Seramik

bilgipedi.com.tr sitesinden
Farklı tarzlarda kısa seramik zaman çizelgesi ⓘ

Seramik, kil gibi inorganik, metalik olmayan bir malzemenin şekillendirilmesi ve ardından yüksek sıcaklıkta pişirilmesiyle elde edilen çeşitli sert, kırılgan, ısıya dayanıklı ve korozyona dirençli malzemelerden herhangi biridir. Yaygın örnekleri toprak, porselen ve tuğladır. ⓘ

İnsanlar tarafından yapılan en eski seramikler, tek başına veya silika gibi diğer malzemelerle karıştırılmış, ateşte sertleştirilmiş ve sinterlenmiş kilden yapılmış çömlek nesneler (çömlekler veya kaplar) veya figürinlerdi. Daha sonra seramikler sırlanmış ve pişirilerek pürüzsüz, renkli yüzeyler oluşturulmuş, kristal seramik alt tabakaların üzerine camsı, amorf seramik kaplamalar kullanılarak gözeneklilik azaltılmıştır. Günümüzde seramikler evsel, endüstriyel ve yapı ürünlerinin yanı sıra yarı iletkenler gibi ileri seramik mühendisliğinde kullanılmak üzere geliştirilmiş geniş bir malzeme yelpazesini de içermektedir. ⓘ

"Seramik" kelimesi Yunanca κεραμικός (keramikos), "çömlekçilik" veya "çömlekçilik için", κέραμος (keramos), "çömlekçi kili, kiremit, çömlek" kelimesinden gelmektedir. "Ceram-" kökünün bilinen en eski sözü Miken Yunancası ke-ra-me-we, Lineer B hece yazısıyla yazılmış seramik işçileridir. Seramik kelimesi bir malzeme, ürün ya da süreci tanımlamak için sıfat olarak kullanılabileceği gibi, tekil ya da daha yaygın olarak çoğul isim olan "seramik" şeklinde isim olarak da kullanılabilir. ⓘ

Seramik (Antik Yunanca: κεραμικός – keramikós, "çömleğe ilişkin, çömlekçilik", κέραμος – kéramos, "çömlekçi kili") iyonik veya kovalent bağlara sahip metal (veya metaloid) ve metal olmayan inorganik bileşik içeren katı bir malzemedir. Yaygın kullanım örnekleri earthenware (sırlı veya sırsız camsı olmayan çömlekler), porselen ve tuğladır. ⓘ

Malzemeler

Gelişmiş bir seramik malzemenin düşük büyütmeli SEM mikrografı. Seramiklerin özellikleri kırılmayı önemli bir inceleme yöntemi haline getirmektedir. ⓘ

Seramik malzeme inorganik, metalik olmayan bir oksit, nitrür veya karbür malzemedir. Karbon veya silikon gibi bazı elementler seramik olarak kabul edilebilir. Seramik malzemeler kırılgan, sert, sıkıştırmada güçlü, kesme ve gerilmede zayıftır. Asidik veya kostik ortamlara maruz kalan diğer malzemelerde meydana gelen kimyasal erozyona karşı dayanıklıdırlar. Seramikler genellikle 1.000 °C ila 1.600 °C (1.800 °F ila 3.000 °F) arasında değişen çok yüksek sıcaklıklara dayanabilir. ⓘ

Seramik malzemelerin kristalliği büyük ölçüde değişir. Çoğu zaman, pişmiş seramikler toprak, taş ve porselende olduğu gibi vitrifiye veya yarı vitrifiyedir. İyonik ve kovalent bağlardaki değişen kristallik ve elektron bileşimi, çoğu seramik malzemenin iyi termal ve elektrik yalıtkanları olmasına neden olur (seramik mühendisliğinde araştırılmıştır). Bir seramiğin bileşimi/yapısı için bu kadar geniş bir olası seçenek yelpazesiyle (neredeyse tüm elementler, neredeyse tüm bağ türleri ve tüm kristallik seviyeleri), konunun genişliği çok büyüktür ve tanımlanabilir nitelikleri (sertlik, tokluk, elektrik iletkenliği) bir bütün olarak grup için belirtmek zordur. Yüksek erime sıcaklığı, yüksek sertlik, zayıf iletkenlik, yüksek elastikiyet modülü, kimyasal direnç ve düşük süneklik gibi genel özellikler, bu kuralların her biri için bilinen istisnalar (piezoelektrik seramikler, cam geçiş sıcaklığı, süper iletken seramikler) ile birlikte normdur. Fiberglas ve karbon fiber gibi birçok kompozit, seramik malzemeler içermesine rağmen seramik ailesinin bir parçası olarak kabul edilmez. ⓘ

Yüksek oranda yönlendirilmiş kristal seramik malzemeler çok çeşitli işlemlere uygun değildir. Onlarla başa çıkma yöntemleri iki kategoriden birine girme eğilimindedir - ya seramiği yerinde reaksiyonla istenen şekilde yapmak ya da tozları istenen şekle "şekillendirmek" ve ardından katı bir gövde oluşturmak için sinterlemek. Seramik şekillendirme teknikleri arasında elle şekillendirme (bazen "fırlatma" adı verilen bir döndürme işlemi de dahil olmak üzere), slip döküm, bant döküm (çok ince seramik kapasitörler yapmak için kullanılır), enjeksiyon kalıplama, kuru presleme ve diğer varyasyonlar yer alır. ⓘ

