Keramiek bestaat uit een mengsel van klei, aardelementen, poeders en water, die in de gewenste vorm worden gestold.
Ze worden al duizenden jaren gebruikt in diverse toepassingen, van aardewerk tot geavanceerde technische oplossingen. Vanwege hun unieke mechanische en fysische eigenschappen worden keramieken gebruikt in diverse industrieën, zoals de bouw, de geneeskunde, de automobielindustrie en de lucht- en ruimtevaart.
Ons artikel van vandaag richt zich op keramiek, te beginnen met hoe we keramiek definiëren, wat de eigenschappen ervan zijn en wat de voordelen ervan zijn. Laten we er meteen induiken!
Keramiek Definitie: Wat is keramiek?
Bijschrift afbeelding: Wat is keramiek?
Vanuit wetenschappelijk oogpunt is "keramiek" een niet-metalen anorganisch materiaal. Keramiek onderscheidt zich door de eigenschappen van deken in textiel. Keramiek wordt gemaakt door verhitting, sinteren, verdichten en stollen.
Keramiek combineert doorgaans hardheid, thermische stabiliteit en chemische bestendigheid, waardoor het in veel technologische sectoren toepasbaar is.
Over het algemeen maken we onderscheid tussen twee soorten keramiek, gebaseerd op hun toepassingsgeval:
-
Traditionele keramiek
-
Geavanceerde keramiek
Traditionele keramiek bestaat uit natuurlijke of aardse elementen zoals veldspaat, kwarts, klei, enz. Ze vinden toepassingen in tal van alledaagse huishoudelijke artikelen, zoals kannen, vazen, potten, plantenbakken, bouwmaterialen, tegels, serviesgoed, enz., gemaakt door middel van natgieten. Een onderscheidend kenmerk van hun microstructuur is dat ze niet zo uniform of glad is als bij geavanceerde keramiek. Bovendien varieert de microstructuur afhankelijk van de samenstelling van de klei.
Geavanceerde keramiek is een nieuw type keramiek, gemaakt van zeer zuivere anorganische verbindingen die kunstmatig worden gesynthetiseerd en onder strikte controle worden geproduceerd door middel van gieten, sinteren en andere vereiste behandelingen. Ze zijn ontworpen voor hoge prestaties met eigenschappen zoals slijtvastheid, sterkte, extreem taaiheid en hitte- en chemische bestendigheid.
Samenstelling van keramiekmateriaal
Keramiek wordt gemaakt van combinaties van verschillende stoffen, waaronder klei, water en een paar poedervormige additieven voor specifieke verbeteringen. De mechanische, thermische en chemische eigenschappen van keramiek veranderen afhankelijk van de soorten en verhoudingen van de grondstoffen die in specifieke samenstellingen worden gemengd. Deze specifieke samenstelling van de mengsels bepaalt op zijn beurt de specifieke eigenschappen en toepassing van het uiteindelijke keramiek.
Bijschrift afbeelding: Microstructuur van keramiek
Belangrijkste ingrediënten
-
Klei: Deze zorgen voor plasticiteit en maken het mogelijk om het keramiek eenvoudig te vormen vóór het bakken.
-
Siliciumdioxide (SiO₂): Een belangrijk bestanddeel van veel keramieksoorten. Het draagt in grote mate bij aan de hardheid en thermische weerstand van keramiek.
-
Aluminiumoxide (Al₂O₃): Additief voor hoge sterkte, slijtvastheid en thermische stabiliteit.
-
Zirkonia (ZrO₂): Wordt voornamelijk gebruikt voor structurele keramiek en staat bekend om de extra taaiheid.
-
Carbiden en nitriden: Zoals siliciumcarbide (SiC) en boornitride (BN), die zorgen voor een hoge slijtvastheid en thermische stabiliteit.
Soorten grondstoffen
-
Natuurlijk: Klei, veldspaat, kwarts, kaolien en andere mineralen die uit de aarde worden gewonnen.
-
Synthetisch: Aluminiumoxide, zirkonia, siliciumcarbide en speciaal ontwikkelde materialen voor toepassingen met hoge prestaties.
Soorten keramiek
Verschillende soorten keramiek worden ingedeeld in verschillende categorieën, voornamelijk op basis van hun chemische samenstelling en toepassing.
