Ceramiki

materiały na osnowie związków o

wiązaniach:

Jonowych /metal z niemetalem/
MgO; Al

2

O

3

; ZrO

2

Kowalencyjnych /niemetal z
niemetalem/ SiO

2

; -C-; -Si-

Struktura

Ziarna fazy (

faz) krystalicznych

; faza

amorficzna

;

pęknięci

a o

długości porównywalnej z wielkością ziaren krystalitów powstałe
w trakcie chłodzenia -wskutek różnicy współczynników
rozszerzalności cieplnej.

Pory

powstałe po wyparowaniu

rozpuszczalnika (wody).
Obecność pęknięć i por silnie osłabia ceramiki. Stąd ich niska
udarność (U), K

IC

i plastyczność (A).

Rm/ściskania/>Rm/zginania/>Rm/rozciągania/

.

Wiązania te są silniejsze od metalicznych stąd wysokie
E; H; T

mięknięcia

Rozciąganie

Ściskanie

pęknięci
e

por
y

Rc~15R
m

Prof.. J.Pietrzyk 02.2006p

Konsekwencją występowania

mikropęknięć

jest:

A/

rozrzut

wyników prób- statystyczne

prawdopodobieństwo /rozkład Weibulla/. B.

Zależność

próby

od

wielkości

badanej próbki -czym większa próbka tym większe

prawdopodobieństwo znalezienia się w niej większego pęknięcia -
niższe Rm.

W próbie zginania maksymalne
naprężenia rozciągające występują w
cienkiej warstwie przy powierzchni, co
czyni obszar dekohezji cieńszym. Stąd
Rm/zginanią/~1.7Rm/rozciągania/

Al

2

O

3

Cegła

Metale m=~n00

Tradycyjne ceramiki

-tworzywa wielofazowe.

Wytwarza się je z iłów („gliny”) które są w stanie

plastycznym (na mokro) formowane (cegła, dachówka, garnek,
izolator, cegła ogniotrwała), następnie suszone i spiekane (~1200

0

C).

Po spieczeniu składa się z faz krystalicznych (głównie krzemianów)
spojonych fazą szklistą, pęknięć i por po odparowanej wodzie . Faza
szklista tworzy się w czasie spiekania rozpływając się wokół faz
krystalicznych -łącząc je ze sobą. W zależności od proporcji
poszczególnych składników otrzymujemy wyroby o różnych
własnościach.

Zwykle rodzaj i jakość
wyrobów zależą od składu
iłów miejscowej kopalni
(kamieniołomu).Składniki

gliny

po dodaniu wody

zapewniają plastyczność
(formowalność) wyrobów.
Składniki

skalenia

dają

niskotopliwe eutektyki które
scalają ze sobą krystaliczne

krzemionki

. Typowe

własności prostej ceramiki;
E=70 [GPa];



=~2.4[g/cm

3

]

Rm/ściskanie/=~350[MPa];
Rm/zginanie/=45 [MPa]

Szkł
a

Szkło jest bezpostaciowym ciałem stałym złożonym głównie z
krzemionki SiO

2

, szkło składające się wyłącznie z krzemionki posiada

wysoką temperaturę rozmiękczenia Tp=1724

0

C. Temperaturę tę

obniżają do 700 -800

0

C (polepszając własności technologiczne)

dodatki tlenków Ca, Mg, Ba, K, Na, Al. B, zmieniają one i inne
użytkowe właściwości szkieł. W zależności od zastosowań dobiera się
odpowiedni ich skład.

Ogólne własności
=2.2-6.5 [g/cm

3

]

Rm/rozciąganie/=30-
90MPa
Rm/zginanie/=50-
120MPa Udarność
U=1.5-2.5[kJ/m

2

]

twardość 5-7 wg. Mossa

Kryształ kwarcu

Szkło kwarcowe

Szkło

sodowe

F.
krystaliczna

F.
amorficzna

Własności

zależne od temperatury -1.

lepkość 

.

log
[P]

10

13

10

8

Tz Tp
T

A B
C

A-obszar
kruchy B-o.
Plastyczny
C-o. Ciekły

2.

Wytrzymałość termiczna T

zdolność do wytrzymywania bez

zniszczenia określonej różnicy temperatur po przeciwnych stronach
płyty szklanej. T=Rm/zginanie/(1-E -

współczynnik rozszerzalności cieplnej. -współczynnik

Poissona. E- moduł Yanga
kwarc  =5.6*10

-7

T=2500

0

C szkło budowlane  =90*10

-7

T=~100

0

C 3

.Własności optyczne

zwykłe szkło przepuszcza

90% światła, 9%odbija, 1%pochłania. 4.

Odporność chemiczna

zależna od składu czysta krzemionka nie odporn. tylko na HF
5.

Zmęczenie statyczne

-utrata wytrzymałości podczas eksploatacji

w środowisku wilgotnym -powolny wzrost pęknięć.

Tz temperatura

zeszklenia

Tp temp.

rozmiękczenia

10

8

10

13

Obróbka cieplna (hartowanie) i cieplno
-chemiczna szkła

Hartowa
nie Tz
20

0

C

20

0

C

Zginanie
M

Rozciąg. Ściskające  R.  Ś.

