Keramik

Jenis-jenis bahan keramik

Untuk memudahkan produk keramik biasanya dibagi menjadi empat sektor, dan ini ditunjukkan di bawah ini dengan beberapa contoh:

• Struktural, termasuk batu bata, pipa, lantai dan genteng
• Refraktori, seperti lapisan kiln, radiasi api gas, krusibel pembuatan baja dan kaca
• Peralatan putih, termasuk peralatan makan, ubin dinding, benda-benda seni dekoratif, dan perlengkapan saniter
• Keramik teknis juga dikenal sebagai keramik teknik, canggih, khusus, dan di Jepang, keramik halus. Barang-barang tersebut termasuk ubin yang digunakan dalam program Space Shuttle, nozel pembakar gas, rompi anti peluru, pelet bahan bakar nuklir uranium oksida, implan bio-medis, bilah turbin mesin jet, dan kerucut hidung rudal. Sering kali bahan mentah tidak termasuk lempung.

Contoh keramik

• Porselen
• Porselen 'Hard-paste', dibakar pada suhu yang lebih tinggi.
• Porselen 'Soft-paste', ditembakkan pada suhu yang lebih rendah: Porselen tulang
• Gerabah, yang sering dibuat dari tanah liat, kuarsa dan feldspar
• Periuk

Klasifikasi keramik teknis

Keramik teknis juga dapat diklasifikasikan ke dalam tiga kategori bahan yang berbeda:

• Oksida: alumina, zirkonia
• Non-oksida: karbida, borida, nitrida, silikida
• Komposit: diperkuat partikulat, kombinasi oksida dan non-oksida

Masing-masing kelas ini dapat mengembangkan sifat material yang unik.

Simulasi bagian luar pesawat ulang-alik saat memanas hingga lebih dari 1.500 °C selama masuk kembali ke atmosfer Bumi

Sifat-sifat keramik

Sifat mekanis

Bahan keramik biasanya merupakan bahan ikatan ionik atau kovalen, dan bisa berbentuk kristal atau amorf. Bahan yang disatukan oleh salah satu jenis ikatan akan cenderung patah (pecah) sebelum terjadi deformasi plastis, yang menghasilkan ketangguhan yang buruk pada bahan-bahan ini. Selain itu, karena bahan-bahan ini cenderung memiliki banyak pori-pori, pori-pori dan ketidaksempurnaan mikroskopis lainnya bertindak sebagai konsentrator tegangan, mengurangi ketangguhan lebih lanjut, dan mengurangi kekuatan tarik. Semua ini dikombinasikan untuk memberikan kegagalan katastropik, berlawanan dengan mode kegagalan logam yang biasanya jauh lebih lembut.

Bahan-bahan ini memang menunjukkan deformasi plastis. Namun demikian, karena struktur kaku dari bahan kristal, hanya ada sedikit sistem slip yang tersedia bagi dislokasi untuk bergerak, sehingga deformasi bahan ini sangat lambat. Pada bahan non-kristalin (glassy), aliran viskos adalah sumber utama deformasi plastis, dan juga sangat lambat. Karena itu, diabaikan dalam banyak aplikasi bahan keramik.

Sifat listrik

Semikonduktor

Ada sejumlah keramik yang merupakan semikonduktor. Sebagian besar di antaranya adalah oksida logam transisi yang merupakan semikonduktor II-VI, seperti seng oksida.

Meskipun ada pembicaraan tentang membuat LED biru dari seng oksida, keramikis paling tertarik pada sifat listrik yang menunjukkan efek batas butir. Salah satu yang paling banyak digunakan adalah varistor.

Keramik semikonduktor juga digunakan sebagai sensor gas. Ketika berbagai gas dilewatkan di atas keramik polikristalin, hambatan listriknya berubah. Dengan penyetelan terhadap campuran gas yang mungkin, perangkat yang sangat murah dapat diproduksi.

Superkonduktivitas

Dalam beberapa kondisi, seperti suhu yang sangat rendah, beberapa keramik menunjukkan superkonduktivitas. Alasan pasti untuk hal ini tidak diketahui, tetapi ada dua keluarga besar keramik superkonduktor .

