วัสดุเซรามิกวิศวกรรม มีอะไรบ้าง

วิศวกรรมเซรามิกเป็นวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีในการสร้างวัตถุจากอนินทรีย์วัสดุที่ไม่ใช่โลหะ สิ่งนี้ทำได้โดยการกระทำของความร้อนหรือที่อุณหภูมิต่ำกว่าโดยใช้ปฏิกิริยาการตกตะกอนจากสารละลายเคมีที่มีความบริสุทธิ์สูง คำนี้รวมถึงการทำให้บริสุทธิ์ของวัตถุดิบการศึกษาและการผลิตสารประกอบทางเคมีที่เกี่ยวข้องการก่อตัวเป็นส่วนประกอบและการศึกษาโครงสร้างองค์ประกอบและคุณสมบัติ

การจำลองสภาพภายนอกของกระสวยอวกาศเมื่อมีความร้อนสูงกว่า 1,500 ° C (2,730 ° F) ระหว่างการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก

วัสดุเซรามิกอาจมีโครงสร้างเป็นผลึกหรือบางส่วนโดยมีลำดับระยะยาวตามมาตราส่วนอะตอม เซรามิกแก้วอาจมีโครงสร้างอสัณฐานหรือคล้ายแก้วโดยมีลำดับอะตอม จำกัด หรือระยะสั้น พวกมันเกิดขึ้นจากมวลที่หลอมละลายซึ่งแข็งตัวเมื่อเย็นตัวก่อตัวและสุกโดยการกระทำของความร้อนหรือสังเคราะห์ทางเคมีที่อุณหภูมิต่ำโดยใช้ตัวอย่างเช่นการสังเคราะห์ไฮโดรเทอร์มอลหรือโซลเจล

ตัวละครพิเศษของวัสดุเซรามิกให้สูงขึ้นเพื่อการใช้งานจำนวนมากในวัสดุวิศวกรรม , วิศวกรรมไฟฟ้า , วิศวกรรมเคมีและวิศวกรรมเครื่องกล เนื่องจากเซรามิกทนความร้อนจึงสามารถใช้กับงานหลายประเภทที่วัสดุเช่นโลหะและโพลีเมอร์ไม่เหมาะสม วัสดุเซรามิกถูกนำไปใช้ในอุตสาหกรรมหลากหลายประเภทรวมถึงการขุดการบินและอวกาศการแพทย์โรงกลั่นอุตสาหกรรมอาหารและเคมีวิทยาศาสตร์การบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรมและไฟฟ้าส่ง [1]

คำว่า " เซรามิก " มาจากภาษากรีกคำκεραμικός ( Keramikos ) หมายถึงเครื่องปั้นดินเผามันเกี่ยวข้องกับรากภาษาอินโด - ยูโรเปียนที่เก่ากว่า"to burn" [2] "เซรามิก" อาจใช้เป็นคำนามในเอกพจน์เพื่ออ้างถึงวัสดุเซรามิกหรือผลิตภัณฑ์จากการผลิตเซรามิกหรือเป็นคำคุณศัพท์ เซรามิกคือการทำสิ่งต่างๆจากวัสดุเซรามิก วิศวกรรมเซรามิกเช่นเดียวกับวิทยาศาสตร์หลายแขนงพัฒนามาจากระเบียบวินัยที่แตกต่างกันตามมาตรฐานในปัจจุบัน วิศวกรรมวัสดุถูกจัดกลุ่มกับวิศวกรรมเซรามิกส์จนถึงทุกวันนี้ [ ต้องการอ้างอิง ]

เส้นเคลือบกระเบื้องของ Leo Morandi (ประมาณปีพ. ศ. 2488)

Abraham Darby ใช้โค้กเป็นครั้งแรกในปี 1709 ในเมือง Shropshire ประเทศอังกฤษเพื่อปรับปรุงผลผลิตของกระบวนการถลุงแร่ [ ต้องการอ้างอิง ] ปัจจุบันโค้กใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซรามิกคาร์ไบด์ Potter Josiah Wedgwoodเปิดโรงงานเซรามิกที่ทันสมัยแห่งแรกในStoke-on-Trentประเทศอังกฤษในปี 1759 Carl Josef Bayerนักเคมีชาวออสเตรียซึ่งทำงานให้กับอุตสาหกรรมสิ่งทอในรัสเซียได้พัฒนากระบวนการแยกอะลูมินาออกจากแร่อะลูมิเนียมในปี พ.ศ. 2431 กระบวนการไบเออร์ ยังคงใช้ในการทำให้อลูมินาบริสุทธิ์สำหรับอุตสาหกรรมเซรามิกและอลูมิเนียม [ ต้องการอ้างอิง ]พี่น้องปิแอร์และฌาคCurieค้นพบpiezoelectricityเกลือ Rochelle ประมาณ 1880 Piezoelectricity เป็นหนึ่งในคุณสมบัติที่สำคัญของelectroceramics

EG เคสันร้อนที่มีส่วนผสมของโค้กและดินในปี 1893 และคิดค้นกากเพชรหรือสังเคราะห์คาร์ไบด์ซิลิกอนHenri Moissanยังสังเคราะห์ SiC และทังสเตนคาร์ไบด์ในเตาอาร์กไฟฟ้าในปารีสในช่วงเวลาเดียวกันกับ Acheson Karl Schröterใช้การเผาเฟสของเหลวเพื่อเชื่อมหรือ "ซีเมนต์" อนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ของ Moissan กับโคบอลต์ในปีพ. ศ. 2466 ในเยอรมนี ขอบคาร์ไบด์ซีเมนต์ (เชื่อมด้วยโลหะ) ช่วยเพิ่มความทนทานของเครื่องมือตัดเหล็กชุบแข็งได้อย่างมาก WH Nernst ได้พัฒนาเซอร์โคเนียที่มีความเสถียรแบบลูกบาศก์ในปี ค.ศ. 1920 ในเบอร์ลิน สารนี้ใช้เป็นเซ็นเซอร์ออกซิเจนในระบบไอเสีย ข้อ จำกัด หลักในการใช้เซรามิกในงานวิศวกรรมคือความเปราะ [1]

ทหาร

ทหารต้องการของสงครามโลกครั้งที่สองได้รับการสนับสนุนการพัฒนาที่จำเป็นสำหรับการสร้างวัสดุที่มีประสิทธิภาพสูงและช่วยความเร็วการพัฒนาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเซรามิก ตลอดช่วงทศวรรษที่ 1960 และ 1970 เซรามิกชนิดใหม่ได้รับการพัฒนาเพื่อตอบสนองความก้าวหน้าด้านพลังงานปรมาณูอิเล็กทรอนิกส์การสื่อสารและการเดินทางในอวกาศ การค้นพบตัวนำยิ่งยวดเซรามิกในปี 1986 ได้กระตุ้นการวิจัยอย่างเข้มข้นเพื่อพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์มอเตอร์ไฟฟ้าและอุปกรณ์การขนส่ง [ ต้องการอ้างอิง ]

มีความต้องการที่เพิ่มขึ้นในภาคการทหารสำหรับวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและแข็งแรงซึ่งมีความสามารถในการส่งแสงรอบ ๆ บริเวณที่มองเห็นได้ (0.4–0.7 ไมโครเมตร) และย่านอินฟราเรดกลาง (1–5 ไมโครเมตร) ของสเปกตรัม วัสดุเหล่านี้มีความจำเป็นสำหรับงานที่ต้องการเกราะโปร่งใสชุดเกราะโปร่งใสเป็นวัสดุหรือระบบของวัสดุที่ออกแบบมาให้มีความโปร่งแสง แต่ยังป้องกันการแตกกระจายหรือผลกระทบจากขีปนาวุธ ข้อกำหนดหลักสำหรับระบบชุดเกราะโปร่งใสไม่เพียง แต่เอาชนะภัยคุกคามที่กำหนดไว้เท่านั้น แต่ยังให้ความสามารถในการโจมตีหลายครั้งพร้อมกับการบิดเบือนพื้นที่โดยรอบให้น้อยที่สุด หน้าต่างเกราะโปร่งใสจะต้องเข้ากันได้กับอุปกรณ์สำหรับการมองเห็นในเวลากลางคืน กำลังมองหาวัสดุใหม่ที่บางลงน้ำหนักเบาและให้ประสิทธิภาพการยิงขีปนาวุธที่ดีขึ้น [3]