Oxidekeramiek
“Oxidekeramiek” bestaat uit metaaloxiden zoals aluminium (Al), zirkonium (Zr), titanium (Ti), magnesium (Mg), enz. en staat bekend om zijn hoge thermische stabiliteit, corrosiebestendigheid en elektrische isolatie-eigenschappen.
-
Voorbeelden: Aluminiumoxide (Al₂O₃), zirkoniumoxide (ZrO₂)
-
Toepassingen: Biomedische implantaten, vuurvaste materialen, snijgereedschappen en elektrische isolatoren.
Carbidekeramiek
Carbidekeramiek bestaat uit koolstofatomen die aan metalen gebonden zijn. Ze worden verwerkt via een sinterproces. Dankzij eigenschappen zoals extreme hardheid, slijtvastheid en thermische stabiliteit worden ze gebruikt als hoogwaardige materialen in geavanceerde engineering.
-
Voorbeelden: Siliciumcarbide (SiC), Boorcarbide (B₄C)
-
Toepassingen: Schuurmiddelen, pantserplaten, hogetemperatuurcomponenten en halfgeleidercomponenten.
Nitridekeramiek
Nitridekeramiek bevat stikstofatomen en metaalverbindingen met metalen. Nitridekeramiek staat bekend om zijn hoge temperatuurbestendigheid, uitstekende mechanische sterkte en goede elektrische eigenschappen.
-
Voorbeelden: Siliciumnitride (Si₃N₄), boornitride (BN)
-
Toepassingen: Lucht- en ruimtevaart, lagers, elektronische componenten en toepassingen met hoge temperaturen.
Unieke eigenschappen van keramiek
Zoals eerder vermeld, hangen de eigenschappen van keramiek af van hun specifieke samenstelling en de atomaire microstructuur. Over het algemeen zijn keramische materialen:
-
Hoge hardheid
-
Slijtvast
-
Corrosiebestendig
-
Goede thermische en elektrische isolatie
-
Antiferromagnetisme (d.w.z. niet-magnetisch van aard)
-
Oxidatiebestendig
-
Inert en chemisch stabiel
Mechanische eigenschappen van keramische materialen
Bijschrift afbeelding: Fysieke eigenschappen van keramiek
-
Slijtvastheid en hoge hardheid: Keramiek heeft een hoge hardheid en is zeer slijtvast. Dit maakt het zeer geschikt voor de productie van elektrisch snijgereedschap en schuurmiddelen. Zo wordt wolfraamcarbide (WC), een carbidekeramiek, veel gebruikt in industriële boren en snijgereedschappen.
-
Lage ductiliteit en broosheid: Wetenschappelijk gezien is ductiliteit het vermogen van een materiaal om permanent te vervormen zonder te breken wanneer het wordt uitgerekt. In tegenstelling tot de meeste metalen vertoont keramiek geen plastische vervorming, simpelweg vanwege hun lage treksterkte. Dit betekent dat keramiek vervormt wanneer er spanning op wordt uitgeoefend, vanwege hun brosse aard. Het is kwetsbaar voor breuk in plaats van vervormbaarheid. Zelfs de kleinste aanwezigheid van microscheurtjes in keramiek kan een plotselinge spanningsconcentratie veroorzaken die een brosse breuk veroorzaakt. Er zijn echter keramieksoorten die ductiliteit hebben bij omgevingstemperaturen, zoals MgO, SrTiO3, enz.
-
Hoge druksterkte: Door de eigenschappen van keramiek zijn ze over het algemeen bestand tegen extreme drukbelastingen, wat handig is voor structurele toepassingen. Deze eigenschap maakt keramiek ook geschikt voor gebruik in de bouwsector.
Thermische eigenschappen van keramische materialen
-
Thermische geleidbaarheid: Keramiek heeft over het algemeen een lage thermische geleidbaarheid. Deze eigenschappen worden met name gebruikt in processen waar thermische isolatie of bestendigheid tegen extreme temperaturen vereist is. Zo worden vuurvaste stenen van vuurvast keramiek gebruikt in ovens en smelters als isolatoren. Sommige keramische materialen (bijvoorbeeld siliciumcarbide (SiC) en aluminiumnitride (AlN)) hebben echter een hoge thermische geleidbaarheid, waardoor ze geschikt zijn voor warmteafvoer (elektronica, warmtewisselaars).
-
Hoge smeltpunten: Zoals eerder vermeld, hebben keramieksoorten een hoog smeltpunt, waardoor ze goed bruikbaar zijn in opstellingen met hoge temperaturen.
