MATERIAAY CERAMICZNE:
Ceramika konstrukcyjna
Materiały węglowe
Szkoło
Inne rodzaje ceramiki
CERAMIKA KONSTRUKCYJANA :
Ceramikę stanowią materiały niemetaliczno-nieograniczone o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach
międzyatomowych.
Wytwarzane zazwyczaj w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem
nieodwracalnych reakcji , chociaż do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i
cement.
CECHY CHARAKTERYSTYCZNE MATERIAAÓW CERAMICZNYCH
Niski ciężar właściwy
Wysoka twardość, odporność na ścieranie
Wysoki moduł Younga
Wysoka wytrzymałość na ściskanie
Niska wytrzymałość na rozciąganie
Niska odporność na pękanie (K ) ą duża kruchość
IC
Niska rozszerzalność cieplna
Mała przewodność cieplna i elektryczna
Wysoka temperatura topnienia (2000-4000oC)
Dobra żaroodporność i żarowytrzymałość
Mała odporność na szybkie zmiany temperatury ( szoki cieplne)
Wysoka trwałość chemiczna i odporność na korozję
TWORZYWA CERAMICZNE PODZIAA
MATERIAAY CERAMICZNE
SZKOAO CERAMIKA MARERIAAY CERAMIKA SPECJALNA MATERIAAY MATERIAAY
TRADYCYJNA OGNIOTRWAAE MATERIAAY ŚCIERNE M
HIGH-TECH
MATERIAAY
BUDOWLANE
MATERIAAY MATERIAAY
CERAMIKA
KONSTRUKCYJNE FUNKCJONALNE
TECHNICZNA
BIOCERAMIKA
CERAMIKA
SZLACHETNA
ELEKTROCERAMIKA
CERAMIKA
(& )?CERAMIKA
SANITARNA
CERAMIKA KONSTRUKCYJNA:
Ceramika tlenkowa:
- materiały tlenkowe: Al O , ZrO , BeO, MgO
2 3 2
- materiały krzemianowe: porcelana, elektrotechnika, mulit, steatyt, kordieryt
Ceramika beztlenowa:
- Azotki: Si N , TiN, BN
3 4
- Węgliki: SiC, TiC, BC, WC
- Borki: TiB , ZrB , TaB
2 2
- Materiały węglowe: diament, grafit
CERAMIKA SPECJALNA:
Materiały ceramiczne o wysokich właściwościach
Otrzymywanie z głęboko przetworzonych surowców naturalnych oraz syntetycznych o
wysokiej i kontrolowanej czystości
Proste i złożone tlenki , węgliki, azotki, borki, krzemiany
Spiekanie w wysokich temperaturach (bez lub z niewielkim udziałem fazy szklistej)
Wytwarzane w różnych postaciach: monokryształy, polikryształy, cienkie warstwy, materiały
włókniste, materiały amforiczne
CERAMIKA TLENOWA
Al O tlenek glinu elementy o wysokiej odporności
2 3
ZrO2 tlenek cyrkonu mechanicznej
BeO tlenek berylu elementy konstrukcyjne reaktorów jadrowych
CaO tlenek wapnia kształtki
MgO tlenek magnezu ogniotrwałe
PODSTAWOWE WAASNOSCI:
ż Twardość ( HV = 15 GPa)
KRUCHOŚĆ
ż Sztywność ( moduł Younga do 400 MPa)
ż Odporność chemiczna (zwłaszcza w środowisku utleniającym)
ż Ogniotrwałość ( 2000-3000 oC)
ż Niska odporność na wstrząsy cieplne
OBSZARY ZASTOSOWAC : & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & & &
CERAMIKA WGLOWA
WGLIKI
SPIEKI WGLIKOWE WGLIKI SPIEKANE
SiC, B4C, TiC, ZrC WC + Co
( cermetale)
-wysoka twardość - odporność na pękanie
- sztywność - b. dobre właściwości skrawające
- odporność na pełzanie
- odporność chemiczna
Węglik wolframu (WC)
Ma najwyższą (6000oC)temp wrzenia spośród znanych związków
Z powodu jego dużej twardości używa się go w narzędziach tnących, pociskach,
wygładzarkach i łożyskach, jako tańsza i bardziej odporną na działanie temp alternatywę
diamentu
Węglik wolframu jest również używany, ze względu na odporność na zarysowania w
jubilerstwie (bransoletki do zegarków, obrączki ślubne)
Jego następnym po cBN najtwardszym materiałem
CERMETALE (WGLIKI SPIEKANE należą do CERMETALI)
CERMETAL = PROSZEK CERAMICZNY + METAL
Stanowią tworzywo o większej wytrzymałości mechanicznej niż materiały ceramiczne i o większej
odporności na działanie wysokich temperatur niż metale.
