โดยทั่วไปเซรามิกมีสมบัติเปราะ และค่าความต้านทานแรงดึง (tensile strength) ก็จะแตกต่าง กันมากกล่าวคือ มีค่าตั้งแต่ต่ำกว่า 100 psi (0.69 MPa) จนถึงค่าสูงประมาณ 106 psi (7 x 103 MPa) อาทิเช่น Al2O3 ที่ถูกเตรียมในสภาวะที่ควบถูกคุมอย่างระมัดระวัง นอกจากนี้แล้ว วัสดุเซรามิกยังมีค่า ความต้านทานแรงอัด(compressive strength) แตกต่างกับค่าความต้านทานแรงดึงอย่างมากกล่าวคือ มีค่าสูงกว่า ความต้านทานแรงดึง ประมาณ 5 – 10 เท่า ดังแสดงในตาราง และเนื่องจากพันธะระหว่าง อะตอมหรือไอออนภายในโครงสร้างของเซรามิกเป็นพันธะแบบไอออนิก-โคเวเลนต์ ดังนั้นวัสดุเซรามิก หลายชนิดจึงมักจะแข็งและมีค่าความต้านทานต่อการขยายตัวของรอยแตก (fracture toughness) ที่ต่ำ อย่างไรก็ตามก็มีวัสดุเซรามิกบางชนิดที่มีความอ่อนง่ายต่อการเปลี่ยนแปลงรูป ร่าง เช่น plasticized clay เนื่องจากพันธะระหว่างชั้นเป็นพันธะแบบอ่อน
สมบัติเชิงกลของเซรามิกวิศวกรรม
|
วัสดุ
|
ความหนาแน่น g/cm3
|
Compressive Strength
|
Tentile Strength
|
Flexural Strength
|
Fracture Strangth
|
||||
|
MPa
|
kai
|
MPa
|
kai
|
MPa
|
kai
|
MPa
|
kai
|
||
|
Al2O3 (99%)
|
3.85
|
2585
|
375
|
207
|
30
|
345
|
50
|
4
|
3.63
|
|
Si3N4(hot-pressed)
|
3.19
|
3450
|
500
|
-
|
-
|
690
|
100
|
6.6
|
5.99
|
|
Si3N4(reaction-bonded)
|
2.8
|
770
|
112
|
-
|
-
|
255
|
37
|
3.6
|
3.27
|
|
SiC (sintered)
|
3.1
|
3860
|
560
|
170
|
25
|
550
|
80
|
4
|
3.63
|
|
ZrO2, 9% MgO (partially stabilized)
|
5.5
|
1860
|
270
|
-
|
-
|
690
|
100
|
8+
|
7.26+
|
ปัจจัยต่าง ๆ ที่มีผลต่อความแข็งแรงของเซรามิก
1. ความบกพร่องหรือความผิดปกติในโครงสร้าง (structural defects) อาทิเช่น รอยแตกร้าวที่ อาจเกิดขึ้นเนื่องจากการแต่งผิว รูพรุน (porosity) สิ่งแปลกปลอม เกรนที่มีขนาดใหญ่ เป็นต้น ความบกพร่องเหล่านี้จะมีผลทำให้ความแข็งแรงของวัสดุเซรามิกลดลงกล่าวคือ เมื่อมีรูพรุน หรือ รอยแตกร้าวเกิดขึ้นที่บริเวณนั้นจะมีความเค้นสะสมเกิดขึ้นมากทำให้วัสดุถูก ทำลายได้ง่ายแต่ถ้า วัสดุนั้นไม่มีรูพรุน รอยแตกร้าว ความแข็งแรงของวัสดุจะขึ้นกับขนาดของเกรน วัสดุที่มีเกรนมีขนาด เล็ก จะมีความแข็งแรงมากกว่าวัสดุที่มีเกรนขนาดใหญ่
2. องค์ประกอบทางเคมี โครงสร้าง และสภาพพื้นผิว
