Rola ceramiki w technice
Rola materiałów ceramicznych w technice

Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji mineralnych, czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Współcześnie do ceramiki zalicza się niekiedy wszystkie te materiały, które nie są metalami, polimerami lub kompozytami, a więc również substancje nieorganiczne (do ważnych materiałów należą półprzewodniki: german, krzem), organiczne, beton, diament, a nawet lód. Ze względu na rodzaj występujących wiązań chemicznych rozróżnia się ceramikę jonową i kowalencyjną. Materiały ceramiczne mogą być krystaliczne, częściowo krystaliczne lub amorficzne (szkła ceramiczne). Niekiedy osobno wymienia się szkło, aczkolwiek na ogół uznaje się je za podgrupę ceramiki. Materiały ceramiczne należą do najwcześniej wykorzystywanych przez człowieka.

Rys historyczny
Narzędzia krzemienne oraz materiały budowlane z kamienia i gliny były wytwarzane już w czasach prahistorycznych. Naczynia z gliny zaczęto wypalać ok. 8000 lat p.n.e., sposób wytwarzania szkła odkryto ok. 4000 lat p.n.e., a betonu w czasach rzymskich. Pierwsze suszone cegły powstały w starożytnym Egipcie około 10 tys. lat temu. Z kolei pierwsze ceramiczne materiały wypalane powstawały w starożytnim Babilonie ok. 4 tys. lat p.n.e. Epoka średniowiecza przyniosła produkowane na skalę masową cegły wypalane oraz porcelanę o całkiem dobrych własnościach (porcelana chińska, słynna porcelana japońska z Seto). Od roku ok.1700 produkcja szlachetnej porcelany rozwija się bardzo intensywnie na terenie Europy (porcelana miśnieńska, wiedeńska, sewrska, berlińska).



Serwis Łabędzi wykonany z porcelany miśnieńskej (1737-41 r.).


Wiek XIX to czas powstania i rozwoju przemysłu ceramicznego, produktów ceramiki budowlanej oraz materiałów ceramiki ogniotrwałej dla hutnictwa i metalurgii. Materiały ceramiczne zaczynają być stosowane do produkcji materiałów i narzędzi ściernych. Dwudzieste stulecie przyniosło wyzwanie dla nowych materiałów ceramicznych. Powstaje ceramika specjalna dla nowych dziedzin techniki i nauki. Ceramika zaczyna być wykorzystywana w elektrotechnice, elektronice, energetyce jądrowej, a także w motoryzacji i przemyśle kosmicznym. Również medycyna i biotechnologia sięgają po specjalne materiały ceramiczne.

Klasyfikacja materiałów ceramicznych
Materiały ceramiki klasycznej opartej na naturalnych surowcach.
Ceramika stołowa (naczynia, wyroby artystyczne itd.).
Ceramika budowlana (cegła czerwona, kamionkowa, kafle, płytki).
Ceramiczne wyroby sanitarne.
Ceramika kwasoodporna.
Materiały ogniotrwałe dla przemysłu hutniczego.
Materiały ścierne i odporne na ścieranie.

Elektroceramika i przykładowe dziedziny zastosowań
Materiały dla elektrotechniki (izolatory wysokiego napiecia, osprzęt energetyczny itd.).
Materiały dla elektroniki (izolatory, kondensatory, półprzewodniki, optoelektronika)
Ceramika elektrotermiczna (elementy grzejne, wykładziny izolacyjne itd.).
Ceramika specjalna (ceramika jądrowa, bioelementy, medycyna, przemysł kosmiczny i motoryzacyjny).




Szybkoobrotowa tarcza ścierna wykonana z bardzo twardej substancji ceramicznej - tlenku glinowego wypalanego w obecności spoiwa.