Ferroelektrik dan kerabatnya

Piezoelektrik, hubungan antara respons listrik dan mekanis, ditunjukkan oleh sejumlah besar bahan keramik, termasuk kuarsa yang digunakan untuk mengukur waktu dalam jam tangan dan elektronik lainnya. Perangkat tersebut mengubah listrik menjadi gerakan mekanis dan kembali, membuat osilator yang stabil.

Efek piezoelektrik umumnya lebih kuat pada bahan yang juga menunjukkan piroelektrik, dan semua bahan piroelektrik juga piezoelektrik. Bahan-bahan ini dapat digunakan untuk mengkonversi antara energi termal, mekanik, dan / atau listrik; misalnya, setelah sintesis dalam tungku, kristal piroelektrik yang dibiarkan dingin tanpa tekanan yang diterapkan umumnya membangun muatan statis ribuan volt. Bahan-bahan tersebut digunakan dalam sensor gerak, di mana kenaikan kecil suhu dari tubuh hangat yang memasuki ruangan sudah cukup untuk menghasilkan tegangan yang dapat diukur dalam kristal.

Pada gilirannya, piroelektrik terlihat paling kuat pada bahan yang juga menampilkan efek feroelektrik, di mana dipol listrik yang stabil dapat diorientasikan atau dibalik dengan menerapkan medan elektrostatik. Piroelektrik juga merupakan konsekuensi penting dari feroelektrik. Ini dapat digunakan untuk menyimpan informasi dalam kapasitor feroelektrik, elemen RAM feroelektrik.

Bahan yang paling umum adalah lead zirconate titanate dan barium titanate. Di samping penggunaan yang disebutkan di atas, respons piezoelektriknya yang kuat dieksploitasi dalam desain pengeras suara frekuensi tinggi, transduser untuk sonar, dan aktuator untuk gaya atom dan pemindaian mikroskop tunneling.

Koefisien termal positif

Peningkatan suhu dapat menyebabkan batas butir tiba-tiba menjadi isolasi pada beberapa bahan keramik semikonduktor, sebagian besar campuran titanat logam berat. Suhu transisi kritis dapat disesuaikan pada rentang yang luas dengan variasi kimia. Dalam bahan tersebut, arus akan melewati bahan sampai pemanasan joule membawanya ke suhu transisi, di mana titik sirkuit akan rusak dan aliran arus akan berhenti. Keramik semacam itu digunakan sebagai elemen pemanas yang dikontrol sendiri, misalnya, sirkuit defrost jendela belakang mobil.

Pada suhu transisi, respons dielektrik material menjadi tak terbatas secara teoritis. Sementara kurangnya kontrol suhu akan mengesampingkan penggunaan praktis bahan di dekat suhu kritisnya, efek dielektrik tetap sangat kuat bahkan pada suhu yang jauh lebih tinggi. Titanate dengan suhu kritis jauh di bawah suhu kamar telah menjadi identik dengan "keramik" dalam konteks kapasitor keramik hanya karena alasan ini.

Klasifikasi keramik

Keramik non-kristal: Keramik non-kristal, sebagai gelas, cenderung dibentuk dari lelehan. Gelas dibentuk ketika sepenuhnya cair, dengan pengecoran, atau ketika dalam keadaan viskositas seperti toffee, dengan metode seperti meniup ke cetakan. Jika perlakuan panas kemudian menyebabkan kelas ini menjadi sebagian kristal, bahan yang dihasilkan dikenal sebagai keramik-kaca.

Keramik kristal: Bahan keramik kristal tidak dapat menerima berbagai macam pemrosesan. Metode untuk menangani mereka cenderung jatuh ke dalam salah satu dari dua kategori - baik membuat keramik dalam bentuk yang diinginkan, dengan reaksi in situ, atau dengan "membentuk" bubuk ke dalam bentuk yang diinginkan, dan kemudian disinter untuk membentuk benda padat. Teknik pembentukan keramik termasuk membentuk dengan tangan (kadang-kadang termasuk proses rotasi yang disebut "melempar"), pengecoran selip, pengecoran pita (digunakan untuk membuat kapasitor keramik yang sangat tipis, dll.), Cetakan injeksi, pengepresan kering, dan variasi lainnya. (Lihat juga teknik pembentukan keramik. Rincian proses ini dijelaskan dalam dua buku yang tercantum di bawah ini). Beberapa metode menggunakan hibrida antara dua pendekatan.