(obrazek)
WGLIKI SPIEKANE
Są to materiały uzyskiwane drogą spiekania o składzie:
Ponad 70% węglików
Reszta metale grupy żelaza
Węgliki:
Wolframu WC, W C Główne składniki
2
Tytanu TiC węglików spiekanych
Tantalu
Niobu uzupełniające
Chromu
Molibdenu
METALE: kobalt, nikiel, żelazo, chrom
Obszar zastosowań: nóż tokarski z wymienną płytką z węglika spiekanego, frez z wkładkami z
węglików spiekanych, ostrza piły tarczowej z węglików spiekanych
CERAMIKA AZOTKOWA
MeYNX
JONOWE KOWALENCYJNE METALICZNE
np. Be N np. Si N , AIN, BN np. TiN, TaN, CrN
3 2 3 4
wysoka temp. topnienia Wysoka odporność: - wysoka twardość
-mechaniczna -wysoka temp. topnienia
-termiczna - odporność chemiczna
- chemiczna
TWORZYWA AZOTKOWE
Si N - najlepsze tworzywo wysokotemperaturowe do pracy pod obciążeniem
3 4
Sialony oparte na: Si Al O N
sialon roztwór stały Si N + Al O
3 4 2 3
AIN najwyższe przewodnictwo cieplne wśród ceramik = 280 W/mK
BN najtwardszy (zaraz po diamencie)
AZOTEK BORU
Regularny azotek boru BN
Azotek boru o strukturze regularnej (CBN) jest drugim po diamencie najtwardszym materiałem
narzędziowym. Odporny na utlenianie do temp 1297oC (podczas gdy diament przy temp 897oC
ulega grafityzacji). Podstawową zaletą regularnego azotku boru jest możliwość obróbki stali, w
tym zahartowanych, do twardości 70 HRC, żeliw utwardzonych oraz stopów kobaltu.
SIALONY: sialon roztwór stały Si N + Al O
3 4 2 3
- właściwości mechaniczne równe Si N
3 4
- właściwości fizyczne zbliżone do Si N
3 4
- właściwości chemiczne bardziej zbliżone do Al O
2 3
Gęstość, g -1 3,25 Moduł Younga, GPa 300
Temp rozkładu, C Moduł ścinania, GPa
Współczynnik
rozszerzalności cieplnej K -1 3,1 * 10-6 Wytrzymałość, MPa 950
Przewodność cieplna 30 K MPa * m 7,7
W=(m*k)-1
Przewodność elektryczna &! 10 -20 Twardość Vickersa, GPa 17 * 37
cm -1
Odporność na wstrząs 500 - 800
cieplny, K
Zastosowanie:
- narzędzia skrawające
- dysze spawalnicze (5 mln operacji, a stal 7000)
- łożyska kulkowe i ślizgowe (współczynnik tarcia 2x mniejszy niż Si N )
3 4
- ustniki do odlewania stopionych metali
Max V [m/min] żelazo stal
WC + Co 250 5
Al O3 600
2
sialon 1100 120
CERAMIKA CYRKONOWA
Główny składnik ZrO oraz tlenki itru, magnezu i wapnia. Pod względem wytrzymałości na
2
zginanie i odporności na pękanie zaliczana do lepszych materiałów konstrukcyjnych!
Właściwości mechaniczne:
Wytrzymałość na ściskanie, min.: 1890 MPa
Wytrzymałość na zginanie, min.:1020 MPa
Odporność na pękanie: 3-10 MPa* m t/2
Moduł Younga 205 GPa
Własności tribologiczne, samosmarowność
Wysoka odporność na ścieranie
Niska przewodność cieplna = 1-25W/mK
ELEMENTY MASYZN I LINII PRODUKCYJNYCH:
Gniazda i grzybki zaworów
Wirujące dysze agregatów czyszczących
Matryce i tłoczniki do prasowania i tłoczenia
Ciągadła i bębny ciągarek
Rolki, popychacze i bolce ustalające
Wyłożenia linii transportujących
Dysze i mikrodysze trudnościeralne
MATERIAAY WGLOWE
Węgiel występuje w przyrodzie w postaci kilku odmian alotropowych
Grafit
Diament
Węgiel amorficzny
Fulereny
Nanorurki
Grafen
GRAFIT :
- struktura warstwowa
- słabe wiązania Van Der Waalsa pomiędzy warstwami
- dobre własności smarne
- b.dobre przewodnictwo elektryczne
-wysoka wytrzymałość
- dobra stabilnośc chemiczna w wysokiej temp i atmosfera utleniającej
- wysokie przewodnictwo cieplne
- niski współczynnik rozszerzalności cieplnej
- wysoka odporność na szoki cieplne
- wysoka adsorpcja gazów
- dobra obrabialność
Grafit jest wykorzystywany :
Do wyrobu suchych smarów , płyt i tygii ogniotrwałych
Grafitu do ołówków, elektrod, części poślizgowych
Kontaktów elektrycznych, materiałów polerskich, wypełniaczy kompozytów
Moderatorów moderatorach jądrowych
Czarnych farb absorbujących promieniowanie o dużej energii oraz lakierów chroniących
przed korozją
Sadza:
Jest postaciową odmianą grafitu
Znalazła zastosowanie w przemyśle gumowym i tworzyw sztucznych jako wypełniacz oraz do
produkcji farb i tuszu
DIAMENT:
- wiązania kowalencyjne
