פרק 10. חומרים קרמיים

פרק 10: קרמיקות

10.1 מבוא: מהי בעצם קרמיקה?

בפרקים הקודמים עסקנו בעיקר במתכות ובסגסוגותיהן — חומרים שבהם הקשר הכימי הוא קשר מתכתי, “ים” של אלקטרונים חופשיים המשותף לכל היונים החיוביים. כעת נפנה למשפחה שונה לחלוטין של חומרים — הקרמיקות.

בעבר נקשר המונח “קרמיקה” בעיקר בכלי חרס, פורצלן ואריחים. כיום מדובר במשפחה רחבה הרבה יותר, הנמצאת בלב טכנולוגיות מתקדמות רבות:

• אלקטרוניקה — מבדדים, קבלים, חיישנים פיֶזואלקטריים;
• אנרגיה — תאי דלק, סוללות מוצקות, ציפויים תרמיים בטורבינות;
• תעופה וחלל — מגיני חום, להבי טורבינה;
• רפואה — שתלים, ראשי מפרק ירך, שתלי שיניים;
• תעשייה כימית — ציפויים עמידי קורוזיה, גופים חסיני אש.

איך מזהים חומר קרמי?

כאן כדאי לעצור לרגע, משום שזו נקודה שמבלבלת רבים. אי אפשר לזהות קרמיקה לפי המראה בלבד: זכוכית שקופה, פורצלן לבן וגרפיט שחור הם כולם, במובן הרחב, חומרים קרמיים, ולמראית עין אין ביניהם דבר משותף.

האינטואיציה הראשונית הטובה ביותר היא המישוש. בקירוב גס, חומר קרמי הוא מה שמורגש “כמו אבן”: הוא קר למגע (מוליכות תרמית שמרחיקה חום מן היד באיטיות יחסית למתכת אך בלי התחושה המתכתית), קשה, בעל מסה ניכרת ביחס לנפחו, אינו גמיש, ונשבר ולא מתעקם תחת מאמץ. תחושת ה”אבן” הזו — קור, קושי, חוסר גמישות, שבירות — היא נקודת המוצא לזיהוי אינטואיטיבי, ובהמשך נחליף אותה בהגדרה מדויקת המבוססת על הרכב וקשר כימי.

זיהוי לפי הרכב: הנוסחה האוכסידית

הדרך המהימנה לזהות חומר קרמי היא דרך ההרכב הכימי שלו. רוב הקרמיקות הטבעיות הן תרכובות של מתכת (או יותר מאחת) עם חמצן, ולעיתים גם עם אל-מתכת נוספת. כדי לראות זאת בבירור, נוח לשכתב נוסחאות “רגילות” בצורה אוכסידית — כלומר, לפרק כל תרכובת לתחמוצות המרכיבות אותה.

נתבונן בכמה דוגמאות:

הגבס:

$2CaS{O}_4\cdot H_{2}O\iff 2CaO\cdot 2S{O}_3\cdot H_{2}O$

הקאוֹליניט (חימר לבן, חומר הגלם של הפורצלן):

$A{l}_{2}S{i}_2{O}_5(OH{)}_4\iff A{l}_2{O}_3\cdot 2Si{O}_2\cdot 2H_{2}O$

פצלת השדה מסוג אורתוקלז:

$KAlS{i}_3{O}_8\iff K_{2}O\cdot A{l}_2{O}_3\cdot 6Si{O}_2$

(כאן יש להכפיל את הנוסחה בשניים כדי לאזן את האשלגן ואלומיניום)

המלט (אחד ממרכיבי הקלינקר, אליט):

$C{a}_{3}Si{O}_5\iff 3CaO\cdot Si{O}_2$

בריום טיטנאט:

$BaTi{O}_3\iff BaO\cdot Ti{O}_2$

לאחר תרגום לצורה אוכסידית מתברר שכל חומר קרמי טבעי ניתן לרישום בנוסחה כללית אחת:

$xMeO\cdot yMe’O\cdot zAO\cdot w{H}_{2}O$

כאשר $Me,Me’$ הן מתכות ו-$A$ היא אל-מתכת. התנאי המגדיר הוא שחייב להיות לפחות מרכיב מתכתי אחד — או, לכל הפחות, תחמוצת צורן ($Si{O}_2$), שצורן נוהג בה כמעין-מתכת. זהו, למעשה, ההבדל המהותי בין קרמיקה לבין חומר אורגני: בקרמיקה תמיד נמצא רכיב מתכתי או צורני.

מנקודה זו קל לעבור גם אל החומרים המלאכותיים המודרניים. בהם, במקום החמצן, יכולה לבוא אל-מתכת אחרת — חנקן, פחמן, בורון. כך מתקבלות קרמיקות כמו ניטריד צורן ($S{i}_3{N}_4$), קרביד צורן ($SiC$) או קרביד בורון ($B_{4}C$). הרעיון נשאר זהה: יסוד מתכתי או מעין-מתכתי הקשור לאל-מתכת בקשר חזק, יוני או קוולנטי.

