วิศวกรรมเซรามิกเป็นวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับการสร้างวัตถุจากวัสดุอนินทรีย์ที่ไม่ใช่โลหะ โดยใช้ความร้อนหรือปฏิกิริยาการตกตะกอนกับสารละลายเคมีที่มีความบริสุทธิ์สูงที่อุณหภูมิต่ำ คำนี้ครอบคลุมถึงการทำให้วัตถุดิบบริสุทธิ์ การศึกษาและการผลิตสารประกอบทางเคมี การขึ้นรูปเป็นชิ้นส่วน และการศึกษาโครงสร้าง องค์ประกอบ และคุณสมบัติของวัสดุเหล่านั้น

วัสดุเซรามิกอาจมี โครงสร้าง ผลึกหรือกึ่งผลึก โดยมีระเบียบระยะยาวในระดับอะตอม ในขณะที่แก้วเซรามิก อาจมีโครงสร้างอสัณฐานหรือคล้ายแก้ว สามารถขึ้นรูปได้จากมวลหลอมเหลวที่แข็งตัวเมื่อเย็นตัวลง หรือสังเคราะห์ทางเคมีที่อุณหภูมิต่ำโดยใช้วิธีการ ต่างๆ เช่น การสังเคราะห์ด้วยความร้อนในน้ำ

วัสดุเซรามิกถูกนำมาใช้ในสาขาวิศวกรรมวัสดุวิศวกรรมไฟฟ้าวิศวกรรมเคมีและวิศวกรรมเครื่องกลเซรามิกทนความร้อนได้ดี จึงสามารถนำไปใช้ในงานที่วัสดุอย่างโลหะและโพลิเมอร์ไม่เหมาะสม^{[ 1 ]}

วิศวกรรมเซรามิก เช่นเดียวกับวิทยาศาสตร์หลายแขนง พัฒนามาจากสาขาวิชาอื่น วิทยาศาสตร์และวิศวกรรมวัสดุมักถูกมองว่าเป็นต้นกำเนิดของวิศวกรรมเซรามิก^{[ 2 ]}

อับราฮัม ดาร์บี ใช้โค้ก เป็นครั้งแรก ในปี 1709 ที่ชรอปเชียร์ ประเทศอังกฤษ เพื่อปรับปรุงผลผลิตของกระบวนการถลุงแร่^{[ 3 ]}ปัจจุบันโค้กถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตเซรามิกคาร์ไบด์ โจ ไซอาห์ เวดจ์วูด ช่างปั้นเซรามิก เปิดโรงงานเซรามิกสมัยใหม่แห่งแรกในสโตก-ออน-เทรนต์ประเทศอังกฤษ ในปี 1759 คาร์ล โจเซฟ ไบเออร์ นักเคมีชาวออสเตรีย ซึ่งทำงานให้กับอุตสาหกรรมสิ่งทอในรัสเซีย ได้พัฒนากระบวนการแยกอะลูมินา ออก จาก แร่ บอกไซต์ในปี 1888 กระบวนการไบเออร์ยังคงใช้ในการทำให้บริสุทธิ์อะลูมินาสำหรับอุตสาหกรรมเซรามิกและอะลูมิเนียม^{[ 4 ]}พี่น้องปิแอร์และฌาคส์คูรีค้นพบปรากฏการณ์เพียโซอิเล็กทริกในเกลือโรเชลล์ราว ปี 1880 ปรากฏการณ์ เพียโซอิเล็กทริกเป็นหนึ่งในคุณสมบัติสำคัญของอิเล็กโทรเซรามิก

EG Achesonให้ความร้อนแก่ส่วนผสมของโค้กและดินเหนียวในปี 1893 และคิดค้นคาร์บอรันดัม หรือซิลิคอนคาร์ไบด์สังเคราะห์Henri Moissanก็ได้สังเคราะห์ซิลิคอนคาร์ไบด์และทังสเตนคาร์ไบด์ในเตาหลอมไฟฟ้า ของเขา ในปารีสในช่วงเวลาเดียวกันกับ Acheson Karl Schröter ใช้การเผาผนึก เฟสของเหลว เพื่อเชื่อมหรือ "ยึด" อนุภาคทังสเตนคาร์ไบด์ของ Moissan กับโคบอลต์ในปี 1923 ในเยอรมนี ขอบ คาร์ไบด์ ที่ยึดติด (ยึดด้วยโลหะ) ช่วยเพิ่มความทนทานของเครื่องมือตัดเหล็กกล้าชุบแข็ง ได้อย่างมาก WH Nernstพัฒนาเซอร์โคเนียที่เสถียรแบบลูกบาศก์ในช่วงทศวรรษ 1920 ในเบอร์ลิน วัสดุนี้ใช้เป็นเซ็นเซอร์ออกซิเจนในระบบไอเสีย ข้อจำกัดหลักในการใช้เซรามิกในงานวิศวกรรมคือความเปราะ^{[ 1 ]}

ความ ต้องการ ทางทหารในช่วงสงครามโลกครั้งที่สองกระตุ้นให้เกิดนวัตกรรม ซึ่งก่อให้เกิดความต้องการวัสดุประสิทธิภาพสูงและช่วยเร่งการพัฒนาวิทยาศาสตร์และวิศวกรรมเซรามิก ตลอดช่วงทศวรรษ 1960 และ 1970 มีการพัฒนาเซรามิกชนิดใหม่ ๆ ขึ้นเพื่อตอบสนองต่อความก้าวหน้าในด้านพลังงานปรมาณู อิเล็กทรอนิกส์ การสื่อสาร และการเดินทางในอวกาศ การค้นพบตัวนำยิ่งยวดเซรามิกในปี 1986 ได้กระตุ้นการวิจัยเพื่อพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกตัวนำยิ่งยวดสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ มอเตอร์ไฟฟ้า และอุปกรณ์ขนส่ง^{[ 5 ] [ 6 ]}

ในภาคการทหารมีความต้องการวัสดุที่มีความแข็งแรงสูงและทนทานมากขึ้น ซึ่งมีความสามารถในการส่งผ่านแสงในช่วงคลื่นแสงที่มองเห็นได้ (0.4–0.7 ไมโครเมตร) และช่วงคลื่นอินฟราเรดกลาง (1–5 ไมโครเมตร) วัสดุเหล่านี้จำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องการเกราะโปร่งใสเกราะโปร่งใสคือวัสดุหรือระบบวัสดุที่ออกแบบมาให้โปร่งใสทางแสง แต่ยังคงป้องกันการแตกกระจายหรือแรงกระแทกจากกระสุนปืน ข้อกำหนดหลักสำหรับระบบเกราะโปร่งใสคือไม่เพียงแต่จะเอาชนะภัยคุกคามที่กำหนดไว้เท่านั้น แต่ยังต้องมีความสามารถในการรับแรงกระแทกหลายครั้งโดยลดการบิดเบือนของพื้นที่โดยรอบให้น้อยที่สุด หน้าต่างเกราะโปร่งใสยังต้องเข้ากันได้กับอุปกรณ์มองเห็นในเวลากลางคืนด้วย กำลังมีการค้นหาวัสดุใหม่ที่บางกว่า น้ำหนักเบากว่า และมีประสิทธิภาพในการป้องกันกระสุนปืนที่ดีกว่า^{[ 7 ]}

ส่วนประกอบโซลิดสเตตดังกล่าวมีการใช้งานอย่างแพร่หลายในสาขาอิเล็กโทรออปติก รวมถึงเส้นใยนำแสงสำหรับการส่งผ่านคลื่นแสงแบบนำทางสวิตช์แสงเครื่องขยายสัญญาณเลเซอร์และเลนส์ โฮสต์สำหรับ เลเซอร์ โซ ลิดสเตตและวัสดุหน้าต่างแสงสำหรับเลเซอร์ก๊าซ และอุปกรณ์ค้นหาความร้อนอินฟราเรด (IR)สำหรับ ระบบ นำทางขีปนาวุธและการมองเห็นกลางคืนด้วยอินฟราเรด^{[ 8 ]}

ปัจจุบัน การประยุกต์ใช้งานด้านวิศวกรรมเซรามิกส์ครอบคลุมถึงด้านต่างๆ ดังต่อไปนี้:

