วัสดุเซรามิกขั้นสูงคืออะไร?
เซรามิกขั้นสูง ซึ่งเป็นที่รู้จักทั่วโลกในชื่อเซรามิกทางเทคนิค เซรามิกวิศวกรรม หรือเซรามิกความแม่นยำ ประกอบด้วยออกไซด์ ไนไตรด์ หรือคาร์ไบด์ของธาตุที่ไม่ใช่โลหะและไม่มีคุณสมบัติเป็นโลหะ วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีลักษณะเฉพาะ เช่น ความเปราะ ความแข็ง ความแข็งแรงในการรับแรงอัดสูง และความต้านทานต่อแรงเฉือนและแรงดึงต่ำ โดยทั่วไปแล้ว วัสดุเหล่านี้ทนต่อการกัดกร่อนทางเคมีที่ส่งผลต่อวัสดุอื่นๆ ในสภาพแวดล้อมที่เป็นกรดหรือกัดกร่อน และโดยปกติแล้วจะทนต่ออุณหภูมิที่สูงมากได้ตั้งแต่ 1,000 °C ถึง 1,600 °C (1,800 °F ถึง 3,000 °F)
ทำไมต้องใช้วัสดุเซรามิกขั้นสูง?
เซรามิกขั้นสูงครอบคลุมวัสดุที่หลากหลาย ซึ่งแต่ละชนิดมีองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาคที่แตกต่างกัน ส่งผลให้มีคุณสมบัติและฟังก์ชันการทำงานที่หลากหลาย อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีลักษณะร่วมกันคือ มีความแข็งแรงสูง ความแข็งพิเศษ ทนความร้อน ทนการกัดกร่อน และฉนวนไฟฟ้า เซรามิกขั้นสูงจึงถูกนำมาใช้อย่างแพร่หลายเป็นวัสดุโครงสร้างทางวิศวกรรมและวัสดุเชิงฟังก์ชันในหลายภาคส่วน ซึ่งรวมถึงเครื่องจักร อิเล็กทรอนิกส์ วิศวกรรมเคมี โลหะวิทยา การผลิตพลังงาน การแพทย์ เทคโนโลยีเลเซอร์ ปฏิกิริยานิวเคลียร์ และการใช้งานด้านอวกาศ
เซรามิกขั้นสูงกำลังเปลี่ยนแปลงโลก
เนื่องจากคุณสมบัติที่โดดเด่นในด้านความทนทานต่ออุณหภูมิสูง ความแข็ง และคุณสมบัติทางไฟฟ้า เซรามิกขั้นสูงจึงมักถูกนำมาใช้แทนโลหะ พอลิเมอร์ และวัสดุทนไฟในหลากหลายการใช้งาน ด้วยการปรับเปลี่ยนสูตรทางเคมีหรือกระบวนการผลิต สมรรถนะของเซรามิกสามารถปรับให้เหมาะสมกับสภาวะการใช้งานที่ต้องการได้ การเลือกใช้เซรามิกอย่างถูกต้องสามารถยืดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ เพิ่มประสิทธิภาพ ลดต้นทุนการบำรุงรักษาโดยรวม และปรับปรุงสมรรถนะของผลิตภัณฑ์ให้ดียิ่งขึ้น
สมบัติพื้นฐานของเซรามิกขั้นสูง.
ความแข็งสูงเป็นพิเศษ
หนึ่งในลักษณะที่พบได้บ่อยที่สุดของวัสดุเซรามิกขั้นสูงคือความแข็ง (และความแข็งแรง) ที่สูงมากเป็นพิเศษ โดยบางชนิดมีค่าความแข็งสูงกว่าเหล็กกล้าไร้สนิมถึงสี่เท่า ความแข็งที่น่าทึ่งนี้ส่งผลโดยตรงต่อความต้านทานการสึกหรอที่ยอดเยี่ยม ทำให้ชิ้นส่วนที่ผลิตจากเซรามิกขั้นสูงสามารถทนต่อการใช้งานเป็นเวลานานโดยไม่เกิดการสึกหรออย่างมีนัยสำคัญ
ความแข็งแรงในการรับแรงอัดสูงเป็นพิเศษ
วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีความแข็งแรงในการรับแรงอัดสูงเป็นพิเศษ ตัวอย่างเช่น เซรามิกที่มีความแม่นยำสูงหลายชนิดสามารถทนต่อแรงกดดันสูงมากได้ในช่วงตั้งแต่ 1000 ถึง 4000 เมกะปาสคาล ในทางตรงกันข้าม ไทเทเนียมซึ่งถือเป็นโลหะที่มีความแข็งแรงสูงมาก มีความแข็งแรงในการรับแรงอัดเพียง 1000 เมกะปาสคาลเท่านั้น
โดยทั่วไปมีความหนาแน่นต่ำกว่า
ลักษณะทั่วไปอีกประการหนึ่งของวัสดุเซรามิกขั้นสูงคือความหนาแน่นต่ำ ซึ่งมีค่าอยู่ระหว่าง 2 ถึง 6 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร ซึ่งเบากว่าเหล็กกล้าไร้สนิม (8 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) และไทเทเนียม (4.5 กรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร) อย่างมาก เนื่องจากมีความแข็งสูงและน้ำหนักเบา วัสดุเซรามิกขั้นสูงจึงถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมต่างๆ มากขึ้นเรื่อยๆ โดยให้ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่ไม่มีวัสดุอื่นใดเทียบได้
ทนต่ออุณหภูมิสูง
