Sklokeramika - Glass-ceramic

Sklokeramika jsou polykrystalický materiály vyrobené řízenou krystalizací základního skla. Sklokeramické materiály mají s oběma mnoho vlastností brýle a keramika. Sklokeramika má amorfní fáze a jedna nebo více krystalický fází a jsou produkovány takzvanou „řízenou krystalizací“ na rozdíl od spontánní krystalizace, která se ve výrobě skla obvykle nepožaduje. Sklokeramika má výrobní výhodu skla, stejně jako speciální vlastnosti keramiky. Pokud se používá k utěsnění, některé sklokeramiky nevyžadují tvrdé pájení ale vydrží teploty pájení až do 700 ° C.[1] Sklokeramika má obvykle mezi 30% [m / m] a 90% [m / m] krystalinitu a poskytuje řadu materiálů se zajímavými vlastnostmi, jako je nula pórovitost, vysoká pevnost, houževnatost, průsvitnost nebo neprůhlednost, pigmentace, opalescence, nízké nebo dokonce negativní teplotní roztažnost, vysoká teplotní stabilita, fluorescence obrobitelnost, feromagnetismus, vstřebatelnost nebo vysoká chemická odolnost, biokompatibilita, bioaktivita iontová vodivost, supravodivost, izolační schopnosti, nízké dielektrická konstanta a ztráta, vysoká odpor a poruchové napětí. Tyto vlastnosti lze přizpůsobit řízením složení základního skla a řízeným tepelným zpracováním / krystalizací základního skla. Při výrobě se sklokeramika oceňuje tím, že má pevnost keramiky, ale hermetické těsnění vlastnosti skla.

Sklokeramika se vyrábí většinou ve dvou krocích: Nejprve se sklo vyrábí postupem výroby skla. Sklo se ochladí a ve druhém kroku se znovu ohřeje. Při tomto tepelném zpracování sklo částečně krystalizuje. Většinou nukleace do základního složení sklokeramiky se přidávají činidla. Tato nukleační činidla pomáhají a řídí proces krystalizace. Protože obvykle nedochází k lisování a slinování, sklokeramika je na rozdíl od toho slinutá keramika, žádné póry.

Existuje široká škála sklokeramických systémů, např. Li2O × Al2Ó3 × nSiO2 systém (systém LAS), MgO × Al2Ó3 × nSiO2 systém (systém MAS), ZnO × Al2Ó3 × nSiO2 systém (systém ZAS).

Nukleace a růst krystalů

Klíčem ke konstrukci sklokeramického materiálu je ovládání nukleace a růst krystalů v základním skle. Množství krystalinity se bude lišit v závislosti na množství přítomných jader a času a teplotě, při které se materiál zahřívá.[2][3] Je důležité pochopit typy nukleace vyskytující se v materiálu, ať už je to homogenní nebo heterogenní.

Homogenní nukleace je proces, který je výsledkem inherentní termodynamické nestability skleněného materiálu.[3] Když se na systém aplikuje dostatek tepelné energie, metastabilní skelná fáze se začíná vracet do nízkoenergetického krystalického stavu.[2] Pojem „homogenní“ se zde používá proto, že tvorba jader pochází ze základního skla, aniž by druhé fáze nebo povrchy podporovaly jejich tvorbu.

Heterogenní nukleace je termín používaný, když je do systému zavedena druhá fáze nebo „nukleační činidlo“.[3] Přítomnost druhé fáze nebo povrchu může působit jako katalyzátor pro nukleaci a je zvláště účinná, pokud existuje epitaxe mezi jádrem a substrátem.[3]

Sklokeramika v lékařských aplikacích

Sklokeramika se používá v lékařských aplikacích kvůli jejich jedinečné interakci nebo jejímu nedostatku s tkáněmi lidského těla. Biokeramika je typicky rozdělena do následujících skupin na základě jejich biokompatibility: biopassive (bioinert), bioaktivní nebo vstřebatelná keramika.[2]

Biopassivní (bioinertní) keramika je, jak název napovídá, charakterizována omezenou interakcí materiálu s okolní biologickou tkání.[2] Historicky se jednalo o „první generaci“ biomateriálů používaných jako náhrada za chybějící nebo poškozené tkáně.[2] Jedním z problémů vyplývajících z použití inertních biomateriálů byla reakce těla na cizí předmět; bylo zjištěno, že by došlo k jevu známému jako „vláknitá enkapsulace“, kdy by tkáně rostly kolem implantátu ve snaze izolovat předmět od zbytku těla.[2] To občas způsobilo řadu problémů, jako je nekróza nebo sekvestrace implantátu.[2] Dva běžně používané bioinertní materiály jsou oxid hlinitý (Al2O3) a oxid zirkoničitý (ZrO2).[2]

SEM obrázek dvou kostotvorných osteoblastů plazících se po krystalech monetitu.

