CERAMIKA

CERAMIKA

INŻYNIERSKA

INŻYNIERSKA

a) Inżynierskie materiały ceramiczne

a) Inżynierskie materiały ceramiczne

b) Kompozyty ceramiczne

b) Kompozyty ceramiczne

Podział ogólny

Podział ogólny

Ceramiczne materiały konstrukcyjne stosowane są

Ceramiczne materiały konstrukcyjne stosowane są

na części, które powinny charakteryzować się

na części, które powinny charakteryzować się

dobrą odpornością na ścieranie i dobrymi

dobrą odpornością na ścieranie i dobrymi

własnościami mechanicznymi oraz odpornością na

własnościami mechanicznymi oraz odpornością na

korozję w wysokich temperaturach.

korozję w wysokich temperaturach.

Z materiałów tych wytwarza się części silników

Z materiałów tych wytwarza się części silników

spalinowych, odrzutowych oraz turbinowych.

spalinowych, odrzutowych oraz turbinowych.

Narzędzia skrawające wykonane z ceramiki

Narzędzia skrawające wykonane z ceramiki

sialonowej lub ceramiki

sialonowej lub ceramiki

Al

Al

2

2

O

O

3

3

dużej gęstości mogą

dużej gęstości mogą

pracować przy większych szybkościach skrawania i

pracować przy większych szybkościach skrawania i

mają większą trwałość niż najlepsze narzędzia

mają większą trwałość niż najlepsze narzędzia

metalowe. Ceramika inżynierska charakteryzuje

metalowe. Ceramika inżynierska charakteryzuje

się dużą odpornością na ścieranie, używa się jej

się dużą odpornością na ścieranie, używa się jej

więc do powlekania krawędzi tnących maszyn

więc do powlekania krawędzi tnących maszyn

rolniczych, np. pługów, zwiększając ich trwałość

rolniczych, np. pługów, zwiększając ich trwałość

dziesięciokrotnie. Materiały ceramiczne są

dziesięciokrotnie. Materiały ceramiczne są

obojętne chemicznie i biokompatybilne - można je

obojętne chemicznie i biokompatybilne - można je

stosować w medycynie do wyrobu sztucznych

stosować w medycynie do wyrobu sztucznych

stawów i innych implantów (tam gdzie zużycie jest

stawów i innych implantów (tam gdzie zużycie jest

dużym problemem).

dużym problemem).

Ogólne zastosowania inżynierskich materiałów

Ogólne zastosowania inżynierskich materiałów

ceramicznych

ceramicznych

Gałąź przemysłu

Rodzaje urządzeń i
technologii

Własności

Zastosowania

Transport cieczy

transport i
przechowywanie
agresywnych cieczy

odporność na korozję,
erozję i ścieranie

końcówki tłoczników,
łożyska silników, główki
zaworów, końcówki
rozpylaczy, membrany
mikrofiltrów

Obróbka minerałów,
energetyka

transport rud,
rozdrabnianie węgla,
klinkieru cementowego,
elementy instalacji
ciekłych gazów

twardość, odporność na
korozję, izolacyjność
elektryczna

okładziny rur i cyklonów,
materiały ścierne,
elementy pomp,
izolatory

Produkcja drutów

elementy narażone na
zużycie i do obróbki
wykończającej

twardość, ciągliwość

bloki ciągarek i
nawijarek, przewod niki,
rolki, matryce,
wielokrążki

Produkcja miazgi i
papieru

wytwarzanie papieru z
dużą wydajnością

odporność na ścieranie i
na korozję

noże do cięcia

Obrabiarki i
oprzyrządowanie
technologiczne

elementy maszyn i
oprzyrządowanie
technologiczne

twardość, mała
bezwładność, wysoki
wskaźnik sztywności do
masy

łożyska, matryce do
wyciskania i
formowania, tłoczniki,
rolki, narzędzia,
elementy maszyn

Przykłady ceramicznych

Przykłady ceramicznych

materiałów inżynierskich

materiałów inżynierskich

–

a) Materiały ceramiczne

a) Materiały ceramiczne

tlenkowe (

tlenkowe (

Al

Al

2

2

O

O

3

3

– korund, ZrO

– korund, ZrO

2

2

-

-

dwutlenek cyrkonu)

dwutlenek cyrkonu)

–

b) Materiały ceramiczne

b) Materiały ceramiczne

nie

nie

tlenkowe (

tlenkowe (

AlN - azotek

AlN - azotek

aluminium ,SiC - karborund

aluminium ,SiC - karborund

,Si

,Si

3

3

N

N

4

4

- azotek krzemu ,B

- azotek krzemu ,B

4

4

C -

C -

węglik boru )

węglik boru )