Rola materiałów ceramicznych w technice
W ciągu wieków zakres zastosowań ceramiki poszerzał się ze względu na jej dużą odporność termiczną i chemiczną, szczególne właściwości elektryczne, dużą wytrzymałość i trwałość. Materiały ceramiczne są przy tym łatwo dostępne i stosunkowo tanie. Stosuje się je zarówno jako tworzywa konstrukcyjne (zwłaszcza na elementy konstrukcji narażonych na działanie wysokiej temperatury, jak silniki, turbiny gazowe), jak też materiały funkcjonalne. Specjalne materiały ceramiczne są wytwarzane z otrzymywanych syntetycznie tlenków (gł. glinu, cyrkonu), azotków (np. krzemu, boru, tytanu, glinu), węglików. Proszki tych związków zagęszcza się i spieka w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Tak uzyskane materiały odgrywają wielką rolę w technice, m.in. jako warstwy (np. z węglików spiekanych lub diamentowe, nakładane na rdzenie metalowe w celu zwiększenia ich stabilności termicznej, odporności na zużycie i korozję), jako materiały ścierne, jako materiały do wytwarzania biokompatybilnych implantów (np. z tlenku glinu, Al2O3, lub hydroksyapatytu, Ca10(PO4)6(OH)2).
Materiały ceramiczne stosowane w mikroelektronice mają wyjątkowe znaczenie, ich wartość stanowi ok. 80% ogólnej wartości produkowanych obecnie materiałów ceramicznych. W szerokim zakresie są wykorzystywane ceramiczne materiały półprzewodnikowe, są z nich wytwarzane m.in.: diody, fotodiody, tranzystory, lasery, baterie słoneczne. Dąży się do uzyskania nadprzewodników wysokotemperaturowych, z którymi wiąże się nadzieje na ogromny postęp techniczny. Właściwości nadprzewodnikowe wykazują niektóre materiały ceramiczne. W porównaniu z nadprzewodnikami metalicznymi odznaczają się one znacznie wyższą temperaturą krytyczną Tc, przekraczającą już znacznie 100K, np. związek o wzorze HgBa2Ca2Cu3O8 ma Tc = 135 K. Niektóre związki kompleksowe o właściwościach donorowo-akceptorowych wykazują tak dużą przewodność elektryczną, że bywają nazywane metalami organicznymi.

