Materiały ceramiczne

Ceramika to wszystkie tworzywa i wyroby nieorganiczno-niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna w temperaturze powyżej kilkuset stopni Celsjusza.

Co to jest ceramika?

Tworzywa ceramiczne to niezwykle zróżnicowana rodzina materiałów, które sięgają od tradycyjnej ceramiki (np. ceramiki i materiałów ogniotrwałych) do współczesnej ceramiki inżynierskiej (np. korund i azotek krzemu), znajdującej się w urządzeniach elektronicznych, komponentach lotniczych i narzędziach tnących.

Podczas gdy najbardziej ekstrawaganckie twierdzenia z lat 80. na rzecz zaawansowanych materiałów ceramicznych (takich jak cały silnik ceramiczny) okazały się w dużej mierze niedokładne, prawdą jest, że ceramika stała się kluczowym materiałem inżynierskim.

W połączeniu z innymi materiałami, zwykle metalami, zapewniają one dodatkową funkcjonalność komponentów, poprawiając w ten sposób wydajność aplikacji, po określeniu odpowiedniego projektu złącza i technologii.

Materiały ceramiczne – właściwości

Ceramika wykazuje bardzo silne wiązanie jonowe i/lub kowalencyjne (silniejsze niż wiązanie metaliczne), co daje właściwości powszechnie kojarzone z ceramiką: wysoką twardość, wysoką wytrzymałość na ściskanie, niską przewodność cieplną i elektryczną oraz obojętność chemiczną.

To silne wiązanie odpowiada również mniej atrakcyjnym właściwościom ceramiki, takim jak niska plastyczność i niska wytrzymałość na rozciąganie. Szerszy zakres właściwości nie jest jednak powszechnie doceniany. Na przykład, podczas gdy ceramika jest postrzegana jako izolator elektryczny i termiczny, tlenki ceramiczne (początkowo oparte na Y-Ba-Cu-O) są podstawą wysokiej przewodności cieplnej. Diament, beryllia i węglik krzemu mają wyższą przewodność cieplną niż aluminium czy miedź.

Kontrola mikrostruktury może pokonać wrodzoną sztywność, aby umożliwić produkcję sprężyn ceramicznych, a kompozyty ceramiczne zostały wyprodukowane z wytrzymałością na pękanie o połowę mniejszą niż stal.

Główne klasy kompozytów ceramiki konstrukcyjnej to tlenki, azotki i węgliki. W tabeli podano ogólne właściwości najczęściej stosowanych materiałów ceramicznych.

Podział materiałów ceramicznych (rodzaje)

Tlenki

Tlenek glinu (Al2O3) i tlenek cyrkonu (ZrO2) są najczęściej stosowanymi materiałami ceramicznymi z tlenku glinu, przy czym tlenek glinu jest zdecydowanie najczęściej stosowanym materiałem ceramicznym zarówno pod względem tonażu, jak i wartości.

Azotki

Azotek krzemu (Si3N4) i azotek glinu (AlN) są głównymi zaawansowanymi technologicznie materiałami ceramicznymi w tej kategorii. Istnieje szeroka gama gatunków i typów tych materiałów, w szczególności azotku krzemu, z których każdy ma specyficzne właściwości.

Węgliki spiekane

Węglik krzemu (SiC) jest powszechnie stosowany ze względu na jego wysoką przewodność cieplną, odporność na korozję i twardość, chociaż jako ceramika techniczna jego twardość jest niższa niż w przypadku niektórych gatunków azotku krzemu. Węglik boru (B4C) jest trzecim najtwardszym materiałem przemysłowym (po diamentowym i sześciennym węgliku boru) i jest stosowany do elementów wymagających bardzo wysokiej odporności na zużycie.

Kompozyty na bazie ceramiki

Ceramika jest stosowana jako wzmocnienie systemów kompozytowych, takich jak GRP (tworzywa sztuczne wzmacniane włóknem szklanym) i kompozyty na osnowie metalowej, takie jak aluminium wzmacniane tlenkiem glinu (Al/Al 2O 3). Zaawansowane materiały ceramiczne są również stosowane jako materiały osnowy w kompozytach. Obecnie najpowszechniej dostępne są materiały oparte na SiC i węglu.

