Prof. dr nauk technicznych hab. inż. W Zachciał (mgr też)
CERAMIKA I SZKŁO
SEMESTR V
Cykl 15 wykładów
Wykład Pierwszy, 1 Października 2013
Tematyka wykładów będzie obejmowała budowę tworzyw ceramicznych, diagramy równowagi faz. Wytwarzanie materiałów ceramicznych, poruszanie tematyki związanej badaniem ich właściwości oraz zastosowań, gdyż atrakcyjny obszar zastosowań gwarantuje sensowność rozwoju danego tematu.
- Ceramika może zawierać N, C, B, metale, tlenki,
- materiały proszkowe,
- procesy formowania, spiekania, umacniania,
- wady i zalety,
- nanokompozyty.
Podział ceramiki
Przykładem są: lawa wulkaniczna, glina, cegła, krzemionka (99,9% SiO2)- piasek. Na przykład rurka kwarcowa zawiera 99,9% SiO2, a szkło kwarcowe powyżej 99% SiO2 oraz dodatkowo TiO, CaO, Na2O, P2O5, FeO+ Fe2O3, Fe2O4.
Tworzywo ceramiczne to mieszanina metali i niemetali:
M+X,
Gdzie, M to metal,
X to O, N, C, B.
Krzemionka jest to materiał ceramiczny na bazie SiO2, zawierający niewielkie koncentracje dodatków.
Ceramika może być izolatorem, gdyż charakteryzuje się dużym oporem elektrycznym lub półprzewodnictwem (półprzewodnik ma opór elektryczny równy 1) jak krzem. Krzem można również wykorzystać jako podłoże dla układów cienkowarstwowych jak warstwy epitaksjalne. Płytki takie mają wymiary 1cm x 1cm. Warstwy epitaksjalne stosuje się do wytworzenia orientacji krystalograficznej, magnetycznej w materiale nakładanym. Krzem jest przygotowana warstwą podłoża z określoną orientacją. Na taką warstwę będącą podłożem o ustalonej orientacji kładzie się warstwę, która ma przyjąć orientację podłoża.
Podłożem jest znany materiał pod względem chemicznym, magnetycznym, obojętny chemicznie dla warstwy którą kładziemy. Stałe sieci krystalicznej warstwy podłoża muszą mieć zbliżone wielkości do tych które planujemy położyć i być pozbawione defektów.
Co to jest GLINA.
Glina jest to inaczej kaolin zanieczyszczony tlenkami, czyli SiO2, Al2O3, nH2O + zanieczyszczenia,
Granitogrejsy.
Wyróżnia się:
- wapniowy: CaO+ SiO2+ Al2O3,
- sodowy: Na2O+ SiO2+Al2O3
Porcelana.
Porcelana jest to biały materiał ceramiczny, pokryty szkliwem, zawierający 50% czystego kaolinu i gliny, 25% kwarcu i 25% skaleni. Porcelana powstaje na drodze dwukrotnego wypalania: pierwsze wypalanie prowadzi się w temperaturze 900- 1000°C, po czym następuje pokrycie szkliwem i ponowne wypalenie w temperaturze 1200- 1450°C. Porcelana jest nieporowata ma szklisty przełom, jest nieprzepuszczalna dla cieczy i gazów, źle przewodzi elektryczność.
Budowa wewnętrzna
Wszystko to umieszczone na rysunku ma wpływ na finalne właściwości wytrzymałościowe. Wadą ceramiki jest kruchość, zaletą niska cena twardość dostępność, brak problemu korozji.
Przykładowe pytanie: wymień podstawowe grupy surowców występujące w przyrodzie?
Bogactwa naturalne – wszystkie użyteczne elementy środowiska, które człowiek może pozyskiwać. Dzieli się je na nieorganiczne (minerały, woda, atmosfera) i organiczne (pochodzenia roślinnego, zwierzęcego, ekosystemy), a także nieodnawialne (np. minerały i paliwa kopalne) oraz odnawialne (nie wyczerpują się, ponieważ istnieje w nich zamknięty obieg materii, np. w wodzie i atmosferze). Bogactwa naturalne umożliwiają rozwój życia i cywilizacji.
Różnica między tworzywem metalicznym a ceramicznym
Metaliczne: chmura elektronowa, wiązanie metaliczne.
Ceramiczne: wiązanie jonowe i kowalencyjne oraz kowalencyjno- jonowe.
Wiązania jonowe nie dotyczą układów metalicznych!
