2008-12-08

1

Materiały ceramiczne

Grupa

materiałów

nieorganicznych

o

jonowych

i

kowalencyjnych

wiązaniach

międzyatomowych

wytworzonych

zwykle

w

procesach

wysokotemperaturowych

nazywana jest ceramiką. Ceramikę dzielimy na: ceramikę inżynierską, cermetale, ceramikę
porowatą oraz szkła i ceramikę szklaną.

Ogólną klasyfikację materiałów ceramicznych z uwzględnieniem materiałów węglowych,

ze względu na zastosowania przedstawiono na rysunku 12.1.

Rysunek 12.1
Ogólna

klasyfikacja

materiałów ceramicznych z
uwzględnieniem materiałów
węglowych.

2008-12-08

2

W tablicy 12.1 przedstawiono ogólny opis głównych typów materiałów ceramicznych.

Tablica 12.1

2008-12-08

3

Zastosowanie materiałów ceramicznych

W

tablicy

12.2

zestawiono

główne

zastosowania

podstawowych

grup

materiałów

ceramicznych. Materiały ceramiczne wykazują również własności elektryczne i magnetyczne
przydatne w elektronice i elektrotechnice.

Tablica 12.2

2008-12-08

4

Wiązania między atomami w materiałach ceramicznych

Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich

liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali.

W tablicy 12.3 podano przykłady kilku składników materiałów ceramicznych. Między

atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie
kowalencyjnych, a w wielu materiałach ceramicznych występuje kombinacja tych dwóch
rodzajów wiązań. W tablicy 12.4 przedstawiono udział wiązań jonowych dla kilku składników
materiałów ceramicznych.

Tablica 12.3

Przykłady składników
materiałów ceramicznych

Tablica 12.4

Udział wiązań jonowych w
wybranych składnikach
materiałów ceramicznych

2008-12-08

5

W

materiałach

ceramicznych,

w których przeważają

wiązania

jonowe,

występuje

równowaga między dodatnio naładowanymi elektrycznie kationami – jonami metali,
oddającymi swe elektrony walencyjne a ujemnie naładowanymi anionami - jonami niemetali.

W przypadku gdy aniony pozostają w kontakcie z otaczającymi kationami, materiały

ceramiczne cechują się strukturą stabilną (rys. 12.2).

Rysunek 12.2

Wpływ kontaktu między anionami i kationami (w środku) na stabilność struktury
krystalicznej materiałów ceramicznych;

a) i b) kation stabilny,
c) niestabilny.

2008-12-08

6

Struktury krystaliczne w materiałach ceramicznych

Struktura części materiałów ceramicznych charakteryzuje się tym, że jednakowa jest liczba

kationów i anionów oznaczonych odpowiednio jako A i X. Odpowiednie fazy, oznaczone jako
AX, mogą charakteryzować się kilkoma typami struktur krystalograficznych NaCl (rys. 12.3).

W przypadku gdy ładunki elektryczne kationów i anionów nie są takie same, mogą

powstawać fazy typu A

m

X

p

np. AX

2

typu fluorytu CaF

2

lub A

2

X

3

typu korundu Al

2

0

3

(rys. 12.4).

Możliwe jest również występowanie więcej niż jednego typu kationów.

Rysunek 12.3
Komórka elementarna sieci NaCl

Rysunek 12.4

Komórka elementarna sieci Al

2

0

3

2008-12-08

7

Ceramika krzemianowa

Krzemiany są złożone głównie z krzemu i tlenu. W przypadku tych materiałów, zamiast

charakteryzować struktury krystaliczne, korzystniej jest podawać wzajemne ułożenie tetraedrów
SiO

4-

4

, jako powtarzalnego elementu sieci krystalograficznej (rys. 12.5).

Każdy atom krzemu jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z 4 atomami tlenu, ułożonymi

w narożach tetraedru, w którym atom Si zajmuje pozycję centralną. Ponieważ ładunek takiego
tetraedru wynosi -4, każdy z czterech atomów tlenu ponadto wymaga jednego dodatkowego
elektronu dla uzyskania stabilnej struktury elektronowej. Najprostszym z możliwych materiałów
jest krzemionka Si0

2

. Struktura krystaliczna powstaje jako trójwymiarowa sieć (rys. 12.6).

