Eräs näkemys
Keraamit
| Etälukion kemia, artikkelit | ||
|
Mitä
yhteistä on avaruussukkulalla ja Pompeijin raunioilla? Eräs näkemys Keraamit |
|
Keraami on yleisnimitys keraamisille materiaaleille, joita valmistetaan korkeissa lämpötiloissa polttoprosessilla epäorgaanisista lähtöaineista. Arkikielessä termillä "keraami" viitataan kuitenkin usein ns. hi-tech-keraameihin, jotka ovat viime vuosikymmeninä kehiteltyjä uusia materiaaleja. Nimityksellä pyritään erottamaan nämä materiaalit perinteisestä keramiikasta. Teknisessä materiaaliluokituksessa keraamit käsitetään laajemmin: niihin luetaan keramiikan ja hi-tech-keraamien ohella kuuluviksi myös lasit, sementti- ja betonimateriaalit.
Keramiikan lähtöaineina ovat savipohjaiset raaka-aineet. Savi on pääosin alumiinisilikaattia. Tuotteet käyvät läpi polttoprosessin, jossa mineraaliset raaka-aineet sintrautuvat kivimäiseksi materiaaliksi. Keramiikan valmistuksen perusidea keksittiin jo paljon ennen kuin opittiin valmistamaan ja työstämään metalleja. Keramiikkatuotteilla on edelleenkin tärkeä merkitys. Yleisimpiä keramiikkatuotteita ovat rakennustiilet, lämpöeristemateriaalit, wc-istuimet ja lavuaarit, kaakelilaatat, lattiaklinkkerit, ruokailuastiat sekä sähköeristimet.
Hi-tech-keraameihin kuuluu erittäin lujia materiaaleja, jotka korvaavat metalleja ja ovat niitä parempia keveytensä, korroosion ja kuumuuden kestävyytensä takia. Ne sopivat esimerkiksi moottoreihin, piirilevyihin sekä metallintyöstökoneisiin ja leikkureiden teriksi. Keraameilla on laajaa käyttöä myös ydinvoima-, avaruus- ja tietokonetekniikassa. Jotkin keraamit ovat suprajohteita. Keraameilla on lääketieteellistäkin merkitystä: bioaktiivisilla ja liukenevilla keraameilla korvataan vaurioitunutta luuta, bioinerteistä keraameista puolestaan voidaan valmistaa tukia, joiden ympärille elävä kudos kasvattaa kuitumaiset kiinnikkeet.
Hi-tech-keraamien valmistus on vanhan keramiikan valmistustaidon perillinen. Raaka-aineina näissä hi-tech-keraameissa ovat saven asemesta puhtaat metallioksidit, esimerkiksi alumiinin, magnesiumin ja zirkoniumin oksidit. Muitakin metalliyhdisteitä voidaan käyttää. Tyypillisessä valmistustavassa komponentit jauhetaan hyvin hienojakoisiksi, sekoitetaan, puristetaan tiiviiksi massaksi tai muotissa haluttuun muotoon ja kuumennetaan. Kuumennustapoja on erityyppisiä: uunien ohella käytetään esimerkiksi plasmasuihkua. Kuumennuslämpötila ei saa ylittää minkään seoskomponentin sulamispistettä.
Kuumennuksessa tapahtuu kemiallinen reaktio kiinteiden aineiden välillä. Esimerkiksi oksideissa metallin ja hapen välinen sidos katkeaa ja syntyy uusia sidoksia hapen ja eri metalliatomien välille.
Monet keraamit ovat kiteisiä aineita, mutta keraameihin kuuluu myös amorfisia aineita (lasit). Keraamit voivat sisältää metalli-ioneja, mutta metallien ja puolimetallien molekyyliyhdisteitäkin esiintyy. Yhdistekirjo on laaja, mukana on mm. silikaatteja, oksideja, karbideja, nitridejä, sulfideja ja borideja.
Keraamit luokitellaan tavallisimmin verkkorakenteisiksi kiinteiksi aineiksi, joissa sidokset ovat kovalenttisia. Tosin jotkin metallien ja epämetallien väliset sidokset ovat keraameissakin luonteeltaan ionisia. Vertailun vuoksi mainittakoon, että myös timantti kuuluu verkkorakenteisiin kiinteisiin aineisiin. Keraameista timantti poikkeaa sikäli, että sen kaikki atomit ovat samaa alkuainetta ja kaikki sidokset samanlaisia. Keraameissa puolestaan sidosten vahvuus voi vaihdella ja mukana on eri alkuaineiden atomeja (ne ovat siis kemiallisia yhdisteitä). Niinpä keraameilla saattaa olla hyvinkin monenlaisia ominaisuuksia, joita voidaan hyödyntää eri käyttökohteissa.
Keraamien tutkimus on vilkasta ja tuottaa jatkuvasti uutta, mutta selvittämätöntäkin on vielä paljon. Esimerkiksi korkean lämpötilan suprajohtavuutta ei osata selittää teoreettisesti, vaan keraamisten suprajohteiden löytyminen perustuu enemmänkin onnekkaaseen arvaukseen.
Magneetti leijuu nestetyppeen sijoitetun suprajohtavan keraamipalasen yläpuolella. Tämä Meissner-efektinä tunnettu ilmiö on herättänyt toiveita monista mielikuvituksellisista sovelluksista, kuten kiskojen yllä kitkattomasti liikkuvista junista! Toistaiseksi suprajohteita käytetään elektroniikassa ja magneettien valmistuksessa. Ongelmina monien muiden sovellusten kehittelyssä ovat keraamisten materiaalien hauraus ja käytön edellyttämät matalat lämpötilat.
Keraamien kemiallinen reaktiivisuus riippuu aineeseen sisältyvistä kemiallisista sidoksista, erityisesti materiaalin pinnan sidoksista. Sähköiset ja optiset ominaisuudet johtuvat puolestaan elektronien jakautumisesta. Magneettiset ominaisuudet määräytyvät elektronien ja ytimien jakautumisesta verkkorakenteessa. Termisiin ominaisuuksiin taas vaikuttavat edellisten lisäksi atomiytimien massat.
Materiaalin lujuutta voidaan tarkastella useista näkökulmista, joita ovat mm. kulutuskestävyys, jäykkyys ja murtumalujuus. Nämä ominaisuudet riippuvat paljon enemmän materiaalin rakenteen muista tekijöistä kuin varsinaisista kemiallisista sidoksista.