Keramik – Material, egenskaper, tillverkning och användningsområden

För enkelhetens skull brukar keramiska produkter delas in i fyra sektorer, och dessa visas nedan med några exempel:

• Konstruktionsmaterial, inklusive tegelstenar, rör, golv- och takpannor.
• Eldfasta material, t.ex. foder för ugnar, gaseldningsstrålar, deglar för stål- och glastillverkning.
• Vitvaror, inklusive bordsartiklar, väggplattor, dekorativa konstföremål och sanitetsartiklar.
• Teknisk keramik kallas också för teknisk keramik, avancerad keramik, specialkeramik och i Japan för finkeramik. Sådana produkter är t.ex. plattor som används i rymdfärjeprogrammet, munstycken för gasbrännare, skottsäkra västar, uranoxidpellets för kärnbränsle, biomedicinska implantat, turbinblad för jetmotorer och noskoner för missiler. Ofta innehåller råvarorna inte lera.

Exempel på keramik

• Porslin
• "Hard-paste"-porslin som bränns vid en högre temperatur.
• "Soft-paste"-porslin som bränns vid en lägre temperatur: Benporslin
• Lergods, som ofta tillverkas av lera, kvarts och fältspat.
• Stengods

Klassificering av teknisk keramik

Teknisk keramik kan också delas in i tre olika materialkategorier:

• Oxider: aluminiumoxid, zirkoniumoxid
• Icke-oxider: karbider, borider, nitrider, silicider.
• Kompositer: partikelförstärkta, kombinationer av oxider och icke-oxider.

Var och en av dessa klasser kan utveckla unika materialegenskaper.

Mekaniska egenskaper

Keramiska material är vanligtvis joniska eller kovalent bundna material och kan vara kristallina eller amorfa. Ett material som hålls samman av någon av dessa typer av bindningar tenderar att brista (gå sönder) innan någon plastisk deformation äger rum, vilket leder till dålig seghet hos dessa material. Eftersom dessa material tenderar att ha många porer fungerar dessutom porerna och andra mikroskopiska brister som spänningskoncentratorer, vilket minskar segheten ytterligare och minskar draghållfastheten. Detta sammantaget leder till katastrofala brott, i motsats till de normalt mycket mildare brottsformerna hos metaller.

Dessa material uppvisar plastisk deformation. På grund av den styva strukturen hos de kristallina materialen finns det dock mycket få glidningssystem för dislokationer att röra sig i, och därför deformeras de mycket långsamt. När det gäller icke-kristallina (glasartade) material är det viskösa flödet den huvudsakliga källan till plastisk deformation, och det är också mycket långsamt. Därför ignoreras det i många tillämpningar av keramiska material.

Elektriska egenskaper

Halvledare

Det finns ett antal keramiska material som är halvledare. De flesta av dessa är övergångsmetalloxider som är II-VI-halvledare, t.ex. zinkoxid.

Det talas om att göra blå lysdioder av zinkoxid, men keramiker är mest intresserade av de elektriska egenskaperna som visar korngränseffekter. En av de mest använda av dessa är varistorn.

Halvledande keramik används också som gassensorer. När olika gaser passerar över en polykristallin keramik ändras dess elektriska motstånd. Genom att ställa in de möjliga gasblandningarna kan mycket billiga anordningar tillverkas.

Supraledning

Under vissa förhållanden, t.ex. extremt låga temperaturer, uppvisar vissa keramiska material supraledningsförmåga. Den exakta orsaken till detta är inte känd, men det finns två stora familjer av supraledande keramer.

Ferroelektricitet och dess släktingar

Piezoelektricitet, en koppling mellan elektrisk och mekanisk respons, uppvisas av ett stort antal keramiska material, inklusive den kvarts som används för att mäta tiden i klockor och annan elektronik. Sådana anordningar omvandlar elektricitet till mekaniska rörelser och tillbaka, vilket ger en stabil oscillator.

Den piezoelektriska effekten är i allmänhet starkare i material som också är pyroelektriska, och alla pyroelektriska material är också piezoelektriska. Dessa material kan användas för att växelkonvertera mellan termisk, mekanisk och/eller elektrisk energi. Till exempel bygger en pyroelektrisk kristall som får svalna utan någon påverkan efter syntes i en ugn upp en statisk laddning på tusentals volt. Sådana material används i rörelsesensorer, där den lilla temperaturhöjningen från en varm kropp som kommer in i rummet är tillräcklig för att producera en mätbar spänning i kristallen.

Pyroelektricitet är i sin tur mest framträdande i material som också uppvisar den ferroelektriska effekten, där en stabil elektrisk dipol kan orienteras eller vändas om genom att tillämpa ett elektrostatiskt fält. Pyroelektricitet är också en nödvändig följd av ferroelektricitet. Detta kan användas för att lagra information i ferroelektriska kondensatorer, element i ferroelektriska RAM.

