NANOMATERIAŁY CERAMICZNE – WYKŁAD 1 i 2

M.Jurczyk J.Jakubowicz „Nanomateriały ceramiczne” wyd. Politechniki Poznańskiej 2004

Laboratoria – od 16. III. 09r.

Treść wykładów:

1. Rodzaje ceramiki

2. Syntetyczne surowce ceramiczne

3. Nanosurowce ceramiczne

4. Materiały nanoceramiczne

5. Polimery preceramiczne

6. Skład chemiczny i metody badań surowców oraz materiałów ceramicznych i nanoceramicznych

7. Procesy zol-żel

8. Technologie ceramiczne

9. Właściwości i zastosowania materiałów ceramicznych i nanoceramicznych

Klasyfikacja materiałów inżynierskich:

• Metale

• Ceramiki

• Szkła

• Polimery – elastomery

• Polimery – plastomery

Przemysł ceramiczny:

1. Ceramika właściwa

2. Ceramika szlachetna

3. Ceramika budowlana

4. Ceramika ogniotrwała

5. Ceramika wiążąca

6. Ceramika szklarska

7. Ceramika emalierska (emalie)

8. Ceramika materiałów ściernych

12CaO * 7Al₂O₃ – naświetlane promieniowaniem UV staje się przewodnikiem (H^-)

Klasyfikacja ceramiki:

1. Tlenkowa

2. Beztlenkowa

Materiały ceramiczne – otrzymywanie przez formowanie surowców i wypalanie w wysokiej temperaturze; keramos – działanie wysokiej temperatury.

Obecnie mat. Ceramiczne można zdefiniować, jako materiały nieorganiczno – niemetaliczne uzyskujące swoje typowe właściwości podczas wytwarzania w wysokiej temperaturze przeważnie powyżej 800 st.C i zawierające co najmniej 30% fazy krystalicznej (zależy od warunków otrzymywania).

Uwzględniając: naturę (nieorganiczny, organiczny), stan skupienia (proszek, włókno, warstwa, zagęszczony materiał), skład chemiczny (pierwiastki, związki), strukturę (krystaliczny, amorficzny) i sposób wytwarzania (technologia ceramiczna) można zaproponować następującą zmodyfikowaną i rozszerzona definicję:

Materiał ceramiczny jest to nieorganiczny, zagęszczony materiał złożony ze związków niemetali z 3 do 6 grupy uk.Okresowego pierwiastków ze sobą i (lub) z dowolnymi metalami zazwyczaj polikrystaliczny otrzymywany za pośrednictwem technologii ceramicznej zapewniającej transport masy doprowadzajacy do wiązania składników.

Zagęszczony materiał – materiał poddany celowemu technologicznemu przetworzeniu składników wyjściowych w celu uzyskania określonej jego struktury. Mogą to być ciała objętościowe, warstwy lub pokrycia, które zostały otrzymane sposobami objętymi definicją i mogą spełniać samodzielnie użyteczną funkcję. Do wyjściowych związków zalicza się m.in. tlenki, krzemiany, borki, węgliki, azotki, krzemki, fosforki, siarczki, selenki i inne złożone związki otrzymane z nich.

Materiał polikrystaliczny – składa się przeważnie z krystalitu i na granicach między ziarnami może zawierać fazę szklistą powstającą podczas spiekania (wypalania) tradycyjnego materiału ceramicznego lub przy prasowaniu na gorąco np. azotku krzemu (Si₃N₄) z aktywującymi dodatkami tlenków. Definicja ta obejmuje zarówno szklaną ceramikę (dewitryfikat) jak i kompozyty ceramiczne. Zainteresowanie ceramiką, jako materiałem przyszłości dla wielu zastosowań technicznych wynika z trzech powodów:

1. Większość materiałów ceramicznych powstaje z najbardziej dostępnych pierwiastków skorupy ziemskiej i atmosfery (O₂, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg, Ti, N₂)

2. Silne wiązania chemiczne występujące w strukturze krystalicznej materiałów ceramicznych powodują, że materiały ceramiczne są wyjątkowo odporne na działanie środowiska – nie palą się, nie korodują (jak metale i polimery)

3. Różnorodność możliwych struktur krystalicznych i możliwość wymiany jednych elementów struktur (jonów) na inne pozwala uzyskać duże zróżnicowanie właściwości.