Tworzywa ceramiczne – łączenie

Istnieje wiele możliwych technik łączenia ceramiki do siebie i do różnych materiałów. Technologie te sięgają od mechanicznego mocowania, np. za pomocą śrub i gwintów śrubowych, po bezpośrednie łączenie.

Wybór jednej z tych technik do produkcji danego elementu będzie zależał od wielu czynników, w tym m.in:

pożądana funkcja elementu, np. wytrzymałość, izolacja elektryczna lub odporność na zużycie
materiały, które mają być łączone
temperatura robocza
stosowany stres
wymagany poziom hermetyczności stawów
konstrukcja części
koszt

Zastosowanie ceramiki

W porównaniu do metali i tworzyw sztucznych, ceramika jest twarda, niepalna i obojętna. Dzięki temu mogą być stosowane w wysokich temperaturach, w zastosowaniach korozyjnych i tribologicznych. Zastosowania te opierają się na kombinacjach właściwości, które są unikalne dla ceramiki przemysłowej i które obejmują:

zachowanie właściwości w wysokiej temperaturze
niski współczynnik tarcia (szczególnie przy dużych obciążeniach i niskim poziomie smarowania)
niski współczynnik rozszerzalności
odporność na korozję
izolacja termiczna
izolacja elektryczna
niska gęstość

Ceramika techniczna jest wykorzystywana do wytwarzania komponentów do zastosowań w wielu sektorach przemysłu, m.in. podłoża ceramiczne dla urządzeń elektronicznych, wirniki turbosprężarek oraz głowice popychaczy do silników samochodowych.

Innymi przykładami zastosowania zaawansowanej ceramiki są łożyska bezolejowe w urządzeniach przemysłu spożywczego, łopatki turbin lotniczych, pręty paliwa jądrowego, lekki pancerz, narzędzia tnące, materiały ścierne, bariery termiczne oraz meble piecowe/kilogramowe.

Ceramika – podsumowanie

Przy wyborze materiału do wykorzystania w określonym komponencie należy szczegółowo rozważyć przydatność i odpowiedniość materiałów kandydujących. Przy wyborze materiału ceramicznego należy uwzględnić kryteria przydatności do zastosowania, które powinny być stosowane:

środowisko eksploatacyjne – atmosfera, temperatura, stosowane naprężenia, zmęczenie, czas ekspozycji
przewidywalne wyprawy wykraczające poza zwyczajowe, w tym uderzenia mechaniczne lub szybkie nagrzewanie/chłodzenie
konstrukcja – materiały ceramiczne są stosunkowo mało odporne na nagłe zmiany przekroju poprzecznego, takie jak nacięcia, otwory i naroża
łączenie – rola złącza, jego warunki operacyjne i wymagania dotyczące wydajności oraz techniki łączenia odpowiednie do produkcji
koszt – podobnie jak w przypadku wszystkich kwestii związanych z wyborem materiałów i projektowaniem komponentów, koszt i dostępność surowców oraz wszystkie niezbędne techniki produkcji muszą być rozpatrywane w świetle ich przydatności do zapewnienia komponentowi wymaganego profilu wydajności przy zachowaniu realistycznych kosztów
przyszły rozwój będzie prawdopodobnie wynikał z ulepszonych technik przetwarzania i produkcji, które obniżą koszty komponentów lub poprawią zachowanie, a także z rosnącego zapotrzebowania na materiały o wyższej wydajności, co będzie wymagało użycia większej ilości ceramiki. Chociaż trudno jest przewidzieć nowe materiały, można łatwo przewidzieć ulepszenia w istniejących. Najbardziej znaczącym obszarem rozwoju będą prawdopodobnie kompozyty na osnowie ceramicznej.

Podczas gdy istniejące kompozyty oparte na SiC poprawią się w miarę zmniejszania się poziomu porowatości dzięki ulepszonym technikom przetwarzania, rozwój wysokotemperaturowych kompozytów opartych na tlenku węgla prawdopodobnie zapewni konkurencyjnemu systemowi materiałowemu szersze możliwości zastosowania w najbliższej przyszłości. W przyszłości możemy spodziewać się jeszcze większego wkładu tych materiałów w rozwój przemysłu i rozwój technologiczny.