Ceramika - złożone związki i roztwory stałe pierwiastków metalicznych i niemetalicznych połączone ze sobą wiązaniem jonowym lub kowalencyjnym: tlenki, azotki i węgliki.

Podstawowa ceramika oparta na: Al., Si, Mg, Ca, O

Rodzaje ceramiki:

- tradycyjna: budowlana (oparta na glinie), szlachetna (ok ~50% gliny, reszta ma poprawić właściwości), szkło, cement (mat. wiążące), mat. ogniotrwale (przemysłowe)

- techniczna, zaawansowana: inżynieryjna (strukturalna - równolegle z zastosowanie metalu np. noże ceramiczne), bioceramika (może współpracować z organizmem człowieka), dielektryki (piezoelektryki), nadprzewodniki, sensory, warystory

Podział ceramiki wg. postaci:

- ceramika lita (produkty), pianki ceramiczne (fryty, pigmenty), powłoki grube (szkliwa, emalie) i cienkie filmy, włókna, ceramika porowata (membrany, implanty kości), ogniwa paliwowe (membrany)

Własności ceramiki: wynikają z rodzaju wiązań chemicznych i mikrostruktury:

- z rodzaju wiązań: twardość, sztywność, kruchość, stabilność termiczna i chemiczna

- ze struktury krystalicznej i wiązania: dobre własności dielektryczne

- z wiązań i struktury: izolacja termiczna, akustyczna

- z elektronowego wiązania i mikrostruktury: izolacja elektryczna

- z wiązań i odpowiedniej struktury powłok walencyjnych: własności półprzewodnikowe

Wady ceramiki - kruchość, brak odporności na wstrząsy termiczne, niska reproduktywnosc, wysokie koszty produkcji, brak norm oznaczenia własności

Technologia ceramiki

PROCES ↔ PRODUKT

Wiązania chemiczne w ceramice:

- kowalencyjne (nie ma możliwości odkształcenia tych wiązań): SiO2, i beztlenowe SiC, TiC, Si3N4, AlN

- jonowe (transfer elektronów, duża różnica elektroujemności, nie ma swobodnych elektronów): tlenki

Poprzez zmiany mikrostruktury możemy zmienić własności.

ZrO2 - Dwutlenek cyrkonu - ogniotrwały tlenek, najważniejszy tlenek w ceramice, ma 3 odmiany polimorficzne:

Faza jednoskośna ↔ tetragonalna ↔regularna

LK=7, bardzo niska symetria, przemiana jednoskośna ↔tetragonalna zachodzi z dużą zmianą objętości, (dlatego nie można wytwarzać czystej ceramiki z tlenku cyrkonu)

ZrO2- samoistne wakancje anionowe (za mało tlenu)

- w niskiej temp. niestechiometryczny LK = 7

- w wyższej temp. uporządkowanie struktury LK=8

- im większe ciśnienie tym niższa temp. przemiany

Domieszkowanie kationami na stopniu 2 (MgO), 3 (CaO), 4 (YO3 - tlenek Itru jest najważniejszy, stabilizuje f. tetragonalną, z itrem faza jest najbardziej stała) zmienia przemiany zachodzące w ZrO2 - można to wykorzystać do uzyskania lepszej odporności na pękanie w ceramice z tlenkiem cyrkonu.

Ceramika cyrkonowa:

Spiekanie chłodzenie ziarna się rozszerzają (z tetragonalnej jednoskośnej - mniejsza gęstość)

Duże ziarna jednoskośne (po przemianie), małe ziarna tetragonalne (gdyby wszystkie uległy przemianie materiał by pękł) wokół dużego ziarna wytwarza się pole naprężeń ściskających; pękniecie (naprężenia rozciągające) jest rozgałęziane i naprężenia się niwelują

2 mechanizmy poprawy właściwości ceramiki:

- ceramika nietrwała z ziarnami tetragonalnymi, które nie uległy przemianie, przemiana po pęknięciu

- kombinacja 2 rodzajów ziaren - małe i duże

Kompozyty ZrO2-Al2O3

Podsumowanie właściwości ZrO2

- b. wysokie wł. wytrzymałościowe, twardość, odporność na ścieranie, pękanie, sprężystość

- próżnia zwiększa ilość wakancji ZrO2

- niski współczynnik przewodności cieplnej

- dobra wsporność/wyporność (?)