מקור התכונות: הקשר הכימי

ההבדל המרכזי בין קרמיקות לבין מתכות נובע מסוג הקשר הכימי. במתכות שולט הקשר המתכתי, המאפשר תנועה חופשית של אלקטרונים ושל מישורי אטומים זה על גבי זה. בקרמיקות שולטים שני סוגי קשר אחרים — יוני וקוולנטי — ושניהם, כפי שנראה מיד, “כובלים” את האלקטרונים ומונעים גמישות.

---

קשר יוני

בחלק גדול מן הקרמיקות הקשר השולט הוא קשר יוני.

במהלך יצירת הקשר עוברים אלקטרונים מאטום אחד לאחר. כתוצאה מכך נוצרים:

• קטיונים (יונים חיוביים, בדרך כלל אטומי המתכת שמסרו אלקטרונים);
• אניונים (יונים שליליים, בדרך כלל אטומי החמצן או האל-מתכת שקיבלו אלקטרונים).

המשיכה האלקטרוסטטית בין המטענים ההפוכים היא שמחזיקה את המבנה כולו. הקשרים היוניים חזקים בדרך כלל מן הקשר המתכתי, ולכן קרמיקות רבות מאופיינות ב:

• קשיות גבוהה;
• נקודות התכה גבוהות;
• יציבות כימית טובה.

הערה חשובה: אין קשר יוני טהור. חשוב להדגיש שקשר יוני הוא תמיד אידיאליזציה — קשר יוני טהור לחלוטין אינו קיים בטבע. גם בתרכובת ה”יונית ביותר” שניתן להעלות על הדעת, צסיום פלואוריד ($CsF$), שבה ההפרש באלקטרושליליות הוא הגדול ביותר האפשרי, עדיין קיים אחוז מסוים של אופי קוולנטי בקשר. במציאות כל קשר נמצא איפה שהו על הרצף שבין יוני טהור לקוולנטי טהור, וה”יוניות” היא עניין של מידה ולא של הכול-או-לא-כלום. ככל שההפרש באלקטרושליליות בין שני האטומים גדול יותר, כך גובר האופי היוני של הקשר.

---

קשר קוולנטי

בקרמיקות רבות מופיע גם קשר קוולנטי, ולעיתים הוא הקשר השולט (כמו ביהלום או בניטריד צורן).

בקשר זה האלקטרונים אינם עוברים מאטום לאטום אלא משותפים לשני האטומים. קשרים קוולנטיים מאופיינים בכיווניות חזקה — הם “מכוונים” בזוויות מוגדרות במרחב, ולא מאפשרים גלישה חופשית של אטום סביב אטום.

מסיבה זו, תנועת נקעים (dislocations) — אותו מנגנון שמאפשר למתכות להתעקם פלסטית — מוגבלת בקרמיקות הרבה יותר מאשר במתכות. אין מישורי החלקה שניתן להפעיל בקלות. כתוצאה מכך, קרמיקות נוטות להיות שבירות יחסית: הן אינן יכולות “לזרום” כדי לפזר מאמץ מקומי, ולכן נסדקות.

---

תכונות אופייניות

למרות המגוון הרחב של הקרמיקות, רבות מהן חולקות מספר תכונות משותפות הנובעות ישירות מאופי הקשר:

• קשיות גבוהה;
• עמידות שחיקה גבוהה;
• עמידות קורוזיה מצוינת (החומר כבר “מחומצן” ולכן יציב);
• עמידות בטמפרטורות גבוהות;
• מוליכות חשמלית נמוכה (האלקטרונים כבולים בקשרים, אין נושאי מטען חופשיים);
• שבירות יחסית.

---

10.2 מבנים גבישיים בקרמיקות

המבנים הגבישיים של קרמיקות מורכבים בדרך כלל יותר מאלה של מתכות. בניגוד למתכת, הבנויה לרוב מסוג אטום אחד בלבד, קרמיקה מכילה לרוב שני סוגי יונים או יותר, השונים זה מזה הן במטען והן בגודל.

לכן, בעת בניית הסריג הגבישי, יש לעמוד בו-זמנית בשני תנאים:

• ניטרליות חשמלית — סך המטענים החיוביים חייב להתאזן בדיוק עם סך המטענים השליליים. יחס היונים בנוסחה נקבע בדיוק כך שהמטען הכולל יתאפס;
• התאמה גיאומטרית — היונים בעלי המטען המנוגד צריכים “להשתבץ” זה סביב זה באופן שיתאים ליחסי הגדלים שלהם.

מספר קואורדינציה

אחד המושגים החשובים ביותר בקרמיקות הוא מספר הקואורדינציה — מספר היונים בעלי המטען ההפוך המקיפים יון נתון במגע ישיר.

מספר הקואורדינציה אינו שרירותי. הוא נקבע בעיקר על ידי יחס הרדיוסים $r_{cation}/r_{anion}$. הרעיון הגיאומטרי פשוט: הקטיון, הקטן בדרך כלל, יושב בחלל שבין האניונים הגדולים. אם הקטיון גדול מספיק יחסית לאניונים, יוכלו להקיף אותו אניונים רבים יותר; אם הוא קטן מאוד, יוכלו “להיצמד” אליו רק מעטים, אחרת ייווצר חלל לא יציב והאניונים ידחו זה את זה.