 R.  Ś.

Płyta bez
naprężeń
powierzchniow
ych zginana.

Hartowanie powodując powstawanie na
powierzchni

naprężeń

ściskających, zwiększa

wytrzymałość na zginanie 6 -8 razy, udarność 5 -7
razy. Specjalne sposoby hartowania wytwarzają na
powierzchni siatkę naprężeń, tak że podczas
pękania nie daje ona ostrych dużych odłamków
-szyby samochodowe -tripleksy. //hartowanie
stopów metalicznych umacnia głównie poprzez
powstawanie twardych faz -

martenzyt

w stalach//

Wygrzewanie szkła w cieczach

krzemoorganicznych (T<Tz

) powoduje

wypłukiwanie z warstw powierzchniowych szkła
dodatków /Na, Ca, i inn./ upodobniając jej skład do
czystej krzemionki -powoduje to utwardzenie
warstwy powierzchniowej.

T

Oprócz zastosowań tradycyjnych -szyby, opakowania, szkło

posiada pewne

specyficzne

zastosowania.

1.

Szkło wspieniane

-do szkła dodaje się substancje wspieniające

które wydzielają duże ilości gazów przy temperaturach >Tz -po
ochłodzeniu otrzymujemy strukturę porowatą o gęstości =0.8

-0.2[g/cm

3

] /w szczególnych przypadkach -aerożeli 0.00n [g/cm

3

]/

Rm/ścisk./=150 -250MPa; Rm/zg./=~Rm/rozc./=50 -100MPa.

Zastosowania

-izolacje cieplne i dźwiękowe, przy otwartych porach

filtry /T pracy do 300

0

C. 2.

Włókna szklane

-o średnicy 0.002

-0.010[mm] -izolacje „wata szklana” -elementy umacniające w
kompozytach TS. W postaci nici -splatane w postaci mat szklanych
dla produkcji kompozytów TS / =0.5 -1.0[g/cm

3

]/.

3.

Szkło krystaliczne -ceramika szklana

. Dla

zwiększenia twardości, odporności na ścieranie przy wysokich
temperaturach, wytrzymałości termicznej T, odporności chemicznej

-stosuje się szkła z dużym (do 95%) stopniem krystalizacji.
Krystalizacji poddaje się specjalne gatunki szkła -polega ona na dwu
etapowym nagrzewaniu I.500 -700

0

C -powstają zarodki k. II.800

-1100

0

C -rozrost zarodków. Otrzymana struktura to drobne krystality

(  

 m -do 95% objętości otoczone fazą amorficzną. Zastosowania

-”oczka” ciągadeł (wyciskaczy) dla włókien syntetycznych,
żaroodporne pokrycia na stalach i stopach.

4.Szkła o specjalnych właściwościach

elektrycznych

. Zwykłe szkło jest izolatorem. Odpowiednie dodatki

mogą wywołać efekty półprzewodnikowe -czułość na zmiany
temperatury

/termistory

/ czy oświetlenia /

fotoopory

/. Po naniesieniu

na powierzchnię warstwy przewodzącej można je

nagrzewać

prądem

elektrycznym.

Beton

Jest szczególnym /najpopularniejszym / kompozytem złożonym z
kamieni i piasku związanych ze sobą spoiwem -zaczynem
cementowym.

Składniki
betonu

A. Cement -/portlandzki, hutniczy, anhydrytowy, inn.//

B.Napełniacze -/kruszywo, piasek, żwir, gruz, armatura

stalowa/.

C.Woda -powinna być czysta i w optymalnej

ilości ~0.38 ilości cementu. D.Domieszki szkodliwe -glina,
tłuszcze, związki organiczne, węgiel, siarczki, gips.

Ad. A

Cement -spoiwo /”klej kamienny”/ uzyskiwany z wypalania

klinkieru (skład chemiczny zależny od miejscowego kamieniołomu).
Zmieszaniu go z wodą uzyskujemy żel który stopniowo utwardza się
przechodząc w ciało stałe -kamień. Chociaż krzepnięcie obserwuje
się już po kilku godzinach to proces twardnienia przebiega powoli
(miesiące) i dla zachodzenia procesów wymaga doprowadzenia wody

Reakcje chemiczne związane z dojrzewaniem betonu zachodzą z
wydzieleniem ciepła co może doprowadzić do intensywnego
parowania wody i przerwaniu reakcji.

Ad.B Napełniacze

ziarniste powinny zawierać mieszaninę ziaren o

zróżnicowanej wielkości aby jak najlepiej wypełnić formę (jednakowe
ziarna -45% pustek). Duża objętość pustek niepotrzebnie zwiększa
zużycie drogiego cementu -dodatkowo obniżając wytrzymałość.
Napełniacze zwykłe to kruszywo granitowe (70 -5mm), piasek, żwir,

gruz w lżejszych betonach żuzel, pumeks , azbest. W konstrukcjach
pracujących na zginanie

pręty stalowe

-konstrukcje takie przed

zalaniem betonu

spręża się

tak aby po zakrzepnięciu cementu

wytworzyć na powierzchni

naprężenia ściskające

.

