Инжунерия керамикалық материалдар және технологиясы

Кіріспе

Органикалық емес, металл емес материалдардан заттар жасау ғылымы және технологиясы

Керамикалық инженерия – органикалық емес, металл емес материалдардан заттар жасау ғылымы және технологиясы. Бұл жылу әсері арқылы немесе төмен температурада жоғары тазалықтағы химиялық ерітінділерден шөгінді реакцияларын пайдалану арқылы жүзеге асырылады. Бұл термин шикізатты тазартуды, тиісті химиялық қосылыстарды зерттеу мен өндіруді, олардан бұйымдар жасауды, сондай-ақ олардың құрылымын, құрамын және қасиеттерін зерттеуді қамтиды. Керамикалық материалдар кристалликалық немесе жартылай кристалликалық құрылымға ие болуы мүмкін, атомдық деңгейде ұзақ қашықтықтағы реттілікпен. Шыны-керамикалық материалдар аморфты немесе шыны тәрізді құрылымға ие болуы мүмкін, атомдық реттілік шектеулі немесе қысқа қашықтықтағы. Олар балқыған массадан қалыптасып, салқындағанда қатаяды, жылу әсерімен пішімделіп, жетілдіріледі немесе гидротермальды немесе золь-гель синтезі сияқты әдістерді пайдалана отырып, төмен температурада химиялық жолмен синтезделеді. Керамикалық материалдардың ерекше қасиеттері материалдарды жасау, электр техникасы, химиялық техника және машина жасау салаларында көптеген қолданысқа мүмкіндік береді. Керамика жылуға төзімді болғандықтан, металл және полимерлер сияқты материалдарға жарамсыз көптеген тапсырмалар үшін қолданылуы мүмкін. Керамикалық материалдар кең ауқымды салаларда қолданылады, оның ішінде тау-кен өнеркәсібі, ғарыш өнеркәсібі, медицина, мұнай өңдеу, азық-түлік және химия өнеркәсібі, қаптама ғылымы, электроника, өнеркәсіптік және электр қуатын тарату, сондай-ақ жарық толқынын бағыттау жүйелерінде.

Тарих

"Керамика" сөзі грек тіліндегі κεραμικός (keramikos) сөзінен шыққан, ол қыш ыдыстарды білдіреді. Бұл сөз ежелгі үнді-еуропа тілдеріндегі "жағу" деген түбірмен байланысты. "Керамикалық" сөзі керамикалық материалды немесе керамикалық өнімді білдіретін есім ретінде немесе сын есім ретінде қолданылуы мүмкін. Керамика – керамикалық материалдардан заттар жасау өнері. Керамикалық инженерия, көптеген ғылымдар сияқты, қазіргі стандарттар бойынша басқа саладан дамыған. Материалтану инженериясы осы күнге дейін керамикалық инженериямен біріктірілген. 1709 жылы Англияның Шропшир округінде Абрахам Дарби кокс қолданып, металл қорыту процесінің тиімділігін арттырды. Қазір кокс карбид керамикасын өндіруде кеңінен қолданылады. 1759 жылы Англияның Трент қаласындағы Стоук-он-Трентте гончар Жосия Уэджвуд алғашқы заманауи керамика фабрикасын ашты. Австриялық химик Карл Йозеф Байер 1888 жылы Ресейде тоқыма өнеркәсібі үшін жұмыс істеген кезде боксит кенінен алюминийді бөліп алу әдісін жасады. Байер процесі әлі күнге дейін керамика және алюминий өндірісінде алюминийді тазарту үшін қолданылады. Пьер және Жак Кюри ағайындары 1880 жыл шамасында Рошель тұзында пиэзоэлектрлік құбылысын ашты. Пиэзоэлектрлік – электрокерамиканың маңызды қасиеттерінің бірі. Э.Г. Ачесон 1893 жылы кокс пен саз қоспасын қыздырып, карборундомды, яғни синтетикалық кремний карбидін ойлап тапты. Анри Муассан да сол кезде Париждегі электр доғалық пешінде SiC және вольфрам карбидін синтездеді. Карл Шрётер 1923 жылы Германияда Муассанның вольфрам карбид бөлшектерін кобальтпен байланыстыру, яғни "цементтеу" үшін сұйық фазадағы спекалау әдісін қолданды. Цементтелген (металл байланысқан) карбидті жиектер қатайтылған болат кескіш құралдардың беріктігін едәуір арттырады. В.Х. Нернст 1920 жылдары Берлинде кубтық тұрақтандырылған цирконияны жасады. Бұл материал қазір газ шығару жүйелерінде оттегі сенсоры ретінде қолданылады. Керамиканы инженерияда қолданудың басты шектеуі – оның хруптығы. Мұндай қатты күйдегі компоненттер электрооптикалық саласында кеңінен қолданылады, мысалы: бағытталған жарық толқындарын таратуға арналған оптикалық талшықтар, оптикалық коммутаторлар, лазерлік күшейткіштер және линзалар, қатты күйдегі лазерлерге арналған матрицалар, газ лазерлеріне арналған оптикалық терезе материалдары, сондай-ақ зымыранды бағыттау жүйелері мен IR түнгі көру құрылғыларында қолданылатын инфрақызыл (IR) жылу іздеу құрылғылары.

