Materiały ceramiczne
Materiały ceramiczne
Prof. dr hab. Barbara Surowska
Prof. dr hab. Barbara Surowska
Co to jest ceramika?
Co to jest ceramika?
Sztuka i nauka dotycząca wytwarzania oraz
używania przedmiotów stałych zbudowanych
głównie z nieorganicznych i niemetalicznych
materiałów.
 Introduction to Ceramics , W.David Kingery
Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i
kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych
wytwarzanych zwykle w procesach
wysokotemperaturowych.
 Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo , Leszek
A.Dobrzański
Ceramika naturalna - historia
Ceramika naturalna - historia
Rysunki naskalne (28000 pne)
malowane ceramicznymi
barwnikami.
W czeskiej miejscowości Dolni
Vestonice odnaleziono 2300
fragmentów wyrobów ceramicznych
z lat 36 000  26 000 pne.
Venus z Dolni Vestonice
Ceramika naturalna  historia c.d.
Ceramika naturalna  historia c.d.
4000 pne.: ceramika to jedyny ówczesny
materiał, który wytrzymywał wysokie
temperatury potrzebne do wytopu metali (brązu
i żelaza)
2000 pne.: koło garncarskie (Mezopotamia i
Egipt)
1500 pne.: piec kreteński, szkliwo
100 pne.-300 ne.: produkcja masowa naczyń
glinianych (Imperium Rzymskie, Chiny)
Ceramika naturalna  porcelana
Ceramika naturalna  porcelana
Około 600 r ne. Chińczycy odkryli petuntse -
skała występująca w Chinach, rodzaj granitu. W
trakcie wypalania reagował on z kaolinem i
piaskiem tworząc szklisty materiał w całej
objętości. W rezultacie ceramika była biała i
przezroczysta. Po powrocie z wyprawy na
Wschód, w 1292 r,Marco Polo nazwał ją:  alla
Porcella
Około 500 lat po wyprawie Marco Polo w
Europie odkryto tajemnicę porcelany - od 1750
r. rozpoczęła się jej produkcja
Ceramika naturalna  c.d.
Ceramika naturalna  c.d.
Pierwsze ozdobne płytki ceramiczne
pochodzą z 4000-3000pne (Egipt). Płytki
robiono każdą osobno, ręcznie. Wzory były
albo wycinane, albo wyciskane gdy glina
była jeszcze mokra. Tak trwało aż do 1740
roku, gdy wynaleziono nową metodę 
drukowanie wzorów.
Ceramika naturalna  cement, cegły
Ceramika naturalna  cement, cegły
12 000 000 lat temu reakcje pomiędzy skałami
wapiennymi a skałami bitumicznymi podczas
spontanicznego spalania (na terenie Izraela)
spowodowały powstanie naturalnych złóż związków
cementu
Rzymianie mieszali popiół wulkaniczny z wapieniem.
Twardnienie zachodziło w reakcji z CO2 z atmosfery
W Średniowieczu sztuka robienia cementu została
zapomniana. Dopiero w Anglii w XVII wieku cement
został odkryty na nowo.
Muł z Nilu mieszany z trzciną, suszony na słońcu
stanowił główny budulec w Starożytnym Egipcie.
Szkło
Szkło
Skład podstawowy:
Skład podstawowy:
 Piasek (krzemionka SiO2 )
 Piasek (krzemionka SiO2 )
 Wapień
 Wapień
 Dolomity
 Dolomity
 Soda
 Soda
Szkło kwarcowe ~99,9% SiO2
Szkło kwarcowe ~99,9% SiO2
Szkło zwykłe (sodowo-wapniowe): 72%
Szkło zwykłe (sodowo-wapniowe): 72%
SiO2 , 15-17% Na2O, 5-8% CaO
SiO2 , 15-17% Na2O, 5-8% CaO
Szkło - barwienie
Szkło - barwienie
Składniki barwiące (tlenki metali) do ~5%:
Składniki barwiące (tlenki metali) do ~5%:
 manganu i niklu  fioletowy
 manganu i niklu  fioletowy
 kobaltu  różowy
 kobaltu  różowy
 miedzi  niebieski
 miedzi  niebieski
 żelaza i chromu  zielony
 żelaza i chromu  zielony
 siarki  żółty
 siarki  żółty
 selenu i złota - czerwony
 selenu i złota - czerwony
Szkło bezpieczne
Szkło bezpieczne
Warstwowe (klejone)  płyty szklane
Warstwowe (klejone)  płyty szklane
klejone lub klejone płyty szklane z płytami
klejone lub klejone płyty szklane z płytami
z poliwęglanu lub akrylu
z poliwęglanu lub akrylu
Szkła klejone laminowane  pokryte folią
Szkła klejone laminowane  pokryte folią
Szkła hartowane  z wytworzonym
Szkła hartowane  z wytworzonym
gradientem naprężeń
gradientem naprężeń
Dewitryfikaty  szkło poddane krystalizacji
Dewitryfikaty  szkło poddane krystalizacji
Metody wytwarzania
Metody wytwarzania
Synteza proszkowa  prasowanie i
Synteza proszkowa  prasowanie i
wypalanie
wypalanie
Wylewanie w formach materiału w postaci
Wylewanie w formach materiału w postaci
zawiesiny
zawiesiny
Właściwości mechaniczne
Właściwości mechaniczne
Właściwości mechaniczne ceramik są całkowicie
różne od metali
Wytrzymałość ceramik bardzo silnie zależy od
wewnętrznych defektów makro- i
mikroskopowych
W ceramikach występuje zjawisko zmęczenia
materiału
Odporność na pękanie ceramik może być
zoptymalizowana poprzez wpływ na
mikrostrukturę
Ceramika - struktura
Ceramika - struktura
Wiele ceramik wykazuje polimorfizm: w
zależności od temperatury (i ciśnienia) mogą
występować w więcej niż jednej strukturze
krystalicznej. W niektórych przypadkach ma to
bardzo duży wpływ na właściwości (szczególnie
mechaniczne).
