هندسة السيراميك

هندسة السيراميك هي علم تصنيع الأجسام من مواد غير عضوية وغير معدنية. ويتم ذلك باستخدام الحرارة أو تفاعلات الترسيب على محاليل كيميائية عالية النقاوة عند درجات حرارة منخفضة. يشمل هذا المصطلح تنقية المواد الخام، ودراسة وإنتاج المركبات الكيميائية، وتكوينها إلى مكونات، ودراسة بنيتها وتركيبها وخصائصها.

قد تمتلك المواد الخزفية بنية بلورية أو شبه بلورية، مع ترتيب طويل المدى على المستوى الذري. أما الخزف الزجاجي فقد يمتلك بنية غير متبلورة أو زجاجية. ويمكن تشكيله من كتلة منصهرة تتصلب عند التبريد، أو تصنيعه كيميائياً في درجات حرارة منخفضة باستخدام طرق مثل التخليق الحراري المائي .

تُستخدم المواد الخزفية في مجالات هندسة المواد ، والهندسة الكهربائية ، والهندسة الكيميائية ، والهندسة الميكانيكية . تتميز المواد الخزفية بمقاومتها للحرارة، لذا يمكن استخدامها في مهام لا تناسبها مواد مثل المعادن والبوليمرات . ^{[ 1 ]}

تطورت هندسة السيراميك، مثل العديد من العلوم، من تخصص مختلف. ويُعتبر علم وهندسة المواد عموماً أصل هندسة السيراميك. ^{[ 2 ]}

استخدم أبراهام داربي فحم الكوك لأول مرة عام 1709 في شروبشاير، إنجلترا، لتحسين إنتاجية عملية الصهر. ^{[ 3 ]} يُستخدم فحم الكوك الآن على نطاق واسع في إنتاج خزف الكربيد. افتتح الخزّاف جوزيا ويدجوود أول مصنع حديث للخزف في ستوك أون ترينت ، إنجلترا، عام 1759. طوّر الكيميائي النمساوي كارل جوزيف باير ، الذي كان يعمل في صناعة النسيج في روسيا، عملية لفصل الألومينا عن خام البوكسيت عام 1888. ولا تزال عملية باير تُستخدم لتنقية الألومينا لصناعات الخزف والألومنيوم. ^{[ 4 ]} اكتشف الأخوان بيير وجاك كوري خاصية الكهروإجهاد في ملح روشيل حوالي عام 1880. تُعدّ الكهروإجهاد إحدى الخصائص الرئيسية للخزف الكهربائي .

قام إي جي أتشيسون بتسخين خليط من فحم الكوك والطين عام 1893، واخترع الكاربورندوم، أو كربيد السيليكون الصناعي . كما قام هنري مويسان بتصنيع كربيد السيليكون وكربيد التنجستن في فرن القوس الكهربائي الخاص به في باريس في نفس الوقت تقريبًا الذي قام فيه أتشيسون بذلك. استخدم كارل شروتر التلبيد في الطور السائل لربط أو "تثبيت" جزيئات كربيد التنجستن التي ابتكرها مويسان بالكوبالت عام 1923 في ألمانيا. تعمل حواف الكربيد المثبتة (المرتبطة بالمعدن) على زيادة متانة أدوات القطع المصنوعة من الفولاذ المقوى بشكل كبير . طور دبليو إتش نيرنست الزركونيا المكعبة المستقرة في عشرينيات القرن الماضي في برلين. تُستخدم هذه المادة كمستشعر للأكسجين في أنظمة العادم. يُعدّ الهشاشة العائق الرئيسي أمام استخدام السيراميك في الهندسة. ^{[ 1 ]}

جيش

شجعت المتطلبات العسكرية للحرب العالمية الثانية على الابتكار، مما أدى إلى الحاجة لمواد عالية الأداء وساهم في تسريع تطور علوم وهندسة السيراميك. وخلال الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين، طُوّرت أنواع جديدة من السيراميك استجابةً للتقدم في مجالات الطاقة الذرية والإلكترونيات والاتصالات والسفر الفضائي. وقد حفّز اكتشاف الموصلات الفائقة السيراميكية عام ١٩٨٦ الأبحاث لتطوير أجزاء سيراميكية فائقة التوصيل للأجهزة الإلكترونية والمحركات الكهربائية ومعدات النقل. ^{[ ٥ ] [ ٦ ]}

هناك حاجة متزايدة في القطاع العسكري لمواد عالية القوة والمتانة قادرة على نقل الضوء في نطاقي الطيف المرئي (0.4-0.7 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء المتوسطة (1-5 ميكرومتر). هذه المواد ضرورية للتطبيقات التي تتطلب دروعًا شفافة . الدرع الشفاف عبارة عن مادة أو نظام من المواد مصمم ليكون شفافًا بصريًا، مع توفير الحماية من الشظايا أو الصدمات الباليستية. الشرط الأساسي لنظام الدرع الشفاف ليس فقط صدّ التهديد المحدد، بل أيضًا توفير قدرة على تحمل ضربات متعددة مع تقليل تشويه المناطق المحيطة إلى أدنى حد. يجب أن تكون نوافذ الدرع الشفاف متوافقة مع أجهزة الرؤية الليلية. ويجري البحث حاليًا عن مواد جديدة أرق وأخف وزنًا وتوفر أداءً باليستيًا أفضل. ^{[ 7 ]}

وقد وجدت هذه المكونات الصلبة استخدامًا واسع النطاق في المجال الكهروضوئي بما في ذلك الألياف البصرية لنقل الموجات الضوئية الموجهة، والمفاتيح البصرية ، ومضخمات الليزر والعدسات ، والمضيفات لأجهزة الليزر الصلبة ومواد النوافذ البصرية لأجهزة الليزر الغازية، وأجهزة البحث عن الحرارة بالأشعة تحت الحمراء لأنظمة توجيه الصواريخ والرؤية الليلية بالأشعة تحت الحمراء . ^{[ 8 ]}

تشمل تطبيقات هندسة السيراميك حاليًا ما يلي:

• تُستخدم خزفيات ثاني أكسيد الزركونيوم في صناعة السكاكين. تحافظ شفرة السكين الخزفية على حدتها لفترة أطول بكثير من شفرة السكين الفولاذية، على الرغم من أنها أكثر هشاشة ويمكن كسرها عند سقوطها على سطح صلب.
• تُستخدم مواد خزفية مثل الألومينا وكربيد البورون وكربيد السيليكون في صناعة السترات الواقية من الرصاص لصد نيران بنادق الأسلحة الصغيرة . وتُعرف هذه الصفائح باسم الصفائح الباليستية . كما تُستخدم مواد مماثلة لحماية قمرات قيادة بعض الطائرات العسكرية، نظرًا لخفة وزنها.
• تُستخدم أجزاء من نيتريد السيليكون في محامل الكرات الخزفية. صلابتها العالية تجعلها أقل عرضة للتآكل، ما يُطيل عمرها الافتراضي لأكثر من ثلاثة أضعاف. كما أنها أقل عرضة للتشوه تحت الحمل، ما يقلل احتكاكها بجدران حامل المحمل، وبالتالي يسمح لها بالدوران بسرعة أكبر. في التطبيقات عالية السرعة، قد تُسبب الحرارة الناتجة عن الاحتكاك أثناء الدوران مشاكل للمحامل المعدنية، ويُقلل استخدام السيراميك من هذه المشاكل. يتميز السيراميك أيضًا بمقاومته الكيميائية العالية، ما يجعله مناسبًا للاستخدام في البيئات الرطبة حيث تصدأ المحامل الفولاذية. في كثير من الحالات، تُعد خصائصه العازلة للكهرباء ذات قيمة كبيرة في المحامل. أما العيب الرئيسي لاستخدام السيراميك فهو تكلفته العالية بشكل ملحوظ.
• في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، أجرت شركة تويوتا أبحاثًا حول إنتاج محرك خزفي معزول حراريًا ، قادر على العمل عند درجة حرارة تتجاوز 3300  درجة مئوية  . لا تتطلب المحركات الخزفية نظام تبريد، مما يسمح بتقليل وزنها بشكل كبير، وبالتالي زيادة كفاءة استهلاك الوقود. كما أن كفاءة استهلاك الوقود في هذا المحرك تكون أعلى عند درجات الحرارة المرتفعة، كما توضح نظرية كارنو . في المحرك المعدني التقليدي، يجب تبديد جزء كبير من الطاقة المنبعثة من الوقود على شكل حرارة مهدرة لمنع انصهار الأجزاء المعدنية. على الرغم من كل هذه الخصائص المرغوبة، فإن هذه المحركات غير متوفرة في الأسواق حاليًا، نظرًا لصعوبة تصنيع الأجزاء الخزفية بالدقة والمتانة المطلوبتين. يؤدي أي خلل في الخزف إلى تشققات، مما قد يتسبب في أعطال خطيرة في المعدات. يمكن تطوير مثل هذه المحركات في المختبرات، لكن الإنتاج الضخم غير ممكن بالتقنيات الحالية.
• يجري العمل على تطوير أجزاء خزفية لمحركات التوربينات الغازية . حاليًا، حتى الشفرات المصنوعة من سبائك معدنية متطورة والمستخدمة في الجزء الساخن من المحركات تتطلب تبريدًا وتحكمًا دقيقًا في درجات حرارة التشغيل. يمكن لمحركات التوربينات المصنوعة من السيراميك أن تعمل بكفاءة أعلى، مما يمنح الطائرات مدى طيران وحمولة أكبر بكمية محددة من الوقود. ^{[ 9 ]}

• شهدت صناعة السيراميك مؤخرًا تطورات ملحوظة، بما في ذلك السيراميك الحيوي، مثل زراعة الأسنان والعظام الاصطناعية . وقد تم تصنيع هيدروكسيباتيت ، المكون المعدني الطبيعي للعظام، صناعيًا من مصادر بيولوجية وكيميائية متعددة، ويمكن تشكيله إلى مواد سيراميكية. تلتصق غرسات العظام المصنوعة من هذه المواد بسهولة بالعظام والأنسجة الأخرى في الجسم دون رفض أو تفاعلات التهابية. ولذلك، فهي تحظى باهتمام كبير في مجال توصيل الجينات وهياكل هندسة الأنسجة . تتميز معظم أنواع سيراميك هيدروكسيباتيت بمساميتها العالية وضعف قوتها الميكانيكية، وتُستخدم لتغطية أجهزة تقويم العظام المعدنية للمساعدة في تكوين رابطة مع العظام أو كحشوات عظمية. كما تُستخدم أيضًا كحشوات لمسامير تقويم العظام البلاستيكية للمساعدة في تقليل الالتهاب وزيادة امتصاص هذه المواد البلاستيكية. ويجري العمل حاليًا على تصنيع مواد سيراميك هيدروكسيباتيت نانوية بلورية قوية وكثيفة تمامًا لأجهزة تقويم العظام الحاملة للوزن، وذلك لاستبدال المواد المعدنية والبلاستيكية الغريبة المستخدمة في تقويم العظام بمعدن عظمي اصطناعي، ولكنه طبيعي المنشأ. في نهاية المطاف، يمكن استخدام هذه المواد الخزفية كبدائل للعظام، أو كعظام اصطناعية عند دمج الكولاجين البروتيني فيها.
• تُستخدم المواد الخزفية المتينة المحتوية على الأكتينيدات في تطبيقات متنوعة، منها الوقود النووي لحرق فائض البلوتونيوم، ومصادر إشعاع ألفا الخاملة كيميائيًا لتزويد المركبات الفضائية غير المأهولة بالطاقة، أو لإنتاج الكهرباء للأجهزة الإلكترونية الدقيقة. ويتطلب كل من استخدام الأكتينيدات المشعة والتخلص منها تثبيتها في مادة مضيفة متينة. وتُثبَّت النظائر المشعة طويلة العمر، مثل الأكتينيدات، الموجودة في النفايات النووية، باستخدام مواد بلورية متينة كيميائيًا، تعتمد على الخزف متعدد البلورات والبلورات الأحادية الكبيرة. ^{[ 10 ]}

• تُستخدم سيراميكات الألومينا في الصناعات الكيميائية نظرًا لثباتها الكيميائي ومقاومتها العالية للتآكل . وتُستخدم في صناعة مراوح المضخات المقاومة للأحماض وأجسام المضخات، مما يضمن أداءً طويل الأمد في نقل السوائل العدوانية. ^{[ 11 ] [ 12 ]} كما تُستخدم أيضًا في بطانات الأنابيب الناقلة للأحماض لمنع التلوث والحفاظ على نقاء السوائل، وهو أمر بالغ الأهمية في صناعات مثل الأدوية وتصنيع الأغذية . ^{[ 13 ]} تتميز الصمامات المصنوعة من سيراميكات الألومينا بمتانتها العالية ومقاومتها للهجوم الكيميائي، مما يجعلها مفيدة للتحكم في تدفق السوائل المسببة للتآكل. ^{[ 14 ]}