The word "ceramic" is derived from the Greek word κεραμικός (keramikos) meaning pottery. It is related to the older Indo European language root "to burn". "Ceramic" may be used as a noun in the singular to refer to a ceramic material or the product of ceramic manufacture, or as an adjective. Ceramics is the making of things out of ceramic materials. Ceramic engineering, like many sciences, evolved from a different discipline by today's standards. Materials science engineering is grouped with ceramics engineering to this day. Abraham Darby first used coke in 1709 in Shropshire, England, to improve the yield of a smelting process. Coke is now widely used to produce carbide ceramics. Potter Josiah Wedgwood opened the first modern ceramics factory in Stoke on Trent, England, in 1759. Austrian chemist Carl Josef Bayer, working for the textile industry in Russia, developed a process to separate alumina from bauxite ore in 1888. The Bayer process is still used to purify alumina for the ceramic and aluminium industries. Brothers Pierre and Jacques Curie discovered piezoelectricity in Rochelle salt c. 1880. Piezoelectricity is one of the key properties of electroceramics. E. G. Acheson heated a mixture of coke and clay in 1893, and invented carborundum, or synthetic silicon carbide. Henri Moissan also synthesized SiC and tungsten carbide in his electric arc furnace in Paris about the same time as Acheson. Karl Schröter used liquid phase sintering to bond or "cement" Moissan's tungsten carbide particles with cobalt in 1923 in Germany. Cemented (metal bonded) carbide edges greatly increase the durability of hardened steel cutting tools. W. H. Nernst developed cubic stabilized zirconia in the 1920s in Berlin. This material is used as an oxygen sensor in exhaust systems. The main limitation on the use of ceramics in engineering is brittleness. Such solid state components have found widespread use for various applications in the electro optical field including: optical fibres for guided lightwave transmission, optical switches, laser amplifiers and lenses, hosts for solid state lasers and optical window materials for gas lasers, and infrared (IR) heat seeking devices for missile guidance systems and IR night vision.

Қазіргі заманғы өнеркәсіп

Қазір жылына миллиардтаған долларлық өндіріс саласы болып қалыптасқан керамикалық инженерия мен зерттеулер ғылымның маңызды саласы ретінде орнықты. Зерттеушілер әртүрлі мақсаттарға қолданылатын жаңа керамика түрлерін жасау арқылы қолданылу аясын кеңейтіп келеді. Цирконий диоксиді керамикасы пышақтар жасауда қолданылады. Керамикалық пышақтың кескіні болатты пышаққа қарағанда ұзақ уақыт бойы өткір болып қалады, бірақ ол көміртекті және қатты бетке түсірілсе сындырып алуға болады. Алюминий, бор карбиді және кремний карбиді сияқты керамикалар кіші калибрлі мылтықтардан оқтарды тоқтату үшін бронежилеттерде қолданылған. Мұндай пластиналар баллистикалық пластиналар деп белгілі. Кейбір әскери ұшақтардың кабиналарын қорғау үшін де ұқсас материал қолданылады, себебі материалдың салмағы өте төмен. Кремний нитридінен жасалған бөлшектер керамикалық шарлы подшипниктерде қолданылады. Олардың жоғары қаттылығы тозуға төзімділігін арттырады және қызмет мерзімін үш еседен астам ұзартады. Сондай-ақ, жүктеме кезінде деформацияға аз бейімделгендіктен, подшипник ұстағыштарымен азырақ жанасады және жылдам айналады. Өте жоғары жылдамдықтағы қолданыстарда, айналу кезінде пайда болатын үйкеліс салдарынан туындайтын жылу металл подшипниктерде проблема тудыруы мүмкін, бірақ керамика қолдану арқылы бұл мәселе азайтылады. Керамика химиялық тұрғыдан да төзімді, сондықтан болат подшипниктердің тот басуы мүмкін ылғалды ортада қолдануға болады. Керамиканы қолданудың басты кемшілігі – оның құнының жоғары болуы. Көп жағдайда олардың электр оқшаулағыш қасиеттері де подшипниктерде пайдалы болуы мүмкін. 1980 жылдардың басында Toyota 6000°F (3300°C) температурада жұмыс істей алатын адиабатикалық керамикалық қозғалтқыштың өндірісін зерттеді. Керамикалық қозғалтқыштарға салқындату жүйесі қажет емес, сондықтан салмақты азайтуға және отын тиімділігін арттыруға мүмкіндік береді. Карно теоремасы көрсеткендей, қозғалтқыштың отын тиімділігі жоғары температурада артады. Дәстүрлі металл қозғалтқышта, отыннан бөлінетін энергияның көп бөлігі металл бөлшектердің балқыуына жол бермеу үшін ысыраптық жылу ретінде таратылуы керек. Осы қасиеттеріне қарамастан, мұндай қозғалтқыштар өндіріске енгізілмеген, себебі керамикалық бөлшектерді қажетті дәлдік пен беріктікпен жасау қиын. Керамикадағы ақаулар жарықтарға әкелуі мүмкін, бұл қауіпті жабдықтың істен шығуына соқтыруы мүмкін. Мұндай қозғалтқыштар зертхана жағдайында жасауға болады, бірақ қазіргі технологиямен жаппай өндіріс мүмкін емес. Газ турбиналық қозғалтқыштарға арналған керамикалық бөлшектерді әзірлеу жұмыстары жүргізілуде. Қазіргі уақытта қозғалтқыштардың ыстық бөлімінде қолданылатын жоғары сапалы металл қорытпаларынан жасалған қанаттарды да салқындату және жұмыс температурасын шектеу қажет. Керамикадан жасалған турбиналық қозғалтқыштар ұшақтардың ұшу қашықтығы мен жүк көтергіштігін арттыра отырып, тиімдірек жұмыс істей алады. Соңғы уақытта биокерамика, мысалы, тіс имплантаттары мен синтетикалық сүйектер сияқты керамика саласында да жетістіктерге қол жеткізілді. Гидроксиапатит – сүйектің табиғи минералды құрауышы, ол көптеген биологиялық және химиялық көздерден синтетикалық жолмен жасалады және керамикалық материалдарға айналдырылуы мүмкін. Осы материалдардан жасалған ортопедиялық имплантаттар сүйекке және басқа тіндерге тез сіңіп, қабыну реакциясын тудырмайды. Осы себепті олар гендерді жеткізу және тіндерді жасау саласында үлкен қызығушылық тудырады. Гидроксиапатит керамикасының көп бөлігі өте кеуекті және механикалық беріктігі төмен, сондықтан сүйекке жабысуға көмектесетін металл ортопедиялық құрылғыларды қаптауға немесе сүйек толтырғыштары ретінде қолданылады. Олар сондай-ақ тіс-қимыл пластикалық бұрандаларға толтырғыш ретінде қолданылады, бұл қабынуды азайтуға және осы пластикалық материалдардың сіңірілуін арттыруға көмектеседі. Ортопедиялық ауырлыққа төзімді құрылғылар үшін мықты, толық тығыз нанокристалды гидроксиапатит керамикалық материалдарды жасау жұмыстары жүргізілуде, бұл шетелдік металл және пластикалық ортопедиялық материалдарды синтетикалық, бірақ табиғи түрде кездесетін сүйек минералымен алмастыруға мүмкіндік береді. Ақырында, бұл керамикалық материалдар сүйек орнын толтыру ретінде немесе ақуыздық коллагендер қосылған синтетикалық сүйектер ретінде қолданылуы мүмкін. Тұрақты актинидтерді қамтитын керамикалық материалдардың көптеген қолданыстары бар, мысалы, артық Pu-ды жағуға арналған ядролық отын ретінде және адамсыз ғарыш аппараттарына қуат беруге немесе микроэлектроникалық құрылғылар үшін электр энергиясын өндіруге арналған альфа сәулеленуінің химиялық тұрақты көздері ретінде. Радиоактивті актинидтерді пайдалану және кездерін тоқтату үшін оларды тұрақты матрицада бекіту қажет. Ядролық қалдықтардағы ұзақ өмір сүретін радионуклидтер, мысалы, актинидтер, көп кристалды керамикаға және ірі жеке кристалдарға негіделген химиялық тұрақты материалдарды пайдалану арқылы бекітіледі.

