KERAMIČNI MATERIALI 1

KERAMIČNI MATERIALI 1

LASTNOSTI KERAMIKE Keramika (gr: Keramos (Keramikos)) pomeni žgano snov ter zajema materiale, ki so po svoji naravi anorganski, razen kovin (zlitin). Pretežni del keramičnih snovi predstavljajo spojine kovin z nekovinskimi elementi (O, N, C, B, H). Po definiciji anorganski in nekovinski materiali spadata med keramična gradiva tudi cement in steklo. Ker se razlikujeta po načinu izdelave se obravnavata kot ločen del keramičnih materialov. Lastnosti so odvisne od kemijske sestave, kemijskih vezi, kristalne strukture in mikrostrukture. Za keramične materiale so značilne: kovalentna, ionska in van der Waalsova vez 2

LASTNOSTI KERAMIKE Splošne lastnosti keramike - izredno visoka trdota velika odpornost proti obrabi - visoka tlačna trdnost - dobra kemijska obstojnost odpornost proti koroziji - visoko tališče - odpornost proti temperaturnim vplivom visokotemperaturna obstojnost - nizka toplotna razteznost ( ) Močna kemijska vez: nizek temperaturni razteznostni koeficient ( ) Šibka kemijska vez: višji temperaturni razteznostni koeficient ( ) - nizka električna prevodnost (so izjeme) - nizka toplotna prevodnost - nizka žilavost in odpornost proti udarcem ( v primerjavi z nekaterimi kovinami) Pomanjkljivost keramičnih materialov je krhkost s tem povezana nizka odpornost proti hitrim temperaturnim spremembam termični šok (v primerjavi z nekaterimi kovinami) in 3

DELITEV KERAMIČNIH MATERIALOV Tradicionalna / silikatna keramika zajema surovine in proizvode na osnovi gline opeka, porcelan, keramične ploščice To je prvi umetni material, ki ga je naredil človek pred več kot 15.000 leti. Sodobna / tehnična keramika zajema materiale, ki niso narejeni na osnovi gline. Oksidna in neoksidna-inženirska, elektronska, magnetna,... Druge keramike -biokeramika, nuklearna Najpomembnejše skupine: Tradicionalna/silikatna keramika Oksidna keramika Neoksidna keramika Kamnina Aluminijev oksid Ogljik/grafit Porcelan Cirkonijev oksid Silicijev karbid Steatit Titanov oksid Silicijev Nitrid Kordierit Berilijev oksid Borov karbid Steklokeramika Magnezijev oksid Titanov borid Titanati Molibdenov disilicid Feriti (magnetna keramika) 4

RAZDELITEV KERAMIKE GLEDE NA UPORABO FUNKCIJA ESTETSKA ZAŠČITNA MEHANSKA ELEKTRIČNA (izolator, polprevodnost, feroelektriki, piezoelektriki, ionska prevodnost, superprevodnost) MAGNETNA IZVOR ENERGIJE TERMIČNA ODPORNOST KEMIJSKA, ELEKTROKEMIJSKA OPTIČNA IN FUNKCIJO UPORABA Izdelki široke potrošnje (posode, jedilni servis, ) Emajli Gradbena keramika (opeka, strešniki, ploščice, ) Orodja (keramična orodja, noži) Abrazivi (karborund-sic, korund-al 2 O 3, diamant) Tehnični izdelki (steatit, tehnično steklo, trdi porcelan, kordieritni izdelki, ) Elektronska keramika Superprevodniki (YBa 2 Cu 3 O 7 ali Ba 2 Sr 2 CaCu 2 O x ) Magnetna keramika Nuklearna keramika Ognjestalna oksidna keramika Ognjestalna neoksidna keramika (karbidi, nitridi, boridi, ) Steklokeramika Molekularna sita - Zeoliti Plinski senzorji, senzorji za vlago, elektrode Laserji, elementi za video displaye PLZT keramika 5