לכן לכל טווח של יחס רדיוסים מתאים מספר קואורדינציה מועדף (לדוגמה: יחס בטווח 0.225–0.414 מוביל לקואורדינציה 4 — סידור טטרהדרי; טווח 0.414–0.732 מוביל לקואורדינציה 6 — סידור אוקטהדרי; ומעל 0.732 לקואורדינציה 8 — סידור קובי). ההיגיון הזה הוא המפתח להבנת המבנים הבאים.

מבנים גבישיים חשובים

בין המבנים הבסיסיים, שעליהם נשענת הבנת קרמיקות רבות:

• מבנה NaCl (מלח בישול) — קואורדינציה 6:6. כל יון נתרן מוקף בששה יוני כלור ולהפך. זהו אחד המבנים הנפוצים ביותר, ומופיע גם ב-$MgO$, $FeO$, $NiO$ ועוד;
• מבנה CsCl — קואורדינציה 8:8. מתאים לקטיון גדול יחסית. שים לב: זהו אינו מבנה גוף-ממורכז במובן המתכתי, משום שבמרכז ובפינות יושבים יונים שונים;
• מבנה ZnS (אבץ גופרי, “צינקבלנדה”) — קואורדינציה 4:4. סידור טטרהדרי האופייני לקשר בעל אופי קוולנטי חזק;
• מבנה פלואוריט ($Ca{F}_2$) — קואורדינציה 8:4. אופייני לתרכובות שבהן יחס היונים אינו 1:1.

מבנים אלה משמשים בסיס להבנת קרמיקות רבות בהרבה מאלה הנושאות את שמם.

---

10.3 סיליקטים

הסיליקטים הם קבוצת החומרים הנפוצה ביותר בקרום כדור הארץ — מרבית הסלעים והמינרלים בנויים ממשפחה זו. מבחינה הנדסית וגיאולוגית כאחת, זוהי משפחת הקרמיקות החשובה ביותר בטבע.

יחידת הבניין הבסיסית של כל הסיליקטים היא טטרהדרון הסיליקט:

$Si{O}_4^{4-}$

אטום צורן יחיד במרכז, מוקף בארבעה אטומי חמצן היושבים בקודקודי טטרהדרון (פירמידה משולשת). הקשר Si–O הוא קשר חזק בעל אופי מעורב, יוני-קוולנטי.

מבנה הטטרהדרות

הכוח של הרעיון הזה טמון בכך שטטרהדרות הסיליקט יכולות להתחבר זו לזו דרך אטומי חמצן משותפים בקודקודים, וכך ליצור מגוון עצום של מבנים:

• בודדות (נֵזוסיליקטים) — טטרהדרות מבודדות, מקושרות זו לזו רק דרך קטיונים. דוגמה: אוליבין;
• זוגות — שתי טטרהדרות החולקות קודקוד אחד;
• שרשראות — טטרהדרות החולקות שני קודקודים, יוצרות שרשרת אינסופית. דוגמה: הפירוקסנים;
• יריעות — טטרהדרות החולקות שלושה קודקודים, יוצרות שכבה דו-ממדית. דוגמאות: נציץ (מיקה), חרסיות, וגם טלק;
• רשתות תלת-ממדיות — כל ארבעת הקודקודים משותפים. כאן נכללים הקוורץ ופצלות השדה.

מגוון אופני ההתחברות הזה הוא שמסביר את העושר העצום של מינרלים סיליקטיים בטבע — אלפי מינרלים שונים הבנויים מאותה אבן-בניין בסיסית.

חומרים שכבתיים: טלק וחרסיות

מבנה היריעה ראוי להרחבה, משום שהוא מסביר תכונות מוכרות היטב. בטלק ($M{g}_{3}S{i}_4{O}_{10}(OH{)}_2ֿ\iff 3MgO\cdot 4Si{O}_2\cdot H_{2}O$) היריעות הסיליקטיות קשורות זו לזו רק בכוחות ון-דר-ואלס חלשים מאוד. לכן היריעות מחליקות זו על זו בקלות רבה — וזו הסיבה שהטלק רך כל כך (ערך 1 בסולם מוס, הרך מכל המינרלים) וחלקלק למגע. תכונה זו היא שהופכת אותו לשמיש כאבקת טלק וכחומר סיכה יבש.

באופן דומה, החרסיות (כמו קאוֹליניט) בנויות מיריעות, אך בין היריעות יכולות לחדור מולקולות מים. הדבר מסביר מדוע חרסית רטובה נעשית פלסטית וניתנת לעיצוב — תכונה שעמדה בבסיס תעשיית הקדרות מאז ראשית הציוויליזציה.

חשיבות הנדסית

סיליקטים מהווים בסיס לייצור:

• זכוכית;
• מלט;
• בטון;
• קרמיקה מסורתית (כלי חרס, פורצלן, אריחים);
• חומרים חסיני אש רבים.

---

10.4 סיליקה

סיליקה ($Si{O}_2$) היא אחת הקרמיקות החשובות ביותר, ואבן-הבניין של חלק גדול ממשפחת הסיליקטים. היא מופיעה בטבע כמינרלים שונים, ובראשם הקוורץ.

