Ceramika cz. I (dr inż. P. Wiecińska) (kliknij żeby pobrać)

Ceramika cz. I (dr inż. P. Wiecińska) (kliknij żeby pobrać)

Materiałoznawstwo i korozja CERAMIKA
dr inż. Paulina Wiecińska
GTCh, pokój 315
[email protected]
http://ztnic.ch.pw.edu.pl
Literatura
1) R. Pampuch, „Współczesne materiały ceramiczne”, AGH Uczelniane
Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 2005
2) R. Pampuch, „Materiały ceramiczne”, Państw. Wydaw. Nauk., Warszawa
1988
3) J. Raabe, E. Bobryk, „Ceramika funkcjonalna: metody otrzymywania i
własności”, Oficyna Wydaw. Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997
4) K. E. Oczoś „Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych”,
Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 1996
5) R. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek, „Nauka o procesach ceramicznych”,
PWN, Warszawa 1992
6) M. Jurczyk, J. Jakubowicz, „Nanomateriały ceramiczne”, Wydawnictwo
Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2004
Ceramika – przeszłość a teraźniejszość
Ceramika (gr. Ho kéramos - ziemia, glina; kerameus - wykonany z gliny) nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu
ceramicznego (formowania, obróbki cieplnej).
Mezopotamia
5000 p.n.e
www.ceramicstudies.me.uk/frame1tu1.html
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.
Ceramika – przeszłość a teraźniejszość
Mezopotamia
500-600 p.n.e
Mezopotamia
5500 p.n.e
szkliwione cegły
Chiny
4500 p.n.e
Grecja
400 p.n.e
Egipt
1300 p.n.e
ceramika
szkło
Ceramika – przeszłość a teraźniejszość
Rzym
100 n.e
lampka oliwna
szkło
Chiny
500 - 600 n.e
porcelana
Barcelona
XX wiek
Ceramika – przeszłość a teraźniejszość
XXI wiek
Ceramika
Ceramika szlachetna
Szkło
Ceramika budowlana
Materiały ogniotrwałe
Ceramika funkcjonalna
Ceramika konstrukcyjna
Ceramika szlachetna
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.
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

Porcelana
Cechy wyróżniające porcelanę:
 biały kolor
 brak porowatości
 trwałość
 odporność na nagłe zmiany temperatury
 odporność chemiczna
 nieprzepuszczalność dla gazów i cieczy
 przeświecalność
Porcelana
Miękka
Twarda
Stołowa
Artystyczna
(skaleniowa)
Techniczna
Kostna
Frytowa
Parian
Vitreous
china
elektrotechniczna
Klasyczny skład masy:
50% kaolinu szlamowanego
25% kwarcu
25% skalenia
Wypalanie:
na biskwit w temp. 900 – 1000 C
na „ostro” w temp. 1380 – 1460 C
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
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
Historia porcelany
Dynastia Ming (1368 – 1644)




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
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.
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.
Historia porcelany
Porcelana typu misieńskiego

Początkowo malowana kolorowymi emaliami,
a w 1725 r. uzyskano błękity podszkliwne.

W latach 1735 - 1737 wykonano pierwszy
wielki serwis stołowy dla hrabiego
Sułkowskiego.