- duża twardość
- najtwardszy znany materiał (fulleryt) (10 w skali Mohsa)
- temp topnienia 4000oC
- moduł Younga E=911 GPa
- wykazuje izotropię właściwości we wszystkich kierunkach
- duża gęstość p=3,511g/cm3
- brak przewodnictwa elektrycznego
- doskonałe przewodnictwo cieplne =176W/mK
- duży współczynnik załamania światła, dzięki czemu znalazł zainteresowanie jubilerstwie
WARSTWY DIAMENTOWE I DIAMENTOPODOBNE
Węgiel pirolityczny LTI ( low temperature isotropic carbon)
Węgiel ULTI (ultra-low-temperature-isotropic-carbon)
Węgiel PVD ( psyhical vapour deposited carbon)
DLC ( diamond like carbon)
Właściwości mechaniczne , elektryczne I optyczne podobne do litego diamentu
Zastosowanie:
Narzędzia skrawające
Soczewki o wysokiej przezroczystości i odporności na zużycie
Implanty o dużej biokompatybilności
WGIEL SZKISTY :
otrzymywany w procesie kontrolowanej degradacji niektórych polimerów w temp 900-
1000oC
w fibrylach atomy węgla są uporządkowane w płaskie fragmenty warstw gra fenowych
Właściwości:
stabilny do 3000oC
dobre przewodnictwo cieplne
duza twardość
dobra biotolerancja
WAÓKNA WGLOWE:
Materiał organiczny (prekursor) pak,
żywice, polimery usieciowane
Piroliza
Do 1200oC karbonizacja
Materiały węglowe
(częściowo bezpostaciowe)
2000oC grafityzacja
Materiały grafitowe
(wysoki poziom krystaliczności)
FULERENY:
Są to przestrzennie zamknięte puste wewnątrz cząsteczki czystego węgla typu sp2, w skład
których wchodzi od kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Najbardziej trwałe i dostępne
handlowo odmiany to C i C składające się ze sprężonych pierścieni pięcio i sześciu
80 70
atomowych.
W przyrodzie występuje znikoma ilość fulerenów
Dobrze sublimują i rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych
We wnętrzu cząstki fulereny można również umieścić inne atomy, jony i cząsteczki.
Fuleren C może tworzyć kryształ cząsteczkowy tzw fuieryt
60
Jest to trzecia odmiana alotropowa węgla.
NANORURKI:
Wiele różnych struktur nanorurek węglowych otrzymuje się przez dowolne zwinięcie
struktury grafenu.
Jest to pojedyńcza płaszczyzna grafitu, składająca się wyłącznie z atomów węgla o
hybrydyzacji sp2 o strukturze podobnej do plastra miodu.
Najczęściej spotykana średnica jednościennych nanorurek węglowych zawiera się w
przedziale 0,8-1,6 nm. Największe nanorurki mają średnicę 0,3 - 0,4 nm, natomiast
największe 2,4-2,6nm.
Dobre przewodnictwo elektrycznym i cieplnym
Zazwyczaj przewodnictwo półprzewodnikowe, niektóre przewodnictwo metaliczne
GRAFEN:
Nobel 2010
10x większa wytrzymałość od stali
Wydłużenie sprężyste co najmniej 20%
Dobry przewodnik elektryczny
B.dobry przewodnik cieplny =4500-5500 w/mK
Niemal całkowicie przezroczysty (pochłania zaledwie 2,3% światła)
Możliwość zastąpienia półprzewodników krzemowych
GRAFAN I GRAFYN
Grafan powstaje w wyniku obróbki grafenu w plazmie wodorowej. Do warstw atomów węgla
przyłącza się wodór. (nagrzewanie grafanu do 450oC w ciągu 24h powoduje odłączenie atomów
wodoru i powrót do struktury czystego grafenu) GRAFAN JEST IZOLATOREM!
GRARYN- obecność podwójnych i potrójnych wiazań między atomami węgla, atomy węgla nie
układają się heksagonalnie. GRAFEN JEST BARDZIEJ ELAZTYCZNY NIŻ GRAFEN
SZKOAO jest to substancja przechodząca stopniowo (bez krystalizacji i w sposób odwracalny) ze stany
ciekłego tzn. takiego w którym ich lepkość jest większa od 1013 dPa*S.
Jest to definicja mająca znaczenie historyczne. Obecnie do szkieł zaliczamy także substancje, które w
toku powstawania nie przechodzą przez fazę ciekła np. otrzymywanie metodą zol-żel czy drogą
osadzania z fazy.
Szkło posiada jedynie uporządkowane bliskiego zasięgu zaś brak jest typowego dla kryształów
uporządkowania dalekiego zasięgu.
Sposób rozmieszczenia podstawowych elementów sieci przestrzennej szkła przypomina
rozmieszczenie molekuł w cieczy.
Molekuły te nie posiadają możliwości przemieszczania się, albo możliwość ta jest ekstremalnie mała z
powodu bardzo dużej lepkości.
