MATERIAŁY CERAMICZNE

DEFINICJA

Ceramiką nazywana jest grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych. Do grupy tej zaliczone są również szkła i ceramika szklana.

Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali.

WIAZANIA

Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie kowalencyjnych

Wiazania kowalencyjne to rodzaj wiązania chemicznego. Istotą wiązania kowalencyjnego jest istnienie pary elektronów, które są współdzielone w porównywalnym stopniu przez oba atomy tworzące to wiązanie

Wiazania jonowe (inaczej elektrowalencyjne, heteropolarne lub biegunowe) jest to rodzaj wiązania chemicznego. Istotą tego wiązania jest elektrostatyczne oddziaływanie między jonami o różnoimiennych ładunkach. iązanie to powstaje najczęściej między metalem a niemetalem.

W wielu materiałach ceramicznych występuje kombinacja tych dwóch rodzajów wiązań.

W materiałach ceramicznych, w których przeważają wiązania jonowe, występuje równowaga między dodatnio naładowanymi elektrycznie kationami – jonami metali, oddającymi swe elektrony walencyjne a ujemnie naładowanymi anionami – jonami niemetali. W przypadku gdy aniony pozostają w kontakcie z otaczającymi kationami, materiały ceramiczne cechują się strukturą stabilną.

Liczba koordynacyjna, odpowiadająca liczbie anionów najbliżej sąsiadujących z kationem, jest zależna od stosunku promieni kationu i anionu rk/ra. W przypadku gdy stosunek rk/ra >1 liczba koordynacyjna wynosi 12, jednak dla większości materiałów ceramicznych liczba koordynacyjna wynosi 4, 6 lub 8.

Zastosowanie

Grupy materialow ceramicznych

STRUKTURA

Struktura części materiałów ceramicznych charakteryzuje się tym, że jednakowa jest liczba kationów i anionów oznaczonych odpowiednio jako A i X. Odpowiednie fazy, oznaczone jako AX, mogą charakteryzować się kilkoma typami struktur krystalograficznych.

Tu te grube kreski ^ powinny być (paint)

W przypadku gdy ładunki elektryczne kationów i anionów nie są takie same,

mogą powstawać fazy typu AmXp, gdzie m i/lub p≠1, np:
AX2

lub A2X3 typu korundu

Możliwe jest również występowanie więcej niż jednego typu kationów. W przypadku gdy występują dwa typy kationów oznaczone odpowiednio przez A i B tworzą się fazy typu AmBnXp

Jedną ze struktur typu AmBnXp jest struktura spinelowa występująca w glinianie magnezu (aluminianie magnezu) MgAl2O4, gdzie aniony O2– tworzą sieć regularną ściennie centrowaną, natomiast kationy Mg2+ zajmują w tej sieci pozycje w lukach tetraedrycznych, a Al3+ – pozycje w lukach oktaedrycznych.

CERAMIKA KRZEMIANOWA

Krzemiany są złożone głównie z krzemu i tlenu. W przypadku tych materiałów, zamiast charakteryzować struktury krystaliczne, korzystniej jest podawać wzajemne ułożenie tetraedrów SiO₄⁴⁻ jako powtarzalnego elementu sieci krystalograficznej.

Każdy atom krzemu jest połączony wiązaniami kowalencyjnymi z 4 atomami tlenu, ułożonymi w narożach tetraedru, w którym atom Si zajmuje pozycję centralną. Ponieważ ładunek takiego tetraedru wynosi –4, każdy z czterech atomów tlenu ponadto wymaga jednego dodatkowego elektronu dla uzyskania stabilnej struktury elektronowej.

Różne struktury krzemianowe powstają przez łączenie SiO₄⁴⁻ w jedno-, dwu- lub trójwymiarowych

układach. Najprostszym z możliwych materiałów jest krzemionka SiO2.

Struktura krystaliczna (a) powstaje jako trójwymiarowa sieć, kiedy każdy narożny atom tlenu w każdym tetraedrze równocześnie uczestniczy w sąsiednim tetraedrze.

Krzemionka może także występować jako ciało niekrystaliczne (b) lub szkło, o dużej przypadkowości w ułożeniu atomów, typowej dla cieczy.

