Keramika bu mineral va organik qo’shimchalar bilan gildan qoliplash, so’ngra quritish va pishirish orqali olingan sun’iy tosh materiallarining katta guruhining umumiy nomi

3.2. Qattiq fazada pishirish
Turli texnik keramika materiallarini olishda: olovbardoshlilik, kimyoviy qarshilik, mexanikaviy va elektr mustahkamligi va boshqa bir qator o’ziga xos yuqori talablar qoyilganda, tarkibda sezilarli darajada suyuqlik miqdori bo’lishi mumkin emas.
Agar shunda ham, juda kam miqdorda eritma hosil bo'lsa (nazorat qilinmagan aralashmalar tufayli), unda uning siqib chiqarilishi keramik materialning pishish jarayonida hal qiluvchi bo'lishi mumkin emas.
Shuning uchun, bunday keramik tizimlarini pishirishda kristallar orasida moddalarni ko’chishining boshqa mexanizmlari mavjud bo'lishi kerak, bu esa zarralar orasidagi bo'shliqlarni to'ldirishga, tizimning zichlanishiga va mustahkamlanishiga olib keladi.
Materialni zichlash jarayonining harakatlantiruvchi kuchi tizimning erkin sirt energiyasining kamayishi bo'lib, bu tizimning umumiy sirtining pasayishi, ham da qattiq va gaz fazalarining orasidagi sirt yuzasining pasayishi bilan bog'liq (3.3-rasm). Taxminan 1 mkm bo'lgan zarracha o'lchamiga ega bo'lgan keramika tizimi pishish paytida yuzaga keladigan erkin sirt energiyasining umumiy kamayishi 1 kal/g qiymatiga to'g'ri keladi. Atomistik nuqtai nazardan, pishish paytida moddalarning ko’chishi bosimlarning farqlari va ba'zi egriliklari bo'lgan sirtlarda erkin energiyaning o'zgarishi bilan belgilanadi.

Rasm. 3.3. sferik shaklga ega r - radiusli ikkita monokristallning qattiq fazada pishish sxemasi: a - dastlabki holat; b - pishishning ba'zi bir bosqichidagi holat; L₀ = 2r - zarrachalarning pishirish momentidagi ikki shar sirtining markazlari orasidagi masofa; L = L₀-∆L - zarrachalar markazlarining yaqinlashish kattaligi; punktirli chiziq bilan moddaning diffuziyali siljishi harakatining yo'nalishi ko'rsatilgan.

Atomistik nuqtai nazaridan, pishirish paytida moddaning ko’chishi bosim qiymatlaridagi farqlar bilan va ba'zi egriliklari bo'lgan sirtlarda erkin energiyaning o'zgarishi bilan aniqlanadi.
Agar zarrachalarning o’lchami va ularning egrilik radiusi kichik bo'lsa, bu omillarning ta'siri sezilarli bo'ladi. Bu esa keramik materiallar texnologiyasining asosan kichik zarrachali materiallarga tayanishining eng muhim sabablaridan biridir.
Qattiq fazada pishirish jarayonida moddalar ko’chishining bir nechta mexanizmlari mavjud: bug'lanish-kondensatlanish, sirt va hajmiy diffuziya hamda plastik deformatsiyalanish va reaksiya tufayli pishirish natijasida yuzaga keladigan jarayonlar.
Bug'lanish-kondensatlanish. Ushbu modelda, pishirish jarayonida, egri chizig’ining radiusi turlicha bo’lgan sirtlar ustidagi bug’ tarangligining farqlari tufayli moddalarni ko’chirish imkoniyati doimo mavjud bo’ladi. Bunday turdagi moddalarning ko’chishi faqat ba’zi tizimlarda amalga oshiriladi va qattiq fazali pishirishda jarayonning miqdoriy nisbatlarini chiqarish imkonini beradigan eng oddiy mexanizm hisoblanadi.
