Vad är tekniska keramer & teknisk keramik?

Enligt definitionen är keramer oorganiska, icke-metalliska fasta material som framställts genom värmebehandling vid temperaturer över 600°C. Den sistnämnda begränsningen är till för att utesluta naturligt förekommande stenar. Keramiska material delas in i traditionella keramer (porslin, lergods, tegel, eldfasta material, emalj och glas) och i tekniska keramer (rena föreningar av oxider, nitrider och karbider som aluminiumoxid, kiselnitrid och kiselkarbid). De teknisk keramik - keramisk knivtraditionella keramerna är välkända för de flesta. Tekniska keramer är historiskt sett en ung företeelse och har utvecklats och fått stor spridning först under de senaste decennierna. Dessa keramer har exceptionella materialspecifika egenskaper som kommer till användning i applikationer där andra material inte presterar lika bra eller inte alls fungerar. De tekniska keramerna är uppdelade i två undergrupper - konstruktionskeramer, för just konstruktionsändamål, och funktionella keramer. För de funktionella keramerna är det huvudsakligen inneboende fysikaliska egenskaper som är av intresse och som utnyttjas i många tillämpningar. De mekaniska egenskaperna kommer i detta fall i andra hand. Teknisk keramik kan räknas till gruppen tekniska keramer men tillverkas av traditionella lerbaserade keramiska material.

Keramiska material kan ha en helt eller delvis kristallin struktur eller i vissa fall vara helt amorfa, såsom vanligt glas. Ett exempel på en vanlig teknisk keram som är kristallin är aluminiumoxid. Denna keram är uppbyggd av hårt sammanbundna mikrometerstora kristaller av grundämnena aluminium och syre. Bilden till vänster visar mikrostrukturen i ett material bestående av ren aluminiumoxid.

Tekniska keramer - typiska materialegenskaper

Det som särskiljer keramer från andra material är deras karakteristiska egenskaper som hårdhet, tryckhållfasthet, styvhet (hög elasticitetsmodul), högtemperaturresistens, kemisk stabilitet samt korrosions- och nötningsbeständighet. Keramiska material har oftast god elektriskt och termiskt isolerande förmåga samt en låg termisk utvidgningskoefficient. Keramer är samtidigt sprödare än andra material. Sprödheten begränsar den plastiska deformationen i materialet, vilket medför att sprickkänsligheten är större. Vid särskilda behov i speciella applikationer finns ett flertal sätt att höja materialets seghet, till exempel genom partikel- och fiberförstärkning.

Materialdata för några vanliga keramer finns i Tabell över materialegenskaper för konstruktionskeramer.

Designa rätt med keramiska material

Som nämnts är keramer hårda och spröda. För att erhålla hög hållfasthet och minska risken för brott eller urflisning så bör ett antal designregler följas. Ett par primära sådana regler är att förenkla geometrin så långt det går samt att undvika skarpa kanter. Eftersom tryckhållfastheten är avsevärt högre än både böj- och draghållfastheten så är det bättre att utsätta komponenterna för tryck och anpassa applikationen efter detta. Även kritiska spänningskoncentrationer bör undvikas i materialen.

Något som också påverkar designen är vilket keramiskt material som har valts för en viss tillämpning, eftersom materialens egenskaper varierar en hel del. Kiselnitrid har till exempel högre brottseghet än aluminiumoxid vilket gör det mer tåligt mot sprickbildning. Av detta skäl kan kiselnitrid ofta användas i applikationer där designen är mer komplex eller där materialkraven är tuffare. Nackdelen är att kiselnitrid är dyrare att framställa än aluminiumoxid och att den börjar oxidera vid temperaturer över 1200°C.

Tekniska keramer - användningsområden

Idag utgör tekniska keramer (även benämnda moderna keramer, avancerade keramer eller industriella keramer) väsentliga och ofta oumbärliga komponenter i ett brett spann av tekniska tillämpningar. Som tidigare nämnts delas dessa keramer in i konstruktionskeramar och funktionella keramer, som även innefattar elektrokeramer. Några exempel på användningsområden för konstruktionskeramer är munstycken för både sprayning och svetsning, ventiler, keramiska kullager, skäreggar inklusive vändskär, turbinrotorer i gasturbiner, termiska barriärskikt och andra beläggningar, ballistiska skydd, plattor i skottsäkra västar, biokompatibla komponenter inom medicinteknik samt katalysatorbärare i avgas- och förbränningskatalysatorer. Funktionella keramer används till exempel som magneter till elmotorer, sensorer i givare, aktuatorer i mekanik och vibratorer, kretskortsubstrat, elektrolyt i bränsleceller (SOFC), varistorer till överspänningsskydd och dielektriska komponenter för mikrovågsapplikationer.

Traditionella keramer har en historia som sträcker sig långt bak i tiden och är fortfarande marknads-dominerande. Denna grupp inkluderar vardagsporslin som vi dagligen kommer i kontakt med, glasyr för att skydda och täta keramgods, glas för en mängd tillämpningar, stengods, lergods, sanitetsporslin för badrum samt elektroporslin för exempelvis låg- och högspänningsisolatorer. Till denna grupp hör även eldfasta material för användning vid temperaturer över 1500°C som bränt chamotte-tegel och eldfasta massor till ugnsinfodring. Till de traditionella keramerna hör även teknisk keramik, då denna grupp av keramer består av samma keramiska material som vissa av de traditionella keramerna, se stycket nedan. Skillnaden är att teknisk keramik används i tekniska applikationer.

Vad består tekniska och traditionella keramiska material av?

