Tworzywa ceramiczne – właściwości,

otrzymywanie i zastosowanie

AGATA KOCOŃ
IM 42

Plan prezentacji

1. Ceramika – definicja i budowa

materiałów ceramicznych

2. Właściwości
3. Klasyfikacja materiałów ceramicznych

i zastosowanie

3.1. Ceramika inżynierska
3.2. Ceramika porowata
3.3. Szkła
5. Otrzymywanie
6. Literatura

DEFINICJA I BUDOWA
MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

Materiały ceramiczne to nieorganiczne

związki metali z tlenem, azotem, węglem,
borem i innymi pierwiastkami, w których
atomy połączone są

wiązaniem

jonowym

i

kowalencyjnym

.



W ceramice możemy mieć do czynienia ze
strukturą szklistą, całkowicie krystaliczną lub
mieszaną szklistą i krystaliczną.



Ceramiki

jonowe

Budowa materiałów
ceramicznych



Ceramiki kowalencyjne

Budowa materiałów
ceramicznych

Związki chemiczne w ceramice

- AX, gdy materiał ceramiczny ma równą

liczbę kationów i anionów. (A – kation, X –

anion)
- A

m

X

p

, gdy ładunki na kationach i

anionach nie są jednakowe
- AmBnXp, gdy w ceramice występuje

więcej niż jeden typ kationu (oznaczone A i

B)

PbTiO

3

Właściwości materiałów
ceramicznych

zależą od:



rodzaju atomów obecnych w materiale



rodzaju wiązań chemicznych między
atomami



sposobu ułożenia atomów



występowania defektów

Właściwości tworzyw
ceramicznych:

- odporność na działanie wysokich

temperatur
- odporność na działanie czynników

chemicznych i odporność na korozję
- mała odporność na szoki cieplne
- dobre właściwości mechaniczne
- dobre właściwości dielektryczne i

izolacyjne
- duża twardość
- mała wytrzymałość na rozciąganie
- kruchość

Klasyfikacja materiałów
ceramicznych i zastosowanie



Najogólniej do szeroko

rozumianych materiałów
ceramicznych zaliczamy:



Ceramikę specjalną

(inżynierską oraz funkcjonalną)



Ceramikę porowatą



Ceramikę naturalną



Szkła

Klasyfikacja materiałów ceramicznych i
zastosowanie

Ceramika specjalna wytwarzana poprzez spiekanie

w wysokich temperaturach bardzo czystych
związków, takich jak: tlenki, azotki, węgliki, także
diamentu – bez udziału fazy ciekłej.

W stanie stałym: ma postać krystaliczną bez

udziału fazy szklistej.

Ceramika inżynierska

Oparta na tlenkach

:

Al

2

O

3

, ZrO

2

, MgO, SiO

2

Materiały ceramiczne tlenkowe stosowane jako materiały o

wysokiej ognioodporności powinny charakteryzować się:

wysoką temperaturą topnienia

powinny składać się ze stabilnych faz nie wykazujących

skłonności do zachodzenia w reakcję chemiczną

Właściwości:
- odporność na ścieranie, na korozję, na zużycie
- wysoka wartość krytyczna
współczynnika intensywności naprężeń
- bioinercja Zastosowanie:

łożyska ślizgowe

narzędzia skrawające i do przeróbki plastycznej
elementy w energetyce i w przemyśle lotniczym

wykładziny komór spalania

endoprotezy

Ceramika tlenkowa



Ceramika węglikowa oparta na węglikach

:



Ceramika azotkowa oparta na azotkach:



Ceramika oparta na borkach:

Właściwości:
Wytrzymałość wysokotemperaturowa
Niski współczynnik tarcia
Dobre przewodnictwo ciepła SiC Zastosowanie:
Odporność na ścieranie - Energetyka

Oporność chemiczna - Tuleje cylindrowe

- Elementy pomp i armatury

- Narzędzia skrawające



-Silniki i turbiny

Ceramika węglikowa, azotkowa i borkowa

Złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików czy

azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich
stopów stanowiących lepiszcze.

Klasyfikacja:

-węgliki
-azotki
-węglikoazotki
-borki
-tlenki

Wytwarzanie: metodą metalurgii proszków
ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od

temperatury topnienia każdego ze składników.

Zastosowanie:

- obróbka wykańczająca stali nierdzewnych czy ferrytycznych

- elementy pracujące w wysokich obciążeniach

- materiały odporne na zużycie, korozje i ścieranie

- elementy pieców

Cermetale

Nazywana ceramiką tradycyjną lub wielkotonażową dlatego, że

obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe
lub stosowane w technice sanitarnej czy w gospodarstwach
domowych.

Charakteryzuje się 5-15% udziałem porów oraz sporym udziałem fazy

szklistej otaczającej składniki krystaliczne.

Surowce do produkcji:
korund, tlenek krzemu i woda

Ceramika porowata

Typowy skład materiału przed

wypalaniem

%

kwarc SiO2

25

glina plastyczna drobnoziarnista

25

kaolin

25

skaleń potasowy Al2O3*2SiO2*2H2O

25

Ceramika szlachetna



Fajans- wyroby ceramiczne o porowatym czerepie
barwy białej lub kremowej, pokryte szkliwem.



