CERAMIKA, POLIMERY, KOMPOZYTY

CERAMIKA

Klasyfikacja ceramiki

Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych:

•wysoka temperatura topnienia

•niski ciężar właściwy

•wysoka twardość

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•niska rozszerzalność cieplna

•mała przewodność cieplna

•dobra żaroodporność i żarowytrzymałość

•dobra odporność na korozję

•duża kruchość

Ceramika tradycyjna - materiały uformowane z drobnych ziaren
mineralnych i wypalane w wysokiej temperaturze, podczas
którego zachodzą nieodwracalne reakcje.

Surowce: glinka iłowa, kaolin, glina zwykła i garncarska, margiel
ilasty, łupek ilasty, kwarc, mika itd., które są formowane w stanie
plastycznym (mokrym), a następnie suszone i spiekane.

Budowa: Po operacji spiekania wyroby ceramiczne składają się z
faz krystalicznych spojonych fazą szklistą, której głównym
składnikiem jest krzemionka SiO

2

. Faza szklista tworzona jest i

topiona w trakcie spiekania, a następnie rozpływa się wokół
powierzchni faz krystalicznych spajając je ze sobą.

Ceramika porowata

Cechą charakterystyczną ceramiki porowatej jest szorstka i
matowa powierzchnia. Dodatkowo ceramika ta jest porowata i
mocno nasiąka wodą. Wyrobami z ceramiki porowatej są: cegła
dziurawka, cegła pełna, pustaki, dachówka itd. W celu
ograniczenia nasiąkliwości wody często stosuje się po wypalaniu
elementów pokrywanie je szkliwem i ponowne wypalanie. W
wyniku tej obróbki nie zostaje zmieniona struktura ceramiki a
zamknięte zostają jej pory powierzchniowe. W sposób taki
wytwarza się wyroby kaflarskie, garncarskie i większość fajansów.

Porcelana

Jest ona wytwarzana z mieszaniny minerałów, takich jak kaolin,

kwarc i skaleń oraz innymi możliwymi dodatkami, spieczonych ze

sobą w procesie wypalania. Własności porcelany zależą od

zawartości poszczególnych składników i temperatury wypalania.

Porcelana może być wypalana jednokrotnie (np. porcelana

elektrotechniczna) lub dwukrotnie (np. cienkościenne wyroby

stołowe lub artystyczne). Porcelanę dzieli się na:
•porcelanę miękką, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy

stołowe;

•porcelanę twardą, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy

stołowe jak również na elementy elektrotechniczne i części

aparatury chemicznej. Charakteryzuje się

ona wysoką

wytrzymałością na ściskanie, wysoką twardością, wysokim

oporem elektrycznym, odpornością na uderzenia cieplne, a także

na działanie kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego), zasad i

soli.

Ceramika inżynierska

Materiały ceramiczne są jednymi z najstarszych, którymi

posługuje się człowiek, jednakże w ostatnich latach w bardzo
dużym stopniu rozwinęła się grupa nowoczesnych materiałów,
stosowanych w technice, określana jako ceramika inżynierska.
Materiały te są stosowane m. in. w budowie silników
samochodowych i lotniczych, w budowie rakiet, w elektronice, w
technice światłowodowej, w metalurgii, w przemyśle
narzędziowym i w medycynie.

Materiały supertwarde
•diament 7000 HV
•azotek boru 4700 HV
•węglik krzemu 2600-3300 HV
•węglik boru 2600-3900 HV
•tlenek glinu 2080 HV

Z materiałów tych wytwarzane są narzędzia służące do obróbki
kamieni szlachetnych, twardych tarcz szlifierskich (ściernic),
ceramiki, minerałów, betonu, szkła, węglików spiekanych.

Najbardziej rozpowszechnione są narzędzia wykonane z cząstek
diamentu osadzonych w metalowej osnowie.

