Tematy :

1. Porównanie podstawowych własności materiałów ceramicznych

2. Ceramika porowata

3. Ceramika narzędziowa

4. Ceramika stosowana w elektrotechnice

5. Szkła i ceramika szklenia

6. Materiały węglowe

GŁÓWNY PODZIAŁ MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH:

• Kompozyty - połączenie dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, z której każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu.

• Metale - charakteryzują się wiązaniami metalicznymi, otrzymuje się je z rud, które są najczęściej tlenkami.

• Polimery - zwane także jako tworzywo sztuczne lub plastyki są materiałami organicznymi złożonymi ze związków węgla.

• Ceramika - są to materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytwarzane w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem reakcji nieodwracalnych.

Ceramika - proces otrzymywania materiałów ceramicznych :

wymieszanie odpowiednich surowców uformowanie wysuszenie wypalenie (jedno lub dwukrotne)

Proces wypalania - odbywa się w piecach tunelowych , komorowych ( ceramika budowlana, sanitarna itp. ) oraz piecach grafitowych i innych często o kontrolowanej atmosferze wypalania ( ceramika specjalna ). Temperatury wypalania od 900°C (ceramika budowlana) do 2000°C (ceramika węglikowa)

Cechy wyrobów ceramicznych :

• duża twardość,

• termiczna izolacja,

• izolacyjność elektryczna,

• wysoka temperatura topnienia,

• mechaniczna wytrzymałość w wysokiej temp,

• odporność na ścieranie,

• odporność na korozje,

• odporność na pełzanie,

• trwałość kształtu,

• korzystny stosunek ciężaru do objętości.

Zalety materiałów ceramicznych :

• mała gęstość,

• odporność na wpływ warunków atmo.,

• odporność na podwyższone temperatury,

• dobre właściwości dielektryczne,

• nie podlegają procesom starzenia i zmęczenia.

Wady materiałów ceramicznych :

• mała plastyczność,

• trudności w procesie łączenia z innymi materiałami,

• wrażliwość na udary cieplne,

• kruchość.

GŁÓWNY PODZIAŁ CERAMIKI:

1. Ceramika inżynierska - inaczej ceramika specjalna lub drobnoziarnista wytwarzana w wysokiej temperaturze bez udziału fazy ciekłej, związki - tlenki, azotki, węgliki, diament. W stanie stałym wykazuje postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej oraz prawie teoretyczną gęstość.

2. Cermetale:

1. Inżynierskie - złożone z drobnych cząstek krystalicznych np. węglików równomiernie rozłożonych w osnowie metali lub ich stopów, które stanowią fazę wiążącą o udziale od 5-15%, czasem są zaliczane do materiałów kompozytowych;

2. Narzędziowe - grupa samodzielnych spiekanych materiałów narzędziowych, które oprócz cząstek T i C mają w sobie azotki tytanu T i N, węgliki, twardość spieku CN

3. Ceramika porowata w jej skład wchodzą masowo:

1. Materiały ogniotrwałe - cechują się ogniotrwałością, odpornością na udary cieplne, odpornością na ścieranie oraz wymaganą nasiąkliwością, przewodnictwem cieplnym i elektrycznym. Mogą być odlewane, formowane i wycinane ze skał naturalnych a także stosowane w postaci ziaren, proszków i włókien. Materiały te stosowane są na piece przemysłowe, na wymurówki - kadzie na ciekłe metale; temp do 1700°C.
   Podział w zależności od ogniotrwałości :

• zwykła ( do 1700°C ),

• wysoko-ogniotrwała ( 1700°C - 2000°C ),

• bardzo wysoko-ogniotrwała ( > 2000°C ).

Podział na własności chemiczne :

• kwaśne z zawartością SiO₂ i AlO₃

• zasadowe z zawartością CaO i MgO

1. Materiały budowlane:

1. Klinkier - wytwarzany z gliny żelazistej, wypalane w temperaturze 1300°C. Ma dużą wytrzymałość i udarność oraz małą porowatość i nasiąkliwość. Stosowany jako materiał drogowy, budowlany, posadzkowy.

2. Terakota - wytwarzana z ogniotrwałej, skalenia, piasku kwarcowego ora tlenków metali które w tym przypadku stanowią pigmenty, wypalane w temperaturze 1200°C.Cechuje je duża odporność na ścieranie ( płytki podłogowe, ozdobne).

3. Kamionka - wytwarzana z gliny krzemionkowej z dodatkami SiO₂ , Al₂O₃, tlenki potasu, sodu i żelaza. Może być wypalana jedno lub dwukrotnie w temperaturze 1200°C - 1300°C zwykle pokryte warstwą szkliwa. Cechuje ją duża wytrzymałość na ściskanie około 800 MPa, zginanie około 90 MPa, duża rezystywność i odporność chemiczna. Stosowana w elektrotechnice, technice sanitarnej, rury kanalizacyjne, elementy aparatury chemicznej i laboratoryjnej.