Ushbu mexanizmga asosan, modda bug’ tarangligining farqi ta’sirida donalar sirtidan ularning bir-biri bilan kontakt joyiga o'tadi. Botiq sirt ustidan ko’ra qavariq sirt ustida bug’ tarangligi kam bo'ladi. Shuning uchun pishirish jarayoni donalar sirtining ko’p qismidan bir vaqtning o’zida moddaning bug’lanishi va donalarining uncha katta bo’lmagan, bir-biri bilan aloqa yuzasiga kondensatsiyalanishidan iborat. Zarrachalar orasidagi aloqa kesimining ortishi bilan materialning mustahkamligi oshadi, lekin bir vaqtning o’zida uning sirtining egrilik darajasi kamayadi va natijada moddaning ko’chish jarayoni sekinlashadi.
Izotermik jarayonda donalar orasidagi aloqa yuzasining ko’ndalang kesimi maydoni τ vaqt o’tishi bilan τ^2/3 ga proporsional ravishda oshadi.
Ushbu pishirish mexanizmida ichki zonadan modda qayta taqsimlanmagani sababli, materialning pishishi qisqarishsiz davom etadi. Shu bilan birga, ichki berk g’ovaklar ko’payib ketadi, bu esa ko’pchilik keramik materiallarni pishirishda ushbu mexanizmni qo’llanilmasligiga olib keladi. Hisoblar shuni ko’rsatadiki, bug’lanish - kondensatlanish mexanizmi faqat bug’ bosimi 10^-4 – 10^-5 atm dan past bo’lmagan hollarda samarali bo’lishi mumkin.
Aslida, oksidli keramikani pishirish paytida uning bug’larining tarangligi ancha pastroq bo'ladi. Shu bilan birga, kislorodsiz birikmalarga asoslangan ba’zi materiallar (masalan, SiC) ushbu mexanizmga muvofiq pishiriladi va bunda sezilarli qisqarish kuzatilmaydi va zichligi oshmasdan keramik materialning mexanik mustahkamligi oshadi.
Qattiq fazali pishirish jarayonining diffuziyali mexanizmlari keramik materiallar texnologiyasida eng muhim va keng tarqalgan hisoblanadi.
Qattiq jismda moddaning diffuziyasi kristall panjarada nuqsonlarning mavjudligi bilan o’zaro bog’liq. Diffuziya jarayonlarida nuqtali nuqsonlar yoki vakansiyalar, ya’ni mos ravishda atomlar yoki ionlar bilan to’ldirilmagan kristall panjara tugunlari yuqori ahamiyatga ega. Atom yoki ion issiqlik harakati tufayli panjara tugunidan qo’shni bo’shliq (vakansiya) ga sakrab o’tadi va shu bilan yangi bo’sh joyni bo’shatadi, shu tarzda jarayonning davom etishi uchun sharoit yaratadi. Shunday qilib, modda bo'shliqlarni yutuvchi deb ataladigan joylardan eng ko'p yangi bo’shliqlar (vakansiyalar) hosil bo'ladigan joylarga o'tadi.
Har bir kristall moddada ma'lum bir haroratda bo'shliqlarning aniq muvozanat konsentratsiyasi mavjud bo’lib, u issiqlik harakatining intensivligiga bog'liq va shuning uchun harorat oshishi bilan ortadi. Turli xil sabablar haqiqiy konsentratsiyani muvozanat holatidan chiqishiga olib kelishi mumkin.
Masalan, kristalldagi mexanik kuchlanishlarning mavjudligi vakansiyalar konsentratsiyasini o'zgartiradi. Ko'rinib turibdiki, kristallning siqilgan qismlarida bo'shliqlar konsentratsiyasi pasayadi, kristallning cho'zilgan qismlarida esa ko'payadi. Shunday ekan, moddaning diffuzion harakati jarayoni vakansiyalar konsentratsiyasi ortib borayotgan tomonga, ularni kristall sirtiga olib chiqishga yo'naltiriladi.
