AKADEMIA MORSKA W SZCZECINIE

ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

MATERIAŁOZNAWSTWO OKRĘTOWE

Instrukcja do ćwiczenia laboratoryjnego

Temat laboratorium: CERAMIKA, SZKŁO.

SZCZECIN

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

2

Celem laboratorium jest:

- poznanie podstawowych rodzajów materiałów ceramicznych;
- poznanie podstawowych rodzajów szkła;
- poznanie podziału materiałów ceramicznych;
- poznanie podziału szkła;
- przedstawienie próbek najbardziej popularnych materiałów ceramicznych.

Wiadomości podstawowe

Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji

mineralnych (glinka iłowa, kaolin

1

, glinka zwykła, glinka garncarska, margiel

2

ilasty, łupek

3

ilasty,

less

4

, kwarc

5

, mika

6

itd.), czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Współcześnie do

ceramiki zalicza się niekiedy wszystkie te materiały, które nie są metalami, polimerami lub
kompozytami, a więc również substancje nieorganiczne i organiczne. Przykłady bardzo
popularnych materiałów ceramicznych to: krzem, german, beton, diament, a nawet lód. Ze względu
na rodzaj występujących wiązań chemicznych rozróżnia się ceramikę jonową i kowalencyjną.
Materiały ceramiczne mogą być krystaliczne, częściowo krystaliczne lub amorficzne

7

(szkła

ceramiczne). Niekiedy osobno wymienia się szkło, aczkolwiek na ogół uznaje się je za podgrupę
materiałów ceramicznych.

Materiały ceramiczne należą do najwcześniej wykorzystywanych przez człowieka.

Narzędzia krzemienne oraz materiały budowlane z kamienia i gliny były wytwarzane już
w czasach prahistorycznych. Naczynia z gliny zaczęto wypalać ok. 8000 lat p.n.e., sposób
wytwarzania szkła odkryto ok. 4000 lat p.n.e., a betonu — w czasach rzymskich. W ciągu wieków
zakres zastosowań ceramiki poszerzał się ze względu na jej dużą odporność termiczną i chemiczną,
szczególne właściwości elektryczne, dużą wytrzymałość i trwałość.

Właściwości materiałów ceramicznych

Najważniejsze właściwości materiałów ceramicznych to:

• twardość;

• kruchość;

1

kaolin - (glinka porcelanowa) – skała osadowa zawierająca w swym składzie głównie kaolinit, a także kwarc i mikę;

kaolin powstaje na skutek wietrzenia skał magmowych, metamorficznych i osadowych, jest "tłusty" w dotyku, ma
barwę - białą, szarą, żółtawą do brunatnej lub błękitnawa; kaolin stosowany jest w ceramice (dodawany przy produkcji
dachówek), przemyśle chemicznym i papierniczym;

2

margiel - skała osadowa, zwykle szara; składa się z węglanów (wapnia lub magnezu) i minerałów ilastych, używany

do wyrobu cementu, także jako nawóz mineralny (sztuczny);

3

łupek - grupa skał o zróżnicowanym składzie i o charakterystycznej teksturze łupkowej; zwykle przeważa w nich

jeden składnik, który nadaje danemu rodzajowi łupka swoje charakterystyczne cechy;

4

less - pylasta skała osadowa zwięzła, składająca głównie się z drobnych okruchów kwarcu, nawianych przez wiatry

wiejące od strony lądolodu; less to osady powstałe podczas plejstoceńskich zlodowaceń; less ma barwę żółto-brązową;

5

kwarc – jeden z najbardziej popularnych na świecie minerałów, należący do rodziny krzemianów, stosowany

szczególnie w przemyśle budowlanym, ceramicznym, szklarskim, przy produkcji materiałów ściernych w jubilerstwie,
elektronice i przy produkcji detergentów;

6

mika – grupa minerałów zaliczana do grona krzemianów, stosowana najczęściej jako dielektryk w kondensatorach,

do izolowania wycinków w komutatorach, do produkcji gumy, jako posypka do papy, do izolowania elementów
elektrycznych i elektronicznych;

7

ciało amorficzne – jest ciałem stałym, ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, zbliżony

bardziej do ułożenia cząstek w cieczach; z tego powodu nazywa się to ciało również cieczą przechłodzoną. W stanie
amorficznym występują zwykle substancje, które są zdolne do krystalizacji, ale ze względu na duży rozmiar
cząsteczek, zanieczyszczenia lub szybkie schłodzenie cieczy, nie mają warunków, aby w pełni skrystalizować;

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

3

• duża odporność cieplna;

• ogniotrwałość;

• duża odporność na korozję;

• duża wytrzymałość mechaniczna;

• duża wytrzymałość na ściskanie;

• mała wytrzymałość na rozciąganie;

• duży opór cieplny i elektryczny.