4. Porcelana - rodzaj białej, przeświecającej ceramiki wysokiej jakości. Wytwarzana z mieszanki glinki kaolinowej ze skaleniem i kwarcem poprzez wypalanie uformowanych wyrobów w temp. od 920-980 ^oC ( wyroby nie szkliwione, tzw. biskwit ) aż do 1280-1460 ^oC ( wyroby szkliwione ). Charakteryzuje się niską nasiąkliwością, bardzo dobrymi właściwościami dielektrycznymi, dużą wytrzymałością mechaniczną, wysoką odpornością na działanie czynników chemicznych i nieprzepuszczalnością dla cieczy i gazów.
   Rozróżnia się ceramikę twardą ( o składzie: 40-60% kaolinu, 20-30% skalenia, 20-30% kwarcu ) i ceramikę miękką ( o składzie: 25-40% kaolinu, 25-40% skalenia, 30-45% kwarcu ).
   W technice używana jako materiał na nisko- i wysokonapięciowe izolatory i sprzęt laboratoryjny, oraz jako wyroby gospodarstwa domowego.

5. Fajans - rodzaj ceramiki podobny nieco do porcelany wytwarzanej z zanieczyszczonego kaolinu. Po wypaleniu (w temp. przekraczających 1000 ^oC) wyroby fajansowe maja kolor od białego do jasnokremowego. Wytwarza się je najczęściej w wersji powleczonej nieprzezroczystym szkliwem.

6. Porcelit - rodzaj białej lub kremowej, szkliwionej, nieprześwitującej ceramiki wytwarzany podobnie jak porcelana, lecz bez surowców (kaolin, skaleń, kwarc) o najczęściej gorszej jakości. Uformowane wyroby poddaje się wypalaniu w temp. ~1325^oC w celu osiągnięcia zamierzonej nieprzesiąkliwości, wytrzymałości i twardości. W technice jako materiał do produkcji m.in. sanitariatów.

4. Szkła - charakteryzują się przewagą struktury bezpostaciowej nad krystaliczną, jest stanem pośrednim miedzy stałym a ciekłym, nie jest to stan równowagi. Jest otrzymywany przez powstrzymanie krystalizacji w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia zapewniającej powstanie fazy krystalicznej w czasie chłodzenia powolnego.
   Szkła podlegają odszkleniu tzw. dewitryfikacji.

5. Ceramika szklana - Charakteryzują się przewagą struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Struktura szkieł jest stanem pośrednim między stanami ciekłym i stałym. Nie jest to stan równowagi i jest otrzymywany 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 odszkleniu (dewitryfikacji) stając się krystaliczne, ale minimum po kilkuset latach.

1. Dewitryfikaty (pyroceramika) powstają przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobno ziarnistej, bez porowatości z pozostałością 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. Można uzyskać podobny materiał przez dodawanie katalizatorów, np. platynowców, lub tlenków tytanu, bez konieczności napromieniowania, ale podczas obróbki cieplnej.

WŁASNOŚCI MECHANICZNE CERAMIKI:

• gęstość;

• porowatość;

• wytrzymałość ( na zginanie, rozciąganie, ściskanie )

POROWATOŚĆ:





- gęstość wyrobu,
- gęstość wyrobu bez porów, P - porowatość

POROWATOŚĆ CAŁKOWITA:

P = P_otwarta + P_zamknięta

Gdy rośnie porowatość wtedy maleje gęstość materiału

TWARDOŚĆ









Im większa temperatura topnienia tym większa jest twardość materiału

WYTRZYMAŁOŚĆ:

Wytrzymałość zależy od wewnętrznych i zewnętrznych czynników tj. mikrostruktury, stanu powierzchni, kształtu i wielkości próbki, temperatury, stałość odciążenia itp.

Wytrzymałość na zginanie :

Określenie modułu pękania MOR ( Moduls of Rupture )

a) zginanie trójpunktowe




b) zginanie czteropunktowe







Wytrzymałość na ściskanie

To największy opór jaki materiał stawia siłom ściskającym przeciwstawiając się zniszczeniu. Pomiar polega na przyłożeniu obciążenia w taki sposób aby siła ….





- siła niszcząca,
- przekrój poprzeczny

Wytrzymałość na rozciąganie

To największy opór jaki wyrób stawia siłom rozciągającym





- odporność na pękanie

Wzór jest wtedy spełniony gdy długość największego mikropęknięcia wynosi



Zadanie 1.

Oblicz wytrzymałość na zginanie próbki o wymiarach d = 10 mm, h = 6 mm, odległość l = 80 mm. Próbka pękła pod obciążeniem F = 2850 N.








Odp: Wytrzymałość próbki na zginanie to 633 MPa


Materiały Ceramiczne 12.10.2008

Ćwiczenia nr 1

- 1 -

Porównanie podstawowych własności materiałów ceramicznych

Dane:

d = 10 mm,

h = 6 mm,

l = 80 mm

F = 2850 N

---