De vanligaste materialen är blyzirkonattitanat och bariumtitanat. Förutom de användningsområden som nämns ovan utnyttjas deras starka piezoelektriska respons vid utformningen av högfrekvenshögtalare, omvandlare för ekolod och manöverdon för atomkraft- och skanningstunnelmikroskop.

Positiv värmekoefficient

Temperaturhöjningar kan leda till att korngränser plötsligt blir isolerande i vissa halvledande keramiska material, främst blandningar av tungmetalltitanater. Den kritiska övergångstemperaturen kan justeras inom ett brett område genom variationer i kemin. I sådana material kommer strömmen att passera genom materialet tills joulevärme för det till övergångstemperaturen, då kretsen bryts och strömmen upphör. Sådan keramik används som självstyrande värmeelement i t.ex. bakrutornas avfrostningskretsar i bilar.

Vid övergångstemperaturen blir materialets dielektriska respons teoretiskt sett oändlig. Bristen på temperaturkontroll skulle utesluta all praktisk användning av materialet nära den kritiska temperaturen, men den dielektriska effekten förblir exceptionellt stark även vid mycket högre temperaturer. Titanater med kritiska temperaturer långt under rumstemperatur har blivit synonymt med "keramiskt" i samband med keramiska kondensatorer av just denna anledning.

Icke-kristallin keramik: Icke-kristallin keramik, som är glas, tenderar att bildas från smältor. Glaset formas antingen när det är helt smält, genom gjutning, eller när det är i ett tillstånd av karamellliknande viskositet, genom metoder som t.ex. blåsning till en form. Om senare värmebehandlingar gör att denna klass blir delvis kristallin, kallas det resulterande materialet glaskeramik.

Kristallin keramik: Kristallina keramiska material kan inte bearbetas på många olika sätt. Metoderna för att behandla dem tenderar att falla in i en av två kategorier - antingen tillverkas keramiken i önskad form genom reaktion på plats, eller genom att "forma" pulver till önskad form och sedan sintra för att bilda en fast kropp. Keramiska formningstekniker omfattar formning för hand (ibland med en rotationsprocess som kallas "kastning"), glidgjutning, bandgjutning (används för att tillverka mycket tunna keramiska kondensatorer etc.), formsprutning, torrpressning och andra varianter. (Se även Keramiska formningstekniker. Detaljer om dessa processer beskrivs i de två böcker som anges nedan). Några få metoder använder en hybrid mellan de två tillvägagångssätten.

Tillverkning på plats

Den vanligaste användningen av denna metod är vid tillverkning av cement och betong. Här blandas det uttorkade pulvret med vatten. Detta startar hydreringsreaktioner som resulterar i att långa, sammanlänkade kristaller bildas runt aggregaten. Med tiden resulterar dessa i en fast keramik.

Det största problemet med denna metod är att de flesta reaktioner går så snabbt att det inte går att blanda ordentligt, vilket tenderar att förhindra storskaliga konstruktioner. Småskaliga system kan dock tillverkas med hjälp av deponeringstekniker, där de olika materialen introduceras ovanför ett substrat och reagerar och bildar keramiken på substratet. Detta lånar tekniker från halvledarindustrin, t.ex. kemisk förångningsdeposition, och är mycket användbart för beläggningar.

Dessa har en tendens att producera mycket tät keramik, men gör det långsamt.

Metoder baserade på sintring

Principerna för sintringsbaserade metoder är enkla. När ett föremål som hålls ihop i grova drag (en så kallad "grön kropp") har tillverkats bakas det i en ugn, där diffusionsprocesser får den gröna kroppen att krympa. Porerna i föremålet sluter sig, vilket resulterar i en tätare och starkare produkt. Bränningen sker vid en temperatur som ligger under keramikens smältpunkt. Det finns praktiskt taget alltid en viss porositet kvar, men den verkliga fördelen med denna metod är att grönkroppen kan framställas på alla tänkbara sätt och ändå sintras. Detta gör den till en mycket mångsidig metod.

