السيراميك

جدول زمني موجز للأواني الخزفية بأنماط مختلفة

السيراميك هو أي من المواد الصلبة والهشة والمقاومة للحرارة والتآكل ، والتي تُصنع عن طريق تشكيل مادة غير عضوية وغير معدنية ، مثل الطين ، ثم حرقها في درجة حرارة عالية. ^{[ 1 ] [ 2 ]} ومن الأمثلة الشائعة عليه الفخار والخزف والطوب .

كانت أقدم أنواع الخزف التي صنعها الإنسان عبارة عن طوب طيني محروق استُخدم في بناء جدران المنازل وغيرها من المنشآت. أما الأواني الفخارية الأخرى، كالأواني والمزهريات والتماثيل، فكانت تُصنع من الطين ، إما بمفرده أو ممزوجًا بمواد أخرى كالسيليكا ، وتُصلَّب بالتلبيد في النار. لاحقًا، طُليت الخزفيات بالمينا ثم حُرقت للحصول على أسطح ناعمة وملونة، مع تقليل المسامية باستخدام طبقات خزفية زجاجية غير متبلورة فوق الركائز الخزفية البلورية. ^{[ 3 ]} تشمل الخزفيات اليوم منتجات منزلية وصناعية ومواد بناء، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من المواد المُطوَّرة للاستخدام في هندسة الخزف المتقدمة، مثل أشباه الموصلات .

كلمة "سيراميك" ^{[ a ]} مشتقة من الكلمة اليونانية القديمة κεραμικός ( keramikós )، والتي تعني "من أو لأجل الفخار " ^{[ 5 ]} ( من κέραμος ( kéramos ) بمعنى " طين الخزاف، أو البلاط، أو الفخار " ). ^{[ 6 ]} أقدم ذكر معروف للجذر ceram- هو الكلمة اليونانية الميسينية ke-ra-me-we ، وتعني "عمال السيراميك"، مكتوبة بالخط المقطعي الخطي ب . ^{[ 7 ]} يمكن استخدام كلمة "سيراميك" كصفة لوصف مادة أو منتج أو عملية، أو يمكن استخدامها كاسم، إما بصيغة المفرد أو، وهو الأكثر شيوعًا، بصيغة الجمع ceramics . ^{[ 8 ]} 

المواد الخزفية هي مواد غير عضوية ، وأكاسيد معدنية ، ونتريدات ، وكربيدات . بعض العناصر، مثل الكربون والسيليكون ، تُصنف ضمن المواد الخزفية. تتميز المواد الخزفية بهشاشتها وصلابتها وقوتها في الضغط، وضعيفتها في القص والشد . كما أنها تقاوم التآكل الكيميائي الذي يحدث في المواد الأخرى عند تعرضها لبيئات حمضية أو قلوية . تتحمل المواد الخزفية عمومًا درجات حرارة عالية جدًا، تتراوح بين 1000 و1600 درجة مئوية ^{[ 9 ]} (1800 إلى 3000 درجة فهرنهايت). ^{[ 10 ]}    

تتفاوت درجة تبلور المواد الخزفية بشكل كبير. في أغلب الأحيان، تكون الخزفيات المحروقة إما زجاجية أو شبه زجاجية، كما هو الحال مع الفخار والخزف الحجري والبورسلين. يؤدي اختلاف درجة التبلور والتركيب الإلكتروني في الروابط الأيونية والتساهمية إلى جعل معظم المواد الخزفية عوازل حرارية وكهربائية جيدة (كما هو مدروس في هندسة الخزف ). مع هذا النطاق الواسع من الخيارات الممكنة لتركيب/بنية الخزف (جميع العناصر تقريبًا، وجميع أنواع الروابط تقريبًا، وجميع مستويات التبلور)، فإن مجال هذا الموضوع واسع للغاية، ويصعب تحديد سمات محددة ( كالصلابة والمتانة والتوصيل الكهربائي ) للمجموعة ككل. تُعد الخصائص العامة مثل ارتفاع درجة الانصهار، والصلابة العالية، وضعف التوصيل، ومعامل المرونة العالي، والمقاومة الكيميائية ، وانخفاض الليونة هي القاعدة ^{[ 11 ]،} مع وجود استثناءات معروفة لكل قاعدة من هذه القواعد ( الخزف الكهروإجهادي ، والخزف ذو درجة حرارة التحول الزجاجي المنخفضة ، والخزف فائق التوصيل ).

لا تُعتبر المواد المركبة مثل الألياف الزجاجية وألياف الكربون ، على الرغم من احتوائها على مواد خزفية، جزءًا من عائلة السيراميك. ^{[ 12 ]}

لا تخضع المواد الخزفية البلورية عالية التوجيه لمجموعة واسعة من عمليات التصنيع. وتنقسم طرق التعامل معها عادةً إلى فئتين رئيسيتين: إما تشكيل الخزف بالشكل المطلوب عن طريق التفاعل الموضعي ، أو تشكيل المساحيق بالشكل المطلوب ثم تلبيدها لتكوين جسم صلب. تشمل تقنيات تشكيل الخزف التشكيل اليدوي (بما في ذلك أحيانًا عملية الدوران المعروفة باسم "الرمي")، والصب الانزلاقي ، والصب الشريطي (المستخدم في صناعة المكثفات الخزفية الرقيقة جدًا)، والقولبة بالحقن ، والضغط الجاف، وغيرها من الطرق.