Rysunek 12.6

Rozkład atomów krzemu i tlenu w sieci przestrzennej
krystobalitu, odmiany polimorficznej krzemionki Si0

2

Rysunek 12.5
Tetraedr Si0

4-

4

2008-12-08

8

Krzemionka może także występować jako ciało niekrystaliczne lub szkło, o dużej
przypadkowości w ułożeniu atomów, typowej dla cieczy (rys. 12.7). Tetraedr SiO

4-

4

tak jak w

strukturach

krystalicznych

i

tu

jest

jednostką

podstawową,

chociaż

w

układzie

nieuporządkowanym.

W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych, mogą wchodzić tlenki zasadowe metali

alkalicznych (Na

2

0, K

2

0) i ziem alkalicznych (MgO, CaO) zwane modyfikatorami wiązań sieci

przestrzennej (rys.12.7).

Trzecią grupę składników szkieł stanowią tlenki pośrednie, takich metali jak aluminium, beryl

lub tytan, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej szkła, lecz mogą jedynie
przyłączyć się do istniejącej sieci. Składniki modyfikujące i pośrednie wpływają na
obniżenie temperatury topnienia i lepkość szkła, wpływających na polepszenie możliwości
formowania w niższej temperaturze.

Rysunek 12.7
Dwuwymiarowy schemat struktury: a) krystalicznego dwutlenku
krzemu, b) niekrystalicznego dwutlenku krzemu.

2008-12-08

9

Rysunek 12.7
Schemat rozmieszczenia jonów

w szkle sodowo - krzemianowym

Krzemiany warstwowe powstają także przez połączenie trzech jonów tlenowych i każdego
tetraedru SiO

4-

4

. Dla tych struktur powtarzalną jednostką jest (Si

2

0

5

)

2-

. Sieć ujemnie

naładowana

jest

połączona

z

niezwiązanymi

atomami

tlenu.

Elektroobojętność

jest

zapewniona przez drugą warstwę mającą w nadmiarze kationy, które łączą się z
niezwiązanymi atomami tlenu z warstwy (Si

2

0

5

)

2-

.

2008-12-08

10

Rysunek 12.8
Struktura kaolinitu.

Najbardziej powszechny z minerałów z gliny - kaolinit ma względnie prostą strukturę
krzemianów warstwowych Al

2

(Si

2

0

5

)(OH)

4

, w których warstwy tetraedryczne reprezentowane

przez (Si

2

0

5

)

2-

są elektrycznie neutralizowane przez sąsiadujące warstwy Al

2

(OH)

2+

(rys. 12.8).

Innymi materiałami z tej samej grupy są talk Mg

2

(Si

2

0

5

)

2

(OH)

2

i mika, np. muskowit KAl

3

Si

3

O

10

(OH)

2

, które są ważnymi surowcami dla materiałów ceramicznych.

2008-12-08

11

Wady budowy krystalicznej

Wady budowy krystalicznej właściwe dla metali mogą występować także w materiałach

ceramicznych.

Ponieważ materiały ceramiczne zawierają jony dwóch typów, więc wakanse jak i jony

międzywęzłowe mogą występować zarówno w postaci kationowej jak i anionowej (rys.
12.9).

Rysunek 12.9
Schemat wakansów anionowych (1) i kationowych (2) oraz kationów międzywęzłowych
(3) w kryształach jonowych.

2008-12-08

12

Wykresy równowagi fazowej

Wykresy równowagi fazowej materiałów ceramicznych są analogiczne do wykresów

systemów metal-metal i podobnie są interpretowane. Na rysunku 12.10 przedstawiono
wykres trójskładnikowy.

W tablicy 12.5 przedstawiono ogólną charakterystykę opisanych struktur krystalicznych

oraz podano przykłady ich występowania w materiałach ceramicznych.