Al

Al

2

2

O

O

3

3

- korund

- korund

- materiał

- materiał

inżynierski, którego włókna

inżynierski, którego włókna

zawsze zawierają pewną ilość

zawsze zawierają pewną ilość

innych tlenków, spośród

innych tlenków, spośród

których jest to najczęściej SiO

których jest to najczęściej SiO

2

2

,

,

stabilizujący strukturę i

stabilizujący strukturę i

przeciwdziałający zmianie ich

przeciwdziałający zmianie ich

własności. Właściwości

własności. Właściwości

wytrzymałościowe włókien

wytrzymałościowe włókien

zmieniają się w szerokich

zmieniają się w szerokich

granicach, zależnie od

granicach, zależnie od

struktury Al

struktury Al

2

2

O

O

3

3

, która jest

, która jest

funkcją obróbki cieplnej.

funkcją obróbki cieplnej.

Materiały ceramiczne oparte na

Materiały ceramiczne oparte na

tlenku aluminium Al

tlenku aluminium Al

2

2

O

O

3

3

stosowane są w bardzo wielu

stosowane są w bardzo wielu

przypadkach na podłoża

przypadkach na podłoża

obwodów scalonych w

obwodów scalonych w

elektronice, świece zapłonowe,

elektronice, świece zapłonowe,

przewodniki i izolatory

przewodniki i izolatory

ognioodporne, łożyska,

ognioodporne, łożyska,

zbiorniki chemiczne, zawory

zbiorniki chemiczne, zawory

wodne, endoprotezy, emitery

wodne, endoprotezy, emitery

lamp próżniowych. Do ochrony

lamp próżniowych. Do ochrony

przed pociskami pancernymi

przed pociskami pancernymi

stosuje się płytki z tlenku

stosuje się płytki z tlenku

aluminium Al

aluminium Al

2

2

O

O

3

3

, np. grubości

, np. grubości

12,6 mm i np. 35 warstw

12,6 mm i np. 35 warstw

Kevlaru.

Kevlaru.

Struktura materiału ceramicznego
o osnowie Al

2

O

3

(ciemniejsze) i TiO

2

(jaśniejsze), pow. 640x;

ZrO

2

- dwutlenek

cyrkonu - materiały
ceramiczne z jego
dodatkiem mają znaczną
odporność na zużycie i
ścieranie. Grubość
warstwy odpornej na
ścieranie może być
ponadto zwiększona
przez dodatkową
obróbkę mechaniczną.
Cząsteczki tetragonalne
ZrO

2

mogą być dodawane

do innych materiałów
ceramicznych, np.
złożonych z tlenków
aluminium, azotków
krzemu i węglików
krzemu, polepszając ich
odporność na pękanie.
Własności
wytrzymałościowe i
ciągliwe tych materiałów
są wykorzystywane
jedynie do nieznacznie
podwyższonej
temperatury.

Materiały te są stosowane
jako:
- noże przemysłowe i
narzędzia skrawające
- noże i ostrza do użytku
domowego
- przewodniki
- powierzchnie w
środowisku ściernym i
korozyjnym
- nieiskrzące młotki w
środowisku łatwopalnym
- różne narzędzia i matryce
- materiał biomedyczny

AlN - azotek

AlN - azotek

aluminium

aluminium

- jest

- jest

dobrym izolatorem

dobrym izolatorem

elektrycznym, a

elektrycznym, a

jednocześnie dobrym

jednocześnie dobrym

przewodnikiem

przewodnikiem

ciepła. Jego

ciepła. Jego

przewodność cieplna

przewodność cieplna

jest dziesięciokrotnie

jest dziesięciokrotnie

wyższa od

wyższa od

przewodności Al

przewodności Al

2

2

O

O

3

3

.

.

Wykonane z AlN

Wykonane z AlN

podłoże obwodów

podłoże obwodów

scalonych

scalonych

minimalizuje

minimalizuje

tworzenie się

tworzenie się

pęknięć, zapewnia

pęknięć, zapewnia

dobrą izolację

dobrą izolację

elektryczną, a dzięki

elektryczną, a dzięki

przewodności- szybko

przewodności- szybko

odprowadza

odprowadza

wytworzone przez

wytworzone przez

obwód elektryczny

obwód elektryczny

ciepło.

ciepło.

SiC - karborund -
charakteryzuje się
bardzo dużą odpornością
na utlenianie w
temperaturze do
1500°C. Większość
węglików łatwo się
utlenia, dlatego ich
stosowanie w wysokiej
temperaturze jest
możliwe jedynie w
atmosferach
redukcyjnych. Węglik
krzemu jest wyjątkiem -
w atmosferze
utleniającej na
powierzchni elementu z
SiC tworzy się cienka
warstwa SiO

2

chroniąca

element przed dalszym
utlenianiem do
temperatury 1500°C.
W postaci ziaren, płytek
lub włókien karborund
jest stosowany do
wzmocnienia
kompozytów.