Birçok seramik uzmanı amorf (kristal olmayan) karakterli malzemeleri (yani camı), cam yapımı seramik sürecinin birkaç adımını içermesine ve mekanik özellikleri seramik malzemelere benzemesine rağmen seramik olarak kabul etmemektedir. Bununla birlikte, ısıl işlemler camı cam-seramik olarak bilinen yarı-kristal bir malzemeye dönüştürebilir. ⓘ

Geleneksel seramik hammaddeleri kaolinit gibi kil minerallerini içerirken, daha yeni malzemeler daha yaygın olarak alümina olarak bilinen alüminyum oksidi içerir. Gelişmiş seramikler olarak sınıflandırılan modern seramik malzemeler arasında silisyum karbür ve tungsten karbür bulunmaktadır. Her ikisi de aşınma dirençleri nedeniyle değerlidir ve bu nedenle madencilik operasyonlarında kırma ekipmanlarının aşınma plakaları gibi uygulamalarda kullanım alanı bulmaktadır. İleri seramikler ayrıca tıp, elektrik, elektronik endüstrilerinde ve vücut zırhlarında da kullanılmaktadır. ⓘ

Tarihçe

İnsanoğlunun en az 26.000 yıldır kendi seramiklerini yaptığı, kil ve silikayı yoğun ısıya maruz bırakarak seramik malzemeleri kaynaştırıp şekillendirdiği görülüyor. Şimdiye kadar bulunan en eski çanak çömlekler güney orta Avrupa'daydı ve çanak çömlek değil yontulmuş figürlerdi. Bilinen en eski çömlekler, hayvansal ürünlerin kille karıştırılması ve fırınlarda 800°C'ye kadar pişirilmesiyle yapılmıştır. Gerçek çömlek parçaları 19.000 yıl öncesine kadar bulunmuş olsa da, düzenli çömlekçiliğin yaygınlaşması yaklaşık on bin yıl sonrasına kadar gerçekleşmemiştir. Avrupa'nın büyük bir kısmına yayılmış olan erken bir halk, çanak çömlek kullanımından dolayı Corded Ware kültürü olarak adlandırılmıştır. Bu erken Hint-Avrupa halkları çanak çömleklerini henüz yaşken iple sararak süslemişlerdir. Seramikler fırınlandığında ip yanmış ancak yüzeyde karmaşık oluklardan oluşan dekoratif bir desen bırakmıştır.

MÖ 2500'den Corded-Ware kültürü çanak çömlekleri. ⓘ

Tekerleğin icadı, çömlekçi çarkı gibi çarkta şekillendirme tekniği kullanılarak daha pürüzsüz, daha düzgün çömleklerin üretilmesine yol açmıştır. Erken dönem seramikleri gözenekliydi ve suyu kolayca emiyordu. Sırlama tekniklerinin keşfiyle, çömleklerin silikon, kemik külü veya eriyip camsı bir yüzeye dönüşebilen diğer malzemelerle kaplanması, bir kabı suya karşı daha az geçirgen hale getirerek daha fazla eşya için kullanışlı hale geldi. ⓘ

Arkeoloji

Seramik eserler, geçmişteki halkların kültür, teknoloji ve davranışlarını anlamak için arkeolojide önemli bir role sahiptir. Bir arkeolojik alanda bulunabilecek en yaygın eserler arasında yer alırlar ve genellikle çanak çömlek parçaları olarak adlandırılan küçük kırık çanak çömlek parçaları şeklindedirler. Toplanan seramik parçalarının işlenmesi iki ana analiz türüyle tutarlı olabilir: teknik ve geleneksel. ⓘ

Geleneksel analiz, seramik eserleri, parçaları ve daha büyük parçaları stil, kompozisyon, üretim ve morfolojiye dayalı olarak belirli tiplere ayırmayı içerir. Bu tipolojileri oluşturarak, diğer sonuçların yanı sıra farklı kültürel tarzlar, seramiğin kullanım amacı ve insanların teknolojik durumu arasında ayrım yapmak mümkündür. Ayrıca, seramiklerin zaman içindeki stilistik değişimlerine bakarak, seramikleri farklı tanısal gruplara (topluluklara) ayırmak (serileştirmek) mümkündür. Seramik eserlerin bilinen tarihlendirilmiş topluluklarla karşılaştırılması, bu parçaların kronolojik olarak atanmasını sağlar. ⓘ

