Materiałoznawstwo i korozja - CERAMIKA. dr inż. Paulina Bednarek

Transkrypt

1 Materiałoznawstwo i korozja - CERAMIKA dr inż. Paulina Bednarek GTCh, pokój 315 bednarek@ch.pw.edu.pl Część IIa

2 Ceramika konstrukcyjna i funkcjonalna

3 Ceramika specjalna, zwana także techniczną lub zaawansowaną (ang. advanced ceramics), to zróżnicowana grupa nowoczesnych materiałów, które przynajmniej jedną ze swych właściwości mają tak wybitnie rozwiniętą, że są poszukiwane przez m.in. technikę czy medycynę. K. E. Oczoś Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, 1996

4 Ceramika tradycyjna Ceramika krzemianowa np. porcelana, fajans, wyroby budowlane Surowce naturalne o cząstkach mikrometrycznym - kaoliny, gliny glinokrzemiany (10-6 m) Stosowanie plastycznych składników surowcowych Temperatura spiekania o C Nowoczesna ceramika techniczna Ceramika tlenkowa i beztlenkowa np., tlenki, węgliki, azotki, borki Syntetyczne proszki o cząstkach mikro- i nanometrycznych (10-9 m) Stosowanie całej gamy dodatków organicznych jak np. spoiwa, upłynniacze, flokulanty, enzymy Temperatura spiekania o C

5 Ceramika techniczna Funkcjonalna (functional ceramics) Konstrukcyjna (structural ceramics) Materiały lub elementy ceramiczne, które spełniają funkcje: - elektryczne - magnetyczne - dielektryczne - optyczne - nuklearne - chemiczne lub inne specjalną Materiały, które mają za zadanie przenosić obciążenia mechaniczne, a więc muszą przejmować np. naprężenia rozciągające, ściskające czy momenty zginające mechanoceramika termoceramika bioceramika chemoceramika bierna

6 Funkcje termiczne izolacje termiczne promienniki IR Funkcje mechaniczne wirniki komory spalania łożyska dysze palników narzędzia skrawające Funkcje biologiczne sztuczne korzenie zębów endoprotezy kości i stawy sztuczne zastawki serca

7 Funkcje elektryczne kondensatory ceramiczne podłoża elektroniczne elementy czujników temperatury ogniwa słoneczne piezoelektryczne generatory iskrowe Funkcje magnetyczne Funkcje chemiczne nośniki katalizatorów katalizatory elektrody nośniki enzymów czujniki gazów układy alarmowe przecieku gazu głowice magnetofonowe rdzenie pamięciowe magnesy trwałe silniki miniaturowe Funkcje optyczne świetlówki wysokociśnieniowe lampy sodowe lasery Funkcje nuklearne paliwa nuklearne materiały na osłony i ekrany

8 Surowce Mieszaniny o kontrolowanym składzie i uziarnieniu Procesy formowania Spiekanie Obróbka wstępna kształtek surowych Suszenie Obróbka kształtek po spiekaniu Produkt

9 Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów ceramicznych, w którym nieskonsolidowany ceramiczny materiał wyjściowy zostaje przekształcony w zwarty, zagęszczony półprodukt o określonej geometrii i mikrostrukturze.

10 Spiekanie Jest procesem technologicznym polegającym na przemianie materiału sproszkowanego w ciało polikrystaliczne o pewnej porowatości i odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. Spiekanie jest wynikiem zjawisk przenoszenia stałej masy w porowatym zbiorze ziaren do pustych przestrzeni (porów). Procesy zachodzące w układzie proszku w podwyższonej temperaturze są zmianami nieodwracalnymi

11 Spiekanie Wyrób przed procesem spiekania ma kształt odpowiadający kształtowi, jaki powinien mieć wyrób końcowy jest jednak od niego na ogół proporcjonalnie większy (wyjątkiem jest tzw. spiekanie reakcyjne gdzie materiał ulega spiekaniu bez skurczu). Makroskopowymi objawami spiekania są przede wszystkim zmiany wymiarów, ewentualne zmiany masy oraz zmiana barwy.