Bioaktivní materiály mají schopnost vytvářet vazby a styky s přírodními tkáněmi.[2] V případě kostních implantátů hrají v úspěchu a životnosti implantátu důležitou roli dvě vlastnosti známé jako osteokondukce a osteoindukce.[2] Osteokondukce se týká schopnosti materiálu umožnit růst kostí na povrchu a do pórů a kanálů materiálu.[2][4] Osteoindukce je termín používaný, když materiál stimuluje existující buňky k proliferaci, což způsobuje růst nové kosti nezávisle na implantátu.[2][4] Obecně je bioaktivita materiálu výsledkem chemické reakce, obvykle rozpuštění implantovaného materiálu.[2] Keramika s fosforečnanem vápenatým a bioaktivní skla se běžně používají jako bioaktivní materiály, protože vykazují toto rozpouštěcí chování, když jsou zavedeny do živé tělesné tkáně.[2] Jedním z technických cílů vztahujících se k těmto materiálům je, aby rychlost rozpouštění implantátu byla úzce spjata s rychlostí růstu nové tkáně, což vedlo ke stavu dynamické rovnováhy.[2]

Vstřebatelná keramika je v interakci s tělem podobná bioaktivní keramice, ale hlavní rozdíl spočívá v míře, v jaké dochází k rozpuštění. Resorbovatelná keramika je určena k tomu, aby se postupně úplně rozpustila, zatímco místo ní roste nová tkáň.[2] Architektura těchto materiálů se stala poměrně složitou a byla zavedena lešení podobná pěně, aby se maximalizovala mezifázová oblast mezi implantátem a tělesnou tkání.[4] Jedním z problémů, které vyvstávají z použití vysoce porézních materiálů pro bioaktivní / vstřebatelné implantáty, je nízká mechanická pevnost, zejména v nosných oblastech, jako jsou kosti na nohou.[4] Příkladem vstřebatelného materiálu, který zaznamenal určitý úspěch, je trikalciumfosfát (TCP), avšak při použití ve vysoce namáhaných oblastech příliš nedosahuje ani mechanické pevnosti.[2]

Systém LAS

Komerčně nejdůležitější systém je Li2O × Al2Ó3 × nSiO2 systém (systém LAS). Systém LAS se týká hlavně kombinace lithium, křemík, a hliník oxidy s dalšími složkami, např. činidly tvořícími skleněnou fázi, jako je Na2OK2O a CaO a rafinační činidla. Jako nukleační činidla se nejčastěji používá oxid zirkoničitý v kombinaci s oxidem titaničitým. Tento důležitý systém nejprve a intenzivně studoval Hummel,[5] a kouř.[6]

Po krystalizaci je dominantní krystalickou fází v tomto typu sklokeramiky vysoce křemíkový pevný roztok (HQ s.s.). Pokud je sklokeramika podrobena intenzivnějšímu tepelnému zpracování, toto HQ s.s. transformuje na keatit-pevný roztok (K s., někdy nesprávně pojmenovaný jako beta-spodumen ). Tento přechod je nevratný a rekonstrukční, což znamená, že vazby v krystalové mřížce jsou přerušené a nově uspořádané. Tyto dvě krystalové fáze však vykazují velmi podobnou strukturu, jakou by mohl ukázat Li.[7]

Zajímavou vlastností těchto sklokeramiek je jejich termomechanická odolnost. Sklokeramika ze systému LAS je mechanicky pevný materiál a vydrží opakované a rychlé změny teploty až do 800–1000 ° C. Dominantní krystalická fáze sklokeramiky LAS, HQ s.s., má silnou negativní koeficient tepelné roztažnosti (CTE), pevný roztok keatitu jako stále negativní CTE, ale mnohem vyšší než HQ s.s. Tyto negativní CTE krystalické fáze kontrastují s pozitivním CTE zbytkového skla. Úprava poměru těchto fází nabízí širokou škálu možných CTE v hotovém kompozitu. Většinou je pro dnešní aplikace požadována nízká nebo dokonce nulová CTE. Je také možné negativní CTE, což znamená, na rozdíl od většiny materiálů při zahřátí, takové sklokeramické materiály. V určitém okamžiku, obvykle mezi 60% [m / m] a 80% [m / m] krystalinitou, se oba koeficienty vyrovnávají tak, že sklokeramika jako celek má koeficient tepelné roztažnosti, který je velmi blízký nule. Také když bude rozhraní mezi materiálem vystaveno teplotám únava, sklokeramika může být upravena tak, aby odpovídala koeficientu materiálu, na který se bude lepit.