Seramik analizine teknik yaklaşım, malzemenin kaynağını ve bunun aracılığıyla olası üretim yerini belirlemek için seramik eserlerin ve parçaların bileşiminin daha ince bir incelemesini içerir. Temel kriterler kilin bileşimi ve incelenen parçanın üretiminde kullanılan temperdir: temper, ilk üretim aşamasında kile eklenen bir malzemedir ve sonraki kurutma işlemine yardımcı olmak için kullanılır. Temper türleri arasında kabuk parçaları, granit parçaları ve 'grog' adı verilen öğütülmüş çanak çömlek parçaları yer alır. Temper genellikle temperlenmiş malzemenin mikroskobik incelemesiyle tanımlanır. Kil tanımlaması, seramiğin yeniden fırınlanması ve Munsell Toprak Rengi notasyonu kullanılarak bir renk atanması işlemiyle belirlenir. Hem kil hem de temper bileşimlerini tahmin ederek ve her ikisinin de oluştuğu bilinen bir bölgeyi belirleyerek, malzeme kaynağının bir ataması yapılabilir. Eserin kaynak atamasından yola çıkarak, üretim yerine ilişkin daha fazla araştırma yapılabilir. ⓘ

Özellikler

Herhangi bir seramik maddenin fiziksel özellikleri, kristal yapısının ve kimyasal bileşiminin doğrudan bir sonucudur. Katı hal kimyası, yerel yoğunluk değişimleri, tane boyutu dağılımı, gözeneklilik türü ve ikinci faz içeriği gibi mikroyapı ve özellikler arasındaki temel bağlantıyı ortaya koyar; bunların tümü Hall-Petch denklemi ile mekanik mukavemet σ, sertlik, tokluk, dielektrik sabiti ve şeffaf malzemeler tarafından sergilenen optik özellikler gibi seramik özelliklerle ilişkilendirilebilir. ⓘ

Seramografi, seramik mikro yapıların hazırlanması, incelenmesi ve değerlendirilmesi sanatı ve bilimidir. Seramik mikro yapıların değerlendirilmesi ve karakterizasyonu genellikle gelişmekte olan nanoteknoloji alanında yaygın olarak kullanılanlara benzer uzamsal ölçeklerde uygulanır: onlarca ångstrom (Å) ila onlarca mikrometre (µm). Bu, tipik olarak görünür ışığın minimum dalga boyu ile çıplak gözün çözünürlük sınırı arasında bir yerdir. ⓘ

Mikroyapı çoğu taneyi, ikincil fazları, tane sınırlarını, gözenekleri, mikro çatlakları, yapısal kusurları ve sertlik mikro girintilerini içerir. Çoğu yığın mekanik, optik, termal, elektriksel ve manyetik özellik, gözlemlenen mikroyapıdan önemli ölçüde etkilenir. Fabrikasyon yöntemi ve proses koşulları genellikle mikroyapı tarafından belirtilir. Birçok seramik arızasının temel nedeni, yarılmış ve parlatılmış mikro yapıda açıkça görülmektedir. Malzeme bilimi ve mühendisliği alanını oluşturan fiziksel özellikler aşağıdakileri içerir: ⓘ

Mekanik özellikler

Silisyum karbürden yapılmış kesme diskleri ⓘ

Mekanik özellikler, yapısal ve inşaat malzemelerinin yanı sıra tekstil kumaşlarında da önemlidir. Modern malzeme biliminde kırılma mekaniği, malzemelerin ve bileşenlerin mekanik performansını iyileştirmede önemli bir araçtır. Gerilme ve gerinim fiziğini, özellikle elastikiyet ve plastisite teorilerini, cisimlerin makroskopik mekanik arızalarını tahmin etmek için gerçek malzemelerde bulunan mikroskobik kristalografik kusurlara uygular. Fraktografi, arızaların nedenlerini anlamak ve ayrıca teorik arıza tahminlerini gerçek hayattaki arızalarla doğrulamak için kırılma mekaniği ile yaygın olarak kullanılmaktadır. ⓘ

Seramik malzemeler genellikle iyonik veya kovalent bağlı malzemelerdir. Her iki bağ türüyle bir arada tutulan bir malzeme, herhangi bir plastik deformasyon gerçekleşmeden önce kırılma eğiliminde olacaktır, bu da bu malzemelerde zayıf tokluğa neden olur. Ayrıca, bu malzemeler gözenekli olma eğiliminde olduğundan, gözenekler ve diğer mikroskobik kusurlar stres yoğunlaştırıcı olarak hareket ederek tokluğu daha da azaltır ve gerilme mukavemetini düşürür. Bunlar, metallerin daha sünek arıza modlarının aksine, katastrofik arızalar vermek için bir araya gelir. ⓘ

Bu malzemeler plastik deformasyon gösterir. Bununla birlikte, kristal malzemenin sert yapısı nedeniyle, dislokasyonların hareket etmesi için çok az kayma sistemi vardır ve bu nedenle çok yavaş deforme olurlar. ⓘ

Gevrek davranışın üstesinden gelmek için seramik malzeme geliştirme, seramik elyafların gömülü olduğu ve belirli kaplamalarla herhangi bir çatlak boyunca elyaf köprüleri oluşturan seramik matris kompozit malzemeler sınıfını tanıtmıştır. Bu mekanizma, bu tür seramiklerin kırılma tokluğunu önemli ölçüde artırmaktadır. Seramik disk frenler, belirli bir işlemle üretilen seramik matrisli kompozit malzeme kullanımına bir örnektir. ⓘ

