Wydział Chemiczny Politechniki Warszawskiej Zespół Ceramiki Specjalnej Współczesna ceramika -tradycja i przyszłość
Ceramika [gr. Ho kéramos ziemia, glina ] nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego. Proces ceramiczny przebiega następująco: drobnoziarniste proszki ceramiczne formuje się różnymi metodami (prasowanie, odlewanie, toczenie) w żądany kształt, często po dodaniu substancji ułatwiających lub umożliwiających kształtowanie (woda, subst. organiczne); po uformowaniu kształtki konsoliduje się (zespala) do postaci litego ciała stałego poprzez wypalanie w temp. 900-2200 o C. R.Pampuch, Wielka Encyklopedia PWN, Warszawa 2001, t.5, s. 277.
Mezopotamia 5500 BC
Chiny 4500 BC
Egipt 1300 BC Fajans Szkło
Mezopotamia 500-600 BC Szkliwione cegły
Grecja 400 BC ceramika szkło
Rzym 100 AD szkło lampka oliwna
Chiny 200 AD 500-600 AD Porcelana
Europa Miśnia XVIII wiek Porcelana
Porcelana Twarda Miękka (skaleniowa) Stołowa Artystyczna Techniczna Kostna Frytowa Parian Vitreous china Klasyczny skład masy to: 50% kaolinu szlamowanego 25% kwarcu 25% skalenia Wypalanie Na biskwit w temp. 900 1000 C Na ostro w temp. 1380 1460 C elektrotechniczna radiotechniczna Klasyczny skład masy 25% kaolinu szlamowanego 30% kwarcu 45% skalenia Wypalanie Na biskwit w temp. 900 1000 C Na ostro w temp. 1200 1300 C
Porcelana miękka kostna (bone china) frytowa XVIII wiek Parian (angielska) XIX wiek vitreous China (porcelana sanitarna) Skład masy Kaolin 35 % Kamień kornwalijski 30 % Popiół z kości bydła 35 % Skład masy Kaolin 30 50% Kwarc 25 3% Fryta szklana bogata w alkalia 25 35% Skład masy Kaolin do 25% Fryta szklana do 80%
Porcelana twarda stołowa artystyczna techniczna Ćmielów Rosenthal Versace Takeuchi Kouzo 2007 -(Japonia)
Barcelona XX wiek
XXI wiek
C E R A M I K A CERAMIKA SZLACHETNA CERAMIKA KONSTRUKCYJNA MATERIAŁY BUDOWLANE Al 2 O 3 ZrO 2 Si 3 N 4 SiC AlN MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE MATERIAŁY WIĄŻĄCE SZKŁO I DEWITRYFIKATY MATERIAŁY ŚCIERNE CERAMIKA FUNKCJONALNA elektroniczna elektrotechniczna magnetyczna piezoelektryczna jądrowa kosmiczna bioceramika NANOCERAMIKA EMALIE
Charakterystyka porównawcza wybranych właściwości metali, tworzyw sztucznych i ceramiki technicznej METALE TWORZYWA SZTUCZNE CERAMIKA TECHNICZNA Gęstość Wytrzymałość cieplna Odporność chemiczna Odporność na ścieranie Kruchość? Wytrzymałość mechaniczna Obrabialność? Cena? niekorzystna mniej niekorzystna korzystna? możliwa do osiągnięcia
Funkcje tworzyw ceramicznych 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 Funkcje chemiczne nośniki katalizatorów katalizatory elektrody nośniki enzymów czujniki gazów detektory węglowodorów układy alarmowe przecieku gazu Funkcje nuklearne paliwa nuklearne materiały na osłony i ekrany Funkcje optyczne świetlówki wysokociśnieniowe lampy sodowe lasery Funkcje magnetyczne głowice magnetofonowe rdzenie pamięci magnesy silniki miniaturowe Funkcje elektryczne Kondensatory podłoża elektroniczne elementy czujników temperatury ogniwa słoneczne
Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej Ceramika konstrukcyjna obejmuje swoim zasięgiem głównie: mechanoceramikę chemoceramikę bioceramikę termoceramikę
Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej W obrębie mechanoceramiki wyróżnić można kilka podstawowych grup wyrobów: Części silników spalinowych Części turbin gazowych Części statków powietrznych i sprzętu wojskowego Części termoodporne Części odporne na ścieranie Łożyska toczne Części pomp i armatury Narzędzia do szybkościowej obróbki metali
Właściwości materiałów ceramicznych WYTRZYMAŁOŚĆ Wytrzymałość materiałów ceramicznych jest zależna od wielu wewnętrznych i zewnętrznych czynników takich jak: mikrostruktura stan powierzchni wielkość i kształt próbki stałość obciążenia temperatura otoczenia
Zastosowanie ceramiki funkcjonalnej Około 70% obrotów rynku ceramicznego skupia się wokół wyrobów spełniających głównie funkcje elektryczne (ceramika elektroniczna) Do najważniejszych wyrobów z zakresu elektroceramiki zalicza się: kondensatory, filtry, przetworniki, termistory, warystory, izolatory, podłoża do układów scalonych, świece zapłonowe. optoceramika materiały laserowe, okienka optyczne, przetworniki elektrooptyczne
Właściwości materiałów ceramicznych Charakterystyczna różnica między ceramiką a innymi materiałami leży w wytrzymałości na wzrastające naprężenia (ciągliwość). naprężenie Ceramika monolityczna Zniszczenie katastroficzne Metal Z uwagi na silne wiązania kowalencyjno-jonowe materiały ceramiczne są z natury kruche. odkształcenie Podstawowym ograniczeniem szerszego stosowania materiałów ceramicznych jest ich KRUCHOŚĆ. Często defekt struktury nie powoduje widocznych zmian a jednak w następstwie korozji naprężeniowej, tworzącej ciągłe pękniecie, może dojść do zniszczenia wyrobu w czasie eksploatacji.
