Ceramika z SiC

Materiałoznawstwo i korozja -
CERAMIKA
dr inż. Paulina Bednarek
GTCh, pokój 315
[email protected]
http://ztnic.ch.pw.edu.pl
Część IIa
Ceramika
konstrukcyjna i
funkcjonalna
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
Ceramika
„tradycyjna”
„Nowoczesna” ceramika
techniczna
Ceramika krzemianowa np. porcelana,
fajans, wyroby budowlane
Ceramika tlenkowa i beztlenkowa np.,
tlenki, węgliki, azotki, borki
Surowce naturalne o cząstkach
mikrometrycznym - kaoliny, gliny
glinokrzemiany (10-6 m)
Syntetyczne proszki o cząstkach mikro- i
nanometrycznych (10-9m)
Stosowanie „plastycznych” składników
surowcowych
Stosowanie całej gamy dodatków
organicznych jak np. spoiwa,
upłynniacze, flokulanty, enzymy
Temperatura spiekania
1250 – 1450 oC
Temperatura spiekania
1500 – 2100 oC
Ceramika techniczna
Funkcjonalna
(functional ceramics)
Materiały lub elementy
ceramiczne, które spełniają
funkcje:
- elektryczne
- magnetyczne
- dielektryczne
- optyczne
- nuklearne
- chemiczne
lub inne specjalną
Konstrukcyjna
(structural ceramics)
Materiały, które mają za zadanie
przenosić obciążenia
mechaniczne, a więc muszą
przejmować np. naprężenia
rozciągające, ściskające czy
momenty zginające
• mechanoceramika
• termoceramika
• bioceramika
• chemoceramika bierna
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 elektryczne
kondensatory ceramiczne
podłoża elektroniczne
elementy czujników temperatury
ogniwa słoneczne
piezoelektryczne generatory iskrowe
Funkcje magnetyczne
głowice magnetofonowe
rdzenie pamięciowe
magnesy trwałe
silniki miniaturowe
Funkcje optyczne
świetlówki
wysokociśnieniowe lampy sodowe
lasery
Funkcje nuklearne
paliwa nuklearne
materiały na osłony i ekrany
Funkcje chemiczne
nośniki katalizatorów
katalizatory
elektrody
nośniki enzymów
czujniki gazów
układy alarmowe przecieku gazu
Mieszaniny o
kontrolowanym
składzie i uziarnieniu
Surowce
Spiekanie
Obróbka kształtek
po spiekaniu
Obróbka wstępna
kształtek surowych
Produkt
Procesy formowania
Suszenie
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.
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
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.
Tlenek glinu Al2O3
α-Al2O3 – 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)
Ceramika z Al2O3
Właściwości Al2O3 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
Ceramika z Al2O3 - zastosowanie
Narzędzia szybkotnace
Narzędzia skrawające do obróbki metali
Elementy silników spalinowych
Końcówki do śrubokrętów
Płytki obwodów scalonych
Ceramika z Al2O3 - zastosowanie
Młynki kulowe, mieleniki
Lasery
Implanty kostne
Osłony na termopary
Uszczelki
Wirniki do pomp
Tlenek glinu Al2O3 – wytwarzanie monokryształu
Wytwarzanie monokryształów, m.in. sztucznego rubinu z Al2O3
(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-Al2O3
o wielkości ziarna 1-2μm, w płomieniu wodorowo-tlenowym w
temperaturze ok. 2000 C.
1 karat = 0,2 g
Wykorzystywany m.in.
w produkcji laserów.
Tlenek cyrkonu ZrO2
W skali światowej źródłem
tlenku cyrkonu są
australijskie złoża
krzemianu cyrkonu minerał cyrkon, ZrSiO4
oraz brazylijskie i
południowoafrykańskie złoża
baddeleitu (jednoskośny ZrO2 z
dodatkiem izostrukturalnego z
nim HfO2).
Ceramika z ZrO2 - 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
Tlenek cyrkonu ZrO2 - 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
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 SiO2
gęstość – 3,2 g/cm3
Stosowany w jubilerstwie.
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
www.techma-sylite.pl
Ceramika z SiC - zastosowanie
Pierścienie uszczelniające
Wirniki
Dysze
Tygle do topienia metali
szlachetnych
www.ceramtec.com
Ceramika z SiC - zastosowanie
Łożyska
Elementy półprzewodnikowe
Diody emitujące światło
niebieskie
Sensory promieniowania
www.cree.com
Ceramika węglikowa
Przykłady zastosowań:
B4C-grafit – termopary pracujące do
2200ºC
B4C – lekkie elementy ochronne w
pancerzach zabezpieczających samoloty,
pojazdy opancerzone, itp.
