MATERIAA
Y DLA
ELEKTRONIKI
MATERIAA
Y CERAMICZNE
Definicja ceramiki
Materiały ceramiczne to zło\
one zwiÄ…zki
o wiÄ…zaniach jonowych lub atomowych cechujÄ…ce siÄ™
du\
ą trwałością chemiczną i termiczną. Zawierają
pierwiastki metaliczne i niemetaliczne. Podobnie jak
metale materiały ceramiczne mogą występować
w stanie krystalicznym lub amorficznym.
Ceramika obejmuje materiały składające się w
stanie stałym głównie z substancji nieorganicznych,
otrzymywanych zazwyczaj przez spiekanie.
Współcześnie do ceramiki zalicza się wszystkie te
materiały, które nie są metalami, polimerami lub
kompozytami, a więc równie\
substancje
nieorganiczne (do wa\
nych materiałów nale\
Ä…
półprzewodniki: german, krzem), organiczne, beton,
diament, a nawet lód. Podobnie jak metale, ceramika
mo\
e występować w stanie krystalicznym lub
amorficznym (szkła ceramiczne). Niekiedy osobno
wymienia się szkło, aczkolwiek na ogół uznaje się je
za podgrupÄ™ ceramiki.
Materiały ceramiczne są zło\
one z co najmniej
dwóch elementów, a często i większej ich liczby, a
ich struktura krystaliczna jest bardziej zło\
ona ni\

metali. Między atomami w tych materiałach
występują wiązania chemiczne:
jonowe
kowalencyjne
mieszane (jonowe + kowalencyjne)
W materiałach ceramicznych z wiązaniami jonowymi
zachodzi przekazywanie jednego lub więcej
elektronów walencyjnych między sąsiednimi,
uczestniczÄ…cymi w wiÄ…zaniu atomami i tworzenie
przeciwnie naładowanych jonów.
W materiałach ceramicznych z wiązaniami
kowalencyjnymi elektrony walencyjne ró\
nych
pierwiastków tworzą pary elektronów nale\
Ä…ce
wspólnie do jąder dwóch atomów.
Materiały ceramiczne mają strukturę krystaliczną lub
mieszaną zło\
oną zarówno z kryształów jak i z
substancji szklistej. Przewa\
nie występują struktury
mieszane, wielokrystaliczne zło\
one z
rozmieszczonych w masie szklistej ró\
nych grup
kryształów.
PODZIAA
MATERIAA
ÓW CERAMICZNYCH
Materiały ceramiczne dzielimy na:
ceramikÄ™ porowatÄ…,
ceramikÄ™ technicznÄ….
CERAMIKA TECHNICZNA
CeramikÄ™ tÄ™ mo\
emy podzielić na:
ceramikę funkcjonalną, w skład której wchodzą:
elektroceramika,
magnetoceramika,
optoceramika,
nukleoceramika.
ceramikÄ™ konstrukcyjnÄ… (in\
ynierską), w skład której wchodzą:
bioceramika,
termoceramika,
mechanoceramika (silnikowa, maszynowa, narzędziowa,
ścierna).
kompozyty ceramiczne (cermetale).
PROCES
OTRZYMYWANIA
Surowce
Podstawowymi surowcami do wyrobu ceramiki sÄ…:
Glina  składająca się z bardzo drobnych ziaren
uwodnionego krzemianu glinu
Krzemionka  krystaliczna odmiana SiO2, zwana
równie\
kwarcem
Skaleń  glinokrzemian metali alkalicznych
stanowiÄ…cych mieszaninÄ™: skalenia potasowego,
skalenia sodowego i skalenia wapniowego
Kolejność podstawowych stadiów procesu ceramicznego nie zawsze jest
taka sama dla wszystkich materiałów ceramicznych.
Poni\
ej przedstawiono kolejność trzech pierwszych stadiów procesu
ceramicznego dla ceramiki właściwej, szkła i materiałów wią\
Ä…cych.