Klasyfikacja materiałów ceramicznych

Materiały ceramiczne można sklasyfikować w następujących grupach:

• materiały węglowe, grafit np. szczotki w elektronarzędziach, w urządzeniach

elektrycznych i energetycznych, zbrojenie w sprzęcie sportowym turystycznym,
okrętowym, motoryzacyjnym;

• materiały budowlane np. cegły, pustaki, dachówki, beton, cement, tynki;

• posadzki np. gress, terakota;

• materiały ścierne np. ściernice, tarcze szlifierskie, kamienie, osełki a także Al

2

O

3

, płótna

i papiery ścierne, kule do mielenia;

• narzędzia skrawające np. noże tokarskie, frezy, wiertła;

• elementy konstrukcyjne np. łożyska ceramiczne, zawory wydechowe;

• szkło np. szyby, butelki, wazony, aparatura laboratoryjna;

• ceramika elektrotechniczna np. rezystory, kondensatory, tranzystory, płytki drukowane,

diody;

• porcelana stołowa, fajans, porcelit;

• materiały ogniotrwałe np. szamot, tygle, cegły, cement.

Ceramika i jej budowa

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

liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali. Zbudowane są z następujących
grup materiałów:

• materiały plastyczne (gliny, kaoliny) ułatwiające formowanie;

• materiały schładzające (piasek) zmniejszające kurczliwość; podczas suszenia

i wypalania;

• topniki, które ułatwiają proces wiązania cząstek.

Podział materiałów ceramicznych

Ceramika dzieli się zależnie od struktury jaką posiada na:

• wyroby ceramiczne o czerpie porowatym (otrzymywanie przez wypalanie

w temperaturach niższych od temperatury spiekania użytych surowców);

• wyroby ceramiczne o czerpie nieporowatym (otrzymywane przez wypalane

w temperaturach wyższych od temperatury spiekania użytych surowców).

Ceramikę można podzielić ze względu na zastosowanie na:

• ceramikę wielkotonażową (zwana również ceramiką porowatą);

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

4

• ceramikę specjalną;

• szkło;

• ceramikę szklaną.

Ceramika wielkotonażowa

Ceramika wielkotonażowa (porowata), obejmuje przede wszystkim materiały budowlane,

ceramikę sanitarną, ogniotrwałą, produkty ścierne, produkty porcelanowe i emaliowane.
Wyrabiana jest ona z następujących składników:

• glina

8

;

• krzemionka

9

;

• skaleń

10

.

Ceramika porowata obejmuje produkty z gliny oraz materiały ogniotrwałe i charakteryzuje

się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głownie z Al

2

O

3

,

SiO

2

występujących w różnych proporcjach.

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

temperaturze, stosowanym w celu odprowadzenia wody. W skład ceramiki porowatej zaliczamy
również cement i beton, wytwarzane w wyniku wypalania w wysokiej temperaturze, przemielenia
uzyskanego w ten sposób klinkieru w drobny proszek i następnie tężenia i twardnienia, po
zmieszaniu z wodą i drobnoziarnistym piaskiem – w przypadku zaprawy cementowej, lub z wodą
piaskiem i kruszywem – w przypadku zaprawy betonowej.

Ceramika ogniotrwała - stosowana jest na piece przemysłowe i na wymurówki kadzi na

ciekłe metale, pracujące w temperaturze do ok. 1700

o

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.

Klinkier - materiał budowlany o gładkiej powierzchni i przekroju zawierającym czarny

pasek - grafit, otrzymuje się przez wypalenie glin wapienno-żelazistych, wapienno-magnezowych
lub żelazistych w temperaturze ok. 1300

o

C. Zależnie od składu ma zabarwienie szaro-stalowe,

wiśniowe lub brązowe. Dzieli się na:

• klinkier budowlany (cegła klinkierowa);

• klinkier drogowy (kostka nawierzchniowa);

• klinkier łupany (kształtki okładzinowe narażone na działanie chemikaliów).;

• klinkier posadzkowy (płytki podłogowe).

