เซรามิกส์ขั้นสูง

คำจำกัดความ

เซรามิกขั้นสูงเรียกอีกอย่างว่าเซรามิกทางเทคนิคหรือเซรามิกชั้นดี ในเอเชีย เซรามิกขั้นสูงมักเรียกว่าเซรามิกอุตสาหกรรม
เซรามิกขั้นสูงค่อนข้างแตกต่างจากเครื่องปั้นดินเผาและพอร์ซเลน เช่น ภาชนะเซรามิก เครื่องปั้นดินเผา สุขภัณฑ์เซรามิก กระเบื้องบุผนัง และกระเบื้องปูพื้นสำหรับอาคาร โดยทั่วไป เครื่องปั้นดินเผาและพอร์ซเลนจะเรียกว่าเซรามิกแบบดั้งเดิม
เซรามิกขั้นสูงเป็นวัสดุอนินทรีย์และของแข็ง ซึ่งเป็นองค์ประกอบที่ไม่ใช่โลหะรวมกับพันธะไอออนิกที่มีพันธะโควาเลนต์
องค์ประกอบของผงถูกควบคุมอย่างเข้มงวดในกระบวนการผลิต เลือกวิธีการขึ้นรูปที่เหมาะสม ระบบการเผาผนึก และกระบวนการตัดเฉือนที่แม่นยำเพื่อให้วัสดุมีลักษณะทางกายภาพที่สมบูรณ์แบบ
ด้วยประสิทธิภาพทางกายภาพที่ดีกว่าเมื่อเทียบกับวัสดุอื่นๆ เซรามิกขั้นสูงจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านต่างๆ เช่น เซมิคอนดักเตอร์ รถยนต์ และเครื่องจักรอุตสาหกรรม

ประเภทของวัสดุเซรามิกขั้นสูง

ปัจจุบันมีวัสดุเซรามิกขั้นสูงมากมาย ได้แก่:

อลูมินา
(Al2O3)

เซรามิกอลูมินาเป็นวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย มีความแข็งแรงทางกลที่เหนือกว่า ฉนวนไฟฟ้า การเก็บรักษาความถี่สูง การนำความร้อน ทนความร้อน และทนต่อการกัดกร่อน

เซอร์โคเนีย
(ZrO2)

เซรามิกเซอร์โคเนียเป็นวัสดุเซรามิกที่แข็งแรงและแข็งแกร่งที่สุดในบรรดาเซรามิกขั้นสูง ใช้เพื่อสร้างใบมีดพิเศษสำหรับกรรไกร มีด และลูกปัดที่มีความแม่นยำสูง ซึ่งครั้งหนึ่งเคยถือว่าใช้งานไม่ได้

อลูมินาที่ชุบด้วยเซอร์โคเนีย
(ซีทีเอ)

เซอร์โคเนียเซรามิกจากอลูมินาหรือพูดว่าเซรามิกคอมโพสิตอลูมินา / เซอร์โคเนีย

สตีไทต์
(MgO•SiO2)

สตีไทต์เป็นวัสดุแมกนีเซียมซิลิเกตที่มีความต้านทานไฟฟ้าสูงที่อุณหภูมิสูง ความแข็งแรงทางกลที่ดีและปัจจัยการสูญเสียอิเล็กทริกที่ต่ำมาก ซึ่งถูกใช้มานานหลายทศวรรษในฐานะฉนวนหรือเปลือกสำหรับชิ้นส่วนไฟฟ้า
นอกจากนี้ เซรามิกสตีไทต์ยังเป็นวัสดุชั้นเยี่ยมสำหรับงานวิศวกรรมไฟฟ้า เนื่องจากสามารถเผาผนึกได้หลายรูปแบบ เช่น แหวนรอง บูช แบบต้านทาน และสเปเซอร์

ซิลิคอนคาร์บอน
(ซีซี)

สารประกอบประดิษฐ์นี้สังเคราะห์จากทรายซิลิกาและคาร์บอน โดยให้ส่วนผสมที่ทนทานต่อความร้อน น้ำหนักเบา และทนต่อการกัดกร่อนได้ดีที่สุด และคงความแข็งแรงไว้ที่อุณหภูมิสูง (1,500 ℃)

ซิลิคอนไนไตรด์
(Si2N4)

ในบรรดาวัสดุเซรามิกขั้นสูง วัสดุที่ทนทานต่อการกัดกร่อนและน้ำหนักเบานี้มีระดับความทนทานสูงสุดและทนต่อแรงกระแทกจากความร้อนที่อุณหภูมิสูง ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับใช้ในส่วนประกอบเครื่องยนต์

