Enginyeria Ceràmica – La clau de les solucions industrials avançades
La ceràmica d'enginyeria és dura, materials no metàl·lics dissenyats per suportar temperatures extremes, des de rajoles ceràmiques utilitzades en els transbordadors espacials fins a corones dentals. La ceràmica d'enginyeria té moltes aplicacions, des de l'aeroespacial fins a l'odontologia.
La ceràmica tècnica avançada consisteix en òxids purs, carburs i nitrurs com l'alúmina (Al2O3), carbur de silici, SiC i zirconi, dificultant la seva mecanització sense coneixements i equips especials de professionals de l'enginyeria ceràmica.
Alúmina
Alúmina (òxid d'alumini, Al2O3) és una de les ceràmiques d'enginyeria més utilitzades. És altament adaptable, dur, i les propietats aïllants el fan adequat per a condicions de funcionament dures que aclapararien les ceràmiques més sofisticades, i sovint el trobareu en productes blancs o components d'alta tecnologia com revestiments de forn o gresols.
Quan es treballa amb ceràmica d'alúmina, la seva microestructura global està determinada per les matèries primeres utilitzades, processos de fabricació emprats i tècniques de conformació utilitzades. Això en última instància afecta la seva durabilitat i precisió dimensional.
Un cop obtinguda la forma i mida desitjada, l'alúmina es pot densificar mitjançant la sinterització. Això implica col·locar l'objecte rugós unit amb cola en un forn on la difusió atòmica i molecular redueix la porositat., produir un producte més dens amb major resistència i tenacitat a la fractura.
Els enginyers sovint incorporen altres ingredients a la ceràmica a base d'alúmina segons l'aplicació. Els additius comuns inclouen:
Silici
Les ceràmiques de nitrur de silici presenten una baixa expansió tèrmica i resistència al xoc tèrmic, amb excel·lents propietats d'aïllament elèctric i zero problemes de corrosió i oxidació. A causa d'aquests atributs, Les ceràmiques de nitrur de silici són un excel·lent material industrial; en particular, la seva capacitat de suportar altes temperatures els fa aptes per a broquets de combustió i flama, tubs de raig i refractaris en plantes de desulfuració de gasos de combustió, coixinets o matrius de ceràmica per a la mecanització del metall, així com peces de contacte que han de suportar la fricció contínua contra partícules abrasives dures que es troben fluint a entorns d'alta velocitat o pressió – tots els distintius d'ús de materials de qualitat!
Ceràmica d'enginyeria’ propietats distintives han portat a la invenció de molts nous productes innovadors utilitzats en la defensa nacional, aeroespacial, indústries d'automoció i maquinària – convertir el mercat global de la ceràmica en un $60 mil milions de negocis!
Les propietats del material ceràmic estan determinades per la seva química i microestructura. El seu rendiment es pot alterar mitjançant diferents tècniques de processament o afegint elements a la seva estructura ceràmica bàsica, amb les seves propietats modificades mitjançant l'ús de diferents tècniques de processament o afegint elements a la seva estructura ceràmica bàsica. Les partícules ceràmiques a nanoescala també afecten el comportament a granel en termes de composició química i reactivitat, així com propietats mecàniques com la tenacitat a la fractura. – segons el model de Faber-Evans, va predir que l'enduriment ceràmic augmenta amb la deflexió de les esquerdes o la inclinació de les partícules de segona fase dins de la seva matriu i la distribució de la morfologia de les partícules., relació d'aspecte o espai entre partícules – donant lloc a les seves propietats d'enduriment que contribueixen en gran mesura a la deflexió o la curvatura de les esquerdes, crack deflection/bowing being enhanced further by distribution of particle morphology/aspect ratio/interparticle spacing factors. Toughening also increased by using various processing techniques that add elements onto its basic ceramic composition/structure/compile.
Boron
As a ceramic engineering student, you’ll gain hands-on experience working with various materials and processes. Starting in your second year, you will take four core laboratory classes, take part in innovative undergraduate research projects, access Mines’ on-campus glass hot shop for production runs and work closely with faculty advisors to develop new and improved ceramics for your senior thesis project.
Engineering ceramics have undergone rapid development over recent decades, donant una àmplia selecció de materials altament versàtils que poden suportar una gran varietat de temperatures i ambients. Les seves propietats depenen tant de la seva composició, microestructura i condicions d'ús – fent que cada ceràmica sigui diferent segons la seva composició exacta, microestructura o condicions d'ús.
Els processos de sinterització que formen components ceràmics tenen un paper important en la configuració de les seves característiques físiques finals. El creixement del gra té un paper fonamental, afectant la seva estructura final i el rendiment mecànic; qualsevol distribució irregular de la mida del gra podria alterar dràsticament tant les estructures com les propietats mecàniques dels productes ceràmics finals.
El carbur de bor és un material indispensable per a aplicacions ceràmiques d'alta tensió, com ara eines de tall, matrius i perforacions de roca, el segon només després del diamant en termes de duresa. El carbur de Boroni també presenta una excel·lent conductivitat tèrmica i propietats d'aïllament elèctric que el converteixen en el material ideal per a dispositius electrònics d'alta potència i recobriments resistents al desgast per a equips de mineria i processament de minerals..
Boride
El bor pot millorar significativament l'estabilitat a alta temperatura dels òxids metàl·lics. A més, aquest material serveix com a fase ceràmica de reforç en els compostos de matriu metàl·lica; concretament ceràmica feta de carbur de bor (BCN), carbur d'hafni-tàntal (HfTaC), o zirconi per utilitzar-los com a aplicacions de protecció contra el desgast.
Les ceràmiques que contenen bor poden ser fràgils, no obstant això, la seva major duresa a la fractura els permet absorbir una major energia d'impacte sense trencar-se. A més, aquests materials ofereixen una excel·lent resistència química i un rendiment a l'abrasió que els permet substituir metalls durs en moltes aplicacions.
Per les seves propietats d'enllaç iònic o covalent, la majoria de ceràmiques no presenten deformació plàstica a temperatura ambient i, per tant, posseeixen menys ductilitat que els metalls. No obstant això, la ceràmica encara pot presentar soques plàstiques significatives a temperatures més altes on els mecanismes de fractura difereixen significativament dels metalls.
Les ceràmiques a base de bor combinen una gravetat específica baixa amb una forta resistència mecànica per fer-les atractives per al seu ús en moltes aplicacions diferents.. La seva resistència al desgast els permet substituir metalls durs en mitjans transportats a altes velocitats, pressions o velocitats de cavitació; millorar l'eficiència i la durabilitat dels equips de mineria i processament de minerals, així com els sistemes de recollida de pols per a l'extracció, mòlta, sistemes de transport i recollida de pols. A més, aquests materials poden augmentar la fiabilitat del petroli & indústries del gas i de la química mitjançant peces estructurals giratòries fetes amb aquestes ceràmiques.