Keramika

Technická univerzita v LiberciNekovové materiály, 5. MI© Doc. Ing. K. Daďourek

2008

Tuhost a váha materiálů

• Keramika má největší tuhost z technických materiálů

• Keramika je lehčí než kovy, ale těžší než kompozity

Děje při změně teploty• Výroba z taveniny

pomalým ochlazováním – krystalizace - kovy

• Výroba z taveniny rychlým ochlazením až pod teplotu zeskelnění – skla

• Výroba bez roztavení, jen ohřátím do oblasti pod teplotu tání – slinování - keramika

Základní vlastnosti keramiky• Vysoký bod tání, netaje při jedné teplotě• Vysoká chemická odolnost- především oxidy• Vysoká žáruvzdornost –určí ji teplota výpalu• Tepelný a často i elektrický izolátor• Vysoká odolnost opotřebení – tvrdost• Vysoká pevnost, především v tlaku• Malá odolnost rázům – mechanickým i tepelným• Značná křehkost, minimální trvalá deformace• Vysoká odolnost tečení

Porovnání mineralografické a technické tvrdosti

Ocel má tvrdost 200 až 1000 HV

Vliv velikosti krystalů na jejich pevnost

• Pevnost roste s klesající velikostí krystalků

• Tento růst je velmi silný – až řádový

Závislost pevnosti na teplotě

• Keramika si udržuje svou pevnost do vyšších teplot než kovy

• Tento fakt obzvlášť vynikne při porovnání s teplotou výroby materiálu

Vliv pórovitosti a velikosti částic keramiky na pevnost

• Zpočátku převládá růst pevnosti v tlaku s klesajícím rozměrem krystalků

• Následuje prudký pokles pevnosti díky rostoucí pórovitosti

• Vliv je největší při nízké teplotě

• Optimální je asi 3 % pórů

Fázový diagram SiO2

Příklad látky s velmi proměnnou strukturou

Základní přeměny v SiO2

Porovnání pro kysličník křemičitý – SiO2

• Teplota tuhnutí je 1713 oC• Extrémně pomalým ochlazováním vznikají krystalické fáze :

krystobalit, tridymit, křemen• Zrychleným ochlazováním se dá tavenina snadno podchladit až

pod teplotu zeskelnění 600 oC, tím vznikne křemenné sklo• Dlouhodobým ohřevem křemenného skla nad teplotu 1050 oC

dojde k jeho krystalizaci – odskelnění• Spékáním drobných krystalků křemenného písku při 1400 oC

(300 K pod teplotou tání) vznikne keramika – zpravidla označovaná jako dinasová

Rozdělení keramikyPodle složení :• Kysličníková - oxidová• Neoxidová

• Podle čistoty :- Směsná – z přírodních surovin- Čistá – stálé vlastnosti, drahá

- Podle účelu:- užitková- konstrukční (HiTech, Advanced)

Keramická výroba – principy tradiční výroby

• Z malých nerozpustných částic vzniká ve vodě lehko tvarovatelná suspenze

• Malé částice zahřáté na 60 až 90 % teploty tání tvoří mezi sebou difuzní můstky- spékání, vypalování

• Struktura je po vypálení složena z krystalků, mezi nimiž jsou difuzní můstky a póry

• Při vyšší teplotě vypalování může vznikat skelná fáze

Postup tradiční výroby keramiky

• Příprava prášku – mletí suroviny• Příprava břečky – suspenze prášku ve vodě• Tvarování výrobku – ruční, strojní• Sušení výrobku – až na kritickou vlhkost, při níž se částice

již dotýkají- hlavní smrštění• Vypalování – desítky hodin při 1000 až 1400 oC – vznik

difuzních můstků v místech dotyku

Nejčastější směsná keramika

Keramické suroviny - živec

• Tvoří až 60 % Zemské kůry.

