W 5 - 22 III 2010

Materiały ceramiczne wykazują różne właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne.

O zastosowaniach i praktycznej przydatności ceramiki decydują różne właściwości. Ceramikę tradycyjną stosuje się np. do produkcji armatury sanitarnej i budowlanej, a nowoczesną ceramikę inżynierską np. do pracy w podwyższonej temperaturze i do produkcji narzędzi.

Podstawowymi parametrami decydującymi o technicznej przydatności ceramiki są właściwości mechaniczne.

Materiały nanoceramiczne charakteryzują następujące specyficzne właściwości:

1. Materiały ceramiczne o strukturze nanometrycznej mogą mieć skład fazowy i chemiczny nieosiągalny konwencjonalnymi metodami i dzięki temu w porównaniu z konwencjonalnymi mikrokrystalicznymi materiałami wykazują lepszą wytrzymałość mechaniczną.

2. Zmniejszenie wielkości ziaren tworzyw ceramicznych powoduje pojawienie się zjawiska superplastyczności - niekiedy materiały ceramiczne o wielkości ziaren od 400 do 500 nm można poddawać odkształceniom do 150 %.

3. Odporność na pełzanie najnowocześniejszych wysokotemperaturowych konstrukcyjnych materiałów ceramicznych, takich jak np. azotek krzemu, sialon, lub węglik krzemu, można zwiększyć prawie o rząd wielkości przez wytworzenie ich w postaci nanomateriałów typu 0-wymiarowego, gdzie w matrycy umiejscowione się wytrącenia drugiej fazy o wymiarze nanometrycznym.

4. Implanty z bionanomateriałów metalicznych, węglowych i tlenkowych zwiększają wytrzymałość protez i ich bioaktywność.

5. Technologie materiałów ceramicznych stosuje się również w nanomateriałach, np. odporne na ścieranie nowoczesne narzędziowe nanomateriały ceramiczne typu WC-Co (widia) lub TiCN, TiO₂.

W latach 2002-2006 na projekty badawcze w grupie tematycznej „Nanotechnologie” w UE przeznaczono ok. 300 mld dolarów.

W Polsce od kilku lat prowadzone są m.in. badania w zakresie następujących materiałów ceramicznych:

1. nadplastycznych materiałów ceramicznych: Al₂O₃, ZrO₂ oraz SiC

2. spiekania mikrokrystalicznych proszków

3. nanokompozytów ceramiczno-ceramicznych i ceramiczno-metalicznych

Szacuje się, że już w 2010 r. światowy rynek nanomateriałów osiągnie wartość 40-70 mld dolarów.

Jednym z ważnych parametrów mechanicznych jest moduł sprężystości.

Moduł sprężystości można wyznaczyć m.in. z pomiaru wydłużenia pręta, ugięcia belki, podczas ściskania. Najdokładniejsze metody opierają się na pomiarze drgań pręta podpartego oraz na pomiarze prędkości rozchodzenia się dźwięku w materiale.

W przypadku nanomateriałów pomiarów modułu Younga dokonuje się dla próbek w postaci litych warstw (a więc nie proszku).

W metodzie wibracyjnej nakłada się cienką warstwę badanego materiału na wypolerowany kryształ krzemu o określonych wymiarach. Od dołu do próbki Si przykłada się elektrodę aluminiową. Drgania rezonansowe Si są wymuszane przez elektrodę. Nałożenie na Si warstwy o grubości rzędu nm powoduje zmianę częstotliwości rezonansowej. W celu wyrównania częstotliwości rezonansowych należy przyłożyć odpowiedni potencjał pomiędzy płytką a elektrodą.

Wytrzymałość na rozciąganie (R_m) wyznacza się w statycznej próbie rozciągania przeprowadzanej na maszynie wytrzymałościowej.

1 MPa = 1 N/mm² 1 Pa = 1 N/m²

F_m - największa siła obciążająca osiągnięta w czasie próby rozciągania

S₀ - pole przekroju początkowego próbki [mm²]

Ceramika należy do materiałów kruchych i w trakcie rozciągania odkształca się tylko sprężyście bez odkształceń plastycznych. Kruche pęknięcie następuje zanim zostanie osiągnięta granica plastyczności. Powstały przełom materiału ceramicznego ma kruchy charakter i nie obserwuje się charakterystycznego przewężenia (tzw. szyjki) jak w przypadku plastycznych metali i stopów oraz polimerów. W trakcie próby rozciągania materiałów ceramicznych przewężenie i wydłużenie jest pomijane ze względu na wartości zbliżone do 0.

Wytrzymałość na ściskanie (R_c):

F_c - siła niszcząca próbkę [N]

S - przekrój poprzeczny ściskanej próbki prostopadły do kierunku działania siły [mm²]

W przypadku materiałów ceramicznych w praktyce większe znaczenie zyskują parametry wytrzymałości na ściskanie i zginanie. Z reguły siła potrzebna do zniszczenia próbki podczas rozciągania jest do 15 razy mniejsza od siły niszczącej podczas ściskania.

Wytrzymałość na ściskanie jest to największe naprężenie, jakie próbka wytrzymuje podczas ściskania.

Badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się w prasie. Podczas ściskania wiele pęknięć rozprzestrzenia się i prowadzi do ogólnego kruszenia materiału.

W zależności od rodzaju ceramiki próbki mogą być w stanie suchym lub nasyconym wodą. Wilgotne porowate materiały wykazują z reguły niższą wytrzymałość.

Wytrzymałość na zginanie (R_g)

M_g - moment gnący [N · mm]

W - wskaźnik przekroju przy zginaniu [mm³]

Wyznacza się w statycznej próbie na zginanie.

Wartość momentu gnącego zależy od działającej siły i odległości między podporami, natomiast wskaźnik wytrzymałości zależy od rodzaju przekroju, który może być okrągły, kwadratowy, prostokątny lub złożony.

Wytrzymałość na zginanie zależy od objętości próbki. Próbka ceramiczna ma większą wytrzymałość na zginanie niż na rozciąganie, ponieważ podczas rozciągania cała próbka podlega działaniu naprężenia rozciągającego. Natomiast podczas zginania największe naprężenia rozciągające działają tylko w cienkiej warstwie przypowierzchniowej czyli w niewielkiej objętości w stosunku do całej objętości próbki.

Wytrzymałość na pękanie

W normalnych warunkach materiały ceramiczne nie wykazują zdolności do odkształceń plastycznych i wykazują brak odporności na dynamiczne działanie obciążeń i skłonność do pękania. Szczególnie w materiałach spiekanych na styku ziaren mogą powstawać szczeliny, które pod wpływem obciążeń inicjują rozwój pęknięcia.

Do opisu wytrzymałości na pękanie stosuje się współczynnik intensywności naprężeń:

σ - naprężenie w elemencie [MPa]

a - długość szczeliny [m]

---