8

glina - ilasta skała osadowa, powstała w okresie czwartorzędu w wyniku nagromadzenia osadów morenowych; barwa

gliny zależy od zawartości i stopnia utlenienia koloidalnych cząsteczek uwodnionych tlenków żelaza i manganu; w
warunkach utleniających przeważają barwy od żółtej poprzez czerwoną do brunatnej; glina od zarania dziejów stanowi
podstawowy surowiec ceramiki; do ręcznego formowania wyrobów ceramicznych używane są wysokoplastyczne i
plastyczne gliny biało oraz barwnie wypalające się, znane na świecie pod nazwą "ball clay"; dzisiaj stanowią one
cenny surowiec do produkcji ceramiki sanitarnej i płytek ceramicznych;

9

krzemionka SiO

2

– tlenek krzemu, jest substancją bardzo twardą, topi się w temperaturze 1723

o

C, można jednak

obniżyć tą temperaturę dodając topniki; jest bardzo odporna chemicznie i nie reaguje z niczym oprócz wrzącego,
stężonego roztworu wodnego KOH i NaOH; jest podstawowym składnikiem szkła kwarcu, silikażelu;

10

skaleń - Skalenie są glinokrzemianami przestrzennymi potasu, sodu, wapnia, rzadziej baru. Zawierają izomorficzne

domieszki litu, rubidu, cezu, strontu i żelaza

.

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

5

Terakota – produkowana z mieszaniny gliny ogniotrwałej, skalenia, piasku kwarcowego

i tlenków metali (stosowanych jako barwniki). Wypalana jest w temperaturze 1200

o

C. Cechuje się

dużą odpornością na ścieranie . Jest stosowana na płytki podłogowe i dekoracyjne.

Fajans - posiada porowaty czerp barwy kremowej i całkowicie nieprzeświecalny. Jest on

mniej twardy i lżejszy niż porcelana. Na przełomie szary. Wydaje głuchy dźwięk, po pewnym
czasie tworzy się na nim drobna siateczka pękań, nasiąka wodą i brudzi. Ma dużą nasiąkliwość i
mała wytrzymałość mechaniczną. Jest najsłabszym materiałem ceramicznym. Wytwarza się m.in.
fajans twardy (40 % kwarcu), szamotowy, techniczny, sanitarny i stołowy.

Kamionka - należy do wyrobów ceramicznych o skorupie zeszkliwionej jednak nie

przeświecającej. Kamionka bywa biała, szara lub brązowa w zależności od użytych surowców,
najczęściej wyrabiana z gliny kamionkowej z dodatkiem kaolinu i skalenia, pełniących funkcję
topników. Jest wypalana tylko raz, razem ze szkliwem w temperaturze 1200- 1300

o

C. Wyroby

przed wypaleniem posypuje się solą kuchenną. Dzięki czemu na powierzchni wyrobu tworzy się
szklista solna polewa. Dzięki czemu nie przepuszcza wody. Jest twarda, gładka, odporna na
działanie kwasów. Ma zastosowanie w przemyśle chemicznym. Z kamionki wyrabia się naczynia
i okładziny kwasoodporne, przewody do cieczy i gorących gazów, zlewy itp. Charakteryzuje się
wysoką wytrzymałością na ściskanie aż do 800 MPa i wytrzymałością na rozciąganie do 50 MPa.

W zależności od zastosowania kamionkę dzieli się na:

• kamionka kanalizacyjna ( rury);

• kamionka elektrotechniczną (izolatory);

• kwasoodporną (zbiorniki i wanny galwaniczne);

• kamionkę artystyczną (wyroby ozdobne i stołowe);

• kamionkę gospodarczą (rynny, wyroby sanitarne, koryta dla zwierząt).

Porcelana - wyrabiana z mieszaniny bardzo czystych minerałów, takich jak kaolin, kwarc

i skaleń, z ewentualnymi dodatkami. Jest ona szklista, biała. Posiada twarde szkliwo mocno
stopione. Wydaje czysty, metaliczny dźwięk, posiada dużą odporność na wysoką temperaturę
i dużą kwasoodporność, jest twardsza od stali. Z porcelany wyrabia się różnego rodzaju zastawy
stołowe, filiżanki itp. Porcelanę można podzieli ze względu na skład i temperaturę wytwarzania na:

• porcelanę miękką;

• porcelanę twardą.

Porcelana miękka stosowana jest głownie na wyroby artystyczne i zastawy stołowe.