ส่วนประกอบโซลิดสเตตดังกล่าวพบว่ามีการใช้งานอย่างแพร่หลายสำหรับการใช้งานที่หลากหลายในสนามอิเล็กโทรออปติก ได้แก่เส้นใยแสงสำหรับการส่งคลื่นแสง นำทางสวิตช์ออปติคัลแอมพลิฟายเออร์เลเซอร์และเลนส์โฮสต์สำหรับเลเซอร์โซลิดสเตตและวัสดุหน้าต่างออปติคอลสำหรับเลเซอร์แก๊สและอินฟราเรด (IR) ความร้อนที่กำลังมองหาอุปกรณ์สำหรับคำแนะนำขีปนาวุธระบบและคืนวิสัยทัศน์อินฟราเรด [4]

ปัจจุบันมีอุตสาหกรรมหลายพันล้านดอลลาร์ต่อปีวิศวกรรมเซรามิกและการวิจัยได้สร้างชื่อเสียงให้ตัวเองเป็นสาขาวิทยาศาสตร์ที่สำคัญ แอพพลิเคชั่นยังคงขยายตัวอย่างต่อเนื่องเนื่องจากนักวิจัยพัฒนาเซรามิกชนิดใหม่เพื่อตอบสนองวัตถุประสงค์ที่แตกต่างกัน [1] [5]

• เซรามิกเซอร์โคเนียมไดออกไซด์ใช้ในการผลิตมีด ใบมีดเซรามิกจะยังคงความคมได้นานกว่ามีดเหล็กแม้ว่าจะมีความเปราะมากกว่าและสามารถหักได้โดยการทิ้งลงบนพื้นแข็ง
• เซรามิกเช่นอลูมินาโบรอนคาร์ไบด์และซิลิกอนคาร์ไบด์ถูกนำมาใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุนเพื่อขับไล่ไฟปืนไรเฟิลขนาดเล็ก แผ่นดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันทั่วไปว่าเป็นแผ่นบาดเจ็บ วัสดุที่คล้ายกันใช้เพื่อป้องกันห้องนักบินของเครื่องบินทหารบางรุ่นเนื่องจากวัสดุมีน้ำหนักเบา
• ชิ้นส่วนซิลิคอนไนไตรด์ใช้ในตลับลูกปืนเซรามิก ความแข็งที่สูงขึ้นหมายความว่าพวกเขาอ่อนแอต่อการสึกหรอน้อยกว่ามากและสามารถให้อายุการใช้งานได้นานกว่าสามเท่า นอกจากนี้ยังทำให้เสียรูปภายใต้ภาระน้อยลงซึ่งหมายความว่าพวกเขาสัมผัสกับผนังตัวยึดแบริ่งน้อยลงและสามารถหมุนได้เร็วขึ้น ในการใช้งานความเร็วสูงมากความร้อนจากแรงเสียดทานระหว่างการรีดอาจทำให้เกิดปัญหากับตลับลูกปืนโลหะ ปัญหาที่ลดลงจากการใช้เซรามิก เซรามิกยังทนต่อสารเคมีได้ดีกว่าและสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกซึ่งตลับลูกปืนเหล็กจะเป็นสนิม ข้อเสียเปรียบที่สำคัญในการใช้เซรามิกคือต้นทุนที่สูงขึ้นอย่างมาก ในหลาย ๆ กรณีคุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้าของพวกมันอาจมีค่าในตลับลูกปืน [ ต้องการอ้างอิง ]
• ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โตโยต้าได้ทำการวิจัยการผลิตเครื่องยนต์เซรามิกอะเดียแบติกซึ่งสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิมากกว่า 6000 ° F (3300 ° C) เครื่องยนต์เซรามิกไม่จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนและด้วยเหตุนี้จึงช่วยลดน้ำหนักได้มากและทำให้ประหยัดน้ำมันมากขึ้น ประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ก็สูงขึ้นเช่นกันที่อุณหภูมิสูงดังที่แสดงในทฤษฎีบทของคาร์โนต์ ในเครื่องยนต์โลหะธรรมดาพลังงานส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงจะต้องถูกกระจายไปเป็นความร้อนเหลือทิ้งเพื่อป้องกันการหลอมละลายของชิ้นส่วนโลหะ แม้จะมีคุณสมบัติที่ต้องการทั้งหมดนี้ แต่เครื่องยนต์ดังกล่าวยังไม่ได้ผลิตเนื่องจากการผลิตชิ้นส่วนเซรามิกที่มีความแม่นยำและความทนทานที่จำเป็นนั้นทำได้ยาก ความไม่สมบูรณ์ในเซรามิกทำให้เกิดรอยแตกซึ่งอาจทำให้อุปกรณ์ล้มเหลวที่อาจเป็นอันตรายได้ เครื่องยนต์ดังกล่าวเป็นไปได้ในการตั้งค่าห้องปฏิบัติการ แต่การผลิตจำนวนมากไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีปัจจุบัน [ ต้องการอ้างอิง ]
• การทำงานจะถูกดำเนินการในการพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกสำหรับกังหันก๊าซ เครื่องยนต์ ปัจจุบันแม้แต่ใบมีดที่ทำจากโลหะผสมขั้นสูงที่ใช้ในส่วนที่ร้อนของเครื่องยนต์ก็ต้องการการระบายความร้อนและการ จำกัด อุณหภูมิในการทำงานอย่างระมัดระวัง เครื่องยนต์เทอร์ไบน์ที่ทำด้วยเซรามิกสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นทำให้เครื่องบินมีระยะและน้ำหนักบรรทุกมากขึ้นสำหรับเชื้อเพลิงจำนวนหนึ่ง [ ต้องการอ้างอิง ]

เส้นใยคอลลาเจนจากกระดูกสาน

การสแกนภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนของกระดูก

• เมื่อเร็ว ๆ นี้มีความก้าวหน้าในเซรามิกซึ่งรวมถึงเซรามิกชีวภาพเช่นรากฟันเทียมและกระดูกสังเคราะห์ ไฮดรอกซีอะพาไทต์ซึ่งเป็นส่วนประกอบของแร่ธาตุตามธรรมชาติของกระดูกถูกสร้างขึ้นโดยสังเคราะห์จากแหล่งทางชีวภาพและทางเคมีจำนวนมากและสามารถขึ้นรูปเป็นวัสดุเซรามิกได้ การปลูกถ่ายกระดูกที่ทำจากวัสดุเหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกับกระดูกและเนื้อเยื่ออื่น ๆ ในร่างกายได้อย่างง่ายดายโดยไม่มีปฏิกิริยาปฏิเสธหรือการอักเสบ ด้วยเหตุนี้พวกมันจึงเป็นที่สนใจอย่างมากสำหรับการจัดส่งยีนและโครงกระดูกเชิงวิศวกรรมของเนื้อเยื่อ เซรามิกไฮดรอกซีแอปาไทต์ส่วนใหญ่มีรูพรุนมากและไม่มีความแข็งแรงเชิงกลและใช้ในการเคลือบอุปกรณ์กระดูกโลหะเพื่อช่วยในการสร้างพันธะกับกระดูกหรือเป็นสารเติมเต็มกระดูก นอกจากนี้ยังใช้เป็นฟิลเลอร์สำหรับสกรูพลาสติกออร์โธปิดิกส์เพื่อช่วยในการลดการอักเสบและเพิ่มการดูดซึมของวัสดุพลาสติกเหล่านี้ กำลังดำเนินการเพื่อสร้างวัสดุเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ผลึกนาโนที่แข็งแรงและหนาแน่นเต็มที่สำหรับอุปกรณ์แบกน้ำหนักกระดูกเปลี่ยนโลหะแปลกปลอมและวัสดุกระดูกด้วยแร่กระดูกสังเคราะห์ แต่เกิดขึ้นเองตามธรรมชาติ ในที่สุดวัสดุเซรามิกเหล่านี้อาจถูกใช้เพื่อทดแทนกระดูกหรือด้วยการรวมตัวกันของโปรตีนคอลลาเจนกระดูกสังเคราะห์ [ ต้องการอ้างอิง ]
• วัสดุเซรามิกที่มีส่วนผสมของแอกติไนด์ที่ทนทานมีการใช้งานหลายอย่างเช่นในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับการเผาไหม้ Pu ส่วนเกินและในแหล่งที่มาของการฉายรังสีอัลฟาที่เฉื่อยทางเคมีสำหรับการจ่ายไฟของยานอวกาศไร้คนขับหรือเพื่อผลิตกระแสไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ทั้งการใช้และการกำจัดแอกติไนด์กัมมันตภาพรังสีต้องการการตรึงในวัสดุโฮสต์ที่ทนทาน สารกัมมันตรังสีที่มีอายุการใช้งานยาวนานเช่นแอกทิไนด์ถูกตรึงโดยใช้วัสดุผลึกที่ทนทานทางเคมีโดยใช้เซรามิกโพลีคาร์บอเนตและผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่ [6]