Now a multibillion dollar a year industry, ceramic engineering and research has established itself as an important field of science. Applications continue to expand as researchers develop new kinds of ceramics to serve different purposes. Zirconium dioxide ceramics are used in the manufacture of knives. The blade of the ceramic knife will stay sharp for much longer than that of a steel knife, although it is more brittle and can be snapped by dropping it on a hard surface. Ceramics such as alumina, boron carbide and silicon carbide have been used in bulletproof vests to repel small arms rifle fire. Such plates are known commonly as ballistic plates. Similar material is used to protect cockpits of some military aircraft, because of the low weight of the material. Silicon nitride parts are used in ceramic ball bearings. Their higher hardness means that they are much less susceptible to wear and can offer more than triple lifetimes. They also deform less under load meaning they have less contact with the bearing retainer walls and can roll faster. In very high speed applications, heat from friction during rolling can cause problems for metal bearings; problems which are reduced by the use of ceramics. Ceramics are also more chemically resistant and can be used in wet environments where steel bearings would rust. The major drawback to using ceramics is a significantly higher cost. In many cases their electrically insulating properties may also be valuable in bearings. In the early 1980s, Toyota researched production of an adiabatic ceramic engine which can run at a temperature of over 6000 °F (3300 °C). Ceramic engines do not require a cooling system and hence allow a major weight reduction and therefore greater fuel efficiency. Fuel efficiency of the engine is also higher at high temperature, as shown by Carnot's theorem. In a conventional metallic engine, much of the energy released from the fuel must be dissipated as waste heat in order to prevent a meltdown of the metallic parts. Despite all of these desirable properties, such engines are not in production because the manufacturing of ceramic parts in the requisite precision and durability is difficult. Imperfection in the ceramic leads to cracks, which can lead to potentially dangerous equipment failure. Such engines are possible in laboratory settings, but mass production is not feasible with current technology. Work is being done in developing ceramic parts for gas turbine engines. Currently, even blades made of advanced metal alloys used in the engines' hot section require cooling and careful limiting of operating temperatures. Turbine engines made with ceramics could operate more efficiently, giving aircraft greater range and payload for a set amount of fuel. Recently, there have been advances in ceramics which include bio ceramics, such as dental implants and synthetic bones. Hydroxyapatite, the natural mineral component of bone, has been made synthetically from a number of biological and chemical sources and can be formed into ceramic materials. Orthopedic implants made from these materials bond readily to bone and other tissues in the body without rejection or inflammatory reactions. Because of this, they are of great interest for gene delivery and tissue engineering scaffolds. Most hydroxyapatite ceramics are very porous and lack mechanical strength and are used to coat metal orthopedic devices to aid in forming a bond to bone or as bone fillers. They are also used as fillers for orthopedic plastic screws to aid in reducing the inflammation and increase absorption of these plastic materials. Work is being done to make strong, fully dense nano crystalline hydroxyapatite ceramic materials for orthopedic weight bearing devices, replacing foreign metal and plastic orthopedic materials with a synthetic, but naturally occurring, bone mineral. Ultimately these ceramic materials may be used as bone replacements or with the incorporation of protein collagens, synthetic bones. Durable actinide containing ceramic materials have many applications such as in nuclear fuels for burning excess Pu and in chemically inert sources of alpha irradiation for power supply of unmanned space vehicles or to produce electricity for microelectronic devices. Both use and disposal of radioactive actinides require their immobilization in a durable host material. Nuclear waste long lived radionuclides such as actinides are immobilized using chemically durable crystalline materials based on polycrystalline ceramics and large single crystals.