Původně vyvinut pro použití v zrcadla a zrcadlové úchyty astronomických dalekohledy „Sklokeramika LAS se stala známou a vstoupila na domácí trh díky použití ve sklokeramice varné desky, stejně jako nádobí a pekáče nebo jako vysoce výkonné reflektory pro digitální projektory.

Kompozity s keramickou matricí

Jedno zvláště pozoruhodné použití sklokeramiky je při zpracování kompozity s keramickou matricí. Pro mnoho kompozitů s keramickou matricí nelze použít typické teploty a doby slinování, protože degradace a koroze základních vláken se stává více problémem se zvyšováním teploty a doby slinování. Jedním z příkladů jsou vlákna SiC, která se mohou začít rozkládat pyrolýzou při teplotách nad 1470 K.[8] Jedním z řešení je použití skelné formy keramiky jako slinovací suroviny spíše než keramiky, protože na rozdíl od keramiky mají skleněné pelety bod měknutí a budou obecně proudit při mnohem nižších tlacích a teplotách. To umožňuje použití méně extrémních parametrů zpracování, což umožňuje výrobu mnoha nových technologicky důležitých kombinací vláken a matric slinováním.

Varné desky

Sklokeramika ze systému LAS je mechanicky pevný materiál a může vydržet opakované a rychlé změny teploty. Není to však úplně nerozbitné. Protože je to stále křehký materiál, jako je sklo a keramika, lze jej rozbít. Existují případy, kdy uživatelé nahlásili poškození svých varných desek, když byl povrch zasažen tvrdým nebo tupým předmětem (například spadnutí plechovky shora nebo jiné těžké předměty).

Materiál má velmi nízkou hodnotu součinitel vedení tepla, což znamená, že mimo oblast vaření zůstane chladná. Může být téměř transparentní (ztráta 15–20% v typické varné desce) pro záření v infračervený vlnové délky.

Ve viditelném rozsahu může být sklokeramika průhledná, průsvitná nebo neprůhledná a dokonce zbarvená barvicími prostředky.

Sklokeramika varná deska

Dnes, existují dva hlavní typy elektrických krbová kamna s varnými deskami ze sklokeramiky:

  • Sklokeramická kamna používají sálavé vytápění cívky nebo infračervené záření halogen lampy jako topné články. Povrch sklokeramické varné desky nad hořákem se zahřívá, ale sousední povrch zůstává chladný kvůli nízkému součiniteli přenosu tepla materiálu.
  • An indukční vařič ohřívá a kov dno hrnce přímo skrz elektromagnetická indukce.

Tato technologie není úplně nová, protože sklokeramické řady byly poprvé představeny v 70. letech 20. století Corningware vrcholy místo odolnějšího materiálu, který se dnes používá. Tyto hladké desky první generace byly problematické a bylo možné je použít pouze s nádobami s plochým dnem, protože topení bylo spíše vodivé než radiační.[9]

Ve srovnání s běžnými kuchyňskými sporáky se sklokeramické varné desky díky svému plochému povrchu relativně snadno čistí. Sklokeramické varné desky se však mohou velmi snadno poškrábat, proto je třeba dbát na to, abyste varné pánve neposunuli po povrchu. Pokud se jídlo s vysokým obsahem cukru (například džem) rozlije, nemělo by se nikdy nechat uschnout na povrchu, jinak by mohlo dojít k poškození.[10]

Pro dosažení nejlepších výsledků a maximálního přenosu tepla by mělo být veškeré nádobí plochým dnem a přizpůsobeno stejné velikosti jako zóna hořáku.