Rysunek 12. 10
Przekrój trójskładnikowego układu
równowagi fazowej CaO-Al

2

0

3

-Si0

2

.

Tablica 12.5
Charakterystyka sieci krystalicznych
w materiałach ceramicznych.

2008-12-08

13

Ceramika inżynierska

Ceramika

inżynierska,

określana

również

jako

ceramika

specjalna

lub

ceramika

drobnoziarnista, wytwarzana jest w wyniku spiekania, w wysokiej temperaturze, bez udziału
fazy ciekłej, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, węgliki, azotki ale także diament i
wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie
teoretyczną gęstość. W tablicach 12.6 i 12.7 podano przykłady zastosowań ceramiki
inżynierskiej.

Tablica 12.6

2008-12-08

14

Tablica 12.7

Zastosowanie ceramiki inżynierskiej.

Na rysunku 12.11 podano schemat blokowy procesów technologicznych materiałów

ceramicznych. Natomiast na rysunku 12.12 przedstawiono schematyczne przykłady
procesów wytwarzania głównych grup materiałów ceramicznych.

2008-12-08

15

Rysunek 12.11
Schemat blokowy procesu
technologicznego materiałów
ceramicznych

2008-12-08

16

Rysunek 12.12

2008-12-08

17

Materiały ceramiczne tlenkowe

Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al

2

0

3

stosowane są w bardzo wielu

przypadkach, na podłoża w elektronice, świece zapłonowe, przewodniki i izolatory
ognioodporne, łożyska, zbiorniki chemiczne, zawory wodne, endoprotezy, emitery lamp
próżniowych. W postaci szafiru są stosowane na odporne na zarysowanie i przezroczyste
„szkiełka" do zegarków.

Materiały te są klasyfikowane w zależności od udziału czystego tlenku aluminium (od 96 do

99,9%). W najczystszej ceramice tego typu udział dodatku MgO nie przekracza 0,5%. W
ceramice zawierającej 96% Al

2

0

3

dodaje się zwykle Si0

2

i tlenki metali ziem rzadkich.

Ważne znaczenie oprócz udziału dodatków i zanieczyszczeń wywiera wielkość ziarna oraz

udział fazy szklistej, a także możliwa do zastosowania obróbka cieplna.

Materiały ceramiczne oparte na tlenku cyrkonu Zr0

2

są umocnione w wyniku przemiany

martenzytycznej od sieci tetragonalnej przez trójskośną do jednoskośnej ( o znacznej
odporności na zużycie i ścieranie).

Materiały ceramiczne nietlenkowe

W skład materiałów ceramicznych nietlenkowych wchodzą azotki krzemu Si

3

N

4

, węgliki

krzemu SiC i azotki boru BN. Materiały te wykazują zbliżoną wytrzymałość i ciągliwość w
wysokiej temperaturze powyżej 1300°C, są stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą
odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia. Si

3

N

4

i SiC są stosowane w samolotach oraz

turbinach i silnikach rakietowych, a także w przemyśle samochodowym na gniazda i główki
zaworów, rotory turbosprężarek oraz komory spalania. Ze względu na niski współczynnik
tarcia oraz odporność na zużycie nietlenkowe materiały ceramiczne są stosowane na łożyska
pracujące w różnych środowiskach, końcówki urządzeń do cięcia strumieniem wodnym oraz na
wysokowydajne narzędzia skrawające, a także na pojemniki do przechowywania materiałów
aktywnych chemicznie, szczególnie w wysokiej temperaturze.

2008-12-08

18

Włókna ceramiczne

Od 30-tych lat XX wieku znane są włókna ceramiczne, których produkcja rozwinęła się po

roku 1965, głównie ze względu na wymagania przemysłu kosmicznego i lotniczego. W
tablicy 12.8 przedstawiono składy chemiczne ciągłych i nieciągłych włókien ceramicznych
produkowanych obecnie, głównie do zastosowania w materiałach kompozytowych.

Do zastosowania w materiałach kompozytowych włókna ceramiczne, podobnie jak włókna

szklane i węglowe, są produkowane w formie: rowingu (niedoprzędu), tkanin, mat, włókien
ciętych i prętów.