Gelişmiş mekanik özellikler için buzla kaplama

Seramik önemli ölçüde mekanik yüklemeye maruz kalırsa, seramik ürünün mikroyapısının ve dolayısıyla mekanik özelliklerinin bir miktar kontrol edilmesine olanak tanıyan buz örnekleme adı verilen bir süreçten geçebilir. Seramik mühendisleri bu tekniği mekanik özellikleri istedikleri uygulamaya göre ayarlamak için kullanırlar. Bu teknik kullanıldığında özellikle mukavemet artar. Buz şablonlama, tek yönlü bir düzenlemede makroskopik gözeneklerin oluşturulmasına izin verir. Bu oksit güçlendirme tekniğinin uygulamaları katı oksit yakıt hücreleri ve su filtreleme cihazları için önemlidir. ⓘ

Bir numuneyi buz şablonlama yoluyla işlemek için, kolloid boyunca eşit olarak dağılmış çözünmüş seramik tozu, örneğin Yttria-stabilize zirkonya (YSZ) içerecek şekilde sulu bir kolloidal süspansiyon hazırlanır. Çözelti daha sonra tek yönlü soğutmaya izin veren bir platform üzerinde aşağıdan yukarıya doğru soğutulur. Bu, buz kristallerini tek yönlü soğutmaya uygun olarak büyümeye zorlar ve bu buz kristalleri çözünmüş YSZ partiküllerini katı-sıvı interfaz sınırının katılaşma cephesine zorlar, bu da kolloidal partiküllerin konsantre ceplerinin yanında tek yönlü olarak dizilmiş saf buz kristalleri ile sonuçlanır. Numune daha sonra eş zamanlı olarak ısıtılır ve basınç buz kristallerini süblimleşmeye zorlayacak kadar düşürülür ve YSZ cepleri makroskopik olarak hizalanmış seramik mikro yapılar oluşturmak için birlikte tavlanmaya başlar. Numune daha sonra kalan suyun buharlaşmasını ve seramik mikro yapının nihai konsolidasyonunu tamamlamak için sinterlenir. ⓘ

Buz örnekleme sırasında, mikro yapının gözenek boyutunu ve morfolojisini etkilemek için birkaç değişken kontrol edilebilir. Bu önemli değişkenler, kolloidin ilk katı madde yüklemesi, soğutma hızı, sinterleme sıcaklığı ve süresi ve işlem sırasında mikroyapı morfolojisini etkileyebilecek belirli katkı maddelerinin kullanımıdır. Bu parametrelerin iyi anlaşılması, anizotropik olarak gözenekli malzemelerin işlenmesi, mikro yapısı ve mekanik özellikleri arasındaki ilişkilerin anlaşılması için gereklidir. ⓘ

Elektriksel özellikler

Yarı İletkenler

Bazı seramikler yarı iletkendir. Bunların çoğu çinko oksit gibi II-VI yarı iletkenleri olan geçiş metal oksitleridir. Çinko oksitten mavi LED'lerin seri üretimine yönelik beklentiler olsa da seramikçiler en çok tane sınırı etkileri gösteren elektriksel özelliklerle ilgilenmektedir. Bunların en yaygın kullanılanlarından biri varistördür. Bunlar, belirli bir eşik voltajında direncin keskin bir şekilde düşmesi özelliğini sergileyen cihazlardır. Cihaz üzerindeki voltaj eşiğe ulaştığında, tane sınırlarının çevresindeki elektriksel yapıda bir bozulma meydana gelir ve bu da elektrik direncinin birkaç megohm'dan birkaç yüz ohm'a düşmesine neden olur. Bunların en büyük avantajı, çok fazla enerjiyi dağıtabilmeleri ve kendi kendilerini sıfırlamalarıdır; cihaz üzerindeki voltaj eşiğin altına düştükten sonra, direnci yüksek olmaya geri döner. Bu onları aşırı gerilim koruma uygulamaları için ideal kılar; eşik gerilimi ve enerji toleransı üzerinde kontrol olduğu için her türlü uygulamada kullanım alanı bulurlar. Yeteneklerinin en iyi göstergesi, altyapıyı yıldırım çarpmalarına karşı korumak için kullanıldıkları elektrik trafo merkezlerinde bulunabilir. Hızlı tepki verirler, az bakım gerektirirler ve kullanımdan dolayı kayda değer bir şekilde bozulmazlar, bu da onları bu uygulama için neredeyse ideal cihazlar haline getirir. Yarı iletken seramikler gaz sensörü olarak da kullanılmaktadır. Polikristalin bir seramik üzerinden çeşitli gazlar geçirildiğinde, elektrik direnci değişir. Olası gaz karışımlarına göre ayarlama yapılarak çok ucuz cihazlar üretilebilir. ⓘ

Süperiletkenlik

Meissner etkisi, bir mıknatısın sıvı nitrojenle soğutulan bir kuprat süper iletkenin üzerine kaldırılmasıyla gösterilmiştir ⓘ

Aşırı düşük sıcaklık gibi bazı koşullar altında, bazı seramikler yüksek sıcaklıkta süper iletkenlik sergiler. Bunun nedeni anlaşılamamıştır, ancak iki ana süper iletken seramik ailesi vardır. ⓘ

