Seramik

Daripada Wikipedia, ensiklopedia bebas.
Lompat ke: pandu arah, cari

Perkataan seramik diambil daripada perkataan bahasa Inggeris ceramic yang berasal daripada bahasa Yunani, dan secara harfiahnya merujuk kepada kepada semua bentuk tanah liat. Bagaimanapun, penggunaan istilah moden meluaskan penggunaannya untuk merangkumi bahan bukan logam bukan organik. Sehingga tahun 1950-an, bahan yang paling penting ialah tanah liat tradisional, yang dijadikan barangan tembikar, batu bata, jubin, dan seumpamanya, bersama-sama dengan simen dan kaca. Kraf tradisional dijelaskan dalam rencana tembikar.

Secara sejarah, barangan seramik adalah keras, poros, dan mudah pecah. Kajian mengenai seramik sebahagian besarnya bertujuan untuk mengurangkan masalah tersebut, dan meningkatkan keratin seramik.

Contoh bahan seramik[sunting | sunting sumber]

  • Silikon nitrida (Si3N4), yang digunakan sebagai serbuk pengkakis.
  • Boron karbida (B4C), yang digunakan dalam perisai helikopter dan kereta kebal.
  • Silikon karbida (SiC), yang digunakan sebagai susceptor dalam ketuhar gelombang mikro, bahan pengakis biasa digunakan, dan sebagai bahan pembalikan.
  • Magnesium diborida (MgB2), yang merupakan superkonduktor luar biasa.
  • Zink oksida (ZnO), yang merupakan semikonduktor, dan digunakan dalam penghasilan varistor.
  • Ferrit (Fe3O4), yang merupakan ferimagnetisme dan digunakan sebagai teras transformer elektrik dan ingatan teras magnetik.
  • Steatit digunakan sebagai penebat elektrik.
  • Batu bata (kebanyakannya ialah aluminum silikat), digunakan dalam pembinaan.
  • Uranium oksida (UO2), digunakan dalam reaktor nuklear.
  • Yttrium barium kuprum oksida (YBa2Cu3O7-x), superkonduktor bersuhu tinggi.

Ciri-ciri seramik[sunting | sunting sumber]

Ciri-ciri mekanikal[sunting | sunting sumber]

Bahan seramik biasanya bahan berion atau berkaca. Kedua-dua bahan ini hampir selalunya pecah sebelum sebarang kecacatan plastik berlaku, yang menyebabkan bahan ini kurang kukuh. Tambahan lagi, disebabkan bahan ini cenderung berciri poros, liang dan kecacatan mikroskopik bertindak sebagai penumpu tekanan, mengurangkan kekuatan, dan tensile strength. Kedua-dua ini memberikan kecenderungan kepada bahan seramik gagal keseluruhannya dan berkecai, berbanding dengan kegagalan perlahan-lahan bahan logam yang membengkok sebelum patah.

Bahan ini menunjukkan kecacatan plastik (boleh membengkok dan bukannya patah). Bagaimanapun, akibat struktur kaku bahan membentuk kristal, terdapat hanya sedikit sistem gelinciran untuk pengkehelan berlaku, oleh itu ia berlaku secara perlahan-lahan. Dengan bahan tidak berkristal bahan berkaca, pengaliran kelikatan merupakan sumber kecacatan plastik, dan juga amat perlahan. oleh itu, ia diabaikan dalam kebanyakan aplikasi bahan seramik

Bahan seramik amat kukuh dalam tekanan, dan mampu beroperasi pada suhu tinggi. Kekerasannya menjadikan ia sesuai sebagai bahan pengkakis, dan mata pemotong dalam perkakasan.

Ciri-ciri pembalikan[sunting | sunting sumber]

Sesetengah bahan seramik mampu menahan suhu amat tinggi tanpa kehilangan ketahanannya. Bahan ini dikenali sebagai bahan refraktori. Ia biasanya mempunyai pengalir haba yang rendah, dan oleh itu digunakan sebagai penebat haba. Sebagai contoh, bahagian perut pesawat ulang alik angkasa diperbuat daripada jubin seramik yang melindungi pesawat angkasa daripada suhu tinggi yang dihadapi ketika kemasukan semula ke atmospera bumi.