Tablica 12.8
Składy chemiczne ciągłych i nieciągłych włókien ceramicznych.

2008-12-08

19

Cermetale inżynierskie

Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków

równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących fazę
wiążącą, o udziale masowym 5 -15%, wykazując gęstość prawie teoretyczną.

Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej

temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z
tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej, podobnie jak stopy metali.
Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy materiałów inżynierskich są węgliki
spiekane i cermetale narzędziowe.

W tablicy 12.9 przedstawiono historię rozwoju cermetali inżynierskich.
Początkowo cermetale inżynierskie były stosowane głównie jako materiały narzędziowe.

Cermetale zawierające dwutlenki uranu U0

2

, jak i węgliki uranu UC są składnikami paliw

nuklearnych.

Cermetale inżynierskie zawierające borki cyrkonu ZrB

2

, węgliki krzemu SiC i inne zawierające

tlenki aluminium Al

2

0

3

, dwutlenki krzemu Si0

2

, węgliki boru B

4

C lub składniki ogniotrwałe

połączone z diamentem, zapewniają unikatowe własności cermetali, umożliwiające ich
zastosowanie na narzędzia do pracy na gorąco, elementy wysokotemperaturowych
zaworów i elementy odporne na ścieranie, ultrawysokotemperaturowe przewody, dysze i
inne elementy silników rakietowych, elementy instalacji i palenisk pieców, ściernice,
zawierające diament końcówki świdrów i zęby pił.

2008-12-08

20

Tablica 12.9
Historia rozwoju cermetali inżynierskich.

Cermetale inżynierskie mogą być klasyfikowane, pod względem udziału w nich głównych

składników, na:

- węgliki,
- węglikoazotki,
- azotki,
- tlenki,
- borki,
- różne związki zawierające węgiel.

2008-12-08

21

Cermetale zawierające węgliki stanowią najliczniejszą grupę jako węgliki spiekane, pomimo że

tradycyjnie wydziela się z nich grupę opartą na węglikach tytanu TiC są stosowane jako materiały
narzędziowe odporne na ścieranie, pracujące w wysokoobciążonych i wysokotemperaturowych
systemach oraz w środowisku korozyjnym. Cermetale bazujące na węglikach krzemu i boru SiC i
B

4

C, znajdują zastosowanie jako materiały odporne na zużycie, korozję i ścieranie oraz w

reaktorach jądrowych. Cermetale z węglikami chromu Cr

3

C

2

utraciły już swe znaczenie

techniczne, stosowane są głównie na czujniki i elementy odporne na korozję.

Cermetale z węglikoazotkami mogą zawierać także węgliki, głównie Mo

2

C oraz fazę wiążącą

typową dla węglików spiekanych. Stosowane są głównie na narzędzia, a dzięki dodatkom TiC, TiN,
MoC i MoN mają wyższe własności wytrzymałościowe od konwencjonalnych węglików spiekanych.

Azotki tytanu TiN oraz regularny azotek boru BN wraz z twardą osnową metalową decydują o

bardzo dobrych własnościach tych cermetali w zastosowaniu na narzędzia. Azotki tytanu TiN oraz
cyrkonu ZrN, z odpowiadającą im metalową fazą wiążącą, tworzą cermetale wymagające
odporności na wysoką temperaturę oraz na korozję.

Grupa cermetali zawierających tlenek uranu U0

2

i dwutlenek toru Th0

2

znajduje zastosowanie

jako paliwo jądrowe. Cermetale z tlenkami aluminium Al

2

0

3

i innymi tlenkami ogniotrwałymi są

stosowane na elementy manipulatorów pracujących w ciekłych metalach i elementy pieców, a
cermetale z tlenkami Si0

2

są stosowane dla obniżenia współczynnika tarcia. Cermetale zawierające

mieszaninę Al

2

0

3

i TiC są stosowane na narzędzia do pracy na gorąco.