Ferroelektriklik ve süper setler

Elektrik ve mekanik tepki arasında bir bağlantı olan piezoelektrik, saatlerde ve diğer elektronik cihazlarda zamanı ölçmek için kullanılan kuvars da dahil olmak üzere çok sayıda seramik malzeme tarafından sergilenmektedir. Bu tür cihazlar piezoelektriklerin her iki özelliğini de kullanır, mekanik bir hareket üretmek için elektrik kullanır (cihaza güç verir) ve daha sonra bu mekanik hareketi elektrik üretmek için kullanır (bir sinyal üretir). Ölçülen zaman birimi, elektriğin mekanik enerjiye dönüşmesi ve tekrar geri dönmesi için gereken doğal aralıktır. ⓘ

Piezoelektrik etki genellikle piroelektrik özellik gösteren malzemelerde daha güçlüdür ve tüm piroelektrik malzemeler aynı zamanda piezoelektriktir. Bu malzemeler termal, mekanik veya elektrik enerjisi arasında dönüşüm yapmak için kullanılabilir; örneğin, bir fırında sentezlendikten sonra, uygulanan hiçbir stres altında soğumaya bırakılan bir piroelektrik kristal genellikle binlerce voltluk bir statik yük oluşturur. Bu tür malzemeler, odaya giren sıcak bir cisimden kaynaklanan küçük sıcaklık artışının kristalde ölçülebilir bir voltaj üretmek için yeterli olduğu hareket sensörlerinde kullanılır. ⓘ

Buna karşılık, piroelektriklik en güçlü şekilde, kararlı bir elektrik dipolünün bir elektrostatik alan uygulanarak yönlendirilebildiği veya tersine çevrilebildiği ferroelektrik etkiyi de gösteren malzemelerde görülür. Piroelektriklik aynı zamanda ferroelektrikliğin gerekli bir sonucudur. Bu, ferroelektrik RAM elemanları olan ferroelektrik kapasitörlerde bilgi depolamak için kullanılabilir. ⓘ

Bu tür malzemelerin en yaygın olanları kurşun zirkonat titanat ve baryum titanattır. Yukarıda belirtilen kullanımların yanı sıra, güçlü piezoelektrik tepkileri, yüksek frekanslı hoparlörlerin, sonar için dönüştürücülerin ve atomik kuvvet ve tarama tünelleme mikroskopları için aktüatörlerin tasarımında kullanılmaktadır. ⓘ

Pozitif termal katsayı

Silikon nitrür roket iticisi. Sol: Test standına monte edilmiş. Sağda: H2/O2 itici gazları ile test ediliyor ⓘ

Sıcaklık artışları, çoğunlukla ağır metal titanat karışımları olan bazı yarı iletken seramik malzemelerde tane sınırlarının aniden yalıtkan hale gelmesine neden olabilir. Kritik geçiş sıcaklığı, kimyadaki değişikliklerle geniş bir aralıkta ayarlanabilir. Bu tür malzemelerde akım, joule ısıtması malzemeyi geçiş sıcaklığına getirene kadar malzemeden geçecek, bu noktada devre kesilecek ve akım akışı duracaktır. Bu tür seramikler, örneğin otomobillerin arka cam buz çözme devrelerinde kendinden kontrollü ısıtma elemanları olarak kullanılır. ⓘ

Geçiş sıcaklığında, malzemenin dielektrik tepkisi teorik olarak sonsuz hale gelir. Sıcaklık kontrolünün olmaması, malzemenin kritik sıcaklığına yakın herhangi bir pratik kullanımını ortadan kaldırırken, dielektrik etki çok daha yüksek sıcaklıklarda bile son derece güçlü kalır. Kritik sıcaklıkları oda sıcaklığının çok altında olan titanatlar, tam da bu nedenle seramik kapasitörler bağlamında "seramik" ile eş anlamlı hale gelmiştir. ⓘ

Optik özellikler

Sentetik safir çıkış pencereli Cermax xenon ark lambası ⓘ

Optik olarak şeffaf malzemeler, bir malzemenin bir dizi dalga boyunda gelen ışık dalgalarına verdiği tepkiye odaklanır. Frekans seçici optik filtreler, dijital bir görüntünün parlaklığını ve kontrastını değiştirmek veya geliştirmek için kullanılabilir. Frekans seçici dalga kılavuzları aracılığıyla yönlendirilmiş ışık dalgası iletimi, gelişmekte olan fiber optik alanını ve belirli camsı bileşimlerin, rakip dalga boyları veya frekanslar arasında çok az veya hiç parazit olmadan aynı anda bir dizi frekans için (çok modlu optik fiber) bir iletim ortamı olarak yeteneğini içerir. Elektromanyetik (ışık) dalga yayılımı yoluyla enerji ve veri iletiminin bu rezonans modu, düşük güçlü olmasına rağmen neredeyse kayıpsızdır. Optik dalga kılavuzları, Entegre optik devrelerde (örneğin ışık yayan diyotlar, LED'ler) bileşen olarak veya yerel ve uzun mesafeli optik iletişim sistemlerinde iletim ortamı olarak kullanılır. Gelişmekte olan malzeme bilimcileri için de değerli olan, malzemelerin elektromanyetik spektrumun termal kızılötesi (IR) kısmındaki radyasyona karşı duyarlılığıdır. Bu ısı arama yeteneği, Gece Görüşü ve IR ışıldaması gibi çeşitli optik olaylardan sorumludur. ⓘ