• เซรามิกไดออกไซด์เซอร์โคเนียมใช้ในการผลิตมีด ใบมีดเซรามิกจะคมนานกว่าใบมีดเหล็กมาก แม้ว่าจะเปราะกว่าและอาจหักได้หากตกกระแทกพื้นผิวแข็ง
• เซรามิก เช่น อลูมินาโบรอนคาร์ไบด์และซิลิคอนคาร์ไบด์ ถูกนำมาใช้ในเสื้อเกราะกันกระสุนเพื่อป้องกัน กระสุนปืน ไรเฟิล ขนาดเล็ก แผ่นเหล่านี้โดยทั่วไปเรียกว่าแผ่นกันกระสุนวัสดุที่คล้ายกันนี้ยังใช้เพื่อปกป้องห้องนักบินของเครื่องบินรบบางประเภท เนื่องจากมีน้ำหนักเบา
• ชิ้นส่วน ไนไตรด์ซิลิคอนใช้ในตลับลูกปืนเซรามิก ความแข็งที่สูงกว่าหมายความว่ามันสึกหรอน้อยกว่ามากและมีอายุการใช้งานยาวนานกว่าถึงสามเท่า นอกจากนี้ยังเสียรูปน้อยลงภายใต้แรงกด ทำให้สัมผัสกับผนังยึดตลับลูกปืนน้อยลงและสามารถหมุนได้เร็วขึ้น ในการใช้งานที่ความเร็วสูงมาก ความร้อนจากแรงเสียดทานระหว่างการหมุนอาจทำให้เกิดปัญหาสำหรับตลับลูกปืนโลหะ ซึ่งการใช้เซรามิกจะช่วยลดปัญหาเหล่านี้ได้ เซรามิกยังทนต่อสารเคมีได้ดีกว่าและสามารถใช้ในสภาพแวดล้อมที่เปียกชื้นซึ่งตลับลูกปืนเหล็กจะขึ้นสนิมได้ ในหลายกรณี คุณสมบัติการเป็นฉนวนไฟฟ้าของเซรามิกก็มีประโยชน์ในตลับลูกปืนเช่นกัน ข้อเสียเปรียบหลักของการใช้เซรามิกคือต้นทุนที่สูงกว่าอย่างมาก
• ในช่วงต้นทศวรรษ 1980 โตโยต้าได้ทำการวิจัยการผลิต เครื่องยนต์เซรามิกแบบอะ เดียแบติกซึ่งสามารถทำงานได้ที่อุณหภูมิสูงกว่า 6000 องศาฟาเรนไฮต์ (3300 องศาเซลเซียส) เครื่องยนต์เซรามิกไม่จำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อน จึงช่วยลดน้ำหนักลงได้อย่างมาก และส่งผลให้ประหยัดเชื้อเพลิงมากขึ้นประสิทธิภาพการใช้เชื้อเพลิงของเครื่องยนต์ยังสูงขึ้นที่อุณหภูมิสูง ดังที่แสดงโดย ทฤษฎี ของคาร์โนต์ในเครื่องยนต์โลหะแบบดั้งเดิม พลังงานส่วนใหญ่ที่ปล่อยออกมาจากเชื้อเพลิงจะต้องถูกระบายออกไปในรูปของความร้อนเหลือทิ้งเพื่อป้องกันไม่ให้ชิ้นส่วนโลหะหลอมละลาย แม้จะมีคุณสมบัติที่น่าสนใจเหล่านี้ แต่เครื่องยนต์ดังกล่าวก็ยังไม่ได้ผลิตออกสู่ตลาด เนื่องจากเป็นการยากที่จะผลิตชิ้นส่วนเซรามิกให้มีความแม่นยำและทนทานตามที่ต้องการ ความไม่สมบูรณ์ในเซรามิกนำไปสู่รอยแตก ซึ่งอาจนำไปสู่ความเสียหายของอุปกรณ์ที่อาจเป็นอันตรายได้ เครื่องยนต์ดังกล่าวสามารถผลิตได้ในห้องปฏิบัติการ แต่การผลิตจำนวนมากยังไม่สามารถทำได้ด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน
• กำลังดำเนินการพัฒนาชิ้นส่วนเซรามิกสำหรับเครื่องยนต์กังหันแก๊ส ปัจจุบัน แม้แต่ใบพัดที่ทำจากโลหะผสมขั้นสูงที่ใช้ในส่วนที่ร้อนของเครื่องยนต์ก็ยังต้องการการระบายความร้อนและการจำกัดอุณหภูมิการทำงานอย่างระมัดระวัง เครื่องยนต์กังหันที่ทำจากเซรามิกสามารถทำงานได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้น ทำให้เครื่องบินมีระยะทำการและน้ำหนักบรรทุกมากขึ้นสำหรับปริมาณเชื้อเพลิงที่กำหนด^{[ 9 ]}

• เมื่อไม่นานมานี้ มีความก้าวหน้าในด้านเซรามิก ซึ่งรวมถึงไบโอเซรามิก เช่น วัสดุสำหรับปลูกถ่ายฟันและกระดูกเทียมไฮดรอกซีอะพาไทต์ซึ่งเป็นแร่ธาตุตามธรรมชาติที่เป็นส่วนประกอบของกระดูก ได้ถูกสังเคราะห์ขึ้นจากแหล่งชีวภาพและเคมีหลายแหล่ง และสามารถขึ้นรูปเป็นวัสดุเซรามิกได้ วัสดุปลูกถ่ายกระดูกที่ทำจากวัสดุเหล่านี้จะยึดติดกับกระดูกและเนื้อเยื่ออื่นๆ ในร่างกายได้ง่ายโดยไม่มีการปฏิเสธหรือปฏิกิริยาอักเสบ ด้วยเหตุนี้ วัสดุเหล่านี้จึงเป็นที่น่าสนใจอย่างยิ่งสำหรับการนำส่งยีนและ โครงสร้างรองรับ สำหรับการวิศวกรรมเนื้อเยื่อเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์ส่วนใหญ่มีรูพรุนมากและขาดความแข็งแรงทางกล จึงถูกนำมาใช้เคลือบอุปกรณ์โลหะสำหรับศัลยกรรมกระดูกเพื่อช่วยในการยึดติดกับกระดูก หรือใช้เป็นวัสดุอุดกระดูก นอกจากนี้ยังใช้เป็นวัสดุอุดสำหรับสกรูพลาสติกสำหรับศัลยกรรมกระดูกเพื่อช่วยลดการอักเสบและเพิ่มการดูดซึมของวัสดุพลาสติกเหล่านี้ ปัจจุบันกำลังมีการวิจัยเพื่อสร้างวัสดุเซรามิกไฮดรอกซีอะพาไทต์นาโนคริสตัลไลน์ที่มีความแข็งแรงและหนาแน่นสูงสำหรับอุปกรณ์รับน้ำหนักในศัลยกรรมกระดูก โดยแทนที่วัสดุโลหะและพลาสติกจากภายนอกด้วยแร่ธาตุในกระดูกที่สังเคราะห์ขึ้นแต่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ ในที่สุด วัสดุเซรามิกเหล่านี้อาจถูกนำมาใช้เป็นวัสดุทดแทนกระดูก หรือหากผสมโปรตีนคอลลาเจนเข้าไปด้วย ก็อาจกลายเป็นกระดูกสังเคราะห์ได้
• วัสดุเซรามิกที่มีแอคติไนด์ที่ทนทานมีการใช้งาน เช่น ในเชื้อเพลิงนิวเคลียร์สำหรับการเผาไหม้พลูโทเนียมส่วนเกิน และในแหล่งกำเนิดรังสีอัลฟาที่ไม่ทำปฏิกิริยาทางเคมีสำหรับการจ่ายพลังงานให้กับยานอวกาศไร้คนขับ หรือเพื่อผลิตไฟฟ้าสำหรับอุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ ทั้งการใช้งานและการกำจัดแอคติไนด์กัมมันตรังสีจำเป็นต้องมีการตรึงไว้ในวัสดุโฮสต์ที่ทนทาน กากกัมมันตรังสีที่มีอายุยืนยาว เช่น แอคติไนด์ จะถูกตรึงไว้โดยใช้วัสดุผลึกที่ทนทานทางเคมีโดยอิงจากเซรามิกผลึกหลายเหลี่ยมและผลึกเดี่ยวขนาดใหญ่^{[ 10 ]}

• เซรามิกอลูมินาถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมเคมีเนื่องจากมีเสถียรภาพทางเคมีและทนต่อการกัดกร่อน สูง ใช้เป็นใบพัดปั๊มและตัวปั๊มที่ทนต่อกรด ทำให้มั่นใจได้ถึงประสิทธิภาพที่ยาวนานในการลำเลียงของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน^{[ 11 ] [ 12 ]}นอกจากนี้ยังใช้ในวัสดุบุท่อที่ลำเลียงกรดเพื่อป้องกันการปนเปื้อน และรักษาความบริสุทธิ์ ^ของของเหลว ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในอุตสาหกรรมต่างๆ เช่นอุตสาหกรรมยาและการแปรรูปอาหาร^{[ 13 ]}วาล์วที่ทำจากเซรามิกอลูมินามีความทนทาน สูง และทนต่อการโจมตีทางเคมี ทำให้มีประโยชน์ในการควบคุมการไหลของของเหลวที่มีฤทธิ์กัดกร่อน[ ^{14 ]}

วัสดุเซรามิกแก้วมีคุณสมบัติหลายอย่างร่วมกับทั้งแก้วและเซรามิก เซรามิกแก้วมีเฟสอสัณฐานและเฟสผลึกหนึ่งเฟสหรือมากกว่า และผลิตขึ้นโดยกระบวนการที่เรียกว่า "การตกผลึกแบบควบคุม" ซึ่งโดยทั่วไปจะหลีกเลี่ยงในการผลิตแก้ว เซรามิกแก้วมักมีเฟสผลึกซึ่งคิดเป็นสัดส่วนตั้งแต่ 30% [ม./ม.] ถึง 90% [ม./ม.] ขององค์ประกอบโดยปริมาตร ทำให้ได้วัสดุที่มีคุณสมบัติทางเทอร์โมกลศาสตร์ที่ผิดปกติ^{[ 15 ]}

ในกระบวนการผลิตแก้วเซรามิก แก้วหลอมเหลวจะถูกทำให้เย็นลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปก่อนที่จะให้ความร้อนและอบอ่อนอีกครั้ง ในกระบวนการให้ความร้อนนี้ แก้วจะตกผลึก บางส่วน ในหลายกรณี จะมีการเติมสารที่เรียกว่า 'สารก่อผลึก' เพื่อควบคุมและปรับกระบวนการตกผลึก เนื่องจากโดยปกติแล้วไม่มีการอัดและการเผาผนึก แก้วเซรามิกจึงไม่มีปริมาณรูพรุนมากเท่ากับที่พบในเซรามิกเผาผนึก^{[ 1 ]}

