เซรามิกเชิงโครงสร้างและเชิงฟังก์ชัน

เซรามิกเชิงโครงสร้างเป็นของแข็งอนินทรีย์ผลึกที่ถูกเลือกใช้เนื่องจากมีความแข็งแรง ทนทานต่อความร้อนและการสึกหรอ ในขณะที่เซรามิกเชิงฟังก์ชันถูกเลือกใช้เนื่องจากมีคุณสมบัติทางไฟฟ้า แม่เหล็ก หรือแสง เช่น พฤติกรรมไดอิเล็กตริก เพียโซอิเล็กตริก หรือไอออนิก

Definition

เซรามิกเชิงโครงสร้างเป็นวัสดุอนินทรีย์อโลหะผลึกที่ใช้เป็นหลักสำหรับคุณสมบัติเชิงกลและความร้อน; เซรามิกเชิงฟังก์ชันเป็นวัสดุที่ใช้สำหรับฟังก์ชันทางไฟฟ้า แม่เหล็ก หรือแสงที่เฉพาะเจาะจง ซึ่งเกิดจากโครงสร้างผลึกและเคมีของข้อบกพร่อง

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมเซรามิกวิศวกรรมผลึกที่จัดแบ่งตามคุณสมบัติที่นำมาใช้ประโยชน์: เซรามิกเชิงโครงสร้าง เช่น อะลูมินา เซอร์โคเนีย ซิลิคอนคาร์ไบด์ และซิลิคอนไนไตรด์ ที่ใช้สำหรับสมรรถนะเชิงกลและความร้อน; และเซรามิกเชิงฟังก์ชัน (อิเล็กทรอนิกส์) เช่น เพอร์รอฟสไกต์ไททาเนตที่ใช้เป็นตัวเก็บประจุ เพียโซอิเล็กทริก และเซ็นเซอร์ รวมถึงเฟอร์ไรต์และออกไซด์อิเล็กโทรไลต์ของแข็ง หัวข้อนี้เชื่อมโยงองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคเข้ากับความเหนียวต้านการแตกหัก ความทนไฟ และการตอบสนองเชิงฟังก์ชัน

Core questions

• เซรามิกชนิดใดที่ทำหน้าที่เชิงโครงสร้าง และอะไรที่ทำให้มีความแข็งแรงและความทนไฟ?
• จะลดความเปราะโดยธรรมชาติของเซรามิกได้อย่างไร?
• คุณสมบัติทางเคมีของผลึกแบบใดที่ทำให้เซรามิกเป็นไดอิเล็กทริก เพียโซอิเล็กทริก หรือนำไฟฟ้าไอออนิก?
• องค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาคปรับแต่งการทำงานของเซรามิกได้อย่างไร?

Key concepts

• อะลูมินา เซอร์โคเนีย และซิลิคอนคาร์ไบด์
• ความเหนียวต้านการแตกหักและการควบคุมข้อบกพร่อง
• การเพิ่มความเหนียวด้วยการเปลี่ยนเฟส
• เพอร์รอฟสไกต์ไดอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริก
• เฟอร์ไรต์
• เซรามิกอิเล็กโทรไลต์ของแข็ง

Key theories

การเพิ่มความเหนียวของเซรามิกเชิงโครงสร้าง

เนื่องจากเซรามิกมีการเปลี่ยนรูปเพียงเล็กน้อยก่อนการแตกหัก ความน่าเชื่อถือของเซรามิกจึงขึ้นอยู่กับการควบคุมข้อบกพร่องและกลไกการเพิ่มความเหนียว เช่น การเปลี่ยนเฟสที่เกิดจากความเค้นในเซอร์โคเนีย ซึ่งดูดซับพลังงานที่ปลายรอยแตกและเพิ่มความเหนียวต้านการแตกหัก

