Cerâmica Avançada - A Evolução, a Classificação, as Propriedades, a Produção, o Despedimento, o Revestimento e o Projecto de Cerâmica Avançada

O século XX produziu o grande avanço na tecnologia da cerâmica e de materiais desde que os seres humanos foram capazes do pensamento conceptivo. As revelações metalúrgicas extensivas neste período têm produzido agora quase cada combinação concebível de ligas do metal e as capacidades daquelas ligas são razoavelmente conhecidas e exploradas. O impulso para sempre mais rapidamente, mais eficiente, técnicas menos caras da produção continua hoje. Enquanto os limites de sistemas metal-baseados são ultrapassados, os materiais novos capazes do funcionamento sob umas mais altas temperaturas, umas velocidades mais altas, uns factores de uma vida mais longa e uns mais baixos custos de manutenção estão exigidos manter o ritmo com avanços tecnologicos. Metais, em virtude de suas propriedades originais: a ductilidade, a resistência à tracção, a abundância, a química simples, o custo de produção relativamente baixo, o caso da formação, o caso da junta, Etc. ocuparam a posição da vanguarda com respeito à revelação dos materiais. Pela cerâmica do contraste: frágil por natureza, tendo uma química mais complexa e exigindo a tecnologia e o equipamento de processamento avançada ao produto, execute melhor quando combinado com outros materiais, tais como os metais e os polímeros que podem ser usados como estruturas do apoio. Esta combinação permite grandes formas de ser feita; o Vaivém Espacial é um exemplo típico da aplicação de materiais avançados e um exemplo excelente da capacidade de materiais avançados.

Realiza-se somente durante os últimos 30 anos ou Assim, com os avanços da compreensão na química cerâmica, no cristalografia e no conhecimento mais extensivo ganhado com respeito à produção de cerâmica avançada e projetada que o potencial para estes materiais estêve realizado. Uma das revelações principais este século era o trabalho por Ron Garvie e outros no CSIRO, Melbourne onde PSZ (zircônia parcialmente estabilizada) e endurecer da transformação da fase deste cerâmico foi desenvolvido. Este avanço mudou a maneira que os sistemas cerâmicos foram vistos. As Técnicas aplicadas previamente aos metais foram consideradas agora aplicáveis aos sistemas cerâmicos. Põe Em Fase transformações, liga, extinguindo e moderando técnicas foram aplicados a uma escala de sistemas cerâmicos. As melhorias Significativas à dureza da fractura, à ductilidade e à resistência de impacto da cerâmica foram realizadas e assim a diferença em propriedades físicas entre a cerâmica e os metais começou a fechar-se. Umas revelações Mais recentes no não-óxido e em uma cerâmica mais resistente (por exemplo cerâmica do nitreto) têm fechado a diferença mesmo mais adicional.

A Cerâmica para aplicações de hoje da engenharia pode ser considerada para ser não-tradicional. A cerâmica Tradicional é os tipos mais velhos e mais geralmente conhecidos, como: porcelana, tijolo, produto de cerâmica, Etc. A família nova e emergente da cerâmica é referida como avançada, nova ou fina, e utiliza materiais altamente refinados e técnicas de formação novas. Estes “novos” ou “avançaram” a cerâmica, quando usados como um material de engenharia, legiões diversas propriedades que podem ser vistas como o superior aos sistemas metal-baseados. Estas propriedades colocam este grupo novo de cerâmica em uma posição a mais atractiva, não somente na área do desempenho mas igualmente da rentabilidade. Estas propriedades incluem a resistência alta à abrasão, à força quente excelente, ao inertness químico, às velocidades fazendo à máquina da elevação (como ferramentas) e à estabilidade dimensional.

A Cerâmica Técnica pode igualmente ser classificada em três categorias materiais distintas:

•         Óxidos: Alumina, zircônia

•         Não-Óxidos: Carbonetos, borides, nitretos, silicides

•         Compostos: Relativo À Partícula Ínfima reforçado, combinações de óxidos e de não-óxidos.

Cada uma destas classes pode desenvolver propriedades materiais originais.

Oxidação resistente, quimicamente inerte, electricamente isolamento, condutibilidade térmica geralmente baixa, fabricação ligeira complexa e baixo custo para a alumina, fabricação mais complexa e custo mais alto para a zircônia.

Baixa resistência de oxidação, dureza extrema, condutibilidade térmica quimicamente inerte, alta, e fabricação dependente da energia electricamente conduzindo, difícil e custo alto.

Dureza, baixa e resistência de oxidação alta (tipo relativo), condutibilidade térmica e elétrica variável, processos de manufactura complexos, custo alto.

Cerâmica Técnico ou a produção da Engenharia, comparada à produção cerâmica tradicional de ontem, é muito mais exigência e procedimento complexo. Os materiais da pureza Alta e os métodos precisos da produção devem ser empregados para assegurar-se de que as propriedades desejadas destes materiais avançados estejam conseguidas no produto final.

