I. Klasyfikacja i struktura oraz zastosowanie materiałów ceramicznych.
Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych nazywana jest ceramiką. Do tej grupy zaliczane są również szkła i ceramika szklana.
Ogólnie produkty i materiały ceramiczne można podzielić na:
- materiały ogniotrwałe,
- materiały węglowe, grafit,
- materiały budowlane,
- posadzki,
- materiały ścierne,
- narzędzia skrawające,
- elementy konstrukcyjne,
- szkło,
- porcelanę stołowa, porcelit, fajans,
- ceramikę elektrotechniczną
Materiały ceramiczne wykazują również własności elektryczne i magnetyczne przydatne w elektronice i elektrotechnice.
Główne typy materiałów ceramicznych i węglowych:
- węgliki wolframu; ich twardość, wytrzymałość i odporność na ścieranie zależna od udziału osnowy kobaltowej, stosowane są na narzędzia skrawające i matryce,
- węgliki tytanu; nikiel i molibden stosowane jako lepiszcze; stosowane na narzędzia skrawające;
- węgliki krzemu; wysokotemperaturowa wytrzymałość i odporność na ścieranie, stosowane w turbinach cieplnych i jako ścierniwo,
- azotki boru o regularnej sieci przestrzennej; druga najtwardsza znana substancja po diamencie, stosowany jako ścierniwa i na narzędzia skrawające,
- azotki tytanu; stosowane jako pokrycia ze względu na dużą odporność na ścieranie, o złotym kolorze,
- azotki krzemu; wysoka odporność na pełzanie i udary cieplne, stosowane w turbinach cieplnych,
- tlenki aluminium; wysoka twardość, umiarkowana wytrzymałość, najpowszechniej stosowane na narzędzia skrawające, izolatory elektryczne i cieplne,
- tlenki cyrkonu; wysoka wytrzymałość i ciągliwość, rozszerzalność cieplna zbliżona do żeliwa, odpowiednie na elementy turbin cieplnych,
- sialony; łączą cechy azotku krzemu i tlenku aluminium, stosowane na narzędzia skrawające i jako metal żaroodporny,
- cermetale; zawierają tlenki, węgliki i azotki oraz metalową osnowę, zastosowanie wysokotemperaturowe, a niektóre na narzędzia skrawające,
- krzemionka; żarowytrzymała; kwarc wykazuje efekt piezoelektryczny; silikany, zawierają różne tlenki, są stosowane na wysokotemperaturowe elementy,
- szkła; zawierają nie mniej niż 59 % krzemionki; struktura bezpostaciowa, liczne typy o zróżnicowanych własnościach mechanicznych i fizycznych,
- ceramika szklana; zawiera w strukturze bardzo drobne kryształy, bardzo dobra odporność na udary cieplne i żarowytrzymałość,
- grafit; krystaliczna postać węgla, wysoka przewodność elektryczna i cieplna, dobra odporność na udary cieplne,
- diament; jedna z najtwardszych znanych substancji, dostępny jako monokryształ lub w postaci polikrystalicznej, stosowany na narzędzia skrawające i ścierniwo, a także na matryce do ciągnięcia cienkich drutów.
II. Wiązania między atomami w materiałach ceramicznych.
Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali.
Między atomami w tych materiałach występują wiązania od czysto jonowych do całkowicie kowalencyjnych, a wielu materiałach ceramicznych występuje kombinacja tych dwóch wiązań.
III. Ceramika inżynierska.
Ceramika inżynierska, określana również jako ceramika specjalna, lub ceramika drobnoziarnista, wytwarzana jest w wyniku spiekania, w wysokiej temperaturze, bez udziału fazy ciekłej, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, węgliki, azotki ale także diament i wykazuje w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczna gęstość.
Materiały ceramiczne tlenkowe
Zastosowania ceramiki inżynierskiej obejmują materiały odporne na zużycie, łożyska, narzędzia skrawające, elementy samochodów, oprzyrządowanie energetyczne, endoprotezy, oraz różne elementy w przemyśle kosmicznym, lotniczym i militarnym.
Materiały ceramiczne oparte na tlenku aluminium Al203 stosowane są w bardzo wielu przypadkach, na podłoża w elektronice, świece zapłonowe, przewodniki i izolatory ognioodporne, łożyska, zbiorniki chemiczne, zawory itd. W postaci szafiru są stosowane na odporne na zarysowania w przezroczyste szkiełka do zegarków. Materiały te są klasyfikowane w zależności od udziału czystego tlenku aluminium.
