Współczesna ceramika-tradycja -teraźniejszość -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. 900-2200oC.

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

lampka oliwna

szkło

Chiny 500-600 AD

Porcelana

Barcelona XX wiek

XXI wiek

ZMIANY STRUKTURY W TRAKCIE PROCESU CERAMICZNEGO

FormowanieProszek Spiekanie

Podstawowe stadia wytwarzania wyrobów ceramicznych wg Neprakty

C E R A M I K A

MATERIAŁY BUDOWLANE

MATERIAŁY WIĄŻĄCE

CERAMIKA SZLACHETNA

SZKŁO I DEWITRYFIKATY

MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE

MATERIAŁY ŚCIERNE

CERAMIKA KONSTRUKCYJNA

Al2O3 ZrO2 Si3N4 SiC AlN

CERAMIKA FUNKCJONALNAelektronicznaelektrotechnicznamagnetycznapiezoelektrycznajądrowakosmiczna

bioceramika

NANOCERAMIKA

EMALIE

Charakterystyka porównawcza wybranych właściwości metali, tworzyw sztucznych i

ceramiki technicznej

Gęstość

Wytrzymałość cieplna

Odporność chemiczna

Odporność na ścieranie

Kruchość

Wytrzymałość mechaniczna

Obrabialność

Cena

?

?

?

METALETWORZYWA SZTUCZNE

CERAMIKA TECHNICZNA

niekorzystna mniej niekorzystna korzystna ? możliwa do osiągnięcia

Funkcje tworzyw ceramicznych

Funkcje termiczne

izolacje termiczne promienniki IR

Funkcje mechaniczne

wirnikikomory spalaniałożyskadysze palnikównarzędzia skrawające

Funkcje biologiczne

sztuczne korzenie zębówendoprotezykości i stawysztuczne zastawki serca

nośniki katalizatorówkatalizatoryelektrodynośniki enzymówczujniki gazówdetektory węglowodorówukłady alarmowe przecieku gazu

Funkcje chemiczne

Funkcje nuklearne

paliwa nuklearnemateriały na osłony i ekrany

Funkcje optyczne

świetlówkiwysokociśnieniowe lampy sodowelasery

Funkcje magnetyczne

głowice magnetofonowerdzenie pamięcimagnesysilniki miniaturowe

Funkcje elektryczne

Kondensatorypodłoża elektroniczneelementy czujników temperaturyogniwa słoneczne

Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej

Ceramika konstrukcyjna obejmuje swoim zasięgiem głównie:

• mechanoceramikę

• chemoceramikę

• bioceramikę

• termoceramikę

• 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

Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej

W obrębie mechanoceramiki wyróżnić można kilka podstawowych grup wyrobów:

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).

Z uwagi na silne wiązania kowalencyjno-jonowe materiały ceramiczne są z natury kruche.

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.

Ceramikamonolityczna

naprę

żenie

odkształcenie

Metal

Zniszczeniekatastroficzne

MATERIAŁY WSPÓŁCZESNE

TWORZYWA CERAMICZNEKompozyty

ceramika-metalKompozyty ceramika-

tworzywo sztuczne

Kompozyty ceramika-metal-tworzywo sztuczne

METALE TWORZYWASZTUCZNE

Dotychczasowe zastosowanie i prognozy wzrostu udziału procentowego szeregu materiałów w

konstrukcji silników samolotowych

1960 1970 19901980 2000 2010

10

20

30

40

50STAL

STOPY NIKLU

STOPY TYTANU

STOPY ALUMINIUM

METALOWE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

CERAMICZNE MATERIAŁY

KOMPOZYTOWE

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 Al2O3

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005 2010 Rok

Pracekoncepcyjne

Pracebadawcze

Prace optyma-lizacyjne

Produkcjarynkowa

KOMPOZYTY CERAMICZNE

CERAMIKA MONOLITYCZNA

POKRYCIA CERAMICZNESTADIA ROZWOJOWE

GŁÓWNYCH

RODZAJÓW CERAMIKI

SPECJALNEJ W

ODNIESIENIU DO

CZĘŚCI SILNIKOWYCH

Mikroreaktor ceramiczny

R.Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały

Wielkość ziarna (na ogół) 110 nm

lecz nie większa niż 100 nm

Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie:

wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4x

przesuwa się granica plastyczności materiału

przewodnictwo cieplne spada kilka razy

mikrotwardość wzrasta dwa razy, np. n-Al2O3-SiC (10%obj.)

odporność na ścieranie wzrasta 4 razy, np. n-Al2O3-TiO2 (13%obj.)

Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej

B.Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową wnętrze-powierzchnia (core-shell)

NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY

Wielkość ziarna ( na ogół) 1÷10 nm, lecz nie większa niż 100 nm

Droga i skomplikowana produkcja nanoproszków

Eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych

Trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych

Minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

PODSTAWOWE PROBLEMY

OTRZYMYWANIA NANOPROSZKÓW

CERAMIKA

POLIMERY

METALE

INNE

36% 28% 24% 12%

ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I ROZWOJOWE W DZIEDZINIE

PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW W NIEMCZECH W LATACH 2001-2002

Prognozy rozwojowe ceramicznych materiałów specjalnych

Główne cele badawcze:• Podniesienie wytrzymałości, a tym

samym niezawodności tworzyw oraz wyrobów.

• Poprawa właściwości wysokotemperaturowych.

• Optymalizacja struktury dla każdego przypadku zastosowania.

• Zmniejszenie kruchości materiałów ceramicznych i tym samym zawężenie tolerancji uszkodzeń. 0,0%

10,0%

20,0%

30,0%

40,0%

Jap

on

ia

US

A

Nie

mcy F

ran

cja

Wie

lka

Bry

tan

ia

Kore

a P

ołu

dn

iow

a

Skala aktywności wiodących krajów w zakresie zgłoszeń patentowych związanych z ceramiką specjalną (1981-1995)