חול — הסיליקה היומיומית

נקודת מוצא מצוינת היא החול. רוב גרגרי החול שאנו מכירים מן החוף או מן המדבר אינם אלא גרגרי קוורץ זעירים — סיליקה כמעט טהורה — שנשחקו במהלך מיליוני שנים מסלעים גדולים. החול הוא, אם כן, קרמיקה טבעית בכל מובן: קשה, עמיד כימית, בעל נקודת התכה גבוהה. עובדה זו אינה זניחה כלל: החול הוא חומר הגלם הזול והזמין לייצור זכוכית, וגם המקור התעשייתי לצורן הטהור המשמש לשבבים אלקטרוניים. רוב הטכנולוגיה המודרנית, פשוטו כמשמעו, בנויה על חול.

מבנים גבישיים (פולימורפים)

ל-$Si{O}_2$ מספר פולימורפים — אותו הרכב כימי, מבנים גבישיים שונים — שכל אחד מהם יציב בטווח טמפרטורות אחר:

• קוורץ — היציב בטמפרטורת החדר;
• טרידימיט — יציב בטמפרטורות גבוהות יותר;
• קריסטובליט — יציב בטמפרטורות הגבוהות עוד יותר.

המעברים בין הפולימורפים מלווים בשינויי נפח, ולכן יש להם חשיבות מעשית בעת חימום וקירור של חומרים חסיני אש מבוססי סיליקה.

זכוכית

כאשר מקררים סיליקה מותכת במהירות מספקת, האטומים אינם מספיקים להסתדר בסריג גבישי מסודר. במקום גביש מתקבל חומר אמורפי — כלומר, חסר סדר ארוך-טווח: זוהי הזכוכית. אפשר לחשוב עליה כעל “נוזל שקפא” שבו נשמר אי-הסדר של הנוזל אך אבדה התנועתיות.

לזכוכית חשיבות עצומה בהנדסה המודרנית — מחלונות ובקבוקים, דרך סיבים אופטיים, ועד מצעים לרכיבים אלקטרוניים. בהמשך נראה שהמעבר הזה בין מצב גבישי לאמורפי הוא תופעה כללית, החשובה גם בפולימרים ובמתכות.

---

10.5 פחמן והאלוטרופים שלו

פחמן הוא אחד היסודות יוצאי הדופן ביותר במדע החומרים. אותו יסוד יחיד מסוגל ליצור חומרים בעלי תכונות שונות לחלוטין — כך שהשוני אינו בהרכב הכימי אלא אך ורק באופן הסידור של האטומים. צורות שונות אלה של אותו יסוד נקראות אלוטרופים. הפחמן הוא הדוגמה הקלאסית והמרשימה ביותר לכך שהמבנה, ולא רק ההרכב, הוא שקובע את התכונות.

יהלום

ביהלום כל אטום פחמן קשור בקשר קוולנטי חזק לארבעה שכנים, בסידור טטרהדרי, ברשת תלת-ממדית רציפה. כל הקשרים הם קשרי $s{p}^3$ חזקים ובעלי כיווניות. התוצאה היא מבנה תלת-ממדי קשיח במיוחד, שבו אין מישור חלש כלשהו. ליהלום:

• קשיות גבוהה מאוד (החומר הטבעי הקשה ביותר);
• מוליכות תרמית גבוהה במיוחד (גבוהה יותר מזו של נחושת!);
• מוליכות חשמלית נמוכה (כל האלקטרונים כבולים בקשרים).

גרפיט

בגרפיט, לעומת זאת, האטומים מסודרים בשכבות מישוריות. בתוך כל שכבה הקשרים חזקים מאוד (קשרי $s{p}^2$, ואף חזקים מאלה שביהלום), אך בין השכבות פועלים רק כוחות ון-דר-ואלס חלשים. מבנה דו-פני זה מסביר את התכונות המנוגדות לכאורה של הגרפיט:

• רכות — השכבות מחליקות זו על זו בקלות;
• יכולת סיכה — מאותה סיבה, הגרפיט משמש כחומר סיכה יבש ובעיפרון (הכתב נוצר משכבות הנקלפות על הנייר);
• מוליכות חשמלית טובה יחסית — אלקטרון אחד מכל אטום אינו כבול בקשר $s{p}^2$ והוא חופשי לנוע בתוך השכבה.

ההשוואה בין יהלום לגרפיט היא אולי הדוגמה החינוכית הטובה ביותר במדע החומרים כולו: אותם אטומי פחמן בדיוק, ובכל זאת תכונות הפוכות לחלוטין — הכול בזכות אופן הסידור.

פולרן, ננו-צינור וגרפן

במחצית השנייה של המאה העשרים ובראשית המאה ה-21 התגלו אלוטרופים חדשים של פחמן, שפתחו תחום מחקר וטכנולוגיה פעיל במיוחד (וזיכו את מגליהם בפרסי נובל):

• פולרנים — מולקולות סגורות בצורת כדור, ובראשן $C_{60}$ הדומה לכדורגל;
• ננו-צינורות פחמן — יריעת גרפן מגולגלת לצינור בקוטר ננומטרי, בעלת חוזק מכני יוצא דופן ותכונות חשמליות מיוחדות;
• גרפן — יריעה בעובי אטום בודד של פחמן בסידור $s{p}^2$. זהו החומר הדק ביותר הידוע, ובו-זמנית חזק במיוחד ומוליך מצוין.

