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 I

2 Literatura 1) R. Pampuch, Współczesne materiały ceramiczne, Kraków : AGH Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, ) R. Pampuch, Materiały ceramiczne, Warszawa Państw. Wydaw. Nauk.,1988 3) J. Raabe, E. Bobryk, Ceramika funkcjonalna : metody otrzymywania i własności, Warszawa : Oficyna Wydaw. Politechn. Warszawskiej, ) K. E. Oczoś Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów, ) R. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek, Nauka o procesach ceramicznych, PWN, Warszawa ) M. Jurczyk, J. Jakubowicz, Nanomateriały ceramiczne, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2004

3 Ceramika (gr. Ho kéramos - ziemia, glina; kerameus - wykonany z gliny) - nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego (formowania, obróbki cieplnej). Mezopotamia 5500 p.n.e

4 Chiny 4500 p.n.e Egipt 1300 p.n.e

5 Mezopotamia p.n.e szkliwione cegły

6 Grecja 400 p.n.e ceramika szkło

7 Rzym 100 n.e lampka oliwna szkło

8 Chiny n.e porcelana

9 Barcelona XX wiek

10 XXI wiek

11 Ceramika Ceramika szlachetna Szkło Ceramika budowlana Materiały ogniotrwałe Ceramika funkcjonalna Ceramika konstrukcyjna

12 Ceramika szlachetna

13 Pojęcie ceramika szlachetna oznacza wyroby cienkościenne - wypalające się na biało. Zalicza się tutaj przede wszystkim wyroby porcelanowe i fajansowe. Wyroby należy uważać za szlachetniejsze im bardziej są cienkościenne i im bardziej białe po wypaleniu. W tym sensie wyroby porcelanowe są bardziej szlachetne w porównaniu do fajansowych. Poza tym wyroby ceramiki szlachetnej odznaczają się najczęściej skomplikowanym kształtem. Produkcja wyrobów ceramiki szlachetnej odznacza się wytwarzaniem dużej ilości sztuk, natomiast małej masy w tonach.

14 Porcelana Tworzywo ceramiczne uzyskiwane przez wypalenie lub spiekanie surowców ilastych lub mas plastycznych zawierających surowiec ilasty jako środek spajający Najczęściej szkliwiona O nasiąkliwości < 0,2% Przeświecalna w cienkiej warstwie (do 2,5 mm) O dużej wytrzymałości mechanicznej i elektrycznej

15 Porcelana Porcelana może być wypalana: Dwukrotnie na biskwit na ostro - po uprzednim zdobieniu farbami podszkliwnymi i szkliwieniu Trzykrotnie na biskwit na ostro - po uprzednim szkliwieniu po zdobieniu farbami naszkliwnymi lub wszkliwnymi

16 Porcelana Cechy wyróżniające porcelanę: biały kolor brak porowatości trwałość odporność na nagłe zmiany temperatury odporność chemiczna nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy przeświecalność

17 Porcelana Twarda Miękka (skaleniowa) Stołowa Artystyczna Techniczna Kostna Frytowa Parian Vitreous china elektrotechniczna Klasyczny skład masy: 50% kaolinu szlamowanego 25% kwarcu 25% skalenia Wypalanie: na biskwit w temp C na ostro w temp C radiotechniczna Klasyczny skład masy: 25% kaolinu szlamowanego 30% kwarcu 45% skalenia Wypalanie na biskwit w temp C na ostro w temp C

18 Historia porcelany Chiny - protoporcelana Wytwarzana z kaolinu i szpatu polnego (pai-tun-tzŭ) Wyroby z pai-tun-tzŭ jako szkliwo pokrywające szarawy czerep wypalany w dużym ogniu Produkowana już na początku dynastii Han (II wiek p.n.e.) co potwierdza odnalezienie takich wyrobów w grobowcach tej dynastii