لا يعتبر العديد من خبراء السيراميك المواد ذات الطبيعة غير المتبلورة (مثل الزجاج) من السيراميك، على الرغم من أن صناعة الزجاج تتضمن عدة خطوات من عملية السيراميك، وأن خصائصه الميكانيكية مشابهة لخصائص المواد السيراميكية. ومع ذلك، يمكن للمعالجات الحرارية أن تحول الزجاج إلى مادة شبه بلورية تُعرف باسم السيراميك الزجاجي . ^{[ 13 ]}

تشمل المواد الخام التقليدية لصناعة السيراميك معادن طينية مثل الكاولينيت ، بينما تشمل المواد الأحدث أكسيد الألومنيوم، المعروف باسم الألومينا . أما مواد السيراميك الحديثة، المصنفة ضمن السيراميك المتقدم، فتشمل كربيد السيليكون وكربيد التنجستن . ويُقدّر كلا النوعين لمقاومتهما العالية للتآكل، ولذلك يُستخدمان في تطبيقات مثل ألواح التآكل في معدات التكسير في عمليات التعدين. كما يُستخدم السيراميك المتقدم في الصناعات الطبية والكهربائية والإلكترونية وصناعة الدروع.

يبدو أن البشر كانوا يصنعون خزفهم بأنفسهم منذ 26,000 عام على الأقل، حيث كانوا يعرضون الطين والسيليكا لحرارة شديدة لصهرها وتشكيل مواد خزفية. أقدم ما عُثر عليه حتى الآن كان في جنوب وسط أوروبا، وكان عبارة عن تماثيل منحوتة، وليست أطباقًا. ^{[ 14 ]} صُنعت أقدم أنواع الفخار المعروفة عن طريق خلط المنتجات الحيوانية بالطين وحرقها في درجة حرارة تصل إلى 800 درجة مئوية (1500 درجة فهرنهايت) . وبينما عُثر على شظايا فخارية يصل عمرها إلى 19,000 عام، لم يصبح الفخار العادي شائعًا إلا بعد حوالي 10,000 عام. سُميت إحدى الشعوب القديمة التي انتشرت في معظم أنحاء أوروبا نسبةً إلى استخدامها للفخار: ثقافة الفخار المحزز . زيّنت هذه الشعوب الهندو-أوروبية القديمة فخارها بلفّه بالحبال وهو لا يزال رطبًا. عند حرق الخزف، احترق الحبل تاركًا نمطًا زخرفيًا من أخاديد معقدة على السطح.  

أدى اختراع العجلة في نهاية المطاف إلى إنتاج فخار أكثر نعومة وتجانسًا باستخدام تقنية التشكيل على الدولاب (التشكيل بالخزف)، مثل دولاب الخزف . كانت الخزفيات المبكرة مسامية، تمتص الماء بسهولة. أصبح الفخار مفيدًا في صناعة المزيد من القطع مع اكتشاف تقنيات التزجيج ، التي تتضمن تغطية الفخار بالسيليكون أو رماد العظام أو مواد أخرى يمكن أن تنصهر وتتشكل من جديد لتكوين سطح زجاجي، مما يجعل الإناء أقل نفاذية للماء.

تُعدّ الخصائص الفيزيائية لأي مادة خزفية نتيجة مباشرة لبنيتها البلورية وتركيبها الكيميائي. يكشف علم كيمياء الحالة الصلبة عن العلاقة الأساسية بين البنية المجهرية والخصائص، مثل التغيرات الموضعية في الكثافة، وتوزيع حجم الحبيبات، ونوع المسامية، ومحتوى الطور الثانوي، والتي يمكن ربطها جميعًا بخصائص السيراميك مثل القوة الميكانيكية σ من خلال معادلة هول-بيتتش، والصلابة ، والمتانة ، وثابت العزل الكهربائي ، والخصائص البصرية التي تُظهرها المواد الشفافة .

علم السيراميك هو فن وعلم تحضير وفحص وتقييم البنى المجهرية للسيراميك. غالبًا ما يتم تقييم وتوصيف هذه البنى على نطاقات مكانية مماثلة لتلك المستخدمة في مجال تقنية النانو الناشئ: من النانومترات إلى عشرات الميكرومترات (ميكرومتر). يقع هذا النطاق عادةً بين الحد الأدنى لطول موجة الضوء المرئي وحدود قدرة العين المجردة على الرؤية.

تشمل البنية المجهرية معظم الحبيبات، والأطوار الثانوية، وحدود الحبيبات، والمسام، والشقوق الدقيقة، والعيوب البنيوية، وآثار اختبار الصلابة الدقيقة. وتتأثر معظم الخصائص الميكانيكية والبصرية والحرارية والكهربائية والمغناطيسية للمادة بشكل كبير بالبنية المجهرية المرصودة. كما تُشير البنية المجهرية عمومًا إلى طريقة التصنيع وظروف العملية. ويتضح السبب الجذري للعديد من حالات فشل السيراميك في البنية المجهرية بعد الشق والتلميع. وتشمل الخصائص الفيزيائية التي تُشكل مجال علم وهندسة المواد ما يلي:

الخواص الميكانيكية

تُعدّ الخصائص الميكانيكية مهمة في مواد البناء والتشييد ، وكذلك في الأقمشة. في علم المواد الحديث ، تُعتبر ميكانيكا الكسر أداةً أساسيةً لتحسين الأداء الميكانيكي للمواد والمكونات. فهي تُطبّق فيزياء الإجهاد والانفعال ، ولا سيما نظريات المرونة واللدونة ، على العيوب البلورية المجهرية الموجودة في المواد الحقيقية ، وذلك للتنبؤ بالفشل الميكانيكي الكلي للأجسام. ويُستخدم علم دراسة أسطح الكسر على نطاق واسع مع ميكانيكا الكسر لفهم أسباب الفشل، وكذلك للتحقق من صحة التنبؤات النظرية للفشل من خلال دراسة حالات الفشل الواقعية.