SUBSTANCJE SZKAOTWÓRCZE
Podstawowym tlenkiem szkłotwórczym jest SiO
2
Jednostką strukturalną krzemionki i krzemianów jest tetraedr [SiO ]-4, który w zależności od
4
stosunku O:Si w substancji może tworzyć droga kondensacji struktury złożone: pierścieniowe,
łańcuchowe, wstęgowe, warstwowe, szkieletowe.
SUROWCE DO PRODUKCJI SZKIEA
PODSTAWOWE
POMOCNICZE
SUROWCE PODSTAWOWE:
A. Tlenki szkłotwórcze Sio , B O , P O tworzą zasadniczą więzbę szkła lub do niej mogą wstąpić
2 2 3 2 5
B. Tlenki modyfikujące Na O, K O, MgO, CaO tworza grupę modyfikatorów więzby szkła.
2 2
Modyfikatory rozrywają lub rozluzniają sieć przestrzenna szkła.
Surowce pomocnicze:
C. Tlenki pośrednie: Al O , PbO, TiO , ZnO, CdO, BeO, ZrO
2 3 2 2
W stanie czystym nie tworzą szkła natomiast nabierają własności szkłotwórczych w obecności
innych tlenków; zastępują jony więzby modyfikując własności szkieł
D. Barwniki : tlenki metali przejściowych, metale szlachetne
Tworzą centra barwne w szkle
SKAAD CHEMICZNY SZKIEA :
1) Szkło gospodarcze
74% SiO piasek
2
10% CaO wapień
16% Na O soda
2
2) Szkoło kryształowe
58% SiO piasek
2
28% PbO - minia
14% K2O - potas
GATUNKI SZKAA:
CECHY SUBSTANCJI ZNAJDUJCYCH SI W STANIE SZKLISTYM
Bezpostaciowość niekrystaliczność
Nietrwałość układu czyli nadmierna energia wewnętrzna sprzyjająca krystalizacji
Izotropowość czyli właściwości od kierunku ich badania w szkle
Zwiększenie się w sposób ciągły lepkości wraz ze spadkiem temp lub zmniejszanie się
lepkości wraz ze wzrostem temp
Duża lepkość w normalnej temp powodująca, ze szkło ma własności mechaniczne podobne
do właściwości ciał stałych
Przezroczystość i przejrzystość
WAASNOŚCI SZKIEA CERAMICZNYCH :
Izotropia budowy i własności
Możliwość modyfikacji składów i właściwości ( addytywność właściwości)
Aatwośc formowania kształtów
Tanie i dostępne surowce
Specyficzne własności : optyczność, twardość, kruchość, inne
Bezpieczne dla środowiska( recykling)
FORMOWANIA SZKAA:
Szkło dzięki możliwości ciągłej regulacji lepkości od stanu cieczy do ciała sztywnego można formowac
metodami formowania plastycznego ( jak metale) tj przez odlewanie, ciąganie, walcowanie,
wyciąganie, tłoczenie itp.
Metodą formowania zależy od lepkości materiału tj od temp zróżnicowanej dla każdego gatunku
szkła.
a) Walcowanie, stosowane przy produkcji płyt szklanych
b) Rozpływanie się ciekłego szkła na powierzchni ciekłej cyny, stosowane przy produkcji szyb
okiennych o gładkiej powierzchni
c) Prasowanie na gorąco między dwiema matrycami, stosowane przy produkcji dużych
izolatorów
d) Rozdmuchiwanie, stosowane do produkcji butelek i żarówek
ODPRŻANIE SZKAA:
Odmienne warunki stygnięcia warstw zewnętrznych i wewnętrznych powodują powstanie
naprężeń termicznych w uformowanym wyrobie, co obniża jego wartośc użytkową lub go
dyskwalifikuje
Odprężenie to proces obróbki termicznej, który ma na celu usuniecie naprężeń termicznych
w wyrobie
Odprężanie prowadzi się w temp, w których lepkość szkła mieści się w przedziale
= 1013 1014,5 P
Czasy relaksacji naprężeń są rzędu minut lub godzin
Proces odprężania kończy kontrolowane chłodzenie
RODZAJE SZKAA:
ż Szkło hartowane
ż Szkło klejone
ż Szkło zbrojone
ż Szkło jenajskie
ż Szkło kwarcowe
ż Szkło sodowe
WYKAADY - CZŚĆ II
MATERIAAY CERAMICZNE
Podział materiałów ceramicznych
Ceramika konstrukcyjna:
o Ceramika tlenkowa
o Ceramika beztlenkowa
Materiały ceramiczne LITERATURA
1. Andrzej R. Olszyna. Ceramika supertwarda. Oficyna Wydawnicza Politechniki
Warszawskiej. Warszawa 2011.
2. Roman Pampuch. Materiały Ceramiczne, zarys nauki o materiałach nieorganiczno-
niemetalicznych. Państwowe Wydawnictwo Naukowe. Warszawa 1988.
3. Kazimierz E. Oczoś. Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna
Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej. Rzeszów 1996.