Det finns tusentals möjliga förbättringar av denna process. Några av de vanligaste innebär att man pressar den gröna kroppen för att ge förtätningen ett försprång och förkorta den nödvändiga sintringstiden. Ibland tillsätts organiska bindemedel, t.ex. polyvinylalkohol, för att hålla ihop grönkroppen. Dessa brinner ut under bränningen (vid 200-350 °C). Ibland tillsätts organiska smörjmedel under pressningen för att öka förtätningen. Det är inte ovanligt att man kombinerar dessa och tillsätter bindemedel och smörjmedel till ett pulver och sedan pressar. (Formuleringen av dessa organiska kemiska tillsatser är en konst i sig själv. Detta är särskilt viktigt vid tillverkning av högpresterande keramik, t.ex. den som används av miljarder för elektronik, i kondensatorer, induktorer, sensorer osv. De specialiserade formuleringar som oftast används inom elektronik beskrivs i detalj i boken "Tape Casting" av R.E. Mistler, et al., Amer. Ceramic Soc. [Westerville, Ohio], 2000.) En heltäckande bok i ämnet, för såväl mekaniska som elektroniska tillämpningar, är "Organic Additives and Ceramic Processing" av D. J. Shanefield, Kluwer Publishers [Boston], 1996.

En uppslamning kan användas i stället för ett pulver och sedan gjutas i önskad form, torkas och sintras. Traditionell keramik tillverkas faktiskt med denna typ av metod, med hjälp av en plastblandning som bearbetas med händerna.

Om en blandning av olika material används tillsammans i en keramik är sintringstemperaturen ibland högre än smältpunkten för en mindre komponent - sintring i flytande fas. Detta resulterar i kortare sintringstider jämfört med sintring i fast tillstånd.

• Vissa knivar är keramiska. Keramiska knivblad håller sig vassa mycket längre än stål, även om de är sprödare och kan brytas om de tappas på en hård yta.

• Keramiska material som aluminiumoxid och borkarbid har använts i kroppsskydd för att avvisa kulor. Liknande material används för att skydda cockpiten i vissa militära flygplan, eftersom materialet är så lätt.

• Keramiska kulor kan ersätta stål i kullager. Deras högre hårdhet gör att de håller tre gånger så länge. De deformeras också mindre under belastning, vilket innebär att de har mindre kontakt med lagerhållarens väggar och kan rulla snabbare. I tillämpningar med mycket höga hastigheter kan värmen från friktionen under rullning orsaka problem för metalllager, problem som minskas genom användning av keramik. Keramik är också mer kemiskt resistent och kan användas i våta miljöer där stållager skulle rosta. Den största nackdelen med att använda keramik är den höga kostnaden.

• I början av 1980-talet undersökte Toyota en adiabatisk keramisk motor som kan köras vid en temperatur på över 3300 °C (6000 °F). Keramiska motorer kräver inget kylsystem och möjliggör därför en stor viktminskning och därmed större bränsleeffektivitet. Bränsleeffektiviteten för den varmare motorn är också högre enligt Carnots teorem. I en metallmotor måste en stor del av den energi som frigörs från bränslet avledas som spillvärme så att den inte smälter metalldelarna. Trots alla dessa önskvärda egenskaper tillverkas inte sådana motorer eftersom det är svårt att tillverka keramiska delar med den precision och hållbarhet som krävs. Brister i keramiken leder till sprickor som kan förstöra motorn, eventuellt genom explosion. Massproduktion är inte möjlig med nuvarande teknik.

• Keramiska delar för gasturbinmotorer kan vara praktiska. För närvarande kräver till och med blad av avancerade metallegeringar som används i motorernas heta del kylning och noggrann begränsning av driftstemperaturen. Turbinmotorer som tillverkas med keramik skulle kunna fungera effektivare och ge flygplan större räckvidd och nyttolast för en viss mängd bränsle.

• Biokeramiska material omfattar tandimplantat och syntetiska ben. Hydroxyapatit, den naturliga mineralkomponenten i ben, har framställts syntetiskt från ett antal biologiska och kemiska källor och kan formas till keramiska material. Ortopediska implantat av dessa material binds lätt till ben och andra vävnader i kroppen utan avstötning eller inflammatoriska reaktioner. På grund av detta är de av stort intresse för genleveranser och vävnadstekniska ställningar. De flesta hydroxyapatitkeramiker är mycket porösa och saknar mekanisk styrka och används för att belägga ortopediska metallanordningar för att underlätta bindningen till benet eller som benfyllmedel. De används också som fyllmedel i ortopediska plastskruvar för att minska inflammationen och öka absorptionen av dessa plastmaterial. Arbete pågår för att tillverka starka, helt täta nanokristallina hydroxyapatitkeramikmaterial för ortopediska viktbärande anordningar, som ersätter främmande ortopediska metall- och plastmaterial med ett syntetiskt, men naturligt förekommande benmineral. I slutändan kan dessa keramiska material användas som benersättningar eller, med inblandning av proteinkollagen, som syntetiska ben.

• Högteknologisk keramik används i klockhusen. Materialet uppskattas för sin lätta vikt, reptålighet, hållbarhet och mjuka känsla. IWC är ett av de märken som inledde användningen av keramik inom klocktillverkning.