คำนี้ส่วนใหญ่หมายถึงส่วนผสมของลิเธียมและอะลูมิโนซิลิเกตส่วนผสมที่มีความสำคัญทางการค้ามากที่สุดนั้นมีคุณสมบัติที่ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ ดังนั้นแก้วเซรามิกจึงมีประโยชน์สำหรับการปรุงอาหารบนเคาน์เตอร์ ค่าสัมประสิทธิ์ การขยายตัวทางความร้อนเชิง ลบ (TEC) ของเฟสเซรามิกผลึกสามารถปรับสมดุลกับค่า TEC เชิงบวกของเฟสแก้วได้ ที่จุดหนึ่ง (ผลึกประมาณ 70%) แก้วเซรามิกจะมีค่า TEC สุทธิใกล้ศูนย์แก้วเซรามิก ประเภทนี้ มีคุณสมบัติทางกลที่ดีเยี่ยมและสามารถทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างรวดเร็วและซ้ำๆ ได้ถึง 1000 °C ^{[ 1 ] [ 15 ]}

กระบวนการผลิตเซรามิกแบบดั้งเดิมโดยทั่วไปจะเรียงลำดับดังนี้: การบด → การผสม → การขึ้นรูป → การอบแห้ง → การเผา → การประกอบ^{[ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}

• การบดเป็นกระบวนการที่ลดขนาดของวัสดุจากขนาดใหญ่ให้เล็กลง การบดอาจเกี่ยวข้องกับการทำให้วัสดุที่ยึดติดกันแตกออก (ซึ่งในกรณีนี้อนุภาคแต่ละอนุภาคยังคงรักษารูปทรงเดิมไว้) หรือการบดละเอียด (ซึ่งเกี่ยวข้องกับการบดอนุภาคให้มีขนาดเล็กลง) โดยทั่วไปการบดจะทำด้วยวิธีการทางกล รวมถึงการบดแบบเสียดสี (ซึ่งเป็นการชนกันระหว่างอนุภาคที่ส่งผลให้เกิดการแตกตัวของกลุ่มก้อนหรือการเฉือนของอนุภาค) การบดแบบอัด (ซึ่งใช้แรงที่ส่งผลให้เกิดการแตกหัก) และการบดแบบกระแทก (ซึ่งใช้ตัวกลางในการบดหรืออนุภาคเองเพื่อทำให้เกิดการแตกหัก) อุปกรณ์การบดแบบเสียดสี ได้แก่ เครื่องขัดแบบเปียก (เรียกอีกอย่างว่าเครื่องบดแบบดาวเคราะห์หรือเครื่องบดแบบเสียดสีเปียก) ซึ่งมีใบพัดในน้ำที่สร้างกระแสน้ำวนซึ่งวัสดุจะชนกันและแตกออก เครื่องบดแบบอัด ได้แก่ เครื่องบดกรามเครื่องบดลูกกลิ้ง และเครื่องบดกรวย เครื่องบดแบบกระแทก ได้แก่เครื่องบดลูกบอลซึ่งมีตัวกลางที่หมุนและทำให้วัสดุแตก หรือเครื่องผสมแบบเรโซแนนซ์อะคู สติก ^{[ 20 ]}เครื่องกระแทกแบบเพลาทำให้เกิดการเสียดสีและการอัดระหว่างอนุภาค
• การผสมเป็นขั้นตอนคือการชั่งน้ำหนักออกไซด์ตามสูตรที่กำหนด และเตรียมออกไซด์เหล่านั้นสำหรับการผสมและการอบแห้ง
• การผสมเกิดขึ้นหลังจากการแบ่งกลุ่มและดำเนินการด้วยเครื่องจักรต่างๆ เช่นเครื่องผสมแบบริบบิ้นสำหรับ การผสมแห้ง เครื่องผสมแบบเรโซแนนซ์อะคูสติก^{[ 21 ]}เครื่องผสมมุลเลอร์ และเครื่องบดแบบพัคการผสมแบบเปียกโดยทั่วไปจะใช้อุปกรณ์เดียวกัน
• การขึ้นรูปคือการนำวัสดุผสมมาขึ้นรูปเป็นรูปทรงต่างๆ ตั้งแต่โถส้วมไปจนถึงฉนวนหัวเทียน การขึ้นรูปอาจเกี่ยวข้องกับ: (1) การอัดรีด เช่น การอัดรีด "ก้อน" เพื่อทำอิฐ (2) การกดเพื่อทำชิ้นส่วนที่มีรูปร่าง (3) การหล่อแบบสลิปเช่น การทำโถส้วม อ่างล้างหน้า และเครื่องประดับ เช่น รูปปั้นเซรามิก การขึ้นรูปจะทำให้ได้ชิ้นส่วน "ดิบ" ที่พร้อมสำหรับการอบแห้ง ชิ้นส่วนดิบจะอ่อนนุ่ม ยืดหยุ่น และเมื่อเวลาผ่านไปจะเสียรูปทรง การจัดการกับผลิตภัณฑ์ดิบจะทำให้รูปทรงของมันเปลี่ยนไป ตัวอย่างเช่น อิฐดิบสามารถ "บีบ" ได้ และหลังจากบีบแล้วมันจะคงรูปทรงนั้นไว้
• การอบแห้งคือการกำจัดน้ำหรือสารยึดเกาะออกจากวัสดุที่ขึ้นรูปแล้วการอบแห้งแบบสเปรย์เป็นวิธีที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการเตรียมผงสำหรับกระบวนการอัดขึ้นรูป เครื่องอบแห้งชนิดอื่น ๆ ได้แก่ เครื่องอบแห้งแบบอุโมงค์และเครื่องอบแห้งแบบเป็นช่วง ๆ กระบวนการสองขั้นตอนนี้ใช้ความร้อนที่ควบคุมได้ ขั้นแรก ความร้อนจะกำจัดน้ำ ขั้นตอนนี้ต้องควบคุมอย่างระมัดระวัง เนื่องจากความร้อนที่มากเกินไปจะทำให้เกิดรอยแตกและตำหนิบนพื้นผิว ชิ้นส่วนที่อบแห้งแล้วจะมีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนดิบ และเปราะบาง จึงจำเป็นต้องจัดการอย่างระมัดระวัง เนื่องจากแรงกระแทกเพียงเล็กน้อยก็อาจทำให้แตกหักได้
• การเผาผนึกคือกระบวนการที่ชิ้นส่วนที่แห้งแล้วผ่านความร้อนที่ควบคุมได้ ซึ่งจะทำให้สารประกอบออกไซด์เกิดการเปลี่ยนแปลงทางเคมี ส่งผลให้เกิดการยึดเกาะและความหนาแน่นมากขึ้น ชิ้นส่วนที่ผ่านการเผาผนึกจะมีขนาดเล็กกว่าชิ้นส่วนที่แห้งแล้ว

เทคนิคการขึ้นรูปเซรามิกได้แก่ การ ขึ้นรูปด้วยแรงเหวี่ยง การหล่อแบบสลิปการหล่อแบบเทปการหล่อแบบแช่แข็งการฉีดขึ้นรูป การอัดแห้ง การอัดไอโซสแตติก การอัดไอโซสแตติกแบบร้อน (HIP) การพิมพ์ 3 มิติ และอื่นๆ วิธีการขึ้นรูปผงเซรามิกให้เป็นรูปทรงที่ซับซ้อนเป็นที่ต้องการในหลายสาขาเทคโนโลยี วิธีการดังกล่าวจำเป็นสำหรับการผลิตชิ้นส่วนโครงสร้างขั้นสูงที่ทนต่ออุณหภูมิสูง เช่น ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ความร้อนและกังหันวัสดุอื่นๆ นอกเหนือจากเซรามิกที่ใช้ในกระบวนการเหล่านี้อาจรวมถึง: ไม้ โลหะ น้ำ ปูนปลาสเตอร์ และอีพ็อกซี ซึ่งส่วนใหญ่จะถูกกำจัดออกไปเมื่อเผา^{[ 16 ]}อีพ็อกซีที่เติมเซรามิกเช่น Martyte บางครั้งใช้เพื่อป้องกันเหล็กโครงสร้างภายใต้สภาวะการกระทบของไอเสียจรวด^{[ 22 ]}

เทคนิคการขึ้นรูปเหล่านี้ทำให้ได้เครื่องมือและส่วนประกอบอื่นๆ ที่มีความเสถียรของมิติ คุณภาพพื้นผิว ความหนาแน่นสูง (ใกล้เคียงกับค่าทางทฤษฎี) และความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค การใช้งานและความหลากหลายของเซรามิกรูปแบบพิเศษที่เพิ่มขึ้นทำให้เทคโนโลยีการประมวลผลที่ใช้มีความหลากหลายมากขึ้น^{[ 16 ]}

ดังนั้น เส้นใยและเส้นใยเสริมแรงส่วนใหญ่จึงทำขึ้นโดยกระบวนการพอลิเมอร์ โซล-เจล หรือ CVD แต่กระบวนการหลอมเหลวก็สามารถนำมาใช้ได้เช่นกัน รูปแบบพิเศษที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดคือโครงสร้างแบบหลายชั้น โดยการหล่อเทปสำหรับพื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์และบรรจุภัณฑ์เป็นที่นิยมอย่างมาก โฟโตลิโทกราฟีกำลังได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นสำหรับการสร้างลวดลายที่แม่นยำของตัวนำและส่วนประกอบอื่นๆ สำหรับบรรจุภัณฑ์ดังกล่าว กระบวนการหล่อเทปหรือการขึ้นรูปก็ได้รับความสนใจเพิ่มขึ้นสำหรับการใช้งานอื่นๆ ตั้งแต่โครงสร้างแบบเปิด เช่น เซลล์เชื้อเพลิง ไปจนถึงวัสดุคอมโพสิตเซรามิก^{[ 16 ]}

