Τα προηγμένα κεραμικά, γνωστά και ως ειδικά κεραμικά, αναφέρονται σε κεραμικά υλικά που παρασκευάζονται με βάση την παραδοσιακή κεραμική χρησιμοποιώντας προηγμένες χημικές και φυσικές τεχνολογίες, με εξαιρετικές ιδιότητες σε μηχανικά, θερμικά, οπτικά, ακουστικά και ηλεκτρικά πεδία. Σε σύγκριση με τα μέταλλα και τα πολυμερή υλικά, τα προηγμένα κεραμικά υλικά διαθέτουν ασύγκριτες δομικές ιδιότητες, όπως υψηλή σκληρότητα, υψηλό συντελεστή, υψηλή-αντοχή σε θερμοκρασία και αντοχή στη διάβρωση, καθώς και εξαιρετικές λειτουργικές ιδιότητες όπως ηλεκτρική μόνωση, μετάδοση φωτός και διαφάνεια κυμάτων. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται όλο και περισσότερο στην αεροδιαστημική, την τεχνολογία πληροφοριών, την εθνική αμυντική και στρατιωτική βιομηχανία, τη βιοϊατρική και τη νέα ενέργεια.
Η διαδικασία παρασκευής προηγμένων κεραμικών περιλαμβάνει κυρίως προετοιμασία σκόνης, σχηματισμό πράσινου σώματος και πυροσυσσωμάτωση. Μεταξύ αυτών, ο σχηματισμός και η πυροσυσσωμάτωση είναι οι άμεσοι παράγοντες που καθορίζουν τις ιδιότητες των κεραμικών προϊόντων. Ο σχηματισμός αναφέρεται στη δημιουργία σκόνης σε πράσινο σώμα με καθορισμένες διαστάσεις και σχήμα και ορισμένη μηχανική αντοχή. Η πυροσυσσωμάτωση αναφέρεται στη διαδικασία κατά την οποία το πράσινο σώμα, σε υψηλή θερμοκρασία κάτω από το σημείο τήξης του, εξαλείφει τους πόρους, πυκνώνει και σχηματίζει ένα πυροσυσσωματωμένο σώμα με ορισμένη αντοχή.
01 Προετοιμασία σε σκόνη
Οι μέθοδοι παρασκευής προηγμένων κεραμικών σκονών μπορούν κυρίως να συνοψιστούν σε τρεις κατηγορίες: μεθόδους στερεάς-φάσης, μεθόδους υγρής-φάσης και μεθόδους αέριας- φάσης.
Η μέθοδος στερεάς-φάσης χρησιμοποιεί στερεές ουσίες ως πρώτες ύλες για την παρασκευή εξαιρετικά λεπτών κεραμικών σκονών. Στα παραδείγματα περιλαμβάνονται η αντίδραση στερεού-υψηλής θερμοκρασίας, η αναγωγή με υδατάνθρακες, η αντίδραση στερεού-αερίου, η θερμική αποσύνθεση αλάτων και η σύνθεση καύσης σε υψηλή-αυτοδιάδοση-θερμοκρασίας. Χαρακτηρίζεται από το ότι είναι κατάλληλο για μαζική παραγωγή και σχετικά χαμηλό κόστος, αλλά μερικές φορές υπάρχουν ακαθαρσίες.
Η μέθοδος υγρής-φάσης χαρακτηρίζεται από τον εύκολο έλεγχο της χημικής σύνθεσης, την ομοιόμορφη ανάμειξη σε ιοντική ή μοριακή κλίμακα και την ικανότητα παρασκευής κεραμικών σκονών νανο- και υπομικρονίου-με υψηλή καθαρότητα και καλή δραστηριότητα πυροσυσσωμάτωσης. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για τη σύνθεση σκονών απλού-οξειδίου ή σύνθετου-οξειδίου για δομικά κεραμικά και λειτουργικά κεραμικά, και ως εκ τούτου χρησιμοποιείται ευρέως. Οι συνήθεις μέθοδοι υγρής-φάσης περιλαμβάνουν τη χημική καθίζηση, τις υδροθερμικές μεθόδους και τις μεθόδους κολλοειδούς-γέλης.