Bu nedenle, askeri sektörde spektrumun görünür (0,4 - 0,7 mikrometre) ve orta kızılötesi (1 - 5 mikrometre) bölgelerinde ışığı (elektromanyetik dalgaları) iletme kabiliyetine sahip yüksek mukavemetli, sağlam malzemelere olan ihtiyaç giderek artmaktadır. Bu malzemeler, yeni nesil yüksek hızlı füzeler ve kapsüllerin yanı sıra doğaçlama patlayıcı cihazlara (IED) karşı koruma da dahil olmak üzere şeffaf zırh gerektiren uygulamalar için gereklidir. ⓘ

1960'larda General Electric'teki (GE) bilim insanları, doğru üretim koşulları altında bazı seramiklerin, özellikle de alüminyum oksidin (alümina) yarı saydam hale getirilebileceğini keşfetti. Bu yarı saydam malzemeler, yüksek basınçlı sodyum sokak lambalarında üretilen elektrik plazmasını tutmak için kullanılabilecek kadar şeffaftı. Geçtiğimiz yirmi yıl boyunca, ısı güdümlü füzeler için burun konileri, savaş uçakları için pencereler ve bilgisayarlı tomografi tarayıcıları için sintilasyon sayaçları gibi uygulamalar için ek şeffaf seramik türleri geliştirilmiştir. Genellikle yapılarında yukarıdakilerden daha fazla saflık gerektiren diğer seramik malzemeler, aşağıdakiler de dahil olmak üzere çeşitli kimyasal bileşiklerin formlarını içerir:

  1. Baryum titanat: (genellikle stronsiyum titanat ile karıştırılır) ferroelektrik özellik gösterir, yani mekanik, elektriksel ve termal tepkileri
  2. Sialon (Silisyum Alüminyum Oksinitrür) yüksek mukavemete sahiptir; termal şoka, kimyasal ve aşınma direncine ve düşük yoğunluğa karşı dirençlidir. Bu seramikler demir dışı erimiş metallerin taşınmasında, kaynak pimlerinde ve kimya endüstrisinde kullanılır.
  3. Silisyum karbür (SiC), mikrodalga fırınlarda suseptör, yaygın olarak kullanılan bir aşındırıcı ve refrakter malzeme olarak kullanılır.
  4. Silisyum nitrür (Si3N4) aşındırıcı toz olarak kullanılır.
  5. Steatit (magnezyum silikatlar) elektrik yalıtkanı olarak kullanılır.
  6. Titanyum karbür Uzay mekiği yeniden giriş kalkanlarında ve çizilmez saatlerde kullanılır.
  7. Uranyum oksit (UO2), nükleer reaktörlerde yakıt olarak kullanılır.
  8. İtriyum baryum bakır oksit (YBa2Cu3O7-x), başka bir yüksek sıcaklık süper iletkeni.
  9. Yarı iletken olan ve varistörlerin yapımında kullanılan çinko oksit (ZnO).
  10. Saf haliyle oda sıcaklığı ile pratik sinterleme sıcaklıkları arasında birçok faz değişimine uğrayan zirkonyum dioksit (zirkonya), kimyasal olarak birkaç farklı biçimde "stabilize" edilebilir. Yüksek oksijen iyonu iletkenliği, yakıt hücrelerinde ve otomotiv oksijen sensörlerinde kullanılmasını önermektedir. Başka bir varyantta, metastabil yapılar mekanik uygulamalar için dönüşüm sertliği kazandırabilir; çoğu seramik bıçak ağzı bu malzemeden yapılır. Kısmen stabilize edilmiş zirkonya (PSZ) diğer seramiklere göre çok daha az kırılgandır ve metal şekillendirme aletleri, valfler ve gömlekler, aşındırıcı çamurlar, mutfak bıçakları ve şiddetli aşınmaya maruz kalan rulmanlar için kullanılır. ⓘ
Seramik bıçaklı mutfak bıçağı ⓘ

Ürünler

Kullanıma göre

Kolaylık olması açısından seramik ürünler genellikle dört ana türe ayrılır; bunlar aşağıda bazı örneklerle gösterilmiştir:

  1. Tuğlalar, borular, yer ve çatı kiremitleri dahil olmak üzere yapısal
  2. Fırın astarları, gaz ateş radyanları, çelik ve cam üretim potaları gibi refrakterler
  3. Sofra takımları, tencere takımları, duvar karoları, çömlek ürünleri ve sıhhi tesisat dahil olmak üzere beyaz eşya
  4. Teknik, mühendislik, ileri, özel ve ince seramikler olarak da bilinir. Bu tür ürünler şunları içerir:
    1. gaz brülörü nozulları
    2. balistik koruma, araç zırhı
    3. nükleer yakıt uranyum oksit peletleri
    4. biyomedikal implantlar
    5. jet motoru türbin kanatlarının kaplamaları
    6. Seramik matrisli kompozit gaz türbini parçaları
    7. Güçlendirilmiş karbon-karbon seramik disk frenler
    8. füze burun koni̇leri̇
    9. rulman (mekanik)
    10. Uzay Mekiği programında kullanılan karolar ⓘ