Zastosowanie dwutlenku krzemu i dwutlenku cyrkonu w budowie
silników:

•

tłoki

•

tuleje cylindrowe

•

komory wstępnego spalania

•

zespoły popychaczy zaworów w silnikach spalinowych

•

wirniki i łożyska turbosprężarek

Konstrukcja silnika

Przewidywane części ceramiczne Korzyści

Współczesny z
turbodoładowaniem

Turbosprężarka, elementy układu
zaworowego, komora wstępna,
"gorąca" wkładka

Polepszenie charakterystyki
pracy, obniżenie kosztów

Bez chłodzenia,
nieadiabatyczny, bez
turbodoładowania

Turbosprężarka, elementy układu
zaworowego, tłok, denko tłoka,
cylindry, tuleje cylindrowe

Obniżenie masy, wzrost
sprawności i możliwości
polepszenia areodynamiki,
wzrost sprawności, obniżenie
kosztów wytwarzania

Adiabatyczny z
turbodoładowaniem

Turbosprężarka, wirnik
turbosprężarki, elementy układu
zaworowego, tłok, denko tłoka,
cylindry, tuleje cylindrowe

Zmniejszenie jednostkowego
zużycia paliwa, polepszenie
areodynamiki, ograniczenie
przestojów

Według koncepcji
minimalnego tarcia

Łożyska powietrzne,
wysokotemperaturowe pierścienie,
wysokotemperaturowe łożyska,
elementy pracujące na ścieranie,
łożyska suche

Obniżenie jednostkowego
zużycia paliwa

Koncepcje Katza zastosownia ceramik w silnikach wysokoprężnych według: B. Ciszewski,
W. Prezetakiewicz, Nowoczesne materiały inżynierskie w technice, Warszawa 1993.

POLIMERY

•Materiały organiczne zbudowane głównie z atomów

węgla, wodoru, tlenu
•Makrocząsteczki powstałe w wyniki połączenia

monomerów

Cechy charakterystyczne polimerów:
•niska gęstość
•dobre właściwości termoizolacyjne i elektroizolacyjne
•słabe odbicie światła
•dobra odporność na korozję
•ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i
plastycznej
•niska i średnia stabilność wymiarów
•nieprzydatne do pracy w podwyższonych
temperaturach

Tworzywa sztuczne: polimery (składnik podstawowy) z
dodatkiem napełniaczy (wypełniaczy), antyutleniaczy
(stabilizatorów), zmiękczaczy, barwników, katalizatorów

Wypełniacze są to substancje chemicznie obojętne dodawane w

celu zapewnienia odpowiednich właściwości tworzywa. Pod

względem postaci wyróżnia się wypełniacze:
• proszkowe – proszki metali, grafit, mączka kamienna i drzewna,

ziemia okrzemkowa, mika
• włókniste – druty metalowe, włókna szklane, bawełniane
• arkuszowe – folie lub siatki metalowe, tkaniny szklane,

bawełniane, papier
Wypełniacze podwyższają właściwości wytrzymałościowe,

nieorganiczne zmniejszają palność tworzyw, metalowe

powiększają przewodnictwo cieplne i elektryczne, mika powiększa

właściwości izolacyjne.

Stabilizatory są to substancje zapewniające trwałość polimeru w
przypadku wpływu takich czynników zewnętrznych, jak
temperatura, promieniowanie świetlne, ultrafioletowe.

Np. sadza zabezpiecza polietylen przed wpływem promieni
ultrafioletowych. Zabezpieczenie polichlorku winylu przed
działaniem podwyższonej temperatury i promieni ultrafioletowych
zapewniają mydła, związki cyny i metali ciężkich.

Zmiękczacze są to związki organiczne, chemicznie czynne,

dodawane w celu podwyższenia plastyczności tworzyw. Działają

one fizykochemicznie na budowę cząsteczek, np.. Skutkiem

polireakcji z polimerem, objawiającym się najczęściej

zmniejszeniem wiązań między cząsteczkami („rozluźnieniem

łańcucha polimeru). Efektem powiększenia ruchliwości cząsteczek

jest często obniżenie temperatury mięknięcia i zeszklenia

tworzywa. Dzięki temu tworzywo kruche w temperaturze

pokojowej staje się uplastycznione.
Barwniki i katalizatory w zasadzie nie wpływają na właściwości

fizyczne tworzywa.