تتكون المواد الخزفية عادةً من روابط أيونية أو تساهمية . تميل المواد التي تتماسك بهذه الروابط إلى التصدع قبل حدوث أي تشوه لدن ، مما يؤدي إلى ضعف المتانة وهشاشة هذه المواد. إضافةً إلى ذلك، ولأن هذه المواد تميل إلى أن تكون مسامية، فإن المسام والعيوب المجهرية الأخرى تعمل كمراكز لتركيز الإجهاد ، مما يقلل من المتانة ويخفض مقاومة الشد . تتضافر هذه العوامل لتسبب انهيارات كارثية ، على عكس أنماط الانهيار الأكثر مرونة في المعادن.

تُظهر هذه المواد تشوهًا لدنًا . ومع ذلك، نظرًا للبنية الصلبة للمواد البلورية، فإن أنظمة الانزلاق المتاحة لحركة الانخلاعات قليلة جدًا ، وبالتالي فإنها تتشوه ببطء شديد.

للتغلب على خاصية الهشاشة، أدى تطوير المواد الخزفية إلى ظهور فئة المواد المركبة ذات المصفوفة الخزفية ، حيث تُدمج ألياف خزفية وتُغطى بطبقات خاصة لتشكيل جسور ليفية عبر أي شق. تزيد هذه الآلية بشكل كبير من مقاومة الكسر لهذه المواد الخزفية. تُعد مكابح الأقراص الخزفية مثالاً على استخدام مادة مركبة ذات مصفوفة خزفية مصنعة بعملية خاصة.

يعمل العلماء على تطوير مواد خزفية قادرة على تحمل التشوه الكبير دون أن تنكسر. وقد تم اكتشاف أول مادة من هذا النوع قادرة على التشوه في درجة حرارة الغرفة عام 2024. ^{[ 16 ]}

آليات التقوية

تُستخدم العديد من الاستراتيجيات لتحسين متانة السيراميك ومنع التصدع. وتشمل هذه الاستراتيجيات انحراف الشقوق، وتقوية الشقوق الدقيقة، وتجسير الشقوق، وإضافة جزيئات مطيلة، وتقوية التحول.

يُعدّ انحراف الشقوق آلية تقوية تتضمن تحويل مسار الشقوق بعيدًا عن مسارات انتشارها الأسرع، مما يمنع حدوث انهيار مفاجئ كارثي. ^{[ 17 ]} يمكن تحويل مسار الشقوق باستخدام بنى مجهرية مثل الشعيرات، كما هو الحال في استخدام شعيرات كربيد السيليكون لتقوية مادة السيراميك ثنائي سيليسيد الموليبدينوم، كما هو موضح بالتفصيل في ورقة بحثية نُشرت عام 1987. ^{[ 18 ]} قد تتخذ الأطوار الثانوية المُحوِّلة للشقوق أيضًا شكل صفائح أو جسيمات أو ألياف. ^{[ 19 ]}

تتضمن عملية تقوية الشقوق الدقيقة تكوين شقوق دقيقة بالقرب من طرف الشق الكبير حيث ينتشر، مما يقلل الإجهاد الواقع على الطرف وبالتالي يقلل من سرعة انتشار الشق. ^{[ 20 ]} ولتحسين المتانة، يمكن دمج جزيئات الطور الثاني في السيراميك بحيث تتعرض للتشقق الدقيق، مما يخفف الإجهاد ويمنع الكسر. ^{[ 21 ]}

يحدث تجسير الشقوق عندما تُطبّق مرحلة تقوية قوية غير متصلة قوةً خلف طرف الشق المتنامي، مما يُثبّط انتشاره. تعمل هذه الجسور، التي تُشكّل المرحلة الثانية، على تثبيت الشق ومنع امتداده. يُمكن استخدام تجسير الشقوق لتحسين المتانة من خلال دمج شعيرات المرحلة الثانية في السيراميك، بالإضافة إلى أشكال أخرى، لتجسير الشقوق. ^{[ 22 ]}

تتكون مركبات المصفوفة الخزفية ذات الجسيمات المطيلية من جسيمات مطيلية ، مثل المعادن، موزعة في مصفوفة خزفية. تعزز هذه الجسيمات المتانة من خلال التشوه اللدن لامتصاص الطاقة، ومن خلال سد الشقوق المتنامية. ولتحقيق أقصى قدر من الفعالية، يجب أن تكون الجسيمات معزولة عن بعضها البعض. تتكون أكثر أنواع هذه المركبات دراسةً من مصفوفة من الألومينا، وجسيمات معدنية من النيكل أو الحديد أو الموليبدينوم أو النحاس أو الفضة. ^{[ 23 ]}