Cermetale, w których dominującą fazą są borki jednego z metali przejściowych, wykazują

bardzo dobrą odporność na korozję w środowisku ciekłych metali, np. aluminium, lub ich par.
Cermetale zawierające mieszaniny ZrB

2

i SiC są odporne na erozję w gazowych układach

napędowych rakiet.

Cermetale zawierające grafit w różnym udziale są stosowane na szczotki i styki elektryczne

oraz składniki smarne elementów odpornych na ścieranie.

Na rysunku 12.13 przedstawiono schemat procesu technologicznego cermetali i węglików

spiekanych. W tablicy 12.10 podano metody technologiczne formowania cermetali.

2008-12-08

22

Rysunek 12.13
Schemat procesu technologicznego cermetali i węglików spiekanych .

2008-12-08

23

Tablica 12.10

Metody technologiczne formowania cermetali.

2008-12-08

24

Ceramika porowata

Ceramika porowata, określana jest również tradycyjną, klasyczną lub wielkotonażową z

tego względu, że zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe
lub stosowane m.in. w technice sanitarnej, w tym m.in. porcelanę, kamionkę, dachówkę i
cegłę.

Ceramika porowata obejmuje produkty z gliny oraz materiały ogniotrwałe i charakteryzuje się

sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głównie z Al

2

0

3

,

Si0

2

i H

2

0 występujących w różnych proporcjach (głównie z gliny, krzemionki lub kwarcu, skalenia

lub kaolinu).

Ceramika porowata charakteryzuje się 5 - 15% udziałem porów, po wypaleniu w wysokiej

temperaturze, stosowanym w celu odprowadzenia wody.

W skład ceramiki porowatej zaliczany jest również cement oraz beton, wytwarzane w wyniku

wypalania w wysokiej temperaturze, przemielenia uzyskanego w ten sposób klinkieru w
drobny

proszek

i

następnego

stężenia

i

twardnienia,

po

zmieszaniu

z

wodą

i

drobnoziarnistym piaskiem - w przypadku zaprawy cementowej, lub z wodą, piaskiem i
kruszywem - w przypadku betonu.

2008-12-08

25

Materiały ogniotrwał

e

Materiały ogniotrwałe są materiałami ceramicznymi stosowanymi na piece przemysłowe i na

wymurówki kadzi na ciekłe metale, pracujące w temperaturze do ok. 1700°C i cechujące się
ogniotrwałością zwykłą i pod obciążeniem, odpornością na udary cieplne, odpornością na ścieranie
i na działanie żużli oraz wymaganą nasiąkliwością, przewodnictwem cieplnym i elektrycznym.
Materiały ogniotrwałe mogą być formowane, odlewane i wycinane ze skał naturalnych oraz mogą
być stosowane w postaci ziarn, proszków lub włókien.

W

zależności

od

ogniotrwałości

materiały

te

dzieli

się

na:

zwykłe

(do

1700°C),

wysokoogniotrwałe (1700 - 2000°C), o bardzo wysokiej ogniotrwałości (powyżej 2000°C).

Ze względu na własności chemiczne materiały ogniotrwałe dzieli się na: kwaśne(zawierające

Si0

2

i A1

2

0

3

), zasadowe, w skład których wchodzą CaO i MgO.

Według składu chemicznego materiały ogniotrwałe dzielą się na:

- krzemionkowe,
- glinokrzemianowe,
- szamotowe,
- magnezytowe,
- magnezytowo- krzemianowe,
- wapienne,
- dolomitowe,
- chromitowe,
- węglowe,
- karborundowe (SiC),
- korundowe (Al

2

0

3

),

- cyrkonowe,
- i inne.

2008-12-08

26

Kamionka, terakota i klinkier

Kamionka jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z gliny kamionkowej z dodatkami, w

skład którego wchodzą Si0

2

, Al

2

0

3

, tlenki potasu, sodu i żelaza, wypalanym jedno- lub

dwukrotnie (w 1200 - 1300°C) i zwykle szkliwionym. Kamionka cechuje się wytrzymałością na
ściskanie ok. 800 MPa, na zginanie ok. 90 MPa, oraz dużą rezystywnością i odpornością
chemiczną, wobec czego jest stosowana w elektrotechnice, na produkty stosowane w
gospodarstwie domowym i sanitarne, rury kanalizacyjne, elementy aparatury chemicznej i
laboratoryjnej.

