Наука и технология создания неметаллических материалов

Введение

Наука и технология создания объектов из неорганических, неметаллических материалов

Керамическая инженерия – это наука и технология создания объектов из неорганических, неметаллических материалов. Это достигается либо воздействием тепла, либо при более низких температурах с использованием реакций осаждения из высокочистых химических растворов. Данная область включает очистку исходного сырья, изучение и производство соответствующих химических соединений, их формование в изделия и исследование их структуры, состава и свойств. Керамические материалы могут иметь кристаллическую или частично кристаллическую структуру с дальним порядком на атомном уровне. Стеклянная керамика может обладать аморфной или стекловидной структурой с ограниченным или ближним атомным порядком. Они формируются либо из расплавленной массы, затвердевающей при охлаждении, либо формируются и спекаются под воздействием тепла, либо химически синтезируются при низких температурах, например, с использованием гидротермального или золь-гель синтеза. Уникальные свойства керамических материалов обуславливают их широкое применение в материаловедении, электротехнике, химической инженерии и машиностроении. Благодаря термостойкости керамику можно использовать для задач, невыполнимых для металлов и полимеров. Керамические материалы находят применение в самых разных отраслях, включая горнодобывающую, аэрокосмическую, медицинскую, нефтеперерабатывающую, пищевую и химическую промышленность, упаковочные технологии, электронику, промышленное производство и передачу электроэнергии, а также волноводную передачу света.

История

Слово "керамика" происходит от греческого слова κεραμικός (keramikos), означающего гончарное дело. Оно связано с более древним индоевропейским корнем, означающим "жечь". Слово "керамика" может употребляться как существительное в единственном числе для обозначения керамического материала или изделия из керамики, а также как прилагательное. Керамика – это процесс изготовления изделий из керамических материалов. Керамическая инженерия, как и многие другие науки, развилась из другой дисциплины, если судить по современным стандартам. Инженерная наука о материалах до сих пор объединена с керамической инженерией. В 1709 году в Шропшире, Англия, Абрахам Дарби впервые использовал кокс для повышения выхода при плавке. Сегодня кокс широко применяется для производства карбидной керамики. В 1759 году гончар Джозиа Уэджвуд открыл первую современную керамическую фабрику в Стоук-он-Тренте, Англия. Австрийский химик Карл Йозеф Байер, работавший в текстильной промышленности в России, разработал в 1888 году процесс извлечения глинозема из бокситовой руды. Процесс Байера до сих пор используется для очистки глинозема для керамической и алюминиевой промышленности. Братья Пьер и Жак Кюри открыли пьезоэлектричество в Rochelle salt около 1880 года. Пьезоэлектричество – одно из ключевых свойств электрокерамики. В 1893 году Э. Г. Ачесон нагрел смесь кокса и глины и изобрел карборунд, или синтетический карбид кремния. Примерно в то же время Анри Мойсан также синтезировал SiC и карбид вольфрама в своей электрической дуговой печи в Париже. В 1923 году в Германии Карл Шрётер использовал жидкофазное спекание для соединения или "цементирования" частиц карбида вольфрама Мойссана с кобальтом. Цементированные (с металлической связкой) карбидные пластины значительно повышают износостойкость режущего инструмента из закаленной стали. В. Г. Нернст разработал кубический стабилизированный диоксид циркония в 1920-х годах в Берлине. Этот материал используется в качестве датчика кислорода в выхлопных системах. Основным ограничением применения керамики в инженерии является ее хрупкость. Такие твердотельные компоненты нашли широкое применение в различных областях электрооптики, включая: оптические волокна для направленной передачи световых волн, оптические переключатели, лазерные усилители и линзы, подложки для твердотельных лазеров и оптические материалы для газовых лазеров, а также инфракрасные (ИК) тепловизоры для систем наведения ракет и приборов ночного видения.

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.

