חומר קרמי

חומר קֶרָמִי הוא חומר מוצק שאינו אורגני או מתכתי. החומר הקרמי הקדום ביותר הוא החרסית (המכונה גם "חימר" ו"חומר"). בימינו, הודות להנדסת חומרים מתקדמת, נכללים בחומרים הקרמיים גם תחמוצות של מתכות (לדוגמה אלומינה), תרכובות של אל-מתכות כדוגמת הסיליקטים (ובהם החול), ואפילו יסודות אל-מתכתיים טהורים (כמו גרפיט ויהלום). קשיותם של חלק מהחומרים הקרמיים עולה רק לאחר חימומם לטמפרטורה גבוהה, כמו עם חרסית.

מבנה האטומים בחומר קרמי יכול להיות גבישי או אמורפי. חומר גבישי יכול להיות חד-גבישי, כלומר מורכבת מגביש יחיד, כמו פרוסת סיליקון, או רב-גבישי, כמו אלומינה. דוגמה לחומר קרמי אמורפי היא הזכוכית.

המילה קרמיקה מקורה ביוונית, ופרושה קדרות. בין השימושים המוקדמים של חומרים קרמיים נמצא כדים עשויים חימר, שהוא בעצם תערובת של מספר חומרים חרסיתיים.

שלט בית מספר 3 ברחוב בירושלים עשוי קרמיקה

מיצג אריחי קרמיקה מצוירים על ידי סטודיו ציונה-לי ברחוב הרכבת בירושלים

תכונות

חומרים קרמיים מהווים משפחה גדולה ומגוונת אשר חבריה שונים זה מזה בתכונותיהם. חומרים אלה בדרך כלל אינם מוליכים חשמל, אך יש לכך יוצאים מן הכלל כמו גרפיט. סוגים מסוימים של חומרים קרמיים התגלו כמוליכי-על בטמפרטורות גבוהות. חלקם בעלי קשיות גבוהה וביניהם היהלום, שהוא החומר הקשה ביותר הקיים על פני כדור הארץ. בשל הקשיות הגבוהה קשה לשרוט אותם (מודול יאנג גבוה). הם שומרים על צורתם וקשה למתוח, ללחוץ או לכופף אותם. כמו כן, יש להם טמפרטורת היתוך גבוהה. חלק אחר של החומרים הקרמיים הם פריכים ובעלי חוזק נמוך, כמו חימר שעובר שריפה והופך לחרס.

שיטות ייצור

ייצור חומר קרמי הוא תהליך מורכב, אשר מותאם באופן ייחודי לכל סוג ייחודי ותכונותיו 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 התערובת הבסיסית, ותוצאתם היא אבקה, כאלו המשתמשות באבקה ויוצרות חומר קרמי צפוף, וכאלו אשר תוך כדי התגובה כימית יוצרות את החומר הסופי. אבקה קרמית ניתן גם להשיג בריסוק של חומר קרמי צפוף מסלעים.

סינטור

סינטור היא השיטה הנפוצה ביותר לייצור חומר גלם קרמי. בתהליך הסינטור, מחממים אבקה קרמית דחוסה, לטמפרטורה שנמוכה משמעותית מטמפרטורת ההתכה שלה. גרגירי האבקה מתחברים זה לזה ויוצרים גוף קשיח. החימום מאפשר הקטנה 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 התוצר המבוקש הוא חד-גבישי, יש צורך לגדל את הגביש באופן איטי ומבוקר, מנקודה אחת שהיא גרעין ההתגבשות, כך שהגביש כולו יצא בכיוון 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)

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

שימושים מודרניים

• זכוכית
• פנלים סולריים
• מוליכים למחצה
• רכיבי שעונים
• כלי חיתוך מתקדמים
• לוחות מבודדים לציפוי חלליות
• מיגון (אפוד מגן ושריון מרוכב)
• אבן שמוט

בטבע

בטבע קיימות צורות רבות של חומרים קרמיים, חד-גבישיים ורב-גבישיים. בטבע, חומרים קרמיים מופיעים בצורת סלעים משלושה מקורות: סלע שנוצר במהלך מיליוני שנים בלחץ וחום בתוך האדמה ונקרא סלע פלוטוני, סלע געשי שנוצר בהתקררות מהירה של מגמה על פני השטח וסלע משקע, שנוצר על פני כדור הארץ מחומר שמקורו בסלע קודם אחר בתנאים רגילים של טמפרטורה ולחץ, או במעמקי הים ללא חום אך תחת לחץ.

ראו גם

• הנדסה קרמית
• הנדסת חומרים

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא חומר קרמי בוויקישיתוף

• קרמיקה, דף שער בספרייה הלאומית