Manufaktur in situ

Penggunaan yang paling umum dari metode ini adalah dalam produksi semen dan beton. Di sini, serbuk dehidrasi dicampur dengan air. Hal ini memulai reaksi hidrasi, yang menghasilkan kristal-kristal panjang yang saling mengunci yang terbentuk di sekitar agregat. Seiring waktu, ini menghasilkan keramik padat.

Masalah terbesar dengan metode ini adalah bahwa sebagian besar reaksi sangat cepat sehingga pencampuran yang baik tidak mungkin dilakukan, yang cenderung mencegah konstruksi skala besar. Namun demikian, sistem skala kecil dapat dibuat dengan teknik deposisi, di mana berbagai bahan dimasukkan di atas substrat, dan bereaksi dan membentuk keramik pada substrat. Ini meminjam teknik dari industri semikonduktor, seperti deposisi uap kimia, dan sangat berguna untuk pelapis.

Ini cenderung menghasilkan keramik yang sangat padat, tetapi melakukannya secara perlahan.

Metode berbasis sintering

Prinsip-prinsip metode berbasis sintering itu sederhana. Setelah benda yang disatukan secara kasar (disebut "green body") dibuat, benda itu dipanggang dalam tanur, di mana proses difusi menyebabkan green body menyusut. Pori-pori dalam objek menutup, menghasilkan produk yang lebih padat dan kuat. Pembakaran dilakukan pada suhu di bawah titik leleh keramik. Hampir selalu ada beberapa porositas yang tersisa, tetapi keuntungan nyata dari metode ini adalah bahwa green body dapat diproduksi dengan cara apa pun yang dapat dibayangkan, dan masih disinter. Ini menjadikannya rute yang sangat serbaguna.

Ada ribuan kemungkinan penyempurnaan dari proses ini. Beberapa yang paling umum melibatkan pengepresan green body untuk memberikan densifikasi awal dan mengurangi waktu sintering yang dibutuhkan. Kadang-kadang pengikat organik seperti polivinil alkohol ditambahkan untuk menyatukan green body; pengikat ini akan terbakar selama penembakan (pada suhu 200-350 °C). Kadang-kadang pelumas organik ditambahkan selama pengepresan untuk meningkatkan densifikasi. Tidak jarang untuk menggabungkan ini, dan menambahkan pengikat dan pelumas ke dalam bubuk, kemudian ditekan. (Formulasi aditif kimia organik ini merupakan seni tersendiri. Hal ini sangat penting dalam pembuatan keramik berkinerja tinggi seperti yang digunakan oleh milyaran untuk elektronik, dalam kapasitor, induktor, sensor, dll. Formulasi khusus yang paling umum digunakan dalam elektronik dirinci dalam buku "Tape Casting," oleh R.E. Mistler, dkk., Amer. Ceramic Soc [Westerville, Ohio], 2000). Sebuah buku komprehensif tentang masalah ini, untuk aplikasi mekanik maupun elektronik, adalah "Aditif Organik dan Pemrosesan Keramik," oleh DJ Shanefield, Penerbit Kluwer [Boston], 1996.

Bubur dapat digunakan sebagai pengganti bubuk, dan kemudian dicetak menjadi bentuk yang diinginkan, dikeringkan dan kemudian disinter. Memang, tembikar tradisional dikerjakan dengan metode jenis ini, menggunakan campuran plastik yang dikerjakan dengan tangan.

Jika campuran bahan yang berbeda digunakan bersama dalam keramik, suhu sintering kadang-kadang di atas titik leleh satu komponen kecil - sintering fase cair. Ini menghasilkan waktu sintering yang lebih pendek dibandingkan dengan sintering solid state.

Aplikasi keramik lainnya

• Beberapa pisau terbuat dari keramik. Pisau keramik akan tetap tajam lebih lama dari baja, meskipun lebih rapuh dan bisa patah dengan menjatuhkannya ke permukaan yang keras.