Niektóre polimery

1. Otrzymane metodą polimeryzacji (łączenia monomerów bez
reszty)

• Polietylen – produkt polimeryzacji etylenu (CH

2

=CH

2

) odznacza

się dużą odpornością na działanie mocnych kwasów, zasad i

roztworów soli, a mała odpornością na działanie rozpuszczalników

organicznych, zwłaszcza nafty i olejów powodujących pęcznienie

tworzywa. Dzięki budowie łańcuchowej, łatwo tworzą się w nim

obszary krystaliczne (40-95%) zapewniające elastyczność

tworzywa. Zależnie od warunków polimeryzacji i ilości

wypełniacza, na bazie polietylenu produkuje się tworzywa o

gęstości od ~0,91-0,93 g/cm

3

(polietylen elastyczny) do ~0,94-

0,97 g/cm

3

(polietylen twardy). Im większa gęstość, tym większy

udział obszarów krystalicznych w strukturze, tym większa

odporność chemiczna, temperatura mięknięcia (do 135ºC),

twardość i kruchość. Z polietylenu wytwarza się folie, płyty, rury,

artykuły gospodarstwa domowego, materiały elektroizolacyjne,

elementy odzieży i obuwia.

• Polichlorek winylu – produkt polimeryzacji chlorku winylu
(CH

2

=CHCl), dzięki obecności grupy C-Cl, odznacza się w

porównaniu z polietylenem większymi siłami
międzycząsteczkowymi, co podwyższa temperaturę mięknięcia do
150ºC i sztywność. Atom Cl naruszający symetrię cząsteczki
monomeru ogranicza udział obszarów krystalicznych. Tworzywa
sztuczne na bazie polichlorku winylu znane są pod nazwami
winiduru, igelitu, PCV i należą, do najczęściej stosowanych dzięki
dużej odporności chemicznej, dobrej wytrzymałości i udarności.
Cenną zaletą winiduru jest podatność na spawanie i zgrzewanie.
Gatunki twarde (winidur) są stosowane w postaci płyt i rur w
przemyśle chemicznym na wykładziny zbiorników, przewody,
kanały wentylacyjne. Gatunki uplastycznione (igelit) służą służą
do wyrobu folii, węży elastycznych, opakowań oraz znajdują
zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym (materiał
izolacyjny), odzieżowym, obuwniczym. Gatunki uplastycznione
(PCV) znajdują zastosowanie w budownictwie jako wykładziny
podłogowe.

• Polistyren – produkt polimeryzacji styrenu (C

6

H

5

-CH=CH

2

) ze

względu na asymetryczną strukturę monomeru (pierścień
benzenowy) ma strukturę praktycznie całkowicie bezpostaciową.
Dlatego odznacza się małą wytrzymałością , kruchością, niską
temperaturą mięknięcia (90-100º). Tworzywa sztuczne oparte na
polistyrenie należą do najtańszych i powszechnie stosowanych w
elektrotechnice (izolacje), na obudowy odbiorników radiowych i
telewizyjnych, galanterię samochodową oraz do wyrobu zabawek
i artykułów gospodarstwa domowego.

2. Otrzymane metodą polikondensacji (łączenia monomerów z
wydzieleniem produktu ubocznego)

• Poliamidy – termoplastyczne tworzywa o budowie łańcuchowej,
będące produktami polikondensacji kwasów organicznych:
dwukarboksylowych, aminokwasów, hydrokwasów. Mają strukturę
w znacznym stopniu skrystalizowaną, w związku z tym dobrą
wytrzymałość na rozciąganie i odporność chemiczną, ale niską
temperaturę mięknięcia, a powyżej 140ºC utleniają się na
powietrzu. Pochłaniają wodę powodującą pęcznienie tworzywa.