RAZDELITEV KERAMIKE GLEDE NA UPORABO Izdelki široke potrošnje (posode, jedilni servis, ) Gradbena keramika (opeka, strešniki, ploščice, tlakovci ) orodja (ZrO 2, Al 2 O 3, TiC, TiN) Emajli Steklasta faza neprepustnost, estetski učinek : kovine : keramika Abrazivi (karborund-sic, korund-al 2 O 3, diamant, ) 6

RAZDELITEV KERAMIKE GLEDE NA UPORABO Tehnični izdelki (steatit, tehnično steklo, trdi porcelan, kordieritni izd., mulitni izd., ) Kordierit: (Mg,Fe) 2 Al 3 Si 5 AlO 18 Steatit: Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 Magnetna keramika (oksidna, kovinska, plastomagneti) Nuklearna keramika (gorivne palice na osnovi UO 2, UN, UC, 7

RAZDELITEV KERAMIKE GLEDE NA UPORABO Ognjestalna oksidna keramika T> 1000 o C -kisla -bazična in -(nevtralna ognjestalna gradiva) Za izdelavo peči in temp. obremenjenih delov Elektronska keramika Ognjestalna neoksidna keramika HfC, (Ttal =3900 o C) WC, BN Monokristali Molekularna sita Zeoliti Naravni in umetni -mikroporoznost: Ionski izmenjevalci, nosilci katalizatorjev Steklokeramika Kontrolirana kristalizacija 8

TRADICIONALNA KERAMIKA Izdelki iz keramike so prvi umetno izdelani predmeti, ki jih je človek naredil pred več kot 15.000 leti (neolitik) Dvojnost keramičnih predmetov: A) UPORABNOST B) UMETNOST (religija) žgana glina Venere pred 29.000 leti Češka, Dolni Vestonice 3000 let p.n.š. Egipt Postopen razvoj: nežgana glina (zbita zemlja, ) glina sušena na soncu (pred 11 500 leti gradili hiše-jeriho) žgana glina v pečeh 9

TRADICIONALNA KERAMIKA TRADICIONALNA KERAMIKA JE SESTAVLJENA IZ TREH IZHODNIH MATERIALOV - Okoli 50 % delež predstavlja glina (sestavljena iz aluminijevih silikatov) - Okoli 25 % delež predstavlja talilo (alkalijski silikati) in PORCELAN - Okoli 25 % delež predstavlja pustilo (kremen SiO 2 ) GLINA: eden najpomembnejših mineralov v glini je kaolinit, katerega struktura v veliki meri določa mehanske in električne lastnosti gline. Plastna struktura kaolinita je vzrok za veliko plastičnost glin, ki je potrebna za oblikovanje izdelkov. Po sušenju pa omogoča zadostno trdnost izdelka za nadaljnjo obdelavo (zelena keramika) TALILO: ima velik pomen pri sintranju keramike. Za pravilen potek sintranja mora imeti talilo primerno temperaturo tališča, okrog 900 o C. PUSTILO: odpravi plastičnost gline. Prisotnost delcev pustila med plastmi kaolinita preprečuje njihovo drsenje. Običajno se uporablja kremenčev pesek. Pri temperaturi sintranja zagotavlja obstojnost oblike izdelka, ker se druge komponente že talijo. Tudi kremen se delno tali, vendar daje talini visoko viskoznost, kar je pomembno za čim manjšo deformacijo. Za izdelavo opečnih izdelkov se običajno uporablja glina kot samostojna surovina. Za izdelavo zahtevnejših keramičnih izdelkov je gline ena od uporabljenih komponent. 10

TRADICIONALNA KERAMIKA Glina: je iz alumosilikatnih materialov dvojna (Al 2 O 3 + SiO 2 ). veriga r(si) SiO 2 : r(o) = 0.29 (tetraedrska koordinacija) O Si O O O 4- SiO 4 veriga 6- Simbol: Primer : = Si 2 O 7 dvojna veriga 4- (Si 2 O 6 ) n 6- (Si 4 O 11 ) n veriga plastovit silikat 4- (Si 2 O 6 ) n ga 4- (Si 2 O 6 ) n ga jna ga dvojna veriga 4- (Si 2 O 6 ) n plastovit silikat 6- (Si 4 O 11 ) n 6- (Si 4 O 11 ) n 2- (Si 2 O 5 ) n jna ga 6- (Si 4 O 11 ) n tridimenzionalni silikat 11