• Keramik seperti alumina dan boron karbida telah digunakan dalam pelindung tubuh untuk menangkis peluru. Bahan serupa digunakan untuk melindungi kokpit beberapa pesawat terbang militer, karena berat bahan yang rendah.

• Bola keramik dapat digunakan untuk menggantikan baja pada bantalan bola. Kekerasan mereka yang lebih tinggi membuat mereka bertahan tiga kali lebih lama. Mereka juga kurang berubah bentuk di bawah beban yang berarti mereka memiliki lebih sedikit kontak dengan dinding penahan bantalan dan dapat berguling lebih cepat. Dalam aplikasi kecepatan sangat tinggi, panas dari gesekan selama penggulungan dapat menyebabkan masalah untuk bantalan logam; masalah yang dikurangi dengan penggunaan keramik. Keramik juga lebih tahan bahan kimia dan dapat digunakan di lingkungan basah di mana bantalan baja akan berkarat. Kelemahan utama penggunaan keramik adalah biaya tinggi.

• Pada awal tahun 1980-an, Toyota meneliti mesin keramik adiabatik yang dapat berjalan pada suhu lebih dari 6000 ° F (3300 ° C). Mesin keramik tidak memerlukan sistem pendinginan dan karenanya memungkinkan pengurangan berat yang besar dan karenanya efisiensi bahan bakar yang lebih besar. Efisiensi bahan bakar dari mesin yang lebih panas juga lebih tinggi berdasarkan teorema Carnot. Dalam mesin logam, banyak energi yang dilepaskan dari bahan bakar harus dihamburkan sebagai limbah panas sehingga tidak akan melelehkan bagian logam. Terlepas dari semua sifat-sifat yang diinginkan ini, mesin seperti itu tidak diproduksi karena pembuatan komponen keramik dalam presisi dan daya tahan yang diperlukan sulit. Ketidaksempurnaan dalam keramik menyebabkan keretakan, yang dapat merusak mesin, mungkin dengan ledakan. Produksi massal tidak layak dengan teknologi saat ini.

• Bagian keramik untuk mesin turbin gas mungkin praktis. Saat ini, bahkan bilah yang terbuat dari paduan logam canggih yang digunakan di bagian panas mesin memerlukan pendinginan dan pembatasan suhu operasi yang cermat. Mesin turbin yang dibuat dengan keramik dapat beroperasi lebih efisien, memberikan pesawat jangkauan dan muatan yang lebih besar untuk sejumlah bahan bakar.

• Bio-keramik termasuk implan gigi dan tulang sintetis. Hidroksiapatit, komponen mineral alami tulang, telah dibuat secara sintetis dari sejumlah sumber biologis dan kimiawi dan dapat dibentuk menjadi bahan keramik. Implan ortopedi yang terbuat dari bahan ini mudah terikat pada tulang dan jaringan lain dalam tubuh tanpa penolakan atau reaksi peradangan. Karena itu, bahan ini sangat menarik untuk pengiriman gen dan perancah rekayasa jaringan. Sebagian besar keramik hidroksiapatit sangat berpori dan tidak memiliki kekuatan mekanis dan digunakan untuk melapisi perangkat ortopedi logam untuk membantu membentuk ikatan ke tulang atau sebagai pengisi tulang. Keramik ini juga digunakan sebagai pengisi sekrup plastik ortopedi untuk membantu mengurangi peradangan dan meningkatkan penyerapan bahan plastik ini. Pekerjaan sedang dilakukan untuk membuat bahan keramik hidroksiapatit nano kristal nano yang kuat dan padat untuk perangkat bantalan berat ortopedi, menggantikan logam asing dan bahan ortopedi plastik dengan mineral tulang sintetis, tetapi terjadi secara alami. Pada akhirnya, bahan keramik ini dapat digunakan sebagai pengganti tulang atau dengan penggabungan kolagen protein, tulang sintetis.

• Keramik berteknologi tinggi digunakan dalam kotak arloji. Bahan ini dinilai karena bobotnya yang ringan, tahan gores, tahan lama dan sentuhannya yang halus. IWC adalah salah satu merek yang memprakarsai penggunaan keramik dalam pembuatan arloji.