19 Historia porcelany Dynastia Ming ( ) Doprowadzenie do perfekcji wcześniej opracowanych technik Założenie w Zhushan pierwszej manufaktury, produkującej na dwór cesarski Tworzenie nowych wzorów Dążenie do osiągnięcia jak najwyższej klasy wyrobów

20 Historia porcelany Europa Wieści o chińskiej porcelanie do Europy przywiózł Marco Polo w 1298 roku. W swoim pamiętniku użył nazwy porcelana na określenie wyrobów, które zobaczył, gdyż najprawdopodobniej skojarzyły mu się one z muszlami genus porcellana, mającymi silnie połyskującą, ubarwioną powierzchnię. Dzięki odkryciu przez Vasco da Gama e morskiej drogi do Indii możliwy stał się import porcelany, jak i jedwabiu czy przypraw korzennych. Porcelana była towarem ekskluzywnym i stać na nią było tylko najbogatszych. Zainteresowanie porcelaną z Dalekiego Wschodu stało się przyczyną usilnych prób odkrycia sekretu wytworzenia masy porcelanowe.

21 Historia porcelany Porcelana typu misieńskiego Skład opracował w Dreźnie w 1709 roku Jan Fryderyk Boettger (zajmował się alchemią i próbował przemienić pospolite metale w złoto ). Odkrył on, że do wyrobu twardej porcelany niezbędny jest kaolin, kwarc i skaleń. W 1710 roku król August Mocny wybudował w Miśni pierwszą europejską manufakturę porcelany Stosowana do wyrobu bogato dekorowanych serwisów stołowych, które świadczyły o zamożności domu.

22 Historia porcelany Porcelana typu misieńskiego Początkowo malowana kolorowymi emaliami, a w 1725 r. uzyskano błękity podszkliwne. W latach wykonano pierwszy wielki serwis stołowy dla hrabiego Sułkowskiego. W latach zrobiono dla hrabiego von Bruhla serwis zwany łabędzim, złożony z 2200 sztuk porcelany.

23 1718 r Wiedeń (Austria) 1740 r Berlin (Niemcy) 1744 r Petersburg (Rosja) 1756 r Sevres (Francja) 1775 r Kopenhaga (Dania) 1790 r - Ćmielów Historia porcelany Europa Nie udało się jednak utrzymać w tajemnicy składu i w kolejnych latach powstały takie manufaktury jak: (najstarsza fabryka w Polsce)

24 Historia porcelany Porcelana kostna bone china Skład opracował Thomas Frye w 1748 roku W tym samym roku założono Royal Crown Derby ( obecne Royal Doulton) Szkliwiony czerep odznacza się dużym stopniem białości i przeświecalności. Skład masy Kaolin 35 % wag Kamień kornwalijski 30 % wag Popiół z kości bydła 35 % wag Wypalana dwukrotnie Na biskwit w temp C Po szkliwieniu w temp C

25 Jak rozpoznać porcelanę pierwszego gatunku? Na wewnętrznych ściankach nie może być tzw. muszek czyli ciemnych kropeczek. Jeśli są oznacza to, że do produkcji użyto surowców gorszej jakości. Brzegi filiżanki pierwszego gatunku powinny być idealnie okrągłe i gładkie. Zewnętrzne i wewnętrzne ścianki filiżanki powinny być przejrzyste i gładkie, bez zgrubień, przebarwień i zacieków. Najwyższej jakości porcelana jest malowana ręcznie. Często uszlachetnia się ją złotem lub platyną.

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

27 Produkcja porcelany Projektowanie Proces produkcji porcelany rozpoczyna się w modelarni, gdzie pomysły projektantów przemieniane są przez modelarzy w formę przestrzenną.

28 Produkcja porcelany Surowce Do produkcji porcelany używa się następujących skał: kaolin kwarc skaleń Surowce te należy dokładnie rozdrobnić, a następnie połączyć w odpowiednich proporcjach dodając wody.