O własnościach wytrzymałościowych można wnioskować na podstawie:
- r promień jonowy/atomowy, im wyższy tym niższa wytrzymałość,
Pozostałe cechy im wyższe tym lepsza wytrzymałość:
- gęstość,
- Lk- liczba koordynacyjna, Jest to liczba atomów przyłączona bezpośrednio do atomu centralnego kompleksu (zwykle metalu) inaczej jest to liczba bezpośrednich wiązań σ występujących między centralnym atomem a ligandami do niego przyczepionymi. Jest to liczba par elektronów, które znajdują się na wszystkich wiązaniach, którymi ligandy są bezpośrednio przyłączone do centralnego atomu w kompleksie. Ligand- cząsteczka bezpośrednio podłączona do atomu centralnego,
- wartościowość.
Właściwości fizykochemiczne
Gęstość ceramiki wynosi od 2-4, co jest jej ogromną zaletą, w porównaniu do żelaza, którego gęstość wynosi 7,6.
Twardość ceramiki jest bardzo wysoka, twardość materiałów ceramicznych mierzy się w skali Mohsa, 10 stopniowej skali twardości w której najtwardszy jest diament 10- a po przeciwnej stronie stoi talk-1. Twardość bada się poprzez próbę zarysowania materiału jednym z minerałów ze skali 1- 10.
Badać można również skalą Knoopa- czyli pomiarem mikrotwardości piramidalnym wgłębnikiem diamentowym pod obciążeniem 100 g i obserwacją mikroskopową miejsca wgłębienia.
Skala HV nie nadaje się do szkieł, gdyż jest za twarde i wgłębnik ulega zniszczeniu.
Ceramika i jej udarność: czyli niskie K
Odporność na szoki termiczne również niska ∆TT,
Moduł Younga wyznacza się na podstawie strzałki ugięcia 2-3mm
Dodatek: Ceramika na przestrzeni lat, produkty z gliny: (pytanie na egzamin)
Uzyskiwanie zdolności plastycznych gliny poprzez dodatek wody, następnie formowanie, suszenie- odparowanie wody, przemiana fazowa kaolinu w meta kaolinit (pow. 100°C), a na końcu wypalanie czyli spiekanie, trzymanie uformowanego wyrobu w piecu przez określony czas w danej temperaturze, powyżej 800-1000°C pojawia się mulit:
Schemat przemian: kaolin à metakaolinit à mulit czyli bezpostaciowa SiO2 + krystality Al2O3.
SZKŁO
xNa2O+ySiO2+zH2O+CO2 à szkło
SiO2- tworzy struktury łańcuchowe przestrzenne.
Szkliwienie- szkło niskotopliwe (zawiera topniki Na2O, K2O)
Szkło można odlewać, następnie hartować w celu poprawy właściwości wytrzymałościowych. Szkła nie spawamy, nie tłoczymy i nie skrawamy, ale można je kleić.
Postać szkła może mieć też tworzywo metaliczne (szkło metaliczne) M80X20, gdzie:
Metal + metaloid (melt spinning, melt quenching) X-(B,C,Si) np szkła metaliczne Fe80B20.
Szkło charakteryzuje brak porządku krystalograficznego dalekiego zasięgu, ma cechy bezpostaciowości.
Widmo rentgenowskie:
Metody melt spinning i melt quenching (MS i MQ): z bardzo szybkim chłodzeniem
MQ- postać ciekła przechodzi w stałą w wyniku kontaktu z zimną powierzchnią.
MS- uzyskujemy taśmę metalu amorficznego poprzez chłodzenie na miedzianym walcu o określonej średnicy i prędkości kątowej:
Materiału amorficznego nie możemy przyporządkować do żadnej z 7 struktur krystalograficznych.
Szkło od ceramiki różni się składem chemicznym ale oba materiały są twarde i kruche.
Wykład drugi 8.10.2013
Porównanie modułu Younga: stal E=200MPa, ceramika 80MPa
System miar cgs: cm, gram, sekunda, °C,
System miar SI: metr, kg, godzina, K.
Tworzywo ceramiczne tradycyjne, a nowoczesne:
- modyfikacje składu chemicznego, eliminacja zanieczyszczeń,
- modyfikacje mikrostruktury np. wielkości ziarna, w tradycyjnych ziarno będzie duże (gospodarcza, tradycyjna np. cegła)
Przewodnictwo cieplne: ceramika raczej kumuluje ciepło.