Zastosowanie ZrO2:

- c. inżynieryjna (ciągadła do drutu), mat. ogniotrwale, bariery cieplne, przewodność jonowa ogniwa paliwowe, sonda Lambda

BaTiO3 - przemiany polimorficzne - domieszkowanie wykorzystujemy do zmiany materiału (tak jak ZrO2), dopiero w wyższej temp. jest termodynamicznie stabilne, w pokojowej Ti jest wypychany do góry (przesuwa się ładunek elektryczny niecentrowany kryształ - może być ferromagnetyczny)

Przemiany polimorficzne:

(127^oC) ferroelektryk paraelektryk (przez lekkie wysuniecie kationu w temp. pokojowej)

W projektowaniu własności ceramiki tradycyjnej wykorzystujemy układy równowagi fazowej.

Mullit - najważniejszy związek w ceramice tradycyjnej (3Al2O3-2SiO2) - jeśli mullit wykrystalizuje to zostaje SiO2; SiO2 występuje w postaci fazy amorficznej czyli szklistej w rzeczywistości (w teorii na układzie równowagi - trydymit)

Układ Al2O3-Cr2O3 - pełna rozpuszczalność jednego składnika w drugim (pierwsze aktywne mat. laserowe)

Układ MgO-Al2O3 MgAlO4 - struktura regularna, może być przezroczysta ceramika

Ceramika zaawansowana:

- inżynieryjna (wymagania, zastosowanie), funkcjonalna (sensory, aktywatory), bioceramika (wł. izynierskie+biozgodnosc z człowiekiem)

Ceramika inżynierska:

- beztlenkowa: węglik krzemu, ceramika azotkowa (azotek krzemu), β-SiAlON, β- azotek krzemu (długie igły) - lepsze właściwości mechaniczne

- tlenkowa: Al2O3;

* c. cyrkonowa (noże ceramiczne)

* c. cyrkonowo-korundowa (jeszcze lepsze wł. niż cyrkonowa) - kompozyt;

Tlenek cyrkonu i glinu - różnica współczynników rozszerzalności naprężenia ściskające jeszcze lepsze wł. mechaniczne

*węglik krzemu (największy udział wiązania kowalencyjnego, bardzo wolno się spieka droga ceramika)

C. cyrkonowa musi mieć stabilizator struktury/fazy tetragonalnej tlenek Itru

Podział wg. funkcji:

- dielektryki (w układach inteligentnych) - sensor ceramiczny, aktywator ceramiczny; przetwornik sygnału fizycznego na elektryczny (piroelektryczny temp. - sensor - np. dwutlenek cyny); pod wpływem impulsu elektrycznego zmienia wł. fizyczne (np. objętość), piezoelektryczny (aktywator); impuls zmiana objętości

Podział wg. struktury: specyficzna struktura krystaliczna,

Efekt tunelowania - specyficzne wł. gigantycznej magnetorezystancji na skutek oporu przesuwania jednej warstwy względem drugiej

Defekty liniowe - używać do wytwarzania kryształów

Wł. elektryczne - mat. dielektryczne muszą mieć możliwość wytwarzania dipoli (potrzebne do tego są kryształy niecentrowane)

Piezoelektryki - ceramika PZT - cyrkonian ołowiu, tytanian ołowiu

Zanim zastosujemy te materiały musimy przeprowadzić polaryzacje(uporządkować dipole)

Ferroelektryki - szczątkowa polaryzacja, w pobliżu temp. przemiany (temp. Curie) - wzrasta stała dielektryczna

Struktura domenowa - (przemiana w pewnych domenach, nieuporządkowana; uporządkowana w obrębie jednej domeny powrót do lekko odkształconej struktury szczątkowa polaryzacja

- pętla histerezy (polaryzacja natężenie pola)

Termoelektryczne - struktura warstwowa, różnica temp., np. kobaltany

Bioceramika

Mat. amorficzne

- nieuporządkowana sieć wyższa energia układu

Szkło- twór nietrwały, materiał …. Do przyjęcia postaci krystalicznej, ale duża lepkość, utrzymuje postać amorficzna; szkła to materiały oparte na związkach nieorganicznych amorficznych

Szkło - stan materii nieorganicznej, o nieproporcjonalnej entalpii swobodnej, ciało sztywne

Temp. zeszklenia przekracza lepkość o jakąś wartość

- przejście miedzy cieczą a szkłem nie jest przemianą termodynamiczną nie zmienia stanu skupienia

- przejście ze stanu zeszklenia do stanu stałego - charakteryzuje się wydzieleniem energii

Izotropia właściwości - wł. szkła nie zalezą od kierunku (?)