Шыны-керамика

Шыны-керамикалық материалдар шыны мен керамиканың көптеген қасиеттерін бөліседі. Шыны-керамика аморфты фаза мен бір немесе бірнеше кристалдық фазадан тұрады және әдетте шыны өндірісінде болдырмайтын "бақыланған кристалдану" арқылы өндіріледі. Шыны-керамиканың құрамында көбінесе кристалдық фаза болады, ол оның көлемінің 30%-дан 90%-ына дейін құрайды, нәтижесінде қызықты термомеханикалық қасиеттері бар материалдардың алуан түрлі спектрі пайда болады. Ұнтақтау – материалдарды ірі көлемнен кішірек өлшемге дейін азайту процесі. Ұнтақтау цементтелген материалды бөлшектеуді (мұндай жағдайда жеке бөлшектер өз пішінін сақтайды) немесе ұнтақтауды (бөлшектерді кішірек өлшемге дейін ұнтақтауды қамтиды) қамтиды. Ұнтақтау көбінесе механикалық тәсілдермен жүзеге асырылады, оның ішінде абразивтік тозу (агломераттардың ыдырауына немесе бөлшектердің кесілуіне әкелетін бөлшектердің арасындағы соқтығысу), қысым (жарылуға әкелетін күштерді қолдану) және соққы (жарылу ортасын немесе бөлшектердің өзін пайдаланып жарылуды тудыру) кіреді. Абразивтік тозуға арналған жабдықтарға ылғалды скраббер (планеталық диірмен немесе ылғалды абразивтік тозу диірмені деп те аталады) жатады, онда судағы маңайлар материалдың соқтығысып, ыдырауына себеп болатын айналымдар жасайды. Қысыммен ұнтақтайтын диірмендерге жақ диірмені, ролик диірмені және конус диірмені жатады. Соққымен ұнтақтайтын диірмендерге материалды құлатып, сындыратын ортасы бар шарлы диірмен кіреді. Шахталық соқтығыштар бөлшектердің арасында абразивтік тозу мен қысымға себеп болады. Дозалау – рецептураға сәйкес оксидтерді өлшеу және оларды араластыру мен кептіруге дайындау процесі. Араластыру дозалаудан кейін жүзеге асырылады және әртүрлі машиналармен, мысалы, құрғақ араластыру ленталы араластырғыштармен (цемент араластырғыштың бір түрі), Мюллер араластырғыштарымен және пуг-фабрикаттармен жүзеге асырылады. Сулы араластыру көбінесе бірдей жабдықты қамтиды. Формалау – араласқан материалды унитаз қаптарынан шамшырақ изоляторларына дейін әртүрлі пішіндерге келтіру. Формалау келесілерді қамтиды: 1) экструзия, мысалы, кірпіш жасау үшін "жабықтарды" экструзиялау, 2) пішінделген бөлшектерді жасау үшін қысу, 3) шұңқырға құю, мысалы, унитаз қаптарын, жуу раковиналарын және керамикалық мүсіндер сияқты әшекейлерді жасау. Формалау "жасыл" бөлшекті шығарады, ол кептіруге дайын. Жасыл бөлшектер жұмсақ, иілгіш және уақыт өте келе пішінін жоғалтады. Жасыл өніммен жұмыс істеу оның пішінін өзгертеді. Мысалы, жасыл кірпішті "сығып" алуға болады, содан кейін ол сол күйінде қалады. Кептіру – қалыптасқан материалдан суды немесе байланыстырғышты алу. Престеу операциялары үшін ұнтақ дайындау үшін спреймен кептіру кеңінен қолданылады. Басқа кептіргіштерге туннельдік кептіргіштер және мерзімді кептіргіштер жатады. Бұл екі сатылы процесте бақыланатын жылу қолданылады. Біріншіден, жылу суды алып тастайды. Бұл қадамды мұқият бақылау қажет, өйткені тез қызу жарықтар мен беткі ақауларға әкеледі. Кептірілген бөлшек жасыл бөлшекке қарағанда кішірек және нәзік, сондықтан оны мұқият ұстау қажет, өйткені кішкене соққы ұсақтап, сындыруға әкеледі. Синтерлеу – кептірілген бөлшектердің бақыланатын қыздыру процесінен өтуі, оксидтер химиялық жолмен өзгереді, байланыс пен тығыздануға себеп болады. Аталған бөлшек кептірілген бөлшекке қарағанда кішірек болады.

Glass ceramic materials share many properties with both glasses and ceramics. Glass ceramics have an amorphous phase and one or more crystalline phases and are produced by a so called "controlled crystallization", which is typically avoided in glass manufacturing. Glass ceramics often contain a crystalline phase which constitutes anywhere from 30% [m/m] to 90% [m/m] of its composition by volume, yielding an array of materials with interesting thermomechanical properties. Milling is the process by which materials are reduced from a large size to a smaller size. Milling may involve breaking up cemented material (in which case individual particles retain their shape) or pulverization (which involves grinding the particles themselves to a smaller size). Milling is generally done by mechanical means, including attrition (which is particle to particle collision that results in agglomerate break up or particle shearing), compression (which applies a forces that results in fracturing), and impact (which employs a milling medium or the particles themselves to cause fracturing). Attrition milling equipment includes the wet scrubber (also called the planetary mill or wet attrition mill), which has paddles in water creating vortexes in which the material collides and break up. Compression mills include the jaw crusher, roller crusher and cone crusher. Impact mills include the ball mill, which has media that tumble and fracture the material. Shaft impactors cause particle to particle attrition and compression. Batching is the process of weighing the oxides according to recipes, and preparing them for mixing and drying. Mixing occurs after batching and is performed with various machines, such as dry mixing ribbon mixers (a type of cement mixer), Mueller mixers, and pug mills. Wet mixing generally involves the same equipment. Forming is making the mixed material into shapes, ranging from toilet bowls to spark plug insulators. Forming can involve: (1) Extrusion, such as extruding "slugs" to make bricks, (2) Pressing to make shaped parts, (3) Slip casting, as in making toilet bowls, wash basins and ornamentals like ceramic statues. Forming produces a "green" part, ready for drying. Green parts are soft, pliable, and over time will lose shape. Handling the green product will change its shape. For example, a green brick can be "squeezed", and after squeezing it will stay that way. Drying is removing the water or binder from the formed material. Spray drying is widely used to prepare powder for pressing operations. Other dryers are tunnel dryers and periodic dryers. Controlled heat is applied in this two stage process. First, heat removes water. This step needs careful control, as rapid heating causes cracks and surface defects. The dried part is smaller than the green part, and is brittle, necessitating careful handling, since a small impact will cause crumbling and breaking. Sintering is where the dried parts pass through a controlled heating process, and the oxides are chemically changed to cause bonding and densification. The fired part will be smaller than the dried part.

