Napredna keramika, poznata i kao specijalna keramika, odnosi se na keramičke materijale pripremljene na bazi tradicionalne keramike koristeći napredne hemijske i fizičke tehnologije, sa odličnim svojstvima u mehanici, termičkom, optičkom, akustičkom i električnom polju. U poređenju s metalima i polimernim materijalima, napredni keramički materijali posjeduju neuporediva strukturna svojstva kao što su visoka tvrdoća, visoki modul, otpornost na visoke-temperature i otpornost na koroziju, kao i odlična funkcionalna svojstva kao što su električna izolacija, prijenos svjetlosti i prozirnost valova. Zbog toga se sve više koriste u vazduhoplovstvu, informacionim tehnologijama, nacionalnoj odbrambenoj i vojnoj industriji, biomedicini i novim energetskim oblastima.
Proces pripreme napredne keramike uglavnom uključuje pripremu praha, oblikovanje zelenog tijela i sinterovanje. Među njima, formiranje i sinterovanje su direktni faktori koji određuju svojstva keramičkih proizvoda. Formiranje se odnosi na pravljenje praha u zeleno tijelo sa određenim dimenzijama i oblikom i određenom mehaničkom čvrstoćom. Sinterovanje se odnosi na proces u kojem zeleno tijelo, na visokoj temperaturi ispod svoje tačke topljenja, eliminira pore, zgušnjava i formira sinterirano tijelo određene čvrstoće.
01 Priprema praha
Metode pripreme naprednih keramičkih prahova uglavnom se mogu sažeti u tri kategorije: metode u čvrstoj-fazi, tečne-fazne metode i metode u gasnoj{2}}fazi.
Metoda čvrste{0}}faze koristi čvrste supstance kao početne sirovine za pripremu ultrafinih keramičkih prahova. Primjeri uključuju visoko-reakciju u čvrstom stanju-, karbotermalnu redukciju, reakciju čvrstog-gasa, termičku razgradnju soli i samo-proširujuću sintezu sagorevanja na visokim temperaturama. Karakterizira ga pogodnost za masovnu proizvodnju i relativno niska cijena, ali ponekad su prisutne nečistoće.
Metodu tečne{0}}faze karakteriše laka kontrola hemijskog sastava, ujednačeno miješanje na jonskoj ili molekularnoj skali i mogućnost pripreme keramičkih prahova nano- i submikronskih-razmjera visoke čistoće i dobre aktivnosti sinterovanja. Posebno je pogodan za sintetizaciju jednostrukih-oksidnih ili kompozitnih-oksidnih prahova za strukturnu keramiku i funkcionalnu keramiku, te se stoga široko koristi. Uobičajene metode tečne{7}}faze uključuju hemijsku precipitaciju, hidrotermalne metode i sol-gel metode.
Metoda u gasnoj{0}}fazi sintetiše željeni keramički prah kroz hemijske reakcije reaktantnih gasova u okruženju lokalne{1} visoke temperature. Uključuje hemijsko taloženje pare, sintezu plazma gasne{3}}faze i druge. Prahovi sintetizirani metodama u gasnoj{5}}fazi imaju veliku specifičnu površinu i lako adsorbiraju vlagu ili aglomerat, što ih čini nepogodnim za sinterovanje strukturalne keramike visoke - i elektronskih keramičkih materijala. Osim toga, sirovine i oprema za sintezu reakcija koje se koriste u metodama u gasnoj{8}} fazi su skupe i imaju vrlo mali proizvodni kapacitet, što rezultira visokim troškovima pripreme praha.
02 Procesi formiranja
Prema tečnosti i reološkim svojstvima tijela, metode oblikovanja mogu se podijeliti u tri kategorije: presovanje suhim tijelom, oblikovanje plastičnog tijela i oblikovanje suspenzije.
Prešanje, koje se naziva i kompresijsko oblikovanje, uključuje dodavanje male količine veziva u prah (sadržaj vlage kontroliran na 4%-7%, ili čak niži od 1%-4%) za granulaciju, zatim stavljanje granuliranog praha u kalup i pritiskanje pod presom kako bi se formiralo zeleno tijelo određenog oblika. Prešanje se dijeli na suho prešanje i izostatičko prešanje.
Plastično oblikovanje koristi plastično tijelo kao početni materijal i koristi pritisak nastao kretanjem kalupa kako bi plastično deformirao tijelo u zeleno tijelo. Plastični materijali se uglavnom sastoje od keramičkog praha, veziva, plastifikatora i otapala, a proces njihove pripreme sirovine je zahtjevan. Plastično tijelo sadrži relativno veliku količinu sredstva za formiranje, ali općenito ne više od 30%. Metode oblikovanja plastike uključuju ekstruziju, kalandriranje trake, brizganje i druge.
Formiranje kaše koristi tečnu keramičku suspenziju kao sirovinu. Osim čestica praha, kaša sadrži i vodu i disperzant. Formiranje kaše uglavnom uključuje livenje kliznim slojem, livenje gelom, livenje trake i drugo.
I oblikovanje plastike i formiranje suspenzije spadaju u procese mokrog oblikovanja. U poređenju sa suhim oblikovanjem, mokri procesi mogu lakše kontrolisati aglomeraciju praha i smanjiti sadržaj nečistoća, čime se proizvode keramički proizvodi složenih oblika.