חומרים אלה ממחישים שוב את העיקרון: אותו פחמן, בסידורים חדשים, מוליד תכונות חדשות לחלוטין.

---

10.6 תכונות מכניות של קרמיקות

ההבדל הבולט ביותר בין קרמיקות לבין מתכות הוא אופן הכשל — כיצד החומר נשבר תחת עומס.

מתכות מסוגלות לעבור דפורמציה פלסטית משמעותית: לפני שהן נשברות הן מתעקמות, נמתחות ו”מזהירות” מראש. הסיבה היא תנועת הנקעים, המאפשרת למישורי אטומים להחליק זה על זה. קרמיקות, לעומתן, בדרך כלל אינן מסוגלות לכך — הקשרים הכיווניים והמבנה היוני חוסמים את תנועת הנקעים.

חוזק בלחיצה

קרמיקות רבות מצטיינות בחוזק לחיצה גבוה מאוד. כאשר לוחצים על החומר, הסדקים הקיימים בו נסגרים ולא מתפשטים. מסיבה זו הקרמיקות מתאימות מצוין ליישומים מבניים הנתונים בעיקר ללחיצה — למשל לבני בנייה, עמודים ובסיסים. זו, למעשה, הסיבה שהאבן והבטון משמשים בבנייה כבר אלפי שנים.

שבירות

חוזקן של הקרמיקות במתיחה, לעומת זאת, נמוך בהרבה — לעיתים בסדר גודל שלם. הסיבה טמונה בסדקים זעירים הקיימים תמיד בחומר (פגמים, נקבוביות, גבולות גרגר). תחת מאמץ מתיחה, סדקים אלה פועלים כריכוזי מאמצים: המאמץ בקצה הסדק גדל פי כמה, הסדק מתפשט במהירות, והחומר נשבר — לרוב ללא כל דפורמציה פלסטית מקדימה ובלי אזהרה.

זהו ההבדל המעשי הקריטי בין קרמיקה למתכת: מתכת “מתריעה” לפני הכשל בכך שהיא מתעקמת, בעוד קרמיקה נשברת לפתע. תכונה זו, הנקראת שבירות (brittleness), היא המגבלה המרכזית בשימוש בקרמיקות כחומרים מבניים.

קשיות ועמידות לשחיקה

הקשיות הגבוהה של קרמיקות רבות הופכת אותן לחומרים אברזיביים מצוינים (ממרטים, שוחקים) — נושא שנרחיב עליו בהמשך הפרק. אותה קשיות מקנה גם עמידות שחיקה יוצאת דופן, ולכן קרמיקות משמשות במקומות שבהם נדרשת עמידות בפני בלאי מכני, כמו מיסבים וכלי חיתוך.

---

10.7 נקבוביות (פורוזיות)

עד כה דיברנו על תכונות הקרמיקה כאילו נקבעות אך ורק על ידי ההרכב הכימי והקשר. אך ישנו פרמטר מבני נוסף, חשוב לא פחות, שלעיתים קרובות הוא הקובע המכריע של התנהגות החומר: הנקבוביות (porosity). שני גופים קרמיים בעלי הרכב כימי זהה לחלוטין עשויים להתנהג באופן שונה בתכלית — אחד חזק וצפוף, האחר רך, סופג ושביר — וכל ההבדל נעוץ בכמות החללים שבתוכם.

הגדרה

נקבוביות היא שבר הנפח של החומר התפוס על ידי חללים (נקבים, בועות, חללים בין-גרגריים) ביחס לנפח הכולל. מסמנים אותה לרוב באות $P$ ומבטאים כשבר או כאחוז:

$P=\frac{V_{pores}}{V_{total}}$

כאשר $V_{pores}$ הוא נפח החללים ו-$V_{total}$ הוא הנפח הכולל של הגוף (חומר מוצק + חללים).

בפועל נוח יותר לחשב את הנקבוביות מתוך מדידת צפיפויות, שאותן קל למדוד במעבדה. נגדיר:

• ${\rho }_{bulk}$ — הצפיפות הנפחית (bulk density): מסת הגוף חלקי נפחו הכולל, כולל החללים;
• ${\rho }_{true}$ — הצפיפות התאורטית (true / theoretical density): צפיפות החומר הדחוס לחלוטין, ללא כל נקבוביות (זוהי תכונה של החומר הגבישי עצמו).

מכאן מתקבלת הנוסחה השימושית:

$P=1-\frac{{\rho }_{bulk}}{{\rho }_{true}}$

כלומר, ככל שהצפיפות הנפחית הנמדדת רחוקה יותר מן הצפיפות התאורטית, כך הנקבוביות גבוהה יותר. גוף צפוף לחלוטין מקיים ${\rho }_{bulk}={\rho }_{true}$ ולכן $P=0$.