Keperluan paling penting untuk bahan refraktori ialah ia tidak akan lembik atau cair, dan ia kekal tidak aktif pada suhu yang diingini. Keperluan akhir berdasarkan pada kedua-dua pereputan diri dan tindak balas dengan bahan campuran lain yang mungkin hadir, setiap satunya boleh membahayakan.

Keporosan menjadi lebih berkait dengan refraktori. Apabila keporosan dikurangkan, kekuatan, keupayaan daya ampu, dan rintangan persekitaran menurun apabila bahan menjadi semakin padat. Bagaimanapun, apabila kepadatan meningkatkan ketahanan kepada kejutan haba thermal (keretakan akibat pertukaran suhu mengejut) dan ciri-ciri penebatah dikurangkan. Banyak bahan digunakan dalam bentuk amat poros, dan ia bukannya satu perkara luar biasa untuk mendapati dua bahan digunakan: lapisan poros, dengan ciri-ciri penebat yang baik, dengan salutan nipis bahan lebih padat untuk membekalkan ketahanan.

Memeranjatkan bahawa bahan ini boleh digunakan pada suhu yang ia berada dalam keadaan separuh cair. Sebagai contoh, batu bata silika yang digunakan untuk melapis ketuhar menghasilkan besi digunakan pada suhu sehingga 1650°C (3000°F), di mana sebahagian batu bata akan cair. Mereka bentuk untuk situasi sebegitu tidak menghairankan jika ia memerlukan pengawalan yang agak terperinci mengenai semua sudut pembinaan dan kegunaan.

Penebat dan tingkah laku dielektrik[sunting | sunting sumber]

Kebanyakan bahan seramik tidak mempunyai pembawa cas boleh gerak, dan oleh kerana itu tidak mengalirkan elektrik. Apabila digabungkan dengan ketahanannya, keadaan ini mendorong kepada penggunaannya dalam penghasilan kuasa dan transmisi.

Talian kuasa sering disokong daripada pilon oleh cakera porcelain, yang cukup berpenebat untuk menangani panahan kilat, dan mempunyai kekuatan mekanikal untuk memegang kabel.

Sub-kategori ciri-ciri penebatnya ialah dieletrik. Dieletrik yang bagus akan mengekalkan medan elektrik melaluinya, tanpa menyebabkan kehilangan kuasa. Ciri ini adalah penting untuk penghasilan kapasitor. Dieletrik seramik digunakan dalam dua kawasan. Yang pertama ialah frekuensi tinggi kehilangan rendah dieletrik, diaplikasikan seperti ketuhar gelombang mikro dan pemancar radio. Yang lain ialah bahan dengan pemalar dieletrik tinggi (feroeletrik). Walaupun dieletrik seramik kurang elok berbanding pilihan lain untuk kebanyakan tujuan, ia memenuhi kedua-dua bahagian dengan baiknya.

Feroelektrik, piezoelektrik dan piroelektrik[sunting | sunting sumber]

Bahan feroelektrik ialah sesuatu yang boleh menghasilkan kepolaran secara spontan tanpa medan elektrik. Bahan ini menunjukkan medan elektrik kekal, dan ini merupakan sumber pemalar dielektrik yang amat tinggi.

Bahan piezoelektrik ialah bahan yang mana medan elektrik boleh ditukar atau dihasilkan dengan mengenakan tekanan kepada bahan tersebut. Ia digunakan dalam pelbagai kegunaan, khususnya sebagai transduker – menukar pergerakan kepada signal elektrik, atau sebaliknya. Ia digunakan dalam peranti seperti mikrophone, penjana ultrasound, dan pengukur tekanan.

Bahan piroelektrik menghasilkan medan elektrik apabila dipanaskan. Sesetengah pyroelektrik seramik amat sensitif sehinggakan ia dapat mengesan perubahan suhu disebabkan seseorang memasuki bilik (sekitar 40 mikro-Kelvin). Malangnya, peranti sedemikian tidak tepat, jadi ia sering digunakan secara berkembar – satu tertutup, satu terbuka – dan hanya perbezaan antara keduanya digunakan.

