Politechnika Częstochowska Instytut InŜynierii Materiałowej CERAMIKA DAWNIEJ I DZIŚ Iwona Przerada Częstochowa 2010
Rok 2010 ROK MATERIAŁÓW InŜynieria Materiałowa Skład chemiczny- technologia struktura właściwości METALE - CERAMIKA - POLIMERY KOMPOZYTY
Ceramika κεραµικος (keramikos) - κεραµος (keramos ziemia, glina), kerameoús - wykonany z gliny tworzywa i wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny Sztuka i nauka dotycząca wytwarzania oraz uŝywania 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
Historia ceramiki jest częścią historii rodzaju ludzkiego i odzwierciedla zmieniające się zwyczaje i rytuały cywilizacyjne. Wyroby ceramiczne znane są juŝ od paleolitu. Krzemień, kamień, glina Wyroby garncarskie, fajansowe, kamionkowe, porcelanowe Ceramika w stylu Suzy IV tysiąclecie p.n.e. (Luwr, ParyŜ) Lekyt (ok. 500 p.n.e) w staroŝytnej Grecji wysmukłe naczynie ceramiczne z jednym uchem, przypominające dzbanek. SłuŜyło do przechowywania oliwy do smarowania ciała. Amazis naczynie czarnofigurowe, Attyka, 550 530 p.n.e.
Kamionkowe chińskie naczynie z okresu dynastii Ming
MATERIAŁY BUDOWLANE Piramida DŜesera (Egipt, ok.2650 p.n.e.) Budowa muru trwała ok. 17 wieków. Pierwsze odcinki muru zaczęły powstawać juŝ około VI wieku p.n.e. Pierwsze cegły (suszone na słońcu) 5000-6000 lat p.n.e.: Mezopotamia, Egipt, Babilon, Daleki Wschód. Wypalane Mezopotamia, ok. 2500 lat p.n.e.
Współczesne materiały budowlane Cegła: pełna, dziurawka, sitówka, kratówka, szamotowa, cementowa, silikatowa. Materiały izolacyjne: wełna mineralna
SZKŁO Kto zmienił piasek kwarcowy w szkło? Mezopotamia, 3,5 tys. lat temu W północnym Egipcie odkryto pozostałości fabryki szkła z roku 1250 p.n.e. Szkło artystyczne z Murano Szkło opakowaniowe
Podział szkła a wg przeznaczenia: Szkło o budowlane; ; okienne, Szkło o techniczne: szkło laboratoryjne, szkło elektrotechniczne izolatorowe, szkło optyczne, szkło kwarcowe Szkło o gospodarcze (stosowane na wyroby gospodarstwa domowego lub przedmioty ozdobne Szkło o bezpieczne (wielowarstwowe, zbrojone, hartowane) Szkło o piankowe Włókna szklane (światłowody, tkaniny i maty szklane) Tworzywa szklanokrystaliczne
Przemysł ceramiczny: Budownictwo (cegła, dachówka, porcelana sanitarna, kamionka kanalizacyjna, płytki ścienne, podłogowe itp., ceramika architektoniczna); Materiały wiąŝące (cement, wapno, gips); Materiały ogniotrwałe; Materiały ścierne; Przemysł szklarski (materiały szklanokrystaliczne); Emalie; Ceramika szlachetna; Elektroceramika (ceramiczne dielektryki, magnetyki, przewodniki i nadprzewodniki, przewodniki jonów, itd.); Ceramika specjalna (elektronika, przemysł jądrowy (paliwa jądrowe bazujące na tlenku uranu (UO2); kosmiczny, rakietowy, silniki, narzędzia skrawające, membrany, filtry, katalizatory); Bioceramika; Nanoceramika.
Surowce ceramiczne Naturalne: gliny, kwarce, skalenie, kaoliny Glina ilasta skała osadowa, powstała w okresie czwartorzędu w wyniku nagromadzenia osadów morenowych. Skały ilaste starsze niŝ czwartorzędowe nazywane są iłami. Jest to zatem skała złoŝona z minerałów ilastych, kwarcu, skaleni, substancji koloidalnych, moŝe zawierać okruchy innych skał oraz substancje organiczne (korzenie, bituminy).