Porcelana twarda stosowana jest również na wyroby stołowe i artystyczne, a także na elementy
elektrochemiczne oraz naczynia i części aparatury chemicznej. Charakteryzuje ją wysoka
wytrzymałość na ściskanie 500 MPa, twardość Mosha 7, a także odporność na działanie kwasów
zasad i soli. Dodatkowo porcelanę twardą można podzielić na:

Porcelana twarda:

• porcelana stołowa ;

• porcelana artystyczna;

• porcelana techniczna;

elektrotechniczna;

chemiczna

dentystyczna

Porcelit jest materiałem pośrednim między porcelaną, a fajansem. Ma kremowy,

przeświecający czerp, wytrzymałość na ściskanie wynosi 300 MPa. Jest tańszy od porcelany, jest
stosowany do wytwarzania przedmiotów użytku codziennego, sanitarnego i laboratoryjnego.

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

6

Ceramika specjalna

Ceramika specjalna nazywana również ceramiką konstrukcyjną to zróżnicowana grupa

materiałów i produktów. Określana jest również mianem ceramiki inżynierskiej lub ceramiki
drobnoziarnistej. Wytwarzana jest w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze bez udziału fazy
ciekłej, bardzo czystych związków np. tlenki, azotki, węgliki, a także diament. Należą do niej
materiały dla elektroniki, na narzędzia skrawające i elementy odporne na ścieranie, tworzywa
ogniotrwale o wysokiej jakości, ceramika stosowana w przemyśle jądrowym, w silnikach
cieplnych, ceramika dla celów medycznych (zwł. na elementy konstrukcji narażonych na działanie
wysokiej temperatury, jak silniki, turbiny gazowe).

Ceramiczne materiały konstrukcyjne (inżynierskie), można podzielić w następujący sposób:

• materiały ceramiczne tlenkowe;

• materiały ceramiczne nietlenkowa.

Materiały ceramiczne tlenkowe

Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al

2

O

3

stosowane są w bardzo wielu

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

Materiały ceramiczne oparte na tlenku cyrkonu ZrO

2

są umocnione w wyniku przemiany

martenzytycznej poprzez powstawanie w warstwie powierzchniowej wysokich naprężeń
ściskających, a dzięki czemu mają one znaczną odporność na zużycie i ścieranie.
Tlenek aluminium Al

2

O

3

stosowany jest do wyrobu: smarów stałych, ścierniw i narzędzi,

elementów maszyn o dużej trwałości i ciasnych tolerancjach wymiarowych, soczewek optycznych,
lamp próżniowych, włókien optycznych, półprzewodników.


Materiały ceramiczne nietlenkowe

Materiały ceramiczne takie jak azotki krzemu Si

3

N

4

, węgliki krzemu SiC i azotki boru BN.

Wykazują one podobną wytrzymałość i ciągliwość w wysokiej temperaturze powyżej 1300

o

C, są

stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą odporność na ścieranie i niski współczynnik
tarcia.

Azotki krzemu stosowane są w: lotnictwie, w turbinach, silnikach rakietowych, a także

w przemyśle okrętowym i motoryzacyjnym 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 służących do cięcia strumieniem wodnym oraz na wysokowydajne narzędzia
skrawające, a także na pojemniki do przechowywania materiałów aktywnych chemicznie,
szczególnie o wysokiej temperaturze.


Przykłady materiałów ceramicznych

Kształtka z masy szamotowej - na okładzinę ognioodporną wielkiego pieca i kadzi –

sprasowane drobinki materiału ceramicznego wypalone w piecu z wysokiej temperaturze, kolor
piaskowy;

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

7

Płytka ceramiczna - z zewnątrz gładka glazura, może być barwiona w różny sposób

i stosowana do różnych celów zarówno jako: płytka podłogowa, płytka ścienna, okapniki, elementy
wykończeniowe itp.

Osełka - przeznaczona do ostrzenia noży, posiada gładką powierzchnię, zazwyczaj ma

kształt podłużnej bryły o przekroju prostokątnym lub innym dostosowanym do kształtu szlifowanej
powierzchni. Osełki są wytwarzane z naturalnych kamieni ściernych lub z ziaren ściernych
połączonych spoiwem ceramicznym. Ziarna te ścierne naturalne to diament, korund, kwarc
a syntetyczne to elektrokorund, węglik krzemu, węglik boru. Osełka diamentowa ma postać
metalowej płytki na której osadzone są ziarna diamentu.

