קרמיקה מתקדמת

הגדרה

קרמיקה מתקדמת ידועה גם בשם קרמיקה טכנית או קרמיקה עדינה. באסיה, קרמיקה מתקדמת נקראת בדרך כלל קרמיקה תעשייתית.
קרמיקה מתקדמת שונה למדי מחרס ופורצלן, כגון כלי אוכל מקרמיקה, כלי חרס סניטריים, תברואה קרמית, אריחי קיר ואריחי רצפה לבנייה. בדרך כלל, כלי חרס ופורצלן נקראים קרמיקה מסורתית.
קרמיקה מתקדמת היא חומר לא אורגני ומוצק שהינו יסוד לא מתכתי המשולב על ידי קשרים יוניים עם קשרים קוולנטיים.
הרכב האבקה נשלט בקפדנות בתהליך הייצור, בחירת שיטת היצירה המתאימה, מערכת סינטר ותהליך עיבוד שבבי מדויק כדי להפוך אותה לחומרים בעלי מאפיינים פיזיים מושלמים.
עם ביצועים פיזיים טובים יותר בהשוואה לחומרים אחרים, קרמיקה מתקדמת נמצאת בשימוש נרחב בתחומים כמו מוליכים למחצה, מכוניות ומכונות תעשייתיות.

סוג חומרים קרמיים מתקדמים

כיום, קיים מגוון רחב של חומרים קרמיים מתקדמים, לרבות:

אלומינה
(Al2O3)

קרמיקת אלומינה היא החומר הקרמי המתקדם ביותר בשימוש נרחב. הוא מציע חוזק מכני מעולה, בידוד חשמלי, שימור תדר גבוה, מוליכות תרמית, עמידות בחום ועמידות בפני קורוזיה.

זירקוניה
(ZrO2)

קרמיקת זירקוניה היא החומר הקרמי החזק והקשיח מבין הקרמיקה המתקדמת. הוא משמש ליצירת להבים מיוחדים למספריים, סכינים וחרוזים מדויקים בעלי ביצועים גבוהים, שבעבר נחשבו ליישומים בלתי אפשריים.

אלומינה מוקשה זירקוניה
(ZTA)

קרמיקה מבוססת אלומינה זירקוניה, או נגיד, קרמיקה מרוכבת אלומינה/זירקוניה

סטאטייט
(MgO•SiO2)

Steatite הוא חומר מגנזיום סיליקט בעל התנגדות חשמלית גבוהה בטמפרטורות גבוהות, חוזק מכני טוב ומקדם הפסד דיאלקטרי נמוך מאוד, המשמש כבר עשורים רבים כמבודדים או מארזים לחלקים חשמליים.
בנוסף, קרמיקה סטאטיט היא חומר מצוין להנדסת חשמל, שכן ניתן לסנט אותה בקלות במגוון רחב של צורות כגון דסקיות, תותבים, צורות נגד ומרווחים.

סיליקון פחמן
(SiC)

תרכובת מלאכותית זו מסונתזת מחול סיליקה ופחמן. הוא מספק את השילוב הטוב ביותר של עמידות בחום, משקל קל ועמידות בפני קורוזיה, ושומר על חוזקו בטמפרטורות גבוהות (1,500 ℃).

סיליקון ניטריד
(Si2N4)

מבין חומרים קרמיים מתקדמים, חומר קל זה ועמיד בפני קורוזיה מציע את הרמה הגבוהה ביותר של קשיחות ועמידות בפני זעזועים תרמיים בטמפרטורה גבוהה, מה שהופך אותו לאידיאלי לשימוש ברכיבי מנוע.

מאפיינים מתקדמים של חומרים קרמיים

מאפיינים חשמליים

בידוד חשמלי

קרמיקה מתקדמת היא חומרי בידוד שאינם מוליכים חשמל.

דיאלקטריות

חומרים קרמיים מתקדמים הפכו לחומר הכרחי לייצור קבלים ורכיבים אלקטרוניים הנמצאים בשימוש נרחב במוצרים כמו מחשבים, טלוויזיות וטלפונים ניידים.
קבלים משמשים כ”בקרי תנועה” בתוך מעגל אלקטרוני על ידי הולכת חשמל לחלקים מסוימים, חסימת חשמל זמנית או חסימת סוגים מסוימים של אותות חשמליים בלבד.

מוליכות

למרות שקרמיקה מתקדמת היא בדרך כלל חומרים מבודדים החוסמים חשמל, ניתן ליצור קרמיקה מוליכים למחצה כדי להוליך חשמל בהתאם לטמפרטורה שלהם ולרמת המתח המופעל.

מוליכות-על

תכונות פיזיקליות

קשיות

התכונה החותמת של חומרים קרמיים מתקדמים היא הקשיחות הקיצונית שלהם; כתוצאה מכך, יש להם שימוש רב ערך ביישומים בעלי ביצועים גבוהים.
הקשיות של קרמיקה אלומינה היא כמעט פי 3 מזו של נירוסטה. קשיות קיצונית זו היא אחת מתכונות ייחודיות רבות שהופכות קרמיקה מתקדמת ל”חומרי על” לטכנולוגיה מודרנית.

קשיחות

לקרמיקה מתקדמת יש קשיחות גבוהה, הנמדדת על ידי בדיקת גמישות הדגימה לאחר הפעלת עומס.
קרמיקה היא מחומרים המציגים פחות עיוות אלסטי תחת עומס בעלי רמות קשיחות גבוהות יותר.

