1.Definicja materiałów ceramicznych:

Materiały ceramiczne to zagęszczone tworzywa polikrystaliczne nieorganiczne - niemetaliczne, uzyskujące charakterystyczne dlań właściwości podczas wytwarzania w wysokiej temperaturze, przeważnie 800˚C.

2.Zalety materiałów ceramicznych:

Podstawowymi zaletami ceramik są duża twardość, żaroodporność, żarowytrzymałość.

3.Własności użytkowe ceramik:

Ceramika oferuje szereg właściwości użytkowych:

• korzystny stosunek masy do objętości,

• określona względna przenikalność dielektryczna,

• zdefiniowana piezoelektryczność,

• duża przenikalność magnetyczna i przeźroczystość optyczna,

• duża odporność korozyjna,

• biokompatybilność

• wysoka temperatura topnienia,

• duża stabilność termiczna oraz wytrzymałość mechaniczna w podwyższonej temperaturze (żaroodporność, żarowytrzymałość),

• duża twardość i związana z nią odporność na ścieranie.

4.Podział ceramiki technicznej:

Ceramikę techniczną dzielimy na:

• funkcjonalną - spełniającą funkcje: dielektryczną, magnetyczną, optyczną, chemiczną lub inną

• konstrukcyjną - materiały, które przenoszą obciążenia mechaniczne.

5.Wiązania pomiędzy atomami (metaliczne, jonowe, kowalencyjne)

Wiele ceramik odznacza się uporządkowanym rozkładem atomów. Wśród materiałów ceramicznych wyróżniamy ceramiki:

• kowalencyjne - czyste pierwiastki (diament, grafit, krzem) albo związki dwóch niemetali, np. SiO₂

• jonowe związki chemiczne metali z niemetalami, np. Al₂O, ZrO₂ czy MgO.

Większość materiałów ceramicznych krystalizuje w taki sposób, że aniony wyznaczają sieć RSC, RPC, HZ, podczas gdy kationy lokują się w przestrzeniach międzywęzłowych - lukach.

6.Defekty struktury materiałów ceramicznych - w jaki sposób wpływają na ich własności mechaniczne, porównanie: z metalami
O ile w metalach przesunięcie atomów nad płaszczyzną poślizgu minimalnie oddziałuje na wiązania między elektronami i jonami o tyle w ceramikach przemieszczenie atomów wymaga rozerwania i odbudowy wiązań między atomami. Tak więc duża twardość materiałów ceramicznych jest wynikiem dużego oporu jaki stawia sieć poruszającym się dyslokacjom. Skutkiem tego krytyczne naprężenia uruchamiające dyslokacje są odpowiednio duże i osiągają wartość rzędu E/30, podczas gdy w przypadku metali wynoszą ono E/1000 lub mniej.

7.Kruchość materiałów ceramicznych w trakcie rozciągania i ściskania, porównanie z metalami :

Kruchość jest jednym z najważniejszych mankamentów materiałów ceramicznych. Objawia się uszkodzeniem materiału albo jeszcze podczas jego wytwarzania albo już w czasie eksploatacji . Skłonność do kruchego pękania , która zależy od ciągliwości twardości, opisuje wskaźnik kruchości:

L_b=H/K_c H - twardość, K_c - odporność na kruche pękanie.

Wskaźnik kruchości wykorzystuje się w procesie projektowania przy wyznaczaniu obciążenia progowego po przekroczeniu którego następuje rozprzestrzenienie się pęknięcia, prowadzącego do zniszczenia.

Mikrostruktura materiałów ceramicznych, w szczególności obecność defektów statystycznie rozmieszczonych w objętości wyrobu, zmusza do zupełnie innej filozofii projektowania. Oznacza to, iż podczas obliczeń nie można bezkrytycznie posługiwać się stałymi materiałowymi lecz wykorzystywać je przy założeniu określonego prawdopodobieństwa przetrwania P_s(V).

Pojęcie to zostało zdefiniowane przez Weibull'a jako udział identycznych próbek o objętości jednostkowej V_o, które wytrzymują naprężenia rozciągające. Prawdopodobieństwo przetrwania próbki P_s(V_o) poddanej działaniu naprężenia σ opisuje zależność:

gdzie σ_o i m są stałe, m - moduł Weibull'a.

Jeśli do równania wstawimy σ = σ_o wówczas otrzymamy P_s(V_o) = 1/e = 0,37. Oznacza to, iż dla naprężenia rozciągającego równego σ_o, 37% próbek wytrzyma obciążenia. Im mniejsza jest wartość modułu Weibull'a, tym większy jest rozrzut wytrzymałości materiału - tym mniejsze jest prawdopodobieństwo, że wiele próbek jest w stanie przetrwać. Z kolei duża wartość modułu m zwiększa zaufanie do materiału. Wartość modułu dla stali wynosi 100, co oznacza, iż jej wytrzymałość jest reprezentowana przez jedną wartość.