โครงสร้างชั้นหลักอีกประการหนึ่งคือการเคลือบ ซึ่งการพ่นด้วยความร้อนมีความสำคัญ แต่การตกตะกอนไอระเหยทางเคมีและทางกายภาพ และวิธีการทางเคมี (เช่น โซล-เจล และการไพโรไลซิสของพอลิเมอร์) ก็มีการใช้งานเพิ่มมากขึ้น นอกจากโครงสร้างแบบเปิดจากเทปที่ขึ้นรูปแล้ว โครงสร้างแบบอัดขึ้นรูป เช่น ตัวรองรับตัวเร่งปฏิกิริยาแบบรังผึ้ง และโครงสร้างที่มีรูพรุนสูง รวมถึงโฟมชนิดต่างๆ เช่นโฟมแบบตาข่ายก็มีการใช้งานเพิ่มมากขึ้น^{[ 16 ]}

การเพิ่มความหนาแน่นของผงที่รวมตัวกันยังคงทำได้โดยการเผาผนึก (แบบไม่ใช้แรงดัน) เป็นหลัก อย่างไรก็ตาม การใช้การเผาผนึกด้วยแรงดันโดยการอัดร้อนกำลังเพิ่มขึ้น โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับวัสดุที่ไม่ใช่ออกไซด์และชิ้นส่วนที่มีรูปร่างเรียบง่ายซึ่งต้องการคุณภาพที่สูงขึ้น (โดยเฉพาะความสม่ำเสมอของโครงสร้างจุลภาค) และขนาดที่ใหญ่ขึ้นหรือชิ้นส่วนหลายชิ้นต่อการอัดหนึ่งครั้งอาจเป็นข้อได้เปรียบ^{[ 16 ]}

หลักการของวิธีการเผาผนึกนั้นง่าย ("เผาผนึก" มีรากศัพท์มาจากภาษาอังกฤษว่า " cinder ") การเผาจะทำที่อุณหภูมิต่ำกว่าจุดหลอมเหลวของเซรามิก เมื่อได้ชิ้นงานที่ยึดติดกันอย่างคร่าวๆ เรียกว่า "ชิ้นงานดิบ" แล้ว ก็จะนำไปเผาในเตาเผาซึ่ง กระบวนการ แพร่ ของอะตอมและโมเลกุล จะทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างมีนัยสำคัญในลักษณะโครงสร้างจุลภาคหลัก ซึ่งรวมถึงการค่อยๆ กำจัดรูพรุนซึ่งโดยทั่วไปจะมาพร้อมกับการหดตัวสุทธิและความหนาแน่นที่เพิ่มขึ้น โดยรวม ของชิ้นส่วน ดังนั้น รูพรุนในชิ้นงานอาจปิดลง ส่งผลให้ผลิตภัณฑ์มีความหนาแน่นมากขึ้น มีความแข็งแรงและ ทนทาน ต่อ การแตกหัก สูงขึ้นอย่างมาก

การเปลี่ยนแปลงที่สำคัญอีกประการหนึ่งในเนื้อวัสดุระหว่างกระบวนการเผาหรือการเผาผนึกคือการก่อตัวของ โครงสร้างผลึก หลายเหลี่ยมการเจริญเติบโตของเกรนมีแนวโน้มที่จะเกิดขึ้นอย่างมากในระหว่างการเผาผนึก โดยการเจริญเติบโตนี้ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิและระยะเวลาของกระบวนการเผาผนึก การเจริญเติบโตของเกรนจะส่งผลให้เกิด การกระจายขนาดของ เกรนซึ่งจะมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติทางกายภาพขั้น สุดท้าย ของวัสดุ โดยเฉพาะอย่างยิ่งการเจริญเติบโตของเกรนที่ผิดปกติซึ่งเกรนบางส่วนเจริญเติบโตมีขนาดใหญ่มากในเมทริกซ์ของเกรนที่ละเอียดกว่า จะเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางกายภาพและเชิงกลของเซรามิกที่ได้ไปอย่างมาก ในเนื้อวัสดุที่ผ่านการเผาผนึก ขนาดของเกรนเป็นผลมาจากพารามิเตอร์ของกระบวนการทางความร้อน รวมถึงขนาดอนุภาค เริ่มต้น หรืออาจเป็นขนาดของกลุ่มอนุภาคหรือกระจุก อนุภาค ที่เกิดขึ้นในช่วงเริ่มต้นของกระบวนการ

โครงสร้างจุลภาค (และคุณสมบัติทางกายภาพ) ของผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายจะถูกจำกัดและขึ้นอยู่กับรูปแบบของแม่แบบโครงสร้างหรือสารตั้งต้นที่สร้างขึ้นในขั้นตอนเริ่มต้นของการสังเคราะห์ทางเคมี และการขึ้นรูปทางกายภาพ ดังนั้น การแปรรูป ผง เคมี และพอลิเมอร์จึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการสังเคราะห์เซรามิกส์ แก้ว และแก้วเซรามิกส์ในระดับอุตสาหกรรม

กระบวนการเผาผนึกสามารถปรับปรุงได้หลายวิธี วิธีที่พบได้บ่อยที่สุดคือการอัดชิ้นงานดิบเพื่อให้กระบวนการอัดแน่นเร็วขึ้นและลดเวลาในการเผาผนึก บางครั้ง จะมีการเติม สารยึด เกาะอินทรีย์ เช่นโพลีไวนิลแอลกอฮอล์เพื่อยึดชิ้นงานดิบเข้าด้วยกัน สารเหล่านี้จะเผาไหม้หมดไปในระหว่างการเผาที่อุณหภูมิระหว่าง 200 ถึง 350 องศาเซลเซียส บางครั้งจะมีการเติมสารหล่อลื่นอินทรีย์ในระหว่างการอัดเพื่อเพิ่มความหนาแน่น โดยทั่วไปมักจะผสมผสานวิธีการเหล่านี้เข้าด้วยกัน โดยการเติมสารยึดเกาะและสารหล่อลื่นลงในผงแล้วจึงอัด (การคิดค้นสูตรของสารเคมีอินทรีย์เหล่านี้เป็นศาสตร์แขนงหนึ่งโดยเฉพาะ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งในการผลิตเซรามิกประสิทธิภาพสูง เช่น เซรามิกที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ ตัวเก็บประจุ ตัวเหนี่ยวนำเซ็นเซอร์ฯลฯ )

สามารถใช้สารละลายข้นแทนผงได้ จากนั้นจึงหล่อเป็นรูปทรงที่ต้องการ ทำให้แห้ง แล้วจึงเผาผนึก อันที่จริง เครื่องปั้นดินเผาแบบดั้งเดิมทำด้วยวิธีการประเภทนี้ โดยใช้ส่วนผสมที่เป็นพลาสติกที่ทำงานด้วยมือ หากใช้ส่วนผสมของวัสดุที่แตกต่างกันในเซรามิก อุณหภูมิการเผาผนึกบางครั้งจะสูงกว่าจุดหลอมเหลวของส่วนประกอบย่อยหนึ่งตัว – การเผา ผนึก ในเฟสของเหลวส่งผลให้เวลาในการเผาผนึกสั้นลงเมื่อเทียบกับการเผาผนึกในสถานะของแข็ง^{[ 23 ]}การเผาผนึกในเฟสของเหลวดังกล่าวเกี่ยวข้องกับกระบวนการแพร่กระจายที่เร็วขึ้นและอาจส่งผลให้เกิดการ เติบโตของเม็ดที่ไม่ปกติ

ความแข็งแรงของวัสดุขึ้นอยู่กับโครงสร้างจุลภาค ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลงได้ด้วยกระบวนการทางวิศวกรรมต่างๆ กลไกการเสริมความแข็งแรงที่เปลี่ยนแปลงความแข็งแรงของวัสดุนั้นรวมถึงกลไกการเสริมความแข็งแรงบริเวณขอบเกรนดังนั้น แม้ว่าความแข็งแรงคราดจะสูงสุดเมื่อขนาดเกรนลดลง แต่ในที่สุดแล้ว ขนาดเกรนที่เล็กมากจะทำให้วัสดุเปราะ เมื่อพิจารณาร่วมกับข้อเท็จจริงที่ว่าความแข็งแรงคราดเป็นพารามิเตอร์ที่ทำนายการเสียรูปพลาสติกในวัสดุ เราจึงสามารถตัดสินใจได้อย่างชาญฉลาดว่าจะเพิ่มความแข็งแรงของวัสดุได้อย่างไร โดยขึ้นอยู่กับคุณสมบัติทางโครงสร้างจุลภาคและผลลัพธ์สุดท้ายที่ต้องการ

ความสัมพันธ์ระหว่างความเค้นครากและขนาดเกรนนั้น อธิบายได้ทางคณิตศาสตร์ด้วยสมการฮอลล์-เพทช์ ซึ่งมีดังนี้

${\displaystyle \sigma _{y}=\sigma _{0}+{k_{y} \over {\sqrt {d}}}}$

โดยที่k _yคือสัมประสิทธิ์การเสริมความแข็งแรง (ค่าคงที่เฉพาะสำหรับแต่ละวัสดุ) σ _oคือค่าคงที่ของวัสดุสำหรับความเค้นเริ่มต้นของการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน (หรือความต้านทานของโครงสร้างผลึกต่อการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชัน) dคือเส้นผ่านศูนย์กลางของเกรน และσ _yคือความเค้นคราก