Materiały ceramiczne nietlenkowe
W skład tych materiałów wchodzą azotki krzemu Si3N4, węgliki krzemu SiC i azotki boru BN. Materiały te wykazują zbliżoną wytrzymałość i ciągliwość w wysokiej temperaturze powyżej 13000C, są stabilne w środowisku chemicznym, wykazują dobrą odporność na zużycie i niski współczynnik tarcia. Si3N4 i SiC są stosowane w samolotach oraz turbinach i silnikach rakietowych, a także w przemyśle samochodowym na gniazda i główki zaworów, rotory turbosprężarek oraz komory spalania.
Włókna ceramiczne.
Od 30-tych lat XX wieku znane są włókna ceramiczne, których produkcja rozwinęła się po roku 1965, głównie ze względu na wymagania przemysłu lotniczego i kosmicznego.
Do zastowania w materiałach kompozytowych włókna ceramiczne, podobnie jak włókna szklane i węglowe są produkowane w formie: rowingu, tkanin, mat, włókien ciętych, prętów.
IV. Cermetale inżynierskie.
Cermetale złożone są z drobnych cząstek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących fazę wiążącą, o udziale masowym 5 do 15 %, wykazują gęstość prawie teoretyczną. Materiały te bywają również zaliczane w skład ceramiki inżynierskiej lub w skład materiałów kompozytowych. Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z tych materiałów mogą być poddawane obróbce cieplnej, podobnie jak stopy metali. Najbardziej typowymi przedstawicielami tej grupy materiałów inżynierskich są węgliki spiekane i cermetale narzędziowe
Cermetale inżynierskie mogą być klasyfikowane , pod względem udziału w nich głównych składników, na: węgliki, węglikoazotki, azotki, tlenki, borki, różne związki zawierające węgiel.
Cermetale, w których dominującą fazą są borki jednego z metali przejściowych, wykazują bardzo dobrą odporność na korozję w środowisku ciekłych metali, np. aluminium, lub ich par. Cermetale zawierające mieszaniny ZrB2 i SiC są odporne na erozję w gazowych układach napędowych rakiet.
Cermetale zawierające grafit w różnym udziale są stosowane na szczotki i styki elektryczne oraz składniki smarne elementów odpornych na ścieranie. Do tej grupy należą również cermetale zawierające drobne cząsteczki diamentu w osnowie metalowej, które są stosowane na narzędzia specjalne.
V. Ceramika porowata.
Ceramika ta, określana jest również tradycyjną, klasyczną lub wielkotonażową z tego względu, że zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowlane, ogniotrwałe lub stosowane m.in. w technice sanitarnej , w tym m.in. porcelanę, kamionkę, dachówkę i cegłę. Ceramika porowata obejmuje produkty z gliny oraz materiały ogniotrwałe i charakteryzuje się sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne, utworzone głównie z Al2O3, SiO2 i H2O występujących w różnych proporcjach.
Materiały ogniotrwałe.
Są to materiały stosowane na piece przemysłowe i na wymurówki kadzi na ciekłe metale, pracujące w temp. do 17000C i cechujące się ogniotrwałością zwykłą i pod obciążeniem, odpornością na udary cieplne, odpornością na ścieranie i na działanie żużli oraz wymaganą nasiąkliwością, przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. W zależności od ogniotrwałości materiały ceramiczne dzieli się na: zwykłe ( do 17000C ), wysokoogniotrwałe ( 17000C-20000C) i o bardzo wysokiej ogniotrwałości ( powyżej 20000C ).
Ze względu na własności chemiczne materiały ogniotrwałe dzieli się na:
- kwaśne, zawierające SiO2 i Al2O3
- zasadowe, w skład których wchodzą CaO i MgO.
Glina ogniotrwała poddana spiekaniu i rozdrobniona, zawierająca 25-48% Al2O3 i 50-70% SiO2 o ogniotrwałości zwykłej 16500-17000C,a pod obciążeniem 1250-15000C jest nazywana szamotem.
Korundowe materiały ogniotrwałe zawierające 75-99% Al2O3, cechują się dużą ogniotrwałością i odpornością na ścieranie, ale małą odpornością na zmiany temperatury. Często jako materiały ogniotrwałe są stosowane materiały węglowe składające się głównie z węgla(>90%) możliwe do wykorzystania do temperatury ponad 17000C.