تتشابه المواد الزجاجية الخزفية في العديد من الخصائص مع كل من الزجاج والخزف. تتكون هذه المواد من طور غير متبلور وطور متبلور واحد أو أكثر، وتُنتج من خلال ما يُعرف بـ"التبلور المُتحكم به"، وهي عملية تُتجنب عادةً في صناعة الزجاج. غالبًا ما تحتوي المواد الزجاجية الخزفية على طور متبلور يُشكل ما بين 30% و90% من تركيبها الحجمي، مما يُنتج مجموعة متنوعة من المواد ذات خصائص حرارية ميكانيكية غير اعتيادية. ^{[ 15 ]}

في عملية تصنيع السيراميك الزجاجي، يُبرَّد الزجاج المنصهر تدريجيًا قبل إعادة تسخينه وتلدينه. خلال هذه المعالجة الحرارية، يتبلور الزجاج جزئيًا . في كثير من الحالات، تُضاف ما يُسمى بـ"عوامل التبلور" لتنظيم عملية التبلور والتحكم بها. ولأنه لا يتم عادةً الضغط أو التلبيد، فإن السيراميك الزجاجي لا يحتوي على نسبة المسامية الموجودة عادةً في السيراميك المُلبَّد. ^{[ 1 ]}

يشير المصطلح بشكل أساسي إلى مزيج من الليثيوم والألومينوسيليكات . وتتميز أهم هذه المواد تجاريًا بمقاومتها للصدمات الحرارية. ولذلك، أصبحت الخزفيات الزجاجية مفيدة في الطهي على أسطح المطابخ. ويمكن موازنة معامل التمدد الحراري السالب (TEC) للطور الخزفي البلوري مع معامل التمدد الحراري الموجب للطور الزجاجي. عند نقطة معينة (حوالي 70% بلورية)، يكون صافي معامل التمدد الحراري للخزف الزجاجي قريبًا من الصفر. يتميز هذا النوع من الخزفيات الزجاجية بخصائص ميكانيكية ممتازة، ويمكنه تحمل تغيرات متكررة وسريعة في درجات الحرارة تصل إلى 1000  درجة مئوية. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

تتبع عملية صناعة السيراميك التقليدية عمومًا هذا التسلسل: الطحن ← الخلط ← التشكيل ← التجفيف ← الحرق ← التجميع. ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

• الطحن هو عملية تقليل حجم المواد من حجم كبير إلى حجم أصغر. قد يشمل الطحن تفتيت المواد المتماسكة (حيث تحتفظ الجزيئات الفردية بشكلها) أو السحق (الذي يتضمن طحن الجزيئات نفسها إلى حجم أصغر). يتم الطحن عمومًا بوسائل ميكانيكية، بما في ذلك الاحتكاك (وهو تصادم الجزيئات ببعضها مما يؤدي إلى تفتيت التكتلات أو قص الجزيئات)، والضغط (الذي يطبق قوى تؤدي إلى التكسير)، والصدم (الذي يستخدم وسيط طحن أو الجزيئات نفسها لإحداث التكسير). تشمل معدات الطحن الاحتكاكي جهاز الغسل الرطب (يسمى أيضًا المطحنة الكوكبية أو مطحنة الاحتكاك الرطبة)، والذي يحتوي على مجاديف في الماء تُحدث دوامات تتصادم فيها المادة وتتفتت. تشمل مطاحن الضغط الكسارة الفكية ، والكسارة الأسطوانية، والكسارة المخروطية. تشمل مطاحن الصدم مطحنة الكرات ، التي تحتوي على وسائط تقليب وتكسير المادة، أو الخلاط الصوتي الرنان. ^{[ 20 ]} تتسبب صدمات العمود في احتكاك الجسيمات ببعضها البعض وضغطها.
• عملية التجميع هي عملية وزن الأكاسيد وفقًا للوصفات، وإعدادها للخلط والتجفيف.
• تتم عملية الخلط بعد عملية التجميع، وتُجرى باستخدام آلات متنوعة، مثل خلاطات الشريط ^{الجافة ، والخلاطات الصوتية الرنانة} ، وخلاطات مولر، ^ومطاحن العجن . وتشمل عملية الخلط الرطب عمومًا نفس المعدات.
• التشكيل هو تحويل المادة المخلوطة إلى أشكال متنوعة، بدءًا من أحواض المراحيض وصولًا إلى عوازل شمعات الإشعال. يشمل التشكيل ما يلي: (1) البثق، مثل بثق قوالب لصنع الطوب، (2) الضغط لصنع أجزاء مُشكّلة، (3) الصب بالقوالب ، كما في صناعة أحواض المراحيض وأحواض الغسيل والتحف مثل التماثيل الخزفية. ينتج عن التشكيل جزء "غير مُشكّل" جاهز للتجفيف. الأجزاء غير المُشكّلة لينة ومرنة، وتفقد شكلها بمرور الوقت. يؤدي التعامل مع المنتج غير المُشكّل إلى تغيير شكله. على سبيل المثال، يمكن "ضغط" الطوبة غير المُشكّلة، وبعد الضغط ستبقى على حالها.
• التجفيف هو إزالة الماء أو المادة الرابطة من المادة المُشكَّلة. يُستخدم التجفيف بالرش على نطاق واسع لتحضير المساحيق لعمليات الكبس. ومن أنواع التجفيف الأخرى مجففات الأنفاق والمجففات الدورية. تُطبَّق حرارة مُتحكَّم بها في هذه العملية ذات المرحلتين. في المرحلة الأولى، تُزال المياه بالحرارة. تتطلب هذه الخطوة تحكمًا دقيقًا، لأن التسخين السريع يُسبب تشققات وعيوبًا سطحية. يكون الجزء المُجفَّف أصغر من الجزء غير المُجفَّف، وهو هش، مما يستلزم التعامل معه بحذر، لأن أي صدمة بسيطة قد تُسبب تفتته وكسره.
• التلبيد هو عملية تسخين الأجزاء المجففة بشكل مضبوط، حيث تتغير الأكاسيد كيميائياً لتكوين روابط وزيادة الكثافة. ويكون الجزء المُلبّد أصغر حجماً من الجزء المجفف.