WaŜniejsze wyroby ceramiczne wytwarzane przemysłowo od XIX w. przez wypalanie surowców pochodzenia naturalnego w wysokiej temperaturze Wyroby Talerze, filiŝanki Cegły, dachówki, płytki ścienne i podłogowe, wyposaŝenie łazienek i ubikacji, rury kanalizacyjne Cement portlandzki Wielkogabarytowe izolatory WyłoŜenia pieców przemysłowych Nazwa ceramiki i dziedzina zastosowania Fajans, porcelana Ceramika budowlana, ceramika sanitarna, ceramika płytowa Beton, zaprawy Izolatory dla przewodów przesyłowych energii elektrycznej Materiały ogniotrwałe dla hutnictwa metali, szkła i cementu Typowe surowce poddane wypalaniu Naturalne: kaolin, skaleń, kwarcyty Naturalne: gliny, kaolin, skaleń, kwarcyty Naturalne: margle wapienne Naturalne: gliny, kaolin, skaleń, kwarcyty Naturalne: gliny ogniotrwałe o duŝej zawartości Al 2 O 3, magnezyt (gł. MgCO 3, dolomit, ruda chromowa)
Sztuczne: tlenki, węglany, w krzemiany, węgliki, w azotki, borki, krzemki, siarczki: Al 2 O 3 (2050 o C), ZrO 2 (2700 o C), BN, TiN, Si 3 N 4 (1900 o C), BC, SiC (2500 o C), WC (2850 o C), TiC (3120 o C), TaC, Cr 3 C 2. SiC karborund
Zastosowanie SiC materiał ogniotrwały o uniwersalnych zastosowaniach w metalurgii i energetyce oraz spalarniach śmieci (w postaci płyt, retort, rekuperatorów, wykładzin pieców ogniowych i prowadnic), osłony termiczne w pojazdach kosmicznych koszulki elementów paliwowych (wysoka odporność na promieniowanie jądrowe) opancerzenie czołgów, kuloodporne kamizelki osobiste urządzenia półprzewodnikowe pracujące w podwyŝszonych temperaturach i przy wysokich częstotliwościach prądu elektrycznego (półprzewodnik) zamknięcia mechaniczne, dysze, powierzchnie cierne pracujące w wysokich temperaturach, (np.: powierzchnie boczne cylindrów silników (odporność na ścieranie)) włókna wzmacniające kompozyty (wysoka wyrzymałość) ze względu na mały współczynnik tarcia oraz wysoką przewodność cieplną: łoŝyska ślizgowe oraz toczne, pierścienie ślizgowe i oporowe.
Diament Najtwardszy materiał na ziemi narzędzia skrawające, ścierniwo, ciągadła, drogocenna biŝuteria.
BN (borazon) Supertwardy materiałścierny, wytworzony po raz pierwszy w 1957 roku w USA, przy pomocy aparatury stosowanej do uzyskiwania syntetycznych diamentów Obecnie: synteza wysokociśnieniowa 3-7 GPa, 1500-3500 K, synteza dynamiczna, techniki dyfuzyjne (4 GPa, 1500 K), Twardość 9,5 w skali Mohsa, Większa odporność chemiczna (niŝ diamentu), WyŜsza odporność termiczna (wytrzymuje temp. do 1600 o C), Cena: średnio o 30% wyŝsza niŝ diamentu, Borazon jest stosowany do szlifowania i cięcia stali, na łopatki turbin, w wysokich temperaturach jest uŝywany do szlifowania diamentów.
Al 2 O 3 korund, elektrokorund Stosowany do produkcji: skalpeli mikrochirurgicznych z ostrzem korundowym, noŝy do wag analitycznych, ciągadeł, dysz, łoŝysk szkiełek zegarowych, tłoków ceramicznych, uszczelnień do pomp wodnych, oraz w mikrodermabrazji (usuwanie zmarszczek, pilingi), elementy konstrukcyjne o wysokiej wytrzymałości mechanicznej do pracy w niskich i umiarkowanych temperaturach elementy ogniotrwałe (cegły, pasty), protezy stawu biodrowego, podłoŝa dla elektroniki, materiały ścierne, włókniny izolacyjne, izolatory świec zapłonowych,
Materiały y ogniotrwałe Szamot materiał ceramiczny otrzymywany przez zmielenie i spieczenie wypalonej gliny ogniotrwałej. Po wymieszaniu z plastyczną gliną ogniotrwałą szamot uŝywany jest do wyrobu ogniotrwałych materiałów szamotowych (na okładziny stosowane w kaflowych piecach domowych, paleniskach (kuźnie), piecach przemysłowych itp.) Al 2 O 3, ZrO 2, SiO 2, MgO C (grafit), SiC
Kształtki tki MgO + C : do wymurowywania konwertorów tlenowych, duŝa odporność na korozję ŜuŜlową trwałe do 2000 o C charakter zasadowy Kształtki tki Al 2 O 3 + ZrO 2 + grafit + lepiszcze (np( np. zywica fenolowo- formaldehydowa): na elementy urządzeń pozapiecowych (kadzi) bardzo trwałe szczególnie odporne na erozję charakter kwaśny technologia: NIEWYPALANE! mieszanie składników, prasowanie (najlepiej izostatyczne)
Ceramiczne warstwy antybalistyczne SłuŜą do ochrony sprzętu wojskowego i innych obiektów specjalnych przed działaniem czynnika niszczącego. Rolą warstwy ceramiki jest rozproszenie i pochłonięcie energii pocisku, w trakcie jej fragmentacji. Czołg PT - 91 Twardy, do ochrony pancerza z warstwami ceramicznymi