W latach 1737 – 1742 zrobiono dla hrabiego
von Bruhla serwis zwany łabędzim, złożony z
2200 sztuk porcelany.
Historia porcelany
Europa
Nie udało się jednak utrzymać w tajemnicy składu i w
kolejnych latach powstały takie manufaktury jak:
 1718 r – Wiedeń (Austria)
 1740 r – Berlin (Niemcy)
 1744 r – Petersburg (Rosja)
 1756 r – Sevres (Francja)
 1775 r – Kopenhaga (Dania)
 1790 r -
Ćmielów
(najstarsza fabryka w Polsce)
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.
Zewnętrzne i wewnętrzne ścianki
filiżanki powinny być przejrzyste i
gładkie, bez zgrubień, przebarwień i
zacieków.
Brzegi filiżanki pierwszego
gatunku powinny być idealnie
okrągłe i gładkie.
Najwyższej jakości porcelana jest
malowana ręcznie. Często uszlachetnia
się ją złotem lub platyną.
Produkcja porcelany
Projektowanie
Proces
produkcji
porcelany
rozpoczyna się w modelarni,
gdzie pomysły projektantów
przemieniane są przez modelarzy
w formę przestrzenną.
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.
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
Produkcja porcelany
Formowanie
Odlewanie
• półprodukty odlewane w formach gipsowych
• stosuje się masy lejne
• produkcja wyrobów
 cienkościennych np. wazy, dzbany, figury (odlewanie jednostronne)
 grubościennych np. wyroby sanitarne (odlewanie dwustronne)
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!
Produkcja porcelany
Wypał na biskwit
• Uzyskanie półfabrykatu bardziej wytrzymałego.
• Można szkliwić i wykańczać mechanicznie bez
obawy uszkodzenia.
• Prowadzony w piecach tunelowych.
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
Produkcja porcelany
Szkliwienie
Szkliwienie może odbywać się przez:
 Zanurzenie
 Polewanie
 Rozpryskiwanie na powierzchni
wyrobów
Produkcja porcelany
Dekoracja
Dekorowanie kalką
ceramiczną
Ręczne zdobienie za pomocą
złota lub platyny
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
Produkcja porcelany
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
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
Zakłady porcelany Elektrotechnicznej w Boguchwale
Znaki wyrobów porcelanowych i fajansowych
a
b
c
d
e
f
g
- Francja, fabryka „Sevres”
- Saksonia, Miśnia (niebieskie znaki podszkliwne z lat 1725-1740)
- Włochy, wytwórnia Doccia, Carlo Ginori XVIIIw.
- Polska, Włocławek, fabryka fajansu, lata 1844-1913
- Polska, Włocławek, fabryka fajansu, znak współczesny
- Polska, Zakłady Płytek Ceramiczne „Józefów” w Czeladzi, znak współczesny
- Polska, Boguchwała, Zakłady Porcelany Elektrotechnicznej, znak współczesny
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.
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
Szkło
Historia szkła
Pierwsze ozdoby ze szkła pojawiły się w
Mezopotamii i Egipcie ok. 3400 lat p.n.e
W Egipcie produkcja szkła na dużą skalę
rozwinęła się ok. 1500 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.
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.
Historia szkła - Polska
Szkło w Polsce znane jest od ok. 1000 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.
Surowce do produkcji szkła
Tlenki i surowce szkłotwórcze: SiO2, B2O3, P2O5, Al2O3, TiO2
rzadziej
ZrO2, ThO2, La2O3, As2O3
Źródłem w/w tlenków są przede wszystkim: piaski kwarcowe, boraks, kwas borowy.
Tlenki i surowce obniżające temperaturę mięknięcia szkła: Na2O, K2O, Li2O
rzadziej Rb2O, Cs2O
Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: Na2CO3, K2CO3, albit, ortoklaz.
Tlenki i surowce stabilizujące szkło: CaO, MgO, BaO, PbO, ZnO, CdO, BeO, SrO
Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: MgCO3, CaCO3, dolomit, BaCO3, Pb3O4.
Etapy wypalania szkła
1. Odparowanie wilgoci z surowców
2. ~400oC, Na2CO3+CaCO3
3. 573oC,
-SiO2
Na2Ca(CO3)2
-SiO2
4. Wydzielanie CO2 > 600oC
5. Pojawienie się fazy ciekłej ~785oC
6. Rozpuszczenie się w fazie ciekłej SiO2 i krzemianów
7. Zakończenie procesu topienia i rozpuszczania składników: 1200-1300oC
8. Klarowanie szkła ~1450-1500oC ; dla przyśpieszenia dodatki klarujące, np.
