MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Materiały ceramiczne – wiadomości

podstawowe

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Ceramika i szkło

należą do materiałów

inżynierskich z jednej strony najstarszych

najwcześniej stosowanych przez człowieka,

charakteryzujących się największą odpornością

na działanie środowiska, a z drugiej strony są

to

najbardziej

nowoczesne

materiały

opracowane

dla

przemysłu

lotniczego,

kosmicznego i elektronicznego.

Materiały ceramiczne i szkła choć nie są

tak wytrzymałe jak metale, nie mają sobie

równych, jeżeli chodzi o odporność korozyjną i

odporność na ścieranie.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Ceramikę

stanowią

materiały

nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych

wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane

zwykle w wysokotemperaturowych procesach

związanych z przebiegiem nieodwracalnych

reakcji.

Pomimo tego do tej grupy materiałów

zaliczane są również szkła oraz beton i

cement, chociaż przy ich wytwarzaniu

zachodzą nie wszystkie z tych procesów.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Materiały ceramiczne należą

do

najwcześniej

wytwarzanych

materiałów

przez

człowieka.

Krzemienne

narzędzia

oraz

materiały budowlane z kamienia i

gliny były wykorzystywane już w

czasach

prehistorycznych.

Najstarsze ze znanych wyrobów

ceramicznych pochodzą z mezolitu,

a szersze wytwarzanie ozdobnych i

użytkowych wyrobów ceramicznych

rozpoczęło się około 10 000 lat

temu.

Naczynie

dwuuszne

Anatolia
(2750-2300 p.n.e.)

.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

790 000 p.n.e. – ogień – Rów Jordanu,
11 000 p.n.e. – ceramika – Japonia
6200 p.n.e. – cegła suszona - Jerycho
6000 p.n.e. – koło
4000 p.n.e. –

początki warzenia piwa

Wynalazki prehistoryczne

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Podstawowe własności materiałów ceramicznych

•korzystny stosunek masy do objętości,
•biokompatybilność
•wysoka temperatura topnienia,
•duża odporność korozyjna,
•duża stabilność termiczna oraz wytrzymałość mechaniczna
•wysoka wytrzymałość na ściskanie
•w podwyższonej temperaturze (żaroodporność, żarowytrzymałość),
•wysoka kruchość, twardość i związana z nią odporność na ścieranie,
•mała przewodność cieplna i elektryczna.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Podstawowe własności materiałów ceramicznych

RODZAJ CERAMIKI

T

topnienia

[˚C]

METALE

ŻAROODPORNE

Węglik hafnu HfC

4150

Węglik tantalu TaC

3850

Grafit C

3800

Węglik cyrkonu ZrC

3520

Węglik niobu NbC

3500
3370

Wolfram W

Azotek tantalu TaN

3350

Borak hafnu HfB

2

3250

Węglik tytanu TiC

3120

Tlenek toru ThO

2

3110

Borek cyrkonu ZrB

2

3060

Borek tantalu TaB

2

3000

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Podstawowe własności materiałów ceramicznych

RODZAJ CERAMIKI

T

topnienia

[˚C] METALE ŻAROODPORNE

2996

Tantal Ta

Borek tytanu TiB

2

2980

Węglik wolframu WC

2850

Tlenek magnezu MgO

278

Tlenek cyrkonu ZrO

2

2770

Azotek boru BN

2730

2622

Molibden Mo

Tlenek berylu BeO

2570

Węglik krzemu SiC

2500

2468

Niob Nb

Węglik boru B

4

C

2450

Tlenek glinu Al

2

O

3

2050

Tlenek chromu Cr

2

O

3

1990

Krzemian magnezu

2MgO•SiO

2

1830

1800

Tytan Ti

1772

Platyna Pt

Krzemionka (krystobalit)

SiO

2

1715

Tlenek tytanu TiO

2

1605

1527

Żelazo Fe

1490

Kobalt Co

1455

Nikiel Ni

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Postęp odnotowany w obszarze materiałów ceramicznych

sprawił, że ceramiki z natury kruche, w postaci niektórych

kompozytów z osnową ceramiczną, np. Si

3

N

4

- SiC,

charakteryzują się odpornością na pękanie większą od

niektórych metali.

Chociaż większość materiałów ceramicznych jest

dobrymi izolatorami elektrycznymi i cieplnymi, to SiC i AlN

mają przewodność cieplną zbliżoną do metali, a FeO i ZnO są

półprzewodnikami.

Wiadomości ogólne

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Ogólna klasyfikacja materiałów ceramicznych

(opracowano według K.G. Budinskiego)

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Zastosowanie głównych grup materiałów ceramicznych

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

W przeciwieństwie do metali wytrzymałość

materiałów ceramicznych i szkieł może się zmniejszać z

upływem czasu bez działania naprężeń cyklicznych, co

nazywamy zmęczeniem statycznym

Natomiast stosowanie materiałów ceramicznych w

wysokich temperaturach w połączeniu z ich wrodzoną

kruchością sprawia, że pojawia się problem pękania

spowodowanego szybkimi zmianami temperatury tzw.

szokiem cieplnym.

Zaletą

wynikającą

z

charakteru

wiązań

międzyatomowych jest to, że ceramiki są twarde, a zatem

są one odporne na zarysowania lub wgniecenia i dlatego są

odpowiednie do zastosowania jako materiały o dobrej

odporności na ścieranie i jako materiały ścierne do cięcia,

szlifowania i polerowania metali.

MATERIAŁY CERAMICZNE I KOMPOZYTOWE

Przełom gruboziarnistej

ceramiki narzędziowej Al

2

O

3

.

Mikroskop skaningowy;

powiększenie 4000 razy

Przełom drobnoziarnistej

ceramiki narzędziowej Al

2

O

3

.

Mikroskop skaningowy;

powiększenie 4000 razy

Ceramika

gruboziarnista

z

dużymi

ziarnami

o wymiarach 50 -150 μm uzyskuje wytrzymałości na zginanie

70 MPa.

W przypadku ceramiki drobnoziarnistej z ziarnami o

wymiarach 2 μm może uzyskać wytrzymałość na zginanie nawet

do 450 MPa.