ในทางทฤษฎี วัสดุสามารถมีความแข็งแรงอย่างไม่มีที่สิ้นสุดได้หากเม็ดเกรนมีขนาดเล็กอย่างไม่มีที่สิ้นสุด น่าเสียดายที่สิ่งนี้เป็นไปไม่ได้ เนื่องจากขีดจำกัดล่างของขนาดเม็ดเกรนคือหน่วยเซลล์ เดียว ของวัสดุ แม้กระนั้น หากเม็ดเกรนของวัสดุมีขนาดเท่ากับหน่วยเซลล์เดียว วัสดุนั้นก็จะเป็นวัสดุอสัณฐาน ไม่ใช่วัสดุผลึก เนื่องจากไม่มีระเบียบระยะยาว และไม่สามารถกำหนดการเคลื่อนที่ของดิสโลเคชันในวัสดุอสัณฐานได้ มีการสังเกตจากการทดลองว่าโครงสร้างจุลภาคที่มีความแข็งแรงคราสูงสุดคือขนาดเม็ดเกรนประมาณ 10 นาโนเมตร เนื่องจากเม็ดเกรนที่เล็กกว่านี้จะมีกลไกการคราอีกแบบหนึ่งที่เรียกว่าการเลื่อนของขอบเม็ดเกรน^{[ 24 ]}การผลิตวัสดุทางวิศวกรรมที่มีขนาดเม็ดเกรนที่เหมาะสมนี้ทำได้ยากเนื่องจากข้อจำกัดของขนาดอนุภาคเริ่มต้นที่มีอยู่ในวัสดุนาโนและเทคโนโลยีนาโน

แบบจำลอง Faber-Evansซึ่งพัฒนาโดยKatherine FaberและAnthony G. Evansสามารถทำนายการเพิ่มขึ้นของความเหนียวแตกหักในเซรามิกเนื่องจากการเบี่ยงเบนของรอยแตกโดยรอบอนุภาคเฟสที่สองซึ่งมีแนวโน้มที่จะเกิดรอยแตกขนาดเล็กในเมทริกซ์^{[ 25 ]}แบบจำลองนี้พิจารณาสัณฐานวิทยาของอนุภาค อัตราส่วนความยาวต่อความกว้าง ระยะห่าง และเศษส่วนปริมาตรของเฟสที่สอง รวมถึงการลดลงของความเข้มของความเค้นเฉพาะที่บริเวณปลายรอยแตกเมื่อรอยแตกเบี่ยงเบนหรือระนาบรอยแตกโค้งงอ ความคดเคี้ยวของรอยแตกจริงได้มาจากการใช้เทคนิคการถ่ายภาพ ซึ่งช่วยให้สามารถป้อนมุมการเบี่ยงเบนและการโค้งงอลงในแบบจำลองได้โดยตรง

แบบจำลองจะคำนวณอัตราการปลดปล่อยพลังงานความเครียดเฉลี่ยและเปรียบเทียบการเพิ่มขึ้นของความเหนียวแตกหักที่เกิดขึ้นกับรอยแตกแบนผ่านเมทริกซ์ธรรมดา ขนาดของความเหนียวจะถูกกำหนดโดยความเครียดที่ไม่ตรงกันที่เกิดจากความไม่เข้ากันของการหดตัวทางความร้อนและความต้านทานการแตกหักระดับจุลภาคของส่วนต่อประสานอนุภาค/เมทริกซ์ ความเหนียวจะสังเกตเห็นได้ชัดเจนด้วยการกระจายขนาดที่แคบของอนุภาคที่มีขนาดเหมาะสม และโดยทั่วไปนักวิจัยยอมรับว่าผลกระทบจากการโก่งตัวในวัสดุที่มีเกรนแบบสมมาตรโดยประมาณอาจเพิ่มความเหนียวแตกหักได้ประมาณสองเท่าของค่าขอบเกรน^{[ 26 ]}

แบบจำลองเผยให้เห็นว่าการเพิ่มขึ้นของความเหนียวขึ้นอยู่กับรูปร่างของอนุภาคและสัดส่วนปริมาตรของเฟสที่สอง โดยรูปร่างที่มีประสิทธิภาพมากที่สุดคือแท่งที่มีอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางสูง ซึ่งสามารถทำให้ความเหนียวแตกหักเพิ่มขึ้นได้ถึงสี่เท่า ความเหนียวเกิดขึ้นจากการบิดของหน้าแตกระหว่างอนุภาคเป็นหลัก ดังที่แสดงโดยโปรไฟล์การเบี่ยงเบน อนุภาครูปทรงแผ่นดิสก์และทรงกลมมีประสิทธิภาพในการเพิ่มความเหนียวน้อยกว่า ความเหนียวแตกหักไม่ว่าจะรูปร่างใดก็ตาม จะถูกกำหนดโดยการบิดของหน้าแตกที่การกำหนดค่าที่รุนแรงที่สุด มากกว่าการเอียงเริ่มต้นของหน้าแตก เฉพาะอนุภาครูปทรงแผ่นดิสก์เท่านั้นที่การเอียงเริ่มต้นของหน้าแตกทำให้เกิดความเหนียวอย่างมีนัยสำคัญ อย่างไรก็ตาม ส่วนประกอบของการบิดยังคงมีอิทธิพลเหนือกว่าความเหนียวที่ได้จากการเอียง^{[ 27 ]}

คุณสมบัติสำคัญเพิ่มเติมของการวิเคราะห์การโก่งตัว ได้แก่ การปรากฏของความเหนียวที่เพิ่มขึ้นอย่างค่อยเป็นค่อยไปสำหรับโครงสร้างทั้งสามแบบที่สัดส่วนปริมาตรเกิน 0.2 นอกจากนี้ยังพบว่าการกระจายตัวของระยะห่างระหว่างอนุภาคมีอิทธิพลอย่างมากต่อความเหนียวที่เพิ่มขึ้นของอนุภาคทรงกลม โดยจะมีความเหนียวมากขึ้นเมื่อทรงกลมอยู่ใกล้กันมากจนมุมบิดเข้าใกล้ 90 องศา การคาดการณ์เหล่านี้เป็นพื้นฐานสำหรับการออกแบบวัสดุเซรามิกสองเฟสที่มีความเหนียวสูง

เฟสที่สองที่เหมาะสม นอกเหนือจากการรักษาความเข้ากันได้ทางเคมีแล้ว ควรมีปริมาณ 10 ถึง 20 เปอร์เซ็นต์โดยปริมาตร ปริมาณที่มากกว่านี้อาจลดการเพิ่มความทนทานเนื่องจากการทับซ้อนกันของอนุภาค อนุภาคที่มีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้างสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่มีรูปร่างเป็นแท่ง เหมาะที่สุดสำหรับการเพิ่มความทนทานสูงสุด แบบจำลองนี้มักใช้เพื่อกำหนดปัจจัยที่ส่งผลต่อการเพิ่มความทนทานต่อการแตกหักในเซรามิก ซึ่งเป็นประโยชน์อย่างยิ่งในการพัฒนาวัสดุเซรามิกขั้นสูงที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น^{[ 28 ] [ 29 ]}

ในการประมวลผลเซรามิกละเอียด ขนาดและรูปร่างของอนุภาคที่ไม่สม่ำเสมอในผงทั่วไปมักนำไปสู่สัณฐานวิทยาการบรรจุที่ไม่สม่ำเสมอซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่น ของการบรรจุ ในผงอัดมีความแปรผันการ รวมตัว ของผงที่ไม่สามารถควบคุมได้เนื่องจากแรงดึงดูดของแวนเดอร์วาลส์ยังสามารถก่อให้เกิดความไม่สม่ำเสมอในโครงสร้างจุลภาคได้อีกด้วย^{[ 16 ] [ 30 ]}

ความเค้นที่แตกต่างกันซึ่งเกิดขึ้นอันเป็นผลมาจากการหดตัวจากการอบแห้งที่ไม่สม่ำเสมอมีความสัมพันธ์โดยตรงกับอัตราที่ สามารถกำจัด ตัวทำละลายได้ และขึ้นอยู่กับการกระจายตัวของรูพรุนเป็นอย่างมาก ความเค้นดังกล่าวมีความเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนจากพลาสติกเป็นเปราะในเนื้อวัสดุที่แข็งตัว^{[ 31 ]} และอาจนำไปสู่การแพร่กระจายของรอยแตกในเนื้อวัสดุที่ยังไม่ผ่านการเผาหากไม่ได้รับการบรรเทา

นอกจากนี้ ความผันผวนใดๆ ในความหนาแน่นของการบรรจุในวัสดุอัดแน่นขณะเตรียมสำหรับเตาเผา มักจะถูกขยายให้ใหญ่ขึ้นในระหว่างกระบวนการเผาผนึก ส่งผลให้เกิดการอัดแน่นที่ไม่สม่ำเสมอ^{[ 32 ] [ 33 ]} พบว่า รูพรุนและข้อบกพร่อง เชิงโครงสร้างอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงความหนาแน่น มีบทบาทที่เป็นอันตรายต่อกระบวนการเผาผนึก โดยทำให้ความหนาแน่นสุดท้ายเพิ่มขึ้นและถูกจำกัด^{[ 34 ]}นอกจากนี้ยังพบว่าความเค้นที่แตกต่างกันซึ่งเกิดจากการอัดแน่นที่ไม่สม่ำเสมอ ส่งผลให้เกิดการแพร่กระจายของรอยแตกภายใน จึงกลายเป็นข้อบกพร่องที่ควบคุมความแข็งแรง^{[ 35 ]}

ดังนั้นจึงควรแปรรูปวัสดุในลักษณะที่วัสดุนั้นมีความสม่ำเสมอทางกายภาพในแง่ของการกระจายตัวของส่วนประกอบและความพรุน มากกว่าการใช้การกระจายขนาดอนุภาคที่จะทำให้ความหนาแน่นสีเขียวสูงสุด การกักเก็บชุดอนุภาคที่มีปฏิสัมพันธ์กันอย่างแน่นแฟ้นที่กระจายตัวอย่างสม่ำเสมอในสารแขวนลอยนั้นจำเป็นต้องมีการควบคุมปฏิสัมพันธ์ระหว่างอนุภาคอย่างสมบูรณ์ คอลลอยด์แบบโมโนดิสเพิร์ส ช่วยให้เกิดศักยภาพนี้ได้^{[ 36 ]}