Құрастыру әдістері

Керамикалық қалыптау техникаларына тоңдау, қою құю, таспамен құю, мұздату арқылы құю, инъекциялық қалыптау, құрғақ престеу, изостатикалық престеу, ыстық изостатикалық престеу (HIP), 3D басып шығару және басқалары жатады. Керамикалық ұнтақтарды күрделі пішіндерге келтіру әдістері технологияның көптеген салаларында қажетті. Мұндай әдістер жоғары температураға төзімді, күрделі конструкциялық бөлшектерді, мысалы, жылу машиналарының бөліктерін және турбиналарды жасау үшін қажет. Бұл процестерде керамикадан басқа материалдар да қолданылуы мүмкін: ағаш, металл, су, гипс және эпоксидті шайыр – олардың көпшілігі күйдіру кезінде жойылады. Бұл қалыптау техникалары құралдар мен басқа да компоненттерге өлшемдік тұрақтылық, беттік сапа, жоғары (теориялыққа жуық) тығыздық және микроқұрылымдық біртектілік сияқты қасиеттерді беруге әйгілі. Керамиканың арнайы түрлерінің кеңінен қолданылуы мен әртүрлілігі қолданылатын процестердің технологиялық әртүрлілігін арттырады. Мұндай сұйық фазалы ықтау диффузия процестерін жеделдетеді және аномальды дән өсуіне алып келуі мүмкін.

Фабер-Эванс моделі

Фабер Эванс моделі, Кэтрин Фабер және Энтони Г. Эванспен әзірленген, керамикадағы сынудың кедергісінің артуын болжау үшін жасалған. Модель екінші фаза бөлшектерінің морфологиясын, қатынасын, аралықтарын және көлемдік үлесін, сондай-ақ жарық бұрылуына бейім микрожарықтардың матрицадағы әсерін ескереді. Модель жарық ұшындағы жергілікті кернеудің қарқындылығының азаюын жарық бұрылғанда немесе жарық жазықтығы бүгілгенде қарастырады. Нақты жарық қисықтығы бейнелеу техникалары арқылы алынады, бұл модельге бұрылу және бүгілу бұрыштарын тікелей енгізуге мүмкіндік береді. Модель орташа деформациялық энергияның шығарылу жылдамдығын есептейді және осының нәтижесінде сыну кедергісінің артуын қарапайым матрица арқылы жазық жарықпен салыстырады. Кедергінің шамасы термиялық жирылудың үйлесімсіздігінен туындаған сәйкес келмейтін деформациямен және бөлшектер/матрица интерфейсінің микрожарыққа қарсы тұру қабілетімен анықталады. Кедергі тиімді мөлшердегі бөлшектердің тар таралуымен байқалады және зерттеушілер эквиаксиалды түйіршіктер бар материалдардағы бұрылу әсерлері сыну кедергісін түйіршік шекарасының шамамен екі есеге дейін арттыра алатынын қабылдайды. Модель бөлшек пішінінің және екінші фазаның көлемдік үлесінің кедергінің артуына байланысты екенін көрсетеді, ең тиімді морфологиясы жоғары қатынасқа ие таған тәрізді пішін, ол сыну кедергісінің төрт есеге артуын қамтамасыз етеді. Кедергі негізінен бөлшектер арасындағы жарық алдыңғы жағының бұрылуынан туындайды, бұл бұрылу профильдерінен көрінеді. Диск тәрізді бөлшектер мен шарлар кедергі жасауда аз тиімді. Морфологиясына қарамастан, сыну кедергісі жарықтың бастапқы еңісіне емес, ең ауыр конфигурациядағы бұрылуына байланысты анықталады. Тек диск тәрізді бөлшектер үшін жарық алдыңғы жағының бастапқы еңісі елеулі кедергі жасауға мүмкіндік береді; алайда бұрылу компоненті еңіс арқылы туындаған кедергіні басып өтеді. Бұрылу талдауының қосымша маңызды ерекшеліктері 0,2-ден жоғары көлемдік үлестердегі үш морфология үшін асимптотикалық кедергінің пайда болуын қамтиды. Сондай-ақ, шар тәрізді бөлшектердің кедергісіне бөлшектер арасындағы аралықтың таралуы маңызды әсер етеді; шарлар бір-біріне жақын орналасқанда, бұрылу бұрыштары π/2-ге жақындағанда кедергі артады. Бұл болжамдар жоғары кедергіге ие екі фазалы керамикалық материалдарды жобалауға негіз болады. Екінші фаза химиялық үйлесімділікті сақтай отырып, 10-20% көлемдік үлес мөлшерінде болуы керек. Көлемі артық болса, бөлшектердің бір-біріне жабысуынан кедергінің артуы төмендеуі мүмкін. Жоғары қатынасқа ие бөлшектер, әсіресе таған тәрізді морфологиясы бар бөлшектер, максималды кедергі жасауға ең қолайлы. Бұл модель көбінесе керамикадағы сыну кедергісінің артуына ықпал ететін факторларды анықтау үшін қолданылады, бұл, әсіресе, жақсартылған қасиеттері бар озық керамикалық материалдарды әзірлеуде пайдалы.