Η μέθοδος αέριας-φάσης συνθέτει την επιθυμητή κεραμική σκόνη μέσω χημικών αντιδράσεων των αντιδρώντων αερίων σε περιβάλλον τοπικά υψηλής- θερμοκρασίας. Περιλαμβάνει χημική εναπόθεση ατμών, σύνθεση αέριου πλάσματος-φάσης και άλλα. Οι σκόνες που συντίθενται με μεθόδους αέριας-φάσης έχουν μεγάλη ειδική επιφάνεια και απορροφούν εύκολα υγρασία ή συσσωματώματα, καθιστώντας τις ακατάλληλες για πυροσυσσωμάτωση δομικών κεραμικών υψηλής-πυκνότητας και ηλεκτρονικών κεραμικών υλικών. Επιπλέον, οι πρώτες ύλες και ο εξοπλισμός σύνθεσης αντίδρασης που χρησιμοποιούνται στις μεθόδους αέριας-φάσης είναι ακριβές και έχουν πολύ μικρή παραγωγική ικανότητα, με αποτέλεσμα υψηλό κόστος παρασκευής σκόνης.
02 Διαδικασίες διαμόρφωσης
Σύμφωνα με τη ροή και τις ρεολογικές ιδιότητες του σώματος, οι μέθοδοι σχηματισμού μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες: σχηματισμός ξηρής πίεσης σώματος, σχηματισμός πλαστικού σώματος και σχηματισμός πολτού.
Η διαμόρφωση με πρέσσα, που ονομάζεται επίσης χύτευση με συμπίεση, περιλαμβάνει την προσθήκη μικρής ποσότητας συνδετικού στη σκόνη (περιεκτικότητα σε υγρασία ελεγχόμενη στο 4%-7%, ή ακόμη και σε 1%-4%) για κοκκοποίηση, στη συνέχεια τοποθέτηση της κοκκοποιημένης σκόνης σε καλούπι και συμπίεση της κάτω από μια πρέσα για να σχηματιστεί ένα πράσινο σώμα συγκεκριμένου σχήματος. Η διαμόρφωση πρέσας χωρίζεται σε ξηρή και ισοστατική συμπίεση.
Η πλαστική διαμόρφωση χρησιμοποιεί ένα πλαστικό σώμα ως υλικό εκκίνησης και χρησιμοποιεί την πίεση που δημιουργείται από την κίνηση του καλουπιού για να παραμορφώσει πλαστικά το σώμα σε πράσινο σώμα. Τα πλαστικά υλικά αποτελούνται κυρίως από κεραμική σκόνη, συνδετικό, πλαστικοποιητή και διαλύτη και η διαδικασία προετοιμασίας της πρώτης ύλης τους είναι απαιτητική. Το πλαστικό σώμα περιέχει σχετικά μεγάλη ποσότητα παράγοντα σχηματισμού, αλλά γενικά όχι περισσότερο από 30%. Οι μέθοδοι διαμόρφωσης πλαστικού περιλαμβάνουν την εξώθηση, την καλαντέρ με ταινία, τη χύτευση με έγχυση και άλλες.
Ο σχηματισμός πολτού χρησιμοποιεί ένα ρέον κεραμικό εναιώρημα ως πρώτη ύλη. Εκτός από τα σωματίδια σκόνης, ο πολτός περιέχει επίσης νερό και διασκορπιστικό. Ο σχηματισμός πολτού περιλαμβάνει κυρίως χύτευση με ολίσθηση, χύτευση με gel, χύτευση ταινίας και άλλα.
Τόσο ο σχηματισμός πλαστικού όσο και ο σχηματισμός πολτού ανήκουν στις διαδικασίες υγρής διαμόρφωσης. Σε σύγκριση με την ξηρή διαμόρφωση, οι υγρές διεργασίες μπορούν πιο εύκολα να ελέγξουν τη συσσωμάτωση της σκόνης και να μειώσουν την περιεκτικότητα σε ακαθαρσίες, παράγοντας έτσι κεραμικά προϊόντα με πολύπλοκα σχήματα.