Kamionka, terakota i klinkier.
Kamionka jest materiałem ceramicznym wytwarzanym z gliny kamionkowej z dodatkami, w skład którego wchodzą SiO2, Al2O3, tlenki potasu, sodu i żelaza, wypalanym jedno lub dwukrotnie i zwykle szkliwionym.
Terakota jest materiałem ceramicznym składającym się z gliny ogniotrwałej, skalenia, piasku kwarcowego i tlenków metali, wypalanym w ok. 12000C i cechującym się dużą odpornością na ścieranie.
Klinkier jest materiałem wytwarzanym z glin żelazistych, wapienno-żelazistych lub wapienno-magnezjowych, wypalanym w ok. 13000C, o dużej wytrzymałości i udarności, małej porowatości i nasiąkliwości.
Porcelana, porcelit i fajans.
Porcelanę wypala się jednokrotnie w temperaturze 850-10000C ( nieszkliwioną ) lub dwukrotnie w 1280-13200C ( szkliwioną ) i w 1350-14600C ( twardą ).
W zależności od zastosowania porcelanę dzieli się na: stołową, artystyczną, elektotechniczną, laboratoryjną i dentystyczną.
Porcelana stołowa służy do wytwarzania zastaw stołowych jako twarda lub miękka. Jest formowana przez odlewanie wylewne lub nalewne w formach gipsowych lub przez toczenie i dwukrotnie wypalana na biskwit i następnie w wyższej temperaturze.
Porcelana miękka cechuje się większą przeświecalnością i jest bielsza, ale mniej wytrzymała niż porcelana twarda, gdyż zawiera mniej substancji ilastej i wypalana w niższej temperaturze.
Porcelana techniczna jest porcelaną twardą , do której wprowadza się dodatki m.in. tlenki cyrkonu, krzemianów, magnezu i aluminium oraz tlenku aluminium. Zalicza się do niej porcelanę chemiczną, elektrotechniczną, a także irometryczną i dentystyczną.
Fajans jest tworzywem ceramicznym o barwie białej i kremowej, porowatym i przeważnie pokrywanym szkliwem, cechujący się skłonnością do nasiąkania wodą i znacznie mniejszą wytrzymałością od porcelany. Wytwarza się go z glin fajansowych z dodatkami m.im. kwarcu i skalenia. Szkliwo fajansu z czasem pęka, nasiąka wodą, trwale się brudzi. Wytwarza się m.in. fajans: stołowy, sanitarny, techniczny, twardy, szamotowy.
Porcelit jest tworzywem ceramicznym o własnościach pośrednich między porcelaną a fajansem, o barwie kremowej, mniejszej porowatości i większej wytrzymałości od fajansu. Wytwarza się go z gliny fajansowej, substancji ilastej kwarcu i skalenia. Wytwarza się z niego nakrycia stołowe, produkty sanitarne i sprzęt laboratoryjny.
VI. Materiały ceramiczne o specjalnych zastosowaniach.
Wśród materiałów ceramicznych o specjalnych zastosowaniach m.in wyróżnić możemy:
- materiały ceramiczne stosowane na silniki samochodowe i lotnicze,
- materiały ceramiczne stosowane w technice kosmicznej,
- materiały ceramiczne o nadprzewodnictwie wysokotemperaturowym,
- materiały ceramiczne stosowane w technice jądrowej,
- materiały ceramiczne stosowane w wojsku.
VII. Szkła i ceramika szklana.
Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia, zapewniającej powstanie fazy krystalicznej, w razie powolnego chłodzenia w warunkach zbliżonych do równowagowych. Szkła podlegają odkształceniu, stając się materiałami krystalicznymi, lecz okres ten trwa minimum kilkaset lat. Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: SiO2, B2O3 i P2O5, tlenki arsenu i germanu, a także siarka, selen i fluorek ołowiu.
Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła może być regulowany przez odpowiednie dodatki tlenków, np.ołowiu.
Ceramika szklana zwana także dewitryfikatami lub pyroceramiką powstaje przez krystalizację masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tylko ok. 2% fazy szklistej. Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Cu, Ag lub Au pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Materiały te mają własności mechaniczne i odporność na udary cieplne znacznie większe od szkieł, a niektóre własności lepsze od ceramiki inżynierskiej.
- 1 -