تشمل تقنيات تشكيل السيراميك التشكيل بالخرطوم، والصب الانزلاقي ، والصب الشريطي ، والصب بالتجميد ، والقولبة بالحقن، والضغط الجاف، والضغط المتساوي، والضغط المتساوي الساخن، والطباعة ثلاثية الأبعاد، وغيرها. تُعدّ طرق تشكيل مساحيق السيراميك إلى أشكال معقدة مرغوبة في العديد من المجالات التقنية. وتُعدّ هذه الطرق ضرورية لإنتاج أجزاء هيكلية متطورة ذات درجات حرارة عالية، مثل مكونات المحركات الحرارية والتوربينات . قد تشمل المواد الأخرى غير السيراميك المستخدمة في هذه العمليات: الخشب، والمعادن، والماء، والجص، والإيبوكسي - والتي يُزال معظمها عند الحرق. ^{[ 16 ]} يُستخدم أحيانًا إيبوكسي مملوء بالسيراميك ، مثل مارتيت، لحماية الفولاذ الهيكلي في ظروف اصطدام عادم الصواريخ. ^{[ 22 ]}

تُنتج تقنيات التشكيل هذه أدوات ومكونات أخرى تتميز بثبات الأبعاد، وجودة السطح، والكثافة العالية (قريبة من الكثافة النظرية)، وتجانس البنية المجهرية. ويُسهم تزايد استخدام وتنوع الأشكال المتخصصة من السيراميك في زيادة تنوع تقنيات المعالجة المتاحة. ^{[ 16 ]}

لذا، تُصنع الألياف والخيوط المقوية بشكل رئيسي باستخدام عمليات البوليمر، أو سول-جل، أو الترسيب الكيميائي للبخار، ولكن معالجة الصهر لها تطبيقاتها أيضًا. الشكل المتخصص الأكثر استخدامًا هو الهياكل الطبقية، مع بروز تقنية صب الشرائط للركائز الإلكترونية والتغليف. وتحظى الطباعة الضوئية باهتمام متزايد لتشكيل أنماط دقيقة للموصلات والمكونات الأخرى لهذا النوع من التغليف. كما تحظى عمليات صب أو تشكيل الشرائط باهتمام متزايد لتطبيقات أخرى، تتراوح من الهياكل المفتوحة مثل خلايا الوقود إلى المركبات الخزفية. ^{[ 16 ]}

أما البنية الطبقية الرئيسية الأخرى فهي الطلاء، حيث يُعد الرش الحراري ذا أهمية بالغة، إلا أن طرق الترسيب الكيميائي والفيزيائي للبخار، بالإضافة إلى الطرق الكيميائية (مثل طريقة سول-جل والتحلل الحراري للبوليمرات) تشهد جميعها استخدامًا متزايدًا. وإلى جانب البنى المفتوحة الناتجة عن تشكيل الأشرطة، فإن البنى المبثوقة، مثل دعامات المحفزات على شكل قرص العسل، والبنى عالية المسامية، بما في ذلك أنواع مختلفة من الرغوة، مثل الرغوة الشبكية ، تشهد استخدامًا متزايدًا. ^{[ 16 ]}

لا تزال عملية تكثيف مساحيق المواد المتماسكة تُحقق في الغالب عن طريق التلبيد (بدون ضغط). ومع ذلك، يتزايد استخدام التلبيد بالضغط الساخن، خاصةً للمواد غير الأكسيدية والأجزاء ذات الأشكال البسيطة حيث تكون الجودة العالية (وخاصةً تجانس البنية المجهرية) مطلوبة، كما أن الحجم الأكبر أو إنتاج عدة أجزاء في عملية ضغط واحدة قد يكون ميزة. ^{[ 16 ]}

مبادئ طرق التلبيد بسيطة (كلمة "تلبيد" مشتقة من الكلمة الإنجليزية " cinder "). تتم عملية الحرق عند درجة حرارة أقل من درجة انصهار السيراميك. بمجرد تكوين جسم متماسك تقريبًا يُسمى "الجسم الأخضر"، يُحرق في فرن ، حيث تُحدث عمليات الانتشار الذري والجزيئي تغييرات كبيرة في الخصائص الميكروية الأساسية. يشمل ذلك التخلص التدريجي من المسامية ، والذي يصاحبه عادةً انكماش صافٍ وزيادة في كثافة المكون. وبالتالي، قد تنغلق المسام في الجسم، مما ينتج عنه منتج أكثر كثافة يتمتع بقوة ومقاومة للكسر أكبر بكثير .

من التغيرات الرئيسية الأخرى التي تطرأ على المادة أثناء عملية الحرق أو التلبيد، هو ترسيخ طبيعتها متعددة البلورات. يميل نمو الحبيبات إلى الحدوث بشكل ملحوظ أثناء التلبيد، ويعتمد هذا النمو على درجة الحرارة ومدة عملية التلبيد. يؤدي نمو الحبيبات إلى توزيع أحجامها ، مما يؤثر بشكل كبير على الخصائص الفيزيائية النهائية للمادة. وعلى وجه الخصوص، فإن النمو غير الطبيعي للحبيبات ، حيث تنمو بعض الحبيبات بشكل كبير جدًا ضمن مصفوفة من الحبيبات الدقيقة، يُغير بشكل ملحوظ الخصائص الفيزيائية والميكانيكية للخزف الناتج. في المادة الملبدة، تُعد أحجام الحبيبات نتاجًا لمعايير المعالجة الحرارية، بالإضافة إلى حجم الجسيمات الأولي ، أو ربما أحجام التجمعات أو عناقيد الجسيمات التي تتشكل خلال المراحل الأولى من المعالجة.

تتأثر البنية المجهرية (وبالتالي الخصائص الفيزيائية) للمنتج النهائي بشكل القالب البنيوي أو المادة الأولية التي يتم إنشاؤها في المراحل الأولى من التخليق الكيميائي والتشكيل الفيزيائي. ومن هنا تبرز أهمية معالجة المساحيق الكيميائية والبوليمرات في تصنيع السيراميك والزجاج والسيراميك الزجاجي الصناعي.

توجد العديد من التحسينات الممكنة لعملية التلبيد. من أكثرها شيوعًا ضغط الجسم الخام لتسريع عملية التلبيد وتقليل وقتها. أحيانًا تُضاف مواد رابطة عضوية ، مثل كحول البولي فينيل، لتماسك الجسم الخام، وتحترق هذه المواد أثناء عملية الحرق بين 200  و350  درجة مئوية. كما تُضاف مواد تشحيم عضوية أثناء الضغط لزيادة الكثافة. من الشائع الجمع بين هذه الطرق، بإضافة المواد الرابطة ومواد التشحيم إلى مسحوق، ثم ضغطه. (يُعدّ تركيب هذه الإضافات الكيميائية العضوية علمًا قائمًا بذاته، وهو أمر بالغ الأهمية في صناعة السيراميك عالي الأداء، مثل تلك المستخدمة بمليارات الدولارات في الإلكترونيات ، في المكثفات والمحاثات والمستشعرات ، وغيرها).