12 Tlenek glinu Al 2 O 3 α-al 2 O 3 korund (minerał), najtrwalsza postać tlenku, odznaczająca się dużą twardością wynoszącą 9 w skali Mohsa. Do szlachetnych odmian korundu należą: rubin o barwie czerwonej i różowej (domieszkowany jonami Cr +3 ) szafir o barwie niebieskiej (domieszkowany jonami Ti +2, Fe +2 ) leukoszafir - biały i bezbarwny ametyst orientalny - fioletowy (domieszkowany jonami V +4 ) padparadża - żółty lub pomarańczowy (domieszkowany jonami Fe +3,Cr +3, Ni +2 )

13 Ceramika z Al 2 O 3 Właściwości Al 2 O 3 jako spieku polikrystalicznego: 1) Możliwość pracy w temperaturze 1000ºC i wyższej 2) Odporność chemiczna na mocne kwasy i alkalia nawet w wysokich temperaturach 3) Wysoka wytrzymałość (na zginanie > 500MPa) 4) Bardzo wysoka twardość (16GPa) 5) Odporność na ścieranie 6) Stabilność wymiarów 7) Dobre właściwości dielektryczne do częstotliwości GHz

14 Ceramika z Al 2 O 3 - zastosowanie Narzędzia szybkotnace Narzędzia skrawające do obróbki metali Elementy silników spalinowych Końcówki do śrubokrętów Płytki obwodów scalonych

15 Ceramika z Al 2 O 3 - zastosowanie Młynki kulowe, mieleniki Lasery Implanty kostne Osłony na termopary Uszczelki Wirniki do pomp

16 Tlenek glinu Al 2 O 3 wytwarzanie monokryształu Wytwarzanie monokryształów, m.in. sztucznego rubinu z Al 2 O 3 (metodą A.V.Verneuila, 1902 r.) polega na topieniu silnie rozdrobnionego materiału i jego krystalizacji ze stopu. Można otrzymać ok. 150 karatów rubinu w przeciągu 3h. Stosuje się γ-al 2 O 3 o wielkości ziarna 1-2μm, w płomieniu wodorowo-tlenowym w temperaturze ok C. 1 karat = 0,2 g Wykorzystywany m.in. w produkcji laserów.

17 Tlenek cyrkonu ZrO 2 W skali światowej źródłem tlenku cyrkonu są australijskie złoża krzemianu cyrkonu - minerał cyrkon, ZrSiO 4 oraz brazylijskie i południowoafrykańskie złoża baddeleitu (jednoskośny ZrO 2 z dodatkiem izostrukturalnego z nim HfO 2 ).

18 Ceramika z ZrO 2 - zastosowanie domieszkowanie cyrkonem ceramiki alundowej (ZTA zirconia toughened alumina) materiał ogniotrwały dodatek do produkcji szkła dodatek do emalii i farb ceramicznych surowiec do produkcji elementów grzejnych matryce i tłoczniki do prasowania i tłoczenia

19 Tlenek cyrkonu ZrO 2 - zastosowanie mielniki kulowe, młynki, noże w ogniwach stężeniowych do pomiaru aktywności tlenu w ciekłych metalach i gazach do produkcji wodoru w procesie termolizy wody, jako półprzepuszczalna membrana tlenkowa protetyka elementy ścierne

20 Węglik krzemu SiC SiC węglik krzemu (karborund), w przyrodzie występuje jako rzadki minerał moissanit odznacza się dużą twardością wynoszącą 9,5 w skali Mohsa. SiC w czystej postaci jest bezbarwny, zanieczyszczony ma barwę zieloną lub czarną. Ulega utlenianiu w temperaturze powyżej 1946ºC, tworząc warstwę ochronną z SiO 2 gęstość 3,2 g/cm 3 Stosowany w jubilerstwie.

21 Ceramika z SiC - zastosowanie materiały ścierne i polerskie (SiC często w postaci proszkowej) wypełniacz do betonów ogniotrwałych kolumny odsiarczania elementy konstrukcji pieców komorowych i tunelowych do wypalania ceramiki, płyty do wypalania wyrobów

22 Ceramika z SiC - zastosowanie Pierścienie uszczelniające Wirniki Dysze Tygle do topienia metali szlachetnych

23 Ceramika z SiC - zastosowanie Łożyska Elementy półprzewodnikowe Diody emitujące światło niebieskie Sensory promieniowania

24 Ceramika węglikowa Przykłady zastosowań: B 4 C-grafit termopary pracujące do 2200ºC B 4 C lekkie elementy ochronne w pancerzach zabezpieczających samoloty, pojazdy opancerzone, itp. B 4 C materiał polerski, zastępujący pasty diamentowe TiC warstwy nanoszone na ostrza narzędzi skrawających, pokrycia materiałów metalicznych w technologiach jądrowych WC elektrody do napawania powierzchniowego armor-protecting-soldiers/

25 Diament Rocznie wydobywa się na świecie ok. 26 ton (130 mln karatów) diamentów. Tylko 20% nadaje się do celów jubilerskich. Wartość wydobywanych na świecie diamentów (96%) przekracza wartość wszystkich innych kamieni jubilerskich razem wziętych (4%): rubinów, szmaragdów, szafirów, aleksandrytów, chryzolitów, cyrkonów.