Elektrokorund szlachetny - jest otrzymywany z tlenku glinu o wysokim stopniu czystości

(powyżej 98,5% AIZ03), w procesie wytopu w piecu elektrycznym łukowo oporowym.
Charakteryzuje się najwyższą czystością chemiczna (min. 99% AI203), zawiera najmniej
domieszek, którymi są inne tlenki (Si02,Fe203, CaO, Na20). Ma barwę biała. Z grupy
elektrokorundów jest najbardziej łupliwy, najbardziej kruchy. Ma bardzo ostre, szarpane krawędzie
skrawające. Ma wysoką zdolność skrawania. Ze względu na ostrość i kruchość jest stosowany do
produkcji narzędzi ściernych przeznaczonych do obróbki precyzyjnej twardych stali, wszędzie tam,
gdzie przedmiot szlifowany nie powinien nagrzewać się i przepalać, gdzie zależy nam na tzw.
"chłodnym szlifowaniu". Typowe przykłady zastosowania to: precyzyjne szlifowanie i ostrzenie
narzędzi, szlifowanie płaszczyzn, otworów i wałków, szlifowanie gwintów i kół zębatych.

Węglik wolframu – twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie zależna od udziału

osnowy kobaltowej, stosowany jest najczęściej na narzędzia skrawające, jest podstawowym
składnikiem do produkcji widii.

Węglik tytanu – nie tak ciągliwy jak węglik wolframu, nikiel i molibden stosowane są tu

jako lepiszcze, stosowany jest najczęściej na część roboczą narzędzi skrawających, takich jak np.
skalpele, żyletki.

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

8

Węglik krzemu – żarowytrzymały i odporny na ścieranie, stosowane w turbinach cieplnych

i jako materiał ścierny; Węglik krzemu bywa stosowany do pokrywania powierzchni ciernych
pracujących w wysokich temperaturach, (np.: powierzchnie boczne cylindrów silników), a także
jako osłony termiczne w pojazdach kosmicznych.

Azotek boru – druga najtwardsza substancja po diamencie, stosowany jako narzędzie

skrawające i jako materiał ścierny;

Azotek tytanu – stosowany jako pokrycia ze względu na dużą odporność na ścieranie,

o złotym kolorze;

Azotek krzemu – wysoka odporność na pełzanie i udary cieplne, stosowany w turbinach

cieplnych;

Tlenek aluminium – wysoka twardość, umiarkowana wytrzymałość, stosowany na

narzędzia skrawające, izolatory elektryczne i cieplne;

Tlenek cyrkonu – wysoka wytrzymałość i ciągliwość, rozszerzalność cieplna zbliżona do

żeliwa, stosowany na elementy turbin cieplnych.

Grafit – krystaliczna postać węgla, wysoka przewodność elektryczna i cieplna, dobra

odporność na udary cieplne, stosowany do wyrobu smarów suchych, cegieł ogniotrwałych,
ołówków kreślarskich, naczyń ognioodpornych i elektrod.

Diament – jedna z najtwardszych znanych substancji, dostępny jako monokryształ lub

w postaci polikrystalicznej, stosowany na narzędzia skrawające, ścierniwo, wyrobu wkładek
kalibracyjnych do narzynek, do ciągadeł drutów i włókien sztucznych, do wyrobu
twardościomierzy i igieł fonograficznych, do wyrobu drogocennej biżuterii.


Przykłady zastosowania materiałów ceramicznych

1. Okrętownictwo – zastosowanie ceramiki na elementy układów wydechowych

silników, zawory wydechowe, elementy głowic, wkładki przeciwzużyciowe, denka
tłoków, łożyska, zwarte wymienniki ciepła, elementy pieców i kotłów, rury
ochronne pozwala na zwiększenie odporności na zużycie, korozję, zwiększenie
odporności na naprężenia cieplne, zachowanie stabilności wymiarowej w wysokiej
temperaturze;

2. Energetyka – elementy młynów, elementy pomp, izolatory, końcówki rozpylaczy

zwiększa twardość, odporność na korozję, izolatory elektryczne; w energetyce
jądrowej kontenery do przechowywania odpadów radioaktywnych są wykonywane
z węglika boru z dodatkiem tlenków ołowiu PbO;

3. Obróbka i obrabiarki – narzędzia skrawające, łożyska, elementy pomp, bloki

ciągarek i nawijarek, rolki matryce itd.

4. Medycyna – elementy biomedyczne np. stymulatory serca, pompy krwi, elementy

implantów;

5. Wojsko – elementy pancerza pojazdów bojowych, okrętów, samolotów

i helikopterów np. prasowany na gorąco węgli boru B

4

C, spiekany korund Al

2

O

3

,

węglik krzemu SiC.