3. อุณหภูมิและสิ่งแวดล้อม รวมทั้งระดับความเค้นในวัสดุ
ความเหนียวของเซรามิก
เนื่องจากพันธะที่เกิดขึ้นภายในโครงสร้างของเซรามิกเป็นพันธะแบบไอออนิก – โคเวเลนต์ ดังนั้นวัสดุเซรามิกจะมีความเหนียว (toughness) ที่ต่ำ มีงานวิจัยมากมายที่พยายามค้นคว้าเพื่อ ปรับปรุง ความเหนียวของเซรามิก อาทิเช่น การทำอัดด้วยความรัอน (hot pressing) และเติม สารเคมีบางชนิดเพื่อให้เกิดพันธะขึ้น การทดสอบความต้านทานต่อการขยายตัวของรอยแตก (fracture – toughness tests) กับวัสดุเซรามิกเพื่อหาค่า KIC สามารถกระทำได้เช่นเดียวกับที่ กระทำในโลหะโดยการทดสอบการดัดงอแบบสี่จุด (four–point bend) เมื่อมีรอยบากบนชิ้นตัวอย่าง
ในปัจจุบันนี้ นักวิจัยได้พยายามพัฒนาวัสดุเซรามิกให้มีสมบัติความต้านทานต่อการขยายตัว ของรอยแตกสูงขึ้นและพบว่าการเปลี่ยนแปลงวัฏภาคในเซอร์โคเนียม (zirconia) และถ้าเติมสาร ประกอบออกไซด์ที่ทนไฟบางชนิด (CaO, MgO และ Y2O3) ลงไป ก็จะทำให้ได้เซรามิกที่มีสมบัติ ดังกล่าว อาทิเช่น partially stabilized zirconia (PSZ) ซึ่งประกอบด้วย MgO 9 mol%
ความแข็งของเซรามิก
เนื่องจากเซรามิกมีความแข็งมาก ทำให้เราสามารถนำเอาวัสดุเซรามิกมาใช้เป็นวัสดุสำหรับ ขัดสี (abrasive materials) เพื่อตัด บด และขัดถูวัสดุอื่นที่มีความแข็งน้อยกว่า เซรามิกเหล่านี้ ได้แก่อลูมิเนียมออกไชด์ (aluminum oxide) และซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide) เซรามิกที่ใช้ เป็นวัสดุสำหรับขัดสีจะต้องมีอนุภาคที่แข็งและมีปริมาณรูพรุนที่พอเหมาะ เพื่อให้อากาศและของ เหลวไหลผ่านโครงสร้างได้ อลูมิเนียมออกไซด์มักจะมีความเหนียวที่สูงกว่าซิลิคอนคาร์ไบด์แต่ ไม่แข็งเท่า ดังนั้นซิลิคอนคาร์ไบด์จึงถูกใช้มากกว่า ในขณะเดียวกันเมื่อผสมเซอร์โคเนียมออกไชด์ (zirconium oxide) ลงไป อลูมิเนียมออกไชด์จะทำให้เราได้วัสดุขัดสีมีความแข็งแรง ความแข็ง และความคมมากยิ่งขึ้น อาทิเช่น ceramic alloys ที่ประกอบด้วย25 % ZrO2 และ 75% หรือ 40% ZrO2 และ 60% Al2O3 เป็นต้น นอกจากนี้ยังมีเซรามิกที่ใช้สำหรับขัดสี (abrasive ceramic) ที่สำคัญอีกชนิดหนึ่งคือโบรอนไนไตร์ด (boron nitride) ซึ่งมีชื่อทางการค้าว่า Borazon ซึ่งมีความแข็ง เกือบเท่ากับเพชร แต่ทนความร้อนได้ดีกว่าเพชร
ที่มา : วัสดุวิศวกรรม รศ. แม้น อมรสิทธิ์, โลหะวิทยาในงานอุตสาหกรรม ขจรศักดิ ศิริมัย