ฝาบนทำอาหารแก้วเซรามิกที่มีความแข็งแรงสูงพร้อมการขยายตัวทางความร้อนเล็กน้อย

วัสดุแก้วเซรามิกมีคุณสมบัติหลายประการกับทั้งแก้วและเซรามิก เซรามิกแก้วมีเฟสอสัณฐานและขั้นตอนของผลึกอย่างน้อยหนึ่งเฟสและผลิตโดยสิ่งที่เรียกว่า "การตกผลึกแบบควบคุม" ซึ่งโดยทั่วไปจะหลีกเลี่ยงในการผลิตแก้ว แก้วเซรามิกมักจะมีเฟสของผลึกซึ่งประกอบขึ้นจาก 30% [m / m] ถึง 90% [m / m] ขององค์ประกอบตามปริมาตรทำให้ได้วัสดุหลายชนิดที่มีคุณสมบัติทางความร้อนเชิงกลที่น่าสนใจ [5]

ในการแปรรูปแก้ว - เซรามิกแก้วหลอมเหลวจะถูกทำให้เย็นลงทีละน้อยก่อนที่จะอุ่นและอบอ่อน ในการรักษาความร้อนนี้แก้วบางส่วนตกผลึก ในหลาย ๆ กรณีจะมีการเพิ่มสิ่งที่เรียกว่า 'nucleation agents' เพื่อควบคุมและควบคุมกระบวนการตกผลึก เนื่องจากโดยปกติจะไม่มีการอัดและการเผาเซรามิกแก้วจึงไม่มีเศษปริมาตรของความพรุนที่มักมีอยู่ในเซรามิกที่เผา [1]

คำนี้ส่วนใหญ่หมายถึงส่วนผสมของลิเธียมและอะลูมิโนซิลิเกตซึ่งทำให้ได้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางความร้อนที่น่าสนใจ สิ่งที่สำคัญที่สุดในเชิงพาณิชย์ของสิ่งเหล่านี้มีความแตกต่างในการไม่อนุญาตให้เกิดการช็อกจากความร้อน ดังนั้นแก้วเซรามิกจึงมีประโยชน์อย่างมากสำหรับการทำอาหารบนเคาน์เตอร์ ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเชิงลบ(TEC) ของเฟสเซรามิกผลึกสามารถสมดุลกับ TEC เชิงบวกของเฟสแก้วได้ เมื่อถึงจุดหนึ่ง (ผลึก ~ 70%) แก้วเซรามิกมี TEC สุทธิใกล้ศูนย์ แก้วเซรามิกประเภทนี้มีคุณสมบัติเชิงกลที่ดีเยี่ยมและสามารถรักษาการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิซ้ำ ๆ และรวดเร็วได้ถึง 1,000 ° C [1] [5]

กระบวนการเซรามิกแบบดั้งเดิมโดยทั่วไปเป็นไปตามลำดับนี้: การกัด→การผสม→การผสม→การขึ้นรูป→การทำให้แห้ง→การยิง→การประกอบ [7] [8] [9] [10]

• การกัดเป็นกระบวนการที่ลดวัสดุจากขนาดใหญ่ให้มีขนาดเล็กลง การกัดอาจเกี่ยวข้องกับการแตกวัสดุที่เป็นซีเมนต์ (ซึ่งในกรณีนี้อนุภาคแต่ละตัวจะคงรูปร่างไว้) หรือการบด (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการบดอนุภาคให้มีขนาดเล็กลง) โดยทั่วไปการกัดจะทำโดยวิธีเชิงกลซึ่งรวมถึงการขัดสี (ซึ่งเป็นการชนกันของอนุภาคต่ออนุภาคที่ส่งผลให้เกิดการแตกตัวเป็นก้อนหรือการเฉือนอนุภาค) การบีบอัด (ซึ่งใช้แรงที่ทำให้เกิดการแตกร้าว) และแรงกระแทก (ซึ่งใช้ตัวกลางในการกัด หรืออนุภาคเองที่จะทำให้เกิดการแตกหัก) อุปกรณ์การกัดสีรวมถึงเครื่องขัดพื้นแบบเปียก (เรียกอีกอย่างว่าเครื่องบดดาวเคราะห์หรือโรงงานขัดสีแบบเปียก) ซึ่งมีไม้พายในน้ำสร้างกระแสน้ำวนที่วัสดุชนกันและแตกออก เครื่องบีบอัด ได้แก่เครื่องบดกรามเครื่องบดลูกกลิ้งและเครื่องบดกรวย โรงงานผลิตผลกระทบ ได้แก่โรงงานผลิตลูกบอลซึ่งมีสื่อที่ทำให้วัสดุเสียหายและแตกหัก ตัวกระแทกของเพลาทำให้เกิดการขัดสีและการบีบอัดของอนุภาคต่ออนุภาค
• Batchingคือกระบวนการชั่งน้ำหนักออกไซด์ตามสูตรอาหารและเตรียมผสมและอบแห้ง
• การผสมเกิดขึ้นหลังจากการผสมและดำเนินการกับเครื่องจักรต่างๆเช่นเครื่องผสมริบบิ้นแบบแห้ง(เครื่องผสมปูนซีเมนต์ชนิดหนึ่ง) เครื่องผสมมูลเลอร์[ ต้องมีการชี้แจง ]และโรงสีปั๊ก การผสมแบบเปียกโดยทั่วไปจะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์เดียวกัน
• การขึ้นรูปเป็นการทำให้วัสดุผสมเป็นรูปร่างตั้งแต่โถชักโครกไปจนถึงลูกถ้วยหัวเทียน การขึ้นรูปอาจเกี่ยวข้องกับ: (1) การอัดขึ้นรูปเช่นการอัด "ทาก" เพื่อทำอิฐ (2) การกดเพื่อสร้างชิ้นส่วนที่มีรูปร่าง (3) การหล่อแบบสลิปเช่นเดียวกับการทำโถชักโครกอ่างล้างหน้าและเครื่องประดับเช่นรูปปั้นเซรามิก การขึ้นรูปทำให้เกิดส่วนที่เป็น "สีเขียว" พร้อมสำหรับการทำให้แห้ง ชิ้นส่วนสีเขียวนุ่มยืดหยุ่นได้และเมื่อเวลาผ่านไปจะเสียรูปทรง การจัดการผลิตภัณฑ์สีเขียวจะเปลี่ยนรูปร่าง ตัวอย่างเช่นอิฐสีเขียวสามารถ "บีบ" ได้และหลังจากบีบแล้วก็จะอยู่ในลักษณะนั้น
• การอบแห้งคือการเอาน้ำหรือสารยึดเกาะออกจากวัสดุที่ขึ้นรูป การพ่นแห้งใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมผงสำหรับการกด เครื่องอบแห้งอื่น ๆ ได้แก่ เครื่องอบอุโมงค์และเครื่องอบแห้งเป็นระยะ ความร้อนที่ควบคุมได้ถูกนำไปใช้ในกระบวนการสองขั้นตอนนี้ ขั้นแรกให้ความร้อนขจัดน้ำ ขั้นตอนนี้จำเป็นต้องมีการควบคุมอย่างระมัดระวังเนื่องจากการให้ความร้อนอย่างรวดเร็วทำให้เกิดรอยแตกและรอยตำหนิบนพื้นผิว ส่วนที่แห้งมีขนาดเล็กกว่าส่วนที่เป็นสีเขียวและเปราะทำให้ต้องใช้ความระมัดระวังเนื่องจากการกระแทกเพียงเล็กน้อยจะทำให้ร่วนและแตกหักได้
• การเผาคือการที่ชิ้นส่วนแห้งผ่านกระบวนการให้ความร้อนที่มีการควบคุมและออกไซด์จะถูกเปลี่ยนทางเคมีเพื่อทำให้เกิดพันธะและการทำให้หนาแน่นขึ้น ส่วนที่ถูกยิงจะมีขนาดเล็กกว่าส่วนที่แห้ง