Minerał

Twardość

Mosha

Gęstość

Kwarc SiO

2

7

2,65 g/cm

3

Mika

2-3

2,75 – 3,4 g/cm

3

Węglik krzemu SiC

9,5

Al

2

O

3

9

Diament

10

3,47-3,56 g/cm

3

Skaleń

6 – 6,5

2,54 – 2,76 g/cm

3

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

9

Cermetale

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

równomiernie rozmieszczonych w osnowie metalowej, o udziale masowym 5 – 15 %. Materiały te
są zaliczane do ceramiki specjalnej, a czasami jako materiały kompozytowe. Zostaną więc
dokładniej omówione w trakcie tematu nr 10 „Kompozyty MMC, PMC”.


Szkło i ceramika szklana

Jest to szczególny rodzaj ceramiki, zalicza się tu materiały nieograniczone, głównie tlenki,

których stan fizyczny jest stanem pośrednim pomiędzy stanem ciekłym, a stałym. Szkła są
materiałami bezpostaciowymi, w których występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu. Szkło
otrzymywane jest ze stopionej mieszaniny odpowiednich materiałów (tlenków), która przy
chłodzeniu ze stanu ciekłego przechodzi w stan szklisty, odpowiadający przeobrażonej cieczy
przechłodzonej. Temperatura przeobrażenia zależy od składu chemicznego szkła i wynosi 400 –
600

o

C dla zwykłych szkieł sodowo-wapiennych, a 1200

o

C dla szkła kwarcowego.

W temperaturach niższych od temperatury przeobrażenia szkło wykazuje właściwości ciał stałych,
jest twarde, sztywne i kruche.

Najważniejszym minerałem wykazującym zdolności szkłowotwórcze jest krzemionka

(SiO

2

), która wchodzi w skład wszystkich szkieł znajdujących praktyczne zastosowanie.

Inne materiały szkłowotwórcze to:

• trójtlenek boru;

• dwutlenek germanu;

• pięciotlenek fosforu;

• tlenki arsenu;

• fluorek berylu.

Właściwości szkła:

• gęstość szkła – 2,1 – 6,5 g/cm

3

;

• współczynnik rozszerzalności cieplnej – od 5 do 10*10

-6 o

C

-1

;

• twrdość Mosha 5 – 7;

• wytrzymałość na rozciąganie 40 – 100 MPa (po hartowaniu nawet do 300 MPa);

• wytrzymałość na ściskanie 600 – 1200 MPa;

• odporność na działanie czynników atmosferycznych;

• odporność na działanie niektórych rozcieńczonych kwasów i zasad;

• odporność na działanie podwyższonej temperatury;

• przezroczystość;

• gładkość i połysk powierzchni;

• niepalność;

• łatwość kształtowania w stanie plastycznym;

• nieprzenikalność dla cieczy i gazów;

• mała przewodność cieplna i elektryczna;

• kruchość;

• wrażliwość na zmiany temperatury.

Podział szkła wg przeznaczenia:

• szkło budowlane;

• szkło okienne (płaskie płyty o grubości 2 – 6 mm) ;

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

10

• szkło zbrojone (płaskie płyty z wtopioną siatką metalową, stosowane do szklenia

i na ścianki działowe);

• szkło na elementy budowlane (luksfery);

• szkło matowe i deseniowe;

• marbity (płyty o różnej grubości i barwie stosowane jako ozdobne wykładziny).

Podstawową cechą szkła budowlanego jest mały współczynnik pochłaniania dźwięku,

a duży współczynnik jego odbicia, dzięki czemu uzyskuje się izolacyjność akustyczną.
Produkowane jest najczęściej ze szkła krzemowo – sodowo – wapniowego w następujących
proporcjach 72 % SiO

2

, 12 % CaO i Na

2

O.

Szkło techniczne można podzielić na następujące grupy:

• szkło laboratoryjne – bardzo odporne na działanie chemikaliów i wysokiej

temperatury, stosowane na naczynia laboratoryjnei części aparatury chemicznej,
farmaceutycznej i biologicznej; produkowane jest najczęściej z 70-80 % SiO2, 10-
16%B

2

O

3

, do 6 % Al

2

O

3

, 3,5-5 % Na

2

O, 0,5 – 2,3 K

2

O;

• szkło elektrochemiczne izolatorowe o dużej elektrycznej oporności właściwej, małej

stratności dielektrycznej i dużej wytrzymałości mechanicznej, stosowane na
izolatory nisko i wysokonapięciowe;

• szkło elektropróżniowe – bardzo podobne właściwości do szkła

elektrochemicznego,

ale

dodatkowo

posiada

odpowiedni

współczynnik

rozszerzalności cieplnej pozwalający na łączenie go z metalami; stosowane między
innymi na, lampy radiowe, lampy kineskopowe, rurki neonowe;

