CERAMIKA. Historia Metody wytwarzania Właściwości ceramiki Rodzaje ceramiki: przykłady i zastosowania. Co to właściwie jest ceramika?

Transkrypt

1 CERAMIKA Historia Metody wytwarzania Właściwości ceramiki Rodzaje ceramiki: przykłady i zastosowania Co to właściwie jest ceramika? Sztuka i nauka dotycząca wytwarzania oraz używania przedmiotów stałych zbudowanych głównie z nieorganicznych i niemetalicznych materiałów. Introduction to Ceramics, W. David Kingery Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytwarzanych zwykle w procesach wysokotemperaturowych. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Leszek A. Dobrzański 1

2 Wczesna ceramika Rysunki naskalne (28000 pne) malowane ceramicznymi barwnikami. W czeskiej miejscowości Dolni Vestonice odnaleziono 2300 fragmentów wyrobów ceramicznych. Pochodzą one z lat pne. Główne znalezisko to figurka kobiety Venus z Dolni Vestonice. Wczesna ceramika Gdy człowiek poznał ogień, odkrycie że przedmioty wykonane z gliny twardnieją i stają się trwalsze nie zabrało już dużo czasu. Ceramika stała się jeszcze cenniejsza wraz z odkryciem metalurgii (4000 pne.): ceramika to jedyny ówczesny materiał, który wytrzymywał wysokie temperatury potrzebne do wytopu metali. Dzięki temu rozwój technologii ceramiki przyspieszył. Dzięki lepszej konstrukcji pieców osiągano wyższe temperatury (piec dwukomorowy) i lepszą jakość ceramiki. 2

3 Wczesna ceramika: kolejne odkrycia Szkliwo (1500 pne); Koło garncarskie (2000 pne, Mezopotamia i Egipt) Wynalazek koła garncarskiego stanowił ogromny krok naprzód w upowszechnieniu ceramiki. W czasach Imperium Rzymskiego (100 pne-300ne) prowadzono już produkcję masową naczyń glinianych. Podobnie w tym samym czasie w Chinach nastąpił rozkwit produkcji ceramiki. Porcelana W Chinach w czasie dynastii Shang ( pne) i Zhou ( pne) technologia ceramiki stopniowo się rozwijała; Najważniejsze odkrycie to zastosowanie białej gliny (kaolinu). Dzięki temu porcelana stała się biała. Kaolin, jednak wymagał wyższych temperatur. Al 2 (Si 2 O 5 )(OH) 4 3

4 Porcelana Około 600 r ne Chińczycy odkryli kolejny tajemniczy składnik: Petuntse tzw. chiński kamień. Jest to skała występująca w Chinach, rodzaj granitu. W trakcie wypalania reagował on z kaolinem i piaskiem tworząc szklisty materiał. Było to coś w rodzaju szkliwa w całej objętości. W rezultacie ceramika stała się biała i przezroczysta. Po powrocie z wyprawy na Wschód, w 1292 r, Marco Polo nazwał ją: alla Porcella W Europie około 500 lat po wyprawie Marco Polo odkryto tajemnicę porcelany. Od 1750 roku rozpoczęła się jej produkcja na szeroką skalę. Kafelki Pierwsze ozdobne płytki ceramiczne pochodzą z pne. (Egipt). Płytki robiono każdą osobno, ręcznie. Wzory były albo wycinane, albo wyciskane gdy glina była jeszcze mokra. Tak było aż do 1740 roku, gdy wynaleziono nową metodę drukowanie wzorów. Wzór był przenoszony na cienki papier z metalowej lub drewnianej płytki, nasyconej barwnikami. Następnie papier nakładano na ceramikę i w czasie wypalania, wzór wtapiał się w szkliwo. 4

5 Cement lat temu reakcje pomiędzy skałami wapiennymi a skałami bitumicznymi podczas spontanicznego spalania (na terenie Izraela) spowodowały powstanie naturalnych złóż związków cementu. Rzymianie mieszali popiół wulkaniczny z wapieniem. Twardnienie zachodziło w reakcji z CO 2 z atmosfery W Średniowieczu sztuka robienia cementu została zapomniana. Dopiero w Anglii w XVII wieku cement został odkryty na nowo (w Portland). Obecnie, cement składa się z: Wapień, kreda (CaCO 3 ), gips (CaSO 4 ), kaolin, krzemionka, tlenki metali (MgO, FeO) Inne typy ceramiki: cegły Muł z Nilu mieszany z trzciną, suszony na słońcu stanowił główny budulec w Starożytnym Egipcie. Ceglana ściana w Dolinie Królów 5

6 Inne niż od dawna stosowane formowanie, suszenie i wypalanie przedmiotów z gliny. METODY WYTWARZANIA CERAMIKI Synteza proszkowa Synteza proszkowa jest metodą pozwalającą produkować masowo ceramiki. Dlatego ważnym elementem brakującym do przyspieszenia rozwoju technologii było opracowanie metody wytwarzania wielkich ilości proszków ceramicznych. Początek: Bayer 1888 rok. Prawie suche składniki umieszcza się pomiędzy metalowymi płytami, ściska a następnie wypala (bez suszenia). Skutek: masowa produkcja. 6

