Porównanie własności głównych materiałów ceramicznych
Własności fizyczne
Gęstość
Porowatość
Nasiąkliwość
Mrozoodporność
Rozszerzalność cieplna
Ogniotrwałość
Gęstość (ciężar właściwy) jest to stosunek masy tworzywa do jego objętości (bez porów), oznaczony symbolami d lub p. W oparciu o metodę piknometryczną gęstość wyznacza się ze wzoru:
d=( m1* pc)/( m1* m2)- m3
d - gęstość badanej substancji w g/cm3,
m1 - odważka badanej substancji w g,
m2 - masa piknometru wypełnionego cieczą w g,
m3 - masa piknometru z cieczą i substancją badaną w g,
pc - gęstość cieczy w g/cm3 .
Porowatość - zawartość pustych przestrzeni w jednostce objętości materiału. Ta cecha jest dla materiałów ceramicznych podstawowym parametrem technologicznym. Cechuje materiały ceramiczne zarówno w stanie surowym jak i po przeróbce termicznej. Porowatość pozwala ocenić możliwość penetracji gazów i cieczy w tym materiale. Ogólnie w ceramice można wyróżnić sześć rodzajów porów:
pory zamknięte izolowane
pory kanałowe
pory nieprzelotowe
pory kuliste
pory „kieszeniowe”
Mikropory.
Zatem możemy wyznaczyć:
- porowatość całkowitą (stosunek objętości wolnych przestrzeni do całkowitej objętości próbki, wyrażony w procentach ). Porowatość całkowitą Pc można wyznaczyć, znając gęstość d i gęstość pozorną dv materiału, z wzoru:
Pc=[1-(pv/p)]*100%
- porowatość względną(stosunek wolnych przestrzeni między ziarnami do całkowitej objętości próbki, wyrażony w procentach) Porowatość względną oblicza się z wzoru:
Pw=(m1-m0)/(m1-m2)
Gdzie:
mo - masa suchej próbki w g, m1 - masa próbki nasyconej wodą w powietrzu w g,
m2 — masa próbki nasyconej wodą
Nasiąkliwość - zdolność wchłaniania wody przez materiał. Materiały nasiąkliwe mają właściwości wytrzymałościowe i większą gęstość pozorną. Niestety dużą nasiąkliwością charakteryzują się materiały porowate. Własność tą badamy przez zanurzenie w wodzie próbek wysuszonych w czasie 24 h . Wysuszone próbki są ważone a następnie dalej moczone. Waży się je co 24 h do chwili ustabilizowania masy.
Rozróżniamy:
- nasiąkliwość wagową (stosunek masy wody wchłoniętej przez materiał do jego masy w stanie suchym)
nw=[(mw-m)/m]*100%
- objętościową (stosunek wody wchłoniętej przez materiał do jego objętości w stanie suchym)
n0=[(mw-m)/V]*100%
Mrozoodporność jest to zdolność materiałów do znoszenia niskich temperatur (poniżej 0°C) Test mrozoodporności polega na ocenie czy materiał ulega zniszczeniu, określeniu zmiany masy próbki. Materiał wcześniej nasączony wodą po 25cyklach zamrażania poddaje się testowi na ściskanie. Próbki po nasyceniu wodą poddaje się procesów zamrażania w temperaturze -20oC a następnie odmrażaniu w temperaturze +20oC. Proces ten powinien trwać 4 godziny i powtarza się go 25 razy. Wytrzymałość na mrozoodporność obliczamy z wzoru:
W
z=Rc1/Rc2
Gdzie:
Rc1 - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą po ostatnim zamrożeniu [Mpa]
Rc2 - wytrzymałość na ściskanie próbki nasyconej wodą przed zamrażaniem [Mpa]
Ogniotrwałość -oznacza trwałość kształtu podczas długotrwałego działania wysokiej temperatury. Materiały ogniotrwałe to takie materiały które wytrzymują długotrwałe działanie temperatury powyżej 1580oC bez rozmiękczenia i fizycznych odkształceń.
Ogniotrwałość zwykłą bada się przy pomocy stożka pirometrycznego wzorcowego. (92, 90, 88 - numery badanych stożków).
