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