يمكن استخدام معجون بدلاً من مسحوق، ثم يُصب في الشكل المطلوب، ويُجفف، ثم يُلبّد. في الواقع، تُصنع الفخاريات التقليدية بهذه الطريقة، باستخدام خليط لدن يُعجن باليد. عند استخدام خليط من مواد مختلفة في صناعة السيراميك، قد تكون درجة حرارة التلبيد أعلى من درجة انصهار أحد المكونات الثانوية - وهو ما يُعرف بالتلبيد في الحالة السائلة . ينتج عن ذلك أوقات تلبيد أقصر مقارنةً بالتلبيد في الحالة الصلبة. ^{[ 23 ]} يتضمن هذا النوع من التلبيد في الحالة السائلة عمليات انتشار أسرع، وقد يؤدي إلى نمو غير طبيعي للحبيبات .

تعتمد قوة المادة على بنيتها المجهرية، التي يمكن تغييرها من خلال العمليات الهندسية التي تخضع لها. تشمل آليات التقوية المتنوعة التي تُغير قوة المادة آلية تقوية حدود الحبيبات . وبالتالي، على الرغم من أن مقاومة الخضوع تصل إلى أقصى حد لها مع انخفاض حجم الحبيبات، إلا أن أحجام الحبيبات الصغيرة جدًا تجعل المادة هشة في نهاية المطاف. وبالنظر إلى أن مقاومة الخضوع هي المعيار الذي يتنبأ بالتشوه اللدن في المادة، يمكن اتخاذ قرارات مدروسة بشأن كيفية زيادة قوة المادة بناءً على خصائص بنيتها المجهرية والنتيجة النهائية المرجوة.

تُوصف العلاقة بين إجهاد الخضوع وحجم الحبيبات رياضياً بواسطة معادلة هال-بيتتش، وهي:

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}}$

حيث k _y هو معامل التقوية (ثابت فريد لكل مادة)، و σ _o هو ثابت المواد للإجهاد الابتدائي لحركة الخلع (أو مقاومة الشبكة لحركة الخلع)، و d هو قطر الحبيبات، و σ _y هو إجهاد الخضوع.

نظريًا، يُمكن جعل مادة ما شديدة الصلابة إذا صُغِّرت حبيباتها إلى حدٍّ لا نهائي. لكن هذا، للأسف، مستحيل لأن الحد الأدنى لحجم الحبيبات هو وحدة الخلية الواحدة للمادة. وحتى في هذه الحالة، إذا كانت حبيبات المادة بحجم وحدة الخلية الواحدة، فإن المادة في الواقع تكون غير متبلورة، وليست متبلورة، لعدم وجود ترتيب بعيد المدى، ولا يُمكن تحديد الانخلاعات في المادة غير المتبلورة. وقد لوحظ تجريبيًا أن البنية المجهرية ذات أعلى مقاومة للخضوع هي ذات حجم حبيبات يبلغ حوالي 10 نانومترات، لأن الحبيبات الأصغر من ذلك تخضع لآلية خضوع أخرى تُسمى انزلاق حدود الحبيبات. ^{[ 24 ]} ويُعد إنتاج مواد هندسية بهذا الحجم المثالي للحبيبات أمرًا صعبًا بسبب قيود أحجام الجسيمات الأولية المتأصلة في المواد النانوية وتكنولوجيا النانو.

يُمكن لنموذج فابر-إيفانز ، الذي طورته كاثرين فابر وأنتوني جي. إيفانز ، التنبؤ بزيادة مقاومة الكسر في السيراميك نتيجة انحراف الشقوق حول جسيمات الطور الثاني المعرضة للتشقق الدقيق في المادة الأساسية. ^{[ 25 ]} يأخذ النموذج في الاعتبار شكل الجسيمات، ونسبة أبعادها، والمسافة بينها، والكسر الحجمي للطور الثاني، بالإضافة إلى انخفاض شدة الإجهاد الموضعي عند طرف الشق عند انحرافه أو انحناء سطحه. ويتم الحصول على تعرج الشق الفعلي من خلال تقنيات التصوير، مما يسمح بإدخال زوايا الانحراف والانحناء مباشرةً في النموذج.

يحسب النموذج متوسط ​​معدل إطلاق طاقة الإجهاد ويقارن الزيادة الناتجة في مقاومة الكسر بتلك الناتجة عن شق مسطح عبر المادة الأساسية. يتحدد مقدار التقوية بإجهاد عدم التوافق الناتج عن عدم توافق الانكماش الحراري ومقاومة الكسر المجهري لسطح التماس بين الجسيمات والمادة الأساسية. تصبح التقوية ملحوظة مع توزيع حجمي ضيق للجسيمات ذات الحجم المناسب، ويقبل الباحثون عادةً أن تأثيرات الانحراف في المواد ذات الحبيبات متساوية المحاور تقريبًا قد تزيد من مقاومة الكسر بمقدار ضعف قيمة حدود الحبيبات تقريبًا. ^{[ 26 ]}

يكشف النموذج أن زيادة المتانة تعتمد على شكل الجسيمات والنسبة الحجمية للمرحلة الثانية، حيث يُعدّ الشكل الأكثر فعالية هو القضيب ذو النسبة العالية بين الطول والعرض، والذي يُمكن أن يُفسر زيادة متانة الكسر بمقدار أربعة أضعاف. تنشأ المتانة بشكل أساسي من التواء جبهة الشق بين الجسيمات، كما يتضح من منحنيات الانحراف. أما الجسيمات القرصية والكرات فهي أقل فعالية في تعزيز المتانة. تُحدد متانة الكسر، بغض النظر عن الشكل، من خلال التواء جبهة الشق في أشد حالاتها، وليس من خلال ميل جبهة الشق الأولي. فقط بالنسبة للجسيمات القرصية الشكل، يُوفر الميل الأولي لجبهة الشق تعزيزًا ملحوظًا للمتانة؛ ومع ذلك، لا يزال مُكوّن الالتواء يتفوق على التعزيز الناتج عن الميل. ^{[ 27 ]}

تشمل السمات المهمة الأخرى لتحليل الانحراف ظهور تقوية تقاربية للأشكال الثلاثة عند نسب حجمية تتجاوز 0.2. كما لوحظ أن لتوزيع المسافة بين الجسيمات تأثيرًا كبيرًا على التقوية الناتجة عن الجسيمات الكروية؛ إذ تزداد التقوية عندما تكون الكرات متقاربة جدًا بحيث تقترب زوايا الالتواء من 90 درجة. توفر هذه التوقعات الأساس لتصميم مواد خزفية ثنائية الطور عالية المتانة.