• szkło optyczne – absolutna jednorodność i bezbarwność, odprężone termicznie,

stosowane na soczewki, pryzmaty, lustra i inne elementy przyrządów optycznych;

• szkło kwarcowe – (95 % SiO

2

) najbardziej odporne szkło na działanie

rozcieńczonych kwasów z wyjątkiem kwasu fluorowodorowego, ale mało odporne
na działanie zasad, odporne na szybkie zmiany temperatury i działanie wysokich
temperatur, posiada duży opór właściwy; stosowane na elementy przyrządów
optycznych, aparatury laboratoryjnej odpornej cieplnie i chemicznie;

• szkło specjalne – strzykawkowe, lustrzane oświetleniowe, ognioodporne,

ampułkowe, ochronne itp.

Szkło gospodarcze - stosowane na wyroby gospodarstwa domowego lub przedmioty

ozdobne, jest najczęściej szkłem krzemowo-sodowo-wapniowym z dodatkami zwiększającymi
przezroczystość i połysk, (K

2

O, BaO, ZnO, B

2

O

3

). Kryształ również zalicza się do szkła

gospodarczego, charakteryzuje się on dużym współczynnikiem załamania światła i pięknym
dźwiękiem.

Szkło na opakowania – to szkło krzemowo-sodowo-wapienne zawierające dodatkowo

Al

2

O

3

i Fe

2

O

3

. Służy do wyrobu wszelkiego rodzaju szklanych opakowań dla przemysłu

spożywczego, chemicznego, farmaceutycznego, kosmetycznego i innych.

Szkło bezpieczne – szkło te posiada szczególnie korzystne właściwości wytrzymałościowe

i jest trudno tłukące. Można tu wyróżnić szkła:

• szkło bezpieczne zbrojone – po uderzeniu pęka ale nie rozpada się na niebezpieczne

kawałki; stosowane w budownictwie;

• szkło bezpieczne wielowarstwowe - po uderzeniu pęka, ale nie rozpada się na

niebezpieczne kawałki; stosowane w urządzeniach mechanicznych , osłonach lamp
kineskopowych;

• szkło bezpieczne hartowane – po uderzeniu rozpada się na drobne kawałki

i zaokrąglonych krawędziach; stosowane w urządzeniach mechanicznych , osłonach
lamp kineskopowych, optyce.

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

11

Grupę szkieł dodatkowo wzbogacają takie materiały jak: szkło piankowe, włókna szklane,

wata szklana, szkło krystaliczne.

Szkło piankowe produkowane jest na bazie zmielonego szkła i dodatków gazotwórczych,

np. wapieni. Powstały materiał porowaty charakteryzuje się małą przewodnością cieplną i dużą
zdolnością pochłaniania dźwięków. Stosowanie jest jako materiał izolujący cieplnie i akustycznie.

Włókna szklane wytwarza się z różnych gatunków szkła, zależnie od potrzeb, przez

wyciskanie ciekłego szkła przez oczko o średnicy 0,793 – 3,175 mm i następnie szybkie ciągnienie.
Średnica elementarnych włókien wynosi od 1 do 15

µm, wytrzymałość na rozciąganie 700 – 4000

MPa, gęstość 2,5 – 2,7 g/cm

3

, a temperatura mięknięcia 500 – 800

o

C. Stosuje się je na tkaniny

techniczne, dekoracyjne i ochronne oraz do zbrojenia tworzyw sztucznych.

Rozróżnić można kilka rodzajów włókien szklanych o różnym składzie chemicznym

i właściwościach:

• włókna szklane E – zawierają aluminio-boro-krzemian, o ogólnych

zastosowaniach i wymaganej wysokiej wytrzymałości i rezystywności;

• włókna szklane S – zawierają aluminio-krzemian magnezu o wysokiej

wytrzymałości na rozciąganie, stosowane głownie do celów militarnych;

• włókna szklane C – sodowo-wapienno-borokrzemianowe, ze względna swoją

stabilność

chemiczną

stosowane

są

w

materiałach

kompozytowych

kontaktujących się lub zawierających kwasy.

Wata szklana jest wytwarzana z luźnych włókien szklanych o średnicy około 30

µm.

Stosowana jest bardzo często jako materiał termoizolacyjny.

Szkło krystaliczne tzw. Agalit. Charakteryzuje się tym iż jest nieprzezroczysty, o barwie

beżowej, posiada jednorodną drobnoziarnistą strukturę, wysoką wytrzymałość mechaniczną, dużą
odporność na ścieranie i dużą twardość oraz wysoką temperaturę mięknięcia. Stosowane jest na
części aparatury chemicznej i laboratoryjnej (np. moździerze.)

