Керамичко инжењерство

С Википедије, слободне енциклопедије
Симулација спољашњости Спејс-шатла док се загрева на преко 1.500 °Ц (2.730 °Ф) током уласка у Земљину атмосферу
Компоненте лежаја направљене од 100% силицијум нитрида Si3N4
Херамички нож за хлеб

Керамичко инжењерство је наука и технологија стварања предмета од неорганских, неметалних материјала. То се постиже дејством топлоте, или на нижим температурама коришћењем реакције преципитације из хемијских раствора високе чистоће. Овај термин обухвата прочишћавање сировина, проучавање и производњу одговарајућих хемијских једињења, њихово обликовање у компоненте и проучавање њихове структуре, састава и својстава.

Керамички материјали могу имати кристалну или делимично кристалну структуру, са дугометним редоследом у атомској скали. Стаклена керамика може имати аморфну или стакласту структуру, са ограниченом или краткометном атомском уређености. Она се формира из растопљене масе која је очврснута хлађењем, формирана и сазрела дејством топлоте, или се хемијски синтетишу на ниским температурама, на пример користећи хидротермалну или сол-гел синтезу.

Посебан карактер керамичких материјала омогућава многе примене у инжењерству материјала, електротехници, хемијском и машинском инжењерству. Како је керамика отпорна на топлоту, она се може користити за многе задатке за које материјали попут метала и полимера нису погодни. Керамички материјали се користе у широком опсегу индустрије, укључујући рударство, ваздухопловство, медицину, рафинерије, прехрамбену и хемијску индустрију, науку о паковању, електронику, индустријску и преносну електричну енергију и вођени пренос светлосних таласа.[1]

Историја[уреди | уреди извор]

Реч „керамика” потиче од грчке речи κεραμικός (keramikos) што значи грнчарство. Повезана је са старијим кореном индоевропског језика „горети”.[2] „Керамика” се може користити као именица у једнини за означавање керамичког материјала или производа керамичке израде, или као придев. Множина „керамике” се може користити за означавање израде ствари од керамичких материјала. Керамичко инжењерство, попут многих наука, еволуирало је из другачије дисциплине по данашњим стандардима. Инжењерство науке о материјалима се групише са керамичким инжењерством до данашњег дана.

Лео Морандијева линија за глазирање плочица (око 1945)

Абрахам Дарби је први је користио кокс 1709. године у Шропширу у Енглеској да би побољшао принос поступка топљења. Кокс се данас широко користи за производњу карбидне керамике. Грнчар Џосаја Веџвуд отворио је прву модерну фабрику керамике у граду Стоук на Тренту, у Енглеској, 1759. године. Аустријски хемичар Карл Јозеф Бајер, који је радио у текстилној индустрији у Русији, развио је процес одвајања алумине из бокситне руде 1888. године. Бајеров поступак и даље се користи за прочишћавање алумине за керамичку и алуминијумску индустрију. Браћа Пјер и Жак Кири открили су пиезоелектричност у Рошеловој соли око 1880. године. Пиезоелектричност је једно од кључних својстава електрокерамике.

Е. Г. Ачесон је 1893. загрејао мешавину кокса и глине и изумео карборундум, односно синтетични силицијум карбид. Анри Моасан је такође синтетисао SiC и волфрам карбид у својој електролучној пећи у Паризу отприлике у исто време када је Ачесон. Карл Шретер је користио синтеровање у течној фази да би везао или „цементирао” Моасанове волфрам карбидне честице са кобалтом 1923. године у Немачкој. Тврдим металом цементиране ивице од карбида увелико повећавају трајност очврслог челичног алата за резање. Валтер Нернст је развијао кубно стабилизовани цирконијум током 1920-их у Берлину. Овај материјал се користи као кисеонични сензор у издувним системима. Главно ограничење употребе керамике у инжењерству је кркост.[1]

Теорија хемијске обраде[уреди | уреди извор]

Микроструктурна униформност[уреди | уреди извор]

При обради фине керамике, нерегуларне величине честица и облици у типичном праху често доводе до неједнаких морфологија паковања што резултира променом густине паковања у компактираном праху. Неконтролирана агломерација праха због атрактивних ван дер Валсових сила такође може да створи микроструктурне нехомогености.[3][4]

Диференцијални напони који настају као резултат неравномерног скупљања током сушења директно су повезани са брзином којом се растварач може уклонити и стога зависе од дистрибуције порозности. Такви напони су повезани са преласком из пластичног у крхко стање у консолидованим телима[5] и могу довести до ширења пукотина у нерастопљеном телу, ако се не отклоне.