بالإضافة إلى الحفاظ على التوافق الكيميائي، ينبغي أن تتواجد المرحلة الثانية المثالية بنسبة تتراوح بين 10 و20% حجميًا. قد تؤدي الكميات الأكبر إلى تقليل زيادة المتانة نتيجة لتداخل الجزيئات. تُعد الجزيئات ذات النسب العالية بين الطول والعرض، وخاصة تلك ذات الأشكال العصوية، الأنسب لتحقيق أقصى قدر من المتانة. يُستخدم هذا النموذج غالبًا لتحديد العوامل التي تُسهم في زيادة مقاومة الكسر في السيراميك، وهو أمر مفيد في نهاية المطاف لتطوير مواد سيراميكية متقدمة ذات أداء مُحسَّن. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

في معالجة السيراميك الدقيق، غالبًا ما تؤدي أحجام وأشكال الجسيمات غير المنتظمة في المسحوق النموذجي إلى هياكل تعبئة غير منتظمة، مما ينتج عنه اختلافات في كثافة التعبئة في المسحوق المضغوط. كما يمكن أن يؤدي التكتل غير المنضبط للمساحيق نتيجة لقوى فان دير فالس الجاذبة إلى عدم تجانس في البنية المجهرية. ^{[ 16 ] [ 30 ]}

تتفاوت الإجهادات الناتجة عن انكماش التجفيف غير المنتظم، وترتبط ارتباطًا مباشرًا بمعدل إزالة المذيب ، وبالتالي فهي تعتمد اعتمادًا كبيرًا على توزيع المسامية. وقد رُبطت هذه الإجهادات بانتقال من اللدونة إلى الهشاشة في الأجسام المتماسكة، ^{[ 31 ]} ويمكن أن تؤدي إلى انتشار الشقوق في الجسم غير المُحرق إذا لم يتم تخفيفها.

بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تتضخم أي تقلبات في كثافة التعبئة في المادة المضغوطة أثناء تحضيرها للفرن خلال عملية التلبيد، مما يؤدي إلى تكثيف غير متجانس. ^{[ 32 ] [ 33 ]} وقد تبين أن بعض المسامات والعيوب الهيكلية الأخرى المرتبطة بتغيرات الكثافة تلعب دورًا ضارًا في عملية التلبيد من خلال زيادة الكثافة النهائية وبالتالي الحد منها. ^{[ 34 ]} كما تبين أن الإجهادات التفاضلية الناجمة عن التكثيف غير المتجانس تؤدي إلى انتشار الشقوق الداخلية، لتصبح بذلك العيوب المتحكمة في قوة المادة. ^{[ 35 ]}

لذا، يُفضّل معالجة المادة بطريقة تضمن تجانسها الفيزيائي فيما يتعلق بتوزيع المكونات والمسامية، بدلاً من استخدام توزيعات أحجام الجسيمات التي تزيد من الكثافة الأولية. ويتطلب احتواء مجموعة متجانسة من الجسيمات المتفاعلة بقوة في المعلق تحكمًا كاملاً في تفاعلات الجسيمات. وتوفر الغرويات أحادية التشتت هذه الإمكانية. ^{[ 36 ]}

لذا، يمكن تثبيت مساحيق السيليكا الغروية أحادية التشتت ، على سبيل المثال، بشكل كافٍ لضمان درجة عالية من الانتظام في البلورة الغروية أو المادة الصلبة الغروية متعددة البلورات الناتجة عن التجمع. ويبدو أن درجة الانتظام محدودة بالوقت والمساحة المتاحين لتكوين علاقات طويلة المدى. ^{[ 37 ] [ 38 ]}

يبدو أن هذه الهياكل الغروية متعددة البلورات المعيبة هي العناصر الأساسية لعلم المواد الغروية دون الميكرومتر ، وبالتالي، فهي توفر الخطوة الأولى في تطوير فهم أكثر دقة للآليات المشاركة في التطور الميكروي في الأنظمة غير العضوية مثل السيراميك متعدد البلورات.

تتألف هذه المواد عادةً من مكونين خزفيين: مادة أساسية متصلة، وطور منتشر من جزيئات أو شعيرات أو ألياف خزفية قصيرة (مقطعة) أو متصلة . ويكمن التحدي، كما هو الحال في المعالجة الكيميائية الرطبة، في الحصول على توزيع منتظم أو متجانس لطور الجزيئات أو الألياف المنتشرة. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

لنبدأ بمعالجة المركبات الجزيئية. يُعد الزركونيا الرباعي الطور الجزيئي الأكثر أهمية نظرًا للصلابة التي يمكن تحقيقها من خلال التحول الطوري من الطور الرباعي غير المستقر إلى الطور البلوري أحادي الميل، والمعروف أيضًا باسم صلابة التحول. كما يوجد اهتمام بتشتيت الأطوار الصلبة غير الأكسيدية مثل كربيد السيليكون ، وثنائي بوريد التيتانيوم ، وكربيد التيتانيوم ، والبورون ، والكربون ، وخاصة المصفوفات الأكسيدية مثل الألومينا والموليت . وهناك أيضًا اهتمام بدمج جزيئات خزفية أخرى، لا سيما تلك ذات التمدد الحراري المتباين للغاية، بما في ذلك أكسيد الألومنيوم ، وثاني أكسيد التيتانيوم ، والجرافيت ، ونيتريد البورون . ^{[ 39 ] [ 40 ]}

في معالجة المركبات الجزيئية، لا تقتصر المسألة على تجانس حجم وتوزيع الطورين المشتت والمصفوفة فحسب، بل تشمل أيضًا التحكم في حجم حبيبات المصفوفة. ومع ذلك، يوجد نوع من التحكم الذاتي المدمج نتيجة تثبيط نمو حبيبات المصفوفة بواسطة الطور المشتت. وعلى الرغم من أن المركبات الجزيئية توفر عمومًا مقاومة متزايدة للتلف أو الفشل أو كليهما، إلا أنها لا تزال حساسة للغاية لعدم تجانس التركيب، فضلًا عن عيوب المعالجة الأخرى كالمسام. لذا، فهي تحتاج إلى معالجة جيدة لتكون فعالة. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

تُصنع المواد المركبة الجزيئية تجاريًا عن طريق خلط مساحيق المكونين. ورغم أن هذا النهج محدود بطبيعته من حيث التجانس الذي يمكن تحقيقه، إلا أنه الأكثر قابلية للتطبيق على تقنيات إنتاج السيراميك الحالية. ومع ذلك، توجد مناهج أخرى جديرة بالاهتمام. ^{[ 1 ] [ 15 ]}

من الناحية التقنية، يُعدّ طلاء المادة الأساسية أو مادتها الأولية على جزيئات دقيقة من الطور المشتت، مع التحكم الدقيق في حجم الجزيئات المشتتة الأولية وسُمك طبقة الطلاء الناتجة، نهجًا مرغوبًا لتصنيع المواد المركبة الجزيئية. من حيث المبدأ، يُمكن تحقيق تجانس تام في التوزيع، وبالتالي تحسين أداء المادة المركبة. وقد يترتب على ذلك فوائد أخرى، مثل إمكانية تحقيق أداء أفضل للمادة المركبة في جسم ذي مسامية، وهو أمر مرغوب فيه لأسباب أخرى، كالحد من التوصيل الحراري.