Pishirish jarayoni zarrachalarning qizdirilganda bir-biri bilan aloqa qilishida birlamchi mustahkamlanishi, ya'ni kontakt yuzasining birlashishi bilan boshlanadi. Dastlabki birlashish imkoniyati atomlarning issiqlik harakatining intensivligiga bog'liq. Harorar oshgan sari bir-biri bilan kontaktda bo’lgan zarrachalar sirtidagi yanada ko’proq atomlar bir-birining kuch maydoniga tushadi va tutashib ko’prukchalar hosil qiladi. Sirt taranglik kuchlari bilan cho'zilgan ko'prikchaning botiq yuzasi bo'shliqlarning konsentratsiyasi ortib boradigan maydonga ya'ni vakansiya manbaiga aylanadi.
Sirt taranligi kuchlari orqali siqilayotgan sirtning qolgan qavariq qismi, hamda kontakt chegarasidagi ko’prikchalar vakansiya oqimi hisoblanadi. Shuning uchun, zarrachalarning birikish joyiga tomon yo'naltirilgan modda oqimi uni shunchalik kengaytiradiki, zarralar birlashadi, zarralar orasidagi chegara yo'qoladi, lekin modda oqimi indi bo’shliqlar manbai bo'lgan manfiy egri chiziq yuzasi tomon davom etadi, bu esa qoladi.
Sirt taranglik kuchlari orqali siqilayotgan sirtning qolgan qavariq qismi, hamda zarralarning bir-biri bilan bog’lanish chegaralaridagi ko’prikchalar vakansiya oqimi hisoblanadi. Shuning uchun, zarrachalarning birikish joyiga tomon yo'naltirilgan modda oqimi uni shunchalik kengaytiradiki, zarralar birlashadi, zarralar orasidagi chegara yo'qoladi, lekin modda oqimi indi vakansiyalar manbai bo'lgan manfiy egri chiziqli yuzaga qarab harakatda davom etadi.
Pishirish jarayonining harakatlantiruvchi kuchi erkin sirt energiyasi bo'lganligi sababli, pishirish bir-biri bilan tutashadigan zarrachalarning umumiy sathi minimal (sharsimon) bo'lgunga qadar davom etadi. Ko'rinib turibdiki, ko’prukchalar tomon yo'naltirilgan moddalar oqimi kristallning asosiy hajmidan harakat qilganligi sababli, bir-biriga tegib turgan zarralar bir-biriga yaqinlashadi, ya'ni jarayon tizimning siqilishi va qisqarishi bilan boradi.
Berilgan shartli modelga qaraganda haqiqiy pishirish jarayoni ancha murakkab bo’ladi. Bu bir qator sabablarga ko'ra, shu jumladan aloqa qiladigan zarrachalarning shakllari va o'lchamlarining xilma-xilligi, kontakt yuzasining konfiguratsiyasi, boshqa shakllanish joylari va bo'sh joylarning mavjudligi (ular, masalan, dislokatsiyalar bo'lishi mumkin), va boshqalar.
Ammo pishirish jarayonida diffuzion mexanizmning asosiy xususiyatlari model tomonidan to'g'ri aks ettirilgan, chunki modeldan olingan qonuniyatlar tajriba bilan tasdiqlangan.
Jarayonning matematik tahlilidan shunday kelib chiqadiki, ikkita sharsimon yuzali zarrachani izotermik pishirishda nisbiy qisqarish miqdori ∆L/L₀- jarayon boshidan boshlab τ vaqt ichida τ^2/5 ga proporsional bo'ladi:

Bu yerda K - proporsionallik koeffitsienti, dastlabki kukunning xususiyatlariga ya’ni, zarracha kattaligi, o'z-o'zidan diffuziyalanish koeffitsienti va sirt tarangligining qiymatlariga bog’liq bo’ladi. Qattiq fazada pishirish paytida kukunli tizimlarda haqiqiy qisqarish ushbu ifodaga mos bo’lib, daraja korsatgichi τ - odatda 0,3 - 0,5 ni tashkil qiladi, bu juda mos deb hisoblanishi mumkin.