เทคนิคการขึ้นรูปเซรามิกได้แก่ การโยนการลื่นไถลการหล่อเทปการหล่อแบบเยือกแข็งการฉีดขึ้นรูปการกดแบบแห้งการกดแบบไอโซสแตติกการกดแบบไอโซสแตติก (HIP) การพิมพ์ 3 มิติและอื่น ๆ วิธีการขึ้นรูปผงเซรามิกเป็นรูปทรงที่ซับซ้อนเป็นที่ต้องการในหลาย ๆ ด้านของเทคโนโลยี วิธีการดังกล่าวจะต้องใช้สำหรับการผลิตขั้นสูงที่อุณหภูมิสูงชิ้นส่วนโครงสร้างเช่นชิ้นส่วนเครื่องยนต์ร้อนและกังหัน วัสดุอื่น ๆ นอกเหนือจากเซรามิกที่ใช้ในกระบวนการเหล่านี้อาจรวมถึงไม้โลหะน้ำปูนปลาสเตอร์และอีพ็อกซี่ซึ่งส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกเมื่อเผา [7]เซรามิกที่เต็มไปด้วยอีพ็อกซี่เช่น Martyte บางครั้งใช้ในการป้องกันโครงสร้างเหล็กภายใต้เงื่อนไขของการปะทะจรวดไอเสีย [11]

เทคนิคการขึ้นรูปเหล่านี้เป็นที่รู้จักกันดีในการจัดหาเครื่องมือและส่วนประกอบอื่น ๆ ที่มีความเสถียรของมิติคุณภาพของพื้นผิวความหนาแน่นสูง (ใกล้เคียงทางทฤษฎี) และความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค การใช้งานที่เพิ่มขึ้นและความหลากหลายของเซรามิกในรูปแบบพิเศษช่วยเพิ่มความหลากหลายของเทคโนโลยีกระบวนการที่จะนำมาใช้ [7]

ดังนั้นเส้นใยและเส้นใยเสริมแรงส่วนใหญ่ทำโดยกระบวนการโพลีเมอร์โซลเจลหรือ CVD แต่กระบวนการหลอมก็มีผลบังคับใช้เช่นกัน รูปแบบพิเศษที่ใช้กันอย่างแพร่หลายคือโครงสร้างแบบชั้นโดยมีการหล่อเทปสำหรับพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์และบรรจุภัณฑ์ที่มีความโดดเด่น ภาพพิมพ์หินกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นสำหรับรูปแบบที่แม่นยำของตัวนำและส่วนประกอบอื่น ๆ สำหรับบรรจุภัณฑ์ดังกล่าว การหล่อเทปหรือกระบวนการขึ้นรูปยังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นสำหรับการใช้งานอื่น ๆ ตั้งแต่โครงสร้างแบบเปิดเช่นเซลล์เชื้อเพลิงไปจนถึงวัสดุผสมเซรามิก [7]

โครงสร้างชั้นที่สำคัญอื่น ๆ คือการเคลือบซึ่งการพ่นแบบละลายมีความสำคัญมาก แต่วิธีการสะสมไอทางเคมีและทางกายภาพและทางเคมี (เช่นโซลเจลและโพลีเมอร์ไพโรไลซิส) ล้วนมีการใช้ที่เพิ่มขึ้น นอกจากโครงสร้างแบบเปิดจากเทปที่ขึ้นรูปแล้วโครงสร้างแบบอัดเช่นตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยารังผึ้งและโครงสร้างที่มีรูพรุนสูงรวมถึงโฟมต่างๆเช่นโฟมร่างแหก็มีการใช้งานเพิ่มขึ้น [7]

การเพิ่มความหนาแน่นของเนื้อแป้งที่รวมเข้าด้วยกันยังคงทำได้โดยส่วนใหญ่โดยการเผา (แบบไม่ใช้แรงกด) อย่างไรก็ตามการใช้การเผาด้วยความดันโดยการกดร้อนกำลังเพิ่มขึ้นโดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับชิ้นส่วนที่ไม่ใช่ออกไซด์และชิ้นส่วนของรูปทรงที่เรียบง่ายซึ่งจำเป็นต้องมีคุณภาพที่สูงขึ้น (ส่วนใหญ่เป็นเนื้อเดียวกันของโครงสร้างจุลภาค) และขนาดที่ใหญ่ขึ้นหรือหลายส่วนต่อการกดอาจเป็นข้อได้เปรียบ [7]

หลักการของวิธีการเผาที่ใช้มีความเรียบง่าย ( "เผา" มีรากในภาษาอังกฤษ " ถ่าน ") การยิงจะทำที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของเซรามิก เมื่อมีการสร้างวัตถุที่รวมตัวกันอย่างหยาบ ๆ เรียกว่า "ตัวสีเขียว" แล้วจะถูกนำไปอบในเตาเผาซึ่งกระบวนการแพร่กระจายของอะตอมและโมเลกุลก่อให้เกิดการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญในลักษณะทางจุลภาคหลัก ซึ่งรวมถึงการขจัดความพรุนอย่างค่อยเป็นค่อยไปซึ่งโดยปกติจะมาพร้อมกับการหดตัวสุทธิและการเพิ่มความหนาแน่นโดยรวมของส่วนประกอบ ดังนั้นรูขุมขนในวัตถุที่อาจจะปิดเพิ่มขึ้นส่งผลให้สินค้าที่มีความหนาแน่นของอย่างมีนัยสำคัญมากขึ้นความแข็งแรงและแตกหัก

การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญอีกประการหนึ่งในร่างกายในระหว่างกระบวนการยิงหรือการเผาคือการสร้างผลึกโพลีคาร์บอเนตของของแข็ง การเจริญเติบโตของเมล็ดพืชอย่างมีนัยสำคัญมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นในระหว่างการเผาโดยการเติบโตนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาของกระบวนการเผา การเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวจะส่งผลให้เกิดการกระจายขนาดของเมล็ดข้าวในรูปแบบหนึ่งซึ่งจะส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อคุณสมบัติทางกายภาพขั้นสูงสุดของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเจริญเติบโตของเมล็ดข้าวที่ผิดปกติซึ่งเมล็ดพืชบางชนิดเติบโตมากในเมทริกซ์ของเมล็ดข้าวที่ละเอียดกว่าจะทำให้คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลของเซรามิกที่ได้รับเปลี่ยนไปอย่างมีนัยสำคัญ ในร่างกายที่เผาขนาดเกรนเป็นผลคูณของพารามิเตอร์การประมวลผลทางความร้อนเช่นเดียวกับขนาดอนุภาคเริ่มต้นหรืออาจเป็นขนาดของมวลรวมหรือกลุ่มอนุภาคที่เกิดขึ้นระหว่างขั้นตอนเริ่มต้นของการแปรรูป

โครงสร้างจุลภาคที่ดีที่สุด(และคุณสมบัติทางกายภาพ) ของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูก จำกัด โดยและอยู่ภายใต้รูปแบบของแม่แบบโครงสร้างหรือสารตั้งต้นซึ่งสร้างขึ้นในขั้นตอนเริ่มต้นของการสังเคราะห์ทางเคมีและการขึ้นรูปทางกายภาพ ดังนั้นความสำคัญของการแปรรูปผงเคมีและพอลิเมอร์ จึงเกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์เซรามิกอุตสาหกรรมแก้วและแก้วเซรามิก