Os materiais começar da pureza Alta (pós) são preparados usando técnicas de processamento mineral para produzir um concentrado seguido por uma transformação mais ulterior (química tipicamente molhada) para remover as impurezas indesejáveis e para adicionar outros compostos para criar a composição começando desejada. Esta é uma fase a mais importante na preparação da cerâmica do óxido do elevado desempenho. Porque estes são geralmente sistemas da pureza alta as impurezas menores podem ter um efeito dinâmico, por exemplo as pequenas quantidades de MgO podem ter um efeito marcado em cima do comportamento da aglomeração da alumina. Os Vários procedimentos de tratamento térmico são utilizados para criar estruturas de cristal com cuidado controladas. Estes pós são mmoídos geralmente a um tamanho de cristal extremamente fino ou “final” para ajudar à reactividade cerâmica. Os Plastificante e as pastas são misturados com estes pós para serir o método preferido da formação (pressão, extrusão, carcaça de enxerto, Etc.) para produzir o material “cru”. As técnicas de formação altas e de baixa pressão são usadas. A matéria prima é formada na forma ou no precursor “verde” exigido (feito à máquina ou girado para dar forma se for necessário) e despedida às altas temperaturas no ar ou em uma atmosfera ligeira de diminuição para produzir um produto denso.

A produção de cerâmica do não-óxido é geralmente um processo de três fases que envolve: primeiramente a preparação dos precursores ou dos pós começar, a mistura destes precursores criar em segundo lugar os compostos desejados (Si + 2B, Si + C, Etc.) e em terceiro lugar a formação e a aglomeração do componente final. A formação de materiais começar e despedir para este grupo, exige condições com cuidado controladas da fornalha ou da estufa assegurar a ausência de oxigênio durante o aquecimento porque estes materiais oxidarão prontamente durante o despedimento. Este grupo de materiais exige geralmente bastante altas temperaturas efectuar a aglomeração. Similar à cerâmica do óxido, às purezas com cuidado controladas e às características cristalinas seja necessário conseguir as propriedades cerâmicas finais desejadas.

Este grupo pode ser compor de uma combinação de: a cerâmica do óxido - cerâmica do não-óxido (granulada, platy, suiças, Etc.), óxido - cerâmica do óxido, não-óxido - cerâmica do não-óxido, cerâmica - polímeros, Etc. um número quase infinito de combinações é possível. O objeto é melhorar a dureza ou a dureza a ser seridas mais a uma aplicação particular. Esta é uma área um tanto nova da revelação e as composições podem igualmente incluir metais no formulário do relativo à partícula ínfima ou da matriz.

As condições do Despedimento para a cerâmica nova do trabalho feito com ferramentas são um tanto diversas ambos na variação da temperatura e no equipamento. Este assunto é demasiado longo cobrir aqui. Uma vasta gama de publicações está disponível neste assunto para aquelas interessado. Contudo, uma breve descrição de algumas técnicas e circunstâncias é apropriada para fornecer uma compreensão da tecnologia básica do despedimento da cerâmica avançada. No general estes materiais são despedidos às temperaturas bem acima dos metais, e tipicamente na escala de 1500°C a 2400°C e mesmo mais altamente. Estas temperaturas exigem fornalhas e forros de fornalha muito especializados alcançar estas altas temperaturas. Alguns materiais exigem ambientes especiais do gás tais como o nitrogênio ou condições controladas da fornalha tais como o vácuo. Outro exigem extremamente altas pressões conseguir o densification (Quadris). Assim estas fornalhas são bastante diversas no projecto e no conceito. Os métodos típicos do aquecimento nestas fornalhas são os gáss (gás mais o oxigênio, gás mais o ar caloroso), o aquecimento de resistência (metálico, carbono e calefatores cerâmicos) ou o aquecimento da indutância (R.F., microonda).

O aquecimento de Gás é realizado geralmente no normal às baixas pressões. O aquecimento de Resistência é realizado nas pressões que variam do vácuo a MPa 200. O aquecimento da Indutância pode igualmente ser feito sobre a mesma escala que a resistência. Na resistência e na indutância que aquecem os sistemas não têm que afirmar com volumes altos de produtos da ignição assim pode ser contido. Os tipos típicos da fornalha usados nos métodos antecedentes são caixa, túnel, sino, QUADRIL (gás e resistência calorosos), selado (tipo selado da “autoclave” para o elemento do carbono caloroso), o projecto especial selado (tipo água-de refrigeração para R.F. caloroso) ou abrem a microonda do projecto caloroso, (itens pequenos).