Terakota jest materiałem ceramicznym składającym się z gliny ogniotrwałej, skalenia,

piasku kwarcowego i tlenków metali (pigmentów), wypalanym w ok. 1200°C i cechującym się
dużą odpornością na ścieranie. Jest stosowana na płytki podłogowe i dekoracyjne.

Klinkier jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z glin żelazistych, wapienno-

żelazistych lub wapienno-magnezjowych, wypalanym w ok. 1300°C, o dużej wytrzymałości
i udarności, małej porowatości i nasiąkliwości, stosowanym jako materiał drogowy,
budowlany i posadzkowy.

Porcelana, porcelit i fajans

Porcelana jest spiekanym materiałem ceramicznym z mullitu, kwarcu i szkła skaleniowego

i dzieli się na: twardą i miękką.

Porcelanę wypala się jednokrotnie w temperaturze 850 -1000°C (nieszkliwioną) lub

dwukrotnie w 1280 -1320°C (szkliwioną) i w 1350 -1460°C (twardą).

Formowanie porcelany następuje: z masy lejnej przez odlewanie w formach gipsowych lub
z masy plastycznej przez toczenie lub prasowanie.

Do szkliwienia służą najczęściej szkliwa skaleniowe, a farby naszkliwne do zdobienia.
Twarda porcelana biskwitowa bez szkliwa, która może być barwiona, stosowana jest

głównie jako dekoracyjna, np. na figurki lub płaskorzeźby. Jest wytwarzana z kaolinu (ok.
50%), kwarcu (ok. 25%) i skalenia (ok. 25%).

2008-12-08

27

W zależności od zastosowania porcelanę dzieli się na: stołową, artystyczną,

elektrotechniczną, laboratoryjną i dentystyczną.

Porcelana stołowa służy do wytwarzania zastaw stołowych jako twarda lub miękka. Jest

formowana przez odlewanie wylewne lub nalewne w formach gipsowych lub przez toczenie i
dwukrotnie wypalana na biskwit i następnie w wyższej temperaturze, po nałożeniu szkliwa zwykle
przezroczystego

skaleniowego,

po

czym

zdobionego

przez

malowanie

lub

sposobami

specjalnymi.

Porcelana miękka cechuje się większą przeświecalnością i jest bielsza, ale mniej wytrzymała

niż porcelana twarda, gdyż zawiera mniej substancji ilastej i jest wypalana w niższej
temperaturze. Porcelana miękka może zawierać ok. 40% popiołu z palonych kości (porcelana
kostna - angielska) lub dodatki stopu szklanego (fryty) (porcelana frytowa - francuska).

Porcelana techniczna jest porcelaną twardą, do której wprowadza się dodatki, m.in. tlenku

cyrkonu, krzemianów, magnezu i aluminium oraz tlenku aluminium. Zalicza się do niej porcelanę
chemiczną, elektrotechniczną, a także pirometryczną i dentystyczną.

Porcelana chemiczna ma podobny skład do porcelany biskwitowej i może być wypalana

jedno- lub dwukrotnie w temperaturze 1450°C. Stosuje się ją do produkcji sprzętu laboratoryjnego
i elementów aparatury chemicznej, gdyż jest bardzo odporna na działanie kwasów (z wyjątkiem
HF) oraz dość odporna na ługi i szoki termiczne.

Porcelana elektrotechniczna twarda o barwie białej lub kremowej zawiera więcej substancji

ilastej i możliwie mało tlenków sodu i potasu, jest pokrywana szkliwem o specjalnym składzie,
najczęściej w trakcie jednokrotnego wypalania w ok. 1450°C. Ze względu na dużą rezystywność i
wytrzymałość na ściskanie ok. 400 - 550 MPa, jest głównie stosowana na izolatory niskiego
napięcia. Porcelana elektrotechniczna z dodatkami związków cyrkonu jest stosowana na izolatory
wysokiego napięcia.