Krzemiany warstwowe

W różnych minerałach krzemionkowych jeden, dwa lub trzy narożne atomy tlenu w tetraedrze

SiO4 4– są połączone z innymi tetraedrami tworząc różne struktury złożone. W przypadku prostych krzemianów, jak np. forsterytu (Mg2SiO4) dwa jony Mg²⁺ są połączone

z każdym tetraedrem SiO4 ^4–, w wyniku czego każdy jon Mg²⁺ ma 6 najbliżej położonych atomów tlenu. Akermanit jest minerałem mającym dwa jony Ca2+ i jeden Mg2+ połączony z każdą jednostką Si2O₇⁶⁻.

Krzemiany warstwowe powstają także przez połączenie trzech jonów tlenowych i każdego tetraedru SiO4 ^4–. Dla tych struktur powtarzalną jednostką jest (Si2O5)^2–

Sieć ujemnie naładowana jest połączona z niezwiązanymi atomami tlenu (zrzutowanymi na płaszczyznę rysunku). Elektroobojętność jest zapewniona przez drugą warstwę mającą w nadmiarze kationy, które łączą się z niezwiązanymi atomami tlenu z warstwy (Si2O5)^2–. Najbardziej powszechny z minerałów z gliny – kaolinit ma względnie prostą strukturę krzemianów warstwowych Al2(Si2O5)(OH)4, w których warstwy tetraedryczne reprezentowane przez (Si2O5)^2– są elektrycznie neutralizowane przez sąsiadujące warstwy Al2(OH)4 ²⁺

SZKŁO

Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia, zapewniającej powstanie fazy krystalicznej, w razie powolnego chłodzenia w warunkach zbliżonych do równowagowych. Szkła podlegają odszkleniu (dewitryfikacji), stając się materiałami krystalicznymi, lecz okres ten trwa minimum kilkaset lat. Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: SiO2, B2O3 i P2O

Tetraedr SiO₄⁴⁻ tak jak w strukturach krystalicznych i tu jest jednostką podstawową, chociaż w układzie nieuporządkowanym. Struktury szkła mogą również tworzyć tlenki B2O3 i GeO2, ktore nazywane są składnikami szkłotwórczymi.

W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych, mogą wchodzić tlenki zasadowe metali

alkalicznych (Na2O, K2O) i ziem alkalicznych (MgO, CaO) zwane modyfikatorami wiązań sieci

przestrzennej.

Trzecią grupę składników szkieł stanowią tlenki pośrednie, takich metali jak aluminium,

beryl lub tytan, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej szkła, lecz mogą jedynie przyłączyć się do istniejącej sieci.

Składniki modyfikujące i pośrednie wpływają na obniżenie temperatury topnienia i lepkość szkła, wpływających na polepszenie możliwości formowania w niższej temperaturze.

TEGO (POROWATA) CHYBA NIE TRZEBA, ALE JEST W ZASTOSOWANIU WIEC ZROBILEM TEZ

CERAMIKA POROWATA

Ceramika porowata, określana jest również tradycyjną, klasyczną lub wielkotonażową z tego względu, że zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe lub stosowane m.in. w technice sanitarnej, w tym m.in. porcelanę, kamionkę, dachówkę i cegłę. Ceramika porowata obejmuje produkty z gliny oraz materiały ogniotrwałe i charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głównie z Al2O3, SiO2 i H2O występujących w różnych proporcjach (głównie z gliny, krzemionki lub kwarcu, skalenia lub kaolinu).

Ceramika porowata charakteryzuje się 5÷15% udziałem porów, po wypaleniu w wysokiej temperaturze, stosowanym w celu odprowadzenia wody. W skład ceramiki porowatej zaliczany jest również cement oraz beton, wytwarzane w wyniku wypalania w wysokiej temperaturze, przemielenia uzyskanego w ten sposób klinkieru w drobny proszek i następnego tężenia i twardnienia, po zmieszaniu z wodą i drobnoziarnistym piaskiem – w przypadku zaprawy cementowej, lub z wodą, piaskiem i kruszywem – w przypadku betonu.

Materialy ogniotrwale

Materiały ogniotrwałe są materiałami ceramicznymi stosowanymi na piece przemysłowe i na wymurówki kadzi na ciekłe metale, pracujące w temperaturze do ok. 1700°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. Materiały ogniotrwałe mogą być formowane, odlewane i wycinane ze skał naturalnych oraz mogą być stosowane w postaci ziarn, proszków lub włókien.

W zależności od ogniotrwałości materiały te dzieli się na:

zwykłe (do 1700°C),

wysokoogniotrwałe (1700÷2000°C),

o bardzo wysokiej ogniotrwałości (powyżej 2000°C).

