Wspczesna ceramika tradycja teraniejszo przyszo Ceramika gr Ho

Współczesna ceramika -tradycja -teraźniejszość -przyszłość

Ceramika [gr. Ho kéramos ‘ziemia’, ‘glina’] nieorganiczne i niemetaliczne materiały otrzymywane w wyniku procesu ceramicznego. Proces ceramiczny przebiega następująco: drobnoziarniste proszki ceramiczne formuje się różnymi metodami (prasowanie, odlewanie, toczenie) w żądany kształt, często po dodaniu substancji ułatwiających lub umożliwiających kształtowanie (woda, subst. organiczne); po uformowaniu kształtki konsoliduje się (zespala) do postaci litego ciała stałego poprzez wypalanie w temp. 900 -2200 o. C. R. Pampuch, Wielka Encyklopedia PWN, Warszawa 2001, t. 5, s. 277.

Mezopotamia 5500 BC

Chiny 4500 BC

Egipt 1300 BC Fajans Szkło

Mezopotamia 500 -600 BC Szkliwione cegły

Grecja 400 BC ceramika szkło

Rzym 100 AD szkło lampka oliwna

Chiny 500 -600 AD Porcelana

Barcelona XX wiek

XXI wiek

ZMIANY STRUKTURY W TRAKCIE PROCESU CERAMICZNEGO Proszek Formowanie Spiekanie

Podstawowe stadia wytwarzania wyrobów ceramicznych wg Neprakty

CERAMIKA SZLACHETNA MATERIAŁY BUDOWLANE MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE MATERIAŁY WIĄŻĄCE SZKŁO I DEWITRYFIKATY MATERIAŁY ŚCIERNE EMALIE CERAMIKA KONSTRUKCYJNA Al 2 O 3 Zr. O 2 Si 3 N 4 Si. C Al. N CERAMIKA FUNKCJONALNA elektroniczna elektrotechniczna magnetyczna piezoelektryczna jądrowa kosmiczna bioceramika NANOCERAMIKA

Charakterystyka porównawcza wybranych właściwości metali, tworzyw sztucznych i ceramiki technicznej METALE TWORZYWA SZTUCZNE CERAMIKA TECHNICZNA Wytrzymałość cieplna Odporność chemiczna Odporność na ścieranie ? Wytrzymałość mechaniczna Obrabialność ? ? korzystna ? możliwa do osiągnięcia Gęstość Kruchość Cena niekorzystna mniej niekorzystna

Funkcje tworzyw ceramicznych Funkcje termiczne izolacje termiczne promienniki IR Funkcje mechaniczne wirniki komory spalania łożyska dysze palników narzędzia skrawające Funkcje biologiczne sztuczne korzenie zębów endoprotezy kości i stawy sztuczne zastawki serca Funkcje chemiczne nośniki katalizatorów katalizatory elektrody nośniki enzymów czujniki gazów detektory węglowodorów układy alarmowe przecieku gazu Funkcje nuklearne paliwa nuklearne materiały na osłony i ekrany Funkcje optyczne świetlówki wysokociśnieniowe lampy sodowe lasery Funkcje magnetyczne głowice magnetofonowe rdzenie pamięci magnesy silniki miniaturowe Funkcje elektryczne Kondensatory podłoża elektroniczne elementy czujników temperatury ogniwa słoneczne

Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej Ceramika konstrukcyjna obejmuje swoim zasięgiem głównie: • mechanoceramikę • chemoceramikę • bioceramikę • termoceramikę

Zastosowanie ceramiki konstrukcyjnej W obrębie mechanoceramiki wyróżnić można kilka podstawowych grup wyrobów: • Części silników spalinowych • Części turbin gazowych • Części statków powietrznych i sprzętu wojskowego • Części termoodporne • Części odporne na ścieranie • Łożyska toczne • Części pomp i armatury • Narzędzia do

Zastosowanie ceramiki funkcjonalnej • Około 70% obrotów rynku ceramicznego skupia się wokół wyrobów spełniających głównie funkcje elektryczne (ceramika elektroniczna) • Do najważniejszych wyrobów z zakresu elektroceramiki zalicza się: kondensatory, filtry, przetworniki, termistory, warystory, izolatory, podłoża do układów scalonych, świece zapłonowe. • optoceramika – materiały laserowe, okienka optyczne, przetworniki