Podział szkieł wg wyglądu:

• szkło przezroczyste;

• szkło zmącone.

Podział szkieł wg składu chemicznego

• szkło krzemowo-sodowo-wapniowe (tzw. szkło zwykłe);

• szkło borowo-krzemowe;

• szkło boranowe;

• szkło cyrkonowe

• szkło kobaltowe;

• szkło kryształowe;

• szkło kwarcowe;

• szkło ołowiowe.

Właściwości mechaniczne szkła poddanego obciążeniom szybko wzrastającym są podobne

do właściwości ciał stałych. Przy obciążeniach zmieniających się bardzo wolno szkła zachowują
się jak ciecze newtonowskie

.

Ceramika szklana

Nazywana jest również pyroceramiką, powstaje przez krystalizację (odszklenie) masy

szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej,

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

12

bez porowatości, z pozostałością fazy szklistej ok. 2 %. Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji
szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Cu, Ag lub Au pod wpływem
promieniowania ultrafioletowego. Materiał ten ma znacznie większą odporność na udary cieplne
niż szkła.

Ceramikę szklana stosowana jest najczęściej na naczynia stołowe żarowytrzymałe, formy

do pieczenia i gotowania, zwierciadła teleskopowe, osłony anten radarowych, osłony urządzeń
radiotechnicznych, szpice pocisków oraz na posadzki w budownictwie przemysłowym.

Wymagane wiadomości

W celu poprawnej analizy próbek i zrozumienia istoty przeprowadzanych badań,

wymagana jest znajomość następujących pojęć:

• definicja materiału ceramicznego;

• klasyfikacja materiałów ceramicznych;

• podział materiałów ceramicznych;

• zastosowanie materiałów ceramicznych;

• podział szkła;

• zastosowanie szkła.

Przebieg laboratorium

Ćwiczenie „Ceramika, szkło" podzielone jest na dwie części: teoretyczną i praktyczną,

realizowane w jednym bloku (90 min.).

Część teoretyczna dotyczy:

1. wprowadzenie do tematu;
2. omówienie podstawowych pojęć związanych z materiałami ceramicznymi;
3. przedstawienie podstawowych rodzajów materiałów ceramicznych na podstawie

próbek przygotowanych do zajęć;

4. przedstawienie skali Mosha.

Część praktyczna w pełni realizowana przez studentów:

1. wykonać szkice próbek materiałów ceramicznych w skali makro, które zostały

przedstawione na zajęciach opisując:

• sposób wykonania elementu;

• materiał z jakiego został wykonany;

• inne przykłady zastosowania danego materiału ceramicznego;

2. wykonać pomiary twardości próbek materiałów ceramicznych:

• opisać próbkę;

• zanotować twardość w skali Mosha;

• zidentyfikować materiał ceramiczny z którego została wykonana próbka;

• podać inne przykłady zastosowania danego materiału ceramicznego.

3. wykonać oznaczenie gęstości i porowatości przygotowanych próbek

ceramicznych zgodnie z PN – EN 623-2;

Sprawozdanie

Sprawozdanie powinno zawierać:

1. Cel ćwiczenia;
2. Wiadomości podstawowe dotyczące materiałów ceramicznych i szkła;

AKADEMIA MORSKA - ZAKŁAD INŻYNIERII MATERIAŁÓW OKRĘTOWYCH

Ceramika, szkło

13

3. Opis przebiegu ćwiczenia;
4. Rysunki i opis poszczególnych próbek;
5. Rysunki i tabele pomiarowe poszczególnych próbek.
6. Wnioski.

Literatura

1. Prowans Stanisław – „Materiałoznawstwo”, PWN, Warszawa 1984;
2. Przybyłowicz Karol - „Materiałoznawstwo w pytaniach i odpowiedziach”, WNT,

Warszawa 2000;

3. Domke Wilhelm – „Vademecum Materiałoznawstwa”, WNT, Warszawa 1977.
4. Bukat Andrzej, Rutkowski Władysław, „Teoretyczne podstawy procesów spiekania”

Wydawnictwo Śląsk;

5. Pampuch Roman, „Podstawy inżynierii materiałów ceramicznych” ,PWN, Warszawa 1971;
6. Pampuch Roman, „Materiały Ceramiczne - Zarys Nauki o materiałach nieorganiczno –

niemetalicznych”, PWN, Warszawa 1988;

7. Pampuch Roman, „Zarys Nauki o materiałach - materiały ceramiczne” , PWN, Warszawa

1977.