TRADICIONALNA KERAMIKA Struktura tipičnega materiala v glini - kaolinita. (kaolinit je hidratiziran alumosilikat) 2- Plast anionov (Si 2 O 5 ) Al 2(OH) 2+ 4 itd. Plast kationov 2- Si 2 O 5 Al 2(OH) 2+ 4 = Al O 2SiO 2H O 2 3 2 2 KAOLINIT Al2O 3 2SiO 2 - kaolin DEJANSKA STRUKTURA KAOLINITA Kaolinit Tloris posameznih plasti: 6 OH - 4 Al 3+ 4 O 2-, 2 OH- 4 Si 4+ van der Waalsove vezi 6 O 2-12

TRADICIONALNA KERAMIKA GLINA je skupno ime za razkrojene kamnine, sestavljena iz finih delcev (koloidna velikost: 1 m) glinencev, glinenih in drugih mineralov. Zaradi primesi je pogosto obarvana. Glineni minerali (kaolinit, montmorillonit, ilit,...) so hidratizirani aluminijevi silikati ILOVICA je vrsta gline, ki vsebuje poleg glinenih mineralov še pesek, železove hidrokside, včasih tudi organske snovi in drugo. OSNOVNE LASTNOSTI GLIN: 1) plastičnost v vlažnem stanju - gnetljiva, omogoča oblikovanje - plasti so povezane s šibko van der Walsovo vezjo 2) sinterabilnost - zgoščevanje pri visokih temperaturah. Po lastnostih in sestavi ločimo gline na: 1) Kaolinske (porcelanske), vsebujejo kaolinit, (ang. china clay) PRIMARNE gline so najčistejše (temp. žganja 1250-1450 o C) 2) Plastične 3) Ognjestalne (ognjevarne) SEKUNDARNE gline 4) Lončarske in opekarske (temp. žganja 850-1100 o C) 13

Razvila se je v zadnjih 50 letih SODOBNA KERAMIKA Inženirska keramika Odlikuje se z visoko trdnostjo; ima visok elastični modul E σ = E ε A) Oksidna inženirska keramika - Korundna keramika (na osnovi Al 2 O 3 ) - Keramika na osnovi ZrO 2 B) Neoksidna inženirska keramika - Keramika na osnovi SiC - Keramika na osnovi Si 3 N 4 Elektronska in magnetna keramika A) Izolacijska keramika (Al 2 O 3, BeO, steklokeramika, steatit, forsterit, porcelan) B) Nelinearni dielektriki (Feroelektrična, Piezoelektrična, Piroelektrična keramika) C) Polprevodna keramika ( PTC, NTC, Varistorji) D) Feromagnetna keramika 14

SODOBNA KERAMIKA 1) Korundna keramika (na osnovi Al 2 O 3 ) Značilnost keramike z visoko vsebnostjo Al 2 O 3 (>99%) so: - visoka trdota, - visoka tlačna trdnost, - kemijska odpornost in -- odpornost proti koroziji. ohrani dobre lastnosti tudi pri visokih T T tališča = 2072 o C in ZOBNIKI 2) Keramika na osnovi ZrO 2 ZrO 2 je trd material in korozijsko odporen T tališča = 2760 o C Ortopedija:biokompatibilnost -Kolena -Vijaki in razne plošče -Zobni vsadki in nosilci krone OBLOGA TALILNIH PEČI VODILA IN LEŽAJI OBDELOVALNI NOŽI ZA STRUŽNICE REZALNA ORODJA, MLINI IN MLEVNA TELESA 15