ü Charakterystyczna różnica między ceramiką a innymi materiałami leży w wytrzymałości na wzrastające naprężenia (ciągliwość). ü Z uwagi na silne wiązania kowalencyjno-jonowe materiały ceramiczne są z natury kruche. naprężenie Właściwości materiałów ceramicznych Ceramika monolityczna Zniszczenie katastroficzne Metal odkształcenie ü Podstawowym ograniczeniem szerszego stosowania materiałów ceramicznych jest ich KRUCHOŚĆ. Często defekt struktury nie powoduje widocznych zmian a jednak w następstwie korozji naprężeniowej, tworzącej ciągłe pękniecie, może dojść do zniszczenia wyrobu w czasie eksploatacji.

MATERIAŁY WSPÓŁCZESNE Kompozyty ceramikametal-tworzywo sztuczne TWORZYWA SZTUCZNE METALE Kompozyty ceramika-metal TWORZYWA CERAMICZNE Kompozyty ceramikatworzywo sztuczne

Dotychczasowe zastosowanie i prognozy wzrostu udziału procentowego szeregu materiałów w konstrukcji silników samolotowych 50 METALOWE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE STAL STOPY NIKLU CERAMICZNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 40 STOPY TYTANU 30 20 STOPY ALUMINIUM 10 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Lata 1990 -91 <uruchomienie masowej produkcji tłoków i bloków cylindrowych zbrojonych lokalnie (Toyota, Honda i Ebisawa <opanowanie procesu naparowywania - wlewki i wyroby kształtowane przez firmę ALCAN <opracowanie przez firmę Lanxide metody bezpośredniego utleniania/azotowania i infiltracji quasi-grawitacyjnej - kompozyty odporne na ścieranie i obudowy mikroukładów elektronicznych

POKRYCIA CERAMICZNE STADIA ROZWOJOWE GŁÓWNYCH RODZAJÓW CERAMIKI SPECJALNEJ CERAMIKA MONOLITYCZNA W ODNIESIENIU DO CZĘŚCI SILNIKOWYCH KOMPOZYTY CERAMICZNE Prace koncepcyjne 1975 1980 1985 Prace badawcze 1990 1995 Prace Produkcja optyma- rynkowa lizacyjne 2000 2005 2010 Rok

Mikroreaktor ceramiczny R. Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały Wielkość ziarna (na ogół) 1 10 nm lecz nie większa niż 100 nm

Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie: wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4 x przewodnictwo cieplne spada kilka razy przesuwa się granica plastyczności materiału mikrotwardość wzrasta dwa razy, np. n-Al 2 O 3 -Si. C (10%obj. ) odporność na ścieranie wzrasta 4 razy, np. n-Al 2 O 3 -Ti. O 2 (13%obj. )

Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej B. Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową wnętrze-powierzchnia (core-shell)

NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY Wielkość ziarna ( na ogół) 1÷ 10 nm, lecz nie większa niż 100 nm Droga i skomplikowana produkcja nanoproszków PODSTAWOWE PROBLEMY OTRZYMYWANIA NANOPROSZKÓW Eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych Trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych Minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I ROZWOJOWE W DZIEDZINIE PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW W NIEMCZECH W LATACH 2001 -2002 C E R A M I K A 36% P O L I M E R Y 28% M E T A L E 24% I N N E 12%

Prognozy rozwojowe ceramicznych materiałów specjalnych Główne cele badawcze: • Korea Południowa Wielka Brytania Francja Niemcy • USA • Podniesienie wytrzymałości, a tym samym niezawodności tworzyw oraz wyrobów. Poprawa właściwości wysokotemperaturowych. Optymalizacja struktury dla każdego przypadku zastosowania. Zmniejszenie kruchości materiałów ceramicznych i tym samym zawężenie Skala aktywności wiodących krajów w tolerancji uszkodzeń. zakresie zgłoszeń patentowych związanych z ceramiką specjalną (1981 -1995) Japonia •