7.Metody wzmacniania materiałów ceramicznych:

Możliwości podwyższania właściwości mechanicznych materiałów ceramicznych

Zwiększenie wytrzymałości materiałów ceramicznych dotyczy ich odporności na kruche pękanie. Odporność na kruche pękanie przy rozciąganiu jest w przybliżeniu równa:

a wytrzymałość na ściskanie 15 razy większa. Pierwszy sposób zwiększenia odporności na kruche pękanie polega na:

1. Zmniejszeniu wymiarów naturalnych defektów struktury - (a)

Większość defektów ma rozmiary odpowiadające rozmiarom cząstek proszków, z którego ceramika została wyprodukowana. Średnią wytrzymałość elementów ceramicznych można poprawić przez zmniejszenie wymiarów zawartych w nich defektów lub przez wyselekcjonowanie i odrzucenie elementów zawierających defekty o wymiarach znacznie przekraczających średnie. Jest to w dużym stopniu problem kontroli jakości. Można to osiągnąć przez precyzyjne sterowanie procesem technologicznym.

2. Powiększeniu odporności na kruche pękanie (K_IC - krytyczny współczynnik intensywności naprężeń)

Uzyskać to można przez wprowadzenie cząstek drugie fazy, hamującej rozprzestrzenianie pęknięć. Mechanizm ten zbliżony jest do tego jaki funkcjonuje w stopach metali umacnianych wydzieleniowo bądź dyspersyjnie. W inny nieco sposób wykorzystana jest również obecność przeszkód ale o odmiennych właściwościach. Nie są to cząstki twarde lecz przeciwnie dość podatne, które wyhamowują pęknięcia zmuszając je do wykonania pracy, która jest spożytkowana na bezdyfuzyjną przebudowę sieci.

Przykładem są ceramiki zawierające dyspersyjne cząstki ZO₂ o strukturze heksagonalnej. Podczas rozprzestrzeniania się wierzchołka pęknięcia cząstki te, pod wpływem oddziaływania pola naprężeń, przebudowują swoją sieć w jednoskośną, pochłaniając przy tym znaczną część energii sprężystej propagującego pęknięcia.

8.Przykłady materiałów ceramicznych:

9.Krzem - występowanie, własności, zastosowanie:

Właściwości fizyczne
Krzem jest ciemnoszara substancja krystaliczna o metalicznym połysku. Niekiedy występuje jako brunatny proszek - tzw. krzem bezpostaciowy. (Temperatura topnienia: 1423 C, temperatura wrzenia: powyżej 3000 C, gęstość: 2,33 g/cm3). Ma własności półprzewodnikowe. Naturalny pierwiastek jest mieszanina trzech izotopów trwałych: 28Si, 29Si, 30Si.

Właściwości chemiczne
Krzem jest pierwiastkiem czterowartościowym, występuję na stopniu utlenienia +4 (najczęściej) i -4. Jest mało aktywny chemicznie. W temperaturze pokojowej reaguje z fluorem. Po ogrzaniu reaguje z tlenem, tworząc dwutlenek krzemu (krzemionkę) SiO2 oraz z fluorowcami. SiO2 jest bezwodnikiem kwasu metakrzemowego H2SiO3*xH2O. Z wieloma metalami i niemetalami tworzy tzw. krzemki, np. Mg2Si, Ca2Si. Krzem nie ulega działaniu kwasów z wyjątkiem mieszaniny kwasu azotowego i fluorowodorowego -tworzy sie kwas fluorokrzemowy: 3Si+18HF+4HNO3=3H2[SiF6]+4NO+8H2O, który po ogrzaniu rozkłada sie (H2[SiF6]=SiF4+2HF). Krzem rozpuszcza sie łatwo w alkaliach: Si+2NaOH+H2O=Na2SiO3+2H2. Sztucznie wytworzono związki krzemu z wodorem, tzw. krzemowodory (albo silany), analogiczne do węglowodorów. Silany sa nietrwale i nie maja większego znaczenia. Natomiast tzw. silikony, tworzywa krzemoorganiczne zawierające tlen, znajdują zastosowanie praktyczne jako smary, lakiery itd.

Zastosowanie
Technika fal krótkich stosuje detektory krzemowe. Z krzemu albo germanu wytwarza sie soczewki do promieni podczerwonych. Ostatnio coraz szersze zastosowanie znajduje krzem jako półprzewodnik w tranzystorach.

10.Bor - występowanie, własności, zastosowanie

Bor krystaliczny jest czarnoszary, bardzo twardy, bierny chemicznie. Bor bezpostaciowy jest brunatny lub oliwkowozielony, znacznie łatwiej wchodzi w reakcje chemiczne. Temperatura topnienia to 2300C a wrzenia to 2550oC. W związkach chemicznych występuje na +3 stopniu utlenienia. Nie rozpuszcza się w rozcieńczonych kwasach ani roztworach zasad. Z tlenem tworzy silnie higroskopijny, bezbarwny tlenek B2O3 o własnościach amfoterycznych. Posiada trzy odmiany alotropowe. W stanie pary występuje w cząsteczkach dwuatomowych B2, które są paramagnetyczne.