2008-12-08

28

Fajans jest tworzywem ceramicznym o barwie białej lub kremowej, porowatym i

przeważnie pokrywanym szkliwem, cechującym się skłonnością do nasiąkania wodą i
znacznie mniejszą wytrzymałością od porcelany. Wytwarza się go z glin fajansowych z
dodatkami m.in. kwarcu i skalenia. Formuje się go podobnie jak porcelanę i wypala
dwukrotnie w temperaturze ok. 1250°C i następnie po szkliwieniu w 1050°C. Szkliwo
fajansu z czasem pęka, nasiąka wodą i trwale brudzi się. Wytwarza się fajans m.in. stołowy,
sanitarny, techniczny, twardy, szamotowy. Najlepszym gatunkiem jest fajans twardy
(zawierający do 40% kwarcu), o wytrzymałości na zginanie dochodzącej do 23 MPa i
porowatości ok. 25%, stosowany na płytki łazienkowe, naczynia domowe i sprzęt
sanitarny.

Porcelit jest tworzywem ceramicznym o własnościach pośrednich między porcelaną a

fajansem, o barwie kremowej, mniejszej porowatości i większej wytrzymałości od fajansu.
Wytwarza się go z gliny fajansowej, substancji ilastej (ok. 50%), kwarcu i skalenia,
przez wypalanie jedno- lub dwukrotne w temperaturze niższej niż porcelana. Z porcelitu
wytwarza się nakrycia stołowe, produkty sanitarne i sprzęt laboratoryjny.

2008-12-08

29

Materiały ceramiczne o specjalnych zastosowaniach

Ze względu na temperaturę pracy ceramiki konstrukcyjnej osiągającą ok. 1750°C, jej niską

gęstość i przewodnictwo cieplne, oraz wysoką żaroodporność i odporność na zużycie,
następuje rozwój zastosowań ceramiki w budowie silników turbinowych i wewnętrznego
spalania.

Dwutlenek cyrkonu Zr0

2

i azotek krzemu Si

3

N

4

znajdują zastosowanie w produkcji

adiabatycznych

wysokoprężnych

silników

tłokowych

o

izolacji

ceramicznej

oraz

wysokotemperaturowych

turbin

gazowych.

Prace

nad

silnikami

ceramicznymi

są

najbardziej zaawansowane w Japonii i USA (tabl. 12.11). Silnik ciężarówki z naniesionym
plazmowo pokryciem z dwutlenku cyrkonu Zr0

2

na denko tłoka, wewnętrzne powierzchnie

cylindrów, kanały wdechowe i wydechowe, wyprodukowany przez Cammin Engine (USA)
zapewnia oszczędność paliwa o ponad 30%. Silnik ceramiczny firmy Isuzu (Japonia) zapewnia
współczynnik stopnia spalania wyższy o 30 - 50% niż silniki klasyczne i o 30% mniejszą masę.

Tablica 12.11

Przykłady zastosowania
materiałów ceramicznych w
silnikach samochodowych.

2008-12-08

30

W czasie lotu rakiet, statków kosmicznych, wahadłowców w gęstych warstwach atmosfery, ich

czołowe powierzchnie nagrzewają się do wysokiej temperatury. Wdrożono różne zestawy
ceramicznych płyt stanowiących system ochrony termicznej pojazdów kosmicznych (rys. 12.14).
Są to materiały kompozytowe wzmacniane włóknami o grubości ok. 10

m

m . Odpowiednie

własności wytrzymałościowe, optyczne i ablacyjne powierzchni zewnętrznych tych płyt
zapewniają pokrycia emaliami o grubości ok. 300

m

m zawierającymi SiC lub 94% Si0

2

i 6%

B

2

0

3

nanoszonymi na skrzydłach promów kosmicznych, rakiet balistycznych i samolotów

hiperdźwiękowych

.

Rysunek 12.14
Schematyczny przekrój
fragmentu systemu ochrony
termicznej promu kosmicznego.