Warunki, które muszą zajść by można zeszklić materiał: (reguły Paulinga)

- wielościany muszą łączyć się narożem (nie ściana/ krawędzią)- jak najluźniejsza struktura szkła

- nie może być zbyt gęsta struktura szkła

- jeżeli anionem jest tlen może należeć do max 2 wielościanów koordynacyjnych

- ilość naroży wielościanów powinna być mniejsza niż 6

Gęstość szkła od kryształu - pyt. Na egzaminie: czy krystobalit czy szkło kwarcowe (chyba szkło -tak tu pisze)

Modyfikatory szkła - alkalia, pierwiastki alkaliczne

-, jeżeli zmieniamy wiązanie kowalencyjne na jonowe i wprowadzamy alkalia to wł. szkła się pogarszają, temp. maleje, wytrzymałość maleje (?)

Po co modyfikatory - żeby łatwiej można szkło wytworzyć

Polimorfizm w ceramice (fazy)

Odmiany polimorficzne:

- ten sam skład, wiązania, temp. topnienia

- inna siec krystaliczna, ciepło tworzenia, gęstość, twardość (wszystko, co wynika z sieci krystalicznej - im luźniejsza siec tym mniejsza gęstość, twardość itp.)

Zmieniając ciśnienie i temperaturę możemy uzyskać różne postacie (fazy) tego samego związku (inna entalpia -min. Energii)

Odmiany metatrwale(nietrwale) - nieosiągające minimum energetycznego - silimanit (skała w skorupie ziemskiej)

Przemiana monotropowa - w jednym kierunku, faza metatrwała w trwałą

Przemiana mezotropowa - fazy beta w ciecz

Rodzaje przemian:

- enancjotropowe (odwracalne - miedzy fazami termodynamicznie trwałymi)

- monotropowe (nieodwracalne - miedzy fazą nietrwałą a trwałą)

Przemiany z przebudową mogą łatwo prowadzić do powstania fazy nietrwałej; przemiana w cemencie - cement traci wł. wiążące (?)

Przemiany odwracalne - szybkie, typu martenzytycznego - mogą nie wywoływać dużych zmian

α-kwarcβ-kwarc (idealnie ta sama temp., nie wywołuje zmiany objętości)

α-krystobalitβ-krystobalit (typu martenzytycznego, wywołuje duże zmiany objętości, fatalna w skutkach dla ceramiki)

jednoskośny ZrO2 tetragonalny ZrO2 (szybka, martenzytyczna, duża zmiana objętości, przemiana kontrolowana, wykorzystuje się to poprawy właściwości)

α-trydymit β-trydymitγ-trydymit

przemiany odwracalne są nieuniknione

- przemiany z przebudową sieci (enancjotropowe) - jeśli jedna i druga faza jest topologicznie odmienna, zerwać wiązania i odbudować, zazwyczaj tym przemianom towarzyszą przemiany metatropowe

Β-kwarcγ-trydymit

γ-trydymit β-krystobalit

γ-Al2O3 α- Al2O3 (nie ma powrotu)

4 fazy termodynamicznie trwale krzemionki

Alfa-kwarc, beta-kwarc, gamma-trydymit, beta-krystobalit

Przy wytwarzaniu ceramiki z kwarcem zmiany objętości kompensowane są przez obecność porów.

Alfa beta-krystobalit 1470stC - niekorzystna przemiana technologiczna (pękanie)

Kwarc:

- zegarki,

- w postaci piasku kwarcowego jest głównym składnika szkła

- jest jednym ze składników ceramiki szlachetnej

- jako SiO2 występuje w związkach (krzemianach) w ceramice tradycyjnej

Wodorotlenek glinu alfa- …… - skomplikowana ścieżka przemian polimorficznych

Na przemiany polimorficzne ma wpływ termodynamika, kinetyka, siec krystaliczna

Wodorotlenek glinu - występuje w 3 postaciach (fazach) krystalicznych)

Właściwości Al2O3:

LK=6, oktaedr, wiązanie jonowo-kowalencyjne (60%), może występować w tetraedrycznej

Alfa-Al2O3 - korund, największa stabilność chemiczna, termiczna, bardzo wysoka twardość

Gamma - Al2O3

Zastosowanie Al2O3

- bioceramika, czysty Al2O3 - mat. ścierny, c. inżynieryjna, mat. ogniotrwale; Al2O3 jako składnik - cement glinowy, glinokrzemiany; polerski materiał (miękki w porównaniu alfa-Al2O3)

Krzemian wapniowy

Układ Ca2SiO4

Odmiany: beta (LK=8; gęsta struktura), gamma (LK=6;mniejsza struktura)

Przemiana beta gamma (rozszerza się, zmiana objętości 12%, bardzo duża), nietrwały w wysokiej temp.

