Keramik: definition, egenskaber, typer og anvendelser

For nemheds skyld opdeles keramiske produkter normalt i fire sektorer, og disse er vist nedenfor med nogle eksempler:

• Konstruktionsdele, herunder mursten, rør, gulv- og tagplader
• Ildfaste materialer, f.eks. foring af ovne, gasfyringsstråler, digler til stål- og glasfremstilling
• Hvidvarer, herunder bordservice, vægfliser, dekorative kunstgenstande og sanitetsartikler
• Teknisk keramik er også kendt som teknisk keramik, avanceret keramik, specialkeramik og i Japan som finkeramik. Det drejer sig bl.a. om fliser, der anvendes i rumfærgeprogrammet, gasbrænderdyser, skudsikre veste, uranoxidpiller til nukleart brændsel, biomedicinske implantater, turbineskærme til jetmotorer og næsekoner til missiler. Ofte omfatter råmaterialerne ikke ler.

Eksempler på keramik

• Porcelæn
• "Hard-paste"-porcelæn, brændt ved en højere temperatur.
• "Soft-paste"-porcelæn, brændt ved en lavere temperatur: Benporcelæn
• Lertøj, som ofte er fremstillet af ler, kvarts og feldspat
• Stentøj

Klassificering af teknisk keramik

Teknisk keramik kan også inddeles i tre forskellige materialekategorier:

• Oxider: aluminiumoxid, zirconiumoxid
• Ikke-oxider: carbider, borider, nitrider, silicider
• Kompositter: partikelforstærket, kombinationer af oxider og ikke-oxider

Hver af disse klasser kan udvikle unikke materialeegenskaber.

Mekaniske egenskaber

Keramiske materialer er normalt ioniske eller kovalentbundne materialer og kan være krystallinske eller amorfe. Et materiale, der holdes sammen af en af de to typer bindinger, vil have tendens til at briste (knække), før der sker nogen plastisk deformation, hvilket resulterer i dårlig sejhed i disse materialer. Da disse materialer desuden har en tendens til at have mange porer, fungerer porerne og andre mikroskopiske ufuldkommenheder som spændingskoncentratorer, hvilket yderligere forringer sejheden og reducerer trækstyrken. Disse forhold giver tilsammen katastrofale svigt i modsætning til metallers normalt meget mere blide svigtformer.

Disse materialer udviser plastisk deformation. Men på grund af den stive struktur i de krystallinske materialer er der meget få glidesystemer, som dislokationer kan bevæge sig i, og derfor deformeres de meget langsomt. I de ikke-krystallinske (glasagtige) materialer er viskose strømninger den vigtigste kilde til plastisk deformation, og de er også meget langsomme. Derfor ignoreres den i mange anvendelser af keramiske materialer.

Elektriske egenskaber

Halvledere

Der findes en række keramiske materialer, som er halvledere. De fleste af disse er overgangsmetaloxider, som er II-VI halvledere, f.eks. zinkoxid.

Selv om der er tale om at fremstille blå LED'er af zinkoxid, er keramikere mest interesseret i de elektriske egenskaber, der viser korngrænseffekter. En af de mest udbredte af disse er varistoren.

Halvledende keramik anvendes også som gassensorer. Når forskellige gasser ledes hen over en polykrystallinsk keramik, ændres dens elektriske modstand. Ved at indstille de mulige gasblandinger kan der fremstilles meget billige apparater.

Superledning

Under visse betingelser, f.eks. ekstremt lave temperaturer, viser nogle keramiske materialer superledning. Den nøjagtige årsag hertil kendes ikke, men der findes to store familier af superledende keramik .

Ferroelektricitet og dens slægtninge

Piezoelektricitet, en forbindelse mellem elektrisk og mekanisk respons, findes i en lang række keramiske materialer, herunder kvarts, der bruges til at måle tiden i ure og anden elektronik. Sådanne anordninger omdanner elektricitet til mekaniske bevægelser og tilbage igen, hvilket giver en stabil oscillator.

Den piezoelektriske effekt er generelt stærkere i materialer, der også er pyroelektriske, og alle pyroelektriske materialer er også piezoelektriske. Disse materialer kan anvendes til at omdanne termisk, mekanisk og/eller elektrisk energi; f.eks. opbygger en pyroelektrisk krystal, der efter syntesen i en ovn får lov til at køle af uden påvirkning, generelt en statisk ladning på tusindvis af volt. Sådanne materialer anvendes i bevægelsessensorer, hvor den lille temperaturstigning fra et varmt legeme, der kommer ind i rummet, er nok til at frembringe en målbar spænding i krystallet.

Til gengæld ses pyroelektricitet mest udtalt i materialer, der også udviser den ferroelektriske effekt, hvor en stabil elektrisk dipol kan orienteres eller vendes ved at anvende et elektrostatisk felt. Pyroelektricitet er også en nødvendig følge af ferroelektricitet. Dette kan bruges til at lagre information i ferroelektriske kondensatorer, elementer i ferroelektriske RAM-elementer.