The Faber Evans model, developed by Katherine Faber and Anthony G. Evans, was developed to predict the increase in fracture toughness in ceramics due to crack deflection around second phase particles that are prone to microcracking in a matrix. The model considers particle morphology, aspect ratio, spacing, and volume fraction of the second phase, as well as the reduction in local stress intensity at the crack tip when the crack is deflected or the crack plane bows. Actual crack tortuosity is obtained through imaging techniques, which allows for the direct input of deflection and bowing angles into the model. The model calculates the average strain energy release rate and compares the resulting increase in fracture toughness to that of a flat crack through the plain matrix. The magnitude of the toughening is determined by the mismatch strain caused by thermal contraction incompatibility and the microfracture resistance of the particle/matrix interface. The toughening becomes noticeable with a narrow size distribution of appropriately sized particles, and researchers typically accept that deflection effects in materials with roughly equiaxial grains may increase the fracture toughness by about twice the grain boundary value. The model reveals that the increase in toughness is dependent on particle shape and the volume fraction of the second phase, with the most effective morphology being the rod of high aspect ratio, which can account for a fourfold increase in fracture toughness. The toughening arises primarily from the twist of the crack front between particles, as indicated by deflection profiles. Disc shaped particles and spheres are less effective in toughening. Fracture toughness, regardless of morphology, is determined by the twist of the crack front at its most severe configuration, rather than the initial tilt of the crack front. Only for disc shaped particles does the initial tilting of the crack front provide significant toughening; however, the twist component still overrides the tilt derived toughening. Additional important features of the deflection analysis include the appearance of asymptotic toughening for the three morphologies at volume fractions in excess of 0.2. It is also noted that a significant influence on the toughening by spherical particles is exerted by the interparticle spacing distribution; greater toughening is afforded when spheres are nearly contacting such that twist angles approach π/2. These predictions provide the basis for the design of high toughness two phase ceramic materials. The ideal second phase, in addition to maintaining chemical compatibility, should be present in amounts of 10 to 20 volume percent. Greater amounts may diminish the toughness increase due to overlapping particles. Particles with high aspect ratios, especially those with rod shaped morphologies, are most suitable for maximum toughening. This model is often used to determine the factors that contribute to the increase in fracture toughness in ceramics which is ultimately useful in the development of advanced ceramic materials with improved performance.

Микроқұрылымдық біркелкілік

Ұсақ керамиканы өңдеу кезінде, әдеттегі ұнтақтағы бөлшектердің әртүрлі өлшемдері мен пішіндері біркелкі емес қаптама морфологиясына алып келеді, бұл ұнтақ компактінде қаптама тығыздығының өзгеруіне себеп болады. Тартымды Ван дер Ваальс күштерінен ұнтақтардың бақылаусыз агломерациясы микроқұрылымдық біртектіліктерді тудыруы мүмкін. Біркелкі емес кептіруден туындаған дифференциалдық кернеулер еріткіштің алыну жылдамдығымен тікелей байланысты және осылайша саңылаулылықтың таралуына өте тәуелді. Мұндай кернеулер консолидацияланған денелерде пластикалықтан хрупттыға өтумен байланысты, және егер олар жойылмаса, күйдірілмеген денеде жарықтардың пайда болуына әкелуі мүмкін. Сонымен қатар, пешке дайындалатын компакттағы қаптама тығыздығының кез келген ауытқулары ыстыққа қарай процесте күшейіп, біртекті емес тығыздануға алып келеді. Тығыздық өзгерулерімен байланысты кейбір поралар мен басқа да құрылымдық ақаулар өсіп, содан кейін соңғы тығыздықтарды шектеп, тұндыру процесінде зиянды рөл атқарады. Біртекті емес тығызданудан туындаған дифференциалдық кернеулер ішкі жарықтардың пайда болуына әкеліп, беріктікті анықтайтын факторларға айналады. Сондықтан, материалды компоненттер мен саңылаулылықтың таралуына қатысты физикалық біркелкілікпен өңдегені жөн, жасыл тығыздықты барынша арттыратын бөлшек өлшемдерін пайдаланудың орнына. Кез келген сәтке тоқтатылған, күшті өзара әрекеттесетін бөлшектердің біркелкі таратылған жиынтығын сақтау үшін бөлшектер арасындағы өзара әрекеттесуді толық бақылау қажет. Монодисперс коллоидтар осы мүмкіндікті ұсынады. Мысалы, коллоидты кремнийдің монодисперс ұнтақтары агрегациядан пайда болатын коллоидты кристалда немесе поликристалды коллоидты қатты денеде жоғары дәрежеде тәртіпті қамтамасыз ету үшін жеткілікті түрде тұрақтандырылуы мүмкін. Тәртіптің дәрежесі ұзақ аралық корреляциялардың орналуына рұхсат етілген уақыт пен кеңістікпен шектеледі. Мұндай ақаулы поликристалды коллоидты құрылымдар субмикрометрлік коллоидты материалдар ғылымының негізгі элементтері болып табылады, сондықтан поликристалды керамика сияқты бейорганикалық жүйелердегі микроқұрылымдық эволюцияның механизмдерін қатаң түсінудің алғашқы қадамын жасайды.

In the processing of fine ceramics, the irregular particle sizes and shapes in a typical powder often lead to non uniform packing morphologies that result in packing density variations in the powder compact. Uncontrolled agglomeration of powders due to attractive van der Waals forces can also give rise to in microstructural inhomogeneities. Differential stresses that develop as a result of non uniform drying shrinkage are directly related to the rate at which the solvent can be removed, and thus highly dependent upon the distribution of porosity. Such stresses have been associated with a plastic to brittle transition in consolidated bodies,
and can yield to crack propagation in the unfired body if not relieved. In addition, any fluctuations in packing density in the compact as it is prepared for the kiln are often amplified during the sintering process, yielding inhomogeneous densification. Some pores and other structural defects associated with density variations have been shown to play a detrimental role in the sintering process by growing and thus limiting end point densities. Differential stresses arising from inhomogeneous densification have also been shown to result in the propagation of internal cracks, thus becoming the strength controlling flaws. It would therefore appear desirable to process a material in such a way that it is physically uniform with regard to the distribution of components and porosity, rather than using particle size distributions which will maximize the green density. The containment of a uniformly dispersed assembly of strongly interacting particles in suspension requires total control over particle particle interactions. Monodisperse colloids provide this potential. Monodisperse powders of colloidal silica, for example, may therefore be stabilized sufficiently to ensure a high degree of order in the colloidal crystal or polycrystalline colloidal solid which results from aggregation. The degree of order appears to be limited by the time and space allowed for longer range correlations to be established. Such defective polycrystalline colloidal structures would appear to be the basic elements of sub micrometer colloidal materials science, and, therefore, provide the first step in developing a more rigorous understanding of the mechanisms involved in microstructural evolution in inorganic systems such as polycrystalline ceramics.