تتوفر أيضًا بعض الفرص لاستخدام معالجة الصهر في تصنيع مركبات السيراميك، والمركبات الجزيئية، والمركبات ذات الألياف القصيرة، والمركبات ذات الألياف المتصلة. ويمكن تصنيع كل من المركبات الجزيئية والمركبات ذات الألياف القصيرة عن طريق الترسيب في الحالة الصلبة بعد تصلب المصهور. ويمكن الحصول على ذلك أيضًا في بعض الحالات عن طريق التلبيد، كما هو الحال مع الزركونيا المقواة بالترسيب والمثبتة جزئيًا. وبالمثل، من المعروف أنه يمكن تصلب مخاليط السيراميك اليوتكتيكية بشكل موجه، وبالتالي الحصول على مركبات ذات ألياف أحادية المحور. وعادةً ما تقتصر معالجة هذه المركبات على أشكال بسيطة للغاية، مما يؤدي إلى مشاكل اقتصادية خطيرة بسبب ارتفاع تكاليف التصنيع. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

يُمكن استخدام تقنية الصبّ بالصهر في العديد من هذه الطرق. ولعلّ استخدام الجسيمات المُشتقّة من الصهر يُعدّ خيارًا أفضل. في هذه الطريقة، يتمّ التبريد السريع في محلول صلب أو في بنية يوتكتيكية دقيقة، حيث تُعالَج الجسيمات بعد ذلك باستخدام طرق معالجة مساحيق السيراميك التقليدية للحصول على جسم قابل للاستخدام. كما جرت محاولات أولية لاستخدام الرشّ بالصهر كوسيلة لتشكيل المواد المركبة، وذلك بإدخال طور الجسيمات أو الشعيرات أو الألياف المُشتّتة بالتزامن مع عملية الرشّ بالصهر.

من بين الطرق الأخرى، إلى جانب التغلغل بالصهر، لتصنيع مركبات السيراميك المدعمة بألياف طويلة، التغلغل الكيميائي للبخار وتغلغل المواد الأولية الليفية بمادة عضوية ، والتي تُنتج بعد التحلل الحراري مصفوفة سيراميكية غير متبلورة ، ذات كثافة منخفضة في البداية. ومع تكرار دورات التغلغل والتحلل الحراري، يتم إنتاج أحد أنواع مركبات المصفوفة السيراميكية . يُستخدم التغلغل الكيميائي للبخار لتصنيع مركبات الكربون/الكربون وكربيد السيليكون المدعمة بألياف الكربون أو كربيد السيليكون.

إلى جانب العديد من التحسينات في العمليات، يتمثل أول احتياجين رئيسيين للمركبات الليفية في خفض تكاليف الألياف. أما الاحتياج الرئيسي الثاني فيتمثل في تركيبات الألياف أو الطلاءات، أو معالجة المركبات، للحد من التدهور الناتج عن تعرض المركبات لدرجات حرارة عالية في ظل ظروف مؤكسدة. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

تشمل منتجات السيراميك التقني البلاط المستخدم في برنامج مكوك الفضاء ، وفوهات مواقد الغاز ، والحماية الباليستية ، وكريات أكسيد اليورانيوم للوقود النووي، والغرسات الطبية الحيوية ، وشفرات توربينات المحركات النفاثة ، ومخاريط أنف الصواريخ .

غالباً ما تُصنع منتجاتها من مواد أخرى غير الطين، يتم اختيارها لخصائصها الفيزيائية المميزة. ويمكن تصنيف هذه المواد على النحو التالي:

• الأكاسيد : السيليكا، الألومينا، الزركونيا
• غير الأكاسيد: الكربيدات، البوريدات ، النتريدات ، السيليسيدات
• المواد المركبة : مصفوفات معززة بجزيئات أو شعيرات، ومجموعات من الأكاسيد وغير الأكاسيد (مثل البوليمرات).

تُستخدم المواد الخزفية في العديد من الصناعات التكنولوجية. ومن تطبيقاتها بلاطات السيراميك المستخدمة في مكوك الفضاء التابع لناسا ، لحمايته وحماية الطائرات الفضائية الأسرع من الصوت المستقبلية من الحرارة الشديدة أثناء دخولها الغلاف الجوي للأرض. كما تُستخدم على نطاق واسع في الإلكترونيات والبصريات. إضافةً إلى التطبيقات المذكورة، تُستخدم المواد الخزفية أيضًا كطلاء في تطبيقات هندسية متنوعة. ومن الأمثلة على ذلك طلاء السيراميك لمحامل الطائرات فوق إطار من التيتانيوم. وقد توسع هذا المجال مؤخرًا ليشمل دراسة البلورات الأحادية أو الألياف الزجاجية، إلى جانب المواد متعددة البلورات التقليدية، وتتداخل تطبيقات هذه المواد وتتطور بسرعة.

الطب الحيوي

تُفضّل الهياكل الخزفية في التطبيقات الطبية الحيوية نظرًا لخصائصها غير المعدنية وقوتها الميكانيكية، وهو أمر ضروري للعديد من تطبيقات تحمل الأوزان في المواقع الحساسة. مع ذلك، يجب أن يكون تصنيع الأجزاء الخزفية دقيقًا للغاية لتقليل تآكل الأجزاء الاصطناعية على مدى فترات استخدام طويلة. ^{[ 49 ]}

• العظام الاصطناعية : على الرغم من أن جميع الأنسجة تتعافى مع مرور الوقت، إلا أن الأنسجة الصلبة كالعظام قد تستغرق وقتًا طويلاً للترميم الذاتي. في عملية ترقيع العظام، تعمل عينة خزفية مسامية (CO3Ap) كطعم عظمي لتحفيز ترميم العظام بشكل صحي. يُعدّ الهيكل الخزفي المسامي المترابط مثاليًا لتشجيع تبادل المغذيات، وهجرة الخلايا، وتدفق السوائل، وتكوين الأوعية الدموية. إلا أن هذه الهياكل تتميز بقوة ميكانيكية أقل نظرًا لمساميتها، كما أنها صعبة الإنتاج. ^{[ 50 ]}

