سيراميك هيكلي متقدم

سيراميك هيكلي متقدم، مواد خزفية تظهر خصائص ميكانيكية محسنة في ظل ظروف صعبة. نظرًا لأنها تعمل كأعضاء هيكلية ، غالبًا ما تخضع للتحميل الميكانيكي ، يتم تسميتها باسم السيراميك الهيكلي. عادة ، بالنسبة للتطبيقات الهيكلية ، يميل السيراميك إلى أن يكون بدائل باهظة الثمن لمواد أخرى ، مثل المعادن والبوليمرات والمواد المركبة. بالنسبة لبيئات التآكل أو التآكل أو درجات الحرارة العالية بشكل خاص ، قد تكون المادة المفضلة. وذلك لأن الترابط الكيميائي القوي في السيراميك - الموصوف في مقالة تكوين السيراميك وخصائصه: الروابط الكيميائية - يجعلها قوية بشكل استثنائي في المواقف الصعبة. على سبيل المثال ، تُظهر بعض الخزف المتقدمة مقاومة فائقة للتآكل ، مما يجعلها مثالية لتطبيقات (التآكل) مثل معدات معالجة المعادن.البعض الآخر خامل كيميائيًا ، وبالتالي يتم استخدامه كبديل للعظام في البيئة شديدة التآكل لجسم الإنسان. قوة عالية في الترابط تجعل الخزف خاملًا حراريًا كيميائيًا ؛ تُظهر هذه الخاصية مجالات واعدة في المحركات للسيارات والمركبات الفضائية ومولدات الطاقة.

يجب التغلب على عدد من الحواجز التكنولوجية من أجل جعل السيراميك الهيكلي المتقدم حقيقة يومية. إن أهم التحديات هي حساسية الخلل المتأصلة ، أو هشاشة السيراميك ، وتنوع خصائصه الميكانيكية. في هذه المقالة تم وصف طرق التشديد وتقييم آفاق الخزف المشدد. ينتهي الاستطلاع بروابط لمقالات حول تطبيقات راسخة ومتوقعة للسيراميك الهيكلي المتقدم.

طرق الشد

سيراميك مقوى

من بين استراتيجيات تحقيق السيراميك مع الخصائص الميكانيكية المحسنة ، وخاصة المتانة ، ينطوي بعضها على هندسة الهياكل المجهرية التي تقاوم انتشار الشقوق أو تمتص الطاقة أثناء عملية انتشار الشقوق. يمكن تحقيق كلا الهدفين في وقت واحد في الهياكل المجهرية مع الحبوب الليفية أو المتشابكة. في السيراميك المنتج بمثل هذه التركيبات الدقيقة ، تنحرف الشقوق عن مسار مستقيم ، مما يؤدي إلى زيادة كبيرة في طول الشق. في نفس الوقت الجسيمات خلف طرف الكراك المتقدم تجسر الكراك ، تميل إلى إبقائه مغلقًا. يحدث انحراف الكراك وجسر الكراك أيضًا في المركبات الخزفية المدعمة بالشرقة والمقواة بالألياف. والنتيجة هي زيادة مساحة الكسر وزيادة امتصاص الطاقة.

تكسير دقيق

Another mechanism that can lead to increased fracture toughness in ceramics is microcracking, which occurs in single-phase polycrystalline ceramics whose grains are anisotropic (that is, whose mechanical properties vary with direction) or in intentionally biphasic polycrystalline microstructures. In these materials tiny microcracks open up to either side of the main crack path ahead of the advancing crack tip. This phenomenon has two effects. First, the energy that goes into the opening of the subsidiary cracks increases the energy needed for propagation of the main crack. Second, as the main crack propagates, microcracks opening up in the wake or process zone adjacent to the main crack but behind the crack front result in an increase in volume, which tends to close the main crack. The resistance to propagation thus increases the farther the crack propagates.

Transformation toughening

The most promising toughening mechanism for ceramic materials involves a phase transformation; the method is referred to as transformation toughening and is illustrated in Figure 1. Although other materials such as alumina can be transformation-toughened, zirconia (zirconium dioxide, ZrO₂) is the prototype material for this process. Pure zirconia, upon cooling below 1,150° C (2,100° F), undergoes a dramatic 3 percent volume expansion as it transforms from a tetragonal form to a monoclinic form. This expansion can be used to advantage by dispersing extremely fine tetragonal particles in a matrix of cubic zirconia or alumina. The small size of the particles (less than 1 micrometre) and their intimate contact with the matrix induce the tetragonal structure to remain stable at room temperature. Ahead of an advancing crack, however, a stress field triggers the transformation of the embedded tetragonal particles to the monoclinic form. Behind the advancing crack, a process zone forms in which all the tetragonal particles have transformed to the monoclinic form. The cumulative increase in volume exerts a closing force on the advancing crack, as well as a corresponding resistance to crack propagation that increases with crack length. Ceramics such as transformation-toughened zirconia (TTZ) are often referred to as ceramic steel because the strain, or change in dimension, in response to stress behaviour resembles that of steel instead of a brittle ceramic. Also, the underlying phase transformation is called martensitic, after a similar transformation in rapidly quenched steel to a phase known as martensite.