TWORZYWA CERAMICZNE
Ceramikę stanowią materiały niemetaliczno-nieorganiczne o jonowych
i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych
wytwarzane zazwyczaj w wysokotemperaturowych procesach związanych
z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż
do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement
Przypomnienie& związek nieorganiczny można zdefiniować jako taki, który:
nie posiada atomów węgla w swojej strukturze lub
2-)
jest tlenkiem węgla, kwasem węglowym(H CO ), węglanem (CO ,
2 3 3
wodorowęglanem (HCO-3), węglikiem, cyjano-wodorem (HCN), cyjankiem (CN-),
kwasem cyjanowym (HOCN), piorunowym (HCNO) i izocyjanowym (HONC) wraz z
ich solami.
CERAMIKA TRADYCYJNA
Klasyfikacja materiałów ceramicznych ze względu na zastosowanie
Produkty i materiały ceramiczne:
materiały ogniotrwałe
materiały węglowe, grafit
materiały budowlane
posadzki
materiały ścienne
narzędzia skrawające
elementy konstrukcyjne
szkło
porcelana stołowa, porcelit, fajans
ceramika elektrotechniczna
PODZIAA MATERIAAÓW CERAMICZNYCH:
Materiały ceramiczne:
Szkło
Ceramika tradycyjna:
o Materiały budowlane
o Ceramika techniczna
o Ceramika szlachetna
o Ceramika sanitarna
Materiały ogniotrwałe
Ceramika specjalna materiały ,,HIGH-TECH
o Materiały konstrukcyjne
o Materiały funkcjonalne
ż Bioceramika
ż Elektroceramika
ż Optoceramika
Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych
wysoka temperatura topnienia(2000 4000oC)
niski ciężar właściwy
wysoka twardość, odporność na ścieranie
wysoka wytrzymałość na ściskanie
niska wytrzymałość na rozciąganie
niska odporność na pękanie (K ) duża kruchość
IC
niska rozszerzalność cieplna
mała przewodność cieplna i elektryczna
dobra żaroodporność i żarowytrzymałość
mała odporność na szybkie zmiany temperatury (szoki cieplne)
wysoka trwałość chemiczna i odporność na korozję
wysoki moduł Younga
Właściwości i ważniejsze zastosowania
WAAŚCIOWOŚCI ZASTOSOWANIE
Trwałość w wysokich temp., sztywność i Silniki wysokoprężne, małe turbiny gazowe,
odporność na pełzanie w wysokich temp., wysokotemperaturowe reaktory jądrowe,
wysoki moduł Younga, duża twardość, mała zużywalne części i łożyska, narzędzia do
gęstość. obróbki skrawaniem i obróbki ściernej,
włókna wzmacniające elementy lekkich i
sztywnych konstrukcji cienkościennych, itp.
Biozgodność, odporność na ścieranie Zastosowania medyczne (endoprotezy)
Duża trwałość w wysokich temp., małe Izolacje cieplne, bariery cieplne w
przewodnictwo cieplne urządzeniach i silnikach. Pokrycia ochronne
w budowie lotniczych silników turbinowych
CERAMIKA SPECJALNA
Materiały ceramiczna o wysokich właściwościach
Otrzymywane z głęboko przetworzonych surowców naturalnych oraz syntetycznych o
wysokiej i kontrolowanej czystości
proste i złożone tlenki, węgliki, azotki, borki, krzemiany
spiekanie w wysokich temperaturach (bez lub z niewielkim udziałem fazy szklistej)
wytwarzane w różnych postaciach: monokryształy, polikryształy, cienkie warstwy,
materiały włókniste, materiały amorficzne
CERAMIKA SPECJALNA:
KLASYFIKACJA CERAMIKI ZAAWANSOWANEJ wg kryterium składu fazowego
Ceramika specjalna:
Jednofazowa:
o Gęsta
o Porowata
Wielofazowa:
o Gęsta
o Laminaty włókniste
o Porowata
Obszary ZASTOSOWAC CERAMIKI SPECJALNEJ o różnym stopniu zagęszczenia
TWORZYWA GSTE:
zastosowania konstrukcyjne,
medycyna,
narzędzia do obróbki skrawaniem,
narzędzia ścierne.
TWORZYWA POROWATE:
filtry,
katalizatory,
biomateriały,
izolacje cieplne.