B4C – materiał polerski, zastępujący pasty
diamentowe
TiC – warstwy nanoszone na ostrza
narzędzi skrawających, pokrycia
materiałów metalicznych w technologiach
jądrowych
WC – elektrody do napawania
powierzchniowego
http://gtresearchnews.gatech.edu/
armor-protecting-soldiers/
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.
Kopalnie diamentu
www.diamondsnews.com
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.
Diament - właściwości
Układ regularny
Gęstość 3,52 g/cm3
Odporny na korozję
Biologicznie
kompatybilny
Wytrzymałość na
rozciąganie > 1.2 GPa
Wytrzymałość na
ściskanie > 110 GPa
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
obrabiania powierzchni
skrawających
i
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
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.
Biomateriały
ceramiczne
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
organizm.
muszą
być
tolerowane
przez
Każde wprowadzenie do organizmu obcego ciała,
jakim jest wszczep biomateriału, wywołuje
reakcje obronną, której stopień nasilenia zależy
od rodzaju materiału.
Biomateriały ceramiczne
Implanty uszne
Endoprotezy
Mocowania kości
Biodegradowalne szwy
Rekonstrukcje szczęki
Implanty dentystyczne
Wypełnienia stomatologiczne
Bioceramika oparta o
fosforany wapnia
Ceramika tlenkowa
i węglanowa
BIOMATERIAŁY
CERAMICZNE
Cementy kostne
i stomatologiczne
Bioaktywne szkła
i materiały
szkło-ceramiczne
Bioceramika oparta o fosforany wapnia
Hydroksyapatyt wapniowy Ca10(PO4)6(OH)2 (HAp)
Whitlockit βCa3(PO4)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
Bioceramika oparta o fosforany wapnia
Hydroksyapatyt wapniowy Ca10(PO4)6(OH)2

Chemiczne i mineralogiczne podobieństwo hydroksyapatytu
do składnika nieorganicznego kości i zębów, decyduje o jego
powszechnym stosowaniu jako materiału implantacyjnego.
www.biomat.krakow.pl/lab.html
Bioceramika oparta o fosforany wapnia
Hydroksyapatyt wapniowy Ca10(PO4)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.
www.csir.co.za/msm/polymers_and_bioceramics
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®
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!
Ceramika tlenkowa
MATERIAŁY OBOJĘTNE - nieco gorzej tolerowane niż biogenne,
brak aktywności w organizmie
Al2O3 i ZrO2
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.
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
Ceramika tlenkowa
Zastosowanie gęstej ceramiki korundowej
i cyrkonowej:
sztuczne korzenie zębów
koronki zębowe
http://specialistdentalgroup.com
Ceramika tlenkowa
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
porowate implanty korundowe, oprócz funkcji wypełniającej, mogą
jednocześnie pełnić rolę nośnika środków farmakologicznych w
terapiach miejscowych (np. zawierają antybiotyki)
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
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
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 SiO2
• 24,5%wag Na2O
• 6,0%wag P2O5
Hydroksyfluoroapatyt Ca10(PO4)6(OH,F)2
Wollastonit Ca3(Si3O9)
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.
www.ceramika.agh.edu.pl
Zastosowanie szkieł bioaktywnych:
 uzupełnienie ubytków tkanki kostnej
 implanty korzeni zębowych, kości szczękowych
 w protetyce ucha środkowego
Bioaktywne szkła
Szkła dla radioterapii i hipertermii:
szkła z układu Y2O3 – Al2O3 – SiO2
(Sm, Dy)2O3 – Al2O3 – SiO2
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 430C.
Kompozyty stomatologiczne
Kompozyty stosowane w stomatologii posiadają strukturę podobną do
tkanki zęba.
wypełnienie
kompozytowe
wypełnienie
amalgamatowe
Wypełniacze ceramiczne (m.in. na bazie SiO2) odpowiadają w dużej
mierze za właściwości fizykochemiczne materiału – zmniejszają
kurczliwość, współczynnik rozszerzalności termicznej i wchłanianie
wody, podnoszą odporność na ścieranie, ucisk i rozciąganie.