I stadium II stadium III stadium
FORMOWANIE OGRZEWANIE
PROSZEK
Masa ceramiczna ze
sproszkowanego Formowanie
Utrwalanie kształtu
CERAMIKA
surowca mineralnego lub plastyczne, odlewanie
przez wypalanie
preparowanego plastyczne, prasowanie
WA
AÅšCIWA
i spiekanie
chemicznie, głęboko na sucho
przetworzonego
PROSZEK OGRZEWANIE FORMOWANIE
Formowanie metodÄ…:
Zestaw szklarski
odlewania,
z kwarcu z Å‚atwo
Topienie w wannie lub
walcowania,
SZKA
O
topliwymi materiałami
donicy
dmuchania lub
(topnikami)
prasowania
OGRZEWANIE PROSZEK FORMOWANIE
Wypalanie minerałów
Odlewanie, ubijanie
Drobny przemiał dla
lub mieszanin
MATERIAA
Y
lub prasowanie
uzyskania du\
ej
mineralnych dla
z dodatkiem wody
WI
Å›
CE
powierzchni reakcji
osiągnięcia stanu
i wypełniaczy
reaktywnego
Ceramika
piezoelektryczna
Ceramika piezoelektryczna obejmuje materiały
ceramiczne, wykazujÄ…ce efekt piezoelektryczny.
Zjawisko piezoelektryczne występuje w kryształach
nie mających środka symetrii i polega na powstaniu
pola elektrycznego pod wpływem wytworzonych
naprÄ™\
eń mechanicznych.
Typowymi przedstawicielami ceramiki
piezoelektrycznej sÄ…:
tytanian baru (BaTiO3) w którym przez podstawienie
Ba i Ti przez jony, np. Ca, Pb mo\
na uzyskać
szeroką gammę właściwości
cyrkonian - tytanian ołowiu Pb(ZryTi1-yO3), tzw. PZT
Ceramika magnetyczna
Ceramika magnetyczna obejmuje grupę tlenków o
właściwościach ferromagnetyków. Charakterystyczną
ich cechą jest występowanie w materiale domen
ferromagnetycznych zawierających atomy, których
momenty magnetyczne sÄ… zorientowane w tym
samym kierunku.
Słabe pole magnetyczne wywołuje namagnesowanie
materiału ferromagnetycznego przez rozrost domen,
których momenty magnetyczne są zbli\
one do
kierunku pola - kosztem domen sÄ…siednich.
Ceramika
ferroelektryczna
Ferro elektryki są materiałami dielektrycznymi o
bardzo du\
ej przenikalności elektrycznej, w których
występuje spontaniczne uporządkowanie dipoli
elektrycznych przy braku zewnętrznego pola
elektrycznego. UporzÄ…dkowanie dipoli ma charakter
domenowy.
Ze względu na występowanie w ferroelektrykach
struktury domenowej, zale\
ność podatności
elektrycznej od natÄ™\
enia zewnętrznego pola
elektrycznego jest nieliniowa, czego przejawem jest
występowanie histerezy.
Ceramika dielektryczna
W ceramice dielektrycznej wykorzystuje siÄ™
występującą w tych materiałach znaczącą
polaryzacjÄ™ elektrycznÄ… w polu elektrycznym. Jest
ona szczególnie widoczna u wielu tlenków
ceramicznych, gdzie pod wpływem zewnętrznego
pola elektrycznego środki cię\
kości ładunku
dodatniego kationów i ujemnego anionów rozsuwają
siÄ™ i powstajÄ… dipole elektryczne.
Głównymi przedstawicielami ceramiki dielektrycznej
sÄ…:
tytanian baru (BaTiO3)
tytanian strontu (SrTiO3)
Wysoka stała dielektryczna pozwala konstruować z
tych materiałów miniaturowe wielowarstwowe
kondensatory, filtry mikrofalowe oraz
wielkogabarytowe kondensatory du\
ej mocy.
Ceramika w elektronice
i elektrotechnice
RODZAJE MATERIAA
ÓW
ELEKTROCERAMICZNYCH
Wg normy PN-86/E-06301 materiały elektroceramiczne dzieli się na
grupy:
1. Grupa 100 - porcelana elektrotechniczna
2. Grupa 200 - tworzywa steatytowe, forsterytowe
3. Grupa 300 - tytaniany
4. Grupa 400 - kordieryt, celsjan
5. Grupa 500 - materiały szamotowe
6. Grupa 600 - materiały mulitowe
7. Grupa 700 - ceramika korundowa
8. Grupa 800 - ceramika tlenkowa
GRUPA 100
W grupie tej znajduje siÄ™ ceramika elektrotechniczna.