Современная промышленность

Сейчас керамическая инженерия и исследования представляют собой многомиллиардную отрасль и зарекомендовали себя как важная область науки. Область применения керамики продолжает расширяться, поскольку исследователи разрабатывают новые виды керамики для различных целей. Керамика на основе диоксида циркония используется в производстве ножей. Лезвие керамического ножа остается острым значительно дольше, чем стальное, хотя оно более хрупкое и может сломаться при падении на твердую поверхность. Керамика, такая как оксид алюминия, карбид бора и карбид кремния, используется в бронежилетах для защиты от огня из стрелкового оружия. Такие пластины обычно известны как баллистические пластины. Аналогичный материал используется для защиты кабин пилотов некоторых военных самолетов благодаря небольшому весу материала. Детали из нитрида кремния используются в керамических шариковых подшипниках. Их более высокая твердость означает, что они гораздо менее подвержены износу и могут иметь более чем тройной срок службы. Они также меньше деформируются под нагрузкой, что означает меньший контакт со стенками держателя подшипника и более быстрое вращение. В высокоскоростных приложениях тепло, выделяемое трением при вращении, может создавать проблемы для металлических подшипников; эти проблемы снижаются при использовании керамики. Керамика также более химически стойка и может использоваться во влажной среде, где стальные подшипники подвержены коррозии. Основным недостатком использования керамики является значительно более высокая стоимость. Во многих случаях их электроизоляционные свойства также могут быть ценными в подшипниках. В начале 1980-х годов компания Toyota исследовала производство адиабатического керамического двигателя, способного работать при температуре выше 6000 °F (3300 °C). Керамические двигатели не требуют системы охлаждения и, следовательно, позволяют значительно снизить вес и повысить топливную эффективность. Топливная эффективность двигателя также выше при высоких температурах, как показывает теорема Карно. В обычном металлическом двигателе большая часть энергии, выделяемой топливом, должна рассеиваться в виде отработанного тепла, чтобы предотвратить плавление металлических деталей. Несмотря на все эти желательные свойства, такие двигатели не производятся, поскольку изготовление керамических деталей с необходимой точностью и долговечностью является сложной задачей. Дефекты в керамике приводят к образованию трещин, которые могут привести к потенциально опасным поломкам оборудования. Такие двигатели возможны в лабораторных условиях, но массовое производство не представляется возможным с использованием современных технологий. Ведутся работы по разработке керамических деталей для газотурбинных двигателей. В настоящее время даже лопатки, изготовленные из передовых металлических сплавов, используемые в горячей части двигателей, требуют охлаждения и тщательного ограничения рабочих температур. Турбинные двигатели, изготовленные из керамики, могли бы работать более эффективно, обеспечивая самолетам большую дальность полета и грузоподъемность при заданном количестве топлива. В последнее время достигнуты успехи в области керамики, включая биокерамику, такую как зубные имплантаты и синтетические кости. Гидроксиапатит, природный минеральный компонент кости, был синтезирован из различных биологических и химических источников и может быть сформирован в керамические материалы. Ортопедические имплантаты из этих материалов легко срастаются с костной и другой тканью в организме без отторжения или воспалительных реакций. Благодаря этому они представляют большой интерес для доставки генов и создания тканевых каркасов. Большинство керамических материалов на основе гидроксиапатита очень пористые и не обладают достаточной механической прочностью, поэтому они используются для покрытия металлических ортопедических устройств, чтобы способствовать образованию связи с костью, или в качестве костных заменителей. Они также используются в качестве наполнителей для ортопедических пластиковых винтов, чтобы уменьшить воспаление и увеличить всасывание этих пластиковых материалов. Ведутся работы по созданию прочных, полностью плотных нанокристаллических керамических материалов на основе гидроксиапатита для ортопедических опорных устройств, заменяя чужеродные металлические и пластиковые ортопедические материалы синтетическим, но природным костным минералом. В конечном итоге эти керамические материалы могут быть использованы в качестве заменителей костей или, при включении коллагенов белка, в качестве синтетических костей. Прочные керамические материалы, содержащие актиниды, имеют множество применений, например, в ядерном топливе для сжигания избыточного плутония и в химически инертных источниках альфа-излучения для питания беспилотных космических аппаратов или для производства электроэнергии для микроэлектронных устройств. Использование и утилизация радиоактивных актинидов требуют их иммобилизации в прочной матрице. Радиоактивные долгоживущие радионуклиды, такие как актиниды, иммобилизуются с использованием химически стойких кристаллических материалов на основе поликристаллических керамик и крупных монокристаллов.