تحدث تقوية التحول عندما تخضع المادة لتحول طوري ناتج عن الإجهاد. بعض أنواع السيراميك قادرة على الخضوع لتحول مارتنسيتي ناتج عن الإجهاد، والذي يتضمن حاجز طاقة يجب التغلب عليه بامتصاص الطاقة. ^{[ 24 ]} التحولات المارتنسيتية هي تحولات قص غير انتشارية ^{[ 25 ]} تتضمن الانتقال بين طور "أوستنيتي" أو "أصلي" مستقر عند درجات حرارة أعلى، وطور "مارتنسيتي" مستقر عند درجات حرارة أقل. ^{[ 26 ]} نظرًا لأن التحول يمتص الطاقة، فإن التحولات المارتنسيتية الناتجة عن الإجهاد يمكن أن تعيق انتشار الشقوق وتزيد من المتانة. مثال رئيسي على هذه الظاهرة هو الزركونيا ، حيث يتضمن تحولها المارتنسيتي تحولًا في البنية البلورية من بنية بلورية رباعية (طور الأوستنيت) إلى بنية أحادية الميل . كما أن الزيادة في الحجم المصاحبة للتحول من رباعي إلى أحادي الميل تخفف من إجهاد الشد عند طرف الشق، مما يزيد من تثبيط التصدع ويزيد من المتانة. ^{[ 24 ]} عندما تخضع جزيئات الزركونيا في مصفوفة خزفية لتحول أثناء التصنيع نتيجة التبريد، تؤدي مجالات الإجهاد المحيطة بالجزيئات إلى تكوين وتمدد الشقوق الدقيقة، مما قد يحسن أيضًا من متانة المادة. ويمكن أن تساهم مجالات الإجهاد هذه، بالإضافة إلى الجزيئات نفسها، في انحراف الشقوق. ^{[ 27 ]}

استخدام قوالب الجليد لتحسين الخصائص الميكانيكية

عند تعريض السيراميك لأحمال ميكانيكية كبيرة، يمكن إخضاعه لعملية تُسمى التشكيل بالجليد ، والتي تتيح التحكم جزئيًا في البنية المجهرية للمنتج السيراميكي، وبالتالي التحكم جزئيًا في خواصه الميكانيكية. يستخدم مهندسو السيراميك هذه التقنية لضبط الخواص الميكانيكية بما يتناسب مع التطبيقات المطلوبة. وعلى وجه التحديد، تزداد المتانة عند استخدام هذه التقنية. يسمح التشكيل بالجليد بإنشاء مسامات كبيرة الحجم في اتجاه واحد. وتُعد تطبيقات هذه التقنية لتقوية الأكاسيد مهمة لخلايا الوقود الصلبة وأجهزة ترشيح المياه . ^{[ 28 ]}

لمعالجة عينة باستخدام تقنية التشكيل بالجليد، يُحضّر معلق غرواني مائي يحتوي على مسحوق السيراميك المذاب والموزع بالتساوي في جميع أنحاء الغرواني، ^{[ 29 ]} على سبيل المثال، زركونيا مثبتة بالإيتريوم (YSZ). ثم يُبرّد المحلول من الأسفل إلى الأعلى على منصة تسمح بالتبريد أحادي الاتجاه. هذا يُجبر بلورات الجليد على النمو بما يتوافق مع التبريد أحادي الاتجاه، وتدفع هذه البلورات جزيئات YSZ المذابة إلى جبهة التصلب عند الحد الفاصل بين الطورين الصلب والسائل، مما ينتج عنه بلورات جليد نقية مصطفة في اتجاه واحد بجانب جيوب مركزة من جزيئات الغرواني. بعد ذلك، تُسخّن العينة ويُخفّض الضغط في الوقت نفسه بما يكفي لإجبار بلورات الجليد على التسامي ، وتبدأ جيوب YSZ بالالتحام معًا لتشكيل بنى مجهرية خزفية متراصة على المستوى العياني. ثم تُلبّد العينة مرة أخرى لإكمال تبخير الماء المتبقي والتماسك النهائي للبنية المجهرية الخزفية.

أثناء عملية التشكيل بالجليد، يمكن التحكم في بعض المتغيرات للتأثير على حجم المسام وشكل البنية المجهرية. تشمل هذه المتغيرات المهمة نسبة المواد الصلبة الأولية في الغرواني، ومعدل التبريد، ودرجة حرارة التلبيد ومدته، واستخدام بعض الإضافات التي قد تؤثر على شكل البنية المجهرية أثناء العملية. يُعدّ فهم هذه المعايير جيدًا أمرًا أساسيًا لفهم العلاقات بين المعالجة والبنية المجهرية والخواص الميكانيكية للمواد المسامية غير المتجانسة. ^{[ 30 ]}