" Prasowana, krystobalitowa, wysokoglinowa
ZASTOSOWANIE: elementy konstrukcyjno- izolacyjne osprzętu
elektrotechnicznego, izolatory wysoko i niskonapięciowe, izolatory
aparatowe o bardzo du\
ej wytrzymałości mechanicznej, u\
ywana
w produkcji elementów izolacyjnych np. korpusy i główki
bezpieczników
GRUPA 200
W grupie tej znajdujÄ… siÄ™ tworzywa wykonane ze steatytu i
forsterytu.
" STEATYT
ZASTOSOWANIE: elementy konstrukcyjno- izolacyjne urządzeń
niskonapięciowych, izolatory wysoko i niskonapięciowe o du\
ej
wytrzymałości mechanicznej i podwy\
szonej temperaturze
eksploatacji, elementy izolacyjne w urzÄ…dzeniach
elektronicznych
" FORSTERYT
ZASTOSOWANIE: elementy lamp elektronowych, elementy
konstrukcyjno- izolacyjne do pracy w obwodach wielkiej
częstotliwości
GRUPA 300
W grupie tej znajdujÄ… siÄ™ tytaniany.
" Na bazie dwutlenku tytanu, tlenków tytanu, tytanianu
wapnia, bizmutu, baru
ZASTOSOWANIE: kondensatory do obwodów wielkiej
częstotliwości, kondensatory kompensacyjne do obwodów
rezonansowych, części i podzespoły urządzeń elektronicznych,
elementy piezoelektryczne
GRUPA 400
W grupie tej znajdujÄ… siÄ™ tworzywa wykonane z kordierytu i
celsjanu.
" KORDIERYT
ZASTOSOWANIE: elementy Å‚ukoodporne i \
aroodporne o
temperaturze pracy do 1200°C
" CELSJAN
ZASTOSOWANIE: korpusy cewek do urządzeń wielkiej
częstotliwości, elementy pracujące w podwy\
szonych
temperaturach
GRUPA 500
W grupie tej znajdują się materiały szamotowe.
" Porowate, talkowo-szamotowe, wysokoglinowe
ZASTOSOWANIE: elementy izolacyjno- konstrukcyjne
elektrycznego sprzętu grzejnego o temperaturze przewodów
grzejnych, elementy komór łukowych i osłon przeciwiskrowych
GRUPA 600
W grupie tej znajdują się materiały mulitowe.
" Materiały mulitowe lub korundowo- mulitowe
ZASTOSOWANIE: elementy izolacyjno- konstrukcyjne do pracy
w wysokich temperaturach np. rury, osłony termoelementów,
elementy konsrukcyjno- izolacyjne w elektronice
GRUPA 700
W grupie tej znajduje siÄ™ ceramika korundowa.
" Materiał korundowy o ró\
nej zawartości Al2O3
ZASTOSOWANIE: elementy izolacyjno- konstrukcyjne do pracy
w wysokich temperaturach np. rury, osłony termoelementów,
izolatory wysokiego napięcia, elementy izolacyjne w
urządzeniach półprzewodnikowych i w układach scalonych
GRUPA 800
W grupie tej znajduje siÄ™ ceramika tlenkowa.
" MgO, ZrO2, BeO
ZASTOSOWANIE: elementy izolacyjno- konstrukcyjne do
specjalnych urządzeń elektrotechnicznych, urządzeń
pró\
niowych, lamp elektronowych
Zadania
Zadanie nr 1. Uzupełnij tabelę:
Zadanie nr 2. Wymień i opisz elementy ceramiczne
znajdujące się na zademonstrowanych płytkach/układach
Zadanie nr 3. Wymień i materiały zaliczane do
dielektryków ceramicznych
1. PRZYGOTOWANIE SUROWCÓW I
MAS
Składa się z trzech etapów:
a) mlyn wibracyjny b) mieszadlo smiglowe-beltacz
a) rozdrabnianie
b) mieszanie
c) ujednoradnianie
c) prozniowa prasa pasmowa
Lopatki Rozdrabniacz
Polaczenie z pompa
prozniowa
Proznia
gotowa do formowania masa
Slimak
2. FORMOWANIE
Formowanie- proces, który przemienia bezkształtną ceramiczną
masę formierską w zwarty, wytrzymały kompakt o określonej
geometrii i mikrostrukturze.
