Jsou drahé. Jsou křehké. Již nyní se však začínají používat k náhradě oceli v motorech, proudových motorech a dokonce i v lidském těle.
To je paradox pokročilé strukturální keramiky. Po celá desetiletí byly považovány za specializované materiály. Příliš křehké pro běžné použití a příliš drahé pro masové použití. Ale v prostředí, kde se k snídani jí kov, se keramika stává jedinou možností. Hovoříme o vysokých teplotách, hluboké korozi a intenzivním tření. V těchto oblastech silné chemické vazby, které činí keramiku tvrdou, ji také činí křehkou. Těžké věci se lámou.
Problémem není nedostatek síly. Problém je, že nám chybí viskozita. Začnou se objevovat praskliny a pak se rychle šíří. Rychle. dokud není materiál zcela zničen.
Ale inženýři se brání. Vědci našli způsob, jak zastavit praskliny na místě změnou mikrostruktury. Snaží se proměnit křehkou keramiku na materiál, který se chová spíše jako ocel. Není to magie. To je mikroinženýrství.
Takhle to dělají.
Proč je keramika důležitá (pokud selže kov)
Nejprve je třeba vysvětlit nedorozumění. Pokročilá konstrukční keramika se při stavbě mostů nepoužívá. Jejich vysoká cena a proměnlivé mechanické vlastnosti znesnadňují bezpečné výpočty. Jedná se o drahé alternativy kovů a polymerů.
Ale zvažte vnitřek motoru auta. Nebo lopatky turbíny proudového motoru. Nebo kyčelní implantát u pacienta.
V těchto případech potřebujete materiály, které vydrží:
Extrémní teplo, aby se neroztavily nebo nezkroutily.
* Chemická nebo biologická koroze.
* Eroze způsobená částicemi opotřebení nebo konstantním třením.
Kov se roztaví. Polymer hoří. Kompozity se delaminují. Keramika? Jednoduše zůstává chemicky inertní a termochemicky stabilní.
Vezměme si jako příklad zařízení na zpracování nerostů. Broušení kamenů na prach. Běžná ocel se opotřebuje během několika měsíců. Vysoce kvalitní keramika je velmi odolná proti opotřebení a lze ji používat po mnoho let. Nebo zvážit náhražky kostí. Lidské tělo je agresivní, korozivní prostředí. Kovy korodují a uvolňují toxické ionty. Některé keramiky jsou biokompatibilní a chemicky inertní. Nereagují. Jen nesou náklad.
“Keramika má silné chemické vazby, takže vydrží velmi drsné podmínky.”
Tato odolnost pramení z atomové úrovně. Vazby jsou tak pevné a těžko se deformují. Ale stejný odpor znamená, že se nepodvolí. Nenatahují se. Rozbijí se.
Aby byly vhodné pro každodenní konstrukční aplikace, je třeba vyřešit problém křehkosti. Zastavte praskliny.
Křehká vada
Hlavní překážkou širokého použití těchto materiálů je jejich vlastní náchylnost k defektům. Keramika není homogenní. Je tam malá závada. Mikroskopické dutiny. Mikrotrhlina.
Kovy se deformují, když na ně působí tlak. Protahují se. Pohlcují energii. V keramice se napětí koncentruje na koncích malých defektů. Šíření trhlin. Najednou selže celá konstrukce.
To není malý problém. To je zásadní omezení materiálu. Pro dosažení vysokého výkonu pokročilé konstrukční keramiky je nutné, aby keramika reagovala na namáhání. Je nutné zvýšit energii potřebnou pro šíření trhliny.
Existují tři hlavní způsoby, jak toho dosáhnout.
Kalení keramiky: změny mikrostruktury
Jedním ze způsobů je změna vnitřní struktury keramiky. Místo použití jednotné sítě částic vytvářejí inženýři mikrostruktury pomocí vláknitých nebo vzájemně propojených zrn.
Představte si to jako ocelovou výztuž v betonu. Výztuž je však součástí samotné keramiky.
Když se trhlina pokouší projít tímto materiálem, narazí na překážku. Nemůže chodit rovně. Musí se odchýlit. Mělo by se pohybovat v klikatém vzoru. Tím se zvětší délka dráhy trhliny. Delší dráha trhliny znamená, že k jejímu pohybu je potřeba více energie.