• Draselný živec : KAlSi3O8

• Má jednu monoklinickou a dvě triklinické krystalické modifikace

Keramické suroviny - kaolin• Zvětralý minerál kaolinit• Chemické složení :

Al4(OH)8Si4O10

• Krystalizuje v triklinické soustavě

• Vzniká hydrolyzou živce :4 KAlSi3O8 + 6 H2O→ Al4(OH)8Si4O10 + 8 SiO2 + 4 KOH

Užitková keramika

Děje při vypalovánísměs živec + křemen + kaolin

Směsná elektrokeramika

Vysokoteplotní keramika

Keramika s nízkoutepelnou roztažností

Li2O má záporný koeficient teplotní roztažnostiDiagram vpravo pro keramiky na červené čáře

Směsná stavební keramika

Vliv čistoty materiálu

• Čím čistší je základní surovina, tím je pevnost vyšší a méně klesá s teplotou

• Zde pro korund – Al2O3

• Kromě toho jsou všechny vlastnosti reprodukovatelnější

Speciální metody přípravy

• CIP – izostatické lisování za studena• HIP – izostatické lisování za tepla• Reakční slinování :

C v parách Si dá SiC, Si v dusíku dá Si3N4

Zr na vzduchu při 1200 oC dá ZrO2

• Důvod : potlačení pórovitosti

Oxidová keramika

• Korundová – Al2O3

• Zirkoniová – ZrO2

• Rutilová – TiO2

• Ferity – kysličníky železa

• Pokud chceme používat i pro vyšší teploty, v oblasti použitelnosti by neměl být fázový přechod

Korundová keramika• Je to alfa fáze Al2O3, bod tání 2044 oC• Hustota 4 g/cm3

• Youngův modul 360 GPa – velký, 1,7 násobek oceli• Pevnost 3000 MPa v tlaku, 400 MPa v ohybu, 150 MPa v tahu• Tvrdost nad 2000 HV, vysoká otěruvzdornost• Elektrický izolátor• Žáruvzdorná, použitelná do 2000 oC• Vysoká tepelná vodivost 1720 W/mK dává vysokou odolnost

tepelným šokům ( hliník má 240 W/mK)• Malá lomová houževnatost 2 MPam1/2 - křehký• Vysoká chemická odolnost• Užití : brusný materiál, biokeramika, řezná keramika

Zirkoniová keramika• Alfa fáze ZrO2, teplota tání 2680 oC• Hustota 6 g/cm3

• Youngův modul 180 GPa – malý• Pevnost v ohybu až 500 MPa• Tvrdost 1300 HV• Elektricky vodivá nad 1000 oC• Nízká tepelná vodivost 2 W/mK – tepelný izolátor, neodolává

tepelným šokům• Střední lomová houževnatost 8 MPam1/2, dá se zvýšit částečnou

stabilizací – PSZ. Houževnatá keramika• Základní typ konstrukční keramiky, ale :• Užití komplikuje jeho polymorfizmus

Fázové přeměny zirkoniové keramiky

• Alfa fáze má o 5 % větší objem než beta fáze

• Kysličníky MgO, CaO stabilizují vysokoteplotní fáze i při nižší teplotě

• 5 – 15 % MgO – stabilizace krychlové fáze - SZ

• Užití do 2400 oC při stabilizaci CaO – pak až do pokojové teploty kubická gama fáze, jinak použitelný jen do 1000 oC

Mechanismus zpevnění PSZ keramiky

• A – iniciace trhliny• B – šíření trhlinyKroužky bílé – beta

fázeKroužky černé – alfa

fázeŠipky – tlaková napětí

zavírající trhlinu

-Partially Stabilized Zirconia – 3 – 5 % MgO,bez napětí je beta fáze – má menší objem- Pod vlivem elastické energie dojde k překrystalizaci na alfa fázi – větší objem

Vlastnosti PSZ keramiky

• Zvýšení ohybové pevnosti z 500 na 1000 MPa.• Použití do 2300 oC.• Na keramiku vysoká lomová houževnatost – nad 10 MPam1/2 .• Tvrdost 1700 HV• Základní typ konstrukční keramiky