Поред тога, било какве флуктуације у густини паковања у компактима док се припремају за пећ често се појачавају током процеса синтеровања, што резултира нехомогеним згушњавањем.[6][7] Показано је да неке поре, и други структурни дефекти повезани са варијацијама густине, имају штетну улогу у процесу синтеровања тако што расту и на тај начин ограничавају густину крајњих тачака.[8] За диференцијалне напоне који настају при нехомогеном згушњавању такође је показано да резултирају у ширењу унутрашњих пукотина, тако да постају недостаци који ограничавају јачину.[9]

Стога је пожељно да се материјал обрађује на такав начин да је физички уједначен у погледу расподеле компоненати и порозности, пре него да се користи расподела величина честица које ће максимизирати густину. Садржај равномерно диспергованог склопа честица које имају снажне интеракције у суспензији захтева потпуну контролу над интеракцијама међу честицама. Монодисперзни колоиди пружају ту могућност.[10]

На пример, монодисперзни прашкови колоидног силике се могу довољно стабилизовати да се обезбеди висок степен уређености у колоидном кристалном или поликристалном колоидном чврстом материјалу који настаје агрегацијом. Степен уређености је ограничен временом и простором који су дозвољени за успостављање корелација већег домета.[11][12]

Такве дефективне поликристалне колоидне структуре су основни елементи субмикрометарске колоидне науке о материјалима, и самим тим, пружају први корак у развоју ригорознијег разумевања механизама који су укључени у микроструктурну еволуцију у неорганским системима као што је поликристална керамика.

Самосастављање[уреди | уреди извор]

Пример супрамолекуларног склопа.[13]

Самосастављање је најчешћи термин који се у модерној научној заједници користи за описивање спонтане агрегације честица (атома, молекула, колоида, мицела итд), без утицаја било каквих спољних сила. Познато је да се велике групе таквих честица састављају у термодинамички стабилне, структурно добро дефинисане низове, који у знатној мери подсећају на један од 7 кристалних система који се јављају у металургији и минералогији (нпр. тесерално-кубни, кубно-центрирани, итд.). Темељна разлика у равнотежној структури је у просторној скали јединичне ћелије (или параметра решетке) у сваком конкретном случају.

Тако се самосастављање појављује као нова стратегија у хемијској синтези и нанотехнологији. Молекуларно самосклапање је примећено у различитим биолошким системима и у основи је формирања широког спектра сложених биолошких структура. Молекуларни кристали, течни кристали, колоиди, мицеле, емулзије, фазно раздвојени полимери, танки филмови и самостално састављени монослојеви представљају примере врста високо уређених структура које се добијају помоћу ових техника. Препознатљива карактеристика ових метода је самоорганизовање у одсуству било каквих спољних сила.

Поред тога, основне механичке карактеристике и структуре биолошке керамике, полимерних композита, еластомера и ћелијских материјала се преиспитују, са нагласком на биоинспириране материјале и структуре. Традиционални приступи усредоточени су на методе дизајна биолошких материјала који користе конвенционалне синтетичке материјале. Ово укључује нову класу механички супериорних биоматеријала заснованих на микроструктурним карактеристикама и дизајну који се налазе у природи. Нови хоризонти су идентификовани у синтези биоинспирисаних материјала кроз процесе који су карактеристични за биолошке системе у природи. Ово укључује самостално склапање компонената на нано размерама и развој хијерархијских структура.[11][12][14]

Референце[уреди | уреди извор]