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.

Стеклокерамика

Стеклокерамические материалы обладают многими свойствами, характерными как для стекол, так и для керамики. Стеклокерамика содержит аморфную фазу и одну или несколько кристаллических фаз и производится посредством так называемой "контролируемой кристаллизации", которой обычно избегают в производстве стекла. Стеклокерамика часто содержит кристаллическую фазу, составляющую от 30% [m/m] до 90% [m/m] ее объемного состава, что позволяет получать широкий спектр материалов с интересными термомеханическими свойствами. Измельчение – это процесс уменьшения размера материала от крупного до мелкого. Измельчение может включать разрушение спеченного материала (в этом случае отдельные частицы сохраняют свою форму) или распыление (которое подразумевает измельчение самих частиц до меньшего размера). Измельчение обычно осуществляется механическими способами, включая абразивное измельчение (столкновение частиц друг с другом, приводящее к разрушению агломератов или сдвигу частиц), сжатие (приложение сил, вызывающих образование трещин) и удар (использование измельчающей среды или самих частиц для создания трещин). Оборудование для абразивного измельчения включает в себя шабер (также называемый планетарной мельницей или мельницей с мокрым абразивным измельчением), который имеет лопасти в воде, создающие вихри, в которых материал сталкивается и разрушается. К компрессионным мельницам относятся щековые дробилки, валковые дробилки и конусные дробилки. К ударным мельницам относятся шаровые мельницы, в которых находится измельчающая среда, которая перекатывается и разрушает материал. Ударные элементы вызывают абразивное измельчение и сжатие частиц. Дозирование – это процесс взвешивания оксидов в соответствии с рецептурой и подготовки их к смешиванию и сушке. Смешивание происходит после дозирования и выполняется с использованием различных машин, таких как сухие ленточные смесители (тип цементного смесителя), смесители Мюллера и глиномешалки. Для влажного смешивания обычно используется то же оборудование. Формование – это придание смешанному материалу определенной формы, от унитазов до изоляторов свечей зажигания. Формование может включать: (1) экструзию, например, экструзию "заготовок" для изготовления кирпичей, (2) прессование для изготовления деталей заданной формы, (3) литье в гипсовые формы, как при изготовлении унитазов, раковин и декоративных изделий, таких как керамические статуи. Формование производит "сырую" заготовку, готовую к сушке. Сырые заготовки мягкие, пластичные и со временем теряют форму. Обращение с сырой заготовкой изменяет ее форму. Например, сырой кирпич можно "сжать", и после сжатия он сохранит эту форму. Сушка – это удаление воды или связующего из сформованного материала. Распылительная сушка широко используется для приготовления порошка для прессования. Другие сушилки включают туннельные сушилки и периодические сушилки. В этом двухстадийном процессе применяется контролируемый нагрев. Сначала нагрев удаляет воду. Этот этап требует тщательного контроля, так как быстрый нагрев вызывает трещины и дефекты поверхности. Высушенная заготовка меньше, чем сырая, и хрупкая, что требует осторожного обращения, так как даже небольшое воздействие может привести к крошению и поломке. Спекание – это процесс, при котором высушенные заготовки проходят через контролируемый процесс нагрева, и оксиды химически изменяются, вызывая спекание и уплотнение. Обжженная заготовка будет меньше, чем высушенная.

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.

Методы формирования

Техники формования керамики включают в себя гончарное дело, литье в гипсовые формы, литье с использованием ленты, литье при замораживании, литье под давлением, сухое прессование, изостатическое прессование, горячее изостатическое прессование (HIP), 3D-печать и другие. Методы придания керамическим порошкам сложных форм востребованы во многих областях техники. Такие методы необходимы для производства передовых высокотемпературных конструкционных деталей, таких как компоненты тепловых двигателей и турбины. Материалы, используемые в этих процессах помимо керамики, могут включать в себя: древесину, металл, воду, гипс и эпоксидные смолы – большинство из которых удаляются при обжиге. Эти методы формования хорошо известны своей способностью обеспечивать инструменты и другие компоненты с размерной стабильностью, качеством поверхности, высокой (близкой к теоретической) плотностью и однородностью микроструктуры. Растущее использование и разнообразие специальных видов керамики расширяет спектр используемых технологических процессов. Спекание в жидкой фазе способствует ускорению процессов диффузии и может приводить к аномальному росту зерен.