เซรามิกขั้นสูงสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงซึ่งโลหะส่วนใหญ่ (หรือวัสดุอื่น ๆ แทบทุกชนิด) ไม่สามารถรักษาสมบัติไว้ได้ เซรามิกบางชนิดสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงเกิน 1750°C ซึ่งจัดให้อยู่ในหมวดวัสดุทนความร้อนสูงมาก (ultra-high-temperature materials) เซรามิกเหล่านี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่ามีคุณค่าอย่างยิ่งในงานที่ต้องการความร้อนสูง เช่น เครื่องยนต์, กังหัน, และลูกปืน ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งาน, ปรับปรุงประสิทธิภาพ, และเพิ่มประสิทธิภาพการทำงาน
ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าที่โดดเด่น
วัสดุเซรามิกขั้นสูงมักทำหน้าที่เป็นฉนวนไฟฟ้าที่ยอดเยี่ยม (มีค่าความแข็งแรงไดอิเล็กทริกสูง) ซึ่งพิสูจน์ให้เห็นถึงคุณค่าอย่างยิ่งในแอปพลิเคชันที่ต้องทนต่ออุณหภูมิสูง ซึ่งคุณสมบัติทางกลและทางความร้อนของวัสดุอื่น ๆ มักเสื่อมสภาพลง เซรามิกบางชนิดแสดงการสูญเสียทางไฟฟ้าต่ำและมีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูง ซึ่งมักถูกนำไปใช้ในแอปพลิเคชันอิเล็กทรอนิกส์ เช่น ตัวเก็บประจุและตัวเรโซเนเตอร์ นอกจากนี้ ความสามารถในการผสานคุณสมบัติการเป็นฉนวนเข้ากับส่วนประกอบโครงสร้างได้ผลักดันให้เกิดนวัตกรรมผลิตภัณฑ์มากมาย ทำให้สามารถนำไปใช้ได้อย่างกว้างขวาง
ความเฉื่อยทางเคมีและความต้านทานการกัดกร่อน
วัสดุเซรามิกขั้นสูงมีความเสถียรทางเคมีที่ยอดเยี่ยมและมีความละลายต่ำ ทำให้มีความต้านทานการกัดกร่อนสูง ทั้งโลหะและพอลิเมอร์ไม่สามารถให้ความเฉื่อยหรือความต้านทานการกัดกร่อนที่เทียบเคียงได้ ทำให้วัสดุเซรามิกขั้นสูงเป็นตัวเลือกที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์และอุตสาหกรรมหลายประเภท โดยเฉพาะอย่างยิ่งในกรณีที่ต้องการความต้านทานการสึกหรอด้วย การใช้ชิ้นส่วนเซรามิกขั้นสูงได้เห็นการเติบโตอย่างมีนัยสำคัญ
ข้อเสียของเซรามิกขั้นสูง.
ความยืดหยุ่นต่ำ
เนื่องจากความแข็งสูงที่มักพบในเซรามิกขั้นสูงหลังจากการเผาผนึก การขึ้นรูปวัสดุเหล่านี้จึงมีความท้าทายอย่างมาก ดังนั้น แตกต่างจากวัสดุโลหะทั่วไป เซรามิกขั้นสูงส่วนใหญ่สามารถประมวลผลได้เฉพาะหลังจากการเผาผนึกเท่านั้น โดยใช้เครื่องมือขัดที่ใช้เครื่องมือขัด นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมสำหรับโครงสร้างที่เหมือนกัน ชิ้นส่วนเซรามิกขั้นสูงจึงมีราคาสูงกว่าชิ้นส่วนโลหะ โชคดีที่บริษัทของเรามีเซรามิกแก้วไมโครคริสตัลไลน์ที่สามารถกลึงได้และเซรามิกบอรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม ซึ่งสามารถแปรรูปได้โดยใช้วิธีการตัดแบบทั่วไปและมีความสามารถในการทำงานสูง
วัสดุที่เปราะบาง
พันธะอะตอมในเซรามิกขั้นสูงประกอบด้วยพันธะไอออนิกและพันธะโคเวเลนต์ โครงสร้างพันธะนี้ทำให้การเคลื่อนที่ของอะตอมเป็นไปได้ยาก ส่งผลให้มีความแข็งแรงเป็นพิเศษ ในขณะเดียวกันก็ทำให้เซรามิกขั้นสูงขาดความเหนียว ซึ่งอาจทำให้มีความเปราะสูง ในทางตรงกันข้าม โลหะมีพันธะโลหะที่ค่อนข้างอ่อน ทำให้อะตอมสามารถจับตัวกันได้ในทุกทิศทาง ความสามารถในการสร้างพันธะหลายทิศทางจำนวนมากนี้ทำให้โลหะมีความเหนียวและความแข็งแรงทนทาน ดังนั้น การเลือกใช้วัสดุเซรามิกขั้นสูงที่เหมาะสมและการออกแบบโครงสร้างอย่างรอบคอบจึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง
ยากต่อการออกแบบ
เซรามิกขั้นสูงแต่ละประเภทมีคุณสมบัติทางความร้อน กลไก และไฟฟ้าเฉพาะตัว ซึ่งอาจแตกต่างกันไปตามสภาพการใช้งานและการออกแบบผลิตภัณฑ์ อันที่จริง แม้แต่กระบวนการผลิตของวัสดุเซรามิกขั้นสูงประเภทเดียวกันก็สามารถเปลี่ยนแปลงลักษณะการทำงานได้อย่างมีนัยสำคัญ