Esta breve lista serve para fornecer uma indicação de apenas como diverso as técnicas empregadas para despedir cerâmica avançada são. Cada tipo cerâmico tem sua própria exigência especial com respeito à taxa de despedimento, à condição ambiental e à temperatura. Se estas circunstâncias não são estadas conformes então a qualidade do produto final e mesmo a formação dos compostos e das densidades do final não estará conseguido.

Um dos estados finais na produção de materiais avançados é o revestimento para precisar tolerâncias. Estes materiais podem ser extremamente duros, com os hardnesses que aproximam o diamante, e assim terminar pode ser bastante um processo caro e lento. As técnicas do Revestimento podem incluir: a estaca do laser, do jato de água e do diamante, diamante que mmói e que fura, contudo se o cerâmico é electricamente técnicas condutoras tais como EDM (descarga elétrica que faz à máquina) pode ser usada. Porque a perseguição da dureza é um dos objetivos desenvolventes principais, e porque cada material recentemente desenvolvido aumenta na dureza, os problemas associados com o revestimento igualmente aumentarão. A revelação do equipamento de moedura do CNC diminuiu o custo da moedura final minimizando o índice labour, porém as grandes corridas são exigidas geralmente para deslocar os custos estabelecidos deste equipamento. As corridas Pequenas não são geralmente economicamente viáveis. Uma alternativa a este problema é “pescar o formulário” ou formá-la às tolerâncias predizíveis ou aceitáveis para minimizar fazer à máquina. Isto foi conseguido na Engenharia Cerâmica de Taylor pela introdução de uma técnica chamada - “próximo à forma líquida que forma”. Os componentes Complexos podem ser formados por esta revelação Australiana original com os desvios tão baixos quanto ±0.3% tendo por resultado economias consideráveis em custos fazendo à máquina finais.

Em muitas aplicações hoje, as propriedades benéficas de alguns materiais são combinadas para aumentar e apoiar às vezes outros materiais, assim criando um composto do híbrido. No caso dos compostos híbridos, é as propriedades da disponibilidade e do desempenho de cada material novo, que ajusta a capacidade do material novo. o teste da avaliação do Em-Campo tem que ser realizado em determinados exemplos, para determinar a durabilidade a longo prazo do composto novo antes realmente de comprometer ao serviço.

As propriedades de materiais avançados precisam de ser consideradas ao projetar estruturas, componentes e dispositivos. A selecção final do projecto e do material deve finalmente ser eficaz na redução de custos, deve funcionar confiantemente e, idealmente, deve ser uma melhoria em cima de tecnologia existente. O conhecimento Prévio do desempenho é obviamente um recurso, porém no conhecimento prévio de muitas novas aplicações não podem estar assim a observação e a gravação cuidadosas disponíveis de características de desempenho do modelo experimental, ou na experimentação da planta, é necessário. A este respeito os trabalhos do Coordenador dos Materiais no contacto próximo com a equipa de investigação para desenvolver cooperativa o novo conceito. Enquanto nós ainda estamos trabalhando com materiais relativamente frágeis este aspecto tem que sempre ser mantido na mente. As técnicas Novas tais como a Análise de Elemento Finito provaram benéfico a este respeito. O uso da modelagem do computador permite que as estruturas sejam criadas na tela sem a necessidade para protótipos caros.

Os materiais cerâmicos Avançados são agora bem conhecidos em muitas áreas de cada uso do dia. As melhorias no desempenho, na vida útil, nas economias em custos operacionais e nas economias na manutenção são evidência clara dos benefícios de materiais cerâmicos avançados. As esperanças de Vida, agora nos anos em vez dos meses com economia do custo no pedido somente de custos componentes existentes dobro, dão a materiais da cerâmica avançada uma vantagem principal. A produção destes materiais avançados é um complexo e um processo de exigência com custos de equipamento altos e a exigência de povos altamente especializados e treinados. Os materiais cerâmicos do amanhã explorarão as propriedades de combinações policristalinas da fase e as estruturas cerâmicas compostas, isto é a co-precipitação ou a inclusão das estruturas cristalinas de deferimento que têm propriedades benéficas trabalhar junto no composto final.

Amanhã (mesmo hoje) a procura será embalar a quantidade a mais alta de energia bond no composto cerâmico final e dar um alto nível da ductilidade ou a elasticidade naquelas liga-se. Este nível de energia tem que ser excedido para causar a falha ou a deslocação. O ritmo em mudança da tecnologia e dos materiais igualmente significa que uns compostos mais novos projetados precisamente à função estarão desenvolvidos. Apenas como isto será conseguido e quando o conhecimento se tornar público - quem pode dizer! Cerâmica, uma classe velha do material, ainda oportunidades actuais para revelações materiais novas.

É uma procura fascinante mas este aspecto do secretismo e a presença continuada “de Arte Preta” em muitas indústrias cerâmicas da produção fazem-na que fascina.

Nota: Uma lista completa de referências está disponível com referência ao texto original.