• تطبيقات طب الأسنان : تستخدم زراعة الأسنان والحشوات مواد خزفية نظرًا لخصائصها المشابهة للعظام وقوتها الميكانيكية. تتميز الزرعات الخزفية بمتانتها العالية، مما يزيد من صلابتها ويتحمل أحمال المضغ. ^{[ 51 ]}

• الجبائر القابلة للتحلل الحيوي : تُستخدم لتقوية العظام المتعافية من هشاشة العظام، وكذلك لدى مرضى فيروس نقص المناعة البشرية المصابين بتنخر العظام. لا يوجد حاليًا علاج شافٍ لفيروس نقص المناعة البشرية وغيره من الاضطرابات المناعية، مما يُسبب حالات مزمنة متزايدة لا يمكن علاجها إلا بالمعالجة. وقد أدت العديد من حالات تنخر رأس عظم الفخذ إلى استبدال كلا المفصلين بأخرى خزفية. ^{[ 52 ]}

• إمداد الأكسجين المحمول : باستخدام أغشية خزفية وبطارية كمصدر طاقة، وباستخدام غشائين خزفيين مُسخّنين بتقنية جول، يمكن لمضخة الأكسجين توصيل الأكسجين المركز للمرضى القادرين على الحركة. لا يتطلب هذا الجهاز المحمول تسخينًا مستمرًا، ويمكنه توصيل 20 مل/سم²/دقيقة من الأكسجين بشكل ثابت في الظروف غير القاسية. ^{[ 53 ]}
• مادة الزرع

تُعدّ عملية التسيليكون شائعةً في عالم الأحياء، وتحدث في البكتيريا، والكائنات وحيدة الخلية، والنباتات، والحيوانات (اللافقاريات والفقاريات). غالبًا ما تُظهر المعادن البلورية المتكونة في مثل هذه البيئة خصائص فيزيائية استثنائية (مثل القوة، والصلابة، ومقاومة الكسر)، وتميل إلى تكوين هياكل هرمية تُظهر ترتيبًا دقيقًا على نطاق واسع من الأطوال أو المقاييس المكانية. تتبلور هذه المعادن من بيئة غير مشبعة بالسيليكون، وفي ظل ظروف حموضة متعادلة ودرجة حرارة منخفضة (0-40  درجة مئوية). قد يحدث تكوين المعدن داخل جدار الخلية أو خارجه، وتوجد تفاعلات كيميائية حيوية محددة لترسيب المعادن تشمل الدهون والبروتينات والكربوهيدرات.

معظم المواد الطبيعية (أو البيولوجية) عبارة عن مركبات معقدة تتميز بخصائص ميكانيكية فائقة، بالنظر إلى ضعف مكوناتها الأساسية. هذه البنى المعقدة، التي نشأت عبر مئات الملايين من السنين من التطور، تُلهم تصميم مواد جديدة ذات خصائص فيزيائية استثنائية لتحقيق أداء عالٍ في الظروف القاسية. وتجري حاليًا دراسة خصائصها المميزة، مثل التسلسل الهرمي، وتعدد الوظائف، والقدرة على الإصلاح الذاتي. ^{[ 56 ]}

تبدأ الوحدات البنائية الأساسية بالأحماض الأمينية العشرين، ثم تتطور إلى عديدات الببتيد، وعديدات السكاريد، ومركبات عديدات الببتيد والسكريات. تُشكل هذه بدورها البروتينات الأساسية، وهي المكونات الرئيسية للأنسجة الرخوة الشائعة في معظم المعادن الحيوية. مع وجود أكثر من 1000 بروتين محتمل، تُركز الأبحاث الحالية على استخدام الكولاجين، والكيتين، والكيراتين، والإيلاستين. غالبًا ما تُعزز المراحل الصلبة بالمعادن البلورية، التي تتشكل وتنمو في بيئة حيوية تُحدد حجم وشكل وتوزيع البلورات الفردية. وقد حُددت أهم المراحل المعدنية على أنها هيدروكسي أباتيت، وسيليكا، وأراغونيت . باستخدام تصنيف ويغست وآشبي، عُرضت الخصائص الميكانيكية الرئيسية وبنية السيراميك الحيوي، والمركبات البوليمرية، والمطاط، والمواد الخلوية. ويجري حاليًا دراسة أنظمة مختارة من كل فئة مع التركيز على العلاقة بين بنيتها المجهرية على نطاق واسع من الأطوال واستجابتها الميكانيكية.

لذا، فإن تبلور المواد غير العضوية في الطبيعة يحدث عمومًا في درجة حرارة وضغط الغرفة. ومع ذلك، فإن الكائنات الحية التي تتشكل من خلالها هذه المعادن قادرة على إنتاج هياكل دقيقة ومعقدة للغاية باستمرار. إن فهم العمليات التي تتحكم بها الكائنات الحية في نمو المعادن البلورية مثل السيليكا قد يؤدي إلى تقدم كبير في مجال علم المواد.

يُظهر الجزء المصنوع من عرق اللؤلؤ (أو الصدف ) في صدفة أذن البحر أعلى قوة ميكانيكية ومقاومة للكسر مقارنةً بأي مادة غير معدنية معروفة. وقد أصبح عرق اللؤلؤ في صدفة أذن البحر أحد أكثر البنى البيولوجية دراسةً في علم المواد. وتظهر بوضوح في هذه الصور بلاطات معدنية متراصة بدقة (أو مُرتبة) تفصلها صفائح عضوية رقيقة، إلى جانب بنية كلية من نطاقات نمو دورية أكبر، تُشكل مجتمعةً ما يُشير إليه العلماء حاليًا باسم البنية المركبة الهرمية. (يشير مصطلح الهرمية ببساطة إلى وجود مجموعة من السمات الهيكلية التي تمتد على نطاق واسع من المقاييس الطولية). ^{[ 57 ]}

تكمن التطورات المستقبلية في تصنيع مواد مستوحاة من الطبيعة من خلال أساليب واستراتيجيات معالجة مميزة للأنظمة البيولوجية. وتشمل هذه الأساليب التجميع الذاتي للمكونات على المستوى النانوي وتطوير هياكل هرمية. ^{[ 37 ] [ 38 ] [ 58 ] [ 59 ]}

• الجمعية الأمريكية للخزف
• معهد بلاط السيراميك الأمريكي