Модель Фабера-Эванса

Модель Фабера-Эванса, разработанная Кэтрин Фабер и Энтони Г. Эвансом, была создана для прогнозирования увеличения вязкости при разрушении керамики за счет отклонения трещин вокруг частиц второй фазы, склонных к микротрещинообразованию в матрице. Модель учитывает морфологию частиц, их соотношение сторон, расстояние между ними и объемную долю второй фазы, а также снижение локальной интенсивности напряжений на вершине трещины при отклонении трещины или изгибе плоскости трещины. Фактическая извилистость трещины определяется с помощью методов визуализации, что позволяет непосредственно вводить углы отклонения и изгиба в модель. Модель рассчитывает среднюю скорость выделения энергии и сравнивает полученное увеличение вязкости при разрушении с таковым для плоской трещины в чистой матрице. Величина упрочнения определяется деформацией несоответствия, вызванной несовместимостью при термическом сжатии, и сопротивлением микроразрушению на границе раздела частица/матрица. Упрочнение становится заметным при узком распределении размеров частиц подходящего размера, и исследователи обычно считают, что эффекты отклонения в материалах с примерно равноосными зернами могут увеличить вязкость при разрушении примерно в два раза по сравнению со значением на границе зерна. Модель показывает, что увеличение вязкости при разрушении зависит от формы частиц и объемной доли второй фазы, при этом наиболее эффективной морфологией является стержень с высоким соотношением сторон, который может обеспечить четырехкратное увеличение вязкости при разрушении. Упрочнение возникает главным образом из-за скручивания фронта трещины между частицами, что подтверждается профилями отклонения. Дискообразные частицы и сферы менее эффективны в упрочнении. Вязкость при разрушении, независимо от морфологии, определяется скручиванием фронта трещины в его наиболее выраженной конфигурации, а не начальным наклоном фронта трещины. Только для дискообразных частиц начальный наклон фронта трещины обеспечивает значительное упрочнение; однако, компонент скручивания все же преобладает над упрочнением, обусловленным наклоном. Дополнительные важные особенности анализа отклонения включают появление асимптотического упрочнения для трех морфологий при объемных долях, превышающих 0,2. Также отмечается, что значительное влияние на упрочнение сферическими частицами оказывает распределение расстояний между частицами; большее упрочнение достигается, когда сферы почти соприкасаются, так что углы скручивания приближаются к π/2. Эти прогнозы служат основой для разработки высокопрочных двухфазных керамических материалов. В идеале вторая фаза, помимо поддержания химической совместимости, должна присутствовать в количестве от 10 до 20 объемных процентов. Большее количество может снизить увеличение вязкости при разрушении из-за перекрытия частиц. Частицы с высоким соотношением сторон, особенно стержневидной морфологии, наиболее подходят для максимального упрочнения. Эта модель часто используется для определения факторов, способствующих увеличению вязкости при разрушении керамики, что в конечном итоге полезно при разработке передовых керамических материалов с улучшенными характеристиками.

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.