Částice za špičkou trhliny zároveň vyplňují mezeru. Upevněte trhlinu. Fungují jako malé stehy.
Toho je dosaženo použitím keramických kompozitů vyztužených vousy (vousy) a keramických kompozitů vyztužených vlákny. V důsledku toho se plocha zlomeniny výrazně zvětšuje. Materiál pohltí více energie, než se zlomí. Už to není jedna čistá přestávka. Jedná se o složitý a energeticky náročný proces.
Mikrotrhliny: pusťte se a jděte dál
Druhý mechanismus je kontraintuitivní. To znamená záměrné vytváření malých prasklin. Místo toho je nechte kontrolovaně formovat.
K tomu dochází u jednofázové polykrystalické keramiky s anizotropií zrn. Jejich vlastnosti se liší v závislosti na směru. Je vhodný i pro cílené dvoufázové polykrystalické mikrostruktury.
Co se stane, je toto: Jak se blíží hlavní trhlina, otevírají se menší mikrotrhliny na obou jejích stranách. K tomu dochází na špičce trhliny.
To slouží dvěma účelům.
Nejprve je vynaložena energie na otevření těchto sekundárních trhlin. To ponechává méně energie pro šíření hlavní trhliny. Je to jako zaplatit mýtné a jít dál.
Za druhé, a to je důležité, mikrotrhliny následující po hlavní trhlině zvětšují objem. Toto rozšíření má za cíl uzavřít hlavní trhlinu. Čím dále se trhlina šíří, tím větší je odpor proti jejímu šíření. S rostoucím tlakem se materiál v podstatě sám zacelí, nebo alespoň odolává dalšímu poškození.
Jedná se o pasivní ochranný systém. Je zabudován do DNA materiálu.
Phase Change Enhancer: Keramická ocel
Toto je nejslibnější přístup. A mění pravidla hry.
Toto se nazývá zpevnění se změnou fáze. Přeměňuje keramiku na něco podobného oceli.
Prototypovým materiálem je oxid zirkoničitý (oxid zirkoničitý, ZrO2).
Čistý zirkonium prochází dramatickými změnami při ochlazení pod 1150 °C (2100 °F). Krystalický tvar se mění z tetragonálního na monoklinický. Nejedná se o jemnou změnu. Objem se zvýšil o 3 %.
Tato expanze často způsobuje praskání nebo drcení materiálu. Inženýři ale našli způsob, jak toho využít ve svůj prospěch.
Distribuují velmi jemné tetragonální částice v matrici z kubického oxidu zirkoničitého nebo oxidu hlinitého. Částice jsou menší než 1 mikron. Těsný kontakt s matricí udržuje tetragonální strukturu stabilní při pokojové teplotě. Existuje tlak, ale struktura zůstává stabilní.
Pak se blíží trhlina.
Intenzivní pole před trhlinou spouští fázový přechod. Tetragonální zrna se stávají jednoklonnými. Zvyšují objem.
Tato expanze vytváří uzavírací sílu pro postupující trhlinu. Je to jako když zezadu zmáčknete tubu zubní pasty. Tlak vyvíjí tlak na trhlinu a způsobuje její uzavření.
Za trhlinou se vytvoří procesní zóna, kde všechny částice procházejí fázovým přechodem. Zvýšení celkového objemu vytváří větší odpor. Čím delší trhlina, tím větší odpor.
Tato keramika se často nazývá „keramická ocel“. Proč? Protože deformační odezva na napětí je podobná odezvě oceli. Netrhají se na kusy. Jsou mírně zdeformované. Splývají (plasticky se deformují).
Hlavní fázový přechod je martenzitický. Jedná se o stejný mechanismus, který produkuje martenzit v rychle chlazené oceli. Převzali jsme nejlepší techniky z kovů a aplikovali je na keramiku.
Cesta do budoucnosti
Nestudujeme pouze tyto materiály. Navrhujeme je.
Tvrzená keramika nabízí široké možnosti. Generátory, které pracují efektivněji při vyšších teplotách, a letecká vozidla, která vydrží atmosférické teploty návratu bez tání. Od průmyslových brusek, které není třeba nikdy vyměňovat, až po lékařské implantáty, které vydrží po celý život.
