Конструкционная и функциональная керамика

Конструкционная керамика представляет собой кристаллические неорганические твердые тела, выбранные из-за их твердости, прочности и устойчивости к нагреву и износу, в то время как функциональная керамика выбирается из-за электрического, магнитного или оптического отклика, такого как диэлектрическое, пьезоэлектрическое или ионное поведение.

Definition

Конструкционная керамика — это кристаллические неорганические неметаллические материалы, используемые в основном из-за их механических и термических свойств; функциональная керамика — это материалы, используемые для выполнения определенной электрической, магнитной или оптической функции, возникающей из их кристаллической структуры и дефектной химии.

Scope

Эта тема охватывает кристаллические инженерные керамические материалы, организованные по используемым свойствам: конструкционная керамика, такая как оксид алюминия, диоксид циркония, карбид кремния и нитрид кремния, используемая для обеспечения механических и термических характеристик; и функциональная (электронная) керамика, такая как перовскитные титанаты, используемые в качестве конденсаторов, пьезоэлектриков и датчиков, а также ферриты и оксиды твердых электролитов. Она связывает состав и микроструктуру с вязкостью разрушения, огнеупорностью и функциональным откликом.

Core questions

• Какая керамика выполняет конструкционные функции и что придает ей прочность и огнеупорность?
• Как можно уменьшить присущую керамике хрупкость?
• Какие кристаллохимические особенности делают керамику диэлектрической, пьезоэлектрической или ионнопроводящей?
• Как состав и микроструктура настраивают функцию керамики?

Key concepts

• Оксид алюминия, диоксид циркония и карбид кремния
• Вязкость разрушения и контроль дефектов
• Трансформационное упрочнение
• Перовскитные диэлектрики и пьезоэлектрики
• Ферриты
• Твердоэлектролитная керамика

Key theories

Упрочнение конструкционной керамики

Поскольку керамика мало деформируется до разрушения, ее надежность зависит от контроля дефектов и механизмов упрочнения, таких как фазовое превращение, индуцированное напряжением, в диоксиде циркония, которое поглощает энергию на вершине трещины и повышает вязкость разрушения.

Кристаллохимия функциональной керамики

Функциональный отклик обусловлен структурой: перовскитные титанаты демонстрируют высокую диэлектрическую проницаемость и пьезоэлектричество из-за полярного искажения, ферриты магнитно упорядочиваются посредством сверхобмена, а легированные дефектами оксиды проводят ионы через вакансии — каждый из этих параметров настраивается составом и микроструктурой.

Mechanisms

При трансформационном упрочнении метастабильная фаза трансформируется вблизи вершины трещины с изменением объема, которое закрывает трещину и поглощает энергию; в функциональной керамике полярные искажения решетки накапливают заряд и связаны с деформацией, в то время как вакансии кислорода, введенные легированием, переносят ионный ток.

Clinical relevance

Конструкционная керамика обеспечивает режущие инструменты, компоненты двигателей и турбин, а также износостойкие и биомедицинские имплантаты, в то время как функциональная керамика является основой многослойных конденсаторов, пьезоэлектрических приводов и датчиков, магнитных ферритовых сердечников и электролитов твердооксидных топливных элементов.

History

Керамическая наука двадцатого века, основанная Кингери, превратила традиционную керамику и огнеупоры в количественную область, связывающую обработку, микроструктуру и свойства. Открытие трансформационного упрочнения в диоксиде циркония в 1970-х годах придало керамике пригодную вязкость, в то время как параллельная работа над титанатными диэлектриками и пьезоэлектриками создала индустрию электронной керамики.

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

Что делает диоксид циркония более прочным, чем большинство керамических материалов?

Диоксид циркония может быть обработан таким образом, чтобы метастабильная кристаллическая фаза сохранялась при комнатной температуре. Вблизи распространяющейся трещины напряжение вызывает трансформацию этой фазы с небольшим объемным расширением, которое сжимает трещину и поглощает энергию, резко увеличивая вязкость разрушения.

Почему перовскитные титанаты так широко используются в электронике?

Перовскитная структура титанатов, таких как титанат бария, поддерживает небольшое полярное искажение, которое обеспечивает очень высокую диэлектрическую проницаемость и пьезоэлектрическую связь. Путем регулировки состава и микроструктуры эти свойства могут быть настроены для конденсаторов, датчиков и приводов.