POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH

WYDZIAŁ MECHANICZNY TECHNOLOGICZNY

INSTYTUT MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH I BIOMEDYCZNYCH

Instrukcja dla studentów

Temat:

CHARAKTERYSTYKA, WŁASNOŚCI I ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW CERAMICZNYCH

1. Wstęp

Grupa kompozytowych materiałów ceramicznych jest silnie zróżnicowana a właściwości tych materiałów zależą w dużej mierze od związków chemicznych, na bazie których zostały utworzone. Jako osnowę kompozytów rozważa się najczęściej ceramikę techniczną, szkła, tworzywa szklano-ceramiczne i węgiel.

2. Wiadomości podstawowe

1. Materiały ceramiczne

Ceramiką nazywamy tworzywa w stanie stałym, składające się głównie z substancji nieorganicznych (prócz metali i ich stopów), otrzymywane zazwyczaj przez spiekanie. Zakres ceramiki w szerokim znaczeniu obejmuje: ceramikę właściwą (wyroby z glin), szkło, emalie, materiały wiążące (cement, wapno, gips), materiały ścierne, tworzywa szklano-krystaliczne, a także niemetaliczne materiały magnetyczne, ferroelektryczne, dielektryczne i inne.

Do otrzymywania wyrobów ceramicznych, oprócz podstawowych surowców naturalnych, jak gliny, kwarc, skalenie, kaolin, stosuje się występujące w przyrodzie lub otrzymywane syntetycznie różnego typu związki chemiczne, m.in. tlenki, węglany, krzemiany, węgliki, azotki, borki, krzemki, siarczki wielu pierwiastków chemicznych.

Właściwości ceramiki różnią się wyraźnie w stosunku do metali i polimerów: wiązania jonowe lub kowalencyjne zapewniają dużą twardość i sztywność, ale jednocześnie jest ona krucha. Głównym powodem wytwarzania kompozytów ceramicznych jest zwiększenie innych wskaźników wytrzymałościowych. Ceramika jest materiałem mało zwartym- zawiera liczne mikropęknięcia i pory. Powoduje to, że w przeciwieństwie do metali, dla których wytrzymałość na rozciąganie i ściskanie jest jednakowa, ceramika wykazuje wytrzymałość na ściskanie w przybliżeniu 15-krotnie większą niż na rozciąganie. Wprowadzenie zbrojenia do osnowy ceramicznej powoduje umocnienie, przy czym rozważać można kilka mechanizmów, których istotą jest absorbowanie energii. Tworzywa ceramiczne odznaczają się również odpornością na działanie wysokiej temperatury i czynników chemicznych, dobrymi właściwościami mechanicznymi i dielektrycznymi.

2. Ceramiczne materiały stosowane na osnowę

Materiały ceramiczne stosowane na osnowę kompozytów można podzielić na:

• materiały budowlane,

• materiały hutnicze,

• materiały stosowane w elektronice.

Materiały budowlane wykorzystywane na osnowę kompozytów to klasyczne materiały wiążące, którymi są np.:

• cement czyli sproszkowany materiał wiążący, który po zmieszaniu z wodą tworzy plastyczną masę mającą zdolność twardnienia pod wodą i na powietrzu. Używany jest do zapraw i betonów. Otrzymuje się go przez wypalanie odpowiednich surowców w wysokiej temperaturze, a następnie zmielenie produktu na bardzo drobny proszek. W zależności od składu użytych surowców, sposobu produkcji i właściwości produktu rozróżnia się m.in.: cement portlandzki, cement portlandzki biały, cement hutniczy, cement glinowy.

• gips - minerał, uwodniony siarczan wapnia CaSO₄ · 2H₂O. Zwykle tworzy on tabliczkowate lub słupkowate kryształy, bezbarwne i przezroczyste (selenit) lub drobnoziarniste, najczęściej białe skupienia (alabaster). Powstaje głównie wskutek krystalizacji z wody mórz i słonych jezior lub w wyniku uwodnienia anhydrytu. W Polsce w dużych ilościach występuje między Krakowem a Staszowem (zwłaszcza w dolinie Nidy), także na Dolnym Śląsku i innych terenach. Stosowany jest do wyrobu materiałów budowlanych (składnik cementu, spoiwo szybko wiążące), w przemyśle chemicznym, w chirurgii, dentystyce, modelarstwie oraz jako materiał rzeźbiarski i dekoracyjny.