Kil ile yapılan seramikler

Modern seramiklerin hammaddeleri sıklıkla kil içermez. İçerenler ise aşağıdaki gibi sınıflandırılır:

  1. Toprak kaplar, diğer türlere göre daha düşük sıcaklıklarda pişirilir
  2. Taş, camsı veya yarı camsı
  3. Yüksek oranda kaolin içeren porselen
  4. Kemik porselen ⓘ

Sınıflandırma

Seramikler ayrıca üç farklı malzeme kategorisinde sınıflandırılabilir:

  1. Oksitler: alümina, berilya, sererya, zirkonya
  2. Oksit olmayanlar: karbür, borür, nitrür, silisit
  3. Kompozit malzemeler: partikül takviyeli, fiber takviyeli, oksit ve oksit olmayanların kombinasyonları. ⓘ

Bu sınıfların her biri benzersiz malzeme özelliklerine dönüştürülebilir. ⓘ

Uygulamalar

  1. Bıçak ağızları: Seramik bir bıçağın ağzı, çelik bir bıçağın ağzından çok daha uzun süre keskin kalacaktır, ancak daha kırılgan ve kırılmaya yatkındır.
  2. Karbon-seramik fren diskleri: araçlar için yüksek sıcaklıklarda fren solmasına karşı dayanıklıdır.
  3. "Gelişmiş kompozit seramik ve metal matrisler" çoğu modern zırhlı savaş aracı için tasarlanmıştır, çünkü şekillendirilmiş yüklere (HEAT mermileri) ve kinetik enerji delicilerine karşı üstün nüfuz etme direnci sunarlar.
  4. "Alümina ve bor karbür gibi seramikler" balistik zırhlı yeleklerde yüksek hızlı tüfek ateşini püskürtmek için kullanılmıştır. Bu tür plakalar genellikle küçük silah koruyucu ekler veya SAPI'ler olarak bilinir. Benzer malzemeler, malzemenin düşük ağırlığı nedeniyle bazı askeri uçakların kokpitlerini korumak için kullanılır.
  5. Seramikler bilyalı rulmanlar için çelik yerine kullanılabilir. Daha yüksek sertlikleri, aşınmaya karşı çok daha az duyarlı oldukları ve tipik olarak çelik bir parçanın ömrünün üç katı kadar dayandıkları anlamına gelir. Ayrıca yük altında daha az deforme olurlar, yani rulman tutucu duvarlarıyla daha az temas ederler ve daha hızlı yuvarlanabilirler. Çok yüksek hızlı uygulamalarda, yuvarlanma sırasında sürtünmeden kaynaklanan ısı, metal rulmanlar için sorunlara neden olabilir ve seramik kullanımı ile bu sorunlar azaltılır. Seramikler ayrıca kimyasal olarak daha dayanıklıdır ve çelik rulmanların paslanabileceği ıslak ortamlarda kullanılabilir. Bazı durumlarda, elektrik yalıtımı özellikleri de rulmanlarda değerli olabilir. Seramik rulmanların iki dezavantajı, önemli ölçüde daha yüksek maliyet ve şok yükler altında hasara yatkınlıktır.
  6. 1980'lerin başında Toyota, sıcak gaz alanında seramik bileşenler kullanarak adyabatik bir motor üretimini araştırdı. Seramikler 1650°C'nin üzerinde sıcaklıklara izin verecekti. Beklenen avantajlar daha hafif malzemeler ve daha küçük bir soğutma sistemi (ya da hiç soğutma sistemine ihtiyaç duyulmaması) olacak, bu da ağırlıkta büyük bir azalmaya yol açacaktı. Motorun yakıt verimliliğinde beklenen artış (Carnot teoreminde gösterildiği gibi daha yüksek sıcaklığın neden olduğu) deneysel olarak doğrulanamadı; sıcak seramik silindir duvarlarındaki ısı transferinin, metal yüzeydeki daha soğuk gaz filmi bir termal yalıtkan olarak çalıştığı için daha soğuk bir metal duvara transferden daha yüksek olduğu bulundu. Dolayısıyla, tüm bu arzu edilen özelliklere rağmen, seramik bileşenlerin maliyetleri ve sınırlı avantajlar nedeniyle bu tür motorlar üretimde başarılı olamamıştır. (Düşük kırılma tokluğuna sahip seramik malzemedeki küçük kusurlar çatlaklara yol açarak potansiyel olarak tehlikeli ekipman arızalarına neden olabilir). Bu tür motorlar laboratuvar ortamlarında mümkündür, ancak seri üretim mevcut teknolojiyle mümkün değildir.
  7. Gaz türbini motorları için seramik parçalar geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Şu anda, motorların sıcak bölümünde kullanılan gelişmiş metal alaşımlardan yapılmış kanatlar bile soğutma ve çalışma sıcaklıklarının dikkatli bir şekilde sınırlandırılmasını gerektirmektedir. Seramikle yapılan türbin motorları daha verimli çalışarak uçaklara belirli bir yakıt miktarı için daha fazla menzil ve taşıma yükü sağlayabilir.
  8. Diş implantları ve sentetik kemikler gibi biyoseramikleri içeren seramiklerde son zamanlarda ilerlemeler kaydedilmiştir. Kemiğin doğal mineral bileşeni olan hidroksiapatit, çeşitli biyolojik ve kimyasal kaynaklardan sentetik olarak üretilmiş ve seramik malzemeler haline getirilebilmiştir. Bu malzemelerle kaplanmış ortopedik implantlar, reddedilme veya enflamatuar reaksiyonlar olmaksızın vücuttaki kemik ve diğer dokulara kolayca bağlanır, bu nedenle gen iletimi ve doku mühendisliği iskeleleri için büyük ilgi görür. Hidroksiapatit seramiklerin çoğu çok gözeneklidir ve mekanik mukavemetten yoksundur ve kemiğe bir bağ oluşturmaya yardımcı olmak için metal ortopedik cihazları kaplamak için veya kemik dolgu maddesi olarak kullanılır. Ayrıca iltihaplanmayı azaltmaya yardımcı olmak ve bu plastik malzemelerin emilimini artırmak için ortopedik plastik vidalar için dolgu maddesi olarak kullanılırlar. Ortopedik ağırlık taşıma cihazları için güçlü, tamamen yoğun nanokristalin hidroksiapatit seramik malzemeler yapmak, yabancı metal ve plastik ortopedik malzemeleri sentetik, ancak doğal olarak oluşan bir kemik minerali ile değiştirmek için çalışmalar yapılmaktadır. Nihayetinde bu seramik malzemeler kemik replasmanı olarak ya da protein kolajenlerin eklenmesiyle sentetik kemikler olarak kullanılabilecektir.
  9. Dayanıklı aktinit içeren seramik malzemeler, fazla Pu'yu yakmak için nükleer yakıtlarda ve insansız uzay araçlarına güç sağlamak veya mikroelektronik cihazlar için elektrik üretmek amacıyla kimyasal olarak inert alfa ışınlama kaynaklarında olduğu gibi birçok uygulamaya sahiptir. Radyoaktif aktinitlerin hem kullanımı hem de bertarafı, dayanıklı bir ana malzeme içinde hareketsizleştirilmelerini gerektirir. Aktinitler gibi nükleer atık uzun ömürlü radyonüklidler, polikristal seramiklere ve büyük tek kristallere dayanan kimyasal olarak dayanıklı kristal malzemeler kullanılarak hareketsiz hale getirilir.
  10. Yüksek teknoloji ürünü seramik, saat yapımında saat kasası üretiminde kullanılmaktadır. Bu malzeme saat üreticileri tarafından hafifliği, çizilmeye karşı direnci, dayanıklılığı ve pürüzsüz dokunuşu nedeniyle değer görmektedir. IWC, saat yapımında seramik kullanımını başlatan markalardan biridir. ⓘ

