Gốm cấu trúc và gốm chức năng

Gốm cấu trúc là các vật liệu vô cơ kết tinh được lựa chọn vì độ cứng, độ bền, khả năng chịu nhiệt và chống mài mòn, trong khi gốm chức năng được lựa chọn vì phản ứng điện, từ hoặc quang học như tính chất điện môi, áp điện hoặc ion.

Definition

Gốm cấu trúc là vật liệu vô cơ phi kim loại kết tinh được sử dụng chủ yếu vì các tính chất cơ học và nhiệt của chúng; gốm chức năng là những vật liệu được sử dụng cho một chức năng điện, từ hoặc quang học cụ thể phát sinh từ cấu trúc tinh thể và hóa học khuyết tật của chúng.

Scope

Chủ đề này bao gồm các loại gốm kỹ thuật kết tinh được phân loại theo tính chất khai thác: gốm cấu trúc như alumina, zirconia, silicon carbide và silicon nitride được sử dụng cho hiệu suất cơ học và nhiệt; và gốm chức năng (điện tử) như titanat perovskite được sử dụng làm tụ điện, vật liệu áp điện và cảm biến, cùng với ferit và oxit điện phân rắn. Nó liên kết thành phần và cấu trúc vi mô với độ bền đứt gãy, khả năng chịu nhiệt và phản ứng chức năng.

Core questions

• Những loại gốm nào đóng vai trò cấu trúc, và điều gì mang lại cho chúng độ bền và khả năng chịu nhiệt?
• Làm thế nào có thể giảm thiểu tính giòn nội tại của gốm?
• Những đặc điểm hóa học tinh thể nào làm cho gốm có tính chất điện môi, áp điện hoặc dẫn ion?
• Thành phần và cấu trúc vi mô điều chỉnh chức năng của gốm như thế nào?

Key concepts

• Alumina, zirconia và silicon carbide
• Độ bền đứt gãy và kiểm soát khuyết tật
• Tăng cường độ bền bằng biến đổi pha
• Chất điện môi và áp điện perovskite
• Ferit
• Gốm điện phân rắn

Key theories

Tăng cường độ bền của gốm cấu trúc

Vì gốm biến dạng ít trước khi đứt gãy, độ tin cậy của chúng phụ thuộc vào việc kiểm soát các khuyết tật và các cơ chế tăng cường độ bền như biến đổi pha do ứng suất trong zirconia, hấp thụ năng lượng tại đầu vết nứt và tăng độ bền đứt gãy.

Hóa học tinh thể của gốm chức năng

Phản ứng chức năng bắt nguồn từ cấu trúc: titanat perovskite thể hiện hằng số điện môi cao và tính áp điện từ biến dạng phân cực, ferit sắp xếp từ tính thông qua siêu trao đổi, và oxit pha tạp khuyết tật dẫn ion thông qua các lỗ trống — mỗi loại có thể điều chỉnh bằng thành phần và cấu trúc vi mô.

Mechanisms

Trong quá trình tăng cường độ bền bằng biến đổi pha, một pha siêu bền biến đổi gần đầu vết nứt với sự thay đổi thể tích làm đóng vết nứt và hấp thụ năng lượng; trong gốm chức năng, các biến dạng mạng tinh thể phân cực lưu trữ điện tích và liên kết với biến dạng, trong khi các lỗ trống oxy được tạo ra do pha tạp mang dòng ion.

Clinical relevance

Gốm cấu trúc cung cấp các dụng cụ cắt, linh kiện động cơ và tuabin, cũng như cấy ghép chống mài mòn và y sinh, trong khi gốm chức năng là cơ sở của tụ điện đa lớp, bộ truyền động và cảm biến áp điện, lõi ferit từ tính và chất điện phân pin nhiên liệu oxit rắn.

History

Khoa học gốm sứ thế kỷ XX, được thành lập bởi Kingery, đã biến gốm sứ truyền thống và vật liệu chịu lửa thành một lĩnh vực định lượng liên kết quá trình chế tạo, cấu trúc vi mô và tính chất. Việc phát hiện ra sự tăng cường độ bền bằng biến đổi pha trong zirconia vào những năm 1970 đã mang lại cho gốm sứ độ bền có thể sử dụng được, trong khi các công trình song song về chất điện môi và áp điện titanat đã tạo ra ngành công nghiệp gốm điện tử.

Key figures

• W. David Kingery
• Ronald Garvie

Seminal works

• kingery1976
• barsoum2003

Frequently asked questions

Điều gì làm cho zirconia bền hơn hầu hết các loại gốm?

Zirconia có thể được xử lý để một pha tinh thể siêu bền được giữ lại ở nhiệt độ phòng. Gần một vết nứt đang lan truyền, ứng suất kích hoạt pha này biến đổi với một sự giãn nở thể tích nhỏ làm ép vết nứt đóng lại và hấp thụ năng lượng, làm tăng đáng kể độ bền đứt gãy.

Tại sao titanat perovskite được sử dụng rộng rãi trong điện tử?

Cấu trúc perovskite của các titanat như bari titanat hỗ trợ một biến dạng phân cực nhỏ mang lại hằng số điện môi rất cao và liên kết áp điện. Bằng cách điều chỉnh thành phần và cấu trúc vi mô, các tính chất này có thể được điều chỉnh cho tụ điện, cảm biến và bộ truyền động.