W2 - 1 III 2010

Szerokie zastosowanie nanomateriałów wymaga przede wszystkim małych kosztów ich wytwarzania. Natomiast wybór metody nie tylko decyduje o kosztach, ale przede wszystkim wpływa na mechaniczne, fizyczne i chemiczne właściwości wyprodukowanego materiału.

Na podstawie dotychczas wykonanych badań udowodniono, że właściwości proszków wytworzonych z tego samego surowca wyjściowego znacznie się różnią w zależności od zastosowanej metody. Nanomateriały i nanotechnologie są interdyscyplinarnymi dziedzinami nauki i techniki łączącymi materiałoznawstwo z inżynierią i nowymi zastosowaniami.

Wytwarzanie nanostruktur rozumiane jako budowanie z atomów uznawanych za pojedyncze klocki można zrealizować w 2 etapach wg 2 wariantów:

1. wytwarzając nanocząstki materiałów metodami fizykochemicznymi, które poddaje się następnie konsolidacji metodami spiekania

2. drogą bezpośrednią, gdy wytwarzanie nanocząstek, obróbka cieplna i konsolidacja łączą się w jednej operacji, np. natryskiwania

Podstawowe rodzaje właściwości materiałów ceramicznych

mechaniczne	fizyczne	chemiczne
moduł sprężystości wytrzymałość na rozciąganie wytrzymałość na ściskanie wytrzymałość na zgniatanie wytrzymałość na pękanie udarność wytrzymałość na pełzanie odporność na udary cieplne twardość kruchość ścieralność	gęstość gęstość pozorna gęstość nasypowa sypkość kapilarność higroskopijność porowatość szczelność przepuszczalność pary wodnej wilgotność nasiąkliwość przesiąkliwość mrozoodporność ogniotrwałość rozszerzalność cieplna pojemność cieplna przewodność cieplna właściwa rozmiar ziaren	odporność na działanie silnych kwasów, zasad, roztworów organicznych odporność na utlenianie (palność)

Właściwości mechaniczne

moduł Younga - moduł sprężystości wzdłużnej (E)

E = σ/ε

σ = F/S

σ - naprężenie powstające przy obciążaniu siłą F [N] próbki o przekroju S [mm²]

duży E materiał sztywny (ceramika inżynierska)

mały E materiał elastyczny (elastomery)

ε - odkształcenie sprężyste wywołane działaniem naprężenia σ, wyznaczone na podstawie stosunku zmiany długości Δl do pierwotnej długości pomiarowej l

SiC papiery ścierne

sialon - klasa materiałów zaliczana do ceramiki stopowej, charakteryzująca się wysoką twardością (1800 HV), odpornością na ścieranie, stabilnością do temperatury 1900˚C i stosunkowo małą gęstością 3,3 g/cm³

Poprzez prasowanie w temperaturze 1700 - 1800˚C pod ciśnieniem 30 MPa otrzymuje się azotek krzemu, który ma wiązania kowalencyjne.

Nazwa pochodzi od ang. Silicon Aluminium Oxynitride

wysokotemperaturowa reakcja - spiekanie azotku krzemu z tlenkiem glinu

wydłużenie względne dla polimerów - dziesiątki i setki procent

dla ceramiki bliskie zeru

bez napełniaczy mineralnych elastomery

z napełniaczem guma

Nanoceramika i nanokompozyty ceramiczne:

• lepsze właściwości od ceramiki tradycyjnej

• mniejsza kruchość

Specyficzne właściwości materiałów nanoceramicznych

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

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

3. Odporność na pełzanie najnowocześniejszych wysokotemperaturowych konstrukcyjnych materiałów ceramicznych takich jak azotek krzemu, sialony lub węglik krzemu można zwiększyć prawie o rząd wielkości przez wytworzenie ich w postaci nanomateriałów typu zerowymiarowego, w których w matrycy umiejscowione są wtrącenia o wymiarze nanometrycznym.

4. Wysoka odporność na ścieranie nowoczesnych narzędziowych nanomateriałów ceramicznych: typu WC-Co (węglik wolframu z kobaltem - widia wiertła) lub TiCN (azotek węglik tytanu), TiO₂.

5. Zwiększona wytrzymałość i bioaktywność protez (implantów) z bionanomateriałów metalicznych, węglowych i tlenkowych.

---