קשיחות שבר

קשיחות השבר מודדת את עמידותו של חומר נקרע בפני שבירה.
למרות שלחומרים קרמיים מתקדמים יש בדרך כלל קשיחות שבר נמוכה, זירקוניה מיוצבת חלקית, המשמשת למוצרים כמו מספריים וסכינים, מציעה שיפורים משמעותיים בקשיחות השבר.

משקל סגולי (צפיפות)

לחומרים קרמיים מתקדמים יש משקל סגולי (צפיפות) נמוך יותר ממתכות בעלות חוזק גבוה. בתוך אותו נפח, חומרים קרמיים מתקדמים רבים שוקלים רק מחצית מהמתכת.

מאפיינים כימיים

לחומרים קרמיים מתקדמים יש רמות גבוהות של יציבות כימית. כתוצאה מכך, חומרים קרמיים מתקדמים עמידים מאוד בפני קורוזיה כימית.
כימיקלים – כולל חומצה הידרוכלורית, חומצה גופרתית, חומצה חנקתית, נתרן הידרוקסיד וחומצה הידרופלואורית. התוצאות נותחו, וחומרים שהתמוססו בכמויות גדולות יחסית נקבעו כרגישים יותר לכימיקלים.

מאפיינים תרמיים

עמידות בחום

חומרים קרמיים רגילים, לרבות לבנים ואריחים, ידועים ביכולתם לעמוד בטמפרטורות גבוהות. קרמיקת אלומינה מתחילה להמיס או להתפרק בטמפרטורות מעל 1,800℃, הרבה יותר מנקודת ההיתוך של חומרי מתכת.

התרחבות תרמית

התרחבות תרמית נמוכה
כאשר חומרים מחוממים, גודלם ונפחם גדלים במרווחים קטנים, בתופעה המכונה התפשטות תרמית. יחס המקדם של התפשטות תרמית מציין כמה חומר מתרחב לכל עלייה של 1℃ בטמפרטורה. לחומר שונה יש התפשטות תרמית שונה. לחומרים קרמיים מתקדמים יש מקדמי התפשטות תרמית נמוכים – פחות ממחצית מאלה של פלדות אל חלד.

מוליכות תרמית

תכונת החום המועבר דרך חומר נקראת מוליכות תרמית.
חומרים קרמיים מתקדמים מציעים מגוון רחב של מוליכות תרמית.
בין חומרים קרמיים מתקדמים, ישנם חומרים בעלי רמות מוליכות גבוהות ומעבירים חום היטב, בעוד שאחרים בעלי רמות מוליכות נמוכות ומעבירים פחות חום.
סיליקון קרביד מעביר חום טוב במיוחד בעוד קרמיקת זירקוניה חוסמת חום ביעילות ומקדם המוליכות התרמית נמוך – בערך 1/10 מזה של נירוסטה.

תהליך ייצור קרמיקה מתקדם

כרסום וערבוב חומרי גלם, ריסוס וייבוש

חומרי הגלם המשמשים לייצור קרמיקה מתקדמת (המכונה גם “קרמיקה טכנית”) כוללים אבקות מוצקות אנאורגניות בעלות שליטה מדויקת בטוהר, בגודל החלקיקים ובפיזורם. חומרי גלם אלה מנוסחים עבור תכונות ופונקציונליות ספציפיים, ואז מעורבבים עם חומר מקשר או קלסר.

עיצוב

שיטת עיצוב אופיינית:
כבישה יבשה, הזרקה ויציקה, HIP, CIP

ירי
(סינטור)

גוף ירוק מעוצב נורה בחום קיצוני בכבשנים מבוקרים בטמפרטורה.
השריפה מסירה את הלחות והקלסרים. עם שריפה נוספת, חלקיקי אבקה מסוננים יחד והמוצרים מתכווצים עקב נקבוביות מופחתת. תהליך זה מביא לתוצרים של צפיפות וקשיות קיצוניים.

עיבוד שבבי וליטוש
(גימור פני השטח)

בדיקה ואריזה

יישומים מתקדמים של חומרים קרמיים

חומרים קרמיים מתקדמים הם סוג של חומר חדש עם מגוון רחב של יישומים.
חומרים קרמיים מתקדמים מספקים את הפתרון המושלם ואלטרנטיבה חסכונית עם ביצועים גבוהים לחומרים מסורתיים כגון מתכות, פלסטיק וזכוכית.
ניתן ליצור חומרים קרמיים מתקדמים לצורות שונות (חלקי קרמיקה בצורות שונות, ממדים שונים וסובלנות שונה) לתעשיות שונות, כגון
רכיבים חשמליים (חומר גיבוי, סוגריים להרכבה, מבודדים ונגדים);
רוטורים, מבערים, בלם קרמי ואגזוז;
מיקום מראות ואריזות בלייזר;
יחידת הגנה (שריון קרמי ולוח חסין כדורים);
מחממי קרינה בתנור קרמי;
סינון גז חם קרמי;
ממברנות תאי דלק קרמיות;
מצעים קרמיים;
מסנני מנועי דיזל קרמיים וחלקי מזרק דלק;
מובילי חוטי טקסטיל ותיל;
ספינות קרמיקה שחיקה;
אמצעי שחיקה קרמיים