SODOBNA KERAMIKA 3) Keramika na osnovi SiC 4) Keramika na osnovi Si 3 N 4 Ima nizko gostoto, visoko trdoto in odpornost proti obrabi (abrazijska odpornost- BRUSI IN REZALNA ORODJA), je kemijsko odporna in ima nizek temperaturni razteznostni koeficient. Ohrani visoko trdnost pri visokih temperaturah (statorske in rotorske lopatice turbin) T tališča = 2730 o C VENTILI IN DELI ZA MOTORJE Si 3 N 4 je nekoliko manj trd kot SiC, vendar ima nižji temperaturni razteznostni koeficient in ima zato višjo obstojnost proti temperaturnim šokom. Oba materiala tako po trdnosti, kot po obstojnosti pri visokih temperaturah nad 1000 o C presegata kovinske materiale. Glavno področje uporabe Si 3 N 4 je metalurgija, kemijska industrija, v strojništvu za izdelavo posebno obremenjenih delov in izdelava rezalnih orodij. NEPREBOJNI JOPIČI ČRPALKA IN DELI ZA ČRPALKE IZ SiC 16

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 1. faza: mletje, mešanje oziroma homogenizacija Mletje običajno poteka v krogelnih mlinih. V mlin damo osnovno sestavo keramike (glino, talilo in pustilo), trde mlevne kroglice oziroma palice in dolijemo vodo. Dejavniki, ki vplivajo na mletje, so: obodna hitrost mlina, razmerje velikosti mlevnih teles in delcev materiala, ki ga meljemo, viskoznost materiala, ki ga meljemo, odstotek napolnjenosti mlina. Končni rezultat mletja je suspenzija osnovnih sestavin. Suspenzija mora biti stabilna - ne sme se posesti. mlevna telesa osnovna sestava + voda pogonska kolesa 17

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 2. faza: ulivanje v modele ali nalivanje na substrate MODEL SUBSTRAT Izdelovanje tankih keramičnih folij (doctor blade). Ulivanje keramične mase v mavčni kalup se uporablja za zapletene oblike. Substrati za elektronsko industrijo. 18

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 2. Faza (alternativa): Hidroplastično ali plastično oblikovanje (oblikovanje na vrteči se plošči, brizganje, ekstrudiranje) Lončarski kolovrat ali vreteno (2700 let p.n.š.). Oblikovanje keramične posode na lončarskem vretenu. Shematski prikaz ekstrudiranja keramičnega materiala v kalup. 19

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 2. Faza (alternativa): stiskanje iskanje Poteka v: tekočem, poltekočem plastičnem, suhem stanju 3. faza: sušenje Sušenje poteka postopoma v temp. intervalu od 65-120 o C in zavisi od plastičnosti gline in velikosti izdelka. Krčenje izdelkov glede na lastnosti gline: pri iztisku se vzorec razširi - zelo plastična - pri sušenju se krči 10% - srednje plastična - se krči med 6 in 10% tlak/mpa - slabo plastična ali pusta - se krči < 6% pri iztisku se vzorec razširi tlak/mpa 20

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 4. faza: žganje / sintranje Namen žganja je zgostiti keramiko oziroma zmanjšati njeno poroznost na najmanjšo možno mero. Žganje pri temperaturah 900 o C -1500 o C. Zelo pomemben temperaturni profil segrevanja Relativni skrček (negativni raztezek) keramičnega vzorca kot funkcija temperature 0.2 l l talilo se stali 0 200 400 600 800 900 1000 1200 T/ 0 C 21

PRIPRAVA KERAMIČNIH IZDELKOV 4. faza: žganje / sintranje Med žganjem poteka sintranje - sintranje je kompleksen proces utrjevanja materiala, oblikovanca iz finega prahu, ki se dogaja pri visokih temperaturah, kjer je gibljivost ionov v materialu dovolj velika, da prihaja do difuzije in posledično do zgoščevanja. Gonilna sila sintranja je zmanjšanje energije sistema: površinska energija se zmanjša (zrna rastejo) - pogrobitev Notranje napetosti se zmanjšajo (defekti se zmanjšajo) Preureditev mejnih ploskev plin/trdno v mejne ploskve trdno/trdno (ima MANJŠO ENERGIJO) Shematski prikaz sintranja štirih delcev Rast zrn med sintranjem a) Začetna faza - med delci nastajajo grla (vratovi) b) Druga faza - nastaja zaprta poroznost - zgoščevanje c) Končna faza - zrna rastejo - pore se manjšajo 22