Semikonduktor[sunting | sunting sumber]

Terdapat beberapa jenis seramik yang merupakan semikonduktor. Kebanyakan daripadanya ialah oksida besi peralihan yang semikonduktor II-VI, seperti zink oksida.

Walaupun terdapat perbincangan untuk menghasilkan LED biru daripada zink oksida, pakar seramik lebih berminat akan ciri-ciri elektrik yang menunjukkan kesan sempadan bintik.

Peranti yang paling digunakan secara meluas ialah varistor. Peranti ini menunjukkan ciri-ciri luar biasa rintangan negetif. Apabila voltage melalui peranti ini mencapai tahap sempadan tertentu, terdapat kegagalan struktur elektrik dalam sekitar sempadan bintik, yang menyebabkan rintangan elektriknya menurun daripada beberapa mega-ohm turun kepada beberapa ratus sahaja. Kebaikannya ialah ia dapat mengyingkirkan banyak tenaga, dan reset secara sendiri - selepas voltage melintasi peranti itu turun di bawah batas, rintangannya kembali naik.

Ini menjadikan ia sesuai untuk aplikasi pelindung peningkatan. Kerana terdapat kawalan melebihi had voltan dan ketahanan kuasa, ia digunakan dalam pelbagai aplakasi. Demonstrasi terbaik mengenai kebolehannya adalah di substesen elektrik, di mana ia digunakan untuk melindungi infrastruktur daripada panahan kilat. Ia mempunyai tindakbalas pantas, penyelenggaraan mudah, dan tidak mudah rosak akibat penggunaan, menjadikan ia sebagai peranti terbaik untuk aplikasi ini.

Seramik semikonduktor juga digunakan sebagai pengesan gas. Apabila pelbagai gas melalui seramik polikristal, rintangan elektriknya bertukar. Peranti yang murah dapat dihasilkan apabila ia diselaraskan kepada campuran gas yang berkenaan.

Superkonduktiviti[sunting | sunting sumber]

Dalam sesetengah keadaan, seperti tahap suhu amat rendah, sesetengah seramik menunjukkan superkonduktiviti. Sebab sebenarnya tidaklah diketahui, tetapi terdapat dua keluarga utama seramik superkonduktiviti.

Tembaga oksida rumit diwakili oleh tembaga oksida Yttrium barium, sering diringkaskan kepada YBCO, atau 123 (menurut nisbah logam dalam formula stoichiometriknya [[YBa2Cu3O7-x]]). Ia amat terkenal kerana ia mudah dihasilkan, penghasilannya tidak membabitkan logam merbahaya, dan ia mempunyai suhu tahap superkonduktiviti pada 90K (yang lebih tinggi daripada suhu nitrogen cecair (77K). x dalam formula ini merujuk bahawa stoichiometrik sepenuhnya YBCO bukannya superkonduktor, jadi ia mesti dalam keadaan kurang oksigen sedikit, dengan x biasanya sekitar 0.3.

Keluarga utama lain bagi seramik superkonduktiviti ialah magnesium diborida. Pada masa ini ia terletak dalam keluarga tersendiri. Ciri-cirinya tidaklah mengagumkan sangat, tetapi secara kimia amat berlainan dengan superkonduktor yang lain dari segi ia bukannya tembaga oksida rumit ataupun logam. Disebabkan perbezaan ini, diharapkan kajian mengenai bahan ini kan memberikan kesedaran asas kepada phenomena superkonduktiviti.

Memproses bahan seramik[sunting | sunting sumber]

Seramik bukan berkristal, asal kaca, cenderung terbentuk daripada cecair. Kaca dibentuk ketika cair sepenuhnya, melalui acuan, atau ketika dalam bentuk lembik, melalui cara meniup ke dalam acuan.

Bahan seramik berkristal tidak sesuai untuk bentuk pemprosesan yang luas. Kaedah untuk mengendalikan mereka biasanya terbahagi kepada dua - sama ada menjadikan seramik dalam bentuk yang dikehendaki, melalui tindak balas in situ, atau dengan membentuk serbuk dalam bentuk diingini, dan kemudian sintering untuk membentuk pepejal. Beberapa kaedah pula menggunakan pendekatan gabungan antara kedua kaedah

In situ[sunting | sunting sumber]

Kegunaan utama kaedah ini adalah penghasilan simen dan konkrit. Di sini, serbuk kering dicampur dengan air, dan memulakan tindak balas penghidratan, yang menghasilkan kristal saling berpaut panjang sekeliling aggregates. Lama-kelamaan, tindak balas ini akan menghasilkan seramik pejal.

