Wat zijn keramische stoffen?

Een keramische stof is een anorganische niet-metallische vaste stof die bestaat uit metaal of niet-metaalverbindingen die zijn gevormd en vervolgens gehard door verhitting tot hoge temperaturen. In het algemeen zijn ze hard, corrosiebestendig en bros.

‘Keramiek’ komt van het Griekse woord dat ‘aardewerk’ betekent. De op klei gebaseerde huishoudelijke gebruiksvoorwerpen, kunstvoorwerpen en bouwproducten zijn ons allen bekend, maar aardewerk is slechts één onderdeel van de keramische wereld.

Heden ten dage heeft de term ‘keramiek’ een ruimere betekenis en omvat ook materialen als glas, geavanceerde keramiek en sommige cementsystemen.

Traditionele keramiek – aardewerk

Keramiek is één van de oudste menselijke technologieën. Fragmenten van kleipotten die onlangs in de provincie Hunan in China zijn gevonden, zijn met koolstof gedateerd op 17.500-18.300 jaar oud.

De belangrijkste soorten aardewerk worden beschreven als aardewerk, steengoed en porselein.

Aardewerk wordt veel gebruikt voor aardewerk tafelgerei en decoratieve voorwerpen. Het is een van de oudste materialen die voor aardewerk worden gebruikt.

De klei wordt gebakken bij relatief lage temperaturen (1.000-1.150°C), waardoor een enigszins poreus, grof product ontstaat. Om de poreusheid te verhelpen, wordt het gebakken voorwerp bedekt met fijngemalen glaspoeder dat in water is gedrenkt (glazuur) en vervolgens een tweede keer gebakken. Faience, Delft en majolica zijn voorbeelden van aardewerk.

Steengoed klei wordt gebakken op een hoge temperatuur (ongeveer 1.200°C) totdat het glasachtig wordt (verglaasd). Omdat steengoed niet poreus is, wordt glazuur alleen ter decoratie aangebracht. Het is een stevig, splintervrij en duurzaam materiaal dat geschikt is voor gebruik in de keuken voor koken, bakken, het bewaren van vloeistoffen en als serveerschaal.

Porselein is een zeer harde, doorschijnende witte keramiek. De eerste vormen van porselein ontstonden rond 1600 v.Chr. in China, en tegen 600 n.Chr. was Chinees porselein een geliefd handelsartikel bij Arabische handelaars. Omdat porselein werd geassocieerd met China en vaak werd gebruikt voor het maken van borden, kopjes, vazen en andere kunstwerken, wordt het vaak “fijn porselein” genoemd.

Om porselein te maken worden kleine hoeveelheden glas, graniet en veldspaatmineralen vermalen met fijne witte kaolienklei. Aan het resulterende fijne witte poeder wordt water toegevoegd, zodat het kan worden gekneed en in vorm kan worden gebracht. Dit wordt in een oven gebakken tot een temperatuur tussen 1.200-1.450°C. Decoratieve glazuren worden dan aangebracht, gevolgd door verder bakken.

Porselein van beenderen – dat gemakkelijker te maken, moeilijker af te breken en sterker is dan porselein – wordt gemaakt door as van runderbeenderen toe te voegen aan klei, veldspaatmineralen en fijn kiezelzand.

Geavanceerde keramiek – nieuwe materialen

Geavanceerde keramiek is over het algemeen niet op kleibasis. In plaats daarvan zijn ze ofwel gebaseerd op oxiden of non-oxiden of combinaties van de twee:

• Typische oxiden die worden gebruikt zijn aluminiumoxide (Al2O3) en zirkoonoxide (ZrO2).
• Niet-oxiden zijn vaak carbiden, boriden, nitriden en siliciden, bijvoorbeeld boriumcarbide (B4C), siliciumcarbide (SiC) en molybdeendisilicide (MoSi2).

Het productieproces omvat allereerst het grondig mengen van de zeer fijne poeders van de samenstellende materialen. Nadat ze tot een groen lichaam zijn gevormd, wordt dit bij hoge temperatuur gebakken (1.600-1.800°C). Deze stap wordt vaak uitgevoerd in een zuurstofvrije atmosfeer.

Door de hoge temperatuur kunnen de minuscule korrels van de afzonderlijke keramische componenten samensmelten, waardoor een hard, taai, duurzaam en corrosiebestendig product ontstaat. Dit proces wordt sinteren genoemd.

Toepassingen van geavanceerde keramiek

Geavanceerde keramische materialen zijn nu goed ingeburgerd op vele gebieden van dagelijks gebruik, van koelkastmagneten tot een groeiend aantal industrieën, waaronder metaalproductie en -verwerking, lucht- en ruimtevaart, elektronica, automobielindustrie en bescherming van personeel.

In de moderne geneeskunde spelen geavanceerde keramische materialen – vaak biokeramiek genoemd – een steeds belangrijkere rol. Biokeramiek, zoals aluminiumoxide en zirkoonoxide, is een hard, chemisch inert materiaal dat tot hoogglans kan worden gepolijst. Ze worden gebruikt als tandheelkundige implantaten en als botsubstituten bij orthopedische ingrepen zoals heup- en knievervanging. Lees meer over de toepassingen van geavanceerde keramiek.