Szkło było i nadal jest stosowane przede wszystkim ze względu na swoje właściwości optyczne, ale istotne są również takie jego cechy, jak: stabilność termiczna, odporność chemiczna, trwałość i mała przewodność elektryczna. Głównym składnikiem szkła jest krzemionka, która po stopieniu i ochłodzeniu ma cechy amorficznego ciała stałego, ale w istocie jest cieczą o bardzo dużej lepkości. Właściwości szkła zależą w znacznym stopniu od jakościowego i ilościowego składu chemicznego: rodzaju i zawartości kationów metali, najczęściej sodu, a także potasu, wapnia, cynku, ołowiu i in. składników. Przez zmianę składu można w pewnym stopniu wpływać na wartość współczynnika załamania oraz absorpcji światła o określonej długości fali. Oprócz szkła okiennego, elektrotechnicznego i laboratoryjnego coraz szersze zastosowanie znajdują włókna szklane. Dokłada się starań, aby opanować sposoby wytwarzania włókien niezbędnych do zbrojenia kompozytów narażonych na działanie znacznie podwyższonej temperatury. Obecnie są już znane włókna stabilne termicznie do temperatury 1000-12000C (Si-C, Si-C-N-O), a nawet 14000C (Al2O3). Na uwagę zasługują metody wytwarzania tego rodzaju włókien z prekursorów krzemoorganicznych, np. polikarbosilanów lub polikarbosilazanów. Światłowody z włókien szklanych, ze względu na wielokrotnie większą gęstość przekazu informacji w porównaniu z kablami miedzianymi, będą niewątpliwie wykorzystywane coraz powszechniej zamiast tradycyjnych kabli telefonicznych. Nowe możliwości sterowania wiązką światła otworzyły się dzięki poznaniu optyki nieliniowej; optyczne zjawiska nieliniowe występują w przypadku kryształów niektórych soli nieorganicznych, np. KTiOPO4 lub LiB3O5, ale również związków kompleksowych metali z ligandami organicznymi.
Materiały ceramiczne są też stosowane jako napełniacze (nazywane niekiedy wypełniaczami). Są to: proszki ceramiczne (krzemionka, glinokrzemiany, węglany wapnia i magnezu, sadze, grafit) dodawane w dużych ilościach do elastomerów w celu obniżenia kosztów wytwarzania wyrobów lub nadania im korzystnych właściwości. W technice zapisu i odtwarzania informacji istotne znaczenie mają materiały ceramiczne o właściwościach magnetycznych, np. tlenek żelaza Fe2O3, chromu CrO2, ferryt barowy. Specjalne materiały ceramiczne o właściwościach piezoelektrycznych (cyrkonian i tytanian ołowiu, PbZrO3 i PbTiO3), ferroelektrycznych, również reagujące zmianami właściwości optycznych na fluktuacje pola elektrycznego (mieszane tlenki, np. PbLa(Zr,Ti)O3), elektrostrykcyjnych (np. Pb(Mg1/3Nb2/3Ti)O3) znajdują zastosowanie jako czujniki (sensory), przekaźniki i podzespoły w wielu układach elektronicznych.
Czujniki z materiałów ceramicznych (np. z NiO, Fe2O3, ZrO2, Al2O3-Cr2O3) mogą także reagować na wiele bodźców, np.: zmiany wilgotności, ciśnienia, temperatury, masy próbki, a stosowane w nich materiały są zaliczane do tzw. materiałów inteligentnych. W istocie są to złożone układy zdolne do rozpoznawania bodźców zewnętrznych i po ich zanalizowaniu do reagowania w odpowiedni sposób. Sygnały z czujników docierają do analizatora, który zależnie od wyników analizy przekazuje polecenie do zespołu kontrolnego i jednocześnie wyświetla je na ekranie monitora. Zespół kontrolny uruchamia zespół wykonawczy. Układy inteligentne są wykorzystywane m.in. do sterowania procesami produkcyjnymi i monitorowania warunków eksploatacji maszyn.
Do ceramiki zalicza się nader ważną grupę materiałów, których głównym składnikiem jest węgiel. Są to przede wszystkim włókna węglowe, bodaj najlepsze zbrojenie kompozytów polimerowych, o bardzo dużej odporności chemicznej i termicznej. W zależności od tego jakimi właściwościami powinien się odznaczać kompozyt stosuje się jedną z dwóch głównych odmian włókien węglowych: o wysokim module Younga (moduł sprężystości podłużnej) lub o dużej wytrzymałości. Różne odmiany sadzy, o rozmiarach cząstek w granicach 10 500 nm i powierzchni właściwej 5 300 m2/g są powszechnie stosowane jako napełniacze elastomerów. Węgiel aktywny, silnie porowaty o powierzchni właściwej sięgającej 1000 m2/g, jest doskonałym adsorbentem. Grafit (naturalny lub syntetyczny) jest odmianą węgla krystalizującą w układzie heksagonalnym, o strukturze warstwowej. Kolejne warstwy, zbudowane z sześcioczłonowych pierścieni węglowych, są połączone nielicznymi wiązaniami chemicznymi i łatwo ulegają przesunięciu względem siebie pod wpływem naprężeń stycznych. Z tego powodu grafit przejawia, podobnie jak siarczek molibdenu MoS2, właściwości smaru stałego, jest ponadto bardzo odporny chemicznie i termicznie, dobrze przewodzi prąd elektryczny. Jest stosowany do wytwarzania uszczelnień, tygli, elementów przewodzących prąd elektryczny, jako smar stały lub, w postaci koloidalnej, dodatek do olejów smarowych. Diament jest krystaliczną odmianą węgla o budowie regularnej. Oszlifowane diamenty (brylanty) tradycyjnie stanowią najcenniejszą ozdobę. Współcześnie diamenty, zarówno naturalne (drobne, często zanieczyszczone), jak i uzyskiwane syntetycznie, są coraz powszechniej wykorzystywane w technice (głównie w postaci proszków lub warstw nakładanych, np. na rdzenie metalowe) do produkcji narzędzi skrawających, ściernych, wierteł, jako zabezpieczenie implantów itd. Nader interesującą strukturę i właściwości mają fulereny (fullereny) cząsteczki węgla o regularnej strukturze przestrzennej (kuliste lub walcowe), zbudowane z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Możliwość występowania węgla w takiej postaci przewidywano już w latach siedemdziesiątych XX wieku, ale pierwszy z całej rodziny fuleren C60 został odkryty w 1985 r. Mimo intensywnych badań właściwości fulerenów nie zostały dotychczas w pełni poznane i cząsteczki te nie znalazły do tej pory tak szerokiego zastosowania jak się początkowo spodziewano. Wiadomo już, że mogą one pełnić funkcję nośników ładunku, selektywnych sorbentów, stałych smarów, przejawiają właściwości ferromagnetyczne, mogą być wykorzystywane w układach optyki nieliniowej, rysują się perspektywy uzyskania fulerenowych nadprzewodników. Poznanie właściwości i przydatności technicznej różnych postaci węgla jest nader ważne bowiem uważa się, że po wyczerpaniu zasobów ropy naftowej będzie to podstawowy surowiec, od którego racjonalnego wykorzystania zależeć będą możliwości dalszego rozwoju współczesnej cywilizacji.

Prezentacja graficzna

Serwis Łabędzi wykonany z porcelany miśnieńskej (1737-41 r.).
Szybkoobrotowa tarcza ścierna wykonana z bardzo twardej substancji ceramicznej - tlenku glinowego wypalanego w obecności spoiwa.


Literatura:
Ashby M.F., Jones D.R.H., Materiały inżynierskie, t. 1 i 2, Warszawa 1995-96.
Dudek J., Technologia, właściwości i zastosowanie ceramiki ferroelektrycznej. Skrypty UŚ nr 357. Katowice 1985r.
Grabski M.W., Istota inżynierii materiałowej, Warszawa 1995.
Oczoś K.E., Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych. Oficyna wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996r.
Pampuch R., Materiały ceramiczne - Zarys nauki o materiałach nieorganiczno-niemetalicznych. PWN, Warszawa 1988r.