CERAMIKA KONSTRUKCYJNA:
Ceramika tlenkowa:
o Materiały tlenkowe: AL O , ZrO , BeO, MgO,
2 3 2
o Materiały krzemianowe: porcelana elektrotechniczna, mulit, steatyt,
kordieryt
Ceramika beztlenkowa:
o Azotki: Si N , TiN, BN,
3 4
o Węgliki: SiC, TiC, BC, WC,
o Borki: TiB , ZrB , TaB
2 2 2
o Materiały węglowe: diament, grafit
STRUKTURA MATERIAAÓW CERAMICZNYCH
Ceramiki jonowe są to zwykłe związki jednego lub kilku metali z niemetalami (głównie z
tlenkiem, azotem, węglem lub borem), np. Al O , MgO, ZrO
2 3 2,
Ceramiki kowalencyjne są to związki dwóch niemetali (np. SiO , Si N ), lub są czystymi
2 3 4
pierwiastkami, jak np. (diament (C) czy grafit (C)
CERAMIKA TLENKOWA
Ze względu na:
Dostępność surowców
Stosunkowo prostą technologię otrzymywania
Szeroki zakres właściwości
TWORZYWA TLENKOWE stanowią podstawową grupę CERAMIKI KONSTRUKCYJNEJ
CERAMIKA TLENKOWA
Al2O3 tlenek glinu - elementy wysokiej odporności mechanicznej
ZrO2 tlenek cyrkonu - elementy wysokiej odporności mechanicznej
BeO tlenek berylu - elementy konstrukcyjne reaktorów jądrowych
CaO tlenek wapnia - kształtki ogniotrwałe
MgO tlenek magnezu - kształtki ogniotrwałe
CERAMIKA TLENKOWA
Charakterystyczne cechy:
Wiązanie typu jonowego
Otrzymywanie drogą spiekania z proszków
Typowy cykl technologiczny:
PROSZEK FORMOWANIE SPIEKANIE OBRÓBKA KOCCOWA
CERAMIKA TLENKOWA
Podstawowe Własności:
Twardość (HV =15GPa)
Sztywność (Moduł Younga do 400 MPa)
Odporność chemiczna (zwłaszcza w środowisku utleniającym)
Ogniotrwałość (2000 3000!)
Niska odporność na wstrząsy cieplne
Kruchość
CERAMIKA TLENKOWA
Obszary zastosowań:
Elementy konstrukcyjne w przemyśle maszynowym i chemicznym, elektrotechnice i
elektronice,
Materiały ścierne,
Narzędzia do obróbki i metali (skrawanie, tłoczenie),
Materiały ogniotrwałe,
Biomateriały.
CERAMIKA TLENKOWA Al O
2 3
najważniejszy materiał w ceramice specjalnej,
dostępność surowców (ok. 25% składu skorupy ziemskiej),
wszechstronne własności i różnorodne zastosowanie
SZLACHETNE ODMIANY KORUNDU
NAZWA BARWA DOMIESZI
Leukoszafir bezbarwny ..
Rubin czerwony-fioletowy Cr
Szafir niebieski Ti, Fa
Topaz żółty Fe, Ni, Ti
Szafir Fioletowy fiolet Mn, V
Aleksandryt zielony V, Co
ą Al O
2 3
Temperatura topnienia: Tt 2051 ą 9,7 !,
=
Temperatura wrzenia: Tw: 3520 ą 200 !,
Gęstość (1 atm): = 3,96 4,01 g/cm3,
Energia powierzchniowa (temp. pok.): y = 1,2 J/m2,
Współ. rozsz. cieplnej: 5.43 " 10-61/K
Przewodnictwo cieplne: 20 W/mK
Dielektryk: = 1 " 1018 &! " m
ą Al O Właściwości Mechaniczne:
2 3
Moduł Younga (E): 4,61 GPa <0001>
335 GPa <0100>
Moduł Kirchhoffa (G): 187 GPa <0001>
144 GPa <0100>
Krytyczna wartość współczynnika koncentracji naprężeń (K ): do 6 MPa " m1/2
IC
Wytrzymałość na ściskanie: Rc = 10 GPa,
Wytrzymałość na rozciąganie: Rm = 210 MPa,
Twardość: ~ 9 (Mohsa), 15 GPa (Vickers)
ą Al O Właściwości chemiczne:
2 3
najbardziej odporny chemicznie wśród tlenków
w temp. pokojowej odporny na działanie kwasów
na gorąco reaguje z HF i H SO
2 4
mniej odporny na działanie zasad
odporny na działanie atmosfery redukującej (do 1500!)
ą Al O CERAMIKA TLENKOWA
2 3
Al O przykłady zastosowań
2 3
elementy konstrukcyjne maszyn i silników
elementy izolacyjne pieców
elementy aparatury chemicznej
podłoże do katalizatorów i filtry
el. odporne na ścieranie (el. młynów, dysze do rozpylania)
narzędzia do obróbki skrawaniem
narzędzia ścierne
el. konstrukcyjne w elektrotechnice i elektronice
CERAMIKA TLENKOWA
Al O przykłady zastosowań
2 3
osłony termiczne dla przemysłu szklarskiego i metalurgii
termopara
rurka dylatometryczna
ą Al O Al O
2 3 2 3 - PRZYKAADY ZASTOSOWAC
Dysze i hydrocyklony
używane w przemyśle uszlachetniania surowców mineralnych i w górnictwie,
pracują w niekorzystnych warunkach takich jak:
o zmiany prędkości i kierunku przepływającej zawiesiny,
o właściwości ścierne zawiesin,
o korozyjne oddziaływanie zawiesin.
KSZTAATKI KORUDNOWE zwiększenie trwałości
Nurniki i tłoki ceramiczne
w hydraulicznych agregatach zasilających różne urządzenia hydrauliczne w wielu
gałęziach przemysłu m.in. chemicznego, petrochemicznego, wydobywczego,
energetycznego, spożywczego.
Nurniki i tłoki ceramiczne sprawdzają się w stosowaniu do pompowania mediów
korozyjnych oraz zanieczyszczonych.
odporne na ścieranie i odporne chemicznie w całym zakresie pH.