Микроструктурная однородность

При обработке тонкой керамики нерегулярные размеры и формы частиц в типичном порошке часто приводят к неоднородной морфологии упаковки, что вызывает вариации плотности упаковки в порошковом компакте. Неконтролируемая агломерация порошков из-за притягательных сил Ван-дер-Ваальса также может приводить к микроструктурным неоднородностям. Дифференциальные напряжения, возникающие в результате неравномерной усадки при сушке, напрямую связаны со скоростью удаления растворителя и, следовательно, сильно зависят от распределения пористости. Эти напряжения связаны с переходом от пластичности к хрупкости в спеченных телах и могут вызывать распространение трещин в неспеченном изделии, если они не будут сняты. Кроме того, любые колебания плотности упаковки в компакте при подготовке к обжигу часто усиливаются в процессе спекания, приводя к неоднородной плотности. Показано, что некоторые поры и другие структурные дефекты, связанные с вариациями плотности, оказывают негативное влияние на процесс спекания, увеличиваясь и тем самым ограничивая конечную плотность. Также было показано, что дифференциальные напряжения, возникающие в результате неоднородной плотности, приводят к распространению внутренних трещин, становясь дефектами, определяющими прочность. Таким образом, представляется целесообразным обрабатывать материал таким образом, чтобы он был физически однороден в отношении распределения компонентов и пористости, а не использовать распределение размеров частиц, которое максимизирует плотность в зеленом состоянии. Для удержания равномерно диспергированного набора сильно взаимодействующих частиц в суспензии требуется полный контроль над взаимодействиями между частицами. Монодисперсные коллоиды предоставляют такую возможность. Монодисперсные порошки коллоидного кремнезема, например, могут быть достаточно стабилизированы для обеспечения высокой степени упорядоченности в коллоидном кристалле или поликристаллическом коллоидном твердом теле, образующемся в результате агрегации. Степень упорядоченности, по-видимому, ограничена временем и пространством, необходимыми для установления корреляций на больших расстояниях. Такие дефектные поликристаллические коллоидные структуры представляются основными элементами науки о субмикрометровых коллоидных материалах и, следовательно, являются первым шагом в разработке более строгого понимания механизмов, участвующих в эволюции микроструктуры в неорганических системах, таких как поликристаллическая керамика.

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.

Самосборка

Самосборка – это наиболее распространенный термин, используемый в современном научном сообществе для описания спонтанной агрегации частиц (атомов, молекул, коллоидов, мицелл и т.д.) без влияния каких-либо внешних сил. Известно, что большие группы таких частиц самоорганизуются в термодинамически стабильные, структурно хорошо определенные массивы, весьма напоминающие одну из семи кристаллических систем, известных в металлургии и минералогии (например, гранецентрированную кубическую, объемноцентрированную кубическую и т.д.). Фундаментальное различие в равновесной структуре заключается в пространственном масштабе элементарной ячейки (или параметра решетки) в каждом конкретном случае. Таким образом, самосборка становится новой стратегией в химическом синтезе и нанотехнологиях. Молекулярная самосборка наблюдается в различных биологических системах и лежит в основе формирования широкого спектра сложных биологических структур. Молекулярные кристаллы, жидкие кристаллы, коллоиды, мицеллы, эмульсии, фазоразделенные полимеры, тонкие пленки и самособирающиеся монослои – все это примеры высокоупорядоченных структур, получаемых с использованием этих методов. Отличительной особенностью этих методов является самоорганизация в отсутствие внешних сил. Кроме того, переоцениваются основные механические характеристики и структуры биологической керамики, полимерных композитов, эластомеров и ячеистых материалов, с акцентом на биовдохновленные материалы и структуры. Традиционные подходы сосредоточены на методах конструирования биологических материалов с использованием обычных синтетических материалов. Это включает в себя новый класс биоматериалов с превосходными механическими свойствами, основанных на микроструктурных особенностях и конструкциях, встречающихся в природе. Новые горизонты открываются в синтезе биовдохновленных материалов посредством процессов, характерных для биологических систем в природе, включая наносамосборку компонентов и разработку иерархических структур.

Керамические композиты

В последние годы наблюдается значительный интерес к изготовлению керамических композитов. Хотя существует большой интерес к композитам с одним или несколькими некерамическими составляющими, наибольшее внимание уделяется композитам, в которых все составляющие являются керамическими. Как правило, они состоят из двух керамических компонентов: непрерывной матрицы и дисперсной фазы в виде керамических частиц, усов, коротких (рубленых) или непрерывных керамических волокон. Задача, как и при влажно-химической обработке, заключается в получении равномерного или однородного распределения дисперсной фазы частиц или волокон. Рассмотрим в первую очередь обработку композитов, армированных частицами. Наибольший интерес представляет тетрагональный диоксид циркония благодаря упрочнению, достигаемому за счет фазового превращения из метастабильной тетрагональной фазы в моноклинную кристаллическую фазу, также известного как трансформационное упрочнение. Существует также значительный интерес к диспергированию твердых, не оксидных фаз, таких как SiC, TiB, TiC, бор, углерод, и особенно оксидных матриц, таких как оксид алюминия и муллит. Также проявляется интерес к включению других керамических частиц, особенно тех, которые характеризуются высокой анизотропией теплового расширения. Примеры включают Al2O3, TiO2, графит и нитрид бора. Ракетные сопла: для фокусировки высокотемпературных выхлопных газов ракетного ускорителя. Беспилотные летательные аппараты: использование керамических двигателей в аэрокосмических применениях (например, в беспилотных летательных аппаратах) может привести к повышению эксплуатационных характеристик и снижению затрат на эксплуатацию.