  1. ^ а б Кингерy, W.D., Боwен, Х.К., анд Ухлманн, D.Р., Интродуцтион то Церамицс, п. 690 (Wилеy-Интерсциенце, 2нд Едитион, 2006)
  2. ^ вон Хиппел; А. Р. (1954). „Церамицс”. Диелецтриц Материалс анд Апплицатионс. Тецхнологy Пресс (M.I.Т.) анд Јохн Wилеy & Сонс. ИСБН 978-1-58053-123-8. 
  3. ^ Онода, Г.Y. Јр.; Хенцх, L.L., ур. (1979). Церамиц Процессинг Бефоре Фиринг. Неw Yорк: Wилеy & Сонс. 
  4. ^ Аксаy, I.А.; Ланге, Ф.Ф.; Давис, Б.I. (1983). „Униформитy оф Ал2О3-ЗрО2 Цомпоситес бy Цоллоидал Филтратион”. Ј. Ам. Церам. Соц. 66 (10): Ц–190. дои:10.1111/ј.1151-2916.1983.тб10550.x. 
  5. ^ Франкс, Г.V.; Ланге, Ф.Ф. (1996). „Пластиц-то-Бриттле Транситион оф Сатуратед, Алумина Поwдер Цомпацтс”. Ј. Ам. Церам. Соц. 79 (12): 3161. дои:10.1111/ј.1151-2916.1996.тб08091.x. 
  6. ^ Еванс, А.Г.; Давидге, Р.W. (1969). „Стренгтх анд фрацтуре оф фуллy денсе полyцрyсталлине магнесиум оxиде”. Пхил. Маг. 20 (164): 373. Бибцоде:1969ПМаг...20..373Е. дои:10.1080/14786436908228708. 
  7. ^ Еванс, А.Г.; Давидге, Р.W. (1970). „Стренгтх анд фрацтуре оф фуллy денсе полyцрyсталлине магнесиум оxиде”. Ј. Матер. Сци. 5 (4): 314. Бибцоде:1970ЈМатС...5..314Е. дои:10.1007/БФ02397783. 
  8. ^ Ланге, Ф.Ф.; Метцалф, M. (1983). „Процессинг-Релатед Фрацтуре Оригинс ин Ал2О3/ЗрО2 Цомпоситес II: Аггломерате Мотион анд Црацк-лике Интернал Сурфацес Цаусед бy Дифферентиал Синтеринг”. Ј. Ам. Церам. Соц. 66 (6): 398. дои:10.1111/ј.1151-2916.1983.тб10069.x. 
  9. ^ Еванс, А.Г. (1987). „Цонсидератионс оф Инхомогенеитy Еффецтс ин Синтеринг”. Ј. Ам. Церам. Соц. 65 (10): 497. дои:10.1111/ј.1151-2916.1982.тб10340.x. 
  10. ^ Мангелс, Ј.А.; Мессинг, Г.L. (1984). „Мицроструцтурал Цонтрол Тхроугх Цоллоидал Цонсолидатион”. Адванцес ин Церамицс: Форминг оф Церамицс. 9: 94. 
  11. ^ а б Wхитесидес, Г.M.; et al. (1991). „Молецулар Селф-Ассемблy анд Наноцхемистрy: А Цхемицал Стратегy фор тхе Сyнтхесис оф Наноструцтурес”. Сциенце. 254 (5036): 1312—9. Бибцоде:1991Сци...254.1312W. ПМИД 1962191. дои:10.1126/сциенце.1962191. 
  12. ^ а б Дуббс D. M; Аксаy I.А. (2000). „Селф-Ассемблед Церамицс”. Анну. Рев. Пхyс. Цхем. 51: 601—22. Бибцоде:2000АРПЦ...51..601Д. ПМИД 11031294. дои:10.1146/аннурев.пхyсцхем.51.1.601. 
  13. ^ Далгарно, С. Ј.; Туцкер, СА; Бассил, ДБ; Атwоод, ЈЛ (2005). „Флуоресцент Гуест Молецулес Репорт Ордеред Иннер Пхасе оф Хост Цапсулес ин Солутион”. Сциенце. 309 (5743): 2037—9. Бибцоде:2005Сци...309.2037Д. ПМИД 16179474. дои:10.1126/сциенце.1116579. 
  14. ^ Арига, К.; Хилл, Ј. П.; Лее, M. V.; Вину, А.; Цхарвет, Р.; Ацхарyа, С. (2008). „Цхалленгес анд бреактхроугхс ин рецент ресеарцх он селф-ассемблy”. Сциенце анд Тецхнологy оф Адванцед Материалс. 9 (1): 014109. Бибцоде:2008СТАдМ...9а4109А. ПМЦ 5099804 Слободан приступ. ПМИД 27877935. дои:10.1088/1468-6996/9/1/014109. 

Литература[уреди | уреди извор]

Спољашње везе[уреди | уреди извор]

Керамичко инжењерство на Викимедијиној остави.
Преузето из „https://sr.wikipedia.org/w/index.php?title=Keramičko_inženjerstvo&oldid=27675834”