Rozszerzalność cieplna - związana jest ze zwiększeniem energii atomów i towarzyszący temu wzrost odległości między nimi.
Wielkości charakteryzujące rozszerzalność cieplna
współczynnik rozszerzalności liniowej (przyrost względnej długości materiału przy ogrzaniu o 1oC:
α=∆l/(l*∆t)
Gdzie:
၄l - bezwzględny przyrost długości próbki [mm],
l - początkowa długość próbki [mm],
၄t -przyrost temperatury [oC].
Znając wartość ၡ obliczamy przyrost długości pręta po ogrzaniu go o wartości ၄t:
၄l=ၡ*λ*၄t
- oznaczający przyrost objętości materiału przy ogrzaniu o 1oC współczynnik rozszerzalności objętościowej:
ß=၄V/(V*၄t)
Gdzie:
၄V - przyrost bezwzględny objętości próbki
V - objętość początkowa próbki [mm]
၄t - przyrost temperatury [oC]
Własności mechaniczne
Moduł sprężystości
Wytrzymałość na ściskanie
Wytrzymałość na zginanie
Udarność
Odporność na udary cieplne
Twardość
Ścieralność
Wytrzymałość na kruche pękanie
Moduł sprężystości cechy ceramiki i innych materiałów charakteryzuje moduł sprężystości wzdłużnej E mierzonym w [Pa]. W zależności od wartości E materiał może być sztywny -duży moduł(ceramika inżynierska), mały moduł -elastomery. Sprężystość to zdolność materiału do przyjmowania pierwotnej postaci po usunięciu siły, która zmienia kształt próbki. Oblicza się go ze wzoru:
E=ၳ/ၥ
ၥ - odkształcenie sprężyste wywołane naprężeniem ၳ
ၳ - naprężenie powstające przy obciążeniu siłą F [N] próbki o przekroju S [mm2]
Wytrzymałość na ściskanie Rc, jest to największe naprężenie, jakie wytrzymuje próbka podczas ściskania. Wytrzymałość na ściskanie wyznacza ze wzoru:
Rc= Fc/S
Fc - siła niszcząca próbkę [N],
S - Przekrój poprzeczny próbki ściskanej, prostopadły do kierunku działania siły [mm2].
Próbę wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się na prasie. Podczas ściskania wiele pęknięć rozprzestrzenia się stabilnie ,które prowadzi do ogólnego kruszenia materiału.
Wytrzymałość na zginanie Rg, jest to wartość naprężeń zginających w ciele stałym, po osiągnięciu której siły spójności ciała przestają stawiać opór obciążeniom zewnętrznym. Wyznaczana w statycznej próbie zginania, jest naprężeniem określającym stosunek niszczącego momentu gnącego Mg, do wskaźnika przekroju przy zginaniu W. Proces ten opisuje wzór:
Rg=Mg/W
Mg - moment gnący [Nთ mm]
W - wskaźnik przekroju przy zginaniu [mm3]
Udarność - jest to cecha określająca odporność na gwałtowne obciążenia. Jak wiadomo części maszyn narażone są na działanie sił dynamicznych. Próba udarności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy'ego, próbki z naciętym karbem (w kształcie litery U - rys a, lub V - rys b) podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze pracy jej złamania.
Uderzenie w próbkę następuje z przeciwległej strony karbu. Jako wynik próby udarności podaje się zużytą energię K (J) na złamanie próbki.
Odporność na udary cieplne - Nowoczesna ceramika wysokotemperaturowa znajduje zastosowanie w elementach silników spalinowych, gdzie narażona jest na gwałtowne zmiany temperatury i naprężeń. Powszechnie wiadomo, że materiały ceramiczne są wrażliwe na gwałtowne zmiany temperatury objawiające się ich pękaniem. Odporność na udary cieplne dla ceramiki waha się od 80°C dla szkła sodowego, do 500°C dla azotku krzemu. Testem na odporność na zmiany temperatury jest wrzucenie do zimnej wody próbek ceramicznych, nagrzewanych do coraz to wyższych temperatur. Miarą odporności na udary cieplne jest maksymalna różnica temperatur jaką próbka wytrzymuje.