A) suche metody formowania
prasowanie osiowe
prasowanie izostatyczne
B) mokre metody formowania
formowanie ręczne
toczenie
wytłaczanie
Prasowanie izostatyczne
Prasowanie izostatyczne w mokrej matrycy
Podczas prasowania izostatycznego w mokrej matrycy stosowane sÄ…
ciśnienia dochodzące do 500 MPa w przypadku prasowania du\
ych
bloków i płoszek.
wypelnienie elastycznej umieszczenie wypelnionej prasowanie dekompresja przed
matrycy matrycy w naczyniu wyjeciem wypraski z
cisnieniowym matrycy
Formowanie szablonem (toczenie)
Formowanie tÄ… metodÄ… odbywa siÄ™ za pomocÄ… szablonu na formie
gipsowej przez toczenie płaskie lub wgłębne. Metodą tą formuje się
wyroby płaskie lub wgłębione o symetrii osiowej.
szablon stalowy
formowany lisc
masy plastycznej
forma gipsowa
obrotowa glowica
wrzeciona formierskiego
trzpien obrotowy
(wrzeciono)
3. UTRWALENIE NADANEGO KSZTAA
TU
I KSZTAA
TOWANIE WA
ASNOÅšCI
WYROBU PODCZAS WYPALANIA;
Proces wypalania materiałów glinokrzemianowych i tlenkowych
polega na ogrzewaniu wyrobów w powietrzu według ustalonego
programu temperaturowego.
C
B
A-B podgrzewanie
1000
B-C wytrzymywanie wsadu
C-D studzenie wsadu
500
D
A
0
CZAS [h]
Wzorcowa krzywa wypalania
Temperatura wypalania zmienia siÄ™ w zale\
ności od rodzaju
materiału, a szczególnie od składu i uziarnienia surowców.
Z grubsza mo\
na ją określić:
" zwykÅ‚e wyroby glinokrzemianowe 1150 ÷ 1250°C
" porcelana elektrotechniczna 1200 ÷ 1300°C
" porcelana ogniotrwaÅ‚a, steatyt 1250 ÷ 1500°C
" ceramika z tlenku glinu <96% 1350 ÷ 1650°C
" ceramika z tlenku glinu >96% 1550 ÷ 1800°C
" ceramika z tlenków: MgO, ZrO2, BeO 1500 ÷ 1900°C
Do wypalania ceramiki nietlenkowej , a tak\
e wielu rodzajów
ceramiki technicznej, konieczne jest stosowanie specjalnych metod
wypalania w atmosferach gazowych o odpowiednio dobranym
składzie.
Piec tunelowy do wypalania porcelany
ogrzane przez stygnace wyroby
nadmiar ogrzanego
powietrze do palnikow
komin
powietrza do suszarni
wyciag
palniki
strefa podgrzewania chlodzenie
kierunek przesuwania sie wozkow kierunek przeplywu gazow
Podsumowanie
Jak, widać zastosowanie ceramiki w przemyśle
elektronicznym ma szeroki zakres zastosowania,
począwszy od elementów izolacyjnych do bardzo
skomplikowanych części (układy hybrydowe).
Badania prowadzone nad zastosowaniem ceramiki
ze względu na swoje wartości chemiczne, fizyczne i
metalurgiczne prowadzone na skalÄ™ globalnÄ…. Jest to
dowód na to, \
e ceramika to przyszłość......
Bibliografia
 Mała Encyklopedia Techniki , wydanie IV, Warszawa
1973 PWN
 Encyklopedia Powszechna PWN , Warszawa 1975
Materiały pomocnicze  Internet
 Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo ,
WNT Wydawnictwa Naukowo-Techniczne,
Dobrzański Leszek A.