נקבוביות פתוחה וסגורה

לא כל החללים שווים. נהוג להבחין בין:

• נקבוביות פתוחה — חללים המחוברים זה לזה ולפני השטח, כך שנוזל או גז יכולים לחדור פנימה. היא הקובעת את הספיגה, את החדירוּת ואת ההתנהגות הכימית של החומר;
• נקבוביות סגורה — חללים כלואים בתוך החומר, מנותקים מן הפנים. הם אינם סופגים נוזל, אך עדיין מחלישים את החומר ומורידים את צפיפותו.

מדוע זהו פרמטר מכריע

הנקודה החינוכית החשובה ביותר היא זו: אותו חומר קרמי בדיוק, בדרגות נקבוביות שונות, מתנהג אחרת לגמרי. הנקבוביות משפיעה כמעט על כל תכונה הנדסית:

• חוזק מכני — כל נקב הוא ריכוז מאמצים ונקודת התחלה אפשרית לסדק. החוזק יורד בחדות עם עליית הנקבוביות (לעיתים תלות מעריכית בקירוב); גוף נקבובי שביר בהרבה מגוף צפוף מאותו חומר;
• מוליכות תרמית — אוויר הכלוא בנקבים הוא מבדד תרמי מצוין. לכן חומר נקבובי מבודד חום הרבה יותר טוב מן הגרסה הצפופה שלו — תכונה רצויה דווקא בלבני בידוד חסינות אש;
• ספיגת נוזלים וחדירות — נקבוביות פתוחה גורמת לחומר לספוג מים (חשבו על ההבדל בין כלי חרס לא מזוגג, הסופג מים, לבין פורצלן צפוף ואטום);
• עמידות כימית וקורוזיה — נוזל החודר דרך נקבים פתוחים תוקף את החומר מבפנים ומגדיל מאוד את שטח הפנים הפעיל;
• תכונות חשמליות ואופטיות — נקבים מפזרים אור (ולכן קרמיקה נקבובית אטומה ולבנבנה, בעוד אותה קרמיקה צפופה עשויה להיות שקופה למחצה).

השלכה מעשית

מכאן ברור מדוע הקטנת הנקבוביות היא יעד מרכזי בתהליך הסינטור (סעיף 10.12): מהנדס השואף לחוזק מרבי ידחוף את החומר לצפיפות מלאה ככל האפשר, בעוד מהנדס המתכנן לבנת בידוד חסינת אש ישמר דווקא נקבוביות גבוהה ומבוקרת. אותו אבקת $A{l}_2{O}_3$ יכולה להפוך לשתל רפואי צפוף וחזק, או ללבנה נקבובית ומבודדת — והבחירה ביניהן היא בחירה של נקבוביות, לא של הרכב.

10.8 קרמיקות חסינות אש (רפרקטוריות)

קרמיקות חסינות אש (refractory ceramics) מיועדות לעבודה בטמפרטורות גבוהות במיוחד מבלי להתרכך, להימס או להגיב כימית. הן משמשות לציפוי ולהגנה של:

• תנורים תעשייתיים;
• כבשנים (לצמנט, לסיד, לקרמיקה);
• כורי התכה של מתכות;
• מתקנים מטלורגיים — תנורי פיח, קונוורטרים, מצקות יציקה.

דוגמאות נפוצות

• שמוט (fireclay) — חרסית עמידת אש על בסיס $A{l}_2{O}_3$–$Si{O}_2$, הזולה והנפוצה ביותר;
• אלומינה ($A{l}_2{O}_3$) — עמידות גבוהה ויציבות כימית מצוינת;
• מגנזיה ($MgO$) — בסיסית, מתאימה במיוחד לסביבות בסיסיות בתעשיית הפלדה;
• זירקוניה ($Zr{O}_2$) — עמידות בטמפרטורות הגבוהות ביותר, מבדד תרמי מצוין;
• לבני סיליקה ($Si{O}_2$) — לכיפות תנורים ולתחומים חמים מסוימים.

דרישות עיקריות

• עמידות בטמפרטורות גבוהות — נקודת התכה גבוהה הרבה מעל טמפרטורת העבודה;
• עמידות בפני הלם תרמי — היכולת לעמוד בשינויי טמפרטורה מהירים בלי להיסדק (כאן דווקא מקדם התפשטות תרמית נמוך הוא יתרון);
• עמידות כימית — אדישות לסיגים, להמסות ולגזים אגרסיביים שעמם החומר בא במגע.

---

10.9 מלטים (צמנט)

המלט הוא אחד החומרים ההנדסיים החשובים ביותר מבחינה כלכלית — הוא מיוצר בכמויות עצומות מכל חומר אחר מעשה ידי אדם, פרט אולי למים.

מבחינה רעיונית, נהוג להציג את המלט לסטודנטים פשוט בתור “אבן מלאכותית”: אנו לוקחים אבקה, מערבבים אותה במים, וזו נקשית והופכת לגוש מוצק דמוי-סלע. בכך שונה המלט מרוב הקרמיקות האחרות — הוא אינו מקבל את חוזקו בסינטור (חימום לטמפרטורה גבוהה), אלא בתהליך כימי המתרחש בטמפרטורת החדר: הידרציה, כלומר תגובה עם מים.

