Pokročilá keramika, známá také jako speciální keramika, označuje keramické materiály připravené na bázi tradiční keramiky s využitím pokročilých chemických a fyzikálních technologií s vynikajícími vlastnostmi v mechanice, tepelném, optickém, akustickém a elektrickém poli. Pokročilé keramické materiály mají ve srovnání s kovy a polymerními materiály nesrovnatelné strukturální vlastnosti, jako je vysoká tvrdost, vysoký modul, vysoká -teplotní odolnost a odolnost proti korozi, a také vynikající funkční vlastnosti, jako je elektrická izolace, propustnost světla a průhlednost vln. Proto se stále více používají v letectví, informačních technologiích, národní obraně a vojenském průmyslu, biomedicíně a nových energetických oborech.
Proces přípravy pokročilé keramiky zahrnuje především práškovou přípravu, formování surového tělesa a slinování. Mezi nimi jsou tváření a slinování přímými faktory určujícími vlastnosti keramických výrobků. Tvářením se rozumí výroba prášku do surového tělesa se stanovenými rozměry a tvarem a určitou mechanickou pevností. Slinování označuje proces, při kterém surové těleso při vysoké teplotě pod bodem tání odstraňuje póry, zhušťuje a vytváří slinuté těleso s určitou pevností.
01 Příprava prášku
Metody přípravy pokročilých keramických prášků lze shrnout především do tří kategorií: metody v pevné -fázové fázi, metody v kapalné -fázi a metody v -plynové fázi.
Metoda v pevné -fázi využívá pevné látky jako výchozí suroviny pro přípravu ultrajemných keramických prášků. Příklady zahrnují vysokoteplotní-reakci v pevném stavu-, karbotermální redukci, reakci v pevném -plynu, tepelný rozklad solí a samovolně se šířící vysokoteplotní-spalovací syntézu. Vyznačuje se tím, že je vhodný pro hromadnou výrobu a má relativně nízkou cenu, ale někdy jsou přítomny nečistoty.
Metoda v kapalné -fáze se vyznačuje snadnou kontrolou chemického složení, rovnoměrným mícháním v iontovém nebo molekulárním měřítku a schopností připravovat keramické prášky v nano{1}} a submikronovém- měřítku s vysokou čistotou a dobrou slinovací aktivitou. Je zvláště vhodný pro syntézu jedno-oxidových nebo kompozitních-oxidových prášků pro strukturální keramiku a funkční keramiku, a proto je široce používán. Mezi běžné metody v kapalné-fázi patří chemické srážení, hydrotermální metody a metody sol{8}}gelu.
Metoda plynné-fáze syntetizuje požadovaný keramický prášek prostřednictvím chemických reakcí reakčních plynů v prostředí s lokálně vysokou teplotou-. Zahrnuje chemickou depozici z plynné fáze, plazmovou-syntézu plynné fáze a další. Prášky syntetizované metodami v plynné-fázi mají velký specifický povrch a snadno adsorbují vlhkost nebo se shlukují, takže nejsou vhodné pro slinování strukturní keramiky s vysokou{6}}hustotou a elektronických keramických materiálů. Kromě toho jsou suroviny a zařízení pro reakční syntézu používané v metodách plynné-fáze drahé a mají velmi malou výrobní kapacitu, což má za následek vysoké náklady na přípravu prášku.
02 Procesy tváření
Podle tokových a reologických vlastností tělesa lze tvářecí metody rozdělit do tří kategorií: suché tváření těles lisováním, tváření plastového tělesa a tváření suspenzí.
Lisování, také nazývané lisování, zahrnuje přidání malého množství pojiva do prášku (obsah vlhkosti řízený na 4 %–7 %, nebo dokonce jen 1 %–4 %) pro granulaci, poté umístění granulovaného prášku do formy a jeho lisování pod lisem, aby se vytvořilo zelené těleso určitého tvaru. Lisování se dělí na suché lisování a izostatické lisování.
Při tváření plastů se jako výchozí materiál používá plastové tělo a využívá tlak generovaný pohybem formy k plastické deformaci těla do surového těla. Plastové materiály se skládají převážně z keramického prášku, pojiva, změkčovadla a rozpouštědla a jejich příprava surovin je náročná. Plastové těleso obsahuje relativně velké množství tvarovacího činidla, ale obecně ne více než 30 %. Mezi metody tvarování plastů patří vytlačování, páskové kalandrování, vstřikování a další.
Tváření suspenzí využívá jako surovinu tekutou keramickou suspenzi. Kromě částic prášku obsahuje kaše také vodu a dispergační činidlo. Tváření suspenzí zahrnuje především lití skluzu, gelcasting, odlévání pásky a další.