26 Kopalnie diamentu

27 Najsłynniejsze diamenty Cullinan 3106 karatów, podzielony na 105 części i oszlifowany Excelsior 995,2 karata, podzielony na 11 części i oszlifowany W Polsce: wielki czarny diament w złotej puszce św. Stanisława (z 1504 roku, skarbiec katedry na Wawelu) bezbarwny diament w koronie monstrancji Jana Kazimierza (z 1672 roku, skarbiec klasztoru Paulinów na Jasnej Górze) 10 karatów.

28 Diament - właściwości Układ regularny Gęstość 3,52 g/cm 3 Odporny na korozję Biologicznie kompatybilny Wytrzymałość na rozciąganie > 1.2 GPa Wytrzymałość na ściskanie > 110 GPa

29 Diament - zastosowanie Tarcze diamentowe. Przeznaczone są do cięcia betonu i kamienia. Ich trwałość jest bardzo wysoka, a średnica podczas pracy nie ulega zmianie. Ostrza przyrządów skrawających i obrabiania powierzchni Jako materiał na półprzewodniki. Odpowiednio domieszkowany diament (np. za pomocą boru) ma własności półprzewodnikowe. Układy scalone na diamencie mogą pracować w wysokich temperaturach. Twardościomierze Detektory

30 Diament - zastosowanie Diamentowe igły gramofonowe. Zapewniały doskonałe odtworzenie zapisu dźwiękowego i przedłużały żywotność płyt. Diamentowe ostrza w narzędziach chirurgicznych, specjalne wiertła w stomatologii. Do nacinania podziałki na najdokładniejszych przyrządach optycznych i siatkach dyfrakcyjnych spektrometrów, skalowania innych urządzeń stosowanych w nauce i medycynie.

31 Biomateriały ceramiczne

32 Biomateriały ceramiczne Biomateriałami nazywa się syntetyczne (bardzo rzadko naturalne) materiały, które wszczepione do żywych komórek organizmów leczą, wzmacniają lub zastępują tkanki i całe organy żywych organizmów względnie poprawiają ich funkcjonowanie. Biomateriały muszą być tolerowane przez organizm. Każde wprowadzenie do organizmu obcego ciała, jakim jest wszczep biomateriału, wywołuje reakcje obronną, której stopień nasilenia zależy od rodzaju materiału.

33 Biomateriały ceramiczne Implanty uszne Endoprotezy Mocowania kości Biodegradowalne szwy Rekonstrukcje szczęki Implanty dentystyczne Wypełnienia stomatologiczne

34 Bioceramika oparta o fosforany wapnia Ceramika tlenkowa i węglanowa BIOMATERIAŁY CERAMICZNE Cementy kostne i stomatologiczne Bioaktywne szkła i materiały szkło-ceramiczne

35 Bioceramika oparta o fosforany wapnia Hydroksyapatyt wapniowy Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 (HAp) Whitlockit βca 3 (PO 4 ) 2 (βtcp) MATERIAŁY BIOGENNE Zalety: biozgodność w stosunku do tkanek miękkich i twardych dzięki swej bioaktywności implanty mogą łączyć się bezpośrednio z kością materiał osteokonduktywny biodegradacja

36 Bioceramika oparta o fosforany wapnia Hydroksyapatyt wapniowy Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Chemiczne i mineralogiczne podobieństwo hydroksyapatytu do składnika nieorganicznego kości i zębów, decyduje o jego powszechnym stosowaniu jako materiału implantacyjnego.

37 Bioceramika oparta o fosforany wapnia Hydroksyapatyt wapniowy Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Wzmocnienie właściwości hydroksyapatytu możliwe jest poprzez wytworzeniu kompozytu. Możliwe jest użycie hydroksyapatytu w formie powłok na innych materiałach, głównie metalach np. pokryć trzpieni endoprotez stawu biodrowego, pokryć implantu tytanowego w stomatologii.

38 Bioceramika oparta o fosforany wapnia - zastosowanie Ceramika gęsta: implanty kostne dna oczodołu otorynolaryngologia: implanty ucha środkowego podłoża do hodowli tkanek w inżynierii tkankowej Ceramika porowata: wypełnianie ubytków kostnych w ortopedii i stomatologii Hydroksyapatytowy preparat CERABONE

39 Bioceramika oparta o fosforany wapnia - zastosowanie Zastosowanie porowatej ceramiki fosforanowej: wypełnianie ubytków kostnych w stomatologii i ortopedii w charakterze nośników leków Porowaty syntetyczny hydroksyapatyt silnie wiąże się z kością: obok wiązania chemicznego dochodzi, dzięki wrastaniu tkanki żywej w pory implantu, do powstania tzw. połączenia biologicznego!