azotany, siarczany
9. Studzenie masy do temperatury formowania 1100-1200oC
Właściwosci 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.
Klasy szkła
Klasa
Przykłady zastosowania
Specjalna
Szkło przepuszczające promieniowanie nadfioletowe, szkło
kwarcowe
1
Szkło optyczne, szkło kryształowe
2
Szkło półkryształowe, szkło stołowe bezbarwne,
grubościenne
3
Szkło stołowe dmuchane i prasowane,
opakowania szklane bezbarwne
4
Szkło okienne, szkło walcowane, szkło techniczne
5
Opakowania szklane
6
Opakowania szklane barwne, izolatory szklane
Metody produkcji szkła
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 przetwarzania szkła: szyby
zespolone, laminowane, hartowane, gięte
pokrywane powłokami, malowane,
emaliowane
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)
Podstawowe typy szklieł
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.
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.
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.
25–65% PbO); stosowany (wraz ze szkłem crown) do wyrobu układów
optycznych achromatycznych (achromat) i do wyrobu soczewek.
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
Materiały budowlane
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
Podstawowe surowce
gliny ceglarskie
iły
lessy
kruszywa lekkie
Produkcja wyrobów ceglarskich
Magazyn
surowców
Zasilacz skrzyniowy,
Kołogniot rusztowy
Kruszarka walcowa,
Mieszadło
Woda
Suszarnia
komorowa
Piec (900-1000ºC)
Ucinacz pasma
Sortowanie
Prasa ślimakowa
(pasmowa)
Magazyn wyrobów
gotowych
Formowanie cegieł
Formowanie cegieł
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 dziurawka
cegła klinkierowa
elewacyjna
cegła kratówka
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
pustak stropowy
pustak wentylacyjny
ściany
działowe
wyroby antysejsmiczne
Dachówki
mnich-mniszka
esówka
dachówka zakładkowa
marsylka
karpiówka
gąsior dachowy
Dachówki
Płytki ceramiczne
płytki ścienne
klinkier szkliwiony
gres
Ceramika sanitarna
Indie
Włochy
Kafle piecowe
Materiały ogniotrwałe
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
Specjalne materiały ogniotrwałe
Typ wyrobów
węglowe
karborundowe
cyrkonowe
Grupy wyrobów
Zawartość głównych
składników, %
grafityzowane
C > 98
niegrafityzowane
C > 85
szamotowo-grafitowe
C>5
rekrystalizowane
SiC > 85
wiązane
SiC > 60
baddeleyitowe
ZrO2 >85
baddeleyitowokorundowe
ZrO2 >30
Al2O3 > 60
cyrkonowe-wiązane
tlenkowe
ThO2, BeO
nietlenkowe
węglikowe, azotkowe,
borkowe ....
zawartość
podstawowego związku
bliska 100
Specjalne materiały ogniotrwałe
szamotowe
magnezjowe
sylimanit i
mullit
SiC
Zastosowanie materiałów ogniotrwałych
Przemysł metalurgiczny
piece do granulacji i
redukcji rud
wielkie piece
nagrzewnice wielkich
pieców
mieszalniki surówki
kadzie do transportu
ciągłe odlewanie stali
Zastosowanie materiałów ogniotrwałych
Przemysł ceramiczny
piece cementownicze
piece szklarskie (wanny o pracy
ciągłej, piece donicowe)
piece emalierskie
piece do wypalania wyrobów
ceramicznych
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 1580oC)
ogniotrwałe (1580-1770oC)
wysokoogniotrwałe (powyżej 1770oC)
Materiały ogniotrwałe do izolacji - włókna Al2O3
tkaniny
bloki
moduły
papier
taśmy
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
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
Podział ceramiki na tradycyjną i nowoczesną
Ceramika
tradycyjna
Ceramika
zaawansowana
Ceramika krzemianowa np. porcelana,
fajans, wyroby budowlane
Ceramika tlenkowa i beztlenkowa np.
węgliki, azotki, borki
Surowce naturalne o cząstkach
mikrometrycznym (kaoliny, gliny
glinokrzemiany)
Syntetyczne proszki o cząstkach mikro- i
nanometrycznych
Stosowanie „plastycznych” składników
surowcowych
Stosowanie całej gamy dodatków
organicznych jak np. spoiwa,
upłynniacze, flokulanty, enzymy
Temperatura spiekania
1250 – 1450oC
Temperatura spiekania
1500 – 2100oC
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.