ตัวอย่างเช่น ผง ซิลิกาคอลลอยด์แบบโมโนดิสเปอร์ส อาจมีความเสถียรเพียงพอที่จะรับประกันระดับความเป็นระเบียบสูงในผลึกคอลลอยด์หรือของแข็งคอลลอยด์แบบผลึกหลายเหลี่ยมซึ่งเป็นผลมาจากการรวมตัว ระดับความเป็นระเบียบดูเหมือนจะถูกจำกัดด้วยเวลาและพื้นที่ที่อนุญาตให้สร้างความสัมพันธ์ระยะไกลขึ้น^{[ 37 ] [ 38 ]}

โครงสร้างคอลลอยด์ผลึกหลายเหลี่ยมที่มีข้อบกพร่องดังกล่าว ดูเหมือนจะเป็นองค์ประกอบพื้นฐานของ วิทยาศาสตร์วัสดุคอลลอยด์ระดับไมโครเมตรและด้วยเหตุนี้จึงเป็นก้าวแรกในการพัฒนาความเข้าใจที่เข้มงวดมากขึ้นเกี่ยวกับกลไกที่เกี่ยวข้องกับการวิวัฒนาการของโครงสร้างจุลภาคในระบบอนินทรีย์ เช่น เซรามิกผลึกหลายเหลี่ยม

โดยทั่วไปแล้ววัสดุเหล่านี้ประกอบด้วยส่วนประกอบเซรามิกสองส่วน ได้แก่ เมทริกซ์ต่อเนื่อง และเฟสกระจายตัวของอนุภาคเซรามิก เส้นใย หรือเส้นใยเซรามิกสั้น (สับ) หรือต่อเนื่องความท้าทายเช่นเดียวกับในกระบวนการทางเคมีแบบเปียก คือการทำให้เฟสของอนุภาคหรือเส้นใยกระจายตัวอย่างสม่ำเสมอหรือเป็นเนื้อเดียวกัน^{[ 39 ] [ 40 ]}

พิจารณาการประมวลผลของวัสดุคอมโพสิตอนุภาคก่อน เฟสอนุภาคที่น่าสนใจที่สุดคือเซอร์โคเนียเตตระโกนัล เนื่องจากความเหนียวที่สามารถทำได้จากการเปลี่ยนเฟสจากเตตระโกนัลที่ไม่เสถียรไปเป็นเฟสผลึกโมโนคลินิก หรือที่เรียกว่าความเหนียวจากการเปลี่ยนเฟส นอกจากนี้ยังมีความสนใจในการกระจายตัวของเฟสแข็งที่ไม่ใช่ออกไซด์ เช่นซิลิคอนคาร์ไบด์ไทเทเนียมได โบไร ด์ไทเทเนียมคาร์ไบด์โบรอนคาร์บอนและโดยเฉพาะอย่างยิ่งเมทริกซ์ออกไซด์ เช่น อลูมินาและมัลไลต์นอกจากนี้ยังมีความสนใจในการรวมอนุภาคเซรามิกอื่นๆ โดยเฉพาะอย่างยิ่งอนุภาคที่มีการขยายตัวทางความร้อนแบบไม่เป็นไอโซโทรปิกสูง ได้แก่อะลูมิเนียมออกไซด์ไทเทเนียมไดออกไซด์กราไฟต์และโบรอนไนไตรด์^{[ 39 ] [ 40 ]}

ในการแปรรูปวัสดุคอมโพสิตอนุภาค ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ความสม่ำเสมอของขนาดและการกระจายตัวเชิงพื้นที่ของเฟสที่กระจายตัวและเฟสเมทริกซ์เท่านั้น แต่ยังรวมถึงการควบคุมขนาดของเม็ดเมทริกซ์ด้วย อย่างไรก็ตาม มีการควบคุมตนเองในตัวบางส่วนเนื่องจากการยับยั้งการเติบโตของเม็ดเมทริกซ์โดยเฟสที่กระจายตัว วัสดุคอมโพสิตอนุภาค แม้โดยทั่วไปจะมีความต้านทานต่อความเสียหาย ความล้มเหลว หรือทั้งสองอย่างเพิ่มขึ้น แต่ก็ยังค่อนข้างไวต่อความไม่สม่ำเสมอขององค์ประกอบ ตลอดจนข้อบกพร่องในการแปรรูปอื่นๆ เช่น รูพรุน ดังนั้นจึงจำเป็นต้องมีการแปรรูปที่ดีเพื่อให้มีประสิทธิภาพ^{[ 1 ] [ 15 ]}

คอมโพสิตอนุภาคได้รับการผลิตในเชิงพาณิชย์โดยการผสมผงของส่วนประกอบทั้งสอง แม้ว่าวิธีการนี้จะมีข้อจำกัดในเรื่องความสม่ำเสมอที่สามารถทำได้ แต่ก็เป็นวิธีที่ปรับใช้ได้ง่ายที่สุดสำหรับเทคโนโลยีการผลิตเซรามิกที่มีอยู่ อย่างไรก็ตาม วิธีการอื่นๆ ก็เป็นที่น่าสนใจเช่นกัน^{[ 1 ] [ 15 ]}

จากมุมมองทางเทคโนโลยี แนวทางที่พึงประสงค์ในการผลิตวัสดุคอมโพสิตอนุภาคคือการเคลือบเมทริกซ์หรือสารตั้งต้นลงบนอนุภาคละเอียดของเฟสที่กระจายตัว โดยควบคุมขนาดอนุภาคเริ่มต้นและความหนาของการเคลือบเมทริกซ์ที่ได้ดี โดยหลักการแล้ว ควรจะสามารถทำให้การกระจายตัวมีความสม่ำเสมออย่างสมบูรณ์แบบ และเพิ่มประสิทธิภาพของคอมโพสิตให้สูงสุดได้ นอกจากนี้ยังอาจส่งผลอื่นๆ เช่น ช่วยให้ได้ประสิทธิภาพของคอมโพสิตที่ดีขึ้นในวัสดุที่มีรูพรุน ซึ่งอาจเป็นที่ต้องการสำหรับปัจจัยอื่นๆ เช่น การจำกัดการนำความร้อน

นอกจากนี้ ยังมีโอกาสบางประการในการใช้กระบวนการหลอมเหลวเพื่อผลิตวัสดุคอมโพสิตเซรามิก อนุภาค เส้นใยสั้น และเส้นใยต่อเนื่อง ทั้งวัสดุคอมโพสิตอนุภาคและเส้นใยสั้นสามารถสร้างขึ้นได้โดยการตกตะกอนในสถานะของแข็งหลังจากการแข็งตัวของสารหลอมเหลว ซึ่งในบางกรณีสามารถทำได้โดยการเผาผนึก เช่นเดียวกับเซอร์โคเนียที่เสริมความแข็งแรงด้วยการตกตะกอนและมีความเสถียรบางส่วน ในทำนองเดียวกัน เป็นที่ทราบกันดีว่าสามารถทำให้ส่วนผสมยูเทคติกเซรามิกแข็งตัวในทิศทางเดียวได้ และด้วยเหตุนี้จึงได้วัสดุคอมโพสิตเส้นใยที่เรียงตัวในแนวแกนเดียว การประมวลผลคอมโพสิตดังกล่าวโดยทั่วไปจำกัดอยู่เฉพาะรูปทรงที่เรียบง่ายมาก จึงประสบปัญหาทางเศรษฐกิจอย่างร้ายแรงเนื่องจากต้นทุนการกลึงสูง^{[ 39 ] [ 40 ]}

มีความเป็นไปได้ที่การหล่อหลอมจะถูกนำมาใช้ในหลายๆ วิธีการเหล่านี้ และที่น่าสนใจยิ่งกว่าคือการใช้เม็ดอนุภาคที่ได้จากการหลอม ในวิธีนี้ การทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็วจะเกิดขึ้นในสารละลายของแข็งหรือในโครงสร้างยูเทคติกละเอียด ซึ่งจากนั้นอนุภาคจะถูกแปรรูปด้วยวิธีการแปรรูปผงเซรามิกทั่วไปให้เป็นวัสดุที่ใช้งานได้ นอกจากนี้ยังมีความพยายามเบื้องต้นในการใช้การพ่นหลอมเป็นวิธีการขึ้นรูปวัสดุคอมโพสิตโดยการนำอนุภาคกระจายตัว เส้นใย หรือเส้นลวดเข้ามาร่วมกับกระบวนการพ่นหลอมด้วย

นอกจากวิธีการแทรกซึมด้วยการหลอมแล้ว ยังมีวิธีการอื่นๆ ในการผลิตวัสดุคอมโพสิตเซรามิกเสริมแรงด้วยเส้นใยยาว ได้แก่การแทรกซึมด้วยไอสารเคมีและการแทรกซึมของวัสดุตั้งต้นที่เป็น เส้นใยด้วยสาร ตั้งต้นอินทรีย์ซึ่งหลังจากการเผาไหม้จะได้ เมทริกซ์เซรามิกอสัณฐานที่มีความหนาแน่นต่ำในขั้นต้น ด้วยการแทรกซึมและการเผาไหม้ซ้ำหลายรอบ จะได้วัสดุคอม โพสิตเมทริกซ์เซรามิกประเภทใดประเภทหนึ่ง การแทรกซึมด้วยไอสารเคมีถูกนำมาใช้ในการผลิตคาร์บอน/คาร์บอนและซิลิคอนคาร์ไบด์ที่เสริมแรงด้วย เส้นใย คาร์บอนหรือซิลิคอนคาร์ไบด์

นอกเหนือจากการปรับปรุงกระบวนการหลายอย่างแล้ว ความต้องการหลักประการแรกจากสองประการสำหรับวัสดุคอมโพสิตเส้นใยคือต้นทุนเส้นใยที่ต่ำลง ความต้องการหลักประการที่สองคือองค์ประกอบเส้นใยหรือการเคลือบ หรือการประมวลผลคอมโพสิต เพื่อลดการเสื่อมสภาพที่เกิดจากการสัมผัสคอมโพสิตที่อุณหภูมิสูงภายใต้สภาวะออกซิไดซ์^{[ 39 ] [ 40 ]}