الخصائص الكهربائية

أشباه الموصلات

بعض أنواع السيراميك أشباه موصلات . معظمها أكاسيد فلزات انتقالية من النوع II-VI، مثل أكسيد الزنك . ورغم وجود احتمالات لإنتاج ثنائيات باعثة للضوء الأزرق (LED) بكميات كبيرة من أكسيد الزنك، فإن اهتمام خبراء السيراميك ينصبّ بشكل أساسي على الخصائص الكهربائية التي تُظهر تأثيرات حدود الحبيبات . ومن أكثر هذه الخصائص استخدامًا المقاوم المتغير (الفاريستور). وهي أجهزة تتميز بانخفاض حاد في المقاومة عند جهد عتبة معين . بمجرد وصول الجهد عبر الجهاز إلى جهد العتبة، يحدث انهيار في البنية الكهربائية بالقرب من حدود الحبيبات، مما يؤدي إلى انخفاض مقاومته الكهربائية من عدة ميغا أوم إلى بضع مئات من الأوم . وتتمثل الميزة الرئيسية لهذه المقاومات في قدرتها على تبديد كمية كبيرة من الطاقة، بالإضافة إلى إعادة ضبطها ذاتيًا؛ فبعد انخفاض الجهد عبر الجهاز إلى ما دون جهد العتبة، تعود مقاومته إلى قيمتها العالية. وهذا ما يجعلها مثالية لتطبيقات الحماية من ارتفاع التيار المفاجئ ؛ ونظرًا لإمكانية التحكم في جهد العتبة وتحمل الطاقة، فإنها تُستخدم في جميع أنواع التطبيقات. يُمكن إيجاد أفضل دليل على قدرتها في محطات التحويل الكهربائية ، حيث تُستخدم لحماية البنية التحتية من الصواعق . فهي تتميز باستجابتها السريعة، وقلة صيانتها، وعدم تدهور أدائها بشكل ملحوظ مع الاستخدام، مما يجعلها أجهزة مثالية لهذا التطبيق. كما تُستخدم السيراميك شبه الموصلة كمستشعرات للغازات . فعند تمرير غازات مختلفة فوق السيراميك متعدد البلورات، تتغير مقاومته الكهربائية. ومن خلال ضبطها لتناسب مخاليط الغازات المختلفة، يُمكن إنتاج أجهزة منخفضة التكلفة للغاية.

الموصلية الفائقة

في ظل ظروف معينة، كدرجات الحرارة المنخفضة للغاية، تُظهر بعض أنواع السيراميك خاصية التوصيل الفائق عند درجات حرارة عالية (في مجال التوصيل الفائق، تعني "درجة الحرارة العالية" ما يزيد عن 30 كلفن). ولا يزال سبب هذه الظاهرة غير مفهوم، ولكن توجد فئتان رئيسيتان من السيراميك فائق التوصيل.

الفيروكهربائية والمجموعات الفائقة

تُظهر العديد من المواد الخزفية، بما فيها الكوارتز المستخدم لقياس الوقت في الساعات والأجهزة الإلكترونية الأخرى، خاصية الكهروضغطية ، وهي حلقة وصل بين الاستجابة الكهربائية والميكانيكية . تستخدم هذه الأجهزة خاصيتي الكهروضغطية، حيث تستخدم الكهرباء لتوليد حركة ميكانيكية (تشغيل الجهاز)، ثم تستخدم هذه الحركة الميكانيكية لتوليد الكهرباء (توليد إشارة). وحدة الزمن المقاسة هي الفترة الزمنية الطبيعية اللازمة لتحويل الكهرباء إلى طاقة ميكانيكية ثم إعادتها إلى طاقة ميكانيكية.

تكون ظاهرة الكهروضغطية أقوى عمومًا في المواد التي تُظهر أيضًا خاصية الكهروحرارية ، وجميع المواد الكهروحرارية هي أيضًا كهروضغطية. يمكن استخدام هذه المواد للتحويل بين الطاقة الحرارية والميكانيكية والكهربائية؛ فعلى سبيل المثال، بعد تصنيعها في فرن، تتراكم شحنة كهربائية ساكنة تصل إلى آلاف الفولتات في بلورة كهروحرارية تُترك لتبرد دون أي ضغط خارجي. تُستخدم هذه المواد في أجهزة استشعار الحركة ، حيث يكفي الارتفاع الطفيف في درجة الحرارة الناتج عن دخول جسم دافئ إلى الغرفة لتوليد جهد كهربائي قابل للقياس في البلورة.

وبدورها، تظهر الخاصية الكهروحرارية بوضوح في المواد التي تُظهر أيضًا التأثير الكهروإجهادي ، حيث يمكن توجيه أو عكس اتجاه ثنائي قطب كهربائي مستقر بتطبيق مجال كهرساكن. وتُعدّ الخاصية الكهروحرارية نتيجة حتمية للخاصية الكهروإجهادية. ويمكن استخدام هذه الخاصية لتخزين المعلومات في المكثفات الكهروإجهادية ، وهي عناصر من ذاكرة الوصول العشوائي الكهروإجهادية .

أكثر هذه المواد شيوعاً هي زركونات تيتانات الرصاص وتيتانات الباريوم . وبالإضافة إلى الاستخدامات المذكورة أعلاه، تُستغل استجابتها الكهروإجهادية القوية في تصميم مكبرات الصوت عالية التردد ، ومحولات الطاقة لأجهزة السونار ، والمحركات الخاصة بمجاهر القوة الذرية ومجاهر المسح النفقي .

معامل حراري موجب

قد تؤدي الزيادة في درجة الحرارة إلى تحول حدود الحبيبات فجأةً إلى عازلة في بعض المواد الخزفية شبه الموصلة، وخاصةً مخاليط تيتانات المعادن الثقيلة . ويمكن ضبط درجة حرارة التحول الحرجة ضمن نطاق واسع من خلال تغييرات في التركيب الكيميائي. في هذه المواد، يمر التيار الكهربائي عبرها حتى تصل إلى درجة حرارة التحول بفعل التسخين الجولي ، وعندها تنقطع الدائرة ويتوقف تدفق التيار. تُستخدم هذه الخزفيات كعناصر تسخين ذاتية التحكم، على سبيل المثال، في دوائر إزالة الصقيع عن الزجاج الخلفي للسيارات.