Węglik tytanowo-krzemowy Ti 3 SiC 2 właściwości wysokotemperaturowej ceramiki konstrukcyjnej - wysoka temperatura topnienia, wysoka sztywność właściwości charakterystyczne dla tworzyw metalicznych - niska twardość, zachowanie typu plastycznego pod wpływem obciąŝeń mechanicznych łatwość cięć i obróbki bardzo niski współczynnik tarcia proszki Ti 3 SiC 2 spiekają się do wysokich gęstości rzędu 95% gęstości teoretycznej w niskich jak na tworzywa węglikowe temperaturach rzędu 1500 C (prasowanie na gorąco wspomagane przez prąd tętniący)
Światłowód przezroczyste włókno szklane (50-100 µm), w którym odbywa się propagacja światła
informacja jest przenoszona przez wiązkęświatła (1014-1015 Hz) prowadzoną w szklanym przewodzie moŝe przekazywać jednocześnie wiele impulsów o róŝnych częstotliwościach (przepustowość informacyjna światłowodu jest gigantyczna w porównaniu z tradycyjnymi miedzianymi przewodami) ogromne i wciąŝ rosnące zastosowanie w teleinformatyce odporne na zakłócenia elektromagnetyczne. Nie emitują teŝ nic na zewnątrz przewodu (zabezpieczenie przed niepowołanym dostępem) impulsy świetlne mogą docierać dalej niŝ sygnały elektryczne (niskie tłumienie) drogie i trudne w instalacji. Szybkość transmisji danych: miedziany kabel koncentryczny - 10-30 Mb/s satelita 20-50 Mb/s światłowody 150-10000 Mb/s
Płytki ceramiczne walory estetyczne, uŝytkowe i techniczne bogate wzornictwo, zróŝnicowana faktura, swobodnie dobrana kolorystyka trwałość, niepalność, odporność na światło wykładzina ścienna, podłogowa, mrozoodporna, przeciwpoślizgowa, odporna na ścieranie, chemoodporna i antybakteryjna TiO 2 O 2 + e - = O 2- H 2 O + e - = H 2 O -
Biomateriały Biotolerancja Biokompatybilność zgodność biologiczna biofunkcyjność Organizmy Ŝywe bronią się przed wprowadzaniem do nich obcych ciał. Zatem biomateriały powinny mieć takie właściwości, aby były trwałe i nie szkodziły organizmowi.
Tlenek glinu (Al 2 O 3 ), hydroksyapatyt Ca 5 (PO 4 ) 3 OH, tlenek cyrkonu (ZrO 2 ) Zastosowanie: główki i panewki endoprotezy biodra endoprotezy kolana implanty dentystyczne składniki do wypełnień tkanki kostnej Porowatość- dzięki wrastaniu tkanki Ŝywej w pory implantu, moŝe dojść do powstania tzw. połączenia biologicznego (pory min. 100µm) Powłoki hydroksyapatytowe zapewnienie właściwej współpracy implantów ze środowiskiem tkankowym.
Węgiel pirolityczny Pirolityczne formy węgla stosowane są na pokrycia róŝnego rodzaju implantów. Warstwy te odznaczają się duŝą biozgodnością z krwią (atrombogenność) i dlatego ich zastosowanie w medycynie rozpoczęło się od pokryć nanoszonych na sztuczne zastawki serca. Plecionki z włókien węglowych, przeznaczone na protezy więzadeł i ścięgien PŁATKI ZASTAWKI I WEWNĘTRZNA CZĘŚĆ PIERŚCIENIA POKRYTE SĄ PIROWĘGLEM
Ogniwo paliwowe ogniwo generujące energię elektryczną z reakcji utleniania stale dostarczanego do niego z zewnątrz paliwa ½O 2 + 2e - O 2- H 2 + O 2- H 2 O + 2e -
Zalety ogniwa jest gotowe do pracy po niewielkim czasie wymaganym do nagrzania proces produkcji energii nie zmienia chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów mogą być zasilane w dowolnym czasie nie rozładowują się i nie muszą być ładowane ponownie znikome zanieczyszczenie powietrza (para wodna; silniki spalinowe teŝ: dwutlenek węgla, czad, ozon, tlenki azotu i in. toksyczne substancje) moŝna nimi zasilać : tel. komórkowe, notebooki, roboty, sondy kosmiczne, samochody sprawność: 40-66% (dla paliw kopalnych ok. 35%) Siemens (Niemcy), Rolls-Royce (Wielka Brytania), Ballard, Cummins & McDermott, Honeywell (USA), Sulzer Innotec (Szwajcaria), Topsoe Fuel Cell (Dania) Od 2004r. w Polsce produkuje się eksperymentalne ogniwa tlenkowe SOFC (solid oxide fuell cell)
WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW W CERAMICZNYCH duŝa twardość odporność na ścieranie ognioodporność, mała przewodność cieplna zróŝnicowane właściwości elektryczne odporność na utlenianie i korozję w agresywnych środowiskach twardość, odporność na ścieranie i korozję (dysze do wyciskania i spryskiwania, elementy pomp przetaczających agresywne ciecze lub zanieczyszczoną wodę) Ŝarowytrzymałość, Ŝaroodporność, niski cięŝar właściwy (elementy silników spalinowych (rotory turboładowarek, gniazda zaworów, denka tłoków) KRUCHOŚĆ, WRAśLIWOŚĆ NA SZOKI TERMICZNE