Struktura atomowa i wiązania:

- poziom elektronowy (subatomowy)

- atomowy (molekularny, skład chemiczny)

- kryształ (ułożenie atomów lub jonów względem siebie)

- mikrostruktura (pod mikroskopem)

-makrostruktura (gołym okiem)

Struktura - mikrostruktura - technologia

- wiąz. chemiczne (temp. topnienia, teoretyczna wytrzymałość mechaniczna, przewodność i rozszerzalność cieplna i sprężystość)

Zespoły koordynacyjne:

- w ceramice co najmniej 2 jony

Transfer elektronów od kationu i anionu (zawsze kation mniejszy)

Różnica ładunku i wielkości aniony mogą się układać w różnej odległości od kationu nie mogą za daleko bo nie będzie siły przyciągania elektrostatycznego

Liczba koordynacyjna kationu - liczba sąsiadujących anionów, jaka znajduje się w równej odległości od centrum kationu

LK=4 - w związkach kowalencyjnych (czworobok foremny)

LK=6 - ośmiościan

LK=8 - sześcian

LK=12 - wielościan

Wiązania jonowe 0,225 <m<1 najpopularniejsze to oktaedr i sześcian

6≤LK≤8 np. MgO6, AlO6 - oktaedr, CsCl8 - sześcian

Wiąz. kowalencyjne Si-O; LK=4

Wiąz. jonowe Al.-O - oktaedr występuje w alfa-Al2O3 (korund) i glinokrzemianach

Struktura krystaliczna

istnieją tez w nieuporządkowanych ułożenie zespołów koordynacyjnych (amorficzne)

- przykłady ceramiki (trudniej mają strukturę regularną, bo są elementy różne):

*granaty - lasery?

*spinele (MgO, Al2O3) mat. ogniotrwale, przemysł zbrojeniowy

Ceramika, która tworzy układy krystaliczne dość łatwo wytworzyć w postaci przezroczystej

Tetragonalny ZrO2, SiC

Gdy LK=8 to zespól koordynacyjny jest jednocześnie komórką elementarną (nie zawsze)

Struktura typu perowskitu ABX3 (podstawa c. dielektrycznej), BaTiO3 (2 kationy - jeden na 4 st. Utlenienia, a drugi na 2; mały kation LK=6, duży LK=8)

Defekty struktury w ceramice (punktowe, liniowe, płaskie)

- d. Frenkla - wakancji i kation w pozycji międzywęzłowej

- d. Schotky'ego - para wakancji kation-anion

-niestechiometria - różny stopień utlenienia

-zanieczyszczenia- roztwory stałe, pozycje międzywęzłowe

Konieczność zachowania (?) elektroobojętności - para wakancji lub kation w pozycji międzywęzłowej

Defekty punktowe - niestechiometria - związane z występowaniem kationu na różnych stopniach utlenienia; tylko wakancje kationowe (bez anionu) ale podwyższanie stopnia utlenienia na 2 kationach Fe_1-xO (niestechiometryczny) elektrostabilnośc

Defekty punktowe - zanieczyszczenia, domieszkowanie

Defekty liniowe - dyslokacje

Dyslokacje w strukturze jonowej (notatka - nie wiem o ciul chodzi)

Dyslokacje w strukturze kowalencyjnej (jw.) - zmiana odległości w sposób skokowy - praktycznie niemożliwe odkształcenie; wysoka energia, ruch dyslokacji utrudniony, tylko w wysokiej temp.

POLIKRYSZTAŁY - zbiór wielu małych kryształów lub ziaren o rożnej orientacji)

Powstają w wyniku:

- spiekanie proszku (ceramika)

- krystalizacji szkła (szkło-ceramika)

- krystalizacji cieczy, przemian fazowych (metale, stopy)

- reakcji chemicznych, hydratacji (cement)

Polikryształy jednofazowe:

Struktura polikryształów zależy od:

- miejscowej równowagi w zbiegu granic międzyziarnowych

- przestrzeni wypełnionej przez geometrie kryształów ziaren

Polikryształy wielofazowe:

Podstawowa różnica miedzy metalami a ceramiką to wielkość ziaren.