Porcelana- tworzywo ceramiczne,

często szkliwione, o silnie spieczonym
białym, przeświecającym czerepie,
o dużej wytrzymałości mechanicznej
i elektrycznej.



Kamionka- wyroby ceramiczne o

niskiej porowatości i szarym lub brunatnym czerepie.

Ceramika porowata



Ceramika budowlana – wyroby o niskim
przewodnictwie cieplnym i niskiej wytrzymałości
mechanicznej.



Ceramika ogniotrwała – ogniotrwałość wyższa niż
1500 st.C – odporność na zmiany temp. w dużym
zakresie temperatur, odporność chemiczna na
działanie żużla, szkła i stopionych metali.



Terakota - materiał składający się z gliny
ogniotrwałej, skalenia, piasku kwarcowego i
tlenków metali. Cechuje się dużą odpornością na
ścieranie.



Materiały nieorganiczne, schłodzone

do stanu stałego bez krystalizacji



Bezpostaciowe

(uporządkowanie bliskiego zasięgu)



Odporne chemicznie



Stanowią izolacje cieplne i elektryczne



Przeźroczyste dla światła widzialnego



Mają pośredni stan struktury pomiędzy stanem

ciekłym a stałym

Składniki szkłotwórcze:

tlenek krzemu, boru i fosforu

Modyfikatory:

tlenek sodu, potasu, magnezu i

wapnia

Szkła

Surowce do produkcji
szkła:



Piasek kwarcowy



Stłuczki szklane



Topniki



Substancja uszlachetniająca

Etapy produkcji szkła:



Przygotowanie zestawu szklarskiego



Zasypanie mieszanki do pieca



Topienie mieszanki w piecu donicowym lub wannie szklarskiej



Obniżenie temperatury i wyrabianie masy



Formowanie w automatach przez wydmuchiwanie i formowanie

kształtu lub wyciąganie tafli szklanej (szkło płaskie) albo

wylewanie na warstwę stopionego metalu (szkło float)

Szkła



Z surowców naturalnych (glina, kwarc, kaolin,
skalenie)



Z proszków otrzymywanych metodami
chemicznymi

Etapy otrzymywania wyrobów ceramicznych:



1. Wytworzenie proszku



2. Przygotowanie masy roboczej



3. Formowanie (wyciskanie pasma z tłoczarki,
odlewanie z gęstwy ceramicznej, prasowanie w
formach stalowych, odlewanie cienkich folii)



4. Spiekanie poniżej temp. topnienia ~1500-2100
st.C



5. Obróbka końcowa np. obróbka cieplna

Otrzymywanie materiałów
ceramicznych

Cele:



Nadanie kształtu i wymiaru



Zagęszczenie proszku (konsolidacja masy)



Nadanie wstępnych właściwości mechanicznych

Główne nurty formowania:



Masy suche – masy proszkowe



Masy mokre – formowanie z gęstwy (zawiesina

cząstek stałych w substancji nośnej)



Masy mieszane – plastyczne (bez utraty

ciągłości np. glina)

Formowanie

Charakterystyka
gęstwy do odlewania:



możliwie mała

zawartość wody



mała lepkość

zapewniająca dobre wypełnienie formy



szybkie i łatwe odchodzenie czerepu od

ścianek formy w czasie schnięcia



duża stabilność i mała skłonność do

sedymentacji

Odlewanie z gęstwy



Granulowanie



Prasowanie (np. jednoosiowe dwustemplowe, izostatyczne)

Prasowanie jednoosiowe:



Formowanie tylko prostego kształtu, powtarzalność wymiarów



Niehomogeniczna gęstość w środku wypraski



Metoda prosta, tania, nie wymaga specjalistycznego sprzętu

Prasowanie izostatyczne:



Homogeniczna gęstość



Dowolny kształt



Możliwość stosowania dużych ciśnień



Brak tarcia proszku o ścianki



Bezproblemowe wyciągnięcie

wyrobu



Droga aparatura

Formowanie z mas suchych



Proces podstawowy w technologii
otrzymywania materiałów ceramicznych



Zbiór drobnych ziaren przekształca się w
sposób trwały w lity polikryształ



Proces samorzutny, ponieważ wiąże się z

obniżeniem nadmiarowej energii

powierzchniowej układu

Spieknie

Po odpowiednim zaformowaniu
tworzywa ceramiczne wygrzewa się
w wysokich temperaturach.

Literatura

1. Dobrzański L.; Metaloznawstwo z podstawami nauki o

materiałach; Warszawa; Wydanie 5

2. Pampuch R.; Współczesne materiały ceramiczne; Uczelniane

Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne; Kraków 2005

3. Hetmańczyk M.; Podstawy nauki o materiałach; Wydawnictwo

Politechniki Śląskiej; Gliwice 1999/2

4. http://zasoby.open.agh.edu.pl/~10smgzyl/index.php?

module=articles

&action=show&name=wstep-budowa-materialow
5. http://www.immt.pwr.wroc.pl/~maciek/bk/MiBM/5-CERAMIKA.pdf
6. http://www.certech.pl/ceramika_techniczna.html
7. http://mt.ch.pw.edu.pl/file/ceramika1.pdf
8. http://mailgrupowy.pl/shared/resources/20985,materialoznawstwo
/65377,materialoznawstwo-referat-mat-ceramiczne