Według składu chemicznego materiały ogniotrwałe dzielą się na:

krzemionkowe,

glinokrzemianowe,

szamotowe,

magnezytowe,

magnezytowo–krzemianowe,

wapienne,

dolomitowe,

chromitowe,

węglowe,

Glina ogniotrwała poddana spiekaniu i rozdrobniona, zawierająca 25÷48% Al2O3 i 50÷70% SiO2 o ogniotrwałości zwykłej 1650÷1700°C, a pod obciążeniem 1250÷1500°C, jest nazywana szamotem. Cegły szamotowe wytwarzane metodą wyciskania z następnym dotłaczaniem są stosowane na wymurówki pieców przemysłowych.

Inne materialy ceramiczne

Kamionka jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z gliny kamionkowej z dodatkami, w skład którego wchodzą SiO2, Al2O3, tlenki potasu, sodu i żelaza, wypalanym jedno- lub dwukrotnie (w 1200÷1300°C) i zwykle szkliwionym. Kamionka cechuje się wytrzymałością na ściskanie ok. 800 MPa, na zginanie ok. 90 MPa, oraz dużą rezystywnością i odpornością chemiczną, wobec czego

jest stosowana w elektrotechnice, na produkty stosowane w gospodarstwie domowym i sanitarne, rury kanalizacyjne, elementy aparatury chemicznej i laboratoryjnej.

Terakota jest materiałem ceramicznym składającym się z gliny ogniotrwałej, skalenia, piasku kwarcowego i tlenków metali (pigmentów), wypalanym w ok. 1200°C i cechującym się dużą odpornością na ścieranie. Jest stosowana na płytki podłogowe i dekoracyjne.

Klinkier jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z glin żelazistych, wapienno– żelazistych lub wapienno–magnezjowych, wypalanym w ok. 1300°C, o dużej wytrzymałości i udarności, małej porowatości i nasiąkliwości, stosowanym jako materiał drogowy, budowlany i posadzkowy.

Porcelana jest spiekanym materiałem ceramicznym z mullitu, kwarcu i szkła skaleniowego i dzieli się na:

twardą i

miękką.

Porcelanę wypala się jednokrotnie w temperaturze 850÷1000°C (nieszkliwioną) lub dwukrotnie w 1280÷1320°C (szkliwioną) i w 1350÷1460°C (twardą).

Formowanie porcelany następuje:

z masy lejnej przez odlewanie w formach gipsowych lub

z masy plastycznej przez toczenie lub prasowanie.

Do szkliwienia służą najczęściej szkliwa skaleniowe, a farby naszkliwne do zdobienia. Twarda porcelana biskwitowa bez szkliwa, która może być barwiona, stosowana jest głównie jako dekoracyjna, np. na figurki lub płaskorzeźby.

CERAMIKA INŻYNIERSKA

Ceramika inżynierska, określana również jako ceramika specjalna lub ceramika drobnoziarnista, wytwarzana jest w wyniku spiekania, w wysokiej temperaturze, bez udziału fazy ciekłej, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, węgliki, azotki ale także diament i wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość.

Zastosowanie

Zastosowania ceramiki inżynierskiej obejmują materiały odporne na zużycie, łożyska, narzędzia skrawające, elementy samochodów, oprzyrządowanie energetyczne, endoprotezy, oraz różne elementy w przemyśle kosmicznym, lotniczym i militarnym. Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al2O3 stosowane są w bardzo wielu przypadkach, na podłoża w elektronice, świece zapłonowe, przewodniki i izolatory ognioodporne, łożyska, zbiorniki chemiczne, zawory wodne, endoprotezy, emitery lamp próżniowych. W postaci szafiru są stosowane na odporne na zarysowanie i przezroczyste „szkiełka“ do zegarków.

MATERIAŁY CERAMICZNE NIETLENKOWE

W skład materiałów ceramicznych nietlenkowych wchodzą azotki krzemu Si3N4, węgliki krzemu SiC i azotki boru BN. Materiały te wykazują zbliżoną wytrzymałość i ciągliwość w wysokiej temperaturze powyżej 1300°C, są stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia. Si3N4 i SiC są stosowane w samolotach oraz turbinach i silnikach rakietowych, a także w przemyśle samochodowym 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 do cięcia strumieniem wodnym oraz na wysokowydajne narzędzia skrawające, a także na pojemniki do przechowywania materiałów aktywnych chemicznie, szczególnie w wysokiej temperaturze. Wielkość ziarn związana z dodatkami, obecnością materiałów tlenkowych i tlenu wprowadzanego podczas procesu, silnie wpływają na własności.