ผลิตภัณฑ์เซรามิกทางเทคนิค ได้แก่ กระเบื้องที่ใช้ในโครงการกระสวยอวกาศหัวฉีดเตาเผาก๊าซวัสดุป้องกันกระสุนเม็ดยูเรเนียมออกไซด์สำหรับเชื้อเพลิงนิวเคลียร์อุปกรณ์ฝังในร่างกายทางการแพทย์ ใบพัด กังหันเครื่องยนต์เจ็ท และกรวยหัว ขีปนาวุธ

ผลิตภัณฑ์ของโรงงานแห่งนี้มักทำจากวัสดุอื่นที่ไม่ใช่ดินเหนียว โดยเลือกใช้ตามคุณสมบัติทางกายภาพเฉพาะของวัสดุเหล่านั้น ซึ่งสามารถแบ่งประเภทได้ดังนี้:

• ออกไซด์ : ซิลิกา, อลูมินา, เซอร์โคเนีย
• สารประกอบที่ไม่ใช่ออกไซด์: คาร์ไบด์, โบริด , ไนไตรด์ , ซิลิไซด์
• วัสดุคอมโพสิต : เมทริกซ์เสริมแรงด้วยอนุภาคหรือเส้นใยขนาดเล็ก ซึ่งเป็นการผสมผสานระหว่างออกไซด์และอออกไซด์ (เช่น โพลิเมอร์)

เซรามิกสามารถนำไปใช้ในอุตสาหกรรมเทคโนโลยีได้หลายด้าน หนึ่งในนั้นคือกระเบื้องเซรามิกบน กระสวยอวกาศของ นาซาซึ่งใช้ปกป้องกระสวยอวกาศและเครื่องบินอวกาศความเร็วเหนือเสียงในอนาคตจากความร้อนสูงขณะกลับเข้าสู่ชั้นบรรยากาศโลก นอกจากนี้ยังมีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านอิเล็กทรอนิกส์และทัศนศาสตร์ นอกเหนือจากการใช้งานที่กล่าวมาแล้ว เซรามิกยังใช้เป็นสารเคลือบในงานวิศวกรรมต่างๆ ตัวอย่างเช่น การเคลือบแบริ่งเซรามิกบนโครงไทเทเนียมที่ใช้ในเครื่องบิน เมื่อไม่นานมานี้ สาขานี้ได้รวมถึงการศึกษาผลึกเดี่ยวหรือเส้นใยแก้ว นอกเหนือจากวัสดุผลึกหลายเหลี่ยมแบบดั้งเดิม และการใช้งานของวัสดุเหล่านี้ก็มีความทับซ้อนและเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็ว

วัสดุเซรามิกถูกนำมาใช้ในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศเนื่องจากคุณสมบัติของวัสดุในอุณหภูมิสุดขั้ว และเนื่องจากกฎหมายด้านสิ่งแวดล้อมทำให้การใช้ใยแก้วและใยคาร์บอนทำได้ยากขึ้นเรื่อยๆ^{[ 41 ] [ 42 ]}

• เครื่องยนต์ : การป้องกันเครื่องยนต์อากาศยานที่ร้อนจัดจากการก่อให้เกิดความเสียหายต่อชิ้นส่วนอื่นๆ
• โครงเครื่องบิน : ใช้เป็นชิ้นส่วนรับน้ำหนักและโครงสร้างที่มีน้ำหนักเบา ทนแรงดึงสูง ทนอุณหภูมิสูง และมีคุณสมบัติอื่นๆ
• ส่วนหัวของขีปนาวุธ: ทำหน้าที่ป้องกันชิ้นส่วนภายในของขีปนาวุธจากความร้อน
• กระเบื้องกระสวยอวกาศ
• เกราะป้องกันเศษซากอวกาศ : เกราะใยเซรามิกทอให้การป้องกันอนุภาคความเร็วสูง (~7 กม./วินาที) ได้ดีกว่าเกราะอะลูมิเนียม ที่มีน้ำหนักเท่ากัน ^{[ 43 ]}
• หัวฉีดจรวด : ทำหน้าที่รวมความร้อนของก๊าซไอเสียจากเครื่องยนต์จรวด
• ยานอากาศไร้คนขับ : การใช้เครื่องยนต์เซรามิกในงานด้านการบิน (เช่น ยานอากาศไร้คนขับ) อาจส่งผลให้มีคุณลักษณะด้านประสิทธิภาพที่ดีขึ้นและต้นทุนการดำเนินงานลดลง^{[ 44 ]}
• การห่อหุ้มด้วยผ้าเซรามิก: ถูกนำมาใช้เนื่องจากคุณสมบัติการลดเสียงรบกวนของเซรามิกเพื่อลดเสียงรบกวนของ UAV (ยานบินไร้คนขับ) จำนวนมาก^{[ 45 ] [ 46 ]}
• เซ็นเซอร์ความดันเซรามิก: ถูกนำมาใช้ในเซ็นเซอร์ความดันในสภาพแวดล้อมที่มีความร้อนและความเย็นจัด เนื่องจากมีคุณสมบัติทนทาน วัสดุอื่นๆ ที่มักใช้สำหรับเซ็นเซอร์ในยานอวกาศอาจทำให้เกิดการอ่านค่าผิดพลาดและมีแนวโน้มที่จะทำงานผิดปกติระหว่างการใช้งาน^{[ 47 ]}

• ตลับลูกปืนเซรามิก (Si_3 N_4) สามารถใช้ทนต่อความร้อนที่เพิ่มขึ้นซึ่งมาพร้อมกับแรงเสียดทานที่มากขึ้นในการใช้งาน อย่างไรก็ตาม การตรวจจับความเสียหายของตลับลูกปืนแบบไฮบริดเซรามิก-ซิลิคอนอาจทำได้ยาก ความเสียหายจะถูกตรวจจับโดยปริมาณเศษโลหะในน้ำมันหลังจากผ่านตลับลูกปืน และขึ้นอยู่กับการนำไฟฟ้าของโลหะ (ซึ่งเซรามิกไม่มี) ^{[ 48 ]}

• เครื่องยนต์เซรามิก : แม้ว่าเซรามิกจะมีข้อเสียคือเปราะกว่า แต่ก็ต้องการการซ่อมแซมน้อยกว่าเครื่องยนต์ทั่วไป เครื่องยนต์เซรามิกได้รับความนิยมมากขึ้นใน UAV เนื่องจากเป็นอันตรายต่อสิ่งแวดล้อมน้อยกว่าทั้งในระหว่างการใช้งานและการผลิตชิ้นส่วนเครื่องยนต์^{[ 45 ]}

โครงสร้างเซรามิกในการใช้งานทางชีวการแพทย์เป็นที่นิยมเนื่องจากคุณสมบัติที่ไม่ใช่โลหะและความแข็งแรงเชิงกลซึ่งจำเป็นสำหรับการใช้งานที่ต้องรับน้ำหนักจำนวนมากในตำแหน่งที่สำคัญ อย่างไรก็ตาม การผลิตชิ้นส่วนเซรามิกต้องมีความแม่นยำเพื่อลดการสึกหรอของชิ้นส่วนเทียมเมื่อใช้งานเป็นเวลานาน^{[ 49 ]}

• กระดูกเทียม : แม้ว่าเนื้อเยื่อทั้งหมดจะฟื้นตัวได้ในเวลาที่เหมาะสม แต่เนื้อเยื่อแข็งอย่างกระดูกอาจต้องใช้เวลานานในการซ่อมแซมตัวเอง การปลูกถ่ายกระดูกโดยใช้ตัวอย่างเซรามิกพรุน (CO3Ap) ทำหน้าที่เป็นวัสดุปลูกถ่ายกระดูกเพื่อกระตุ้นการซ่อมแซมกระดูกให้แข็งแรง โครงสร้างเซรามิกพรุนที่เชื่อมต่อกันเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการกระตุ้นการแลกเปลี่ยนสารอาหาร การเคลื่อนย้ายเซลล์ การไหลของของเหลว และการสร้างหลอดเลือด แต่โครงสร้างเหล่านี้มีความแข็งแรงเชิงกลน้อยกว่าเนื่องจากมีรูพรุนและผลิตได้ยาก^{[ 50 ]}

• การประยุกต์ใช้ในทันตกรรม : วัสดุเซรามิกใช้ในการฝังรากฟันเทียมและการอุดฟัน เนื่องจากมีคุณสมบัติคล้ายกับกระดูกและมีความแข็งแรงเชิงกล รากฟันเทียมเซรามิกมีความทนทานมากกว่าในการเพิ่มความแข็งและทนต่อแรงเคี้ยว^{[ 51 ]}

• เฝือกที่ย่อยสลายได้ทางชีวภาพ : เสริมสร้างกระดูกที่กำลังฟื้นตัวจากโรคกระดูกพรุนและผู้ป่วยติดเชื้อ HIV ที่ได้รับการวินิจฉัยว่าเป็นโรคกระดูกตาย ปัจจุบันยังไม่มีวิธีรักษาโรค HIV และความผิดปกติทางภูมิคุ้มกันอื่นๆ ซึ่งทำให้เกิดภาวะเรื้อรังเพิ่มขึ้นเรื่อยๆ ที่ต้องได้รับการรักษาเท่านั้น หลายกรณีของโรคกระดูกตายที่หัวกระดูกต้นขาทำให้ต้องเปลี่ยนข้อต่อทั้งสองข้างด้วยเซรามิก^{[ 52 ]}