29 Produkcja porcelany Formowanie Toczenie półprodukty formowane przez maszyny stosuje się masy plastyczne produkcja m.in. talerzy, kubków czy filiżanek Prasowanie stosuje się masy półsuche produkcja drobnych wyrobów technicznych np. dla przemysłu elektrotechnicznego czy tkackiego

30 Odlewanie Produkcja porcelany Formowanie półprodukty odlewane w formach gipsowych stosuje się masy lejne produkcja wyrobów cienkościennych np. wazy, dzbany, figury (odlewanie jednostronne) grubościennych np. wyroby sanitarne (odlewanie dwustronne)

31 Produkcja porcelany Suszenie Zapewnia uzyskanie pewnej wytrzymałości mechanicznej. Zmniejsza zawartość wilgoci w wyrobach. Przeprowadzane w suszarniach powietrznych lub w pobliżu pieców ( T <100 C). Wilgoć zawarta w wyrobie może być przyczyną pęknięć podczas wypalania!

32 Produkcja porcelany Wypał na biskwit Uzyskanie półfabrykatu bardziej wytrzymałego. Można szkliwić i wykańczać mechanicznie bez obawy uszkodzenia. Prowadzony w piecach tunelowych.

33 Produkcja porcelany Szkliwienie Szkliwo cienka warstwa szklista na powierzchni wyrobu ceramicznego, złożona z tlenków metali i niemetali, a także związków takich pierwiastków jak Pb, B, Sn, Ca, Fe, Al.. Zapewnia szczelność Zwiększa wytrzymałość Nadaje gładkość Nadaje obojętność chemiczną Zmniejsza nasiąkliwość Pełni funkcje dekoracyjne i estetyczne

34 Produkcja porcelany Szkliwienie Szkliwienie może odbywać się przez: Zanurzenie Polewanie Rozpryskiwanie na powierzchni wyrobów

35 Produkcja porcelany Dekoracja Dekorowanie kalką ceramiczną Ręczne zdobienie za pomocą złota lub platyny

36 Produkcja porcelany Wypał dekawy 850 C Otrzymujemy dekoracje naszkliwną Wyczuwalna pod palcem 1250 C Otrzymujemy dekorację wszkliwną Całkowicie wtopiona w szkliwo Można myć w zmywarkach i używać w kuchenkach mikrofalowych

37 Porcelana techniczna Cechy: Twardość Wytrzymałość na ściskanie Wysoka temperatura topnienia Własności dielektryczne Odporność na działanie czynników klimatycznych i chemicznych Wyroby: Izolatory Liniowe Stacyjne Trakcyjne Aparatowe Inne wyroby Osłony elektrotechniczne Wyroby oświetleniowe Wyroby elektroinstalacyjne Podokienniki porcelanowe

38 Zakłady porcelany Elektrotechnicznej w Boguchwale

39 Znaki wyrobów porcelanowych i fajansowych a - Francja, fabryka Serves b - Saksonia, Miśnia (niebieskie znaki podszkliwne z lat ) c - Włochy, wytwórnia Doccia, Carlo Ginori XVIIIw. d - Polska, Włocławek, fabryka fajansu, lata e - Polska, Włocławek, fabryka fajansu, znak współczesny f - Polska, Zakłady Płytek Ceramiczne Józefów w Czeladzi, znak współczesny g - Polska, Boguchwała, Zakłady Porcelany Elektrotechnicznej, znak współczesny

40 Fajans Tworzywo ceramiczne wytwarzane z zanieczyszczonego kaolinu. Po wypaleniu (w temperaturach przekraczających 1000 C) wyroby fajansowe mają kolor od białego do jasnokremowego. Wytwarza się je najczęściej w wersji powleczonej nieprzezroczystym szkliwem.