מלט פורטלנד

המלט הנפוץ ביותר בעולם הוא מלט פורטלנד. הוא מיוצר על ידי חימום תערובת של אבן גיר וחרסית בכבשן, וטחינת התוצר (הקלינקר) לאבקה דקה. בעת ערבוב עם מים מתרחשות תגובות הידרציה היוצרות גבישים מחטניים השזורים זה בזה ויוצרים מבנה קשיח ומלוכד.

הסטנדרטים בארץ. בכל חנות חומרי בניין בישראל נמכרים שני סוגים עיקריים:

• מלט אפור — מלט הפורטלנד הרגיל, האפרפר, המשמש לרוב עבודות הבנייה והבטון הקונסטרוקטיבי. צבעו האפור נובע מתחמוצות ברזל ומנגן בחומר הגלם;
• מלט לבן — מלט פורטלנד שיוצר מחומרי גלם דלים בברזל, ולכן צבעו לבן. הוא יקר יותר ומשמש בעיקר לעבודות גמר אסתטיות, לטיח דקורטיבי, לרובה (מילוי מישקים בין אריחים) ולבטון חשוף שבו הצבע חשוב.

מלטים מיוחדים. מעבר לשני אלה קיימים מלטים מיוחדים רבים: מלט עמיד-גופרות (לסביבות תוקפניות), מלט בעל התקשות מהירה, מלט אלומינטי לטמפרטורות גבוהות, ועוד. ראוי לציין במיוחד שקיימים גם מלטים שאינם נקשים בהידרציה — כלומר אינם זקוקים למים לצורך התקשות — כגון מלטים מבוססי גופרית הניתכים בחום ומתמצקים בקירור, או מלטים גיאופולימריים. אלה מרחיבים את הגדרת ה”מלט” אל מעבר לתהליך ההידרציה הקלאסי.

בטון

שילוב של:

• מלט (החומר המקשר);
• מים (להפעלת ההידרציה);
• חול (אגרגט דק);
• אגרגטים גסים (חצץ, אבן).

יוצר את הבטון — חומר הבנייה החשוב והנפוץ בעולם. המלט והמים יוצרים את ה”דבק” העוטף את גרגרי החול והחצץ ומלכד אותם לגוף מונוליתי אחד. כמו הקרמיקות שמהן נגזר, גם הבטון חזק מאוד בלחיצה אך חלש במתיחה — ומכאן הצורך בזיון בפלדה (בטון מזוין), הנושאת את מאמצי המתיחה במקום הבטון.

---

10.10 חומרי שחיקה (אברזיבים)

חומרי שחיקה הם חומרים קשים במיוחד המשמשים להסרת חומר ממשטחים אחרים בדרך מכנית. עצם השימוש בהם נשען על העיקרון שראינו: רק חומר קשה מן המשטח המעובד יכול לשחוק אותו.

דוגמאות חשובות

מסודרות בקירוב לפי סדר קשיות עולה:

• $A{l}_2{O}_3$ (אלומינה, קורונד) — האברזיב הנפוץ ביותר, בנייר זכוכית ובאבני השחזה;
• $SiC$ (קרביד צורן, קרבורונדום) — קשה יותר, לעיבוד חומרים קשים;
• $B_{4}C$ (קרביד בורון) — מן החומרים הקשים ביותר הידועים, משמש גם במגנים בליסטיים;
• יהלום — החומר הקשה ביותר, לעיבוד וליטוש של כל יתר החומרים, כולל קרמיקות מתקדמות.

שימושים

• שיוף (grinding);
• ליטוש (polishing);
• חיתוך (cutting);
• עיבוד שבבי וניסור.

---

10.11 קרמיקות מתקדמות

בניגוד לקרמיקות המסורתיות, המיוצרות מחומרי גלם טבעיים בהרכב משתנה, קרמיקות מתקדמות (advanced / engineering ceramics) מיוצרות תוך שליטה קפדנית בהרכב הכימי, בטוהר, בגודל הגרגר ובמיקרוסטרוקטורה. שליטה זו מאפשרת תכונות מכניות, חשמליות ותרמיות מעולות ומבוקרות, אך גם מייקרת מאוד את החומר.

דוגמאות

• $A{l}_2{O}_3$ (אלומינה) — מבודד, שתלים, מצעים אלקטרוניים;
• $Zr{O}_2$ (זירקוניה) — קשיחה במיוחד, עמידה לסידוק (יחסית לקרמיקה), משמשת לסכינים ולשתלי שיניים;
• $S{i}_3{N}_4$ (ניטריד צורן) — עמידות גבוהה להלם תרמי, למיסבים וללהבי מנוע;
• $SiC$ (קרביד צורן) — עמידות בטמפרטורה גבוהה ומוליכות תרמית טובה.

יישומים

• שתלים רפואיים (ראשי מפרק ירך, שתלי שיניים — ביו-תאימות מצוינת);
• מיסבים וחלקי שחיקה;
• חלקי מנועים וטורבינות;
• אלקטרוניקה — מבדדים, מצעים, קבלים;
• תאי דלק ואלקטרוליטים מוצקים.