Průmyslové a materiálové variace

CorningWare zapékací mísa a další kusy nádobí se vzorem „Chrpa“

Některé známé značky sklokeramiky jsou Pyroceram, Ceran, Eurokera, Zerodur, Macor, Kedi a Kanger. Elektrické sklo Nippon je převládajícím světovým výrobcem sklokeramiky, k jehož příbuzným produktům v této oblasti patří FireLite a NeoCeram, keramické skleněné materiály pro architektonické a vysokoteplotní aplikace. Keralit, vyrobeno Vetrotech Saint-Gobain je speciální sklokeramický materiál pro požární odolnost a odolnost proti nárazu pro použití v protipožárních aplikacích.[11] Sklokeramika vyrobená v Sovětský svaz /Rusko jsou známy pod jménem Sitall. Macor je bílý sklokeramický materiál podobný porcelánu bez zápachu a byl vyvinut původně za účelem minimalizace přenosu tepla během kosmického letu s posádkou Corning Inc.[12] StellaShine, zahájený v roce 2016 společností Nippon Electric Glass Co., je žáruvzdorný sklokeramický materiál s odolností proti tepelným šokům až 800 stupňů Celsia.[13] Toto bylo vyvinuto jako doplněk k Nippon řada tepelně odolných desek na vaření spolu s materiály jako Neoceram. KangerTech je výrobce cigaret, který začal v čínském Shenzenu a vyrábí sklokeramické materiály a další speciální aplikace z tvrzeného skla, jako jsou tanky na úpravu vaporizéru.[14] TGP (Technical Glass Products), je výrobce sklokeramiky zaměřený na bezpečnost, který pokračuje ve výrobě produktů jako FireLite, protipožární rámy a Pilkington Pyrostop.[15]

Stejná třída materiálu se také používá v Vize a CorningWare sklo-keramické nádobí, které umožňuje jeho vyjmutí z mrazničky přímo do varné desky nebo trouby bez rizika tepelného šoku při zachování průhledného vzhledu skleněného nádobí.[16]

Dějiny

S. Donald Stookey

Objev sklokeramiky se připisuje muži jménem Donald Stookey, renomovaný vědec v oboru skla, který pracoval ve společnosti Corning Inc. 47 let.[3][17] První iterace vycházela ze skleněného materiálu, Fotoform, který také objevil Stookey zatímco hledal fotoleptatelný materiál pro použití na televizních obrazovkách.[18] Brzy po začátku Fotoformu byl objeven první keramický materiál Stookey přehřál desku Fotoform v peci na 900 stupňů Celsia a našel uvnitř pece neprůhlednou mléčně bílou desku, než roztavený nepořádek, který se očekával.[3] Při zkoumání nového materiálu, který Stookey příhodně pojmenovaný Fotoceram, vzal na vědomí, že byl mnohem silnější než Fotoform, ze kterého byl vytvořen, protože přežil krátký pád na beton.[18]

Na konci 50. let 20. století by společnost vyvinula další dva sklokeramické materiály Stookey, jeden našel použití jako radome v Kužel raket,[19] zatímco druhá vedla k řadě spotřebního kuchyňského nádobí známého jako Corningware.[17] Corning oznámeno vedení Stookey Objev druhého "nového základního materiálu" nazvaný Pyroceram který byl nabízen jako lehký, odolný, schopný být elektrickým izolátorem a přesto odolný vůči tepelným nárazům. V té době nebylo mnoho materiálů, které by nabízely konkrétní kombinaci charakteristik Pyroceram udělal a materiál byl vyválcován jako Corningware kuchyňská linka 7. srpna 1958.[20]

Některé z úspěchu, které Pyroceram přinesl inspiraci Corning usilovat o posílení skla, které se stalo snahou technického ředitele společnosti Corning s názvem Project Muscle.[20] Méně známý „ultra silný“ sklokeramický materiál vyvinutý v roce 1962 nazvaný Chemcor (nyní známý jako Gorilla Glass ) byl vyroben Corning skleněný tým díky úsilí Project Muscle.[20] Chemcor by dokonce byly použity k inovaci Pyroceram řada produktů jako v roce 1961 Corning spuštěno Centura Ware, nová řada Pyroceram který byl obložen skleněným laminátem (vynalezl John MacDowell ) a ošetřeno Chemcor proces.[20] Stookey pokračoval v pokroku v objevování vlastností sklokeramiky, když v roce 1966 objevil, jak zprůhlednit materiál.[20] Ačkoli Corning nevydá produkt se svou novou inovací ze strachu z kanibalizace Pyrex do konce 70. let pod názvem Vize.[20]

FireLite, transparentní sklokeramický materiál vyrobený pro kombinované použití s ​​protipožárními dveřmi a jinými bezpečnostními materiály, byl uveden na trh v roce 1988 společností Elektrické sklo Nippon.[21] Sklokeramika o tloušťce 5 mm je schopna odolat tlaku požární hadice po 20–90 minutách (v závislosti na použitém druhu keramiky) tepla v peci a stále umožňuje 88% viditelného světla procházet jejím povrchem .[15] Tento produkt je stále široce používán a vyráběn dnes společnostmi jako TGP (Technical Glass Products), značka ohnivzdorné sklokeramiky, která je součástí konglomerátu bezpečnostního průmyslu Věrnost.[22]