41 Kamionka Tworzywo ceramiczne otrzymywane z glin z dodatkiem szamotu lub piasku kwarcowego. Wyroby kamionkowe są nieprzeźroczyste. Kamionka używana jest więc do produkcji: aparatury kwasoodpornej płytek posadzkowych kształtek i płytek ściennych stosowanych w pomieszczeniach sanitarnych, rur i kształtek kanalizacyjnych naczyń

42 Szkło

43 Historia szkła Pierwsze ozdoby ze szkła pojawiły się w Mezopotamii i Egipcie ok lat p.n.e W Egipcie produkcja szkła na dużą skalę rozwinęła się ok roku p.n.e. W dalszej kolejności szklarstwo rozwinęli Fenicjanie, a za nimi Grecy i Rzymiane. W ostatnich wiekach p.n.e. w Fenicji rozpoczęto stosowanie dmuchania szkła, co znacznie ułatwiło i przyspieszyło produkcję naczyń szklanych. W Chinach już ok. 940 roku n.e. poznano soczewkę. W XIII w zaczęto stosować soczewki do okularów równolegle w Chinach i we Włoszech. W Holandii pod koniec XVI wieku zastosowano soczewkę w mikroskopie, a na początku XVII wieku w lunecie.

44 Historia szkła W Czechach w XVII wieku rozwinęła się produkcja szkła szlachetnego, o pełnym blasku i twardości (w postaci kryształu), w wyniku stosowania dodatku kredy i węglanu potasu. W USA w XX wieku powstały pierwsze kompletne automaty do produkcji butelek, szkło zaczęto wykorzystywać w przemyśle. W XX wieku rozpoczęto wytwarzanie rozmaitych gatunków szkła laboratoryjnego.

45 Historia szkła - Polska Szkło w Polsce znane jest od ok lat. X w. - huta w Wolinie. XIII w. - huta w Poznaniu. XIV w. - huta na Dolnym Śląsku. XVIII w. - gwałtowny wzrost liczby hut, największy okres produkcji szkła stołowego, zwierciadeł i szyb. Przed II wojną światową istniało w Polsce 80 hut szkła. Obecnie huty szkła mieszczą się w: Sandomierzu, Krośnie, Piotrkowie Trybunalskim, Szklarskiej Porębie, Wałbrzychu.

46 Surowce do produkcji szkła Tlenki i surowce szkłotwórcze: SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, Al 2 O 3, TiO 2 rzadziej ZrO 2, ThO 2, La 2 O 3, As 2 O 3 Źródłem w/w tlenków są przede wszystkim: piaski kwarcowe, boraks, kwas borowy. Tlenki i surowce obniżające temperaturę mięknięcia szkła: Na 2 O, K 2 O, Li 2 O rzadziej Rb 2 O, Cs 2 O Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: Na 2 CO 3, K 2 CO 3, albit, ortoklaz. Tlenki i surowce stabilizujące szkło: CaO, MgO, BaO, PbO, ZnO, CdO, BeO, SrO Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: MgCO 3, CaCO 3, dolomit, BaCO 3, Pb 3 O 4.

47 Etapy wytapiania szkła 1. Odparowanie wilgoci z surowców 2. ~400 o C, Na 2 CO 3 +CaCO 3 Na 2 Ca(CO 3 ) o C, -SiO 2 -SiO 2 4. Wydzielanie CO 2 > 600 o C 5. Pojawienie się fazy ciekłej ~785 o C 6. Rozpuszczenie się w fazie ciekłej SiO 2 i krzemianów 7. Zakończenie procesu topienia i rozpuszczania składników: o C 8. Klarowanie szkła ~ o C ; dla przyśpieszenia dodatki klarujące, np. azotany, siarczany 9. Studzenie masy do temperatury formowania o C

48 Właściwości szkła Substancja bezpostaciowa, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej. Szkło jest słabym przewodnikiem elektrycznym. Szkło jest materiałem o dużej odporności chemicznej (nie jest odporne na działanie kwasu fluorowodorowego) Szkło bez specjalnych dodatków jest słabo odporne na kruche pękanie.