Pory w mikrostrukturze:

Struktura porcelany - 2 fazy stałe

Krzemiany

- tetraedr krzemowy, łączą się tylko przez wierzchołki

Różne postacie polimorficzne różnią się miedzy sobą budową krystaliczną, ciepłem tworzenia, gęstością i innymi właściwościami fizycznymi stanowią zatem odrębne fazy wykazujące określone zakresy temperatur i ciśnienia w których są one trwale.

Faza beta-krzemianu - metatrwaly (przechłodzony do temp. otoczenia) w cemencie rośnie

Alfa (niska temp) beta (wyższa temp) gamma (jeszcze wyższa temp.)

Tetraedry są przekrzywione - gęstość wyższa niż gdyby były proste

Alfa-krystobalit prosto ustawione tetraedry, niższa gęstość niż kwarc

Koezyt - podwyższone ciśnienie w trakcie tworzenia;

Kwarc, krystobalit - tworzy się w normalnym ciśnieniu

Stiszowit - przy wyższym ciśnieniu

Przemiana polimorficzna ma charakter odwracalny i nieodwracalny, mają zastosowanie przy zmianie własności;

Ciąg przemian polimorficznych: przemiana wymagająca zmiany sieci, łatwo przechłodzić, nieodwracalna (zmiana nazwy)

Tam gdzie zmienia się tylko litera - szybka przemiana, przy każdym ogrzaniu, chłodzeniu zachodzi odwracalna

3 podstawowe odmiany: kwarc, trydymit, krystobalit

Przemiana alfa beta-krystobalit - przemiana odwracalna, 200-300st.C, w odróżnieniu od alfa-beta-kwarc jest najbardziej niekorzystną przemianą, zmiana objętości o 10%; obecność krystobalitu w jakiejkolwiek ceramice dyskwalifikuje ją, (bo popęka)

Krystobalit tworzy się hydrynitu (?) w temp. 1460st.C

Podstawienie izomorficzne - niezmieniają struktury, zmieniają skład chemiczny, podstawia się kationy obce, zmiana pewnych właściwości

Związki, w których nastąpiła przemiana krzemu na glin metal to glinokrzemiany.

Glinokrzemiany - albit, antracyt, ortoklaz

Korund - najważniejsza odmiana polimorficzna Al2O3

Podstawienie izomorficzne w Si3N4 (c. inżynieryjna, możliwe tylko w związkach tlenowych)

- w miejsce krzemu dajemy glin i w miejsce azotu - tlen (podstawienia krzyżowe)

Skalenie - roztwory stałe, identyczne szkielety strukturalne z tetraedrów AlO4, SiO4 w proporcji 1:3 do 1:1; skalenie są drugim ważnym składnikiem produkcji ceramiki szlachetnej

Zeolity - glinokrzemiany zbudowane z tych samych jednostek, które maja specyficzna strukturę - łączą się miedzy sobą dodatkowymi mostkami (tlenowymi) we wszystkich narożach czworościanów

Przykłady zeolitów:

- maszolit (?): Na2[Al2Si3O10] 2H2O

- lazuryt: Na2[Al6Si6O24]S2

Tworzenie ……… struktur glinokrzemowych pozwala na zaprojektowanie konkretnej struktury

3 składnik to produkcji ceramiki tradycyjnej - uwodnione warstwowe glinokrzemiany

Produkty wietrzenia skaleni w środowisku kwaśnym (CO2) i wtórnej krystalizacji z roztworów; skały osadowe - minerały ilaste: gliny, kaolin, iły, bentonity, itp.

Wodorotlenek glinu - podstawienie (oktaedr) do warstwy krzemotlenowej

Kaolinit - trzeci, podstawowy surowiec do produkcji ceramiki szlachetnej (pakiet 1:1 - 1 kation krzemu, 1 kation glinu) (?)

Podsumowanie

- podstawowy związek w ceramice SiO2 - specyficzne właściwości z wiąz. kowalencyjnego i zespołu koordynacyjnego (tetraedr)

- kwarc, krystobalit, trydymit, przemiany alfa, beta

- glinokrzemiany szkieletowe (glin w podstawieniach izomorficznych z odpowiednim kationem), izostrukturalne z Si (twarde), ale obecność alkaliów niska temp. topnienia

-związki nie tlenkowe, zeolity - ten sam typ

- glinokrzemiany warstwowe - inna struktura niż szkieletowa, glin w postaci wodorotlenku glinu i w postaci oktaedru (pirofilit (?) 2:1 - plastyczny, kaolinit 1:1)

WYKŁAD 10 - SLAJDY

Stabilizatorem jest tlenek Itru - przewodnictwo cieplne z tlenkiem cyrkonu jest dużo niższe