KRZEMIONKA
Dwutlenek krzemu, krzemionka: stała substancja występująca w trzech odmianach polimorficznych: kwarc (układ heksagonalny d=2,66), trydymit (heksagonalny d=2,30), krystobalit (regularny d=2,27). Każda z tych odmian posiada odmianę niskotemperaturową alfa, wysokotemperaturową beta. Przemiany fazowe SiO2 przebiegają następująco:
Przejścia między odmianami beta i odpowiadającymi im odmianami alfa przebiegają bardzo szybko, natomiast przemiany między alfa bardzo wolno. Dzięki temu trydymit i krystobalit mogą istnieć w niskich temperaturach jako odmiany metastabilne. Pod bardzo wysokimi ciśnieniami otrzymano inne odmiany polimorficzne krzemionki: keatyt, coezyt, stiszofit. Kwarc alfa i beta wykazują aktywność optyczną, a ponadto właściwości piezoelektryczne. Kryształy kwarcu, trydymitu, krystobalitu zbudowane są z tetraedrów SiO4 połączonych w ten sposób, że każdy atom tlenu jest wspólny dla dwóch tetraedrów. W krystobalicie atomy Si są tak rozmieszczone, że w środku odległości między nimi znajdują się atomy tlenu. W kwarcu i trydymicie tetraedry SiO4 tworzą układ spiralny. Dwutlenek krzemu topi się w 1710°C. Stosowany jest w przyrządach optycznych, piezoelektryczność wykorzystuje się w defektoskopii, w elektronice, krzemionka jest podstawowym składnikiem ceramiki, whiskery to długie monokryształy wzmacniające pozbawione wad, podwyższenie temp topnienia, zastosowanie biomedyczne.
Kaolin jest to SiO2, Al2O3, H2O,
Struktura płytek gliny ( która pod wpływem wody ma pewną plastyczność):
- SiO2 i Al2O3 + CaO, Na2O, tlenki żelazawe i żelazowe.
Diagramy fazowe przedstawiają występowanie faz, przemiany, temperatury krytyczne:
Fazy na wykresie: krystobalit, trydymit, mulit, korund, meta kaolinit.
Kaolin, krzemionka à ciało stale
Ponad 1800°C: ciecz, ponad 2200°C gaz.
Glina= kaolin+ zanieczyszczenia: SiO2+ Al2O3+nH2O+ zanieczyszczenia.
Po suszeniu mamy metakaolinit bez wody, po podgrzaniu mulit- czyli Al2O3(krystality) + SiO2(bezpostaciowy)= gotowy wyrób po wypaleniu.
GLINOKRZEMIANY
Czyli garanitogrejesy (skaleń)- SiO2, Al2O3+ CaO (wapniowy), Na2O (sodowy), K2O (potasowy).
Pytanie testowe:
Czy skład fazowy i mikrostruktura wpływają na właściwości?
Tak- poprzez ich modyfikację zmieniamy właściwości materiału. Na przykład przez suszenie, spiekanie. Poprzez modyfikację wielkości ziarna.
Whiskersy- bardzo długie nanokryształy (cienkie), nie posiadaja wad budowy wewnętrznej( punktowych liniowych objętościowych), brak obcych faz, jednorodny skład chemiczny, brak błędów ułożenia. Stosowanie whiskersów w ceramice poprawia wł. Mechaniczne np. K1c, odporność na propagację pęknięć K1c wzrasta, dł. Ok. 10mikrometrów, średnica ok. 0,5 mikrometra.
CERAMIKA BUDOWLANA
Al2O3, SiO2, granitogrejsy- ceramika naturalna.
- ceramika czerwona,
- klinkiery (niższa porowatość i nasiąkliwość),
- krzemionka,
- ceramika ogniotrwała,
- fajans,
- porcelana,
- porcelit.
Zwykła cegła ma porowatość na poziomie 22%, klinkiery znacznie mniej.
Pytanie na egzamin: scharakteryzuj budowę kaolinu.
Wykład trzeci 15.10.13
Glinokrzemiany, granitogreisy, skalenie= to samo.
Materiały amorficzne można uzyskać poprzez napromieniowanie, szybkie chłodzenie, rozdrabnianie. Odwrotnie w procesie rekrystalizacji gdzie pod wpływem OC powraca układ uporządkowany.
= prędkość krytyczna chłodzenia to 10^7 K.
Szkło to metal – tlenek,
Ceramika to metal (Fe, Co, Ni) + metaloid (B, C, Si, P). np. Fe80B20, efekt bardzo szybkiego chłodzenia, jest on bezpostaciowy, jest to współczesna ceramika.
Test na amorficzność: zginanie taśmy o 180°- jeśli nie pęknie to amorficzna.
- Szkła metaliczne typu bulk (lite) otrzymujemy poprzez zasysanie stopy do matrycy Cu o dużej szybkości chłodzenia 10^3- 10^4 K- w rezultacie otrzymujemy płytki na kilka ...
concorde