عند درجة حرارة التحول، تصبح الاستجابة العازلة للمادة نظريًا لا نهائية. ورغم أن عدم القدرة على التحكم في درجة الحرارة سيحول دون أي استخدام عملي للمادة بالقرب من درجة حرارتها الحرجة، إلا أن التأثير العازل يظل قويًا للغاية حتى عند درجات حرارة أعلى بكثير. ولهذا السبب تحديدًا، أصبحت التيتانات ذات درجات الحرارة الحرجة الأقل بكثير من درجة حرارة الغرفة مرادفة لكلمة "سيراميك" في سياق المكثفات السيراميكية.

الخصائص البصرية

تركز المواد الشفافة بصريًا على استجابة المادة لموجات الضوء الواردة ذات الأطوال الموجية المختلفة. ويمكن استخدام المرشحات البصرية الانتقائية للتردد لتعديل أو تحسين سطوع وتباين الصورة الرقمية. ويعتمد نقل الموجات الضوئية الموجهة عبر الموجهات الانتقائية للتردد على مجال الألياف البصرية الناشئ، وعلى قدرة بعض التركيبات الزجاجية على العمل كوسيط نقل لمجموعة من الترددات في آن واحد ( الألياف البصرية متعددة الأنماط ) مع تداخل ضئيل أو معدوم بين الأطوال الموجية أو الترددات المتنافسة . وعلى الرغم من انخفاض الطاقة في هذا النمط الرنيني لنقل الطاقة والبيانات عبر انتشار الموجات الكهرومغناطيسية (الضوئية) ، إلا أنه يكاد يكون عديم الفقد. وتُستخدم الموجهات البصرية كمكونات في الدوائر البصرية المتكاملة (مثل الثنائيات الباعثة للضوء ، LEDs) أو كوسيط نقل في أنظمة الاتصالات البصرية المحلية والبعيدة المدى. كما أن حساسية المواد للإشعاع في الجزء الحراري بالأشعة تحت الحمراء من الطيف الكهرومغناطيسي ذات قيمة كبيرة لعلماء المواد الناشئين . إن هذه القدرة على البحث عن الحرارة مسؤولة عن ظواهر بصرية متنوعة مثل الرؤية الليلية والتألق بالأشعة تحت الحمراء .

لذا، تزداد الحاجة في القطاع العسكري إلى مواد عالية المتانة والقوة، قادرة على نقل الضوء ( الموجات الكهرومغناطيسية ) في نطاقي الطيف المرئي (0.4 - 0.7 ميكرومتر) والأشعة تحت الحمراء المتوسطة (1 - 5 ميكرومتر). وتُعدّ هذه المواد ضرورية لتطبيقات تتطلب دروعًا شفافة ، بما في ذلك صواريخ الجيل القادم عالية السرعة ووحدات الإطلاق، فضلًا عن الحماية من العبوات الناسفة المرتجلة.

في ستينيات القرن الماضي، اكتشف علماء في شركة جنرال إلكتريك (GE) أنه في ظل ظروف التصنيع المناسبة، يمكن جعل بعض أنواع السيراميك، وخاصة أكسيد الألومنيوم (الألومينا)، شفافة جزئيًا . كانت هذه المواد الشفافة جزئيًا شفافة بما يكفي لاستخدامها في احتواء البلازما الكهربائية المتولدة في مصابيح الشوارع الصوديومية عالية الضغط . خلال العقدين الماضيين، طُوّرت أنواع إضافية من السيراميك الشفاف لتطبيقات مثل مخاريط أنف الصواريخ الموجهة حراريًا ، ونوافذ الطائرات المقاتلة ، وعدادات الوميض لأجهزة التصوير المقطعي المحوسب . تشمل مواد السيراميك الأخرى، التي تتطلب عمومًا نقاءً أعلى في تركيبها من المواد المذكورة أعلاه، أشكالًا من عدة مركبات كيميائية، منها:

1. يُظهر تيتانات الباريوم (غالباً ما يُخلط مع تيتانات السترونتيوم ) خاصية الاستقطاب الكهربائي ، مما يعني أن استجاباته الميكانيكية والكهربائية والحرارية مترابطة وتعتمد أيضاً على تاريخه. ويُستخدم على نطاق واسع في المحولات الكهروميكانيكية ، والمكثفات الخزفية ، وعناصر تخزين البيانات . ويمكن أن تُؤدي ظروف حدود الحبيبات إلى تأثيرات معامل درجة الحرارة الموجب في عناصر التسخين .
2. يتميز سيالون (أوكسي نتريد السيليكون والألومنيوم) بقوة عالية، ومقاومة للصدمات الحرارية، ومقاومة للمواد الكيميائية والتآكل، وكثافة منخفضة. تُستخدم هذه المواد الخزفية في معالجة المعادن غير الحديدية المنصهرة، ودبابيس اللحام، والصناعات الكيميائية.
3. يستخدم كربيد السيليكون (SiC) كمادة قابلة للتسخين في أفران الميكروويف، وكمادة كاشطة شائعة الاستخدام، وكمادة حرارية .
4. يستخدم نتريد السيليكون (Si ₃ N _{4 ) كمسحوق} كاشط .
5. يُستخدم الستياتيت (سيليكات المغنيسيوم) كعازل كهربائي .
6. يُستخدم كربيد التيتانيوم في دروع إعادة دخول مكوك الفضاء وفي الساعات المقاومة للخدش.
7. يُستخدم أكسيد اليورانيوم ( UO2 ) كوقود في _{المفاعلات} النووية .
8. أكسيد الإتريوم والباريوم والنحاس (Y Ba ₂ Cu ₃ O _7−x ) هو موصل فائق ذو درجة حرارة عالية .
9. أكسيد الزنك ( Zn O) هو شبه موصل يستخدم في بناء المقاومات المتغيرة .
10. ثاني أكسيد الزركونيوم (الزركونيا)، الذي يخضع في حالته النقية للعديد من التحولات الطورية بين درجة حرارة الغرفة ودرجات حرارة التلبيد العملية ، يمكن تثبيته كيميائيًا بأشكال مختلفة. وتجعله موصليته العالية لأيونات الأكسجين مناسبًا للاستخدام في خلايا الوقود ومستشعرات الأكسجين في السيارات . وفي شكل آخر، يمكن للهياكل شبه المستقرة أن تُكسبه صلابة تحويلية للتطبيقات الميكانيكية؛ وتُصنع معظم شفرات السكاكين الخزفية من هذه المادة. أما الزركونيا المُثبتة جزئيًا (PSZ) فهي أقل هشاشة بكثير من أنواع السيراميك الأخرى، وتُستخدم في أدوات تشكيل المعادن، والصمامات، والبطانات، ومواد الكشط، وسكاكين المطبخ، والمحامل المعرضة للتآكل الشديد. ^{[ 31 ]}