7 Wylewanie w formach materiału w postaci zawiesiny Wylewanie w formach materiału w postaci zawiesiny Przykład zaawansowanej ceramiki wytwarzanej w ten sposób to tzw. YSZ. Substratem jest np. komercyjny proszek TZ 3Y czyli tetragonalny ZrO 2 stabilizowany 3% Y 2 O 3. Wielkość ziarna 0.6 µm 7

8 środek zapobiegający zlepianiu woda destylowana Proszek przygotowanie zawiesiny mielenie Forma Wylanie do formy odpowietrzanie Suszenie ultradźwięki Wygrzewanie Wielka różnorodność właściwości WŁAŚCIWOŚCI CERAMIKI 8

9 Właściwości ceramiki Twarda (może też być bardzo miękka); Izolator (może też przewodzić i nadprzewodzić); Krucha; Odporna na wysoką temperaturę ; Chemicznie stabilna, odporna na utlenianie; Niemagnetyczna (może być też ferromagnetykiem); Charakter wiązań w ceramikach 9

10 Przykładowe struktury krystaliczne c-bn (struktura sfalerytu) MgAl2O4 Przykładowe struktury krystaliczne Wiele ceramik wykazuje polimorfizm: w zależności od temperatury (i ciśnienia) mogą występować w więcej niż jednej strukturze krystalicznej. W niektórych przypadkach ma to bardzo duży wpływ na właściwości (szczególnie mechaniczne). 10

11 Mikrostruktura ceramik Ceramiki są najczęściej polikrystaliczne. Właściwości mechaniczne ceramik Duży moduł Younga; Duża twardość ; Nie wszystkie ceramiki są twarde, ale to właśnie ceramiki są najtwardszymi materiałami świata. Mała wytrzymałość na zginanie; Praktycznie nie ma odkształcenia plastycznego; Kruchość; 11

12 Właściwości mechaniczne ceramik Diament monokrystaliczny Diament polikrystaliczny BN (regularny) Węglik boru TiC SiC Al 2 O 3 ZrO 2 SiO 2 Szkło boro-krzemianowe kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm 2 Wytrzymałość na zginanie 12

13 Właściwości w porównaniu ze stalą Zwykłej i niezwykłej ceramiki ZASTOSOWANIA 13

14 Ceramika tradycyjna Materiały strukturalne (np. cegły, cement, szkło); Biała ceramika, tzn. porcelana stołowa, sanitarna i inna; Materiały ścierne Naturalne (granat, diament, itp.) Syntetyczne (SiC, diament, tlenek glinu, itd. ) Ceramika zaawansowana Zastosowania wysokotemperaturowe (warstwy ochronne na częściach metalowych lub elementy samodzielne). Najczęściej porowata (ponad 10%) ceramika zawierająca Al 2 O 3 (T m =2050 C) i SiO 2 oraz inne tlenki: MgO (T m =2850 C), Fe 2 O 3, TiO 2, Poza tym używa się: BeO, ZrO 2,, SiC, i grafit. 14

15 Ceramika zaawansowana Części silników : azotek krzemu (Si 3 N 4 ), węglik krzemu (SiC), tlenek cyrkonu (ZrO 2 ) i tlenek glinu(al 2 O 3 ) Ceramika zaawansowana Łożyska są najczęściej hybrydowe: Kulki ceramiczne; Stalowe pierścienie. 15

16 Ceramika zaawansowana Narzędzia tnące itp. Zirconia toughened alumina Ceramika zaawansowana Faza wzmacniająca w kompozytach Np. kompozyt Al 2 O 3 i kevlar w warstwach o grubości 20mm są używane jako osłony kuloodporne samolotów Hercules Outer hard skin Ceramic- Discontinuous Projectile Personnel and Equipment Inner ductile skin Ceramic Armor System 16

17 Ceramika zaawansowana Bioobojętna i bioaktywna ceramika Główne bio- ceramiki i szkło to fosforan wapnia (Ca 3 (PO 4 ) 2 - TCP), hydroksyapatyt (Ca 10 (PO 4 ) 6 x (OH) 2 - HA) i szkła krzemianowe zawierające Ca i P. Wszystkie mają skład podobny do mineralnych składników kości. Na ich powierzchni, w organizmie powstaje warstwa wiążąca się z tkanką. Mogą być ponadto źródłem jonów (Si) aktywujących różnicowanie się komórek kości. Ceramika zaawansowana Ceramika o szczególnych właściwościach elektrycznych: kondensatory, rezystory, nadprzewodniki, piezoelektryki, części układów scalonych, magnesy Ceramika o szczególnych właściwościach chemicznych: filtry, membrany, katalizatory, podłoża katalizatorów itd. 17