CERAMIKA

INŻYNIERSKA

Podział ogólny

a) Inżynierskie materiały ceramiczne

b) Kompozyty ceramiczne

Ceramiczne materiały konstrukcyjne stosowane są na
części, które powinny charakteryzować się dobrą
odpornością na ścieranie i dobrymi własnościami
mechanicznymi oraz odpornością na korozję w
wysokich temperaturach.
Z materiałów tych wytwarza się części silników
spalinowych, odrzutowych oraz turbinowych. Narzędzia
skrawające wykonane z ceramiki sialonowej lub
ceramiki Al

2

O

3

dużej gęstości mogą pracować przy

większych szybkościach skrawania i mają większą
trwałość niż najlepsze narzędzia metalowe. Ceramika
inżynierska charakteryzuje się dużą odpornością na
ścieranie, używa się jej więc do powlekania krawędzi
tnących maszyn rolniczych, np. pługów, zwiększając ich
trwałość dziesięciokrotnie. Materiały ceramiczne są
obojętne chemicznie i biokompatybilne - można je
stosować w medycynie do wyrobu sztucznych stawów i
innych implantów (tam gdzie zużycie jest dużym
problemem).

Ogólne zastosowania inżynierskich materiałów

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
materiałów inżynierskich

– a) Materiały ceramiczne

tlenkowe (Al

2

O

3

– korund, ZrO

2

-

dwutlenek cyrkonu)

– b) Materiały ceramiczne

nietlenkowe (AlN - azotek
aluminium ,SiC - karborund
,Si

3

N

4

- azotek krzemu ,B

4

C -

węglik boru )

Al

2

O

3

- korund - materiał

inżynierski, którego włókna zawsze
zawierają pewną ilość innych
tlenków, spośród których jest to
najczęściej SiO

2

, stabilizujący

strukturę i przeciwdziałający
zmianie ich własności. Właściwości
wytrzymałościowe włókien
zmieniają się w szerokich
granicach, zależnie od struktury
Al

2

O

3

, która jest funkcją obróbki

cieplnej.
Materiały ceramiczne oparte na
tlenku aluminium Al

2

O

3

stosowane

są w bardzo wielu przypadkach na
podłoża obwodów scalonych w
elektronice, świece zapłonowe,
przewodniki i izolatory
ognioodporne, łożyska, zbiorniki
chemiczne, zawory wodne,
endoprotezy, emitery lamp
próżniowych. Do ochrony przed
pociskami pancernymi stosuje się
płytki z tlenku aluminium Al

2

O

3

, np.

grubości 12,6 mm i np. 35 warstw
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
aluminium - jest
dobrym izolatorem
elektrycznym, a
jednocześnie dobrym
przewodnikiem ciepła.
Jego przewodność
cieplna jest
dziesięciokrotnie
wyższa od
przewodności Al

2

O

3

.

Wykonane z AlN
podłoże obwodów
scalonych minimalizuje
tworzenie się pęknięć,
zapewnia dobrą izolację
elektryczną, a dzięki
przewodności- szybko
odprowadza
wytworzone przez
obwód elektryczny
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

3

N

4

- azotek

krzemu - ma

zbliżone własności

do SiC, jednak jego

odporność na

utlenianie i

wytrzymałość

mechaniczna w

wysokiej

temperaturze są

nieco niższe.

Struktura granicy ziaren Si

3

N

4

i SiC w

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

B

4

C - węglik boru - jest bardzo twardy i niezwykle

lekki. Jest stosowany na elementy o bardzo dużej
odporności na ścieranie. Jego wadą są złe własności
mechaniczne w wysokich temperaturach. Kontenery
do przechowywania odpadów radioaktywnych są
wykonywane z materiałów ceramicznych na bazie
tlenków B

2

O

3

i węglika boru B

4

C z dodatkami

tlenków ołowiu PbO lub związków typu
2PbO∙PbSO

4

. Mieszanki te po spiekaniu tworzą

zwartą masę ceramiczną o niewielkiej porowatości,
silnie pochłaniającą neutrony i promieniowanie γ.

 
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.

Materiały ceramiczne znalazły zastosowanie na
pancerze lądowych pojazdów bojowych, okrętów,
samolotów
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

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

CERAMICZNE

KOMPOZYTY CERAMICZNE – z uwagi na
interesujące własności cieplne, mechaniczne i
chemiczne – produkowane do pracy w warunkach
uznawanych za ekstremalne. Potrzeby
współczesnego przemysłu sprawiły, że osiągnięciem
ostatnich lat stały się kompozyty ceramiczne z
następujących grup:
-         wzmacniane włóknami nieciągłymi
(DR0CMCs)
-         wzmacniane włóknami ciągłymi (CFCCs)
-         o osnowie węglowej wzmacniane włóknami
węglowymi

(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
znajdują zastosowanie w czterech głównych
kategoriach:
-         płytki do zbrojenia narzędzi skrawających
-         elementy odporne na korozję
-         zastosowania lotnicze, kosmiczne i militarne
-

inne zastosowania przemysłowe, włączając

silniki i

elementy urządzeń energetycznych.