Překážky zůstávají. Variabilita vlastností. Složitost výroby. Cena.
Ale věda je spolehlivá. Metody kalení fungují. Materiály jsou připraveny.
Musíme jen zvýšit jejich výrobu. Vždy se mají stát každodenní realitou.
Matematika zkázy
Lomová houževnatost vyztužené keramiky je výrazně nižší než u kovů, ale výrazně vyšší než u běžné skelné keramiky. Abyste pochopili, proč je to důležité, musíte se podívat na čísla. Koeficient lomové houževnatosti, označovaný KIc, měří intenzitu napětí, při kterém se začínají tvořit trhliny. Jednotkou měření jsou megapascaly násobené metry. Toto je přesné měřítko křehkosti.
Sklo je na spodním konci stupnice a má hodnotu KIc 1. Je velmi křehké. Pokud ji rozbijete, rozpadne se na kousky. Kovy jsou vysoké. Slitiny hliníku jsou v rozmezí 30–45. Oceli dosahují hodnot 40–65. To je velká mezera.
Tradiční keramika? Pohybuje se v rozmezí 3–4. Téměř stejné jako sklo. Pokud upustíte keramickou desku, může se rozbít. Částicemi vyztužené kompozity se mírně zvyšují na 4–6. Stále křehké. Ale přidání vousů a vláken posouvá čísla. Kompozity vyztužené úponky mají hodnoty od 8 do 10. Kompozity vyztužené vlákny mohou mít hodnoty 10–25.
Dále přichází fázovou transformací zpevněný oxid zirkoničitý (TTZ). Tyto materiály jsou v rozmezí 6–15. Tato oblast je důležitá. Umožňuje kuličkovým ložiskům TTZ opakovaně se odrážet od betonové podlahy. Bez viditelného poškození. Může se zdát, že taková úprava způsobí praskání keramiky. Ale to se neděje. Mikrostruktura tlumí nárazy.
Cena udržitelnosti
Když jsou tyto materiály tak odolné, proč nejsou všude? Výrobní náklady jsou vysoké.
Keramika nemůže nahradit kovy, pokud neexistuje jasný ekonomický přínos. Musí šetřit peníze jiným způsobem. Mohou být možné vyšší provozní teploty. Snad vydrží déle. Pokud keramický kus stojí dvakrát tolik, ale vydrží třikrát tak dlouho, kupující si toho mohou všimnout. Co kdyby to stálo dvakrát tolik a lámalo se stejně často? Nikdo by to nekoupil.
Existují také tepelné nevýhody. Tyto vlastnosti vytvrzování obvykle zmizí, když se předmět zahřeje. S rostoucí teplotou klesá hnací síla pro fázové přeměny. Nakonec zmizí. Materiál ztrácí svou pevnost. Vrací se do svého křehkého stavu.
Whiskery a vlákna v kompozitech s keramickou matricí čelí dalšímu problému: oxidaci. Při vysokých teplotách degradují. Z tohoto důvodu přestávají být účinnými posilujícími prostředky. Matrix se vrací ke křehkému chování. Inženýři se stále snaží vyvinout mikrostruktury, které zůstanou pevné i při zahřátí. To je v keramickém inženýrství stále velký problém.
Kde se nacházejí?
Pokročilá strukturální keramika se již používá. Tyto aplikace jsou popsány v souvisejících článcích o jaderné keramice, biokeramice, tribologické keramice a automobilové keramice. Nejsou to jen teoretické koncepty. Nacházejí se v motorech, implantátech, průmyslových strojích atd.
Zlepšují také tradiční aplikace. Žáruvzdorné materiály a brusiva vykazují zlepšený výkon a odolnost proti oděru. Základní vlastnosti zůstávají nezměněny, ale struktura se stala odolnější. Odolnější. Je odolnější vůči teplu a opotřebení.
Propast mezi keramikou a kovy se v určitých oblastech uzavírá. Nezmenšuje se celoplošně. Nákladová bariéra je skutečná. Tepelná omezení jsou skutečná. V aplikacích, kde je hmotnost, tepelná odolnost a odolnost proti korozi důležitější než počáteční pořizovací cena, však přebírá keramika. Další překážkou je, zda vydrží vysoké teploty bez ztráty pevnosti.