มีการปรับแต่งกระบวนการเผาที่เป็นไปได้หลายประการ สิ่งที่พบบ่อยที่สุดบางอย่างเกี่ยวข้องกับการกดตัวถังสีเขียวเพื่อให้การเพิ่มความหนาแน่นเริ่มต้นและลดเวลาในการเผาที่จำเป็น บางครั้งสารยึดเกาะอินทรีย์เช่นโพลีไวนิลแอลกอฮอล์จะถูกเพิ่มเพื่อยึดตัวสีเขียวไว้ด้วยกัน สิ่งเหล่านี้จะมอดไปในระหว่างการยิง (ที่อุณหภูมิ 200–350 ° C) บางครั้งมีการเติมน้ำมันหล่อลื่นอินทรีย์ระหว่างการกดเพื่อเพิ่มความหนาแน่น เป็นเรื่องปกติที่จะรวมสิ่งเหล่านี้เข้าด้วยกันและเพิ่มสารยึดเกาะและน้ำมันหล่อลื่นลงในแป้งแล้วกด (สูตรของสารเคมีเหล่านี้อินทรีย์เป็นศิลปะในตัวเอง. นี้เป็นสิ่งสำคัญโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการผลิตเซรามิกส์ที่มีประสิทธิภาพสูงเช่นที่ใช้โดยพันล้านสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ในตัวเก็บประจุตัวเหนี่ยวนำ , เซ็นเซอร์ , ฯลฯ )

สามารถใช้สารละลายแทนผงแล้วหล่อเป็นรูปร่างที่ต้องการอบแห้งแล้วเผา เครื่องปั้นดินเผาแบบดั้งเดิมทำด้วยวิธีการประเภทนี้โดยใช้ส่วนผสมพลาสติกที่ทำด้วยมือ หากใช้ส่วนผสมของวัสดุที่แตกต่างกันในเซรามิกอุณหภูมิในการเผาบางครั้งจะสูงกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบย่อยหนึ่ง - การเผาเฟสของเหลว ส่งผลให้เวลาในการเผาสั้นลงเมื่อเทียบกับการเผาในสถานะของแข็ง [12]ดังกล่าวขั้นตอนการเผาของเหลวเกี่ยวข้องกับกระบวนการในการแพร่กระจายได้เร็วขึ้นและอาจส่งผลให้การเจริญเติบโตของข้าวที่ผิดปกติ

ความแข็งแรงของวัสดุขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาค กระบวนการทางวิศวกรรมที่วัสดุตกอยู่ภายใต้การควบคุมสามารถเปลี่ยนแปลงโครงสร้างจุลภาคของมันได้ ความหลากหลายของการเสริมสร้างกลไกที่เปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของวัสดุรวมถึงกลไกของเม็ดเสริมสร้างความเข้มแข็งเขตแดน ดังนั้นแม้ว่าความแข็งแรงของผลผลิตจะเพิ่มขึ้นสูงสุดด้วยขนาดเกรนที่ลดลง แต่ในที่สุดขนาดของเมล็ดข้าวที่เล็กมากก็ทำให้วัสดุเปราะ เมื่อพิจารณาควบคู่ไปกับความจริงที่ว่าความแข็งแรงของผลผลิตเป็นพารามิเตอร์ที่ทำนายการเสียรูปของพลาสติกในวัสดุเราสามารถตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดเกี่ยวกับวิธีเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางจุลภาคและผลสุดท้ายที่ต้องการ

ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นผลผลิตและขนาดเมล็ดพืชอธิบายทางคณิตศาสตร์โดยสมการหอเพชรซึ่งก็คือ

โดยที่k yคือค่าสัมประสิทธิ์การเสริมความแข็งแรง (ค่าคงที่เฉพาะสำหรับแต่ละวัสดุ) σ oคือค่าคงที่ของวัสดุสำหรับความเค้นเริ่มต้นสำหรับการเคลื่อนที่แบบคลาดเคลื่อน (หรือความต้านทานของแลตติซต่อการเคลื่อนที่แบบเคลื่อนที่) dคือเส้นผ่านศูนย์กลางเกรนและσ yคือความเค้นของผลผลิต

ในทางทฤษฎีแล้ววัสดุสามารถสร้างความแข็งแรงได้ไม่สิ้นสุดหากเมล็ดมีขนาดเล็กไม่สิ้นสุด น่าเสียดายที่เป็นไปไม่ได้เนื่องจากขีด จำกัด ล่างของขนาดเกรนเป็นเซลล์หน่วยเดียวของวัสดุ ถึงกระนั้นถ้าเมล็ดของวัสดุมีขนาดเท่ากับเซลล์หน่วยเดียวจริง ๆ แล้ววัสดุนั้นก็เป็นอสัณฐานไม่ใช่ผลึกเนื่องจากไม่มีลำดับระยะยาวและไม่สามารถกำหนดความคลาดเคลื่อนในวัสดุอสัณฐานได้ มีการสังเกตจากการทดลองว่าโครงสร้างจุลภาคที่มีความแข็งแรงในการให้ผลผลิตสูงสุดคือขนาดเกรนประมาณ 10 นาโนเมตรเนื่องจากธัญพืชที่มีขนาดเล็กกว่านี้ได้รับกลไกการให้ผลผลิตแบบอื่นการเลื่อนขอบเขตของเกรน [13] การผลิตวัสดุทางวิศวกรรมที่มีขนาดเกรนในอุดมคตินี้เป็นเรื่องยากเนื่องจากข้อ จำกัด ของขนาดอนุภาคเริ่มต้นที่มีอยู่ในวัสดุนาโนและนาโนเทคโนโลยี

ความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค

ในการแปรรูปเซรามิกชั้นดีขนาดและรูปร่างของอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอในผงทั่วไปมักทำให้เกิดสัณฐานของการบรรจุที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของการบรรจุในแป้งมีขนาดเล็กลง การรวมตัวกันของผงที่ไม่มีการควบคุมเนื่องจากกองกำลังของแวนเดอร์วาลส์ที่น่าดึงดูดยังสามารถก่อให้เกิดความคล้ายคลึงกันในโครงสร้างจุลภาค [7] [14]

ความเค้นแตกต่างที่เกิดจากการหดตัวของการอบแห้งที่ไม่สม่ำเสมอมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราที่สามารถกำจัดตัวทำละลายได้ดังนั้นจึงขึ้นอยู่กับการกระจายของความพรุนเป็นอย่างมาก ความเครียดดังกล่าวเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงแบบพลาสติกเป็นเปราะในร่างกายที่รวมเข้าด้วยกัน[15]และสามารถส่งผลให้เกิดการแตกขยายพันธุ์ในร่างกายที่ไม่ได้รับเชื้อได้หากไม่ได้รับการบรรเทา

นอกจากนี้ความผันผวนของความหนาแน่นของบรรจุภัณฑ์ในขนาดกะทัดรัดที่เตรียมไว้สำหรับเตาเผามักจะถูกขยายในระหว่างกระบวนการเผาทำให้เกิดการหนาแน่นที่ไม่เป็นเนื้อเดียวกัน [16] [17]รูพรุนบางส่วนและข้อบกพร่องของโครงสร้างอื่น ๆ ที่เกี่ยวข้องกับการแปรผันของความหนาแน่นแสดงให้เห็นว่ามีบทบาทที่เป็นอันตรายในกระบวนการเผาโดยการขยายตัวและ จำกัด ความหนาแน่นของจุดสิ้นสุด [18]ความเค้นเชิงอนุพันธ์ที่เกิดจากการเพิ่มความหนาแน่นแบบไม่เป็นเนื้อเดียวกันยังแสดงให้เห็นถึงการขยายตัวของรอยแตกภายในจึงกลายเป็นข้อบกพร่องในการควบคุมความแข็งแรง [19]

ดังนั้นจึงดูเหมือนเป็นที่พึงปรารถนาที่จะประมวลผลวัสดุในลักษณะที่มีความสม่ำเสมอทางกายภาพโดยคำนึงถึงการกระจายตัวของส่วนประกอบและความพรุนแทนที่จะใช้การกระจายขนาดอนุภาคซึ่งจะเพิ่มความหนาแน่นสีเขียวให้สูงสุด การกักเก็บการประกอบที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอของอนุภาคที่มีปฏิกิริยารุนแรงในสารแขวนลอยจำเป็นต้องมีการควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคกับอนุภาคทั้งหมด Monodisperse colloidsให้ศักยภาพนี้ [20]

ตัวอย่างเช่นผงโมโนดิสเพอร์ของซิลิกาคอลลอยด์อาจมีความเสถียรเพียงพอที่จะทำให้แน่ใจได้ว่าคริสตัลคอลลอยด์หรือของแข็งคอลลอยด์โพลีคาร์บอเนตมีลำดับสูงซึ่งเป็นผลมาจากการรวมตัว ระดับของลำดับดูเหมือนจะถูก จำกัด ด้วยเวลาและพื้นที่ที่อนุญาตสำหรับความสัมพันธ์ระยะยาวที่จะสร้างขึ้น [21] [22]

