Yapısal ve Fonksiyonel Seramikler
Yapısal seramikler, sertlikleri, mukavemetleri ve ısıya ve aşınmaya karşı dirençleri nedeniyle seçilen kristal yapılı inorganik katı maddelerdir; fonksiyonel seramikler ise dielektrik, piezoelektrik veya iyonik davranış gibi elektriksel, manyetik veya optik bir tepki için seçilmektedir.
Tanım
Yapısal seramikler, öncelikli olarak mekanik ve termal özellikleri için kullanılan kristal yapılı inorganik metalik olmayan malzemelerdir; fonksiyonel seramikler ise kristal yapıları ve kusur kimyalarından kaynaklanan belirli bir elektriksel, manyetik veya optik fonksiyon için kullanılanlardır.
Kapsam
Bu konu, kullanılan özelliklerine göre düzenlenmiş kristal mühendislik seramiklerini kapsamaktadır: mekanik ve termal performans için kullanılan alümina, zirkonya, silisyum karbür ve silisyum nitrür gibi yapısal seramikler; ve kapasitörler, piezoelektrikler ve sensörler olarak kullanılan perovskit titanatlar ile ferritler ve katı elektrolit oksitler gibi fonksiyonel (elektronik) seramikler. Konu, bileşim ve mikro yapının kırılma tokluğu, refrakterlik ve fonksiyonel tepki ile ilişkisini ele almaktadır.
Temel sorular
- Hangi seramikler yapısal roller üstlenir ve onlara mukavemet ve refrakterlik kazandıran nedir?
- Seramiklerin içsel kırılganlığı nasıl azaltılabilir?
- Bir seramiği dielektrik, piezoelektrik veya iyonik olarak iletken yapan kristal-kimyasal özellikler nelerdir?
- Bileşim ve mikro yapı seramik fonksiyonunu nasıl ayarlar?
Anahtar kavramlar
- Alümina, zirkonya ve silisyum karbür
- Kırılma tokluğu ve kusur kontrolü
- Dönüşüm tokluğu
- Perovskit dielektrikler ve piezoelektrikler
- Ferritler
- Katı elektrolit seramikler
Temel kuramlar
- Yapısal seramiklerin tokluğunun artırılması
- Seramikler kırılmadan önce çok az deforme oldukları için, güvenilirlikleri kusurların kontrolüne ve zirkonyadaki gerilime bağlı faz dönüşümü gibi tokluk mekanizmalarına bağlıdır; bu mekanizma çatlak ucunda enerji emerek kırılma tokluğunu artırmaktadır.
- Fonksiyonel seramiklerin kristal kimyası
- Fonksiyonel tepki yapıdan kaynaklanmaktadır: perovskit titanatlar polar bir bozulma yoluyla yüksek geçirgenlik ve piezoelektriklik gösterirken, ferritler süperdeğişim yoluyla manyetik olarak düzenlenir ve kusur katkılı oksitler boşluklar aracılığıyla iyonları iletir — her biri bileşim ve mikro yapı ile ayarlanabilmektedir.
Mekanizmalar
Dönüşüm tokluğunda, metastabil bir faz, çatlak ucuna yakın bir yerde hacim değişikliği ile dönüşerek çatlağı kapatır ve enerji emer; fonksiyonel seramiklerde ise polar kafes bozulmaları yük depolayarak gerinimle birleşir, doping ile oluşturulan oksijen boşlukları ise iyonik akım taşımaktadır.
Klinik önem
Yapısal seramikler kesici aletler, motor ve türbin bileşenleri ile aşınmaya dayanıklı ve biyomedikal implantlar sağlarken, fonksiyonel seramikler çok katmanlı kapasitörlerin, piezoelektrik aktüatörlerin ve sensörlerin, manyetik ferrit çekirdeklerin ve katı oksit yakıt hücresi elektrolitlerinin temelini oluşturmaktadır.
Tarihçe
Kingery tarafından kurulan yirminci yüzyıl seramik bilimi, geleneksel çömlekçilik ve refrakterleri, işleme, mikro yapı ve özellikleri birbirine bağlayan nicel bir alana dönüştürmüştür. 1970'lerde zirkonyada dönüşüm tokluğunun keşfi seramiklere kullanılabilir tokluk sağlarken, titanat dielektrikler ve piezoelektrikler üzerindeki paralel çalışmalar elektronik seramik endüstrisini yaratmıştır.
Öne çıkan isimler
- W. David Kingery
- Ronald Garvie
İlgili konular
Temel eserler
- kingery1976
- barsoum2003
Sıkça sorulan sorular
- Zirkonyayı çoğu seramikten daha tok yapan nedir?
- Zirkonya, metastabil bir kristal fazın oda sıcaklığında korunmasını sağlayacak şekilde işlenebilmektedir. Yayılan bir çatlağın yakınında, gerilim bu fazın hafif bir hacim genişlemesiyle dönüşmesini tetikler; bu da çatlağı kapatır ve enerji emerek kırılma tokluğunu önemli ölçüde artırır.
- Perovskit titanatlar neden elektronikte bu kadar yaygın olarak kullanılmaktadır?
- Baryum titanat gibi titanatların perovskit yapısı, çok yüksek dielektrik geçirgenlik ve piezoelektrik bağlaşım sağlayan küçük bir polar bozulmayı desteklemektedir. Bileşim ve mikro yapı ayarlanarak, bu özellikler kapasitörler, sensörler ve aktüatörler için optimize edilebilmektedir.