คุณสมบัติวัสดุเซรามิกขั้นสูง

คุณสมบัติทางไฟฟ้า

ฉนวนไฟฟ้า

เซรามิกส์ขั้นสูงเป็นวัสดุฉนวนที่ไม่นำไฟฟ้า

ความเป็นฉนวน

วัสดุเซรามิกขั้นสูงได้กลายเป็นวัสดุที่ขาดไม่ได้ในการผลิตตัวเก็บประจุและส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในผลิตภัณฑ์ต่างๆ เช่น คอมพิวเตอร์ โทรทัศน์ และโทรศัพท์มือถือ
ตัวเก็บประจุทำหน้าที่เป็น “ตัวควบคุมการจราจร” ภายในวงจรอิเล็กทรอนิกส์โดยการนำไฟฟ้าไปยังบางส่วน ปิดกั้นกระแสไฟฟ้าชั่วคราว หรือปิดกั้นสัญญาณไฟฟ้าบางประเภทเท่านั้น

การนำไฟฟ้า

แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วเซรามิกขั้นสูงจะเป็นวัสดุฉนวนที่ปิดกั้นกระแสไฟฟ้า แต่เซรามิกเซมิคอนดักเตอร์สามารถสร้างขึ้นเพื่อนำไฟฟ้าได้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระดับของแรงดันไฟฟ้าที่ใช้

ความเป็นตัวนำยิ่งยวด

คุณสมบัติทางกายภาพ

ความแข็ง

ลักษณะเฉพาะของวัสดุเซรามิกขั้นสูงคือความแข็งสูงสุด เป็นผลให้มีประโยชน์ในการใช้งานที่มีประสิทธิภาพสูง
ความแข็งของอลูมินาเซรามิกเกือบ 3 เท่าของสแตนเลส ความแข็งขั้นสุดนี้เป็นหนึ่งในคุณสมบัติพิเศษที่ทำให้เซรามิกขั้นสูงเป็น “วัสดุชั้นเยี่ยม” สำหรับเทคโนโลยีสมัยใหม่

ความแข็งแกร่ง

เซรามิกส์ขั้นสูงมีความแข็งแกร่งสูง ซึ่งวัดโดยการตรวจสอบความยืดหยุ่นของชิ้นงานทดสอบหลังจากรับน้ำหนัก
เซรามิกส์เป็นวัสดุที่แสดงการเสียรูปที่ยืดหยุ่นน้อยกว่าภายใต้น้ำหนักบรรทุกซึ่งมีระดับความแข็งแกร่งที่สูงกว่า

ความเหนียวแตกหัก

ความเหนียวแตกหักจะวัดความต้านทานของวัสดุที่มีรอยแยกต่อการแตกหัก
แม้ว่าวัสดุเซรามิกขั้นสูงโดยทั่วไปจะมีค่าความเหนียวแตกหักต่ำ แต่เซอร์โคเนียที่มีความเสถียรบางส่วน ซึ่งใช้สำหรับผลิตภัณฑ์ เช่น กรรไกรและมีด ให้การปรับปรุงความเหนียวแตกหักอย่างมีนัยสำคัญ

ความถ่วงจำเพาะ (ความหนาแน่น)

วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีความถ่วงจำเพาะ (ความหนาแน่น) ต่ำกว่าโลหะที่มีความแข็งแรงสูง ภายในปริมาตรเดียวกัน วัสดุเซรามิกขั้นสูงจำนวนมากมีน้ำหนักเพียงครึ่งเดียวของโลหะ

คุณสมบัติทางเคมี

วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีความคงตัวทางเคมีในระดับสูง เป็นผลให้วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีความทนทานต่อการกัดกร่อนของสารเคมีสูง
สารเคมี — รวมถึงกรดไฮโดรคลอริก กรดซัลฟิวริก กรดไนตริก โซเดียมไฮดรอกไซด์ และกรดไฮโดรฟลูออริก วิเคราะห์ผลลัพธ์ และกำหนดวัสดุที่ละลายในปริมาณที่ค่อนข้างมากว่ามีความไวต่อสารเคมีมากขึ้น

คุณสมบัติทางความร้อน

ทนความร้อน

วัสดุเซรามิกทั่วไป รวมถึงอิฐและกระเบื้องเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความสามารถในการทนต่ออุณหภูมิสูง เซรามิกอลูมินาเริ่มหลอมหรือสลายตัวที่อุณหภูมิสูงกว่า 1,800 ℃ ซึ่งสูงกว่าจุดหลอมเหลวของวัสดุโลหะมาก

