חומר קרמי

חומר קרמי הוא חומר מוצק שאינו אורגני או מתכתי. קרמיקה יכולה להיות תחמוצת של מתכת (לדוגמה אלומינה) או תרכובת של יסודות אל מתכתיים (לדוגמה גרפיט).
מבנה האטומים בקרמיקה יכול להיות גבישי (מסודר) או אמורפי (חסר סדר). קרמיקה גבישית יכולה להיות חד-גבישית, כלומר מורכבת מגביש יחיד, כמו פרוסת סיליקון, או רב-גבישית, כמו אלומינה. דוגמה לקרמיקה אמורפית היא זכוכית.
המלה קרמיקה מקורה ביוונית, ופרושה קדרות. בין השימושים המוקדמים לקרמיקה נמצא כדים מחרס, תערובות שונות של חומרים חרסיתיים.

תכונות הקרמיקה

הקרמיקה היא משפחה גדולה של חומרים, שהם בעלי תכונות שונות מאוד זה מזה. בכל זאת ניתן למצוא מספר תכונות שאופייניות למרבית הקרמיקות.
בדרך כלל הקרמיקה אינה מוליכה חשמל, אך יש לכך יוצאים מן הכלל כמו גרפיט, וכן סוגים מסוימים של קרמיקות שהתגלו כמוליכות-על בטמפרטורות גבוהות. מרבית הקרמיקות הן קשות, כולל היהלום שהוא החומר הקשה ביותר הקיים על פני כדור הארץ. קרמיקות הן לרוב שבירות ובעלות חוזק נמוך, ולכן אינן משמשות כחומר מבנה, פרט למקרים מסוימים. מרבית הקרמיקות הן בעלות קשיות גבוהה - לכן קשה לשרוט אותן, מודול יאנג גבוה - לכן שומרות על צורתן וקשה למתוח, ללחוץ או לכופף אותן, וטמפרטורת היתוך גבוהה.

שיטות ייצור

ייצור קרמיקה הוא תהליך מורכב, אשר מותאם באופן ייחודי לכל סוג של קרמיקה ותכונותיה הרצויות. התהליך הוא בעל השפעה מכרעת על התוצאה הסופית, ושני תהליכים שונים לא יניבו את אותם החומרים, גם אם הרכבם זהה. שיטות הייצור נחלקות לכאלו המיועדות לייצר את התרכובת הבסיסית, ותוצאתם היא אבקה, כאלו המשתמשות באבקה של הקרמיקה ויוצרות חומר קרמי צפוף, וכאלו אשר תוך כדי התגובה יוצרות את החומר הסופי. אבקה קרמית ניתן גם להשיג בריסוק של הקרמיקה הצפופה, למשל מסלעים.

סינטור

סינטור היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור חומר גלם קרמי. בתהליך הסינטור, מחממים אבקה קרמית דחוסה, לטמפרטורה שנמוכה משמעותית מטמפרטורת ההתכה של החומר. גרגירי האבקה מתחברים זה לזה ויוצרים גוף קשיח. החימום מאפשר מינימיזציה של אנרגיית פני שטח (מתח פנים), שהיא גבוהה במצב אבקתי. את תהליך הסינטור נהוג לחלק למספר שלבים, כאשר השלב הראשון הוא היווצרות "צווארים" (necking) בין הגרגרים, לאחר מכן דחיסת החומר והיעלמות החללים. התוצאה של תהליך הסינטור היא חומר קרמי רב-גבישי. סינטור יכול להתבצע לעיתים באופן יעיל יותר עם הפעלת לחץ בזמן החימום, אם חד-כווני כמו במכבש, ואם איזוסטטי כמו ב-HIP ‏ (Hot isostatic press).

יציקה

תהליך נפוץ נוסף ליצירת חומר קרמי אחיד הוא יציקה. בתהליך זה מתיכים אבקה או שאריות של החומר ויוצקים לתבנית בעלת הצורה המבוקשת. חלונות זכוכית מיוצרים ביציקה, בתהליך שהומצא בשנת 1953, שבו יוצקים את הזכוכית המותכת על גבי בדיל מותך, כך שהזכוכית צפה על גבי הבדיל ויוצרת שכבה אחידה וחלקה.

גידול גבישי

כאשר הקרמיקה המבוקשת היא חד-גבישית, יש צורך לגדל את הגביש באופן איטי ומבוקר, מנקודה אחת שהיא גרעין ההתגבשות, כך שהגביש כולו יצא בכוון קריסטלוגרפי יחיד.
בתהליך צ'וחרלסקי (Czochralski, Чохральски) מכניסים מוט סיליקון קטן המשמש כגרעין התגבשות לצינור קוורץ שבו סיליקון מותך ונקי, ויוצרים תוך משיכה וסיבוב של המוט יחד עם הפרשי הטמפרטורות, גביש יחיד גדול. הגביש בשיטה זו גדל מן המרכז החוצה.
בתהליך ברידג'מן-סטוקברגר (Bridgman–Stockbarger) הגביש גדל בצינור עם סיליקון מותך, שצדו האחד קר יותר ובו פרוסת סיליקון המשמשת כגרעין התגבשות, והגביש בתהליך גדל לאורך הצינור בהתחילו מהצד הזה.

שיקוע כימי (chemical vapor deposition)

תגובה כימית היוצרת קרמיקה, בגז או נוזל. התוצר הקרמי של התגובה שוקע על מצע, כך שנוצר חומר מוצק. שיטה זו משמשת להכנת שכבות דקות של קרמיקה, אך גם חומרים עבים המשמשים כחומר בנייה הנדסי. שיטה זו יוצרת גם את התרכובת הקרמית עצמה וגם את החומר המוגמר.

בטבע

בטבע קיימות קרמיקות רבות, חד-גבישיות ורב-גבישיות. קרמיקה בטבע מצויה בצורת סלע. סלע שנוצר במהלך מיליוני שנים בלחץ וחום בתוככי האדמה נקרא סלע פלוטוני. סלע געשי נוצר בהתקררות מהירה על פני השטח. סלע משקע נוצר על פני כדור הארץ מחומר שמקורו בסלע קודם אחר בתנאים רגילים של טמפרטורה ולחץ, או במעמקי הים ללא חום אך תחת לחץ.