1. شفرات السكاكين : ستبقى شفرة السكين الخزفية حادة لفترة أطول بكثير من شفرة السكين الفولاذية، على الرغم من أنها أكثر هشاشة وعرضة للكسر.
2. أقراص فرامل من الكربون والسيراميك للمركبات: مقاومة عالية لتلاشي الفرامل في درجات الحرارة العالية.
3. تم تصميم مصفوفات السيراميك والمعادن المركبة المتقدمة لمعظم المركبات القتالية المدرعة الحديثة لأنها توفر مقاومة اختراق فائقة ضد الشحنات المشكلة ( قذائف HEAT ) والقذائف المخترقة للطاقة الحركية .
4. استُخدمت مواد خزفية مثل الألومينا وكربيد البورون كصفائح في السترات الواقية الباليستية لصد نيران البنادق عالية السرعة . تُعرف هذه الصفائح باسم حشوات الحماية من الأسلحة الصغيرة (SAPIs). كما تُستخدم مواد مماثلة خفيفة الوزن لحماية قمرات قيادة بعض الطائرات العسكرية.
5. يمكن استخدام محامل الكرات الخزفية بدلاً من الفولاذية. تتميز بصلابتها العالية التي تقلل من قابليتها للتآكل. عادةً ما تدوم المحامل الخزفية ثلاثة أضعاف عمر المحامل الفولاذية. كما أنها أقل عرضة للتشوه تحت الحمل، مما يقلل من احتكاكها بجدران حامل المحمل. في التطبيقات عالية السرعة، تتسبب الحرارة الناتجة عن الاحتكاك في مشاكل أكبر للمحامل المعدنية مقارنةً بالمحامل الخزفية. تتميز المواد الخزفية بمقاومتها الكيميائية للتآكل، ولذلك تُفضل في البيئات التي قد تصدأ فيها المحامل الفولاذية. في بعض التطبيقات، تُعد خصائصها العازلة للكهرباء ميزةً إضافية. تشمل عيوب المحامل الخزفية ارتفاع تكلفتها بشكل ملحوظ، وقابليتها للتلف تحت تأثير الأحمال الصدمية، واحتمالية تسببها في تآكل الأجزاء الفولاذية نظرًا لصلابتها العالية.
6. في أوائل ثمانينيات القرن الماضي، أجرت شركة تويوتا أبحاثًا حول إنتاج محرك كظومي باستخدام مكونات خزفية في منطقة الغاز الساخن. كان من شأن استخدام الخزف أن يسمح بدرجات حرارة تتجاوز 1650 درجة مئوية. وتشمل المزايا استخدام مواد أخف وزنًا ونظام تبريد أصغر (أو الاستغناء عن نظام التبريد تمامًا)، مما يؤدي إلى تخفيض كبير في الوزن. إلا أن الزيادة المتوقعة في كفاءة استهلاك الوقود (نتيجة لارتفاع درجات حرارة التشغيل، كما هو موضح في نظرية كارنو ) لم يكن من الممكن التحقق منها تجريبيًا. فقد وُجد أن انتقال الحرارة على جدار الأسطوانة الخزفي الساخن كان أكبر من انتقال الحرارة إلى جدار معدني أبرد. ويعود ذلك إلى أن طبقة الغاز الأبرد على السطح المعدني تعمل كعازل حراري . وبالتالي، على الرغم من الخصائص المرغوبة للخزف، إلا أن تكاليف الإنتاج الباهظة والمزايا المحدودة حالت دون اعتماد مكونات المحركات الخزفية على نطاق واسع. إضافةً إلى ذلك، فإن العيوب الصغيرة في المادة الخزفية، إلى جانب انخفاض مقاومتها للكسر، قد تؤدي إلى تشققات وربما أعطال خطيرة في المعدات. إن مثل هذه المحركات ممكنة تجريبيًا، لكن الإنتاج بكميات كبيرة غير ممكن بالتكنولوجيا الحالية. 
7. تُجرى حاليًا تجارب على أجزاء خزفية لمحركات التوربينات الغازية . وحتى الشفرات المصنوعة من سبائك معدنية متطورة، والمستخدمة في الجزء الساخن من المحركات، تتطلب تبريدًا ومراقبة دقيقة لدرجات حرارة التشغيل. ويمكن لمحركات التوربينات المصنوعة من السيراميك أن تعمل بكفاءة أعلى، مما يوفر مدىً وحمولةً أكبر. ^{[ 35 ]}
8. شهدت صناعة السيراميك تطورات حديثة، تشمل السيراميك الحيوي مثل غرسات الأسنان والعظام الاصطناعية. وقد تم تصنيع هيدروكسيباتيت ، المكون المعدني الرئيسي للعظام، صناعيًا من عدة مكونات بيولوجية وكيميائية، ويمكن تشكيله إلى مواد سيراميكية. تلتصق غرسات العظام المطلية بهذه المواد بسهولة بالعظام والأنسجة الأخرى في الجسم دون رفض أو تفاعل التهابي. وهي ذات أهمية بالغة في مجال توصيل الجينات وهندسة الأنسجة . معظم أنواع سيراميك هيدروكسيباتيت مسامية للغاية وتفتقر إلى القوة الميكانيكية، ولذلك تُستخدم فقط لتغطية أجهزة تقويم العظام المعدنية للمساعدة في تكوين رابطة مع العظام أو كحشوات للعظام. 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 مواد تقويم العظام المعدنية والبلاستيكية الغريبة بمعدن عظمي اصطناعي ولكنه طبيعي المنشأ. في نهاية المطاف، يمكن استخدام هذه المواد الخزفية كبديل للعظام، أو مع دمج الكولاجين البروتيني ، تصنيع عظام اصطناعية.
9. تشمل تطبيقات المواد الخزفية المحتوية على الأكتينيدات الوقود النووي لحرق فائض البلوتونيوم (Pu)، أو كمصدر خامل كيميائيًا لإشعاع ألفا في مصادر الطاقة للمركبات الفضائية غير المأهولة أو الأجهزة الإلكترونية الدقيقة. يتطلب استخدام الأكتينيدات المشعة والتخلص منها تثبيتها في مادة مضيفة متينة. تُثبَّت النويدات المشعة ذات عمر النصف الطويل، مثل الأكتينيدات، باستخدام مواد بلورية متينة كيميائيًا تعتمد على الخزف متعدد البلورات والبلورات الأحادية الكبيرة. ^{[ 36 ]}
10. تُستخدم السيراميك عالية التقنية في صناعة علب الساعات. ويُقدّر صانعو الساعات هذه المادة لخفة وزنها، ومقاومتها للخدش، ومتانتها، وملمسها الناعم. وتُعدّ IWC من العلامات التجارية الرائدة في استخدام السيراميك في صناعة الساعات. ^{[ 37 ]}
11. تُستخدم المواد الخزفية في تصميم هياكل الهواتف المحمولة نظرًا لصلابتها العالية، ومقاومتها للخدوش، وقدرتها على تبديد الحرارة. ^{[ 38 ]} تُسهم خصائص إدارة الحرارة في المواد الخزفية في الحفاظ على درجة حرارة مثالية للجهاز أثناء الاستخدام المكثف، مما يُحسّن الأداء. إضافةً إلى ذلك، تدعم المواد الخزفية ^الشحن اللاسلكي ^{[ 39 ]} وتوفر نقلًا أفضل للإشارة مقارنةً بالمعادن، التي قد تتداخل مع الهوائيات . ^{[ 40 ]} وقد أدرجت شركات مثل آبل وسامسونج المواد الخزفية في أجهزتها. ^{[ 41} ] ^{[ 42 ]}
12. تُستخدم الخزفيات المصنوعة من كربيد السيليكون في مكونات المضخات والصمامات نظرًا لخصائصها المقاومة للتآكل . ^{[ 43 ]} كما تُستخدم في المفاعلات النووية كمواد تغليف للوقود لقدرتها على تحمل الإشعاع والإجهاد الحراري . ^{[ 44 ]} تشمل الاستخدامات الأخرى لخزفيات كربيد السيليكون صناعة الورق، وصناعة المقذوفات ، والإنتاج الكيميائي، وكمكونات لأنظمة الأنابيب. ^{[ 45 ]}