โครงสร้างคอลลอยด์โพลีคาร์บอเนตที่มีข้อบกพร่องดังกล่าวดูเหมือนจะเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของวิทยาศาสตร์วัสดุคอลลอยด์ซับไมโครมิเตอร์ดังนั้นจึงเป็นขั้นตอนแรกในการพัฒนาความเข้าใจที่เข้มงวดยิ่งขึ้นเกี่ยวกับกลไกที่เกี่ยวข้องกับวิวัฒนาการจุลภาคในระบบอนินทรีย์เช่นเซรามิกส์โพลีคาร์บอเนต

ประกอบเอง

ตัวอย่างของการประกอบเหนือโมเลกุล [23]

การประกอบตัวเองเป็นคำที่ใช้กันมากที่สุดในชุมชนวิทยาศาสตร์สมัยใหม่เพื่ออธิบายการรวมตัวของอนุภาคที่เกิดขึ้นเอง (อะตอมโมเลกุลคอลลอยด์ไมเซลส์ ฯลฯ ) โดยไม่ได้รับอิทธิพลจากแรงภายนอกใด ๆ กลุ่มอนุภาคขนาดใหญ่เป็นที่ทราบกันดีว่ารวมตัวกันเป็นอาร์เรย์ที่มีความเสถียรทางอุณหพลศาสตร์และมีโครงสร้างที่กำหนดไว้อย่างดีซึ่งค่อนข้างชวนให้นึกถึงหนึ่งใน 7 ระบบคริสตัลที่พบในโลหะวิทยาและแร่วิทยา (เช่นลูกบาศก์ที่มีใบหน้าเป็นศูนย์กลางลูกบาศก์ที่มีร่างกายเป็นศูนย์กลางเป็นต้น) [ ต้องการอ้างอิง ]ความแตกต่างพื้นฐานในโครงสร้างสมดุลอยู่ในมาตราส่วนเชิงพื้นที่ของเซลล์หน่วย (หรือพารามิเตอร์ตาข่าย ) ในแต่ละกรณี

ดังนั้น-การชุมนุมด้วยตนเองที่เกิดขึ้นเป็นกลยุทธ์ใหม่ในการสังเคราะห์ทางเคมีและนาโนเทคโนโลยี การประกอบตัวเองของโมเลกุลได้รับการสังเกตในระบบทางชีววิทยาต่างๆและเป็นรากฐานของการก่อตัวของโครงสร้างทางชีววิทยาที่ซับซ้อนที่หลากหลาย ผลึกโมเลกุลผลึกเหลวคอลลอยด์ไมเซลส์อิมัลชันโพลีเมอร์แบบแยกเฟสฟิล์มบางและโมโนเลย์ที่ประกอบขึ้นเองล้วนแสดงถึงตัวอย่างประเภทของโครงสร้างที่มีลำดับขั้นสูงซึ่งได้มาจากเทคนิคเหล่านี้ ลักษณะเด่นของวิธีการเหล่านี้คือการจัดระเบียบตนเองในกรณีที่ไม่มีกองกำลังภายนอกใด ๆ [ ต้องการอ้างอิง ]

นอกจากนี้ลักษณะทางกลและโครงสร้างหลักของเซรามิกชีวภาพลิเมอร์คอมโพสิต , ยางและโทรศัพท์มือถือวัสดุที่มีการประเมินอีกครั้งด้วยการเน้นบนวัสดุ bioinspired และโครงสร้าง แนวทางดั้งเดิมมุ่งเน้นไปที่วิธีการออกแบบวัสดุชีวภาพโดยใช้วัสดุสังเคราะห์ธรรมดา ซึ่งรวมถึงกลุ่มวัสดุชีวภาพที่เหนือกว่าทางกลไกที่เกิดขึ้นใหม่โดยอาศัยคุณสมบัติทางจุลภาคและการออกแบบที่พบในธรรมชาติ ขอบเขตใหม่ได้รับการระบุในการสังเคราะห์วัสดุที่ได้รับแรงกระตุ้นทางชีวภาพผ่านกระบวนการที่เป็นลักษณะของระบบทางชีววิทยาในธรรมชาติ ซึ่งรวมถึงการประกอบชิ้นส่วนด้วยตัวเองระดับนาโนและการพัฒนาโครงสร้างแบบลำดับชั้น [21] [22] [24]

ดิสก์เบรกคอมโพสิตคาร์บอนเซรามิก (ซิลิคอนคาร์ไบด์) ของ Porsche Carrera GT

ความสนใจอย่างมากเกิดขึ้นในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาในการผลิตวัสดุผสมเซรามิก แม้ว่าจะมีความสนใจอย่างมากในวัสดุผสมที่มีองค์ประกอบที่ไม่ใช่เซรามิกอย่างน้อยหนึ่งชิ้น แต่ความสนใจที่ยิ่งใหญ่ที่สุดอยู่ที่คอมโพสิตซึ่งส่วนประกอบทั้งหมดเป็นเซรามิก เหล่านี้มักจะประกอบด้วยสองคนละเซรามิก: เมทริกซ์อย่างต่อเนื่องและขั้นตอนการกระจายตัวของอนุภาคเซรามิก, เคราหรือสั้น (สับ) หรือต่อเนื่องเส้นใยเซรามิก ความท้าทายเช่นเดียวกับการแปรรูปทางเคมีแบบเปียกคือการได้รับการกระจายตัวของอนุภาคหรือเฟสเส้นใยที่กระจายตัวสม่ำเสมอหรือเป็นเนื้อเดียวกัน [25] [26]

พิจารณาการประมวลผลของคอมโพสิตอนุภาคก่อน เฟสอนุภาคที่น่าสนใจมากที่สุดคือเซอร์โคเนีย tetragonal เพราะทรหดที่สามารถประสบความสำเร็จจากการเปลี่ยนเฟสจาก tetragonal metastable กับผลึก monoclinic อาคาเปลี่ยนแปลงทรหด นอกจากนี้ยังมีความสนใจอย่างมากในการกระจายตัวของเฟสที่แข็งและไม่ใช่ออกไซด์เช่น SiC, TiB, TiC, โบรอน , คาร์บอนและเมทริกซ์ออกไซด์โดยเฉพาะเช่นอลูมินาและมัลไลท์ นอกจากนี้ยังมีความสนใจในการผสมผสานอนุภาคเซรามิกอื่น ๆ เข้าด้วยกันโดยเฉพาะอย่างยิ่งการขยายตัวทางความร้อนแบบแอนไอโซทรอปิกสูง ตัวอย่าง ได้แก่ Al 2 O 3 , TiO 2 , แกรไฟต์และโบรอนไนไตรด์ [25] [26]

ซิลิคอนคาร์ไบด์ผลึกเดี่ยว

ในการประมวลผลคอมโพสิตอนุภาคปัญหาไม่เพียง แต่ความสม่ำเสมอของขนาดและการกระจายเชิงพื้นที่ของเฟสที่กระจายและเมทริกซ์เท่านั้น แต่ยังควบคุมขนาดเกรนเมทริกซ์ด้วย อย่างไรก็ตามมีการควบคุมตนเองในตัวเนื่องจากการยับยั้งการเติบโตของเมล็ดพืชเมทริกซ์ตามระยะการกระจายตัว อนุภาคคอมโพสิตแม้ว่าโดยทั่วไปแล้วจะมีความต้านทานต่อความเสียหายความล้มเหลวหรือทั้งสองอย่างที่เพิ่มขึ้น แต่ก็ยังค่อนข้างอ่อนไหวต่อความไม่สม่ำเสมอขององค์ประกอบเช่นเดียวกับข้อบกพร่องในการประมวลผลอื่น ๆ เช่นรูขุมขน ดังนั้นจึงต้องมีการประมวลผลที่ดีจึงจะมีประสิทธิภาพ [1] [5]

อนุภาคคอมโพสิตถูกสร้างขึ้นในเชิงพาณิชย์โดยการผสมผงของทั้งสององค์ประกอบ แม้ว่าแนวทางนี้จะมีข้อ จำกัด ในเรื่องความเป็นเนื้อเดียวกันที่สามารถทำได้ แต่ก็เป็นวิธีที่ปรับให้เข้ากับเทคโนโลยีการผลิตเซรามิกที่มีอยู่ได้ง่ายที่สุด อย่างไรก็ตามแนวทางอื่น ๆ ที่น่าสนใจ [1] [5]