De mest almindelige materialer er blyzirconattitanat og bariumtitanat. Ud over de ovennævnte anvendelser udnyttes deres stærke piezoelektriske respons ved udformning af højfrekvenshøjttalere, transducere til sonar og aktuatorer til atomkraft- og scanningstunnelmikroskoper.

Positiv termisk koefficient

Temperaturstigninger kan medføre, at korngrænserne pludselig bliver isolerende i nogle halvledende keramiske materialer, som oftest er blandinger af tungmetaltitanater. Den kritiske overgangstemperatur kan justeres over et bredt område ved hjælp af variationer i kemien. I sådanne materialer vil strømmen passere gennem materialet, indtil joulevarme bringer det op til overgangstemperaturen, hvorefter kredsløbet afbrydes og strømmen ophører. Sådanne keramiske materialer anvendes som selvstyrende varmeelementer i f.eks. afrimningskredsløb til afrimning af bagruder i biler.

Ved overgangstemperaturen bliver materialets dielektriske respons teoretisk set uendelig. Selv om manglende temperaturkontrol ville udelukke enhver praktisk anvendelse af materialet nær dets kritiske temperatur, er den dielektriske effekt fortsat usædvanlig stærk, selv ved meget højere temperaturer. Titanater med kritiske temperaturer langt under stuetemperatur er netop af denne grund blevet synonymt med "keramisk" i forbindelse med keramiske kondensatorer.

Ikke-krystallinsk keramik: Ikke-krystallinsk keramik er glas og har tendens til at blive dannet af smeltet materiale. Glasset formes, når det enten er helt smeltet ved støbning eller når det er i en tilstand af toffee-lignende viskositet ved metoder som f.eks. blæsning til en form. Hvis denne klasse ved senere varmebehandlinger bliver delvis krystallinsk, kaldes det resulterende materiale glaskeramik.

Krystallinsk keramik: Krystallinske keramiske materialer kan ikke behandles på mange forskellige måder. Metoderne til behandling af dem falder oftest ind under en af to kategorier - enten fremstilles keramikken i den ønskede form ved reaktion på stedet eller ved at "forme" pulver i den ønskede form og derefter sintre for at danne et fast legeme. Keramiske formningsteknikker omfatter formning i hånden (undertiden med en rotationsproces, der kaldes "kastning"), glidestøbning, båndstøbning (anvendes til fremstilling af meget tynde keramiske kondensatorer osv.), sprøjtestøbning, tørpresning og andre variationer. (Se også Keramiske formningsteknikker. Detaljer om disse processer er beskrevet i de to bøger, der er anført nedenfor). Nogle få metoder anvender en hybrid mellem de to fremgangsmåder.

Fremstilling på stedet

Den mest almindelige anvendelse af denne metode er i produktionen af cement og beton. Her blandes de dehydrerede pulvere med vand. Herved starter hydreringsreaktioner, som resulterer i, at der dannes lange, indbyrdes forbundne krystaller omkring aggregaterne. Med tiden resulterer disse i en fast keramik.

Det største problem med denne metode er, at de fleste reaktioner er så hurtige, at det ikke er muligt at blande dem godt, hvilket forhindrer store konstruktioner. Derimod kan man lave systemer i mindre skala ved hjælp af deponeringsteknikker, hvor de forskellige materialer indføres over et substrat og reagerer og danner keramikken på substratet. Dette er en teknik fra halvlederindustrien, f.eks. kemisk dampudfældning, og er meget nyttig til belægninger.

Disse har en tendens til at producere meget tæt keramik, men det sker langsomt.

Metoder baseret på sintring

Principperne for sintringsbaserede metoder er enkle. Når der er fremstillet en genstand, der er groft sammenholdt (kaldet en "grøn krop"), bages den i en ovn, hvor diffusionsprocesser får den grønne krop til at krympe. Porerne i objektet lukker sig, hvilket resulterer i et tættere og stærkere produkt. Brændingen sker ved en temperatur under keramikkens smeltepunkt. Der er stort set altid en vis porøsitet tilbage, men den virkelige fordel ved denne metode er, at den grønne krop kan fremstilles på alle tænkelige måder og stadig være sintret. Dette gør den til en meget alsidig metode.