Биоматериалы

Силицирование довольно распространено в биологическом мире и встречается у бактерий, одноклеточных организмов, растений и животных (беспозвоночных и позвоночных). Кристаллические минералы, формирующиеся в такой среде, часто демонстрируют исключительные физические свойства (например, прочность, твердость, сопротивление разрушению) и склонны к образованию иерархических структур, проявляющих микроструктурный порядок в широком диапазоне масштабов длины или пространства. Минералы кристаллизуются из среды, насыщенной по кремнию меньше равновесия, при нейтральном pH и низкой температуре (0–40 °C). Формирование минералов может происходить как внутри, так и снаружи клеточной стенки организма, и существуют специфические биохимические реакции для осаждения минералов, включающие липиды, белки и углеводы. Большинство природных (или биологических) материалов являются сложными композитами, механические свойства которых часто превосходны, учитывая слабые составляющие, из которых они собраны. Эти сложные структуры, возникшие в результате сотен миллионов лет эволюции, вдохновляют на разработку новых материалов с исключительными физическими свойствами для работы в сложных условиях. В настоящее время исследуются их ключевые характеристики, такие как иерархия, многофункциональность и способность к самовосстановлению. Основные строительные блоки начинаются с 20 аминокислот и переходят к полипептидам, полисахаридам и полипептид-сахаридам. Они, в свою очередь, формируют основные белки, которые являются основными компонентами "мягких тканей", общих для большинства биоминералов. Существует более 1000 возможных белков, поэтому современные исследования сосредоточены на использовании коллагена, хитина, кератина и эластина. "Твердые" фазы часто укрепляются кристаллическими минералами, которые зарождаются и растут в биомедиаторной среде, определяющей размер, форму и распределение отдельных кристаллов. Наиболее важными минеральными фазами были определены гидроксиапатит, диоксид кремния и арагонит. Используя классификацию Вегста и Эшби, представлены основные механические характеристики и структуры биологической керамики, полимерных композитов, эластомеров и ячеистых материалов. Отдельные системы в каждом классе исследуются с акцентом на взаимосвязь между их микроструктурой в широком диапазоне масштабов и их механическим откликом. Таким образом, кристаллизация неорганических материалов в природе обычно происходит при комнатной температуре и давлении. Однако живые организмы, посредством которых формируются эти минералы, способны последовательно создавать чрезвычайно точные и сложные структуры. Понимание процессов, посредством которых живые организмы контролируют рост кристаллических минералов, таких как диоксид кремния, может привести к значительному прогрессу в материаловедении и открыть путь к новым методам синтеза нанокомпозитных материалов. Наблюдения микроструктуры перламутрового слоя раковины тридакны были выполнены с использованием сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) с высоким разрешением. Эти раковины демонстрируют наивысшую механическую прочность и сопротивление разрушению среди всех известных неметаллических материалов. Перламутр из раковины тридакны стал одной из наиболее интенсивно изучаемых биологических структур в материаловедении. На изображениях четко видны аккуратно уложенные (или упорядоченные) минеральные пластинки, разделенные тонкими органическими слоями, а также макроструктура, состоящая из более крупных периодических полос роста, которые в совокупности образуют то, что ученые в настоящее время называют иерархической композитной структурой. (Термин "иерархия" просто означает наличие ряда структурных особенностей, существующих в широком диапазоне масштабов). Будущие разработки связаны с синтезом биовдохновленных материалов с использованием методов и стратегий обработки, характерных для биологических систем. Они включают наносамоорганизацию компонентов и создание иерархических структур.

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.