49 Klasy szkła Klasa Specjalna Przykłady zastosowania Szkło przepuszczające promieniowanie nadfioletowe, szkło kwarcowe 1 Szkło optyczne, szkło kryształowe 2 3 Szkło półkryształowe, szkło stołowe bezbarwne, grubościenne Szkło stołowe dmuchane i prasowane, opakowania szklane bezbarwne 4 Szkło okienne, szkło walcowane, szkło techniczne 5 Opakowania szklane 6 Opakowania szklane barwne, izolatory szklane

50 metoda float produkcja szkła płaskiego metoda produkcji butelek cienkościennych tzw. press blow metoda produkcji szkła walcowanego metody ręcznego formowania szkła i zdobienie sposobem hutniczym metody rozwłókniania masy szklanej na włókna ciągłe i nieciągłe izolacyjne metody wyciągania włókien światłowodowych Metody produkcji szkła metody przetwarzania szkła: szyby zespolone, laminowane, hartowane, gięte pokrywane powłokami, malowane, emaliowane

51 Szkło barwne Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne: szkło zielone zawiera związki żelaza (III) i chromu (III) szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki szkło niebieskie zawiera związki kobaltu (II) i miedzi (II) szkło czerwone zawiera koloidalne cząstki złota szkło fioletowe zawiera związki manganu (VII)

52 Podstawowe typy szkieł Podział szkieł ze względu na zastosowanie: techniczne budowlane gospodarcze i opakowania specjalne (medycyna, elektronika, światłowody, optyka) Szkło bezpieczne to rodzaj szkła, którego specyfika polega na tym, że w skutek hartowania, po rozbiciu szkło ulega rozpadowi na maleńkie fragmenty o zaokrąglonych kształtach. W ten sposób nie powoduje przypadkowego okaleczenia spowodowanego ostro zakończonymi krawędziami. Tego typu szkło wykorzystywane jest m.in. w samochodach i w budownictwie.

53 Szkła światłoczułe Szkło światłoczułe (szkło fototropowe) - szkło zmieniające (w odwracalny lub nieodwracalny sposób) swoje optyczne (i inne) własności pod wpływem padającego światła. Szkło fotochromowe to rodzaj szkła światłoczułego, które pod wpływem naświetlania zmienia barwę w sposób odwracalny; stosowane w okularach, a także do wykonywania perforowanych płytek w miniaturowych obwodach urządzeń elektronicznych.

54 Szkła optyczne Szkło optyczne - przezroczyste szkło o dużej jednorodności optycznej, stosowane do wyrobu soczewek, pryzmatów, elementów układów optycznych, a także do produkcji szkła do okularów Flint- szkło optyczne, ołowiowo-krzemianowe o dużym współczynniku załamania światła (1,55-1,90); zawiera znaczne ilości tlenku ołowiu (ok % PbO); stosowany (wraz ze szkłem crown) do wyrobu układów optycznych achromatycznych (achromat) i do wyrobu soczewek.

55 Światłowody Światłowód - przezroczyste włókno wykonane ze szkła lub tworzywa sztucznego, w którym odbywa się propagacja światła. Światłowody są wykorzystywane jako: elementy urządzeń optoelektronicznych składniki optycznych układów zintegrowanych media transmisji sygnałów na duże odległości do celów oświetleniowych

56 Materiały budowlane

57 Wyroby ceramiki budowlanej Ze względu na przeznaczenie wyroby ceramiki budowlanej można podzielić na: elementy do budowy ścian: cegły pustaki nadproża elementy do budowy stropów pustaki, belki dachówki i akcesoria dachowe rurki drenarskie pozostałe wyroby

58 Podstawowe surowce gliny ceglarskie iły lessy kruszywa lekkie

59 Produkcja wyrobów ceglarskich Magazyn surowców Zasilacz skrzyniowy, Kołogniot rusztowy Kruszarka walcowa, Mieszadło Woda Suszarnia komorowa Ucinacz pasma Prasa ślimakowa (pasmowa) Piec ( ºC) Sortowanie Magazyn wyrobów gotowych