• การจ่ายออกซิเจนแบบพกพา : ด้วยการใช้เยื่อเซรามิกและแหล่งพลังงานจากแบตเตอรี่ โดยใช้เยื่อเซรามิกที่ให้ความร้อนด้วยความร้อนจูลสองแผ่น ปั๊มออกซิเจนสามารถส่งออกซิเจนเข้มข้นไปยังผู้ป่วยที่เคลื่อนที่ได้ อุปกรณ์แบบพกพานี้ไม่จำเป็นต้องให้ความร้อนอย่างต่อเนื่องและสามารถส่งออกซิเจนได้คงที่ 20 มล. ซม.−2 นาที−1 ในสภาวะที่ไม่รุนแรง^{[ 53 ]}
• วัสดุปลูกถ่าย

เซรามิกส์ในอุตสาหกรรมยานยนต์ถูกนำมาใช้เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของโครงสร้างทางกลภายในเครื่องยนต์รถยนต์ รวมถึงใช้เป็นฉนวนกันความร้อนและทนต่อการเผาไหม้อย่างรวดเร็วที่เกิดขึ้นในเครื่องยนต์

• เทอร์โบชาร์จเจอร์:ทำจากซิลิกอนไนไตรด์ เทอร์โบชาร์จเจอร์ซิลิกอนไนไตรด์ช่วยลดอาการหน่วงได้อย่างมากเนื่องจากมีน้ำหนักเบากว่าซูเปอร์อัลลอยแบบดั้งเดิมที่ทำจากนิกเกล นอกจากนี้ เวลาที่ใช้ในการถึง 10,000 รอบต่อนาทีจะสั้นลง 36% สำหรับโรเตอร์เซรามิก ซึ่งอาจทำให้เป็นที่นิยมมากกว่าเทอร์โบชาร์จเจอร์แบบดั้งเดิมที่ทำจากนิกเกล^{[ 54 ]}

• การจัดการความร้อนไอเสีย : เครื่องยนต์ที่มีประสิทธิภาพจะมีประสิทธิภาพเชิงความร้อนค่อนข้างสูงเพื่อให้แน่ใจว่ามีการใช้เชื้อเพลิงอย่างมีประสิทธิภาพ เครื่องยนต์รถยนต์รุ่นก่อนๆ เริ่มใช้เครื่องยนต์กังหันก๊าซเซรามิก อย่างไรก็ตาม มีปัญหาเรื่องการเสียรูปจากความร้อน การหล่อลื่นชิ้นส่วนหมุนไม่เพียงพอ และความแข็งแรงของวัสดุเซรามิกต่ำที่อุณหภูมิสูง^{[ 54 ]}

• แผ่นกันความร้อน
• การจัดการความร้อนไอเสีย

• ตัวเก็บประจุ
• แพ็คเกจวงจรรวม
• ทรานสดิวเซอร์
• ฉนวน

• ใยแก้วนำแสง การส่งผ่านคลื่นแสงแบบนำทาง
• สวิตช์
• เครื่องขยายสัญญาณเลเซอร์
• เลนส์
• อุปกรณ์ตรวจจับความร้อนอินฟราเรด

กระบวนการเกิดซิลิกาเป็นเรื่องที่พบได้ทั่วไปในโลกชีวภาพ และเกิดขึ้นในแบคทีเรีย สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียว พืช และสัตว์ (ทั้งสัตว์ไม่มีกระดูกสันหลังและสัตว์มีกระดูกสันหลัง) แร่ผลึกที่เกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมเช่นนี้ มักแสดงคุณสมบัติทางกายภาพที่โดดเด่น (เช่น ความแข็งแรง ความแข็ง ความเหนียวในการแตกหัก) และมีแนวโน้มที่จะสร้างโครงสร้างแบบลำดับชั้นที่แสดงให้เห็นถึงความเป็นระเบียบของโครงสร้างจุลภาคในช่วงความยาวหรือขนาดเชิงพื้นที่ต่างๆ แร่เหล่านี้ตกผลึกจากสภาพแวดล้อมที่มีซิลิคอนต่ำกว่าจุดอิ่มตัว และภายใต้สภาวะที่มีค่า pH เป็นกลางและอุณหภูมิต่ำ (0–40 °C) การก่อตัวของแร่สามารถเกิดขึ้นได้ทั้งภายในหรือภายนอกผนังเซลล์ของสิ่งมีชีวิต และมีปฏิกิริยาทางชีวเคมีเฉพาะสำหรับการตกตะกอนของแร่ ซึ่งรวมถึงไขมัน โปรตีน และคาร์โบไฮเดรต

วัสดุธรรมชาติ (หรือชีวภาพ) ส่วนใหญ่เป็นวัสดุผสมที่ซับซ้อนซึ่งมีคุณสมบัติทางกลที่โดดเด่น โดยพิจารณาจากส่วนประกอบที่อ่อนแอซึ่งนำมาประกอบกัน โครงสร้างที่ซับซ้อนเหล่านี้ซึ่งเกิดขึ้นจากวิวัฒนาการหลายร้อยล้านปี เป็นแรงบันดาลใจในการออกแบบวัสดุใหม่ที่มีคุณสมบัติทางกายภาพที่ยอดเยี่ยมเพื่อประสิทธิภาพสูงในสภาวะที่ไม่เอื้ออำนวย ลักษณะเฉพาะของวัสดุเหล่านี้ เช่น ลำดับชั้น การทำงานหลายอย่าง และความสามารถในการซ่อมแซมตัวเอง กำลังได้รับการศึกษาอยู่^{[ 56 ]}

ส่วนประกอบพื้นฐานเริ่มต้นด้วยกรดอะมิโน 20 ชนิด และพัฒนาไปเป็นพอลิเปปไทด์ พอลิแซ็กคาไรด์ และพอลิเปปไทด์-แซ็กคาไรด์ ซึ่งรวมกันเป็นโปรตีนพื้นฐาน ซึ่งเป็นส่วนประกอบหลักของ "เนื้อเยื่ออ่อน" ที่พบได้ทั่วไปในแร่ชีวภาพส่วนใหญ่ โดยมีโปรตีนมากกว่า 1,000 ชนิด งานวิจัยในปัจจุบันเน้นการใช้คอลลาเจน ไคติน เคราติน และอีลาสติน ส่วนประกอบ "แข็ง" มักเสริมความแข็งแรงด้วยแร่ผลึก ซึ่งก่อตัวและเติบโตในสภาพแวดล้อมทางชีวภาพที่กำหนดขนาด รูปร่าง และการกระจายตัวของผลึกแต่ละชนิด แร่ที่สำคัญที่สุดที่ระบุได้คือ ไฮดรอกซีอะพาไทต์ ซิลิกา และอาราโกไนต์โดยใช้การจำแนกประเภทของ Wegst และ Ashby ได้มีการนำเสนอคุณลักษณะทางกลและโครงสร้างหลักของเซรามิกชีวภาพ วัสดุคอมโพสิตพอลิเมอร์ อีลาสโตเมอร์ และวัสดุเซลล์ ระบบที่ได้รับการคัดเลือกในแต่ละประเภทกำลังได้รับการศึกษา โดยเน้นที่ความสัมพันธ์ระหว่างโครงสร้างจุลภาคในช่วงความยาวต่างๆ กับการตอบสนองทางกลของระบบเหล่านั้น

ดังนั้น การตกผลึกของวัสดุอนินทรีย์ในธรรมชาติโดยทั่วไปจึงเกิดขึ้นที่อุณหภูมิและความดันแวดล้อม อย่างไรก็ตาม สิ่งมีชีวิตที่ก่อให้เกิดแร่ธาตุเหล่านี้สามารถสร้างโครงสร้างที่แม่นยำและซับซ้อนอย่างยิ่งได้อย่างสม่ำเสมอ การทำความเข้าใจกระบวนการที่สิ่งมีชีวิตควบคุมการเจริญเติบโตของแร่ธาตุผลึก เช่น ซิลิกา อาจนำไปสู่ความก้าวหน้าอย่างมากในสาขาวิทยาศาสตร์วัสดุ

ส่วน มุก (หรือมุกทราย ) ของ เปลือก หอยเป๋าฮื้อแสดงให้เห็นถึงความแข็งแรงเชิงกลและความเหนียวแตกหักที่สูงที่สุดในบรรดาสารที่ไม่ใช่โลหะที่รู้จัก มุกทรายจากเปลือกหอยเป๋าฮื้อได้กลายเป็นโครงสร้างทางชีวภาพที่ได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นที่สุดโครงสร้างหนึ่งในวิทยาศาสตร์วัสดุ ในภาพเหล่านี้จะเห็นแผ่นแร่ที่เรียงซ้อนกันอย่างเป็นระเบียบ (หรือเรียงตามลำดับ) คั่นด้วยแผ่นอินทรีย์บาง ๆ พร้อมกับโครงสร้างมหภาคของแถบการเติบโตเป็นระยะขนาดใหญ่ ซึ่งรวมกันเป็นสิ่งที่นักวิทยาศาสตร์กำลังเรียกกันว่าโครงสร้างคอมโพสิตแบบลำดับชั้น (คำว่าลำดับชั้นหมายความว่ามีลักษณะโครงสร้างหลายอย่างที่มีอยู่ในช่วงความยาวที่หลากหลาย) ^{[ 57 ]}

การพัฒนาในอนาคตจะอยู่ที่การสังเคราะห์วัสดุที่ได้รับแรงบันดาลใจจากชีวภาพผ่านวิธีการและกลยุทธ์การประมวลผลที่เป็นลักษณะเฉพาะของระบบชีวภาพ ซึ่งเกี่ยวข้องกับการประกอบตัวเองในระดับนาโนของส่วนประกอบและการพัฒนาโครงสร้างแบบลำดับชั้น^{[ 37 ] [ 38 ] [ 58 ] [ 59 ]}

• สมาคมเซรามิกอเมริกัน
• สถาบันกระเบื้องเซรามิกแห่งอเมริกา