Καθώς τα πεδία εφαρμογής των προηγμένων κεραμικών συνεχίζουν να επεκτείνονται, νέες τεχνολογίες όπως η φυγοκεντρική εναπόθεση, η ηλεκτροφορητική εναπόθεση, η άμεση χύτευση πήξης και η κατασκευή στερεών ελεύθερης μορφής έχουν εμφανιστεί η μία μετά την άλλη.
03 Διαδικασίες πυροσυσσωμάτωσης
Τα κεραμικά πράσινα σώματα πρέπει να πυροσυσσωματωθούν για να αποκτήσουν μια πυκνή μικροδομή. Ουσιαστικά, η πυροσυσσωμάτωση είναι μια διαδικασία αμοιβαίας διάχυσης μεταξύ διαφορετικών συστατικών σκόνης. Ενισχύοντας τη σύνδεση μεταξύ των σωματιδίων, δίνει στα κεραμικά υλικά ομοιόμορφη μικροδομή, σταθερό σχήμα και σχετικά υψηλή μηχανική αντοχή. Οι κοινές διεργασίες πυροσυσσωμάτωσης περιλαμβάνουν πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση, πυροσυσσωμάτωση με θερμή ισοστατική συμπίεση, πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα και άλλες.
Η πυροσυσσωμάτωση χωρίς πίεση είναι η πυροσυσσωμάτωση υλικών υπό ατμοσφαιρική πίεση χωρίς την άσκηση πίεσης. Αυτή η μέθοδος γενικά πραγματοποιείται υπό οξυγόνο ή ειδική ατμόσφαιρα αερίου. Κατά τη διάρκεια της πυροσυσσωμάτωσης χωρίς πίεση, το σχηματιζόμενο πράσινο σώμα δεν υπόκειται σε εξωτερική πίεση. το συσσωμάτωμα των σωματιδίων σκόνης απλά θερμαίνεται υπό ατμοσφαιρική πίεση και μετατρέπεται σε ένα συνδεδεμένο σώμα κόκκων.
Η πυροσυσσωμάτωση με πίεση αερίου αναφέρεται στην εφαρμογή ορισμένης πίεσης αερίου κατά τη διάρκεια πυροσυσσωμάτωσης κεραμικών σε υψηλές{{0} θερμοκρασίες, στην περιοχή από 1–10 MPa (δηλαδή, 10–100 atm), για την καταστολή της αποσύνθεσης και της απώλειας βάρους των κεραμικών υλικών σε υψηλές θερμοκρασίες. Αυτό μπορεί να αυξήσει τη θερμοκρασία πυροσυσσωμάτωσης, να προωθήσει περαιτέρω την πύκνωση και να παράγει κεραμικά προϊόντα υψηλής πυκνότητας.
Η πυροσυσσωμάτωση με θερμή-πρέσσα είναι μια διαδικασία πύκνωσης που συνδυάζει μηχανική πίεση και υψηλή θερμοκρασία. Με την ταυτόχρονη εφαρμογή αξονικής πίεσης και θέρμανσης σε καλούπι, ενισχύει σημαντικά την κινητήρια δύναμη πυροσυσσωμάτωσης. Αυτή η διαδικασία έχει τρία βασικά πλεονεκτήματα: την επίτευξη ταχείας πύκνωσης, τη μείωση του κύκλου πυροσυσσωμάτωσης και τη σημαντική βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών. Είναι ιδιαίτερα κατάλληλο για την παρασκευή κεραμικών υψηλής απόδοσης.