Tekniska keramer består antingen av förädlade och renade naturliga råmaterial eller av syntetiskt framställda föreningar baserade på oxider, nitrider, karbider och borider. Den största gruppen utgörs av oxiderna och några vanliga sådana konstruktionskeramer är aluminiumoxid (Al2O3), zirkoniumdioxid (ZrO2), kiseldioxid (SiO2) samt mullit (Al6Si2O13). Av dessa är aluminiumoxiden den dominerande keramen på marknaden för konstruktion och andra avancerade tillämpningar. Några vanliga nitrider är kiselnitrid (Si3N4), sialon (Si-Al-O-N), aluminiumnitrid (AlN) och bornitrid (BN) och ett par vanliga karbider är kiselkarbid (SiC) och borkarbid (B4C). Både kiselnitrid och kiselkarbid ingår i gruppen högpresterande keramer och används ofta som konstruktionsmaterial tack vare förträffliga mekaniska egenskaper. De funktionella keramerna finns i ett stort antal varianter varav de flesta är oxid-baserade. Ett exempel på en sådan oxid är bariumtitanat (BaTiO3). Detta material har en hög dielektrisk konstant och används därför bland annat som isolerande mellanskikt i kondensatorer med hög kapacitans.

Till skillnad från de tekniska keramerna är de traditionella keramerna framställda av naturligt före- kommande råämnen såsom lera och olika kvartsföreningar. Någon egentlig förädling sker normalt inte före framställningen av de olika keramiska materialen. De traditionella keramerna har därför en mer komplex sammansättning av kemiska föreningar och består av en blandning av amorfa och ofta kristallina oxider. Till exempel är grund-materialen vid porslinstillverkning fältspat (NaAlSi3O5), kaolin-lera (Al2(OH)4Si2O5) och kvarts (kristallin kiseldioxid, SiO2). Utgångsmaterialen vid tillverkning av vanligt glas är soda (Na2CO3), kalk (CaCO3, Ca(OH)2, CaO) och sand (SiO2, SixOy) som vid upphettning bildar en smälta av Na2O, CaO och SiO2. Under avsvalning bibehålls en amorf struktur av dessa föreningar, som är transparent i det synliga ljusområdet.

Unika egenskaper hos varje keramiskt material

Keramiska material har många unika och användbara egenskaper. Det är ofta en eller ett par utmärkande egenskaper hos varje keram som gör att just det materialet får stor betydelse i en viss applikation. Ett exempel är aluminiumtitanat (Al2TiO5) som har en termisk utvidgningskoefficient på endast 1 ppm/°C upp till 1000°C, vilket resulterar i att materialet har mycket god resistens mot termochock. Materialet används därför bland annat till avgaskanaler i förbränningsmotorer som termiskt isolerande hölje. Keramen förblir hel trots upprepade och extrema temperaturväxlingar i motorn.

Ett annat exempel på ett speciellt material är aluminiumnitrid (AlN). Jämfört med de flesta andra keramer har detta material mycket god termisk ledningsförmåga, ca 160 W/m-K, och samtidigt god elektrisk isolation, vilket gör att det idag används som värmeledande substrat inom elektronikindustrin. Tidigare användes berylliumoxid (BeO), som har ännu högre ledningsförmåga, men på grund av dess giftighet så har detta material ersatts av aluminiumnitrid.

Framställning av keramiska komponenter

Jämfört med andra material så är komponenter av keramiska material relativt omständliga att framställa. Det beror på att man vid tillverkningen utgår från finkornigt pulver som behöver beredas i flera steg. Först ska erforderliga råpulver för en viss keram vägas in och blandas med lösningsmedel, oftast vatten, och diverse processhjälpmedel, som till exempel dispergeringsmedel. Den erhållna slurryn blandas och mals i en kulkvarn för homogenisering och reducering av partikelstorleken. Den fortsatta beredningen beror på vilken metod som väljs för att forma komponenter.

Valet av formningsmetod styrs av komponenternas geometri. Formningen delas in i torr- och våtformning. Den vanligaste torrformningsmetoden för enklare geometrier är enaxlig pressning, som är en snabb och kostnadseffektiv tillverkningsprocess. För att kunna pressa komponenter behöver granuler tas fram. Granuler består av sfäriska kluster av kerampartiklar och erhålls genom spraytorkning. Några typiska våtformningstekniker är slamgjutning, tejpgjutning, extrudering och formsprutning. För våtformning tillsätts diverse organiska bindemedel och stabilisatorer vid beredningen för att uppnå ett bra formningsresultat. Vid till exempel tejpgjutning är bindemedel en nödvändig tillsats för att de formade tunna skikten ska hålla ihop.

Efter formning torkas, bearbetas och bränns (sintras) komponenterna vid hög temperatur, vilket resulterar i solida och hållfasta produkter. Dessa produkter efterbearbetas vanligen antingen för att uppfylla dimensionskraven eller bara för att få en tilltalande finish. På grund av hårdheten hos materialen så fordras normalt speciell utrustning för bearbetning och polering.

Ovanstående beskriver de grundläggande principerna för framställning av keramer. Mycket utveckling sker på området för att reducera kostnaderna och anpassa produktionen för den specifika slutprodukten. Till exempel är det viktigt att forma komponenter på ett sådant sätt att efterbearbetning efter sintring minimeras. Förutom optimering av processen så kan en förenkling av designen av produkten samt en modifiering av tillämpningen sänka den totala kostnaden högst betydligt.

Mer information om tekniska keramer och teknisk keramik

Detta var en övergripande introduktion till keramområdet. Önskar ni ytterligare information om specifika tekniska keramiska material, tillverkningsmetoder eller applikationsmöjligheter så är ni välkomna att höra av er.




teknisk keramik - alumina al2o3 struktur