Pažangioji keramika, dar vadinama specialiąja keramika, reiškia keramines medžiagas, paruoštas tradicinės keramikos pagrindu naudojant pažangias chemines ir fizines technologijas, pasižyminčias puikiomis savybėmis mechanikoje, šiluminiuose, optiniuose, akustiniuose ir elektriniuose laukuose. Palyginti su metalais ir polimerinėmis medžiagomis, pažangios keraminės medžiagos pasižymi neprilygstamomis struktūrinėmis savybėmis, tokiomis kaip didelis kietumas, didelis modulis, didelis atsparumas temperatūrai ir atsparumas korozijai, taip pat puikios funkcinės savybės, pvz., elektros izoliacija, šviesos pralaidumas ir bangų skaidrumas. Todėl jie vis plačiau naudojami aviacijos, informacinių technologijų, krašto apsaugos ir karo pramonėje, biomedicinoje, naujose energetikos srityse.
Pažangios keramikos paruošimo procesas daugiausia apima miltelių paruošimą, žalio kūno formavimą ir sukepinimą. Tarp jų formavimas ir sukepinimas yra tiesioginiai veiksniai, lemiantys keramikos gaminių savybes. Formavimas reiškia miltelių pavertimą žaliu korpusu, kurio matmenys ir forma bei tam tikras mechaninis stiprumas. Sukepinimas reiškia procesą, kurio metu žalias kūnas aukštoje temperatūroje, žemesnėje už lydymosi temperatūrą, pašalina poras, sutankina ir suformuoja tam tikro stiprumo sukepintą kūną.
01 Miltelių paruošimas
Pažangių keraminių miltelių paruošimo būdus daugiausia galima suskirstyti į tris kategorijas: kietosios-fazės metodus, skystosios-fazės metodus ir dujinės-fazės metodus.
Kietosios{0}}fazės metodas naudoja kietas medžiagas kaip pradines žaliavas itin smulkiems keramikos milteliams gaminti. Pavyzdžiai: aukštos-temperatūros kietojo kūno-reakcija, karboterminė redukcija, kietųjų-dujų reakcija, druskos terminis skilimas ir savaime-plinta aukštoje{6}}temperatūros degimo sintezė. Jis pasižymi tuo, kad tinka masinei gamybai ir yra palyginti maža kaina, tačiau kartais yra priemaišų.
Skystos{0} fazės metodui būdingas lengvas cheminės sudėties valdymas, tolygus maišymas jonine arba molekuline skale ir galimybe paruošti nano- ir submikrono- dydžio keramikos miltelius, pasižyminčius dideliu grynumu ir geru sukepinimo aktyvumu. Jis ypač tinka sintetinti vieno-oksido arba sudėtinio-oksido miltelius, skirtus struktūrinei keramikai ir funkcinei keramikai, todėl yra plačiai naudojamas. Įprasti skystosios fazės metodai yra cheminis nusodinimas, hidroterminiai metodai ir sol-gelio metodai.
Taikant dujų{0}}fazės metodą, vykstant reaguojančių dujų cheminėms reakcijoms vietinėje aukštos temperatūros aplinkoje sintetinami pageidaujami keramikos milteliai. Tai apima cheminį nusodinimą garais, plazmos dujų{3}fazinę sintezę ir kt. Dujinės fazės metodais susintetinti milteliai turi didelį specifinį paviršiaus plotą ir lengvai adsorbuoja drėgmę arba aglomeratą, todėl jie netinkami didelio tankio struktūrinei keramikai ir elektroninei keramikai sukepinti. Be to, žaliavos ir reakcijos sintezės įranga, naudojama dujų fazės{8}}fazės metoduose, yra brangi ir jų gamybos pajėgumai labai maži, todėl miltelių paruošimo sąnaudos yra didelės.
02 Formavimo procesai
Pagal tėkmės ir reologines kūno savybes formavimo būdus galima suskirstyti į tris kategorijas: sauso korpuso preso formavimą, plastikinį korpuso formavimą ir srutų formavimą.
Presavimas, dar vadinamas presavimu, apima nedidelį kiekį rišiklio į miltelius (drėgmės kiekis reguliuojamas 4–7 % arba net 1–4%) granuliavimui, tada granuliuoti milteliai dedami į formą ir presuojami po presu, kad susidarytų tam tikros formos žalias korpusas. Presavimo formavimas skirstomas į sausą presavimą ir izostatinį presavimą.
Plastikiniam formavimui naudojamas plastikinis korpusas kaip pradinė medžiaga ir naudojamas slėgis, atsirandantis dėl pelėsių judėjimo, kad korpusas būtų plastiškai deformuojamas į žalią korpusą. Plastikinės medžiagos daugiausia susideda iš keramikos miltelių, rišiklio, plastifikatoriaus ir tirpiklio, o jų žaliavos paruošimo procesas yra sudėtingas. Plastikiniame korpuse yra gana daug formuojančios medžiagos, bet paprastai ne daugiau kaip 30%. Plastikiniai formavimo būdai apima ekstruziją, juostos kalandravimą, liejimą įpurškimu ir kt.
Srutų formavimui kaip žaliava naudojama taki keraminė suspensija. Be miltelių dalelių, suspensijoje taip pat yra vandens ir dispergento. Srutų formavimas daugiausia apima slydimo liejimą, gelio liejimą, juostos liejimą ir kt.
Tiek plastiko formavimas, tiek srutų formavimas priklauso šlapiojo formavimo procesams. Palyginti su sausuoju formavimu, šlapiais procesais galima lengviau kontroliuoti miltelių aglomeraciją ir sumažinti priemaišų kiekį, taip gaminant sudėtingų formų keramikos gaminius.