Zdroje

  1. ^ "Sklokeramické kompozitní materiály pro hermetická těsnění | Elan". Elan Technology. Citováno 2017-06-13.
  2. ^ A b C d E F G h i j k l m n Ó p q El-Meliegy, Emad; Van Noort, Richard (2012). Brýle a skleněná keramika pro lékařské aplikace. Springer. s. 13–17, 109–114.
  3. ^ A b C d E F Holand, Wolfram; Rheinberger, Volker; Schweiger, Marcel (15. března 2003). "Kontrola nukleace ve sklokeramice". Královská společnost. 361: 575–589 - prostřednictvím JSTOR.
  4. ^ A b C d Gerhardt, Lutz-Christian (2010). „Bioaktivní sklo a sklokeramická lešení pro kostní tkáňové inženýrství“. Materiály. 3: 3870–3890 - přes ProQuest.
  5. ^ Hummel, F. A. (1951). "Vlastnosti tepelné roztažnosti některých syntetických lithiových minerálů". Journal of the American Ceramic Society. 34 (8): 235–239. doi:10.1111 / j.1151-2916.1951.tb11646.x.
  6. ^ Smoke, E. J. (1951). "Keramické kompozice mající negativní lineární tepelnou roztažnost". Journal of the American Ceramic Society. 34 (3): 87–90. doi:10.1111 / j.1151-2916.1951.tb13491.x.
  7. ^ Li, C. T. (1971). "Transformační mechanismus mezi vysoce křemíkovou a keatitovou fází LiAlSi2Ó6 složení". Acta Crystallographica. 27 (6): 1132–1140. doi:10.1107 / S0567740871003649.
  8. ^ G. Chollon et. Al. (1997), Thermal stability of a PCS-derived SiC fiber with a low content kyslík (Hi-Nicalon), Journal of Materials Science
  9. ^ „Archivovaná kopie“. Archivovány od originál dne 23. 3. 2005. Citováno 2008-08-03.CS1 maint: archivovaná kopie jako titul (odkaz)
  10. ^ "Řada - Pokyny k čištění skleněné varné desky". www.geappliances.com. Citováno 2017-06-13.
  11. ^ "KeraLite | Vetrotech". Vetrotech | Saint-Gobain. Citováno 2020-12-04.
  12. ^ Popovic, Leo (2020). "Podrobnosti Macor". Mindrum Precision. Citováno 2020-12-04.
  13. ^ „Elektrické sklo Nippon: Nová značka StellaShine ™, sklokeramika pro vrchní desky kuchyňských spotřebičů“. MarketScreener. Citováno 2020-12-04.
  14. ^ „Stránka historie KangerTech“. KangerTech. Citováno 2020-12-04.
  15. ^ A b „Brožura TGP“. www.fireglass.com. Citováno 2020-11-24.
  16. ^ „LeCLAIR.vision: INFORMACE A ČASTO KLADENÉ VIZE“. LeCLAIR.vision. Citováno 2020-12-04.
  17. ^ A b Yardley, William (11.07.2014). „S. Donald Stookey, vědec, umírá v 99 letech; Mezi jeho vynálezy byl CorningWare (publikováno 2014)“. The New York Times. ISSN  0362-4331. Citováno 2020-12-04.
  18. ^ A b Beall, George H. (2016). „Dr. S. Donald (Don) Stookey (1915–2014): průkopnický výzkumník a dobrodruh“. Hranice v materiálech. 3. doi:10.3389 / fmats.2016.00037. ISSN  2296-8016.
  19. ^ „Donald Stookey - Chlap, který nám dal CorningWare - umírá na 99“. Chemické a technické novinky. Citováno 2020-12-04.
  20. ^ A b C d E F Dyer, Davis, Daniel Gross (2001). Generace Corning: Život a doba globální korporace. Oxford University Press. 246–256, 279. ISBN  978-0195140958.
  21. ^ "Historie společnosti". Nippon Electric Glass Co., Ltd. (v japonštině). Citováno 2020-11-24.
  22. ^ "Náš příběh". Allegion Corp. Citováno 2020-11-24.

Literatura

  • McMillan P.W., „The glass phase in glass-ceramics“, Glass Technology, 1974, sv. 15 (1), str. 5-15
  • Bach H. (editor), „Nízko teplotní roztažnost sklokeramiky“, Springer-Verlag (1995).
  • Holand, Wolfram a Beall, George H. Glass-Ceramic Technology. Wiley, 2002. ISBN  978-1-57498-107-0