Příklady použití čisté keramiky

Feritová keramika

• Je to elektrický izolátor• Má ferimagnetické vlastnosti – podobné feromagnetickým• Základem je kysličník železitý.• Magneticky měkké ferity – na anteny a transformátory – MgO-

MnO-Fe2O3

• Magneticky tvrdé ferity – na trvalé magnety – BaO-Fe2O3, CoO-Fe2O3

Speciální biokeramika

• Biodegradovatelná bakteriemi – CaO-Al2O3

• Umělé kosti – CaHPO4 – kyselý fosfát vápníku – srůstá s kostí

• Na kloubní protézy se dnes začíná používat korund.

Neoxidová keramika• Má nižší chemickou odolnost, především proti oxidaci• Většinou ji nelze roztavit, při vysoké teplotě dochází k

jejímu rozkladu)• Spékání při její výrobě musí většinou probíhat v

atmosféře bez kyslíku• Zpravidla není elektrický izolátor, buď má polovodivé

chování, nebo je vodivá jako kovy• Ve většině případů jde o karbidy nebo nitridy kovů• Vazba kovalentní až kovová.

Karborundová keramika• Karbid křemíku SiC• Výroba redukcí SiO2 koksem• Čistý je šedivý, méně čistý zelený• Bod rozkladu na Si a C je 2700 oC• Na vzduchu oxiduje od 1000 oC, maximální použitelnost 1600 oC• Hustota 3,1 g/cm3• Youngův modul 450 GPa – vysoký, více než dvojnásobek oceli• Pevnost v ohybu 550 MPa• Tvrdost 2400 HV – více než korund• Elektricky vodivý – s přebytkem Si silitové topné tyče• Tepelná vodivost 100 W/mK – dost vysoká – asi jako ocel –

velká odolnost teplotním šokům• Lomová houževnatost 3 MPam1/2 – nízká• Užití : brusný materiál, topné elementy

Keramika nitridu křemíku• Fáze Si3N4, rozklad při 1900 oC, oxidace od 1200 oC• Pro lepší odolnost kyslíku přídavek Al2O3 - SIALON• Hustota 3,3 g/cm3• Youngův modul 300 GPa – střední• Pevnost v ohybu až 1000 MPa• Tvrdost 1500 HV• Tepelná vodivost 40 W/mK – středně vysoká, poloviční proti

oceli, odolává menším tepelným šokům

• Lomová houževnatost nad 8 MPam1/2 – má vláknitou strukturu, odolává lomu. Houževnatá keramika

• Základní typ konstrukční keramiky

Boronitridová keramika• Nitrid boru BN odolává oxidaci do 1000 oC, rozkládá se

při 3000 oC.• Existuje ve dvou krystalických modifikacích se zcela

odlišnými vlastnostmi :• Hexagonální forma – je částečně tvárná, dobře odolává

teplotním šokům, slouží na vysokoteplotní součástky – kelímky a p.

• Kubická forma – extrémně tvrdá a křehká, jediný materiál, který se svou tvrdostí vyrovná diamantu. Vyrobitelný zatím jen jako prášek (nejde slinovat)

Příklady použití keramiky Si3N4

Turbinová kola z keramiky Si3N4

Písty z keramiky Si3N4

Žhavé potrubí z keramiky Si3N4 – teplota nad 1200 oC

Ventily spalovacích motorů – kombinace keramik

ZrO2 – Si3N4

Keramický spalovací motor

Mosil keramika

• Také obchodní název Superkantal• Intermetalická sloučenina MoSi2

• Vyráběná spékáním prášku• Použitelná do 1650 oC, při vyšší teplotě na povrchu oxidace na

SiO2

• Použitelná jako topná tělesa pro vysoké teploty

Vznik sklokeramiky (vitrokeramika)Vlastně přechod ke kompozitům

Nejznámější konstrukční keramika - vlastně kompozit z křemene

– tepelný štít raketoplánu

Spodní strana – nepoškozený štít

Vrchní strana- poškozený štít

Raketoplán Endeavour, srpen 2007