Materiały ceramiczne

Materiały ceramiczne są to materiały nieorganiczne (w odróżnieniu od materiałów na bazie węgla) o wiązaniach jonowych i kowalencyjnych.

Wiązanie jonowe, jak wiadomo, polega na przeniesieniu jednego elektronu lub grupy elektronów walencyjnych z jednego atomu na drugi. Muszą to być zatem różne atomy. W wyniku przesunięć elektronowych atomy uzyskują trwałą konfigurację, a jednocześnie stają się jonami dodatnimi i ujemnymi.

Wiązanie kowalencyjne polega na przekazaniu z poszczególnych atomów jednego elektronu lub grupy elektronów do utworzenia uwspólnionej (lub uwspólnionych w przypadku wiązania wielokrotnego) pary elektronów walencyjnych.

Do grupy materiałów ceramicznych należą:

• ceramika tradycyjna,

• szkło,

• cermetale (spieki ceramiczno-metalowe).

Wymienione materiały często obok fazy o strukturze krystalicznej wykazują spory udział fazy szklistej, bezpostaciowej. Właściwości fizyczne i chemiczne materiałów ceramicznych są wynikiem obecności wiązań międzyatomowych i struktury krystalicznej (polikrystalicznej). Do charakterystycznych ich właściwości należą następujące:

• brak przewodnictwa elektrycznego i ograniczona przewodność cieplna (ze względu na brak wolnych elektronów),

• wysoka temperatura topnienia i duża odporność chemiczna (ze względu na dużą trwałość wiązań),

• brak plastyczności, duża twardość, wysoka wytrzymałość na ściskanie (wiązania kowalencyjne między określonymi atomami są bardzo trwałe, co przeciwdziała dyslokacjom),

• mała wytrzymałość na rozciąganie (ze względu na negatywne oddziaływanie mikropęknięć).

Właściwości mechaniczne materiałów ceramicznych wyraźnie różnią się od właściwości metali. Szczególnie wyróżniającą cechą metali jest ich zdolność do odkształceń plastycznych, nawet przy małych naprężeniach. W materiałach ceramicznych, ze względu na wiązania kowalencyjne i strukturę polikrystaliczną, dyslokacje są ograniczone, a jeśli zachodzą, to pod wpływem dużych naprężeń.

W odniesieniu do wielkości makroskopowych można wykazać, że dyslokacja w materiałach jest funkcją stosunku G/K, gdzie G jest modułem sprężystości postaciowej wyrażonym w Pa, K zaś modułem sprężystości objętościowej w Pa. Dyslokację wyraża się wzorem

gdzie v - współczynnik Poissona.

Dla metali v wynosi ok. 0,3 i G/K = 0,37, podczas gdy dla ceramiki v =
0,1 i G/K = 1. Im stosunek G/K jest mniejszy, tym odkształcenie plastyczne
materiału jest większe. Dlatego granica plastyczności, przy której mają miejsce
dyslokacje, jest o wiele większa w przypadku materiałów ceramicznych niż metali
i zbliża się do naprężeń rozrywających.

Tak więc materiały ceramiczne o wiązaniach kowalencyjnych, jak również
jonowych są kruche zarówno w postaci pojedynczych kryształów, jak i w formie
polikrystalicznej.

Oddzielnym problemem jest zachowanie się ceramiki i metali przy skokowych zmianach temperatury (udar cieplny). Metale ze względu głównie na strukturę regularną wykazują takie właściwości cieplne jak ciała izotropowe i nie są wrażliwe na udar cieplny, natomiast materiały ceramiczne krystalizują w innych
układach krystalograficznych i stąd wykazują anizotropowość, a także często nie
są odporne na udar cieplny. Można to również uzasadnić na podstawie właściwości fizycznych.

Tak więc odkształcenie cieplne:

• 
  materiałów ceramicznych

• metali

gdzie:

α - współczynnik rozszerzalności cieplnej, 1/K,

σ_r - naprężenia rozrywające, Pa,

λ - współczynnik przewodności cieplnej, W/(m-K),

E - moduł Younga, Pa.

Metale wykazują dobrą odporność na udar cieplny, ponieważ λ jest duże, a E stosunkowo małe, natomiast w przypadku materiałów ceramicznych występuje najczęściej zależność odwrotna.

Niekiedy do grupy materiałów ceramicznych kwalifikuje się szkła, cermetale i beton cementowy. Ten ostatni zalicza się do materiałów ceramicznych ze względu na zbliżone do tradycyjnej ceramiki surowce i wysokotemperaturowe technologie wytwarzania klinkieru cementowego w piecach obrotowych. Przynależność betonu cementowego do tej grupy materiałów uzasadnia również wewnątrzatomowy charakter wiązań i krystaliczno-bezpostaciowa struktura.