Masalah utama dengan kaedah ini ialah kebanyakan tindak balas terlalu pantas untuk pengaulan yang baik, yang menghalang pembinaan besar-besaran. Bagaimanapun, sistem berskala kecil boleh dilakukan dengan teknik deposit, di mana pelbagai bahan diletakkan di atas bahan asas, dan bertindakbalas dan membentuk seramik atas bahan asas. Teknik yang dipinjam daripada industri semikonduktor, seperti chemical vapour deposition, dan amat berguna untuk lapisan.

Kaedah ini cenderung untuk menghasilkan seramik yang pejal tetapi agak lambat.

Kaedah berasaskan pembakaran sintering[sunting | sunting sumber]

Prinsip kaedah berasaskan pembakaran adalah mudah. Apabila objek yang dibentuk secara kasar (dikenali sebagai "bentuk hijau"), ia dibakar di dalam relau, di mana proses penyepaduan pembauran menyebabkan bentuk hijau mengecut, dan menutup liang padanya, menghasilkan bahan yang lebih kukuh dan padu. Pembakaran ini dilakukan pada suhu rendah dari tahap cair seramik. Keporosan akan hampir sentiasa tinggal, tetapi kelebihan kaedah ini ialah badan hijau boleh dibentuk dalam sebarang bentuk yang diingini, dan masih boleh dibakar. Hal ini menjadikan kaedah ini kaedah paling mudah.

Terdapat beribu cara penghalusan dalam proses ini. Sebahagian yang biasa termasuk menekan badan hijau untuk memberikan penyepaduan densification permulaan awal dan mengurangkan masa pembakaran yang diperlukan. Kadangkala pelekat organik ditambah bagi mengekalkan bentuk badan hijau, yang akan hilang terbakar ketika pembakaran. Kadang kala pelicin organik ditambah ketika pemampatan untuk meningkatkan lagi penyepaduan. Bukanlah sesuatu yang luarbiasa bagi menggabungkan kesemua tersebut, dan menambah pengikat dan pelicin kepada serbuk dan dimampatkan sebelum dibakar.

Adunan juga boleh digunakan bagi menggantikan serbuk, sebelum dibentuk dengan acuan kepada bentuk yang diingini, dikeringkan dan dibakar. Malah, barangan tembikar tradisional dihasilkan melalui kaedah ini, menggunakan adunan yang dibentuk dengan menggunakan tangan.

Jika campuran pelbagai bahan digunakan bersama sebagai seramik, kadang kala suhu pembakaran melebihi tahap cair salah satu bahan campuran * pembakaran fasa cair. Ini menghasilkan tempoh pembakaran yang lebih pendek berbanding pembakaran bentuk pejal.

Beberapa aplikasi seramik[sunting | sunting sumber]

Beberapa abad dahulu, penyelidikan di syarikat Toyota telah menghasilkan enjin seramik yang mampu bergerak pada suhu sehingga 6000°F (3300°C). Enjin seramik tidak memerlukan sistem penyejukan dan dengan itu membenarkan penyingkiran sistem penyejukan, pengurang berat yang utama, dan penjimatan minyak yang lebih baik. Keberkesanan bahan api enjik juga meningkat pada suhu lebih tinggi. Dalam enjin logam biasa, kebanyakan tenaga yang dibebaskan daripada bahan api mesti dibebaskan sebagai haba buangan agar bahagian logam dalam enjin tidak cair.

Walaupun dengan kelebihan ini, enjin sebegitu tidak dihasilkan kerana penghasilan bahagian enjin seramik amat sukar. Kecacatan pada seramik akan mengakibatkan keretakan enjin. Enjin sebegitu hanya dapat dihasilkan dalam makmal penyelidikan, tetapi kesukaran untuk penghasilan secara besar-besaran menghalang enjin seramik daripada menjadi barangan pengilangan yang terjamin mutu pengeluarannya.