Donachalar orasidagi aloqa o‘sib borishi bilan jarayonning geometrik xarakteri o‘zgaradi va pishirishning qaysi bir bosqichida o‘zaro birikgan g’ovaklar tizimi asta-sekin berk g’ovaklar tizimiga aylanadi. Bu davrda jarayon sekinlashadi va g’ovaklarning haddan tashqari ko'payishi jarayoni boshlanadi, bu ham diffuzion mexanizm bilan aniqlanadi. Muayyan qulay sharoitlarda izolyatsiya qilingan g’ovaklar butunlay o'sib chiqishi mumkin. Lekin, jarayon ikkita muhim omil bilan cheklangan:
1. O’sib chiqqan g'ovakdagi gaz fazasi bosimining oshishi, undan gaz chiqishining iloji bo’lmaydi. Natijada, g'ovakdagi gaz bosimi sirt taranglik kuchlari ta'siridan paydo bo’lgan bosimga teng bo'lishi mumkin. Bunday muvozanat yuzaga kelganda g'ovakning ortiqcha o'sishi to'xtaydi.
2. Oqimdan sezilarli masofada joylashgan bo'shliqlarning sekin harakatlanishi. Kristall chegarasidan ba’zi bir masofalarda bo’lgan berk g'ovakning harakati va uning ortiqcha o'sishi amalda to'xtaydi.
Bu omillar pishirilgan materialni amalda g’ovaklarsiz olish qiyin ekanligini tushuntiradi.
Pishirish jarayoni uzoq muddat davom etsa qayta kristallanish jarayoniga olib kelishi mumkin, ya'ni kichikroq kristallar hisobiga yirik kristallar o'sadi. Qayta kristallanish jarayonining harakatlantiruvchi kuchi ham sirt energiyasi bo'lib, u umumiy zarrachalararo chegaraning qisqarishi bilan minimumga intiladi (toblash vaqtining cheksiz davomiyligi nazariy jihatdan polikristall keramik materiallarning mono kristalga aylanishi mumkin).
Qattiq fazali va suyuq fazali pishirish jarayonlarini solishtirganda shuni ta'kidlash kerakki, qattiq fazali jarayonlar yuqori haroratni talab qiladi va quyi tezlikda davom etadi. Shuning uchun amalda, ko'pincha, pishirish jarayonini jadallashtirish muammolarini hal qilish kerak bo’ladi.
Ushbu muammo, 1 mikrondan kichik o'lchamdagi zarrachalarni olish orqali dastlabki materialning dispersligini oshirish bilan hal qilinadi. Bu tizimning erkin sirt energiyasini oshiradi, pishirish jarayonini keskin jadallashtirishga va ba'zi hollarda kuydirish haroratini 200 °C yoki undan yuqori haroratga kamaytirishga imkon beradi.
Oxirgi paytlarda tuzilishida nuqsonlari kuchaytirilgan kukunlar qo'llanilmoqda, bu kukunlar eritmalardan cho'ktirish yo'li bilan olinib, molekulalarning o'lchamlariga yaqin bo'lgan kristallarni o'z ichiga oladi.
Bunday kukunlarning faolligi shunchalik yuqoriki, o’ta past haroratlarda (xona haroratiga yaqin) birikmalarning sintezi holatlari qayd etilgan.
Ba'zi hollarda pishirish jarayonini jadallashtirish uchun asosiy material bilan qo'shimchalar kiritiladi, qo’shimchalar qattiq eritmalar hosil qiladi va buning natijasida kristall panjarada kationli yoki anionli bo'shliqlar (qattiq eritma turiga qarab) hosil bo'ladi, bu diffuziyalanish va pishirish jarayonini kuchaytiradi. Ba'zi bir hollarda qo'shimchalar ham qayta kristallashni sekinlashtiradi.