Technologia
ZMIANY STRUKTURY W TRAKCIE PROCESU CERAMICZNEGO Proszek Formowanie Spiekanie
Podstawowe stadia wytwarzania wyrobów ceramicznych wg Neprakty
PROCES TECHNOLOGICZNY Przygotowanie surowca Formowanie wyrobów Wypalanie i sortowanie
SUROWCE CERAMICZNE NATURALNE Surowce wielotonażowe SUROWCE PRZETWORZONE CHEMICZNIE Surowce specjalne I GENERACJA II GENERACJA III GENERACJA IV GENERACJA Pierwotne surowce mineralne Surowce mineralne uszlachetnione fizycznie Surowce po przeróbce chemicznej Surowce syntetyczne Bezpośrednio wydobywane ze złoża Sedymentacja, flotacja, segregacja magnetyczna, itp. Prażenie, topienie, ługowanie i oczyszczanie chemiczne Metody syntezy chemicznej nisko- i wysokotemperaturowej iły (gliny) białowypalające się (porcelit, fajans), iły (gliny) barwniewypalające się (kamionka, klinkier, gliny szkliwne) surowce ilaste przemysłu kruszyw lekkich surowce ilaste ceramiki budowlanej surowce krzemionkowe (kwarce, chalcedon, piaski kwarcowe) krzemienie flint, sileks, ziemia okrzemkowa, surowe boksyty, surowe bentonity, zeolity, perlit, granaty, kryolit kaolin szlamowany bentonit pirofillit talk skaleń sjenit nefelinowy wollastonit spodumen piasek szklarski, kwarc piroksen cyrkon rutyl chromity dolomity magnezyty gliny palone (szamot) kalcynowany tlenek glinu (metoda Bayera, metoda Bretsznajdera) kalcynowany magnezyt (np. otrzymywany z wody morskiej) topiony tlenek glinu (korund) węglik krzemu (metoda Achesona) soda bezwodna węglan baru tlenek tytanu kalcynowane ferryty kalcynowany stabilizowany tlenek cyrkonu mullit pigmenty cyrkonowe diament syntetyczny węgliki azotki borki i krzemki barwniki tlenki (z prekursorów organicznych) fluorki siarczki spinele
Formowanie materiałów ceramicznych Celem formowania surowców ceramicznych jest przekształcenie danego surowca w spójny, zagęszczony element o żądanej geometrii i mikrostrukturze. Gelcasting DCC
MATERIAŁY WSPÓŁCZESNE Kompozyty ceramikametal-tworzywo sztuczne METALE TWORZYWA SZTUCZNE Kompozyty ceramika-metal TWORZYWA CERAMICZNE Kompozyty ceramikatworzywo sztuczne
Dotychczasowe zastosowanie i prognozy wzrostu udziału procentowego szeregu materiałów w konstrukcji silników samolotowych 50 40 30 STAL STOPY NIKLU STOPY TYTANU METALOWE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE CERAMICZNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 20 10 STOPY ALUMINIUM 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Lata 1990-91 uruchomienie masowej produkcji tłoków i bloków cylindrowych zbrojonych lokalnie (Toyota, Honda i Ebisawa opanowanie procesu naparowywania - wlewki i wyroby kształtowane przez firmę ALCAN opracowanie przez firmę Lanxide metody bezpośredniego utleniania/azotowania i infiltracji quasi-grawitacyjnej - kompozyty odporne na ścieranie i obudowy mikroukładów elektronicznych komercjalizacja kompozytów zbrojonych dyspersyjnie SiC i Al 2 O 3
POKRYCIA CERAMICZNE STADIA ROZWOJOWE GŁÓWNYCH RODZAJÓW CERAMIKI SPECJALNEJ W ODNIESIENIU DO CZĘŚCI SILNIKOWYCH CERAMIKA MONOLITYCZNA KOMPOZYTY CERAMICZNE Prace koncepcyjne Prace badawcze Prace optymalizacyjne Produkcja rynkowa 1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Rok
C E R A M I K A ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I ROZWOJOWE W DZIEDZINIE PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW W NIEMCZECH W LATACH 2001-2002 P O L I M E R Y 36% 28% 24% 12% M E T A L E I N N E
Prognozy rozwojowe ceramicznych materiałów specjalnych Główne cele badawcze: Podniesienie wytrzymałości, 40,0% a tym samym niezawodności tworzyw oraz wyrobów. Poprawa właściwości 30,0% wysokotemperaturowych. Optymalizacja struktury dla 20,0% każdego przypadku zastosowania. Zmniejszenie kruchości 10,0% materiałów ceramicznych i tym samym zawężenie 0,0% tolerancji uszkodzeń. Japonia USA Niemcy Francja Wielka Brytania Korea Południowa Skala aktywności wiodących krajów w zakresie zgłoszeń patentowych związanych z ceramiką specjalną (1981-1995)