Al2O3
Si3N4
Właściwości mechaniczne
Właściwości mechaniczne
Duża twardość
Twardość
Vickersa
Rodzaj materiału
(HV) GPa
Szkło 5  10
Dwutlenek cyrkonu, 10 - 14
azotek aluminium
Korund (Al2O3), 15 - 20
azotek krzemu
Węglik krzemu, 20 - 30
węglik boru
Regularny azotek 40 - 50
boru CBN
Diament 60  70 >
Wysoki moduł Younga
Właściwości mechaniczne  c.d.
Właściwości mechaniczne  c.d.
Mała wytrzymałość na zginanie;
Praktycznie nie ma odkształcenia plastycznego:
w ceramice kowalencyjnej nie ma płaszczyzn
gęsto upakowanych, silne wiązania więc brak
ruchu dyslokacji; w ceramice jonowej silne
wiązania, odpychanie elektrostatyczne hamuje
ruch dyslokacji, jest bardzo niewiele systemów
poślizgu; w ceramice amorficznej odkształcenie
może przebiegać jak lepki przepływ, jednak
lepkość szkła jest bardzo duża w temperaturze
pokojowej.
Kruchość
Pękanie ceramiki
Pękanie ceramiki
Niestabilna propagacja pęknięcia
Pękanie gwałtownie, bez ostrzeżenia
Gładka powierzchnia pęknięcia
Pękanie wymaga małej energii, cały proces
przebiega na powierzchni pęknięcia.
Naprężenie, przy którym ceramika pęka zależy
nie tylko od właściwości materiału ale również
od wielkości i kształtu pęknięć.
Pękanie ceramiki
Pękanie ceramiki
Porowatość zmniejsza moduł Younga
zmniejszając tym samym odporność na pękanie.
Wygrzewanie w wysokiej temperaturze (z
powstaniem faz ciekłych) powoduje zmniejszenie
porowatości.
Sposoby podwyższenia odporności na pękanie:
zmiana kierunku pęknięcia;
wykorzystanie przemiany fazowej;
mikropęknięcia;
mostkowanie pęknięć.
ZrO2 + Al2O3
Si3N4
Właściwości mechaniczne  c.d.
Właściwości mechaniczne  c.d.
Porównanie właściwości stali i ceramiki
Właściwości Jednostki Stal na SiC
Właściwości Jednostki Stal na SiC
w temp. łożyska
w temp. łożyska
pokojowej
pokojowej
Gęstość g/cm3 7,8-7,9 3,2-3,3
Gęstość g/cm3 7,8-7,9 3,2-3,3
Moduł GPa 200-210 315-320
Moduł GPa 200-210 315-320
Younga
Younga
Twardość HV10 700 1600
Twardość HV10 700 1600
Przewodność &! cm 10-4-10-6 1012-1015
Przewodność &! cm 10-4-10-6 1012-1015
elektryczna
elektryczna
przewodnik izolator
przewodnik izolator
Zastosowania
Zastosowania
A
ożyska hybrydowe
A
ożyska hybrydowe
Narzędzia tnące
Narzędzia tnące
Elementy silników
Elementy silników
Elementy absorbujące energię
Elementy absorbujące energię
Części narażone na korozję
Części narażone na korozję
Zastosowania - dielektryki
Zastosowania - dielektryki
Elektronika  dielektryki, kondensatory
Elektronika  dielektryki, kondensatory
ceramiczne
ceramiczne
Zastosowanie  przewodzące jonowo
Zastosowanie  przewodzące jonowo
SOFC:solid oxide fuel cell
Ogniwa paliwowe:
Ogniwa paliwowe:
Jako elektrolit wykorzystuje się w nich
najczęściej ceramikę ZrO2 domieszkowaną
CaO.