60 Formowanie cegieł

61 Formowanie cegieł

62 Rodzaje cegieł Podstawowym materiałem budowlanym od wieków jest cegła pełna o standardowych wymiarach. Cegła pełna stosowana jest głównie do budowy podmurówek, piwnic, kominów, uzupełniania ścian, gdzie ważna jest trwałość i odporność na wilgoć i ściskanie. cegła pełna cegła klinkierowa elewacyjna cegła dziurawka cegła kratówka

63 Rodzaje pustaków Pustaki przeznaczone są do wykonywania ścian zewnętrznych i wewnętrznych. Proces produkcji pustaków ceramicznych jest analogiczny do produkcji cegły. Pustaki charakteryzują się znacznie większymi wymiarami niż cegły. ściany zewnętrzne ściany działowe pustak stropowy pustak wentylacyjny wyroby antysejsmiczne

64 Dachówki mnich-mniszka dachówka zakładkowa karpiówka esówka marsylka gąsior dachowy

65 Dachówki

66 Płytki ceramiczne płytki ścienne klinkier szkliwiony gres

67 Ceramika sanitarna Indie Włochy

68 Kafle piecowe

69 Materiały ogniotrwałe

70 Ogniotrwałość zwykła Kształt stożka pirometrycznego w czasie oznaczania ogniotrwałości zwykłej: A po ustawieniu na podstawie B w temperaturze odpowiadającej jego ogniotrwałości zwykłej C w temperaturze powyżej ogniotrwałości zwykłej

71 Specjalne materiały ogniotrwałe Typ wyrobów węglowe karborundowe cyrkonowe tlenkowe nietlenkowe Grupy wyrobów grafityzowane C > 98 niegrafityzowane C > 85 szamotowo-grafitowe C > 5 rekrystalizowane SiC > 85 wiązane SiC > 60 baddeleyitowe ZrO 2 >85 baddeleyitowokorundowe cyrkonowe-wiązane ThO 2, BeO węglikowe, azotkowe, borkowe... Zawartość głównych składników, % ZrO 2 >30 Al 2 O 3 > 60 zawartość podstawowego związku bliska 100

72 Specjalne materiały ogniotrwałe szamotowe magnezjowe sylimanit i mullit SiC

73 Zastosowanie materiałów ogniotrwałych Przemysł metalurgiczny piece do granulacji i redukcji rud wielkie piece nagrzewnice wielkich pieców mieszalniki surówki kadzie do transportu ciągłe odlewanie stali

74 Zastosowanie materiałów ogniotrwałych Przemysł ceramiczny piece cementownicze piece szklarskie (wanny o pracy ciągłej, piece donicowe) piece emalierskie piece do wypalania wyrobów ceramicznych

75 Betony ogniotrwałe Wymagania stawiane betonom ogniotrwałym: 1. Zdolność do wystarczająco szybkiego wiązania w warunkach atmosferycznych i osiągania wystarczającej spoistości po związaniu, przy małej skurczliwości po wysuszeniu. 2. Wystarczająca ogniotrwałość i stałość objętości w temperaturach roboczych. 3. Odporność na działania niszczące środowiska roboczego: korozję chemiczną, wstrząsy cieplne i uszkodzenia mechaniczne. Podział betonów ogniotrwałych: żaroodporne (ogniotrwałość poniżej 1580 o C) ogniotrwałe ( o C) wysokoogniotrwałe (powyżej 1770 o C)

76 Materiały ogniotrwałe do izolacji - włókna Al 2 O 3 tkaniny bloki papier moduły taśmy

77 Materiały ogniotrwałe - zastosowanie Zamiast uszczelek azbestowych Ogniotrwała izolacja Uszczelnienie rur i ogrzewaczy powietrza Uszczelnienie stref żarowych w kadziach odlewniczych Izolacje drzwiczek (kotłów, pieców, agregatów cieplnych) Uszczelki palników olejowych