Өздігінен құрастыру

Өзін-өзі құрастыру – қазіргі ғылыми қауымдастықта бөлшектердің (атомдар, молекулалар, коллоидтар, мицеллалар және т.б.) сыртқы күштердің ықпалы болмастан, спонтанды түрде жиналуын сипаттау үшін қолданылатын ең көп таралған термин. Мұндай бөлшектердің ірі топтары термодинамикалық тұрақты, құрылымы анық айқындалған тізілімдерге өздігінен жиналатыны белгілі, бұл металлургия мен минералогиядағы 7 кристалл жүйесінің біреуін (мысалы, бетке ортайтын кубтық, денеге ортайтын кубтық және т.б.) еске түсіреді. Әрбір нақты жағдайда бірлік жасушаның (немесе тор параметрінің) кеңістіктік өлшемінде тепе-теңдік құрылымындағы негізгі айырмашылық жатыр. Осылайша, өзін-өзі құрастыру химиялық синтез және нанотехнологиядағы жаңа стратегия ретінде пайда болып келеді. Молекулалық өзін-өзі құрастыру әртүрлі биологиялық жүйелерде байқалды және ол күрделі биологиялық құрылымдардың көптеген түрлерінің қалыптасуына негіз болады. Молекулалық кристалдар, сұйық кристалдар, коллоидтар, мицеллалар, эмульсиялар, фазалық бөлінген полимерлер, жұқа пленкалар және өзін-өзі құрастырған моноқабаттар – осы техникаларды қолдану арқылы алынатын жоғары реттелген құрылымдардың мысалдары. Бұл әдістердің ерекшелігі – сыртқы күштердің болмауында өзін-өзі ұйымдастыру. Сонымен қатар, биологиялық керамиканың, полимерлік композиттердің, эластомерлердің және ұяшықтық материалдардың негізгі механикалық сипаттамалары мен құрылымдары қайта қарастырылуда, биологиялық шабыттанған материалдар мен құрылымдарға баса назар аударылуда. Традициялық тәсілдер биологиялық материалдарды жобалау әдістеріне, дәстүрлі синтетикалық материалдарды пайдалануға бағытталған. Бұған табиғатта кездесетін микроқұрылымдық ерекшеліктер мен конструкцияларға негізделген, механикалық жағынан жоғары биоматериалдардың жаңа класы кіреді. Биологиялық жүйелерге тән процестер арқылы биологиялық шабыттанған материалдарды синтездеуде жаңа мүмкіндіктер анықталды. Бұл компоненттердің нанодеңгейде өзін-өзі құрастыруын және иерархиялық құрылымдарды дамытуды қамтиды.

Керамикалық композиттер

Соңғы жылдары керамикалық композиттерді өндіруге қызығушылық артып келеді. Бір немесе бірнеше керамикалық емес компоненттері бар композиттерге де қызығушылық болғанымен, ең көп назар барлық компоненттері керамикалық композиттерге қаратылған. Бұл композиттер әдетте екі керамикалық компоненттен тұрады: үздіксіз матрица және дисперстік фаза – керамикалық бөлшектер, биліктер немесе қысқа (кесілген) немесе үздіксіз керамикалық талшықтар. Ылғалды химиялық өңдеу сияқты, өңдеудегі қиындық – дисперстік бөлшектер немесе талшықтар фазасының біркелкі немесе гомогенді таралуын қамтамасыз ету болып табылады. Бірінші кезекте бөлшектік композиттерді өңдеуді қарастырайық. Ең қызығушылық тудыратын бөлшектік фаза – тетрагональды цирконий, себебі метастабильді тетрагональдан моноклиникалық кристалдық фазаға фазалық түрлену арқылы (яғни, трансформациялық қатаю арқылы) қатаюға қол жеткізуге болады. Сондай-ақ, SiC, TiB, TiC, бор, көміртек және әсіресе алюминий және муллит сияқты қатты, оксид емес фазалардың дисперсиясына да үлкен қызығушылық бар. Сонымен қатар, жоғары анизотроптық жылулық кеңеюге ие керамикалық бөлшектерді қосуға да қызығушылық танылады. Мысалдар: Al2O3, TiO2, графит және бор нитриді. Ракеталық соплодар: ракеталық қозғалтқыштан шығатын жоғары температуралы газдарды шоғырландыру. Пилотсыз әуе кемелері: керамикалық қозғалтқыштарды авиациялық қолданыстарда (мысалы, пилотсыз әуе кемелерінде) пайдалану өнімділіктің артуына және пайдалану шығындарының төмендеуіне әкелуі мүмкін.