Der er tusindvis af mulige finjusteringer af denne proces. Nogle af de mest almindelige omfatter presning af den grønne krop for at give fortætningen et forspring og reducere den nødvendige sintringstid. Undertiden tilsættes organiske bindemidler som f.eks. polyvinylalkohol for at holde den grønne krop sammen; disse bindemidler brænder ud under brændingen (ved 200-350 °C). Undertiden tilsættes organiske smøremidler under presningen for at øge fortætningen. Det er ikke ualmindeligt at kombinere disse og tilsætte bindemidler og smøremidler til et pulver og derefter presse det. (Formuleringen af disse organiske kemiske tilsætningsstoffer er en kunst i sig selv. Dette er særlig vigtigt ved fremstilling af højtydende keramik, som f.eks. den, der anvendes af milliarder af mennesker til elektronik, i kondensatorer, induktorer, sensorer osv. De specialiserede formuleringer, der oftest anvendes inden for elektronik, er beskrevet i bogen "Tape Casting" af R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000). En omfattende bog om emnet, både for mekaniske og elektroniske anvendelser, er "Organic Additives and Ceramic Processing" af D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

En opslæmning kan anvendes i stedet for et pulver og derefter støbes i den ønskede form, tørres og sintres. Traditionel keramik fremstilles faktisk med denne type metode ved hjælp af en plastisk blanding, der bearbejdes med hænderne.

Hvis der anvendes en blanding af forskellige materialer sammen i en keramik, er sintringstemperaturen undertiden over smeltepunktet for en mindre vigtig komponent - en sintring i flydende fase. Dette resulterer i kortere sintringstider sammenlignet med sintring i fast tilstand.

• Nogle knive er keramiske. Et keramisk knivblad forbliver skarpt i meget længere tid end stål, men det er mere skørt og kan knækkes ved at tabe det på en hård overflade.

• Keramiske materialer som aluminiumoxid og borcarbid er blevet anvendt i panser til at afvise kugler. Lignende materiale anvendes til at beskytte cockpittet i nogle militærfly på grund af materialets lave vægt.

• Keramiske kugler kan anvendes til at erstatte stål i kuglelejer. Deres højere hårdhed gør, at de holder tre gange så længe. De deformeres også mindre under belastning, hvilket betyder, at de har mindre kontakt med lejerens vægge og kan rulle hurtigere. I applikationer med meget høje hastigheder kan varme fra friktion under valsning forårsage problemer for metallagre; problemer, som reduceres ved brug af keramik. Keramik er også mere kemisk modstandsdygtigt og kan anvendes i våde miljøer, hvor stållejer ville ruste. Den største ulempe ved at anvende keramik er de høje omkostninger.

• I begyndelsen af 1980'erne forskede Toyota i en adiabatisk keramisk motor, som kan køre ved en temperatur på over 3300 °C (6000 °F). Keramiske motorer kræver ikke noget kølesystem og giver derfor mulighed for en betydelig vægtreduktion og dermed større brændstofeffektivitet. Brændstofudnyttelsen af den varmere motor er også højere i henhold til Carnots teorem. I en metalmotor skal en stor del af den energi, der frigives fra brændstoffet, afgives som spildvarme, så den ikke smelter metaldelene. På trods af alle disse ønskelige egenskaber er sådanne motorer ikke i produktion, fordi det er vanskeligt at fremstille keramiske dele med den fornødne præcision og holdbarhed. Ufuldkommenhed i keramikken fører til revner, som kan ødelægge motoren, eventuelt ved eksplosion. Masseproduktion er ikke mulig med den nuværende teknologi.

• Keramiske dele til gasturbinemotorer kan være praktiske. På nuværende tidspunkt kræver selv blade af avancerede metallegeringer, der anvendes i motorernes varme sektion, køling og omhyggelig begrænsning af driftstemperaturerne. Turbinemotorer, der er fremstillet med keramik, kan fungere mere effektivt og give flyene større rækkevidde og nyttelast for en bestemt mængde brændstof.

• Bio-keramisk materiale omfatter tandimplantater og syntetiske knogler. Hydroxyapatit, den naturlige mineralske bestanddel af knogle, er blevet fremstillet syntetisk fra en række biologiske og kemiske kilder og kan formes til keramiske materialer. Ortopædiske implantater fremstillet af disse materialer binder sig let til knogle og andre væv i kroppen uden afstødning eller inflammatoriske reaktioner. På grund af dette er de af stor interesse for genoverførsel og vævsteknologiske stilladser. De fleste hydroxyapatitkeramikker er meget porøse og mangler mekanisk styrke og anvendes til at overtrække ortopædisk udstyr af metal for at hjælpe med at danne en binding til knoglen eller som knoglefyldstoffer. De anvendes også som fyldstoffer i ortopædiske plastskruer for at hjælpe med at reducere inflammation og øge absorptionen af disse plastmaterialer. Der arbejdes på at fremstille stærke, helt tætte nanokrystallinske hydroxyapatitkeramiske materialer til ortopædisk vægtbærende udstyr, som erstatter fremmede ortopædiske metal- og plastmaterialer med et syntetisk, men naturligt forekommende knoglemineral. I sidste ende kan disse keramiske materialer anvendes som knogleerstatning eller med indarbejdelse af proteinkollagener som syntetiske knogler.

• Der anvendes højteknologisk keramik i urkasserne. Materialet er værdsat for sin lette vægt, ridsefasthed, holdbarhed og bløde berøring. IWC er et af de mærker, der har taget initiativ til brugen af keramik i urindustrien.