Główki endoprotez
CERAMIKA WGLIKOWA
WGLIKI:
Spieki węglikowe
SiC, B C, TiC, ZrC
4
o Wysoka twardość
o Sztywność
o Odporność na pełzanie
o Odporność chemiczna
Węgliki spiekane
WC + Co (Cermetale)
o Odporność na pękanie
o b. dobre właściwości skrawające
SiC Charakterystyka
Dwie odmiany krystalograficzne:
- SiC regularna (niskotemperaturowa)
- ą SiC heksagonalna (wysokotemperaturowa)
Gęstość: = 3,21 g/cm3,
Współcz. rozsz. cieplnej: 4.3 5.8 x 10-61/K,
Przewodnictwo cieplne: = 170 W/mk
Półprzewodnik
SiC Właściwości Mechaniczne
Moduł Younga (E): ą SiC 490 GPa (monokryształy)
SiC 500 GPa (monokryształy)
polikryształy 390 440 GPa
Moduł sztywności (G): 170 GPa
Krytyczna wartość współczynnika koncentracji naprężeń (K ): 4,5 5,5 MPa " m1/2
IC
Twardość: ~ 9 (Mohsa); 33,4 GPa (Vickers)
Wytrzymałość na zginanie: 650 750 MPa
SiC Właściwości Chemiczne
Wysoka odporność na działanie czynników chemicznych,
Nierozpuszczalny w kwasach organicznych i ich mieszaninach,
Odporny na HF,
Odporny na utlenianie (do 1673 K),
- przed wpływem tleny w niższej temp. chroni go cienka warstwa krzemionki tworząca się
na pow.
Wykazuje pewną wrażliwość na działanie zasad
SiC Podział ze względu na metodę zagęszczania:
Rekrystalizowany RSiC,
Reakcyjnie wiązany RBSiC,
Spiekany swobodnie SsiC,
Prasowany na gorąco HPSiC,
Izostatycznie prasowany na gorąco HIPSiC.
Spiekana jest mieszanina dwóch frakcji proszku SiC:
ż Gruboziarnistej (~20 źm)
ż Drobnoziarnistej (~1 źm)
W temperaturze 2200-2400!.
Drobne ziarna ulegają sublimacji i poprzez fazę gazową rekrystalizują w miejscach kontaktów
dużych ziaren. Materiał spieka się bez skurczu do gęstości ok. 80%.
SiC CERAMIKA BEZTLENKOWA przykłądy zastosowań tworzyw na bazie SiC
Elementy maszyn (części silników, łopatki, wirniki, gniazda zaworów),
Elementy aparatury chemicznej
(mufle pieców, wykładziny reaktorów)
Tarcze hamulcowe SiC
Uszczelki mechaniczne SiC
SiC CERAMIKA BEZTLENKOWA
Przykłady zastosowań tworzyw na bazie SiC
Elementy odporne na ścieranie (dysze do piaskowania, dysze do spawania, ustniki do
cięcia wodnego),
Wymienniki ciepła
Elementy grzewcze
Materiały do obróbki metali (ściernice, przecinaki, proszki ścierne, polerskie)
Elementy konstrukcyjne pieców przemysłowych
Tarcza do szlifowania (włóknina + SiC)
CERMETALE (węgliki spiekane należą do cermetali)
CERMETAL = PROSZEK CERAMICZNY + METAL
Stanowią tworzywo o większej wytrzymałości mechanicznej niż materiały ceramiczne i o
większej odporności na działanie wysokich temperatur niż metale.
Materiały uzyskiwane przez połączenie PROSZKÓW CERAMICZNYCH Z METALAMI
Cermetale:
Tlenkowe
Węglikowe
Borkowe
Krzemkowe
Siarczkowe
STRUKTURY:
ż o szkielecie ceramicznym
ż o szkielecie metalowym
ż o równomiernym rozkładzie faz
ż z obecnością faz pośrednich
ż o budowie warstwowej
W porównaniu z konwencjonalnymi węglikami spiekanymi na bazie WC-Co lub WC-TiC-
NbC-Co cermetale:
ż mają mniejszą gęstość (6-6,5 g/cm3),
ż większą odporność chemiczną,
ż odporność na utlenianie,
ż lepszą wytrzymałość cieplną.
ZASTOSOWANIE:
ż konstrukcyjne
ż narzędziowe
ż do celów chem. i metalurgicznych
ż elektrotechniczne
ż termojądrowe
Węgliki spiekane są to materiały uzyskiwane drogą spiekania o składzie :
ponad 70% węglików
reszta metale grupy żelaza.
Węgliki:
wolframu WC, (W C Główne składniki węglików spiekanych)
2
Tytanu TiC
Tantalu (uzupełniacze)
Niobu
Chromu
Molibdenu
METALE: kobalt, nikiel, żelazo, chrom
WGLIKI SPIEKANE ZASTOSOWANIE:
Narzędzia skrawające, toczenie, frezowanie, szlifowanie,
Matryce do prasowania, prasowania na gorąco, kłucia,
Elementy konstrukcyjne (turbiny gazowe, łopatki, wały silników, części zaworów),
Elementy młynów kulowych (wykładziny, kule),
Elementy urządzeń walcowniczych
CERAMIKA AZOTKOWA
Związki azotu z pierwiastkami bardziej elektrododatnimi niż azot azotki właściwe
oraz niemetalami(fosfor, siarka, tlen).