จากมุมมองทางเทคโนโลยีแนวทางที่พึงปรารถนาอย่างยิ่งในการผลิตวัสดุผสมอนุภาคคือการเคลือบเมทริกซ์หรือสารตั้งต้นลงบนอนุภาคละเอียดของเฟสที่กระจายตัวโดยมีการควบคุมขนาดอนุภาคเริ่มต้นที่กระจายตัวและความหนาของการเคลือบเมทริกซ์ที่เป็นผลลัพธ์ได้ดี โดยหลักการแล้วสิ่งหนึ่งควรจะสามารถบรรลุขั้นสูงสุดของความเป็นเนื้อเดียวกันของการกระจายและด้วยเหตุนี้จึงเพิ่มประสิทธิภาพของคอมโพสิต นอกจากนี้ยังสามารถมีการแบ่งส่วนอื่น ๆ เช่นทำให้สามารถใช้งานคอมโพสิตที่มีประโยชน์ได้มากขึ้นในร่างกายที่มีความพรุนซึ่งอาจเป็นที่ต้องการสำหรับปัจจัยอื่น ๆ เช่นการ จำกัด การนำความร้อน

นอกจากนี้ยังมีโอกาสบางอย่างในการใช้กระบวนการหลอมสำหรับการผลิตเซรามิกพาร์ติเคิลมัสสุและเส้นใยสั้นและเส้นใยต่อเนื่อง เห็นได้ชัดว่าทั้งคอมโพสิตแบบอนุภาคและมัสสุเป็นไปได้โดยการตกตะกอนในสถานะของแข็งหลังจากการหลอมเหลวแข็งตัว สิ่งนี้สามารถหาได้ในบางกรณีโดยการเผาเช่นเดียวกับเซอร์โคเนียที่ตกตะกอนแกร่งและมีความเสถียรบางส่วน ในทำนองเดียวกันเป็นที่ทราบกันดีว่าเราสามารถทำให้ส่วนผสมของเซรามิกยูเทคติกแข็งตัวได้ในทิศทางเดียวและด้วยเหตุนี้จึงได้รับวัสดุผสมเส้นใยที่มีแนวแกนเดียว โดยทั่วไปแล้วการประมวลผลแบบผสมดังกล่าวจะถูก จำกัด ไว้ที่รูปทรงที่เรียบง่ายมากดังนั้นจึงประสบปัญหาทางเศรษฐกิจที่รุนแรงเนื่องจากต้นทุนการตัดเฉือนสูง [25] [26]

เห็นได้ชัดว่ามีความเป็นไปได้ในการใช้การหล่อหลอมสำหรับวิธีการต่างๆเหล่านี้ อาจเป็นที่ต้องการมากยิ่งขึ้นคือการใช้อนุภาคที่ได้จากการหลอม ในวิธีนี้การชุบจะทำในสารละลายของแข็งหรือในโครงสร้างยูเทคติกที่ละเอียดซึ่งอนุภาคจะถูกประมวลผลโดยวิธีการแปรรูปผงเซรามิกทั่วไปให้กลายเป็นตัวที่มีประโยชน์ นอกจากนี้ยังมีความพยายามเบื้องต้นในการใช้การพ่นแบบละลายเป็นวิธีการขึ้นรูปคอมโพสิตโดยการนำเฟสอนุภาคมัสสุหรือเส้นใยที่กระจายตัวร่วมกับกระบวนการพ่นละลาย

วิธีการอื่น ๆ นอกเหนือจากการแทรกซึมแบบหลอมเพื่อผลิตวัสดุผสมเซรามิกที่มีการเสริมแรงด้วยเส้นใยยาวคือการแทรกซึมของไอสารเคมีและการแทรกซึมของเส้นใยพรีฟอร์มด้วยสารตั้งต้นอินทรีย์ซึ่งหลังจากไพโรไลซิสจะให้เมทริกซ์เซรามิกอสัณฐานซึ่งเริ่มแรกมีความหนาแน่นต่ำ ด้วยวงจรการแทรกซึมและไพโรไลซิสซ้ำ ๆ หนึ่งในประเภทของคอมโพสิตเซรามิกเมทริกซ์นั้นถูกผลิตขึ้น เคมีไอแทรกซึมถูกนำมาใช้ในการผลิตคาร์บอน / คาร์บอนและซิลิกอนคาร์ไบด์เสริมด้วยคาร์บอนหรือซิลิกอนคาร์ไบด์เส้นใย

นอกเหนือจากการปรับปรุงกระบวนการหลายอย่างแล้วความต้องการหลักสองประการแรกสำหรับเส้นใยคอมโพสิตคือต้นทุนเส้นใยที่ต่ำลง ความต้องการหลักประการที่สองคือองค์ประกอบของเส้นใยหรือสารเคลือบหรือกระบวนการผสมเพื่อลดการย่อยสลายที่เป็นผลมาจากการสัมผัสคอมโพสิตที่อุณหภูมิสูงภายใต้สภาวะออกซิไดซ์ [25] [26]

ซิลิคอนไนไตรด์ทรัสเตอร์ ซ้าย: ติดตั้งในแท่นทดสอบ ขวา: กำลังทดสอบกับจรวดขับดัน H 2 / O 2

ผลิตภัณฑ์เซรามิกทางเทคนิค ได้แก่ กระเบื้องที่ใช้ในโครงการกระสวยอวกาศ , หัวเผาก๊าซ, การป้องกันขีปนาวุธ , เม็ดยูเรเนียมออกไซด์ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์, การปลูกถ่ายทางการแพทย์ชีวภาพ , ใบกังหันของเครื่องยนต์เจ็ท และกรวยจมูกของขีปนาวุธ

ผลิตภัณฑ์ของ บริษัท มักทำจากวัสดุอื่นที่ไม่ใช่ดินเหนียวซึ่งเลือกใช้สำหรับคุณสมบัติทางกายภาพโดยเฉพาะ สิ่งเหล่านี้อาจจำแนกได้ดังนี้:

• ออกไซด์ : ซิลิกาอลูมินาเซอร์โคเนีย
• Non-ออกไซด์: คาร์ไบด์, borides , ไนไตร , silicides
• คอมโพสิต : เมทริกซ์เสริมแรงอนุภาคหรือมัสสุการรวมกันของออกไซด์และไม่ใช่ออกไซด์ (เช่นโพลีเมอร์)

เซรามิกสามารถใช้ในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีหลายประเภท แอปพลิเคชั่นหนึ่งคือกระเบื้องเซรามิกบนกระสวยอวกาศของNASAซึ่งใช้เพื่อปกป้องมันและเครื่องบินอวกาศความเร็วเหนือเสียงในอนาคตจากความร้อนที่แผดเผาของการกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศของโลก นอกจากนี้ยังใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และเลนส์ นอกเหนือจากการใช้งานที่ระบุไว้ที่นี่แล้วเซรามิกยังใช้เป็นสารเคลือบผิวในกรณีวิศวกรรมต่างๆ ตัวอย่างเช่นการเคลือบแบริ่งเซรามิกบนโครงไทเทเนียมที่ใช้สำหรับเครื่องบิน เมื่อเร็ว ๆ นี้ได้มีการศึกษาข้อมูลเกี่ยวกับผลึกเดี่ยวหรือเส้นใยแก้วนอกเหนือจากวัสดุโพลีคริสตัลไลน์แบบดั้งเดิมและการใช้งานของสิ่งเหล่านี้มีการทับซ้อนและเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