Jony tlenu są wytwarzane przy katodzie
wskutek jej katalitycznego działania na
powietrze; wędrują one następnie przez
ceramiczną membranę;
Jony wodoru są wytwarzane przy anodzie, np.
z metanu, również dzięki katalitycznemu
działaniu materiału anody;
Reakcja tlenu z wodorem generuje elektrony.
Sprawność wynosi około 60%(<100 kW).
Zastosowanie  przewodzące jonowo
Zastosowanie  przewodzące jonowo
Baterie
Baterie
Składniki baterii:
" Anoda(-): wysyła elektrony: Li Li++ e-
metale, np.Zn, Li
" Katoda(+): przyjmuje elektrony: MnIVO2+ e-MnIIIO2
tlenki metali, np. MnO2, LiVO2, LiNiO2, LiCoO2, LiCrO2
" Elektrolit:
przewodnik jonowy o zaniedbywalnymprzewodnictwie
elektronowym; (szkła i ceramiki przewodzące jony litu)
ciecze takie jak roztwory soli,
Czujniki gazu
Czujniki gazu
Zastosowania  odporność na korozję
Zastosowania  odporność na korozję
Medycyna
Medycyna
Farmacja
Farmacja
Przemysł chemiczny
Przemysł chemiczny
Przemysł motoryzacyjny
Przemysł motoryzacyjny
Przemysł maszynowy
Przemysł maszynowy
Zastosowania  ceramika narzędziowa
Zastosowania  ceramika narzędziowa
Ceramika narzędziowa to:
Ceramika narzędziowa to:
ceramika tlenkowa (na tlenku aluminium),
ceramika tlenkowa (na tlenku aluminium),
tzw. biała,
tzw. biała,
ceramika mieszana, tlenkowo-węglikowa,
ceramika mieszana, tlenkowo-węglikowa,
tzw. czarna,
tzw. czarna,
ceramika umocniona wiskerami,
ceramika umocniona wiskerami,
ceramika azotkowa, tzw. szara,
ceramika azotkowa, tzw. szara,
ceramika SiAlON
ceramika SiAlON
Zastosowania  ceramika narzędziowa
Zastosowania  ceramika narzędziowa
Al2O3  najwyższa odporność na zużycie chemiczne,
Al2O3  najwyższa odporność na zużycie chemiczne,
wysoka twardość, odporność na ściskanie w temp.
wysoka twardość, odporność na ściskanie w temp.
powyżej 1000�C
powyżej 1000�C
Al2O3 + TiC + TiN  węgliki i azotki umacniają
Al2O3 + TiC + TiN  węgliki i azotki umacniają
dyspersyjnie ceramikę tlenkową podwyższając jej
dyspersyjnie ceramikę tlenkową podwyższając jej
ciągliwość i twardość
ciągliwość i twardość
Al2O3 + ZrO2 + SiC (wiskery)  jest to kompozyt
Al2O3 + ZrO2 + SiC (wiskery)  jest to kompozyt
wytwarzany technologią spiekanie-HIP
wytwarzany technologią spiekanie-HIP
Si3N4  do toczenia i frezowania odlewniczych stopów
Si3N4  do toczenia i frezowania odlewniczych stopów
żelaza przy dużych posuwach i prędkościach, z
żelaza przy dużych posuwach i prędkościach, z
możliwością stosowania cieczy obróbkowych
możliwością stosowania cieczy obróbkowych
SiAlON  ceramika o strukturze � , utworzonej jako
SiAlON  ceramika o strukturze � , utworzonej jako
roztwór stały Al2O3 w odmianie alotropowej �- Si3N4 (do
roztwór stały Al2O3 w odmianie alotropowej �- Si3N4 (do
~60% tlenku)
~60% tlenku)
Zastosowania - warstwy
Zastosowania - warstwy
Nakładanie metodami CVD lub PVD,
Nakładanie metodami CVD lub PVD,
warstwy twarde o grubości 6-12 �m;
warstwy twarde o grubości 6-12 �m;
TiC, TiN, Al2O3, Ti(C,N,O)
TiC, TiN, Al2O3, Ti(C,N,O)
pokrycia wielowarstwowe: TiC-TiN lub TiC-
pokrycia wielowarstwowe: TiC-TiN lub TiC-
Ti(C,N)-TiN do narzędzi skrawających;
Ti(C,N)-TiN do narzędzi skrawających;
diament
diament