Azotki właściwe są ciałami stałymi.
Azotki wykazują zróżnicowane właściwości zależne od rodzaju występowania wiązań
chemicznych.
CERAMIKA AZOTKOWA TWORZYWA AZOTKOWE
Związki o wiązaniach kowalencyjnych
WYSOKOTEMPERATUROWA CERAMIKA KONSTRUKCYJNA
Charakterystyczne cechy:
duża wytrzymałość mechaniczna do wysokich temperatur (do 1500 !): 500 900
MPa,
najwyższa odporność na pełzanie (do 1500 !),
b. dobra odporność na wstrząsy cieplne: "T = 700 900 K.
Dobra odporność na agresywne środowiska chemiczne.
CERAMIKA AZOTKOWA TWORZYWA AZOTKOWE
PRZEDSTAWICIELE:
Si N } najlepsze tworzywo wysokotemperaturowe do pracy pod obciążeniem
3 4
Sialony } Si Al. O N.
- sialon Roztwór stały Si N + Al O
3 4 2 3
AIN } najważniejsze przewodnictwo cieplne wśród ceramik 280 W/mk
BN } najtwardszy (zaraz po diamencie)
Si N CHARAKTERYSTYKA
3 4
występuje w dwóch fazach ą i .
- ą niskotemperaturowa do 1450 !
- wysokotemperaturowa
Możliwe jest jedynie przejście z ą
ą, posiadają zbliżone właściwości fizykochemiczne
Gęstość: = 3,19 g/cm3 (ą), = 3,18 g/cm3 (),
Współcz. rozsz. cieplnej: 3,1 3,6 x 10-6 1/!,
Temperatura dysocjacji (100kPa) = 1977 !.
Si N WAAŚCIWOŚCI:
3 4
Przewodnictwo cieplne: = 62,8 W/mk (25!)
= 20 W/mk (1300!)
Opór właściwy: = 1015 1016 &! " m
Moduł Younga: E = 298 GPa
Wytrzymałość na zginanie:
Ą = 990 MPa (25!)
Ą = 740 MPa (1400!)
Twardość (Mohsa): 9
Energia pękania: ł = 45 J/m2
odporność na wstrząsy cieplne: "T = 750! (do 100!)
Czysty proszek Si N jest w normalnych warunkach niespiekany!
3 4
1. Si N spiekany reakcyjnie: RBSN
3 4
2. Si N spiekany: SSN
3 4
3. Si N prasowany na gorąco: HPSN
3 4
4. Si N prasowany izostatycznie na gorąco: HIPSN
3 4
5. Pokrycia Si N z fazy gazowej
3 4
6. Si N spiekany z tlenkami sialony
3 4
AZOTEK BORU
Regularny azotek boru BN
Azotek boru o strukturze regularnej (CBN) jest drugim po diamencie najtwardszym
materiałem narzędziowym
Odporny na utlenianie do Temperatury 2000! (podczas gdy diament w temperaturze
897! ulega grafityzacji).
Podstawową zaletą regularnego azotku boru jest możliwość obróbki stali, w tym
zahartowanych, do twardości 70 HRC, żeliw utwardzonych oraz stopów kobaltu.
AZOTEK BORU
elementy układów elektronicznych podłoża obwodów zintegrowanych, radiatory &
tygle do topienia próżniowego,
tygle do CVD,
podłoża do rozpylania typu,
elementy układów mikrofalowych,
uszczelnienia, pierścienie,
elementy niskotarciowe,
osłony wysokotemperaturowe,
kosmetyki
SIALONY
Gęstość, g " cm-3 3,25 Moduł Younga, GPa 300
Temperatura rozkładu, C Modył Ścinania, GPa
Współczynnik 3,1 " 10-6 Wytrzymałość, MPa 950
rozszerzalności cieplnej, K-1
Przewodność cieplna, 30 K MPa m 7,7
IC " "
W " (m " K) -1
Przewodność elektryczna, 10-10 Twardość Vickersa, GPa 17 37
&! " cm3
Odporność na wstrząs cieplny, K 500 - 800
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
materialy ceramiczneFUNKCJONALNE MATERIAŁY CERAMICZNEMateriaĹ‚y ceramiczne5 Materiały ceramiczneMateriały ceramiczneMATERIAŁY SPIEKANE I ceramiczneSprawozdanie z materiałów budowlanych ceramika v1ceramika materialy budowlaneCHEMIA materiały dodatkoweAnaliza samobójstw w materiale sekcyjnym Zakładu Medycyny Sądowej AMB w latach 1990 20031 Materiały tymczasoweMateriały pomocnicze Krzysztof ŻywickiMaterialyWyklad6,7Geologiawięcej podobnych podstron