Materiały hutnicze to materiały oparte na grupie materiałów ogniotrwałych stosowanych na wykładziny pieców. Są to m.in. materiały mulitowe, szamotowe, grafitowe. Zbrojenie tych materiałów przede wszystkim włóknami ma za zadanie przeciwdziałać ich pękaniu pod wpływem zmiennych pól temperatury, tzw. szoków cieplnych.

W tablicy 1 przedstawione zostały najczęściej stosowane materiały ogniotrwałe i ich charakterystyki.

Tablica1. Materiały ogniotrwałe i ich charakterystyka

Nazwa materiału ogniotrwałego (główny składnik)	Surowce	Ogniotrwałość zwykła (w °C) i inne właściwości	Zastosowanie
Mulitowe (tlenek glinu Al2O3)	palonka mulitowa, iły	1850	na sklepienia pieców elektrycznych, przemysłowych i urządzeń np. do odlewania stali
Grafitowo- szamotowe (węgiel)	grafit, glina ogniotrwała	1790; odporne na nagłe zmiany temperatury, działanie czynników chemicznych stalowniczych	na tygle do topienia stali i metali nieżelaznych, zatyczki do kadzi
Szamotowe surowe i wypalone (szamot)	gliny i łupki ogniotrwałe	1500-1750	na elementy pieców i urządzeń przemysłowych

Ceramika elektroniczna nazywana również elektroceramiką to materiały (i wyroby) stosowane w elektrotechnice, elektronice i elektrotermii ze względu na ich właściwości: dużą rezystywność i wytrzymałość elektryczna, małą stratność elektryczna, ogniotrwałość itp. Mogą być dielektrykami, półprzewodnikami jonowymi lub superjonowymi. Najczęstsze zastosowania to:

• wyroby elektrotechniczne — izolatory liniowe, stacyjne i przemysłowe, warystory; stosowane tworzywa — porcelana krzemionkowa, mulitowa, korundowa, cyrkonowa, ceramika celzjanowa, ceramika zawierająca tlenek cynku lub węglik krzemu,

• wyroby elektroniczne — części konstrukcyjne, podłoża, obudowy, magnesy ferrytowe, kondensatory, elementy piezoelektryczne.; stosowane tworzywa — ceramika steatytowa, ultraporcelana, czysty tlenek glinu, tytaniany modyfikowane barem, cyrkonem, ołowiem,

• wyroby elektrotermiczne — elementy grzejne pieców elektrycznych. silitowe i globarowe,

• nowe źródła energii, np. ogniwa sód - siarka, ogniwa paliwowe z tworzyw ceraicznych (β Al₂0₃, β'' Al₂O₃ i ZrO₂).

Mimo wielu potencjalnych zalet postęp w wytwarzaniu i stosowaniu kompozytów ceramicznych nie jest szybki. Można wymienić wiele specyficznych powodów, wśród których za najważniejsze uznaje się konieczność stosowania zbrojenia odpornego na działanie bardzo wysokiej temperatury, występującej w większości metod wytwarzania. Ważna jest także żarowytrzymałość żądana w większości w większości zastosowań technicznych. Konieczność stosowania wysokich temperatur w procesach wytwarzania powoduje niebezpieczne zjawiska, pojawiające się w czasie chłodzenia: powstają naprężenia związane z różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej osnowy i zbrojenia. Ponieważ osnowa ceramiczna nie może odkształcać się plastycznie (jak to ma miejsce w metalach), mogą pojawiać się w niej pęknięcia lub wyciąganie (przemieszczanie) zbrojenia.