Ad. C Woda

Optymalna zawartość to ~0.4 od zawartości cementu

-przy takiej zawartości pasta cementowa jest zbyt gęsta i mieszanina
źle zapełnia formę. Zwykle stosuje się nadmiar wody która nie
usunięta (przez odwirowanie, sprężone powietrze) odparowuje
pozostawiając pory osłabiające beton. /zwilżanie przez pierwsze 14
dni/.

28 dni

Oprócz przeznaczenia (hutniczy)
rozróżniamy t. zw.

Marki cementu

250, 350...600 -liczby te oznaczają
wytrzymałość na ściskanie
(wyrażoną w kG/cm

2

) sześciennej

próbki cementu o krawędzi 200mm
po 28dniach twardnienia.
Wytrzymałość konstrukcji
wykonanej z betonu jest wypadkową
wytrzymałości cementu i
napełniacza.

/ zima; gruba zapora/

Ad.D Dodatki szkodliwe

dostają się do betonu z brudnej wody

zanieczyszczeń w napełniaczach (brudny gliniasty piasek). Osłabiają
beton powodują wycieki na jego powierzchni.

Temperatura dojrzewania

. Podwyższenie temperatury przyspiesza

reakcje chemiczne i dojrzewanie (twardnienie) betonu.
Podwyższenie temperatury do

170-180

0

C

(w atoklawie pod

ciśnieniem aby nie dopuścić do wyparowania wody) po czasie

12-14

godzin

wytrzymałość betonu wzrasta tak jak po

roku

dojrzewania

przy

20

0

C

. Technologię tę stosuje się w produkcji masowej typowych

elementów konstrukcyjnych.

Niskie temperatury wydłużają

czas dojrzewania np. przy +5

0

C czas ten wydłuża się 2-5 krotnie.

Ujemne temperatury przejście wody w lód przerywa reakcje
dojrzewania, zwiększona objętość (o~9%) lodu może spowodować
rozsadzanie twardniejącego betonu.

Zniszczenie

betonu zachodzi przez

wzrost pojedynczych pęknięć
-łączenie w sieć, powstawanie pasm
ścinania.

Wybrane

ceramiki inżynierskie

:

Ceramika

węglowa

-monokryształ -

Diament

E=1050

[GPa];



=3.52 [g/cm

3

]

Rm/ściskanie/=5000 [MPa]; H=10

wg.Mossa ;Tp=1500

0

C

Zastosowania -duże kryształy na wyroby

jubilerskie /brylanty/, precyzyjne narzędzia do cięcia szkła, proszek
diamentowy -pasty polerskie i ścierne.

Grafit -odmiana alotropowa węgla o wiązaniach kowalencyjnych
w warstwie i van der Waalsa pomiędzy warstwami E=3.5-15 [GPa];



=2.2 [g/cm

3

] Rm/ściskanie/=360 [MPa]; Tp=3800

0

C zastosowania

-elektrody węglowe, włókna /Rm~1800MPa/ Vhiskersy o
wytrzymałości diamentu //kompozyty z TS/.
Sadza-mikrokrystaliczny grafit- napełniacz TS, pigment do tuszy,
emalii, farb. Fulereny związki atomów węgla od C

60

do C

560

w

kształcie zamkniętej sfery -najtrwalsze C

60

. Mogą występować w

kształcie rurek =1.2-2nm długości do 1mm. Ich wnętrze mogą

wypełniać inne pierwiastki przez co znajdują różnorakie
zastosowania /medycyna-lekarstwa, nanoelektronika
-półprzewodniki, nadprzewodniki wysokotemperaturowe (T

k

=135K)/.

Korund /Al

2

O

3

/ -monokryształ nie domieszkowany przezroczysty

korund

, domieszkowany niebieski -

szafir

, czerwony

rubin

. E=380

[GPa];



=4.0[g/cm

3

] H=9 wg. Mossa; Rm/ściskanie/=3000 [MPa];

Rm/zginanie/=600-300 [MPa]; Tp=2050

0

C Zastosowania na wyroby

jubilerskie, narzędzia tnące w elektronice -lasery (rubin)
Polikryształy -/tańsze od monokryształów/ Zastosowania na
narzędzia tnące, oczka ciągadeł (dla metali), materiały ścierne
/polerskie/.

Ceramika korundowa -(90-80% Al

2

O

3

) zastosowania: świece

samochodowe, elementy wysokotemperaturowych pieców
próżniowych, łożyska pracujące przy wysokich temperaturach bez
smarowania.
Karbokorund SiC E=410 [GPa];



=3.29 [g/cm

3

]; H=9.2 wg. Mossa;

Rm/ściskanie/=~ 1300 [MPa]; Rm/zginanie/=~300 [MPa];
Tp=2100

0

C. Odporny na utlenianie do 1500

0

C /powstaje ochronna

warstwa SiO

2

/. Zastosowania -elementy grzewcze, tygle do wytopu

szkła kwarcowego, pokrycia ochronne na metalach, materiał ścierny.

Prof.. J.Pietrzyk 02.2006p

Fuleren
y

C

60