• كيمياء السيراميك – علم وتكنولوجيا صناعة الأشياء من مواد غير عضوية وغير معدنية. صفحات تعرض وصفًا موجزًا ​​لأهداف إعادة التوجيه 
• هندسة السيراميك – علم وتكنولوجيا صناعة الأشياء من مواد غير عضوية وغير معدنية 
• جسيمات نانوية خزفية
• مادة مركبة ذات مصفوفة خزفية – مادة مركبة تتكون من ألياف خزفية في مصفوفة خزفية 
• فن الخزف – أشياء زخرفية مصنوعة من الطين ومواد خام أخرى من خلال عملية صناعة الفخار 
• علم المواد – أبحاث المواد. صفحات تعرض وصفًا موجزًا ​​لأهداف إعادة التوجيه. 
• كسر الفخار – نتيجة للمعالجة الحرارية على السيراميك 

• جاي، جون (1986). جاي، جون (محرر). الخزف التجاري الشرقي في جنوب شرق آسيا، من القرن التاسع إلى القرن السادس عشر: مع فهرس للمنتجات الصينية والفيتنامية والتايلاندية في المجموعات الأسترالية (طبعة منقحة ومصورة  ). مطبعة جامعة أكسفورد. ISBN 978-0-19-582593-0.

• ريدل، رالف ؛ تشين، آي-وي، محرران. (2013). علم وتكنولوجيا السيراميك . doi : 10.1002/9783527631940 . ISBN 978-3-527-31149-1.