Poliamidy są stosowane do wyrobu artykułów gospodarstwa
domowego, osprzętu budowlanego oraz włókien odzieżowych i
technicznych znanych pod nazwami nylon, stylon, kapron, perlon,
dederon.

• Żywice syntetyczne – termoutwardzalne tworzywa otrzymywane
przez polikondensację różnorodnych kwasów organicznych,
mające początkowo strukturę łańcuchową, ulegające ostatecznej
polimeryzacji pod wpływem temperatury, w wyniku czego
struktura zmienia się na usieciowaną. Początkowo mają niską
temperaturę mięknięcia i łatwo rozpuszczają się, co ułatwia
kształtowanie wyrobów. Po uzyskaniu struktury usieciowanej (stan
termoutwardzalny), mają w temperaturze pokojowej dużą
twardość i nieznaczną rozpuszczalność. Największe znaczenie
jako materiały konstrukcyjne mają żywice fenolowe, aminowe i
silikonowe. Tworzywem na bazie żywic fenolowych jest np. bakelit
używany do wyrobu prasowanych części maszyn (koła zębate)
oraz laminatów wzmocnionych np. włóknem szklanym. Tworzywa
na bazie żywic aminowych stosowane są do wyrobu galanterii i
artykułów gospodarstwa domowego oraz jako powłoki izolacyjne
przewodów wysokiego napięcia. Tworzywa na bazie żywic
silikonowych o temperaturze mięknięcia ~300ºC stosowne są na
elementy aparatury chemicznej.

KOMPOZYTY

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o strukturze
niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o
różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są
sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden
z komponentów stanowi osnowę, która gwarantuje jego spójność,
twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw.
komponent konstrukcyjny (wzmocnienie, zbrojenie) zapewnia
większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.
Liczne materiały naturalne są kompozytami, np. drewno
zawierające długie włókna celulozowe, spojone bezpostaciową
ligniną. Materiały kompozytowe wytwarzane technicznie znane są
ludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do
wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu
cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym”
sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e.
Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków
kompozytem jest drewniana sklejka. Powszechnie stosowanym
obecnie kompozytem jest beton/żelbeton.

Podział kompozytów ze względu na osnowę:
• metalowe
• ceramiczne
• polimerowe
Podział kompozytów ze względu na wzmocnienie:

•

wzmacniane dyspersyjnie małymi cząstkami o rozmiarach 10-

250 nm

•

wzmacniane płatkami

• wzmacniane włóknami nieciągłymi
• wzmacniane włóknami ciągłymi
• wzmacniane szkieletowo
• wzmacniane warstwowo

•Kompozyty polimerowe o osnowie z żywic termoutwardzalnych
lub termoplastów, zaś włóknach szklanych lub ceramicznych.

•Kompozyty metalowe typu osnowa metalowa - włókna
metalowe (np. miedź-wolfram, aluminium-bor), osnowa metalowa
- włókna ceramiczne, np. tytan-węglik krzemu (T/SiC).

•Kompozyty ceramiczne z długimi lub krótkimi włóknami
ceramicznymi, a także ziarnami metalicznymi o wymiarach 50-200
nm.

•Kompozyty hybrydowe łączące kilka materiałów, np. osnowę
polimerową zbrojoną włóknami szklanymi i jednocześnie cienkimi
warstwami metalu (np. Al). Kompozyty te łączą cechy wysokiej
wytrzymałości z dużą ciągliwością

Podstawowe parametry charakteryzujące kompozyt to stosunek

wytrzymałości do gęstości i stosunek sztywności do gęstości. W

stosunku do stali, aluminium, czy tytanu, stosunki te są

wielokrotnie większe, np. dla kompozytów polimerowych o

włóknach szklanych stosunek pierwszy z nich jest 6-8 razy

większy, zaś dla włókien grafitowych od 9-11 razy większy w

stosunku do stali.