1. Przykłady kompozytów o osnowie ceramicznej

Kompozyty z osnową Al₂O₃

Kompozyty umocnione whiskerami SiC otrzymuje się najczęściej metodami proszkowymi z wykorzystaniem , w fazie przygotowawczej, mieszania gęstwy. Udział objętościowy whiskerów jest do 25%, mają one tendencję do układania się prostopadle do nacisku przy prasowaniu. Właściwości mechaniczne znacznie wzrastają: E do ok. 400 GPa, a umowna wytrzymałość na zginanie może wzrosnąć nawet do 900 MPa. W zrasta odporność na pękanie i działanie szoków cieplnych. Materiały te znalazły zastosowanie jako narzędzia skrawające do drewna i metali.

Kompozyty szklane i szklano-ceramiczne

Kompozyty te są zwykle zbrojone włóknem ciągłym: osnowa ze szkła borokrzemianowego np. włóknem Al₂O₃, osnowa szklano-ceramiczna- przede wszystkim SiC. Podstawowa metoda wytwarzania wykorzystuje przeciągnie przez gęstwę. Własności wytrzymałościowe zalezą od sposobu rozmieszczenia zbrojenia. Słabsze powiązanie zbrojenia z osnową jest korzystne dla zwiększenia odporności na pękanie ponieważ w tych kompozytach istotna jest energia potrzebna na utratę tego powiązania i wyciągnięcie zbrojenia.

Kompozyty C-C

Kompozyty o porowatości 70-90% stosowane są jako izolacja cieplna w wysokich temperaturach. Jeśli środowiskiem nie jest próżnia lub atmosfera utleniająca to utlenianie będzie występowało powyżej temperatury 400-600°C. Istnieje możliwość pokrywania wyrobów warstwą ceramicznych materiałów ochronnych, skuteczną do temperatury 1400-1750°C. Dla otrzymywania gęstwy używa się ciętego włókna węglowego, żywicy fenolowej, środków zagęszczających i wody. Gęstwę wprowadza się do form, a następnie dodaje się włókna węglowe i tworzy rodzaj maty. Po kilkakrotnym suszeniu przeprowadza się zwęglanie żywicy w temperaturze ok. 950°C, a ostatecznym zabiegiem jest wygrzewanie w wysokich temperaturach dla usunięcia zanieczyszczeń gazowych.

2. Właściwości kompozytów ceramicznych

Zasadniczym powodem wytwarzania kompozytów ceramicznych jest zwiększenie odporności na pękanie. Ceramika wykazuje wytrzymałość na ściskanie prawie 15-krotnie większą niż na rozciąganie. Dlatego też umownym wskaźnikiem wytrzymałości ceramiki jest umowna wytrzymałość na zginanie. Wprowadzenie zbrojenia do osnowy ceramicznej powoduje umocnienie. Związane jest ono z absorbowaniem energii np. w wyniku zmiany kierunku powiększenia się pęknięcia, utraty powiązania zbrojenia z osnową, pękania zbrojenia .

Na efektywność umocnienie wpływać mogą w różnym stopniu:

• wymiary, morfologia i udział objętościowy elementów zbrojenia,

• energia powiązania zbrojenie-osnowa,

• właściwości osnowy i zbrojenia (np.: mechaniczne, rozszerzalność cieplna),

• ewentualne, możliwe przemiany fazowe.

Dużym problemem ograniczającym stosowanie osnowy ceramicznej jest jej kruchości. Jedną z metod poprawienia odporności na kruche pękanie jest wprowadzenie do osnowy ceramicznych cząsteczek metalu. Najczęściej wybieranymi są: Ni, Al, Fe, Cr, Ag, Cu, NiAl, Ni₃Al i Mo.

Znacznie większą wytrzymałość i zwiększenie odporności na pękanie uzyskuje się przez zastosowanie zbrojenia cząsteczkami. Zwiększa się również odporność na nagłe zmiany temperatury. Wadą zbrojenia cząsteczkami ceramiki jest katastrofalny przebieg zniszczenia po przekroczeniu krytycznej wartości obciążenia.

Kompozyt zbrojony włóknem nie wykazuje drastycznego pękania, ponieważ pęknięcie napotyka na swej drodze „uszeregowane” przeszkody. Skutek zastosowania włókna ciągłego uzależniony jest od stopnia zorientowania w osnowie i udziału objętościowego. Wadą stosowania tych włókien jest ich wysoka cena i skomplikowane metody wytwarzania. Konieczność stosowania wysokich temperatur powoduje powstawanie naprężeń związanych z różnymi współczynnikami rozszerzalności cieplnej osnowy i zbrojenia. Ponieważ osnowa ceramiczna nie może odkształcać się plastycznie, mogą pojawić się w niej pęknięcia lub wyciąganie zbrojenia.