Struktura cząstek SiC do
wzmacniania materiału
kompozytowego o
osnowie ceramicznej,
pow. 15x, mikroskop
skaningowy;

Struktura płytek SiC do
wzmacniania materiału
kompozytowego o osnowie
ceramicznej, pow. 150x,
mikroskop skaningowy;

Si

Si

3

3

N

N

4

4

- azotek

- azotek

krzemu

krzemu

- ma

- ma

zbliżone własności

zbliżone własności

do SiC, jednak jego

do SiC, jednak jego

odporność na

odporność na

utlenianie i

utlenianie i

wytrzymałość

wytrzymałość

mechaniczna w

mechaniczna w

wysokiej

wysokiej

temperaturze są

temperaturze są

nieco niższe.

nieco niższe.

Struktura granicy ziaren Si

3

N

4

i SiC w

cienkiej folii, pow. 3600000x,
wysokorozdzielczy mikroskop
elektronowy transmisyjny;

B

B

4

4

C - węglik boru

C - węglik boru

- jest bardzo twardy i niezwykle

- jest bardzo twardy i niezwykle

lekki. Jest stosowany na elementy o bardzo dużej

lekki. Jest stosowany na elementy o bardzo dużej

odporności na ścieranie. Jego wadą są złe własności

odporności na ścieranie. Jego wadą są złe własności

mechaniczne w wysokich temperaturach. Kontenery

mechaniczne w wysokich temperaturach. Kontenery

do przechowywania odpadów radioaktywnych są

do przechowywania odpadów radioaktywnych są

wykonywane z materiałów ceramicznych na bazie

wykonywane z materiałów ceramicznych na bazie

tlenków B

tlenków B

2

2

O

O

3

3

i węglika boru B

i węglika boru B

4

4

C z dodatkami

C z dodatkami

tlenków ołowiu PbO lub związków typu

tlenków ołowiu PbO lub związków typu

2PbO∙PbSO

2PbO∙PbSO

4

4

. Mieszanki te po spiekaniu tworzą

. Mieszanki te po spiekaniu tworzą

zwartą masę ceramiczną o niewielkiej porowatości,

zwartą masę ceramiczną o niewielkiej porowatości,

silnie pochłaniającą neutrony i promieniowanie

silnie pochłaniającą neutrony i promieniowanie

γ

γ

.

.

 

 

Ze względu na niski współczynnik tarcia oraz

Ze względu na niski współczynnik tarcia oraz

odporność na zużycie nietlenkowe materiały

odporność na zużycie nietlenkowe materiały

ceramiczne są stosowane na łożyska pracujące w

ceramiczne są stosowane na łożyska pracujące w

różnych środowiskach, końcówki urządzeń do cięcia

różnych środowiskach, końcówki urządzeń do cięcia

strumieniem wodnym oraz na wysokowydajne

strumieniem wodnym oraz na wysokowydajne

narzędzia skrawające, a także na pojemniki do

narzędzia skrawające, a także na pojemniki do

przechowywania materiałów aktywnych chemicznie,

przechowywania materiałów aktywnych chemicznie,

szczególnie w wysokiej temperaturze.

szczególnie w wysokiej temperaturze.

Materiały ceramiczne znalazły zastosowanie na

Materiały ceramiczne znalazły zastosowanie na

pancerze lądowych pojazdów bojowych, okrętów,

pancerze lądowych pojazdów bojowych, okrętów,

samolotów

samolotów

i helikopterów

i helikopterów

Materiał

Gęstość

,

[g/cm3]

Twardość

Knoopa

HK, [Gpa]

Wytrzymał

ość na

rozciągani

e R

m

,

[Mpa]

Moduł

sprężystoś

ci E, [Gpa]

Temp.

topnienia

T, [K]

Kryterium

odpornośc

i

pancernej

M,

[(Gpam)

3

K

/kg]

Prasowany

na gorąco

węglik

boru B

4

C

2,5

30

300

450

3300

5300

Prasowany

na gorąco

dwuborek

tytanu

TiB

2

4,5

33

350

570

3400

5000

Węglik

krzemu

(karborun

d) SiC

3,1

21

200

410

3300

1800

Spiekany

korund

Al

2

O

3

3,9

18

370

390

2320

1500

Stal

pancerna

7,8

3,5

3000

210

1950

50

Porównanie własności materiałów ceramicznych w zastosowaniu na pancerze

Przykłady zastosowań materiałów ceramicznych w

Przykłady zastosowań materiałów ceramicznych w

silnikach samochodowych

silnikach samochodowych

Firma

Typ silnika

Materiał ceramiczny

Elementy silnika

Isuzu

1,6L4

Si

3

N

4

SiC

pierścienie tłokowe, wkładki

tulejowe, zawory, wałki

rozrządu, popychacze,

wirniki, dmuchawy

1,8L4Diesel

Al

2

Ti

0,5

Si

3

N

4

wkładki kanałów

wydechowych, wkładki

tulejowe, pierścienie tłokowe,

zawory, wirnik dmuchawy

Mazda

3,0LV6 DOHC

Si

3

N

4

 

wkładki kanałów

wydechowych, wkładki

tulejowe, pierścienie tłokowe,

zawory, wirnik dmuchawy,

czop tłokowy, zawory

wlotowe

2,0L4 DOHC

Si

3

N

4

 