-
Slechte thermische schokbestendigheid: Thermische schokbestendigheid gaat over het vermogen van een materiaal om plotselinge temperatuurschommelingen te weerstaan. De meeste keramieksoorten, vooral traditionele, hebben een slechte thermische schokbestendigheid. Dit betekent dat ze kwetsbaar zijn voor scheuren bij plotselinge temperatuurschommelingen.
-
Lage thermische uitzetting: Sommige keramieksoorten vertonen minimale uitzetting bij temperatuurveranderingen (bijvoorbeeld gesmolten silica), wat de maatvastheid bevordert. Ook hier zijn er uitzonderingen op deze eigenschap. Sommige keramieksoorten vertonen een hoge thermische uitzetting, zoals zirkoniumoxide (ZrO₂), dat aanzienlijk uitzet bij temperatuurveranderingen.
Chemische eigenschappen van keramische materialen
-
Hoge corrosiebestendigheid: De meeste keramieksoorten zijn zeer chemisch stabiel en inert voor de natuur. Dit draagt bij aan hun sterke chemische bestendigheid tegen zuren, logen en andere agressieve omgevingen. Ze zijn ook inherent corrosiebestendig.
-
Inert karakter: Hun inerte karakter ten opzichte van omgevingsfactoren zoals vochtigheid, hitte, enz. maakt ze ideaal voor biomedische en chemische verwerkingstoepassingen. Biokeramisch hydroxyapatiet wordt gebruikt in bottransplantaten omdat het niet reageert met lichaamsvloeistoffen. Zirkoniumoxide (ZrO₂), een corrosiebestendig keramiek, wordt eveneens gebruikt in chemische verwerkingsfabrieken over de hele wereld.
Toepassing van keramische materialen
Biomedische toepassingen
Omdat keramiek nuttige eigenschappen bezit zoals biocompatibiliteit, sterkte en slijtvastheid, wordt het veel gebruikt in medische implantaten.
Enkele toepassingen zijn:
-
Protheses en implantaten (vanwege hun biocompatibiliteit worden ze gebruikt in heup- en knievervangende implantaten)
-
Bottransplantaten en vulstoffen (dat wil zeggen dat enkele keramische materialen, zoals hydroxyapatiet (HA), een natuurlijke botachtige structuur vertonen)
-
Tandheelkundige toepassingen (vanwege hun esthetische en mechanische eigenschappen zijn de meeste tandheelkundige implantaten gemaakt van keramiek, zoals zirkonium)
-
Medische hulpmiddelen (te vinden in pacemakers, chirurgische instrumenten en medicijnafgiftesystemen)
-
Bioactieve brillen (Ze stimuleren ook de celgroei, wat helpt bij weefselregeneratie en genezing van verwondingen/wonden)
Lucht- en ruimtevaarttoepassingen
Veel componenten in de lucht- en ruimtevaarttechniek, zoals turbinebladen, hitteschilden en neuskegels, vereisen geavanceerde materiaaleigenschappen die ook geschikt zijn voor precisiesnijden. Geavanceerde keramiek leent zich hier uitstekend voor dankzij eigenschappen zoals thermische geleidbaarheid, hoge smeltpunten, hoge hardheid, enz.
-
Structurele materialen (vanwege hun hoge sterkte worden veel keramische materialen, zoals siliciumcarbide (SiC), gebruikt voor lichtgewicht, zeer sterke componenten in de lucht- en ruimtevaart)
-
Thermische beschermingssystemen of TPS (keramische tegels van silica en alumina worden in ruimtevaartuigen gebruikt om extreme temperaturen te weerstaan tijdens de terugkeer in de atmosfeer)
-
Ablatieve keramiek voor hitteschilden (dit type keramiek beschermt ruimtevaartuigen tijdens de terugkeer in de atmosfeer door geleidelijk te eroderen en zo warmte te absorberen)
Elektronica en isolatoren
-
Meerlaagse keramische condensatoren (MLCC's) en weerstanden (keramiek, zoals aluminiumoxide, is cruciaal voor isolatie en het afvoeren van energie als warmte met behulp van MLCC en weerstanden)
-
IC's en halfgeleiders (keramische subtracten zijn dun en plat, hebben een lage diëlektrische constante en diëlektrisch verlies, een hoge thermische geleidbaarheid en een goede chemische stabiliteit)
-
Halfgeleiders en keramische printplaten (keramiek heeft een lage elektrische geleidbaarheid en wordt gebruikt in halfgeleiders en printplaten die een hoge interne elektrische isolatie vereisen)
-
Hoogspanningsisolatoren (bij hoogspanningsfunctionaliteiten zijn porselein- en aluminiumoxide-gebaseerde keramiek essentieel voor hoogspanningsleidingen)
Bouwmaterialen
-
Bakstenen en tegels (vanwege hun eigenschappen zoals duurzaamheid, brandwerendheid en thermische isolatie worden keramische materialen op kleibasis veel gebruikt in de bouw van bakstenen en dakpannen)
-
Sanitair (De meeste toiletten, wastafels en badkuipen zijn gemaakt van gevitrificeerd keramiek, omdat deze over inerte eigenschappen beschikken, zoals bestendigheid tegen vocht, vlekken en bacteriegroei.)