Jak tváření plastů, tak tváření suspenzí patří k procesům tváření za mokra. Ve srovnání se suchým tvarováním mohou mokré procesy snadněji kontrolovat aglomeraci prášku a snižovat obsah nečistot, čímž se vyrábějí keramické výrobky se složitými tvary.
Jak se aplikační oblasti pokročilé keramiky stále rozšiřují, objevují se jedna po druhé nové technologie, jako je odstředivé nanášení, elektroforetické nanášení, přímé koagulační lití a výroba pevných forem.
03 Procesy slinování
Keramická zelená tělesa je třeba sintrovat, aby se získala hustá mikrostruktura. Slinování je v podstatě proces vzájemné difúze mezi různými práškovými složkami. Posilováním vazby mezi částicemi dává keramickým materiálům jednotnou mikrostrukturu, stabilní tvar a relativně vysokou mechanickou pevnost. Mezi běžné slinovací procesy patří beztlakové slinování, slinování izostatickým lisováním za tepla, jiskrové plazmové slinování a další.
Beztlakové slinování je slinování materiálů za atmosférického tlaku bez použití tlaku. Tato metoda se obecně provádí v kyslíkové nebo speciální plynové atmosféře. Během beztlakového slinování není vytvořené surové těleso vystaveno vnějšímu tlaku; agregát práškových částic se jednoduše zahřeje za atmosférického tlaku a přemění se na spojené zrnité těleso.
Plynové tlakové slinování označuje aplikaci určitého tlaku plynu během vysokoteplotního slinování keramiky, v rozsahu 1–10 MPa (tj. 10–100 atm), za účelem potlačení rozkladu a ztráty hmotnosti keramických materiálů při vysokých teplotách. To může zvýšit teplotu slinování, dále podporovat zhuštění a získat keramické produkty s vysokou{8}}hustotou.
Slinování za tepla-je proces zhušťování kombinující mechanický tlak a vysokou teplotu. Současným působením axiálního tlaku a ohřevu ve formě výrazně zvyšuje hnací sílu slinování. Tento proces má tři hlavní výhody: dosažení rychlého zhuštění, zkrácení slinovacího cyklu a výrazné zlepšení mechanických vlastností materiálů. Je zvláště vhodný pro přípravu vysoce-keramiky.
Slinování izostatickým lisováním za tepla využívá jako médium inertní plyn a dosahuje zhuštění keramiky při vysoké teplotě a konstantním vysokém tlaku. U některých keramických materiálů s nízkými součiniteli vlastní difúze-, které je obtížné zhutnit konvenčním slinováním, lze ke zvýšení hnací síly pro difúzi použít slinování izostatickým lisováním za tepla. Slinování izostatickým lisováním za tepla splňuje podmínky vysokého-tlaku a vysoké{4}}teploty požadované pro slinování průhledné keramiky a má jedinečné výhody při slinování průhledných keramických zelených těles.
Jiskrové plazmové slinování (SPS) využívá přímého Jouleova ohřevu generovaného pulzním stejnosměrným proudem za pomoci mechanického tlaku. Díky svým slinovacím vlastnostem jej lze použít k rychlé přípravě ultra-vysoko{2}}teplotní keramiky. U ultra-vysoko{5}}teplotní keramiky, jako je Ta2AlC, TaC a ZrB2-SiC, může proces SPS dosáhnout krátkých časů slinování, zjevného jemnozrnného zpevnění, výrazně zlepšených mechanických vlastností a zvýšené odolnosti proti oxidaci.
Proces slinování za studena pod vysokým tlakem přidává do prášku přechodné rozpouštědlo, aby se podpořilo přeskupení částic a difúze, čímž se podporuje zhuštění keramického prášku při relativně nízké teplotě a v relativně krátké době. Tento proces vytváří možnost nízkoteplotního slinování za účelem přípravy vysoce-výkonné strukturální a funkční keramiky. V současnosti je tento proces úspěšně aplikován na přípravu a spékání různých materiálů, včetně typické oxidové keramiky, keramických/keramických kompozitů, mikrovlnné dielektrické keramiky, feroelektrické a piezoelektrické keramiky, pevných elektrolytů, termoelektrických materiálů a keramických/2D nanomateriálových kompozitů.
Technologie oscilačního tlakového slinování je založena na slinování za tepla-a mění konstantní tlak na dynamický tlak. Prostřednictvím přeskupení částic způsobeného kontinuálním oscilačním tlakem zvyšuje hustotu balení prášku před slinováním. Oscilační tlak zároveň poskytuje větší slinovací hnací sílu pro slinování prášku, pomáhá podporovat rotaci zrn a klouzání a plastický tok uvnitř slinutého tělesa, čímž se urychluje zhušťování surového tělesa. Tento proces byl použit při přípravě různých strukturálních keramik a byly úspěšně vyvinuty vysoce výkonné keramické materiály, jako jsou ZrO2, Al2O3 a Si3N4.