Keramer

Syfte

Att lära mig mer om hur keramer bildas och deras roll i dagens samhälle.

Allmänt om keramer

Keramiska material, keramer, är ett namn på oorganiska, ickemetalliska material. Några kända keramer är glas, tegel, porslin och cement. Keramer kännetecknas av att de tål höga temperaturer, är hårda och tål svåra kemiska miljöer samt att de har relativt låg densitet. Keramer är oftast elektriska isolatorer, men det finns undantag.

Många keramer är jonföreningar, men det finns även keramer med såkallad rymdnätsstruktur. Alla bindningar i keramerna är starka. För att keramen ska vara så värdefull som möjligt bör bindningarna vara så starka som möjligt. De viktigaste keramerna är därför uppbyggda av små atomer.

Tillverkning

När man framställer keramer utgår man ifrån ett material i pulverform. Pulvret utsätts sedan för höga temperaturer, varefter de enskilda kornen kommer att reagera med varandra. Detta kallas sintring. Vid sintringen måste keramen få den önskade formen, eftersom matrialet oftast inte kan bearbetas efteråt.

En närmare indelning av keramer efter tillverkningsteknik ger följande delområden: glas, glaskeramer, natursten, traditionell keramik, avancerad keramik, betong samt övriga material baserade på cement eller andra bindemedel.

För att skapa keramik använder man främst leror med hög halt av kaolinit. Med ren kaolinit får man keramik som tål väldigt höga temperaturer, över 1500ºC. Om kaoliniten är blandad med andra ämnen sänks bränn- och mjuktemperaturen. Det går att genom såkallad glasering belägga keramik med en glasig yta. Olika ämnen används vid glaseringen beroende på vilken färg som keramiken ska få. En ofärgat beläggning skapas med hjälp av salt. Saltet (natriumklorid) förångas i brännugnen och bildar en yta av natriumaluminiumsilikat på föremålet. Färgade glasyrer innehåller  ofta metalloxider, oftast från övergångsmetaller. Den blå färgen som är vanlig på kinesiskt porslin kommer från koboltoxid medan vit glasyr kommer från tennoxid.

När man tillverkar cement blandar man kalksten, lera eller sand, och vatten. Detta torkas sedan och bränns vid runt 1400 ºC. Materialet sintrar då till klumpar, som sedan mals ned till ett pulver tillsammans med några procent gips. Detta kallas cement. Om man sedan vill skapa byggnadsmaterialet betong blandar man cementpulvret med vatten och sten. Genom kemiska reaktioner stelnar sedan materialet. För att ytterligare förstärka betongen använder man ofta såkallat armeringsjärn, alltså ett flertal järnstänger genom hela betongen.

Grundmaterialet i glas är kvartssand, dvs. kiseldioxid. Vid framställningen blandar man kvartssand med soda och kalksten, dvs. natriumkarbonat och kalciumkarbonat. Sodan sänker smältpunkten men gör glaset mindre motståndskraftigt mot kemiska angrepp. Kalkstenen höjer motståndskraften i glaset. När blandningen upphettas går den ordnade rymdnätsstrukturen i kvarts över till stora aggregat av silikatjoner. När det sedan kyls ned hinner de inte ordna sig, utan de fortsätter vara oordnade som under upphettningen. Ett ämne med oordnad struktur kallas "amorft", eller "glas".

Keramernas funktion

Keramer har och har haft många olika funktioner i. Vatten har sedan stenåldern förvarats i oglaserade kärl av lergods för att kunna hålla sig svalt och friskt. Tegelsten har länge använts som byggnadsmaterial. Dagens användningar för keramerna är dock mer avancerade. Det utvecklas hela tiden nya keramer, framställda av andra material än lera. Dessa kan ofta användas vid höga temperaturer eftersom de inte reagerar med andra ämnen. Inte bara inom metallurgin utan också rymdforskningen behövs nya ämnen som tål extrema temperaturer. Man försöker i bil- och flyplansmotorer ersätta olika delar med keramiska material.

Det ämne som har den högsta kända smältpunkten är en keram, hafniumkarbid. Smältpunkten för det är 4500 ºC. Det näst hårdaste materialet man känner till är också en keram, nämligen bornitrid. Dessa extremt hårda ämnen behövs bland annat inom borrning, skärning och slipning.

En speciell typ av keramer som talats mycket om på senare tid är såkallade högtemperatursupraledare. Dessa keramer kan leda ström och dessutom helt utan resistans. Detta betyder alltså att man kan föra över elektrisk energi utan förluster.

Även inom den nya kommunikationstekniken används keramer. Optiska fibrer är en relativt ny teknologi som fungerar mycket bättre än vanlig koppartråd som använts förr. Kärnan i fibern är av glas. Mitten av fibern består av ett material med högt brytningsindex. Utanför finns ett skikt med lägr...