Twardość -Twardość jest to zdolność materiału do przeciwstawiania się odkształceniom plastycznym (zarysowania, wgniecenia itp.) Oddziaływania mechaniczne przy miejscowym wywieraniu nacisku na małą jego powierzchnię. Do oznaczenia twardości używa się skali Mohsa.
Penetrator wciska się w podłoże siłą w zależności od potrzeb od 1,961 N do 980,7 N. Na powierzchni badanego elementu powstaje odcisk ostrosłupa. Aby odczytać twardość należy zmierzyć przekątne, obliczyć wartość średnią i podstawić do wzoru:
HV=F/A = 0,102*(2F*sin(α/2))/d2 ≈0,1891*(f/d2).
d - średnia arytmetyczna przekątnych jednego odcisku [mm],
F - siła nacisku [N].
W praktyce korzysta się z tabelarycznego zestawienia zależności twardości od siły i długości przekątnych.
Ścieralność - ceramika jest stosowana w wielu elementach narażonych na ścieranie. Aspekt ścieralności dotyczy zarówno ceramiki technicznej (np. narzędzia, elementy silników spalinowych), jak i budowlanej (płytki ceramiczne na posadzki). Badanie ścieralności polega na pomiarze ubytku masy próbki podczas ścierania jej na wirującej tarczy ściernej. Ścieralność określa się ze wzoru:
S=(M/A)*(1/ pp)
A - powierzchnia próbki [cm2], -
M - masa próbki po 440 obrotach tarczy [g],
pp -gęstość pozorna próbki [gcm3]
Wytrzymałość na kruche pękanie - w przypadku materiałów ceramicznych, gdzie nie obserwuje się odkształceń plastycznych stosowana jest metoda pomiaru Kic. Wytrzymałość na pękanie dla materiałów ceramicznych jest wyrażana w . Wartość Kic obliczamy:
Fkr - krytyczna siła, pod wpływem której rozpoczyna się nagły wzrost szczeliny.
- wartość stabelaryzowana.
Własności elektryczne i magnetyczne
Przenikalność elektryczna względna
Wytrzymałość elektryczna
Przenikalność elektryczna względna - Przenikalność elektryczną można, zatem (zgodnie ze wzorem) opisać jako stosunek pojemności kondensatora cx , między okładkami, którego znajduje się materiał ceramiczny, do pojemności tego samego kondensatora c0 z próżnią między okładkami.
Przenikalność wzrasta tutaj wraz ze wzrostem temperatury i maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.
Wytrzymałość elektryczna - (wytrzymałość dielektryczna) jest to właściwość dielektryka określająca jego odporność na wystąpienie przebicia elektrycznego. Liczbowo równa zwykle najmniejszej wartości napięcia powodującego przebicie w warstwie o jednostkowej grubości. Typowe izolatory ceramiczne posiadają wytrzymałość elektryczna rzędu 30 kV/min.
Własności chemiczne
Odporność korozyjna
Ceramika należy do materiałów o najwyższej odporności korozyjnej. Właściwości chemiczne ceramiki są ściśle związane z korozją i wpływem środowiska, w którym się znajdują. Bardzo dobrą odporność na działanie silnych kwasów wykazują szkła, A12O3, SiC, Si3N4, SiO2, słabszą MgO, ZrO2. Bardzo dobrą odporność na działanie silnych zasad wykazują ZrO2, A12O3, gorszą odporność ma SiC, Si3N4, a nieodporne lub słabo odporne są SiO2 i ceramika szklana. Wszystkie rodzaje ceramiki odporne są na działanie roztworów organicznych. Zdolność do reagowania materiałów z tlenem można ocenić, mierząc energię konieczną do zajścia reakcji
.
Warstwa tlenków utworzona na powierzchni materiału, zmniejsza szybkość utleniania wskutek korozyjnego działania środowiska działa jak bariera oddzielająca atomy tlenu i materiału rodzimego. Przez szybkość utleniania mierzymy przyrost masy materiału, który się utlenił określonym czasie, ponieważ utlenianie polega na przyłączaniu atomów tlenu do powierzchni materiału. Pomiar szybkości utleniania wykonuje się zazwyczaj w podwyższonych temperaturach, w których rośnie szybkość utleniania
Wyszukiwarka