Etimoloji

"Ceram-" kökünün bilinen en eski sözcüğü Miken Uygarlığı'nın Linear B hece yazısında "seramik işçileri" anlamındaki ke-ra-me-we'dir. "Seramik" kelimesi bir malzeme, ürün veya işlemi tarif etmek için bir sıfat olarak kullanılabilir. Aynı zamanda isim olarak tekil veya daha yaygın şekliyle çoğul olan "seramikler" şeklinde de kullanılabilir. ⓘ

Türleri

Seramik ürünleri bünye özelliklerine göre gözenekli (earthenware), pekişmiş bünye (stoneware) ve porselen olarak sınıflandırılmaktadır. Gözenekli bünye düşük sıcaklık ürünü, porselen de yüksek sıcaklık gerektiren ürün olarak düşünülse de eğer bünye yoğunluğunun nasıl sağlanacağı biliniyorsa, her tip bünyenin herhangi bir sıcaklık derecesinde üretilebilmesi mümkündür. Yani bünyenin içeriğindeki malzemeleri değiştirerek, düşük derecede porselen benzeri bir bünye, yine yüksek derecede de gözenekli bir bünye elde edilebilir. ⓘ

Üretimi

Genellikle kayaların dış etkiler altında parçalanması ile oluşan kil, kaolen ve benzeri maddelerin yüksek sıcaklıkta pişirilmesi ile meydana gelirler. Bu açıdan halk arasında pişmiş toprak esaslı malzeme olarak bilinir. Örneğin, cam, tuğla, kiremit, taş, beton, çimento, aşındırıcı tozlar porselen ve refrakter malzemeler bu gruba girer. ⓘ

Kil belirli bir üretim sürecini geçirdikten sonra, sert ve deforme olmayan, bazı özel etkenler dışında hiçbir dış etkiden kolayca etkilenmeyen bir malzeme haline gelir. Seramik malzeme üretiminde, kil çamuruna belirli maddeler katarak, değişik şekillendirme yöntemleriyle, kullanılan çamur bünyesine uygun bir pişirme ile, seramik malzemeye istenilen niteliği kazandırma imkânı vardır. ⓘ

Bezeme Teknikleri

Akıtma tekniği

Bu teknikte seramik nesneler fırına verilmeden önce bir puar vasıtasıyla sıvı çamura maruz bırakılır. ⓘ

"http://bilgipedi.com.tr/index.php?title=Seramik&oldid=15595" sayfasından alınmıştır