40 Ceramika tlenkowa MATERIAŁY OBOJĘTNE - nieco gorzej tolerowane niż biogenne, brak aktywności w organizmie Al 2 O 3 i ZrO 2 Zalety: materiały biologicznie inertne dobre właściwości mechaniczne duża odporność na ścieranie Podobnie jak ceramikę opartą o fosforany wapnia, ceramikę tlenkową stosuje się w formie ceramiki gęstej i porowatej.

41 Ceramika tlenkowa Zastosowanie gęstej ceramiki korundowej i cyrkonowej: endoprotezy stawów (gł. biodrowego i kolanowego) w otologii: protezy kosteczek słuchowych pierścienie podtrzymujące drożność tchawicy plastyka czaszki, rekonstrukcja kości nosa i kości oczodołów protezy gałki ocznej: optyczna część szafirowa i korundowy pierścień mocujący

42 Ceramika tlenkowa Zastosowanie gęstej ceramiki korundowej i cyrkonowej: sztuczne korzenie zębów koronki zębowe

43 Zastosowanie porowatej ceramiki tlenkowej: grupa materiałów stosowana głównie przy leczeniu chorób kości: w ortopedii i traumatologii do wypełniania ubytków kostnych w chirurgii szczękowo-twarzowej w otorynolaryngologii Ceramika tlenkowa porowate implanty korundowe, oprócz funkcji wypełniającej, mogą jednocześnie pełnić rolę nośnika środków farmakologicznych w terapiach miejscowych (np. zawierają antybiotyki)

44 Cementy kostne i stomatologiczne Cementy - produkty dwuskładnikowe (proszek i płyn), z których po wymieszaniu powstaje mieszanina umieszczana następnie w miejscu przeznaczenia (wiązanie zachodzi in situ). Zastosowanie: zespalanie materiałów z kością lub ze sobą (np. przy mocowaniu endoprotez stawów) wypełnianie przestrzeni ubytków kostnych w chirurgii rekonstrukcyjnej i plastycznej rekonstrukcja i odbudowa twardych tkanek zęba wyściełacz dla poprawy szczelności wypełnienia ubytku materiałem złożonym

45 Cementy kostne i stomatologiczne Zalety: bardzo dobry efekt kosmetyczny dzięki możliwości dobrania odpowiedniego koloru wypełnienia bardzo dobra adhezja do szkliwa odporność na zgniatanie kontrast wypełnień w obrazie rtg możliwość szybkiej rekonstrukcji zębów PRZED ODBUDOWA PO ODBUDOWIE

46 Bioaktywne szkła MATERIAŁY BIOAKTYWNE Bioszkło ma skład zbliżony do biogennego hydroksyapatytu wapniowego. Cechuje je duża aktywność biologiczna. Otrzymywane przez krystalizację szkła o wyższej niż normalna zawartości wapnia, np.: 24,5% wag CaO 45,0% wag SiO 2 24,5% wag Na 2 O 6,0% wag P 2 O 5 Hydroksyfluoroapatyt Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH,F) 2 Wollastonit Ca 3 (Si 3 O 9 )

47 Bioaktywne szkła Wszczepy bioszkieł istotnie łączą się z tkanką twardą kości czy zębów bez tkanki łącznej w wyniku złożonych powierzchniowych reakcji rozpuszczania krystalizacji. Wydzielanie przez wszczep małych ilości rozpuszczalnego wapnia i krzemionki aktywuje geny, które wytwarzają nową, zdrową tkankę kostną. Zastosowanie szkieł bioaktywnych: uzupełnienie ubytków tkanki kostnej implanty korzeni zębowych, kości szczękowych w protetyce ucha środkowego

48 Bioaktywne szkła Szkła dla radioterapii i hipertermii: szkła z układu Y 2 O 3 Al 2 O 3 SiO 2 (Sm, Dy) 2 O 3 Al 2 O 3 SiO 2 W postaci mikrokulek (ø 20-40μm) (izotop Y-89: radioterapia miejscowa w leczeniu głównie raka wątroby). Mikrokulki wprowadzane przez tętnicę wątrobową, zatrzymywane w kapilarach guza nowotworowego; aktywowane za pomocą strumienia neutronów. Wszczepy z materiałów szkło-ceramicznych nagrzewają się w zmiennym polu magnetycznym działającym z zewnątrz, wytwarzając potrzebną temperaturę; komórki rakowe obumierają w temperaturze przekraczającej 43 0 C.

49 Kompozyty stomatologiczne Kompozyty stosowane w stomatologii posiadają strukturę podobną do tkanki zęba. wypełnienie kompozytowe wypełnienie amalgamatowe Wypełniacze ceramiczne (m.in. na bazie SiO 2 ) odpowiadają w dużej mierze za właściwości fizykochemiczne materiału zmniejszają kurczliwość, współczynnik rozszerzalności termicznej i wchłanianie wody, podnoszą odporność na ścieranie, ucisk i rozciąganie.