Odporność na kruche pękanie (Al2O3 + włókna SiC , PZt (t-ZrO2))

K > K_C

K - współczynnik intensywności naprężeń - zależy od geometrii szczeliny i odciążenia

K_C - zależy od materiału, temp. i szybkości obciążenia

Metody poprawy odporności na kruche pękanie:

- wzmacnianie przez przemiany polimorficzne

- kompozyty ziarniste ceramika

- kompozyty z włóknami

- kompozyty z długimi włóknami

Własności sprężyste zalezą od - mikrostruktury i rodzaju wiązań w materiale

Mechanizmy polaryzacji: elektronowa, jonowa, orientacyjna

Materiały na kondensatory: TiO2, BaTiO3, PZT

Ogniwa SOFC (ZrO2, Ni-YSZ) - źródło energii wykorzystuje energie odpadową (?)

Nadprzewodnik - YBCO

Własności optyczne - załamanie światła, absorpcja, mechanizmy podziałowe (?) światła w materiale, mechanizmy powstawania barwy, optoelektronika, luminescencja

Spiekanie = konsolidacja (zwiększanie powierzchni granic ziarnowych)+zagęszczanie+rekrystalizacja

Modyfikatory szkła:

-więźbotwórcze: SiO2, B2O3, P2O5

- modyfikatory - K+, Na+, Ca2+, Mg2+, Pb2+

- pośrednie: Al2O3, PbO, BaO3

Szkło ma mniejszą gęstość niż kryształ (bo jest nieuporządkowane)

Duża gęstość= przyczyna przy której nie można wytwarzać tlenku cyrkonu bo przemiany są odwracalne typu martenzytycznego

Tlenek Itru (Y2O3) - właściwości stabilizacyjne; obniża przemiany do najniższej temp.

Kruche pękanie:

- niestabilna propagacja pęknięcia

- pękanie bez ostrzeżenia

- gładka powierzchnia pęknięcia

- w materiałach kruchych pękanie wymaga malej energii

MgO-Al2O3 - niestechiometria, spinele

Elementy mikrostruktury - defekty kryształów, granice ziarnowe, pory, inne fazy

Mrozoodporność - zdolność materiału do przeciwstawiania się rozciągającym naprężeniom wody zamarzającej w porach materiału, zależy od: porowatości, wytrzymałości ścianek porów

Dlaczego w roztworach stałych występują defekty punktowe - w kryształach rzeczywistych elektrony zostają czasem wzbudzone i przechodzą na wyższe stany energetyczne pozostawiając po sobie puste miejsca w ……. Wypełnionych poziomach

Obniżenie temp. eutektyki: SiO2-Al2O3, alkalia, Na2O, K2O

Im większa rozszerzalność cieplna tym mniejsza odporność na wstrząsy

Na czym polegają defekty tworzące niestechiometrie - związane z występowaniem kationów na różnych stopniach utlenienia; może być tylko wakancja kationowa (nie para kation-anion) ale podwyższa się stopień utlenienia na 2 kationach - lekkostabilne

Defekty punktowe - zaburzenia struktury, których zasięg nie przekracza wymiarów atomu

Największa symetria - regularny; wysoka - tetragonalny, heksagonalny; średnia - rombowy, trygonalny, romboedryczny; najniższa - jednoskośny, trójskośny

Kruche pękanie zależy od długości i szerokości pęknięcia, naprężenia krytycznego

Wł. mechaniczne - reakcja na zew. obciążenie mechaniczne, sprowadzające się do odkształcenia i dekohezji

Dlaczego woda wpływa na odkształcenie pakietow 2:1 - pomiędzy warstwy pakietu może wchodzić woda co powoduje odpychanie pakietow od siebie i pęcznienie materiału woda działa smarująco w związku z czym pakiety mogą przesuwać się względem siebie; materiał jest plastyczny i pod wpływem obciążenia odkształca się plastycznie.

Ceramika gęsta o najmniejszej przewodności cieplnej - ZrO2; o największej - Al2O3

Wstrząsy termiczne naprężenia może pękać obniża wytrzymałość i wł. mechaniczne

Defekty powierzchniowe: granice ziaren, granice międzyfazowe, błędy ułożenia

Własności ZrO2 - odporność na korozje, nie ulega działaniu kwasów, nie rozpuszcza się w alkaliach, trudno topliwy, bardzo odporny chemicznie, wysoki moduł sprężystości, niski współczynnik przewodności cieplnej, wysokie przewodnictwo jonowe, wysoka wytrzymałość i twardość, odporność na kruche pękanie, dobra biozgodność

Najlepsze przewodnictwo fononowe - diament, AlN, SiC

Ceramika tlenkowa o największe wytrzymałości mechanicznej- ZrO2, Al2O3, (MgO (?))