-
Glaskeramiek (keramische materialen zoals lithium-aluminosilicaat worden gebruikt in aanrechtbladen en architectonische toepassingen vanwege hun esthetische en hittebestendige eigenschappen)
-
Gevel en coating (keramiek wordt gebruikt als gevel- en bekledingsmateriaal in gebouwen omdat het de nodige thermische en akoestische isolatie-eigenschappen biedt)
-
Cement- en betonadditieven (om de sterkte, duurzaamheid en efficiëntie van cement- of betonmengsels te verbeteren, worden vaak keramische additieven zoals vliegas en silicafume gebruikt als additieven)
Voordelen van keramische materialen
Bijschrift afbeelding: Voordelen van keramiek
Duurzaamheid en levensduur
Zoals eerder vermeld, heeft keramiek een lange levensduur dankzij de hoge hardheid en inerte aard ervan. Dit betekent dat keramiek, in tegenstelling tot metalen, niet oxideert of corrodeert in zware omstandigheden. Bovendien zijn de meeste keramische materialen bestand tegen zuren, logen en andere agressieve chemicaliën.
Lichtgewicht eigenschappen
Naast hoge harnassen zijn keramieksoorten zeer licht van gewicht, waardoor ze bruikbaar zijn in de lucht- en ruimtevaart en de auto-industrie. SiC wordt bijvoorbeeld gebruikt in remschijven voor vliegtuigen vanwege de hoge sterkte-gewichtsverhouding.
Esthetische veelzijdigheid
Door verschillende stoffen te mengen tijdens het vormen, zijn diverse visueel esthetische eigenschappen, zoals kleuren, texturen en afwerkingen, mogelijk met keramiek. Porseleinen tegels zijn bijvoorbeeld erg populair vanwege hun aantrekkelijke structuur. Sommige keramieksoorten worden ook gebruikt in optica en displays (zoals saffierglas (Al₂O₃), dat wordt gebruikt voor gehard glas voor smart screens) vanwege hun transparantie en optische eigenschappen.
Beperkingen van keramische materialen
Broosheid en kwetsbaarheid
Bijschrift afbeelding: Brosse microstructuur van keramiek
Hoewel ze over het algemeen een hoge druksterkte hebben, zijn ze door hun zeer lage ductiele of treksterkte bros en breukgevoelig onder spanning, in plaats van dat ze plastisch vervormen zoals ductiele materialen zoals metalen.
Productiekosten
Keramische formaties ondergaan een sinteringsproces (dat wil zeggen dat het een hoge temperatuur vereist, soms wel tot 1500 graden Celsius). Deze hoge temperatuurhandhaving verhoogt de totale productiekosten van keramiek. Bovendien leiden de fabricagekosten en het zeer nauwkeurig snijden met CNC-machines of 3D-printen bij geavanceerde keramiek tot hoge productiekosten. Precisieproductie vereist dure technieken zoals warmpersen, chemische dampdepositie (CVD) en vonkplasmasinteren (SPS).
Er moet echter wel opgemerkt worden dat de algehele resultaten voor ons mensen zeer voordelig zijn vanwege hun unieke eigenschappen.
Conclusie
We maakten kennis met keramische materialen, hun eigenschappen en voordelen. Keramische materialen spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven vanwege hun unieke eigenschappen, zoals duurzaamheid, hittebestendigheid en chemische stabiliteit.
Dankzij de vooruitgang in de materiaalkunde worden geavanceerdere keramieksoorten met betere constructie-eigenschappen voor ons beschikbaar.