Η θερμή ισοστατική συμπίεση πυροσυσσωμάτωσης χρησιμοποιεί ένα αδρανές αέριο ως μέσο και επιτυγχάνει κεραμική συμπύκνωση υπό υψηλή θερμοκρασία και σταθερή υψηλή πίεση. Για ορισμένα κεραμικά υλικά με χαμηλούς συντελεστές αυτοδιάχυσης που είναι δύσκολο να συμπυκνωθούν με συμβατική πυροσυσσωμάτωση, μπορεί να χρησιμοποιηθεί πυροσυσσωμάτωση με θερμή ισοστατική συμπίεση για να αυξηθεί η κινητήρια δύναμη για διάχυση. Η θερμοσυσσωμάτωση με ισοστατική συμπίεση πληροί τις συνθήκες υψηλής-πίεσης και υψηλής- θερμοκρασίας που απαιτούνται για τη σύντηξη διαφανών κεραμικών και έχει μοναδικά πλεονεκτήματα στη σύντηξη διαφανών κεραμικών πράσινων σωμάτων.
Η πυροσυσσωμάτωση με σπινθήρα πλάσματος (SPS) χρησιμοποιεί άμεση θέρμανση Joule που παράγεται από παλμικό συνεχές ρεύμα, υποβοηθούμενη από μηχανική πίεση. Λόγω των χαρακτηριστικών πυροσυσσωμάτωσης του, μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την ταχεία παρασκευή κεραμικών εξαιρετικά-υψηλών-θερμοκρασιών. Για κεραμικά εξαιρετικά{4}υψηλής-θερμοκρασίας όπως Ta2AlC, TaC και ZrB2-SiC, η διαδικασία SPS μπορεί να επιτύχει σύντομους χρόνους πυροσυσσωμάτωσης, εμφανή αποτελέσματα ενίσχυσης των λεπτών κόκκων, σημαντικά βελτιωμένες μηχανικές ιδιότητες και βελτιωμένη αντοχή στην οξείδωση.
Η διαδικασία ψυχρής πυροσυσσωμάτωσης, υπό υψηλή πίεση, προσθέτει έναν παροδικό διαλύτη στη σκόνη για να προωθήσει την αναδιάταξη και τη διάχυση σωματιδίων, προάγοντας έτσι την συμπύκνωση της κεραμικής σκόνης σε σχετικά χαμηλή θερμοκρασία και σε σχετικά σύντομο χρόνο. Αυτή η διαδικασία δημιουργεί τη δυνατότητα πυροσυσσωμάτωσης σε χαμηλή-θερμοκρασία για την παρασκευή δομικών και λειτουργικών κεραμικών υψηλής-απόδοσης. Επί του παρόντος, αυτή η διαδικασία έχει εφαρμοστεί με επιτυχία στην παρασκευή και τη σύντηξη διαφόρων υλικών, συμπεριλαμβανομένων τυπικών κεραμικών οξειδίων, κεραμικών/κεραμικών σύνθετων, διηλεκτρικών κεραμικών μικροκυμάτων, σιδηροηλεκτρικών και πιεζοηλεκτρικών κεραμικών, στερεών ηλεκτρολυτών, θερμοηλεκτρικών υλικών και συνθέσεων κεραμικών/2D νανοϋλικών.
Η τεχνολογία πυροσυσσωμάτωσης ταλαντευόμενης πίεσης βασίζεται στην πυροσυσσωμάτωση με θερμή-πρέσσα και μετατρέπει τη σταθερή πίεση σε δυναμική πίεση. Μέσω της αναδιάταξης σωματιδίων που προκαλείται από τη συνεχή ταλαντευόμενη πίεση, αυξάνει την πυκνότητα συσκευασίας της σκόνης πριν από τη σύντηξη. Ταυτόχρονα, η πίεση ταλάντωσης παρέχει μεγαλύτερη κινητήρια δύναμη πυροσυσσωμάτωσης για τη σύντηξη σκόνης, συμβάλλοντας στην προώθηση της περιστροφής και της ολίσθησης των κόκκων και της ροής του πλαστικού μέσα στο πυροσυσσωματωμένο σώμα, επιταχύνοντας έτσι την πύκνωση του πράσινου σώματος. Αυτή η διαδικασία έχει χρησιμοποιηθεί για την παρασκευή διαφόρων δομικών κεραμικών και έχουν αναπτυχθεί με επιτυχία κεραμικά υλικά υψηλής απόδοσης, όπως ZrO2, Al2O3 και Si3N4.