---

10.12 ייצור קרמיקות

רבות מן הקרמיקות מיוצרות באמצעות מסלול טכנולוגי דומה, השונה מהותית מזה של מתכות: בעוד מתכות נוצקות מתוך מצב מותך, קרמיקות מתחילות לרוב כאבקות ומסתיימות במוצר מוצק וצפוף, ללא מעבר דרך נוזל. הסיבה היא נקודות ההתכה הגבוהות מאוד, שהופכות התכה ויציקה ללא מעשיות ברוב המקרים.

המסלול הטיפוסי כולל שלבים של עיצוב האבקה לצורה הרצויה (“גוף ירוק”), ואחריו צפיפות בחום.

שלב העיצוב

יציקה (slip casting). עיסת אבקה ונוזל נשפכת לתבנית גבס סופגת. הגבס שואב את הנוזל ומשאיר על דפנותיו שכבת אבקה בצורת התבנית. מתאים במיוחד למוצרים בעלי צורות מורכבות וחלולות (כמו כלי חרס).

שיחול (extrusion). עיסה פלסטית נדחקת דרך פיה בעלת חתך קבוע, בדומה לסחיטת משחת שיניים. משמש לייצור מוצרים ארוכים בעלי חתך אחיד:

• צינורות;
• לבנים;
• אריחים ומוטות.

דחיסת אבקות (pressing). אבקת הקרמיקה (לעיתים עם מעט מקשר) נדחסת בלחץ גבוה בתוך תבנית לצורה הרצויה. שיטה מהירה ומדויקת לייצור המוני של חלקים בעלי צורה פשוטה.

סינטור — השלב המכריע

סינטור (sintering) הוא שלב הייצור החשוב ביותר. בשלב זה מחממים את הגוף הירוק לטמפרטורה גבוהה — אך מתחת לנקודת ההתכה — ומחזיקים בה. בטמפרטורה זו, דיפוזיה של אטומים גורמת לחלקיקי האבקה הנפרדים להתחבר זה לזה (“להתאחות”) במגעים ביניהם.

ככל שהסינטור מתקדם:

• החלקיקים מתלכדים והגבולות ביניהם נסגרים;
• הנקבוביות (החללים) פוחתת והולכת;
• הגוף מתכווץ ומצטופף.

כתוצאה מכך מתקבל גוף קרמי צפוף, בעל מעט נקבוביות ובעל תכונות מכניות טובות. הנקבוביות הנותרת היא פרמטר קריטי: כל נקבובית היא פגם פוטנציאלי שממנו עלול להתחיל סדק, ולכן צמצומה הוא יעד מרכזי בתהליך.

---

סיכום הפרק

• קרמיקות מבוססות בעיקר על קשרים יוניים וקוולנטיים, ושני סוגי קשר אלה הם שמקנים להן את אופיין. אין קשר יוני טהור — תמיד קיים מרכיב קוולנטי מסוים.
• קרמיקה ניתנת לזיהוי לפי הרכבה, ובאמצעות הנוסחה האוקסידית ניתן לתאר כל קרמיקה טבעית בנוסחה כללית אחת המכילה לפחות רכיב מתכתי או צורני.
• הקרמיקות מאופיינות בקשיות גבוהה, בעמידות קורוזיה, ביציבות תרמית ובמוליכות חשמלית נמוכה.
• סיליקטים וסיליקה הם מן החומרים הנפוצים ביותר בקרום כדור הארץ; טטרהדרון $Si{O}_4^{4-}$ הוא אבן הבניין המשותפת, ואופן התחברותו קובע את מגוון המינרלים.
• פחמן מדגים את עוצמת מושג האלוטרופיה: אותו יסוד, בסידורים שונים (יהלום, גרפיט, גרפן), מוליד תכונות הפוכות לחלוטין.
• קרמיקות חזקות בלחיצה אך שבירות במתיחה, בשל סדקים הפועלים כריכוזי מאמצים והיעדר דפורמציה פלסטית.
• הנקבוביות היא פרמטר מבני מכריע: אותו חומר עצמו, בדרגות נקבוביות שונות, משנה כמעט כל תכונה — חוזק, בידוד תרמי, ספיגה ועמידות כימית. מחשבים אותה לרוב מן הצפיפויות: $P=1-{\rho }_{bulk}/{\rho }_{true}$.
• מלט ובטון הם “אבן מלאכותית” המתקשה בהידרציה, ולא בסינטור.
• קרמיקות מתקדמות ממלאות תפקיד מרכזי בטכנולוגיות מודרניות, מרפואה ועד אלקטרוניקה.
• ייצור קרמיקות מבוסס לרוב על אבקות, עיצוב (יציקה, שיחול, דחיסה) וסינטור — צפיפות בחום מתחת לנקודת ההתכה.

בפרק הבא נעבור למשפחה שונה לחלוטין של חומרים — הפולימרים — שבהם יחידת הבניין הבסיסית איננה גביש יוני או קוולנטי, אלא שרשרת מולקולרית ארוכה.