Chất rắn
Phân loại > Gốm sứ

Xem thêm thông tin: Đồ gốm
Gốm sứ là những vật liệu vô cơ cấu tạo gồm những nguyên tố kim loại và phi kim liên kết hóa học với nhau. Chúng có thể tồn tại ở dạng tinh thể, phi tinh thể, hoặc hỗn hợp của cả hai dạng. Gốm sứ có độ cứng cao, độ bền nhiệt tốt, độ dẫn nhiệt và hệ số giãn nở vì nhiệt thấp. Ngoài ra, gốm sứ là vật liệu trơ về mặt hóa học, có khả năng chịu được sự ăn mòn hóa học xảy ra trong môi trường axit hoặc kiềm (xút ăn da). Gốm sứ thường có thể chịu được nhiệt độ cao từ 1000 đến 1600 °C (1800 đến 3000 °F). Các trường hợp ngoại lệ bao gồm các vật liệu vô cơ không phải oxit, chẳng hạn như nitrit, borid và cacbit.
Thành phần nguyên liệu thô để sản xuất gốm sứ truyền thống bao gồm khoáng sét như kaolinit, silica, và felspat. Đất sét, chiếm phần lớn trong thành phần cấu tạo của gốm sứ, có công thức Al
2O
3·2SiO
2·2H2O với lượng nhỏ tạp chất. Silica (SiO
2) có nhiệt độ nóng chảy cao nên giúp gốm sứ có tính chịu nhiệt tốt. Felspat (K
2O·Al
2O
3·6H2O) có nhiệt độ nóng chảy thấp, giúp kết dính các cấu tử chịu nhiệt lại với nhau. Các loại gốm sứ được phát triển gần đây hơn có chứa thêm nhôm oxit (alumin), carbide silic, và carbide wolfram trong thành phần cấu tạo. Carbide silic và carbide wolfram được đánh giá cao về khả năng chống mài mòn và do đó được sử dụng trong các ứng dụng như tấm mài mòn của thiết bị nghiền trong hoạt động khai thác.
Hầu hết các vật liệu gốm, chẳng hạn như alumin và các hợp chất của nó, được hình thành từ bột mịn, tạo ra một vi cấu trúc đa tinh thể hạt mịn chứa đầy các trung tâm tán xạ ánh sáng tương đương với bước sóng của ánh sáng khả kiến. Do đó, chúng thường là những vật liệu không trong suốt, trái ngược với những vật liệu trong suốt. Tuy nhiên, công nghệ kích thước nano gần đây (ví dụ như sol-gel) đã có thể sản xuất gốm sứ trong suốt đa tinh thể như alumin trong suốt và các hợp chất alumin cho các ứng dụng như laser công suất cao. Gốm sứ cao cấp cũng được sử dụng trong các ngành công nghiệp y học, điện, và điện tử.
Kỹ thuật gốm là khoa học và công nghệ tạo ra các vật liệu, bộ phận và thiết bị bằng gốm ở trạng thái rắn. Điều này được thực hiện bằng phương pháp phản ứng kết tủa từ các dung dịch hóa học dưới tác dụng của nhiệt, hoặc ở nhiệt độ thấp. Thuật ngữ này bao gồm quá trình tinh chế nguyên liệu thô, nghiên cứu và sản xuất các hợp chất hóa học có liên quan, sự hình thành các cấu tử, và việc nghiên cứu cấu trúc, thành phần cấu tạo, và tính chất của chúng.
Về mặt cơ học, vật liệu gốm có tính giòn, cứng, chịu nén mạnh và chịu lực kéo và cắt yếu. Vật liệu giòn có thể thể hiện độ bền kéo đáng kể bằng cách chịu tải trọng tĩnh. Độ bền cho biết vật liệu có thể hấp thụ bao nhiêu năng lượng trước khi hỏng hóc cơ học, trong khi độ bền đứt gãy (fracture toughness) (ký hiệu là KIc) mô tả khả năng của vật liệu với các sai hỏng mạng tinh thể vốn có nhằm chống lại sự đứt gãy thông qua sự phát triển và lan truyền vết nứt. Nếu một vật liệu có giá trị độ bền đứt gãy lớn, các nguyên tắc cơ bản của lĩnh vực cơ học đứt gãy cho thấy rằng nó rất có thể sẽ trải qua quá trình đứt gãy dẻo. Gãy giòn là tính chất đặc trưng của hầu hết các vật liệu gốm và gốm thủy tinh thường biểu hiện các giá trị KIc thấp (và không nhất quán).
Ví dụ về các ứng dụng của gốm sứ, độ cứng cực cao của zirconia được sử dụng trong sản xuất lưỡi dao, cũng như các dụng cụ cắt công nghiệp khác. Những loại vật liệu gốm sứ như nhôm oxit (Al
2O
3), bo carbide (B
4C), và silic carbide (SiC) đã được sử dụng trong áo chống đạn để có thể chịu được lực đạn của súng trường cỡ lớn. Silic nitride (Si
3N
4) được sử dụng trong các ổ bi sứ, nhờ vào đặc tính độ cứng cao giúp chúng chống mài mòn hiệu quả. Gốm sứ cũng có khả năng chống hóa chất và có thể được sử dụng trong môi trường ẩm ướt, nơi các ổ trục thép sẽ dễ bị ăn mòn do oxy hóa.
Một ví dụ khác về các ứng dụng gốm, vào đầu những năm 1980, Toyota đã nghiên cứu sản xuất động cơ đốt trong gốm đoạn nhiệt với buồng đốt làm bằng gốm. Động cơ gốm không yêu cầu hệ thống làm mát do đó cho phép giảm trọng lượng đáng kể và đạt hiệu suất nhiên liệu cao hơn. Trong một động cơ kim loại thông thường, phần lớn năng lượng thải ra từ nhiên liệu phải được tiêu tán dưới dạng nhiệt thải để ngăn chặn sự nóng chảy của các bộ phận kim loại. Gốm sứ cũng đang được nghiên cứu nhằm ứng dụng trong động cơ tuabin khí (Ceramic gas turbine – CGT). Động cơ tuabin làm bằng gốm sứ sử dụng trong máy bay có thể hoạt động hiệu quả hơn, giúp máy bay tầm hoạt động và khả năng chịu tải lớn hơn đối với một lượng nhiên liệu nhất định. Tuy nhiên, những động cơ như vậy không được sản xuất vì việc sản xuất các bộ phận bằng gốm với độ chính xác và độ bền cao là rất khó và tốn kém. Các phương pháp xử lý thường dẫn đến sự phân bố rộng rãi của các sai hỏng mạng tinh thể cực nhỏ, thường đóng vai trò bất lợi trong quá trình thiêu kết, dẫn đến sự gia tăng các vết nứt và cuối cùng là hỏng hóc cơ học.