Znajomość związków między strukturą i właściwościami tworzyw ceramicznych przy obecnym stanie wiedzy pozwala na projektowanie materiałów ceramicznych do konkretnych zastosowań. Chociaż z materiałami ceramicznymi konkurują inne materiały, to przewiduje się, że w najbliższych latach zakres stosowania nowoczesnej ceramiki będzie się szybko rozszerzał gdyż bez tych materiałów nie było by w ogóle możliwe wprowadzenie w życie wielu koncepcji technicznych. Jednak szerokiemu zastosowaniu wysokosprawnej ceramiki stoi dotychczas na przeszkodzie kilka jej niedostatków. Przede wszystkim są to materiały kruche, a więc wrażliwe na szoki mechaniczne i temperaturowe, co jest uwarunkowane rodzajem występujących w nich wiązań chemicznych i zdefektowaniu ich struktury. Produkowane dotychczas materiały ceramiczne nie mogły redukować szczytowych naprężeń powstających przy nagłych obciążeniach mechanicznych lub gwałtownych zmianach temperatury prze odkształcenie plastyczne podobnie jak w metalach. Ceramika pęka samorzutnie, ponieważ jest materiałem kruchym. Jednak w ostatnich latach poszukiwania teoretyczne i rozwój badań eksperymentalnych umożliwiły opracowanie technologii ceramiki nowej generacji pozwalającej na eliminacją tej wady. Rozszerzyło to znacznie zakres stosowania ceramiki i pozwoliło konstruktorom na nowe zastosowania tych materiałów.

Inne podziały cermiki:

1. Ceramika gospodarcza - mieszaniny tlenków, skład jest zmienny i niedostateczna czystość surowców sprawia, że zanieczyszczenia wpływają na właściwości; wielkość ziaren 15 – 150 mikrometrów

2. Ceramika techniczna – ściśle określony skład; rozmiar ziaren rzędu 1 – 2 mikrometrów i mniej (decyduje o wytrzymałości np. na zginanie 9 – 10 krotnie większa niż w CG – około 9000 – 10000 MPa)

3. Ceramika funkcjonalna – elektroceramika…

Podział ze względu na budową chemiczną (ceramiki technicznej):

1. Ceramika tlenkowa – tzw. Biała (Al₂O₃, ZrO₂, SiO₂, MgO)

2. Ceramika azotkowa – tzw. Szara (Si₃N₄, TiN)

3. Ceramika węglikowa - tzw. Czarna (SiC, TiC, VC)

Technologia produkcji wyrobów ceramicznych:

1. Wytwarzanie proszków – ziarna 0,5 -1 mikrometra (mielenie mechanicze; rozpylanie z fazy gazowej)

2. Formowanie (zagęszczanie) proszku – tradycyjnie – proszek + ciekłe spoiwo formowanie suszenie ; nowsze – jednoosiowe ściskanie, izostatyczne, wypływowe (wyciskanie z plastyfikatorami), kształtowanie wtryskowe

3. Spiekanie – atmosfera powietrza lub gazy obojętne (N₂, He, Ar); ciśnienie atmosferyczne lub zwiększone – nacisk do 1500N; temp. 1200 – 2200 st.C

4. Ewentualna obróbka wykończeniowa

Różnice pomiędzy nowoczesną a tradycyjną ceramiką

Tradycyjna	Nowoczesna
Ceramika krzemianowa (porcelana itp.)	Ceramika tlenkowa i beztlenowa (tlenki, azotki, borki itp.)
Surowce naturalne o uziarnieniu w zakresie mikrometrowym	Syntetyczne mikroproszki o uziarnieniu w zakresie submikrometrowym
Stosowanie „plastycznych” składników surowcowych	Stosowanie dodatków organicznych w procesie przeróbki masy
Temp. Spiekania – 1250 – 1450 st.C	Temp. Spiekania – 1500 – 2100 st.C