STEKLO Stekla so nekristalinični (amorfni) keramični materiali, sestavljeni iz zmesi silicijevega dioksida in drugih oksidov in/ali karbonatov in drugih snovi. Glavna sestavina stekla je kremen (SiO 2 ), ki ga najdemo v obliki peska oz. minerala v čisti obliki ali s primešanimi nečistočami (kamena strela-najbolj čist). Od kremena so odvisne lastnosti in struktura stekla, primesi obarvajo steklo (npr. Fe 2 O 3 rjavo) Osnovna enota stekla: (SiO 4 ) 4- kristal steklo silicijev dioksid, SiO 2 Urejena struktura kristalinični materiali Neurejena struktura Amorfni materiali 23

STEKLO je podhlajena tekočina ali talina in ni produkt samo kremena (SiO 2 ) temveč organskih in anorganskih tekočin pod pogojem, da je hitrost ohlajanja dovolj velika, da struktura zamrzne preden se pojavi kristalizacija. če je hitrost ohlajanja neke taline dovolj velika, praktično vsako taljeno snov lahko pripeljemo v steklasto stanje. Zato pod stekla štejemo tudi stekla iz akrila, celuloze in kovin. prednost stekla je v 100 % reciklaži (predelavi). Velika prednost je v raznoliki in enkratni uporabnosti, okolju prijazni predelavi, okolju prijaznih produktih ter izjemni kemijski odpornosti in raznolikih optičnih lastnostih. 24

VRSTE IN UPORABA STEKLA Kremen ima visoko tališče 1700 o C (vzrok močne vezi Si-O). Pri hlajenju se talina (viskozna tekočina) strdi, ne da kristalizira. Nastane KREMENOVO STEKLO, ki je relativno drago, je kvalitetno, ima majhno toplotno razteznost, visoko temp. obstojnost, odporno proti koroziji in prepustno za UV žarke. Uporaba: žarnice, teleskope, v laboratorijih Da bi bilo steklo cenejše, dodajajo druge snovi: sodo - zniža tališče, apnenec, ki poveča trdnost in kemijsko obstojnost. Nastajajo silikati. Nastalo steklo je mešanica - NATRIJEVO- KALCIJEVO STEKLO. Lahko taljivo, odporno proti kemikalijam; najbolj pogosto, ceneno; Uporaba: okna kozarci BORSILIKATNO: kremenčev pesek, >5 % B 2 O 3, soda, Al 2 O 3, odporno proti kemikalijam; T; Uporaba: laboratorijska steklovina, posode (Pyrex stekla) KALIJEVO-KALCIJEVO: kremenčev pesek, apnenec, lesni pepel (pepelika), težko taljivo; Uporaba: epruvete, optične naprave KRISTALNO: kremenčev pesek, svinčev oksid, lesni pepel + (recepture so skrivnost vsake steklarne); težko taljivo, močno lomi svetlobo; Uporaba: okrasni izdelki 25

STEKLO - KERAMIKA Snovi, ki jih imenujemo s skupnim imenom steklo-keramika, so v osnovi stekla, ki jih temperaturno obdelamo na tak način, da iz popolnoma amorfne nastane pretežno kristalinična struktura. Končni produkt je sestavljen iz okoli 90 % kristalinične snovi, preostali amorfni material pa se razporedi po mejah med zrni. Zaradi take mikrostrukture je steklo-keramika praktično brez por. Zaradi odsotnosti por ima steklo-keramika zelo dobre mehanske lastnosti, zaradi nizkega temperaturnega razteznostnega koeficienta pa je odporna na hitre temperaturne spremembe. Tipična sestava steklo-keramičnih produktov Steklo-keramika SiO 2 Li 2 O Al 2 O 3 MgO ZnO B 2 O 3 TiO 2 P 2 O 5 Li 2 O-Al 2 O 3 -SiO 2 74 4 16 6 Li 2 O-MgO-SiO 2 73 11 7 6 3 MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 65 19 9 7 26