2008-12-08

31

Materiały

ceramiczne

znalazły

zastosowanie

na

pancerze

lądowych

pojazdów

bojowych, okrętów, samolotów i helikopterów. Obserwuje się również wzrost produkcji
materiałów kompozytowych na osnowie materiałów ceramicznych, kuloodpornych do
ochrony osobistej sił porządkowych.

W tablicy 12.12 zestawiono własności materiałów ceramicznych najczęściej stosowanych

na pancerze.

Do ochrony przed pociskami pancernymi stosuje się płytki z tlenku aluminium Al

2

0

3

, np. o

grubości 12,6 mm i np. 35 warstw Kevlaru.

Tablica 7.15

Porównanie własności materiałów ceramicznych w zastosowaniu na pancerze

2008-12-08

32

Szkła i ceramika szklana

Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi

struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Stan struktury szkieł jest pośredni między
stanami ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez
powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury
krzepnięcia, zapewniającej powstanie fazy krystalicznej, w razie powolnego chłodzenia w
warunkach zbliżonych do równowagowych.

Szkła podlegają odszkleniu (dewitryfikacji), stając się materiałami krystalicznymi, lecz

okres ten trwa minimum kilkaset lat.

Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: Si0

2

, B

2

0

3

i P

2

0

5

, tlenki

arsenu i germanu, a także siarka, selen i fluorek ołowiu.

W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych, mogą wchodzić modyfikatory wiązań

sieci przestrzennej oraz tlenki pośrednie (rys. 12.15).

W tablicy 12.12 zestawiono główne typy szkieł przemysłowych, a w tablicy 12.13 porównano

własności różnych szkieł.

Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła

może być regulowany przez odpowiednie dodatki tlenków, np. ołowiu (rys. 12.16).

Podobnie można zmieniać zabarwienie przez dodatki tlenków metali przejściowych, co

może nawet doprowadzić do utraty przezroczystości.

Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także cechuje się bardzo małą przewodnością

cieplną.

Szkło może być hartowane termicznie lub chemicznie albo umacniane chemicznie

niskotemperaturowe co zapewnia umocnienie szkła lub jego powierzchni.

2008-12-08

33

Tablica 12.12
Skład chemiczny i
zastosowanie
niektórych szkieł i
ceramiki szklanej

2008-12-08

34

Tablica 12.13

Porównanie własności różnych rodzajów szkieł.

2008-12-08

35

Rysunek 12.15

Wpływ różnych składników na własności szkieł.

2008-12-08

36

Rysunek 12.16
Schemat przechodzenia energii słonecznej przez szkło przezroczyste i antysolowe.

2008-12-08

37

Włókna szklane

Przez wyciskanie ciekłego szkła przez oczko o średnicy 0,793 - 3,175 mm i następne

szybkie ciągnienie otrzymywane są ciągłe włókna szklane o końcowej średnicy 3 -20

m

m.

Wydzielić można kilka typów włókien szklanych o różnym składzie chemicznym

zapewniającym wymagane własności:

- włókna szklane E zawierające aluminioborokrzemian wapnia i stężenie alkaliów mniejsze

od 2%, o ogólnych zastosowaniach i wymaganej wysokiej wytrzymałości i rezystywności,

- włókna szklane S zawierające aluminiokrzemian magnezu o wysokiej wytrzymałości na

rozciąganie głównie o zastosowaniach militarnych,

- włókna szklane C sodowo-wapniowo-borokrzemianowe ze względu na stabilność

chemiczną stosowane w środowisku korozyjnym i w materiałach kompozytowych
kontaktujących się lub zawierających materiały kwaśne.

W tablicy 12.14 przedstawiono udziały tlenków w wymienionych 3 typach włókien

szklanych stosowanych w materiałach kompozytowych.

W tablicy 12.15 podano natomiast orientacyjne własności mechaniczne tych włókien.

2008-12-08

38

Tablica 12.14
Orientacyjne
udziały tlenków
we włóknach
szklanych
stosowanych w
materiałach
kompozytowych

Tablica 12.15
Orientacyjne
własności
mechaniczne
włókien szklanych