчивых к царапинам.
  7. Оксид урана ( U O 2 ) , используемый в качестве топлива в ядерных реакторах .
  8. Оксид иттрия-бария-меди (Y Ba 2 Cu 3 O 7 − x ) , еще один высокотемпературный сверхпроводник .
  9. Оксид цинка ( Zn O) , который является полупроводником и используется в конструкции варисторов .
  10. Диоксид циркония (диоксид циркония) , который в чистом виде претерпевает множество фазовых переходов между комнатной температурой и практическимитемпературами спекания , может быть химически «стабилизирован» в нескольких различных формах. Его высокая проводимость поионам кислорода позволяет использовать его в топливных элементах и автомобильных датчиках кислорода . В другом варианте метастабильные структуры могут придавать трансформационное упрочнение для механических применений; большинстволезвий керамических ножей изготовлено из этого материала. Частично стабилизированный диоксид циркония (PSZ) намного менее хрупок, чем другая керамика, и используется для обработки металлов давлением, клапанов и футеровок, абразивных суспензий, кухонных ножей и подшипников, подверженных сильному истиранию.
Кухонный нож с керамическим лезвием

Продукты

По использованию

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

  1. Конструкционные, включая кирпичи , трубы , напольную и кровельную черепицу.
  2. Огнеупоры , такие как футеровка печей , газовые обогреватели, тигли для производства стали и стекла.
  3. Белая посуда , в том числе столовая , кухонная утварь , настенная плитка, керамические изделия и сантехника.
  4. Техническая, также известная как инженерная, продвинутая, специальная и тонкая керамика. К таким предметам относятся:
    1. форсунки газовых горелок
    2. баллистическая защита , броня автомобиля
    3. таблетки оксида урана для ядерного топлива
    4. биомедицинские имплантаты
    5. покрытия лопаток турбин реактивных двигателей
    6. Композитные детали для газовых турбин с керамической матрицей
    7. Усиленные углеродно- керамические дисковые тормоза
    8. носовые обтекатели ракет
    9. подшипник (механический)
    10. плитки, использованные в программе Space Shuttle

Керамика из глины

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

  1. Глиняная посуда , обожженная при более низких температурах, чем другие виды
  2. Керамогранит , стекловидное или полустекловидное тело
  3. Фарфор с высоким содержанием каолина
  4. Костяной фарфор

Классификация

Керамику также можно разделить на три категории материалов:

  1. Оксиды : оксид алюминия , бериллий , оксид церия , диоксид циркония.
  2. Неоксиды: карбид , борид , нитрид , силицид
  3. Композиционные материалы : армированные частицами, армированные волокном , комбинации оксидов и неоксидов.

Каждый из этих классов может быть преобразован в уникальные свойства материала.

Приложения

  1. Лезвия ножа: лезвие керамического ножа будет оставаться острым намного дольше, чем лезвие стального ножа, хотя оно более хрупкое и подвержено поломкам.
  2. Карбон-керамические тормозные диски: для автомобилей устойчивы к выгоранию тормозов при высоких температурах.
  3. «Продвинутая композитные керамические и металлические матрицы» были разработаны для большинства современных боевых бронированных машин , потому что они обладают превосходной стойкостью к проникающей кумулятивным зарядам ( HEAT патронов) и кинетические энергии пенетраторов .
  4. «Керамика, такая как оксид алюминия и карбид бора » использовалась в баллистических бронежилетах для отражения высокоскоростного ружейного огня. Такие пластины широко известны как защитные вставки для стрелкового оружия или SAPI. Подобный материал используется для защиты кабины некоторых военных самолетов из-за небольшого веса материала.
  5. Керамику можно использовать вместо стали в шарикоподшипниках . Их более высокая твердость означает, что они гораздо менее подвержены износу и обычно служат в три раза дольше, чем стальная деталь. Они также меньше деформируются под нагрузкой, а это означает, что они меньше контактируют с опорными стенками подшипника и могут катиться быстрее. В высокоскоростных приложениях тепло от трения 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 подверженность повреждению при ударных нагрузках.
  6. В начале 1980-х годов Toyota исследовала производство адиабатического двигателя с использованием керамических компонентов в области горячего газа. Керамика допускала бы температуру выше 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 повышение топливной экономичности двигателя (вызванное более высокой температурой, как показано теоремой Карно ) не могло быть подтверждено экспериментально; Было обнаружено, что теплопередача на горячих керамических стенках цилиндра выше, чем на более холодную металлическую стенку, поскольку более холодная газовая пленка на металлической поверхности работает как теплоизолятор . Таким образом, несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не получили успеха в производстве из-за стоимости керамических компонентов и ограниченных преимуществ. (Небольшие дефекты керамического материала с его низкой вязкостью разрушения приводят к трещинам, которые могут привести к потенциально опасному отказу оборудования.) Такие двигатели возможны в лабораторных условиях, но массовое производство невозможно при существующих технологиях.
  7. Ведутся работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей . В настоящее время даже лопатки из современных металлических сплавов, 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.
  8. Недавние успехи были достигнуты в керамике, которая включает биокерамику , такую ​​как зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит , природный минеральный компонент кости, был получен синтетическим путем из нескольких биологических и химических источников и может быть преобразован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты, покрытые этими материалами, легко связываются с костью и другими тканями тела без отторжения или воспалительных реакций, поэтому представляют большой интерес для доставки генов и каркасов тканевой инженерии . 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 вес, с заменой инородных металлических и пластиковых ортопедических материалов синтетическим, но естественным костным минералом. В конечном итоге эти керамические материалы могут быть использованы в качестве заменителей костей или с добавлением белковых коллагенов , синтетических костей.
  9. Прочные 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 помощью химически стойких кристаллических материалов на основе поликристаллической керамики и крупных монокристаллов.
  10. 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.

Смотрите также

использованная литература

дальнейшее чтение

внешние ссылки