Kako se polja primjene napredne keramike nastavljaju širiti, nove tehnologije kao što su centrifugalno taloženje, elektroforetsko taloženje, direktno koagulaciono livenje i čvrsta proizvodnja slobodnog oblika pojavile su se jedna za drugom.
03 Procesi sinterovanja
Keramička zelena tijela moraju biti sinterirana da bi se dobila gusta mikrostruktura. U suštini, sinterovanje je proces međusobne difuzije između različitih komponenti praha. Jačanjem veze između čestica daje keramičkim materijalima ujednačenu mikrostrukturu, stabilan oblik i relativno visoku mehaničku čvrstoću. Uobičajeni procesi sinterovanja uključuju sinterovanje bez pritiska, sinterovanje vrućim izostatskim presovanjem, sinterovanje s iskričnom plazmom i druge.
Sinterovanje bez pritiska je sinterovanje materijala pod atmosferskim pritiskom bez pritiska. Ova metoda se obično provodi pod kisikom ili posebnom plinskom atmosferom. Tokom sinterovanja bez pritiska, formirano zeleno telo nije izloženo spoljašnjem pritisku; agregat čestica praha se jednostavno zagreva pod atmosferskim pritiskom i transformiše u povezano zrnasto telo.
Sinterovanje pod pritiskom gasa se odnosi na primenu određenog pritiska gasa tokom visoko-temperaturnog sinterovanja keramike, u opsegu od 1–10 MPa (tj. 10–100 atm), da bi se suzbilo raspadanje i gubitak težine keramičkih materijala na visokim temperaturama. Ovo može povećati temperaturu sinteriranja, dodatno promovirati zgušnjavanje i dati keramičke proizvode-visoke gustine.
Hot{0}}sinterovanje je proces zgušnjavanja koji kombinuje mehanički pritisak i visoku temperaturu. Istovremenom primjenom aksijalnog pritiska i zagrijavanjem u kalupu, značajno povećava pogonsku silu sinteriranja. Ovaj proces ima tri osnovne prednosti: postizanje brzog zgušnjavanja, skraćivanje ciklusa sinterovanja i značajno poboljšanje mehaničkih svojstava materijala. Posebno je pogodan za pripremu keramike visokih{4}}performansi.
Sinterovanje vrućim izostatskim presovanjem koristi inertni gas kao medij i postiže zgušnjavanje keramike pod visokom temperaturom i konstantnim visokim pritiskom. Za neke keramičke materijale s niskim koeficijentima samodifuzije-koje je teško zgusnuti konvencionalnim sinteriranjem, sinteriranje vrućim izostatskim presovanjem može se koristiti za povećanje pokretačke sile za difuziju. Sinterovanje toplim izostatskim presovanjem ispunjava uslove visokog-pritiska i visoke-temperature potrebne za sinterovanje prozirne keramike i ima jedinstvene prednosti u sinterovanju transparentnih keramičkih zelenih tijela.
Spark plazma sinterovanje (SPS) koristi direktno Joule zagrijavanje generirano impulsnom jednosmjernom strujom, uz pomoć mehaničkog pritiska. Zbog svojih karakteristika sinteriranja, može se koristiti za brzu pripremu ultra{1}}keramike-na visokim temperaturama. Za ultra-visokotemperaturnu-keramiku kao što su Ta2AlC, TaC i ZrB2-SiC, SPS proces može postići kratko vrijeme sinterovanja, očigledne efekte jačanja finog zrna, značajno poboljšana mehanička svojstva i poboljšanu otpornost na oksidaciju.
Proces hladnog sinterovanja, pod visokim pritiskom, dodaje prolazno otapalo u prah kako bi se podstaklo preuređivanje čestica i difuzija, čime se promoviše zgušnjavanje keramičkog praha na relativno niskoj temperaturi iu relativno kratkom vremenu. Ovaj proces stvara mogućnost nisko{1}}sinterovanja za pripremu strukturalne i funkcionalne keramike visokih{2}}performansi. Trenutno se ovaj proces uspješno primjenjuje na pripremu i sinterovanje različitih materijala, uključujući tipičnu oksidnu keramiku, keramičko/keramičke kompozite, mikrovalnu dielektričnu keramiku, feroelektričnu i piezoelektričnu keramiku, čvrste elektrolite, termoelektrične materijale i keramičko/2D kompozitne nanomaterijale.
Tehnologija sinterovanja oscilatornog pritiska zasnovana je na sinterovanju vrućom -prešom i mijenja stalni pritisak u dinamički pritisak. Kroz preuređivanje čestica uzrokovano kontinuiranim oscilatornim pritiskom, povećava gustinu pakiranja praha prije sinterovanja. Istovremeno, oscilatorni pritisak obezbeđuje veću pokretačku snagu sinterovanja za sinterovanje praha, pomažući da se promoviše rotacija zrna i klizanje i plastični protok unutar sinterovanog tela, čime se ubrzava zgušnjavanje zelenog tela. Ovaj proces je korišten u pripremi različite strukturalne keramike, a uspješno su razvijeni keramički materijali visokih performansi kao što su ZrO2, Al2O3 i Si3N4.