การบินและอวกาศ

• เครื่องยนต์ : ป้องกันเครื่องยนต์ของเครื่องบินที่กำลังทำงานอยู่ไม่ให้ไปทำลายส่วนประกอบอื่น ๆ
• Airframes : ใช้เป็นส่วนประกอบโครงสร้างที่มีความเค้นสูงอุณหภูมิสูงและน้ำหนักเบา
• กรวยจมูกของขีปนาวุธ: ป้องกันขีปนาวุธภายในจากความร้อน
• กระเบื้องกระสวยอวกาศ
• โล่ขีปนาวุธเศษอวกาศ : โล่ที่ทอด้วยใยเซรามิกให้การปกป้องอนุภาค hypervelocity (~ 7 กม. / วินาที) ได้ดีกว่าโล่อลูมิเนียมที่มีน้ำหนักเท่ากัน [27]
• หัวฉีดจรวด: มุ่งเน้นไปที่ก๊าซไอเสียที่มีอุณหภูมิสูงจากตัวกระตุ้นจรวด
• อากาศยานไร้คนขับ : การใช้เครื่องยนต์เซรามิกในการใช้งานด้านการบิน (เช่นอากาศยานไร้คนขับ) อาจส่งผลให้มีคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นและต้นทุนการดำเนินงานน้อยลง [28]

ชีวการแพทย์

ไทเทเนียมเทียมสะโพกกับหัวเซรามิกและ พลาสติก Acetabular ถ้วย

• กระดูกเทียม ; การใช้งานทันตกรรมฟัน
• เฝือกย่อยสลายได้ เสริมสร้างกระดูกที่ฟื้นตัวจากโรคกระดูกพรุน
• วัสดุปลูกถ่าย

อิเล็กทรอนิกส์

• คาปาซิเตอร์
• แพ็คเกจวงจรรวม
• ทรานสดิวเซอร์
• ฉนวน

ออปติคอล

• ใยแก้วนำแสงส่งคลื่นแสงนำทาง
• สวิตช์
• เครื่อง ขยายสัญญาณเลเซอร์
• เลนส์
• อุปกรณ์ค้นหาความร้อนอินฟราเรด

ยานยนต์

• แผ่นกันความร้อน
• การจัดการความร้อนไอเสีย

โครงสร้างดีเอ็นเอทางด้านซ้าย (แสดงแผนผัง) จะรวมตัวกันเป็นโครงสร้างที่มองเห็นได้ด้วย กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมทางด้านขวา [29]

การทำซิลิซิฟิเคชันเป็นเรื่องปกติในโลกชีวภาพและเกิดขึ้นในแบคทีเรียสิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวพืชและสัตว์ (สัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังและสัตว์มีกระดูกสันหลัง) แร่ผลึกที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมดังกล่าวมักแสดงคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยม (เช่นความแข็งแรงความแข็งความเหนียวแตกหัก) และมีแนวโน้มที่จะสร้างโครงสร้างแบบลำดับชั้นที่แสดงลำดับจุลภาคในช่วงความยาวหรือระดับเชิงพื้นที่ แร่ธาตุจะตกผลึกจากสภาพแวดล้อมที่ไม่อิ่มตัวเชิงซ้อนกับซิลิกอนและภายใต้สภาวะที่มี pH เป็นกลางและอุณหภูมิต่ำ (0–40 ° C) การก่อตัวของแร่อาจเกิดขึ้นได้ทั้งภายในหรือภายนอกผนังเซลล์ของสิ่งมีชีวิตและมีปฏิกิริยาทางชีวเคมีเฉพาะสำหรับการสะสมแร่ซึ่งรวมถึงไขมันโปรตีนและคาร์โบไฮเดรต

วัสดุธรรมชาติ (หรือชีวภาพ) ส่วนใหญ่เป็นวัสดุผสมที่ซับซ้อนซึ่งคุณสมบัติเชิงกลมักจะโดดเด่นโดยพิจารณาจากองค์ประกอบที่อ่อนแอจากการประกอบ โครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ซึ่งเพิ่มขึ้นจากวิวัฒนาการหลายร้อยล้านปีเป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยมสำหรับประสิทธิภาพสูงในสภาวะที่ไม่พึงประสงค์ กำลังมีการตรวจสอบลักษณะที่กำหนดเช่นลำดับชั้นมัลติฟังก์ชั่นและความสามารถในการรักษาตัวเอง [30]

โครงสร้างพื้นฐานเริ่มต้นด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิดและต่อไปยังโพลีเปปไทด์โพลีแซ็กคาไรด์และโพลีเปปไทด์ - แซคคาไรด์ ในทางกลับกันสิ่งเหล่านี้จะประกอบไปด้วยโปรตีนพื้นฐานซึ่งเป็นองค์ประกอบหลักของ 'เนื้อเยื่ออ่อน' ที่พบบ่อยในชีวแร่ธาตุส่วนใหญ่ ด้วยโปรตีนมากกว่า 1,000 ชนิดที่เป็นไปได้การวิจัยในปัจจุบันจึงเน้นการใช้คอลลาเจนไคตินเคราตินและอีลาสติน ขั้นตอนที่ 'ยาก' มักจะได้รับการเสริมความแข็งแกร่งด้วยแร่ธาตุที่เป็นผลึกซึ่งทำให้เกิดนิวเคลียสและเติบโตในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่กำหนดขนาดรูปร่างและการกระจายของผลึกแต่ละชนิด สำคัญที่สุดขั้นตอนแร่ได้รับการระบุว่าเป็นไฮดรอกซีซิลิก้าและaragonite การใช้การจำแนกประเภทของ Wegst และ Ashby ได้นำเสนอลักษณะเชิงกลที่สำคัญและโครงสร้างของเซรามิกชีวภาพคอมโพสิตโพลีเมอร์อีลาสโตเมอร์และวัสดุเซลลูลาร์ ระบบที่เลือกในแต่ละคลาสกำลังได้รับการตรวจสอบโดยเน้นที่ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคของพวกมันในช่วงของสเกลความยาวและการตอบสนองเชิงกล

ดังนั้นการตกผลึกของวัสดุอนินทรีย์ในธรรมชาติโดยทั่วไปเกิดขึ้นที่อุณหภูมิและความดันโดยรอบ แต่สิ่งมีชีวิตที่สำคัญซึ่งแร่ธาตุเหล่านี้ก่อตัวขึ้นสามารถสร้างโครงสร้างที่แม่นยำและซับซ้อนได้อย่างสม่ำเสมอ การทำความเข้าใจกระบวนการที่สิ่งมีชีวิตควบคุมการเจริญเติบโตของแร่ธาตุที่เป็นผลึกเช่นซิลิกาอาจนำไปสู่ความก้าวหน้าที่สำคัญในสาขาวัสดุศาสตร์และเปิดประตูสู่เทคนิคการสังเคราะห์ใหม่สำหรับวัสดุผสมระดับนาโนหรือนาโนคอมโพสิต

นอติลัสสีรุ้งภายใน เปลือกหอย Nautilus

ความละเอียดสูงกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราด (SEM) สังเกตได้ดำเนินการของจุลภาคของแม่มุก (หรือมุกส่วน) ของหอยเป๋าฮื้อเปลือก เปลือกเหล่านี้มีความแข็งแรงเชิงกลและความเหนียวแตกหักสูงสุดของสารอโลหะใด ๆ ที่รู้จัก หอยเป๋าฮื้อกลายเป็นหนึ่งในโครงสร้างทางชีววิทยาที่ได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นมากขึ้นในด้านวัสดุศาสตร์ มองเห็นได้ชัดเจนในภาพเหล่านี้คือกระเบื้องแร่ที่เรียงซ้อนกันอย่างเป็นระเบียบ (หรือเรียงตามลำดับ) คั่นด้วยแผ่นอินทรีย์บาง ๆ พร้อมกับโครงสร้างมหภาคของแถบการเจริญเติบโตเป็นระยะที่ใหญ่ขึ้นซึ่งรวมกันเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์อ้างถึงในปัจจุบันว่าเป็นโครงสร้างคอมโพสิตแบบลำดับชั้น (ลำดับชั้นของคำก็หมายความว่ามีคุณสมบัติโครงสร้างหลายอย่างซึ่งมีอยู่ในสเกลความยาวที่หลากหลาย) [31]

การพัฒนาในอนาคตเกิดจากการสังเคราะห์วัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจทางชีวภาพผ่านวิธีการแปรรูปและกลยุทธ์ที่เป็นลักษณะเฉพาะของระบบชีวภาพ สิ่งเหล่านี้เกี่ยวข้องกับการประกอบชิ้นส่วนด้วยตัวเองในระดับนาโนและการพัฒนาโครงสร้างลำดับชั้น [21] [22] [24] [32]

• องค์การเซรามิกคูร์จา
• สมาคมเซรามิกอเมริกัน
• สถาบันกระเบื้องเซรามิกแห่งอเมริกา
• http://standardceramics.org