Kadangi pažangios keramikos taikymo sritis ir toliau plečiasi, viena po kitos atsirado naujos technologijos, tokios kaip išcentrinis nusodinimas, elektroforetinis nusodinimas, tiesioginis koaguliacijos liejimas ir kietos laisvos formos gamyba.
03 Sukepinimo procesai
Norint gauti tankią mikrostruktūrą, keraminius žalumynus reikia sukepinti. Iš esmės sukepinimas yra skirtingų miltelių komponentų tarpusavio difuzijos procesas. Stiprindamas dalelių ryšį, jis suteikia keraminėms medžiagoms vienodą mikrostruktūrą, stabilią formą ir santykinai didelį mechaninį stiprumą. Įprasti sukepinimo procesai apima beslėgį sukepinimą, karšto izostatinio presavimo sukepinimą, kibirkštinio plazmos sukepinimą ir kt.
Beslėgis sukepinimas – tai medžiagų sukepinimas esant atmosferos slėgiui be slėgio. Šis metodas paprastai atliekamas naudojant deguonį arba specialią dujų atmosferą. Beslėgio sukepinimo metu susidaręs žalias korpusas nėra veikiamas išorinio spaudimo; miltelių dalelių sankaupa tiesiog pašildoma esant atmosferos slėgiui ir paverčiama surištu grūdėtu korpusu.
Dujų sukepinimas slėgiu reiškia tam tikro dujų slėgio taikymą aukštoje -temperatūroje keramiką sukepinant 1–10 MPa (ty 10–100 atm) diapazone, siekiant slopinti keraminių medžiagų skilimą ir svorio mažėjimą esant aukštai temperatūrai. Tai gali padidinti sukepinimo temperatūrą, dar labiau paskatinti tankinimą ir gauti didelio{8}}tankio keramikos gaminius.
Karšto{0}}presavimo sukepinimas yra tankinimo procesas, kuriame derinamas mechaninis slėgis ir aukšta temperatūra. Vienu metu taikant ašinį slėgį ir kaitinant formoje, jis žymiai padidina sukepinimo varomąją jėgą. Šis procesas turi tris pagrindinius pranašumus: greitas tankinimas, sukepinimo ciklo sutrumpinimas ir medžiagų mechaninių savybių gerinimas. Jis ypač tinka aukštos kokybės-keramikai ruošti.
Karštas izostatinis presavimas sukepinant naudoja inertines dujas kaip terpę ir pasiekia keramikos tankinimą esant aukštai temperatūrai ir nuolatiniam aukštam slėgiui. Kai kurioms keraminėms medžiagoms, turinčioms mažą savaiminio-difuzijos koeficientą, kurias sunku sutankinti įprastu sukepimu, galima naudoti karšto izostatinio presavimo sukepinimą, siekiant padidinti difuzijos varomąją jėgą. Karšto izostatinio presavimo sukepinimas atitinka aukšto -slėgio ir aukštos- temperatūros sąlygas, reikalingas skaidriai keramikai sukepinti, ir turi unikalių pranašumų sukepinant skaidrius keraminius žalius korpusus.
Kibirkštinis plazminis sukepinimas (SPS) naudoja tiesioginį Džaulio kaitinimą, generuojamą impulsine nuolatine srove, padedama mechaninio slėgio. Dėl sukepinimo savybių jis gali būti naudojamas greitai paruošti itin-aukštos-temperatūrinės keramikos gaminius. Itin aukštos temperatūros keramikai, pvz., Ta2AlC, TaC ir ZrB2-SiC, naudojant SPS procesą galima pasiekti trumpą sukepinimo laiką, akivaizdų smulkiagrūdį stiprinimo efektą, žymiai pagerinti mechanines savybes ir didesnį atsparumą oksidacijai.
Šalto sukepinimo procesas, esant aukštam slėgiui, į miltelius įpila trumpalaikio tirpiklio, skatinančio dalelių persitvarkymą ir difuziją, taip skatinant keraminių miltelių tankinimą santykinai žemoje temperatūroje ir per palyginti trumpą laiką. Šis procesas suteikia galimybę sukepinti žemoje-temperatūroje, kad būtų galima paruošti aukštos kokybės struktūrinę ir funkcinę keramiką. Šiuo metu šis procesas sėkmingai taikomas ruošiant ir sukepinant įvairias medžiagas, įskaitant tipinę oksidinę keramiką, keramikos/keramikos kompozitus, mikrobangų dielektrinę keramiką, feroelektrinę ir pjezoelektrinę keramiką, kietuosius elektrolitus, termoelektrines medžiagas ir keramikos/2D nanomedžiagų kompozitus.
Virpesinio slėgio sukepinimo technologija pagrįsta sukepimu karštuoju{0}}presu ir nuolatinį slėgį pakeičia dinaminiu slėgiu. Dėl dalelių persirikiavimo, kurį sukelia nuolatinis svyravimo slėgis, jis padidina miltelių pakavimo tankį prieš sukepinimą. Tuo pačiu metu svyravimo slėgis suteikia didesnę sukepinimo varomąją jėgą miltelių sukepinimo procesui, padeda skatinti grūdelių sukimąsi ir slydimą bei plastiko srautą sukepintame korpuse, taip pagreitindamas žalio korpuso tankėjimą. Šis procesas buvo naudojamas ruošiant įvairią konstrukcinę keramiką, sėkmingai buvo sukurtos didelio našumo keramikos medžiagos, tokios kaip ZrO2, Al2O3 ir Si3N4.