เคมีผลึกของเซรามิกเชิงฟังก์ชัน

การตอบสนองเชิงฟังก์ชันเกิดจากโครงสร้าง: เพอร์รอฟสไกต์ไททาเนตแสดงค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงและคุณสมบัติเพียโซอิเล็กทริกจากการบิดเบี้ยวแบบมีขั้ว, เฟอร์ไรต์มีการจัดเรียงตัวเป็นแม่เหล็กผ่านซูเปอร์เอ็กซ์เชนจ์, และออกไซด์ที่เจือด้วยข้อบกพร่องจะนำไอออนผ่านช่องว่าง — ซึ่งแต่ละอย่างสามารถปรับแต่งได้ด้วยองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาค

Mechanisms

ในการเพิ่มความเหนียวด้วยการเปลี่ยนเฟส (transformation toughening) เฟสที่ไม่เสถียรจะเปลี่ยนรูปใกล้ปลายรอยแตกพร้อมกับการเปลี่ยนแปลงปริมาตรที่ทำให้รอยแตกปิดและดูดซับพลังงาน; ในเซรามิกเชิงฟังก์ชัน การบิดเบี้ยวของโครงสร้างผลึกแบบมีขั้วจะเก็บประจุและเชื่อมโยงกับการเปลี่ยนแปลงรูป ในขณะที่ช่องว่างของออกซิเจนที่เกิดจากการเจือจะนำกระแสไอออนิก

Clinical relevance

เซรามิกเชิงโครงสร้างใช้ทำเครื่องมือตัด ส่วนประกอบของเครื่องยนต์และกังหัน รวมถึงการปลูกถ่ายทางการแพทย์ที่ทนทานต่อการสึกหรอ ในขณะที่เซรามิกเชิงฟังก์ชันเป็นพื้นฐานของตัวเก็บประจุแบบหลายชั้น แอคทูเอเตอร์และเซ็นเซอร์แบบเพียโซอิเล็กทริก แกนเฟอร์ไรต์แม่เหล็ก และอิเล็กโทรไลต์ของเซลล์เชื้อเพลิงออกไซด์ของแข็ง

History

วิทยาศาสตร์เซรามิกในศตวรรษที่ 20 ซึ่งก่อตั้งโดย Kingery ได้เปลี่ยนเครื่องปั้นดินเผาและวัสดุทนไฟแบบดั้งเดิมให้กลายเป็นสาขาเชิงปริมาณที่เชื่อมโยงกระบวนการผลิต โครงสร้างจุลภาค และคุณสมบัติ การค้นพบการเพิ่มความเหนียวด้วยการเปลี่ยนเฟสในเซอร์โคเนียในทศวรรษ 1970 ทำให้เซรามิกมีความเหนียวที่ใช้งานได้ ในขณะที่งานวิจัยคู่ขนานเกี่ยวกับไดอิเล็กทริกและเพียโซอิเล็กทริกไททาเนตได้สร้างอุตสาหกรรมเซรามิกอิเล็กทรอนิกส์ขึ้นมา

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

อะไรทำให้เซอร์โคเนียมีความเหนียวมากกว่าเซรามิกส่วนใหญ่?

เซอร์โคเนียสามารถผ่านกระบวนการผลิตเพื่อให้เฟสผลึกที่ไม่เสถียรคงอยู่ได้ที่อุณหภูมิห้อง ใกล้รอยแตกที่กำลังขยายตัว ความเค้นจะกระตุ้นให้เฟสนี้เปลี่ยนรูปพร้อมกับการขยายตัวของปริมาตรเล็กน้อย ซึ่งจะบีบรอยแตกให้ปิดและดูดซับพลังงาน ทำให้ความเหนียวต้านการแตกหักเพิ่มขึ้นอย่างมาก

เหตุใดเพอร์รอฟสไกต์ไททาเนตจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์?

โครงสร้างเพอร์รอฟสไกต์ของไททาเนต เช่น แบเรียมไททาเนต รองรับการบิดเบี้ยวแบบมีขั้วเล็กน้อย ซึ่งทำให้มีค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าสูงมากและการเชื่อมโยงแบบเพียโซอิเล็กทริกสูง ด้วยการปรับองค์ประกอบและโครงสร้างจุลภาค คุณสมบัติเหล่านี้สามารถปรับแต่งได้สำหรับตัวเก็บประจุ เซ็นเซอร์ และแอคทูเอเตอร์