Zastosowanie:
służy jako dodatek stopowy podwyższający twardość stali
wykazuje dużą zdolność pochłaniania neutronów i z tego względu stosuje się go w energetyce jądrowej.
Stosowany jako dodatek do szkła laboratoryjnego
w produkcji środków bakteriobójczych
jest stosowany jako środek odtleniający w procesach metalurgicznych

Występowanie
jest niezbyt często występującym pierwiastkiem w przyrodzie
w przyrodzie występóje głównie w postaci boranów : sassolinu H3BO3, boraksu Na2B4O7*10H2O i kernitu Na2B4O7*4H2O.
Zajmuje on pod względem rozpowszechnienia w skorupie ziemskiej 21 miejsce zawartość w skorupie ziemskiej
(litosfera + atmosfera + hydrosfera) 0,0009%

10. Ceramika szklana - skład chemiczny, struktura, własności, zastosowanie

Ceramika szklana zwana też dewitryfikatami lub pyroceramiką powstaje przez krystalizację (odszklenie) 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. Możliwe jest również uzyskanie podobnych materiałów przez dodatki katalizatorów, np. platynowców lub tlenków tytanu, bez konieczności na promieniowania lecz podczas obróbki cieplnej. Materiały te mają własności mechaniczne i odporność na udary cieplne znacznie większe od szkieł, a niektóre własności lepsze od ceramiki inżynierskiej. Wyróżnia się 5 podstawowych typów ceramiki szklanej, w zależności od obecności podstawowej fazy krystalicznej:

• ß-spodumenowa, otrzymywana przez zarodkowanie ß-spodumenu (Li 2O·Al 2O3·nSiO2) na wtrąceniach TiO2 w temperaturze 780°C i następną obróbkę w 1125°C - stosowana głównie na naczynia stołowe żarowytrzymałe oraz formy do pieczenia i gotowania,

• ß-kwarcowa, podobna do ß-spodumenowej lecz zawierająca kryształy przezroczystego ß-kwarcu, obrobiona w temperaturze do 900°C w wyniku zarodkowania na cząsteczkach TiO2 lub ZrO2, charakteryzująca się najmniejszą rozszerzalnością cieplną i stosowana na zwierciadła teleskopowe jak również na naczynia stołowe żarowytrzymałe oraz formy do pieczenia i gotowania,

• kordierytowa (2MgO·2Al 2O3·5SiO2) charakteryzująca się dobrą rezystywnością i wysoką wytrzymałością mechaniczną, stosowana na osłony anten radarowych oraz urządzeń radiotechnicznych, a także na szpice pocisków, mikowa, zawierająca różne rodzaje miki z dodatkiem fluoru, np. KMg3Al Si 3O10F2, KMg2,5Si 4O10F2, Ca,Sr,Ba)0,5Mg3AlSi 3O10F2, stosowana na narzędzia o wysokiej tolerancji (±0,01 mm), z krzemkiem litu, o własnościach światłoczułych, powstająca ze szkła z dodatkiem srebra metalicznego inicjującego zarodkowanie oraz CeO2 sprzyjającego temu procesowi, poddana promieniowaniu nadfioletowemu.

11.Ceramika tradycyjna:

12.Surowce stosowane do wytwarzania ceramiki tradycyjnej:

Surowce w ceramice tradycyjnej to kwarc i glina.

Głównym składnikiem gliny jest kaolinit:

(Al2Si2O5(OH)4). Również tlenek glinu (korund lub

otrzymywany z boksytu).

13.Ceramika tlenkowa - surowce i główne produkty :

14. Węgliki - przykłady, własności, zastosowanie:

Węgliki:

- SiC, WC, TiC, TaC, Cr3C2

- Są twarde, odporne na zmęczenie, w połączeniu z metalem

tworzą bardzo dobry produkt.

15.Szkła - skład chemiczny, struktura, wytwarzanie, własności, zastosowanie Wytwarzanie szkieł ceramicznych

Wady materiałów ceramicznych
Produkty ceramiczne (wymienić główne grupy - ceramika konstrukcyjna, trudno topliwa, biała, szkła, materiały ścierne itp.; podać własności i zastosowania)
Podział ceramiki (tradycyjna, nowoczesna, szkła, ceramika szklana) - podstawowe cechy
Wytrzymałość mechaniczna ceramiki - z czego wynika, porównanie z metalami
Glina , krzemionka, tlenek aluminium - jako surowce do wytwarzania ceramiki (występowanie, własności, zastosowanie)
Tradycyjne wyroby ceramiczne
Nowoczesne materiały ceramiczne
Surowce stosowane do wytwarzania nowoczesnych materiałów ceramicznych
Produkty szklane
Wytwarzanie szkieł ceramicznych

Własności fizyczne materiałów ceramicznych (gęstość, temperatura topnienia, przewodnictwo elektryczne i cieplne, rozszerzalność cieplna)

6

---