Nissan

Feazer Consept

Si

3

N

4

 

wirniki turbin, zawory

wlotowe i wylotowe

Toyota

GTVII turbina spalinowa

reakcyjna

kompozyt ceramiczny

komory spalania, wirniki

turbin, łopatki turbin,

regeneratory i inne

CAX 2,0L4

Si

3

N

4

 

zawory wlotowe

KOMPOZYTY

KOMPOZYTY

CERAMICZNE

CERAMICZNE

KOMPOZYTY CERAMICZNE

KOMPOZYTY CERAMICZNE

– z uwagi na

– z uwagi na

interesujące własności cieplne, mechaniczne i

interesujące własności cieplne, mechaniczne i

chemiczne – produkowane do pracy w warunkach

chemiczne – produkowane do pracy w warunkach

uznawanych za ekstremalne. Potrzeby

uznawanych za ekstremalne. Potrzeby

współczesnego przemysłu sprawiły, że osiągnięciem

współczesnego przemysłu sprawiły, że osiągnięciem

ostatnich lat stały się kompozyty ceramiczne z

ostatnich lat stały się kompozyty ceramiczne z

następujących grup:

następujących grup:

-         wzmacniane włóknami nieciągłymi

-         wzmacniane włóknami nieciągłymi

(DR0CMCs)

(DR0CMCs)

-         wzmacniane włóknami ciągłymi (CFCCs)

-         wzmacniane włóknami ciągłymi (CFCCs)

-         o osnowie węglowej wzmacniane włóknami

-         o osnowie węglowej wzmacniane włóknami

węglowymi

węglowymi

(CCCs)

(CCCs)

Charakterystyka porównawcza materiałów kompozytowych o
osnowie ceramicznej wzmacnianych włóknami i innymi fazami
nieciągłymi

Materiał kompozytowy

Postać fazy wzmacniającej

Oddziaływanie na
własności

Osnowa

Faza

wzmacniająca

Wiskery i

włókna

nieciągłe

Płytki

Cząst

ki

Wytrzymałość

ciągliwość

Szkło

SiC



 

 





A1

2

0

3

SiC



 

 





Si

3

N

4

SiC



 

 





Zr0

2

SiC



 

 





A1

2

0

3

SiC

 



 





Szkło

A1

2

0

3

 

 







A1

2

0

3

ZrO

2

 

 







A1

2

0

3

Ni

 

 







Oznaczenia
:

 dotyczy danej

postaci

 zwiększenie

własności

 obniżenie własności

Przykłady materiałów kompozytowych o osnowie ceramicznej
wzmacnianych włóknami ciągłymi

Materiał kompozytowy

Proces wytwarzania

Osnowa

Włókna wzmacniające

SiC

SiC

chemiczna infiltracja z fazy
gazowej CVI (chemical
vapour infiltration)

Sic, SiOC, SiNC

SiC

infiltracja polimerów i
piroliza PIP (polymer
infiltration andpyrolysis)

SiC-Si

SiC

infiltracja ciekłego materiału

Azotki-SiC

SiC

zgrzewanie reakcyjne

Mullit, Al

2

O

3

SiC, Al

2

O

3

proces zol-żel

Aluminokrzemki

Al

2

O

3

infiltracja gęstwy

Al

2

O

3

SiC, Al

2

O

3

bezpośrednie utlenianie
metalu

Si

3

N

4

węgiel

izostatyczne dogęszczanie
na zimno i na gorąco CIP/HIP
(cold/hot isostatic pressure)

Materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej

Materiały kompozytowe o osnowie ceramicznej

znajdują zastosowanie w czterech głównych

znajdują zastosowanie w czterech głównych

kategoriach:

kategoriach:

-         płytki do zbrojenia narzędzi skrawających

-         płytki do zbrojenia narzędzi skrawających

-         elementy odporne na korozję

-         elementy odporne na korozję

-         zastosowania lotnicze, kosmiczne i militarne

-         zastosowania lotnicze, kosmiczne i militarne

-

-

inne zastosowania przemysłowe, włączając

inne zastosowania przemysłowe, włączając

silniki i

silniki i

elementy urządzeń energetycznych.

elementy urządzeń energetycznych.