Tlenki, modyfikatory w szkle- CaO (CaCO3), MgO (MgCO3), Al2O3, Na2CO3

Materiały wiążące - materiały, które po sproszkowaniu i związaniu z wodą daje się formować i mają zdolność do wiązania na powietrzu i wodzie

Warunki by roztwór tworzył z innym roztwór stały - podobieństwo promieni jonowych, taki sam ładunek kationów, taka sama sieć

Podstawowe kationy w ceramice: Si, Al., Mg, Ca, Zn

Przemiany polimorficzne krzemianu dwuwapniowego:

- nieodwracalne: beta gamma alfa

- odwracalne: alfa ↔ beta faza beta ma własności wiążące w cemencie

Przykłady ceramiki nie tlenkowej o wysokiej wytrzymałości mechanicznej: SiC, TiC

Propagacja pęknięcia nastąpi jeśli naprężenie w koncentratorze naprężeń osiągnie wartość K

Efekty makroskopowe podczas spieku: zmiana wymiarów, skurczliwość, zmiana własności

Warunki powstania szkła:

- 2 wielościany koordynacyjne mogą mieć jeden wspólny wierzchołek

- ilość naroży powinna być mniejsza niż 6

- stosunek promieni kationu do anionu powinien być większy od 0.3

- co najmniej 3 naroża wielościanów musza być połączone z innymi wielościanami aby powstała przemiana

Przemiany polimorficzne odwracalne z dużą zmianą objętości:

Alfa-krystobalit ↔ beta-krystobalit (10%)

mZrO2 ↔ tZrO2 (5%)

Odmiana polimorficzna ZrO2 o największej gęstości - tZrO2 (6,10g/cm3)

Zastosowanie ZrO2 - szkło, emalie, wyroby jubilerskie, czujniki, elektroceramika

Podstawienie izomorficzne - nie zmienia struktury, zmienia skład, właściwości

Kationy w szkle - więźbotwórcze (tworzą strukturę), modyfikatory (zmieniają właściwości), pośrednie ( wchodzą w strukturę ale nie mogą jej zmienić)

Cement glinowy - boksyt

Materiał rożni się od związku tym ze posiada mikrostrukturę

Obróbka końcowa:

- c. tradycyjnej - szkliwienie

-c. zaawansowanej - polerowanie, polaryzacja

PROSZKI FORMOWANIE SPIEKANIE

Rozdrabnianie : ściskanie, udar (najszybsze), ścieranie (najwolniejsze)

SCHEMAT TECHNOLOGII:

Surowce met. Chemiczne próbka proszku produkt :

• Formowanie spiekanie

• Spiek obróbka gotowy produkt

Metody formowania:

- z mas plastycznych: pasmowe, wtryskowe

- prasowanie: jednoosiowe, izostatyczne, wibracyjne

- z mas lejnych

Cement-krzemian wapnia; beton- kruszywo+cement

Hydroliza - inkonogmentne (?) rozpuszczanie

Cement:

- portlandzki - C3S+beta-C2S

- glinowy CA

-hutniczy - żużel +dodatki

Najgorsze zanieczyszczenie cementu obniżające jego własności - WAPNO

Materiały ogniotrwale -(coś tam coś) roboczej w wysokich temp. i zapewniają stabilne warunki procesu

SiO2, ZrO2 | Al2O3, Cr2O3 | MgO, CaO

- temp. topnienia wyższa od temp. pracy

- odporne na zniszczenie

- odporne na naprężenia cieplne

-niskie (…) ciepła

*kwaśne - czysta krzemionka, glinokrzemianowa ceramika, gliny ogniotrwałe

*zasadowe - oparte na MgO, CaO

* obojętne - ceramika chromitowa i magnezytowo-chromitowa

Polaryzacja - powstają niewielkie przesunięcia ładunków dodatnich i ujemnych względem siebie

PLZT - tytanian ołowiowo - lantanowy, c. inżynieryjna, ferroelektryku (Pb, La)(Zr, Ti)O3

PZT - Pb(Zr,Ti)O3 - piezoelektryki

Tlenki szkłotwórcze - SiO2, B2O3, CaO, Na2O, PbO

Wytrzymałość ceramiki budowlanej zależy od: jednorodności, porowatości, wtrąceń ziarnistych