การขยายตัวทางความร้อน

การขยายตัวทางความร้อนต่ำ
เมื่อวัสดุถูกทำให้ร้อน ขนาดและปริมาตรของวัสดุจะเพิ่มขึ้นทีละน้อย ในปรากฏการณ์ที่เรียกว่าการขยายตัวทางความร้อน อัตราส่วนสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนบ่งชี้ว่าวัสดุขยายตัวเท่าใดต่ออุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น 1 องศาเซลเซียส วัสดุที่แตกต่างกันมีการขยายตัวทางความร้อนต่างกัน วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนต่ำ — น้อยกว่าครึ่งหนึ่งของเหล็กกล้าไร้สนิม

การนำความร้อน

คุณสมบัติของความร้อนที่ส่งผ่านวัสดุเรียกว่าการนำความร้อน
วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีการนำความร้อนได้หลากหลาย
ในบรรดาวัสดุเซรามิกขั้นสูง วัสดุบางชนิดมีค่าการนำไฟฟ้าสูงและถ่ายเทความร้อนได้ดี ในขณะที่บางชนิดมีค่าการนำไฟฟ้าต่ำและถ่ายเทความร้อนได้น้อยกว่า
ซิลิคอนคาร์ไบด์ถ่ายเทความร้อนได้ดีเป็นพิเศษ ในขณะที่เซรามิกเซอร์โคเนียป้องกันความร้อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ และค่าสัมประสิทธิ์การนำความร้อนต่ำ — ประมาณ 1/10 ของเหล็กกล้าไร้สนิม

กระบวนการผลิตเซรามิกขั้นสูง

การกัดและการผสมวัตถุดิบ การพ่นและการทำให้แห้ง

วัตถุดิบที่ใช้ในการผลิตเซรามิกขั้นสูง (หรือที่เรียกว่า “เซรามิกทางเทคนิค”) รวมถึงผงอนินทรีย์ที่เป็นของแข็งซึ่งมีการควบคุมความบริสุทธิ์ ขนาดอนุภาค และการกระจายอย่างแม่นยำ วัตถุดิบเหล่านี้ได้รับการกำหนดสูตรสำหรับคุณสมบัติและการทำงานเฉพาะ จากนั้นผสมกับสารยึดเกาะหรือสารยึดเกาะ

การสร้าง

วิธีการสร้างรูปร่างทั่วไป:
การกดแบบแห้ง, การฉีดและการหล่อ, HIP, CIP

การยิง
(เผา)

ตัวสีเขียวที่มีรูปทรงถูกเผาด้วยความร้อนจัดในเตาเผาที่มีการควบคุมอุณหภูมิ
การยิงช่วยขจัดความชื้นและสารยึดเกาะ ด้วยการเผาเพิ่มเติม อนุภาคผงจะถูกเผาเข้าด้วยกันและผลิตภัณฑ์หดตัวเนื่องจากความพรุนที่ลดลง กระบวนการนี้ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีความหนาแน่นและความแข็งสูง

เครื่องจักรกลและขัดเงา
(การตกแต่งพื้นผิว)

การตรวจสอบและการบรรจุ

การประยุกต์ใช้วัสดุเซรามิกขั้นสูง

วัสดุเซรามิกขั้นสูงเป็นวัสดุประเภทใหม่สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย
วัสดุเซรามิกขั้นสูงมอบโซลูชันที่สมบูรณ์แบบและเป็นทางเลือกที่คุ้มค่าและมีประสิทธิภาพสูงสำหรับวัสดุแบบดั้งเดิม เช่น โลหะ พลาสติก และแก้ว
วัสดุเซรามิกขั้นสูงสามารถขึ้นรูปได้หลายรูปแบบ (ชิ้นส่วนเซรามิกที่มีรูปร่างต่างกัน ขนาดต่างกัน และความทนทานต่างกัน) สำหรับอุตสาหกรรมต่างๆ เช่น
ส่วนประกอบทางไฟฟ้า (วัสดุรองพื้น, ขายึด, ฉนวนและตัวต้านทาน)
โรเตอร์ เตาเผา เบรกเซรามิกและไอเสีย
กระจกวางตำแหน่งเลเซอร์และบรรจุภัณฑ์
หน่วยป้องกัน (เกราะเซรามิกและแผ่นกันกระสุน);
เครื่องทำความร้อนแบบกระจายเตาเซรามิก
การกรองก๊าซร้อนแบบเซรามิก
เยื่อหุ้มเซลล์เชื้อเพลิงเซรามิก
พื้นผิวเซรามิก
ตัวกรองเครื่องยนต์ดีเซลเซรามิกและชิ้นส่วนหัวฉีดน้ำมันเชื้อเพลิง
ไกด์ผ้าและด้ายลวด
แผ่นขัดเซรามิกสำหรับการขัดถู;
สื่อบดเซรามิก