Wady z zalety kompozytów o osnowie ceramicznej zostały przedstawione w tablicy 2.

Tablica 2. Zalety i wady kompozytów ceramicznych

Zalety	odporność na działanie wysokiej temperatury żarowytrzymałość odporność na utlenianie duża twardość i sztywność
Wady	mała wytrzymałość na rozciąganie mała wytrzymałość na nagłe obciążenia mała odporność na zmiany temperatury mała odporność na drgania mechaniczne

1. Wybrane metody wytwarzania kompozytów ceramicznych

Techniki wykorzystujące gęstwę

Można wyróżnić tu dwa obszary zastosowania:

• dla zbrojenia w postaci cząstek, whiskersów lub włókna ciętego,

• dla zbrojenia włóknem ciągłym.

W pierwszym przypadku stosuje się mieszanie proszku osnowy i zbrojenia w środowisku wodnym, uzyskując jednorodność gęstwy, np. działaniem ultradźwięków. Gęstwę można odlewać, wyciskać lub po odparowaniu wody poddać mieszaniu, prasowaniu i spiekaniu.

W drugim przypadku roving jest przeciągany przez gęstwę (np. proszek szklany w wodzie i żywica rozpuszczalna w wodzie). Dalsze etapy polegają na otrzymywaniu arkuszy, które można układać w stosy o odpowiednim ukierunkowaniu rovingu w kolejnych warstwach, usunięciu żywicy i prasowaniu na gorąco. Metoda ta stosowana jest do zbrojenia osnowy szklanej lub szklano-ceramicznej.

Formowanie przetłoczne

Metoda ta wykorzystywana jest do wytwarzania wyrobów kompozytowych o kształcie rurowym. Do formy wprowadza się zwinięte w rurkę zbrojenie, a do jej środka materiał osnowy w postaci wałeczka. Formę nagrzewa się dla przeprowadzenia osnowy w stan ciekły i prasuje się ją w tym stanie, w wyniku czego osnowa wnika w zbrojenie. Formowanie przetłoczne stosuje się np. dla zbrojenia osnowy szklanej lub szklano-ceramicznej.

3. Przebieg zajęć

• Sprawdzian wiadomości studentów z zakresu podstawowych informacji dotyczących kompozytów ceramicznych,

• Realizacja tematu laboratorium:

• Omówienie poszczególnych zagadnień na podstawie slajdów prezentacji,

• Przegląd własności kompozytów ceramicznych

• Dyskusja na temat struktury kompozytów z wykorzystaniem katalogu struktur,

• Oglądanie próbek materiałów kompozytowych, rozmowa na temat ich zastosowania,

- Podsumowanie omówionych treści.

4. Pytania kontrolne

1. Co nazywamy materiałami ceramicznymi?

2. Jakie surowce wykorzystywane są do wytwarzania ceramiki?

3. Jakie materiały ceramiczne są stosowane na osnowę kompozytów?

4. Opisać kompozyty C-C.

5. Wymienić zastosowanie ceramiki elektronicznej.

6. Podać i opisać przykłady kompozytów ceramicznych.

7. Zalety i wady ceramicznych kompozytów.

8. Opisać wybrane metody wytwarzania kompozytów ceramicznych.

9. Jakie jest zastosowanie kompozytów ceramicznych?

5. Literatura

1. Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S. „Kompozyty”, WPW, Warszawa 2000

2. Śleziona J. „Podstawy technologii kompozytów”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1998

3. Hyla J. „Wybrane zagadnienia z inżynierii materiałów kompozytowych”, WNT, Warszawa 1996

4. Leda H. „Współczesne materiały konstrukcyjne i narzędziowe”, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1996

5. Hyla I., Myalski J., Śleziona J. „Kompozyty. Ćwiczenia laboratoryjne”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1986

6. Krzemień E. „Materiałoznawstwo”, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2001

---