Ruch dyslokacji w wiązaniach kowalencyjnych jest utrudniony bo wymaga zerwania wiązań i zniekształcenia kątów; w jonowych - nie wzdłuż najgęściej upakowanej płaszczyzny i nie może dojść do kontaktu naładowanych jonow

Dielektryki - struktura dipoli

Dlaczego ceramika ma największa gęstość - związane z występowaniem wiązań jonowych i kowalencyjnych

Strumień ciepła w materiale - przewodzenie ciepła, wzrost temp., rozrost, powstanie naprężeń

Wytrzymałość bliskiej teoretycznej - wiskersy (SiC)

Produkt hydratacji cementu - ziarna cementu

TiC - największy moduł sprężystości

Struktura ceramiki - granice międzyziarnowe, pory, fazy amorficzne, kryształy

Fononowe przewodzenie cieplne - przenoszenie ciepła przez zderzenia obdarzonych energia jonów które wykonują chaotyczne ruchy

Dlaczego szkło nie przewodzi ciepła - posiada różną długość wiązań, chaotycznie przekazuje energie, a jego przewodnictwo cieplne maleje wraz ze wzrostem chaotyczności drgań

Naprężenia wokół porów zalezą od: kształtu i wielkości porów

Przewodnictwo cieplne zależy od: gęstość, średnia prędkość, długość drogi swobodnej, ciepło właściwe

Cr2O3-Al2O3 - całkowita rozpuszczalność składników

ZrO2 - przemiany odwracalne; Al2O3 - nieodwracalne

Wymagania co do ceramiki budowlanej- trwałość, niskie przewodnictwo cieplne, niski koszt, estetyka, dobra mrozoodporność

Tytanian baru - budowa kondensatorów

Fajans- płytki ścienne, naczynia stołowe, przedmioty ozdobne,

ZrO2 - jednoskośny ↔ tetragonalny - niski stopień uporządkowania

Okładki kondensatorów - elektroceramika BaSrTiO3

Ferroelektryki - elementy pozycjonujące, pamięci półprzewodników, sensory, detektory

Rozszerzalność cieplna zależy od - rodzaju naprężeń cieplnych, rodzaju sieci krystalicznej, stopnia upakowania,

Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej - względne wydłużenie materiału podczas ogrzania o 1⁰C

Własności cieplne ceramiki - przewodnictwo cieplne, rozszerzalność cieplna, naprężenia cieplne i odporność na szok termiczny, pełzanie

Przewodnictwo cieplne - elektronowe, fononowe, promieniowanie

Przewodnictwo fononowe maleje wraz z temperaturą

Rozszerzalność cieplna - max: Al., MgO; min. Szkło kwarcowe, SiAlON

Współczynnik przewodnictwa cieplnego: diament - max (?)

Naprężenia cieplne - (coś tam) rozszerzanie cieplne w materiale ( w różnych obszarach)

- I rodzaju - anizotropia rozszerzalności poszczególnych ziaren lub anizotropia modułu Younga

- II rodzaju - nierównomierny rozkład temp. w objętości materiału

Odporność na wstrząsy termiczne - max różnica temp. jaka wyrób może wytrzymać bez spękań

Pełzanie - powolne i ciągłe odkształcanie materiału w czasie pod wpływem niewielkich naprężeń niższych od granicy plastyczności

Wysokie przewodnictwo cieplne: AlN, SiC, C ; niskie: ZrO2, kobaltany

Rodzaje pękania: kruche, ciągliwe, krucho-ciągliwe

Hydratacja cementu - zarodkowanie, utworzenie mało przepuszczalnej warstwy, rozrywanie warstwy żelowej, przesycenie roztworu

Zastosowanie ceramiki inżynieryjnej: przemysł metalurgiczny, energetyczny, samochodowy,

Struktura piezoelektryków - domenowa, perowskitu

Dlaczego ceramika pęka poniżej teoretycznej wytrzymałości - przyczyną jest występowanie w strukturze nieciągłości; naprężenia wew. u wierzchołka pęknięcia są wielokrotnością przyłożonych naprężeń zewnętrznych; naprężenia wewnętrzne mogą osiągnąć wielkość równą wytrzymałość teoretycznej już przy niewielkich obciążeniach zewnętrznych

Współczynnik koncentracji naprężeń - mówi ilokrotnie zwiększa się lokalne naprężenie w stosunku do obciążeń zewnętrznych

POWODZENIA :D

---