Биоматериалдар

Силицификация биологиялық әлемде кең таралған және бактерияларда, бір жасушалы организмдерде, өсімдіктер мен жануарларда (омыртқасыздар мен омыртқалыларда) кездеседі. Мұндай ортада пайда болған кристалл минералдар көбінесе ерекше физикалық қасиеттерді (мысалы, күші, қаттылығы, сынуға төзімділігі) көрсетеді және әртүрлі ұзындық немесе кеңістіктік өлшемдерде микроқұрылымдық реттілікке ие иерархиялық құрылымдар құруға бейім. Минералдар кремнийге қатысты толық қанықпаған ортадан, сондай-ақ бейтарап pH және төмен температурада (0–40 °C) кристалданады. Минералдың қалыптасуы организмнің жасуша қабырғасының ішінде немесе сыртында жүруі мүмкін, және минералдық шөгінділерге липидтер, ақуыздар және көмірсулар кіретін арнайы биохимиялық реакциялар бар. Көптеген табиғи (немесе биологиялық) материалдар күрделі композиттер болып табылады, олардың механикалық қасиеттері, оларды құрайтын нашар компоненттерді ескере отырып, көбінесе ерекше болады. Жүздеген миллион жылдар бойында эволюцияның нәтижесінде пайда болған бұл күрделі құрылымдар, ерекше физикалық қасиеттері бар жаңа материалдарды жасауға шабыттандырады. Олардың иерархиялық құрылымы, көп функциялылығы және өзін-өзі жазу қабілеті сияқты ерекше белгілері қазіргі уақытта зерттелуде. Негізгі құрылыс блоктары 20 аминқышқылынан басталып, полипептидтерге, полисахаридтерге және полипептид-сахаридтерге дейін жетеді. Бұлар, өз кезегінде, негізгі белоктарды құрайды, олар көптеген биоминералдарға тән «жұмсақ тіндердің» негізгі құрамдас бөліктері болып табылады. 1000-нан астам белок болуы мүмкін, қазіргі зерттеулер коллаген, хитин, кератин және эластинге баса назар аударады. «Қатты» фазалар көбінесе кристалл минералдармен нығайтылады, олар жеке кристалдардың мөлшері, пішіні және таралуын анықтайтын биологиялық ортада пайда болады және өседі. Ең маңызды минералды фазалар гидроксиапатит, кремний және арагонит ретінде анықталды. Вегст пен Эшби жіктемесін пайдалана отырып, биологиялық керамиканың, полимерлік композиттердің, эластомерлердің және ұяшықтық материалдардың негізгі механикалық сипаттамалары мен құрылымдары ұсынылған. Әрбір сыныптың таңдалған жүйелері олардың микроқұрылысы мен механикалық жауабы арасындағы байланысты әртүрлі ұзындық өлшемдерінде зерттелуде. Осылайша, табиғаттағы бейорганикалық материалдардың кристалдануы көбінесе бөлме температурасы мен қысымында жүреді. Дегенмен, осы минералдардың қалыптасуына жауапты тірі организмдер өте дәл және күрделі құрылымдарды тұрақты түрде өндіре алады. Тірі организмдердің кремний сияқты кристалл минералдардың өсуін қалай бақылайтынын түсіну материалтану саласында маңызды жетістіктерге әкелуі мүмкін және наномасштабты композиттік материалдар немесе нанокомпозиттер үшін жаңа синтез әдістеріне есік ашады. Абалон қабығының перл қабатының (немесе накрен) микроқұрылымын зерттеу үшін жоғары ажыратымдылықтағы сканерлік электронды микроскоппен (СЭМ) байқаулар жүргізілді. Бұл қабықтар кез келген металл емес заттың ең жоғары механикалық күшіне және сынуға төзімділігіне ие. Абалон қабығының накрені материалтануда ең көп зерттелген биологиялық құрылымдардың біріне айналды. Суреттерде жұқа органикалық қабаттармен бөлінген, аккуратты түрде үйілген (немесе реттелген) минералды плиткалар және ғалымдар қазіргі уақытта иерархиялық композиттік құрылым деп атайтын үлкен кезеңдік өсу жолақтарының макроқұрылымы анық көрінеді. (Иерархия термині ұзындығының кең ауқымында бар бірқатар құрылымдық ерекшеліктердің бар екенін білдіреді). Болашақ дамулар биологиялық жүйелерге тән өңдеу әдістері мен стратегияларын пайдалана отырып, биологиялық шабыттанған материалдарды синтездеуге бағытталған. Бұған компоненттердің нанодеңгейде өздігінен құрастырылуы және иерархиялық құрылымдарды дамыту кіреді.

Silicification is quite common in the biological world and occurs in bacteria, single celled organisms, plants, and animals (invertebrates and vertebrates). Crystalline minerals formed in such environment often show exceptional physical properties (e. g. strength, hardness, fracture toughness) and tend to form hierarchical structures that exhibit microstructural order over a range of length or spatial scales. The minerals are crystallized from an environment that is undersaturated with respect to silicon, and under conditions of neutral pH and low temperature (0–40 °C). Formation of the mineral may occur either within or outside of the cell wall of an organism, and specific biochemical reactions for mineral deposition exist that include lipids, proteins and carbohydrates. Most natural (or biological) materials are complex composites whose mechanical properties are often outstanding, considering the weak constituents from which they are assembled. These complex structures, which have risen from hundreds of million years of evolution, are inspiring the design of novel materials with exceptional physical properties for high performance in adverse conditions. Their defining characteristics such as hierarchy, multifunctionality, and the capacity for self healing, are currently being investigated. The basic building blocks begin with the 20 amino acids and proceed to polypeptides, polysaccharides, and polypeptides–saccharides. These, in turn, compose the basic proteins, which are the primary constituents of the 'soft tissues' common to most biominerals. With well over 1000 proteins possible, current research emphasizes the use of collagen, chitin, keratin, and elastin. The 'hard' phases are often strengthened by crystalline minerals, which nucleate and grow in a bio mediated environment that determines the size, shape and distribution of individual crystals. The most important mineral phases have been identified as hydroxyapatite, silica, and aragonite. Using the classification of Wegst and Ashby, the principal mechanical characteristics and structures of biological ceramics, polymer composites, elastomers, and cellular materials have been presented. Selected systems in each class are being investigated with emphasis on the relationship between their microstructure over a range of length scales and their mechanical response. Thus, the crystallization of inorganic materials in nature generally occurs at ambient temperature and pressure. Yet the vital organisms through which these minerals form are capable of consistently producing extremely precise and complex structures. Understanding the processes in which living organisms control the growth of crystalline minerals such as silica could lead to significant advances in the field of materials science, and open the door to novel synthesis techniques for nanoscale composite materials, or nanocomposites. High resolution scanning electron microscope (SEM) observations were performed of the microstructure of the mother of pearl (or nacre) portion of the abalone shell. Those shells exhibit the highest mechanical strength and fracture toughness of any non metallic substance known. The nacre from the shell of the abalone has become one of the more intensively studied biological structures in materials science. Clearly visible in these images are the neatly stacked (or ordered) mineral tiles separated by thin organic sheets along with a macrostructure of larger periodic growth bands which collectively form what scientists are currently referring to as a hierarchical composite structure. (The term hierarchy simply implies that there are a range of structural features which exist over a wide range of length scales). Future developments reside in the synthesis of bio inspired materials through processing methods and strategies that are characteristic of biological systems. These involve nanoscale self assembly of the components and the development of hierarchical structures.