Nauka o materiálu. Přednáška č.12 Keramické materiály a anorganická nekovová skla

Transkript

1 Nauka o materiálu Přednáška č.12 Keramické materiály a anorganická nekovová skla

2 Úvod Keramika a nekovová skla jsou ve srovnání s kovy velmi křehké. Jejich pevnost v tahu je nízká a finálnímu lomu nepředchází prakticky žádná deformace. Pevnost v tlaku je však až 15x vyšší než tahová pevnost a u technické keramiky tedy o řád vyšší, než pevnost v tahu u nezpevněných kovů. Ve srovnání s kovy jsou jen velmi málo odolné působení koncentrátorů napětí (defekty, trhliny, póry, ). Z konstrukčního hlediska vykazuje konstrukční keramika ve srovnání s kovy vysokou tuhost a vynikající odolnost proti opotřebení, a to i při vysokých provozních teplotách a tlacích. 2

3 Keramické materiály Keramické materiály jsou anorganické nekovové polykrystalické látky, které se vyrábějí z práškových surovin a zpevňují se žárovým slinováním. Dělí se v zásadě na dvě základní skupiny: technická keramika, skelná (porézní) keramika. Technická keramika - anorganické nekovové materiály na bázi: oxidu kovů (oxidická keramika), nitridů, karbidů a boridů (neoxidická keramika) + diamant. Skelná keramika - vyrábí se z přírodních silikátových surovin, cihlářské hlíny a nebo kaolínu. Patří zde: kamenina, porcelán, šamot, cihlářské zboží Do anorganických nekovových skel patří ty materiály vyráběné tavením směsí oxidů, jejichž základní složku tvoří SiO 2. 3

4 Keramické materiály Polykrystalická struktura keramických materiálů není zcela kompaktní a na rozdíl od kovů obsahuje póry a mikrotrhliny, které jsou důsledkem technologie jejich výroby. Statická pevnost v tahu keramiky a skel není vysoká a v nejlepším případě, dosahuje jen asi poloviny statické pevnosti v tahu kovových materiálů. Pevnost keramiky v tlaku je však násobně vyšší než v tahu. Hlavní příčinou této skutečnosti je to, že zatímco při tahovém namáhání se mikrotrhliny a jiné defekty struktury šíří v keramice a sklech nestabilně, kolmo na směr působícího napětí, při tlakovém namáhání se tyto defekty šíří stabilně ve směru působícího tlaku. Modul pružnosti keramických materiálů je obecně vyšší než u kovů. 4

5 Keramické materiály Velkým nedostatkem keramických materiálů a skel je jejich nízká houževnatost. Malá schopnost plastické deformace polykrystalické keramiky dává předpoklady formování jen velmi malé plastické zóny před čelem trhliny, která nedostatečně brání v jejím šíření. Lomová houževnatost keramických materiálů je proto velmi nízká. 5

6 Technická keramika Výchozí surovinou pro výrobu keramiky jsou jemné prášky, s velikostí částic menší než 1 µm. Výrobní postupy: sintrováním, izostatickým lisováním za vysokých teplot, slinováním taveninou, reakčním slinováním. Technická keramika oxidická keramika: MgO, ZrO 2, Al 2 O 3, MgAl 2 O 4, Y 2 O 3, CeO 2, atd. neoxidická keramika: WC, SiC, TiC, B 6 C, Si 3 N 4, AlN, TiN, TiB 2, atd. Nejběžnějším typem oxidické keramiky je slinutý Al 2 O 3 (korund). Řezné a obráběcí nástroje. 6

7 Skelná keramika Skelné nebo také porézní keramika, mezi kterou patří porcelán, kamenina a cihlářské zboží, se vyrábí z cihlářských hlín, jílů a nebo kaolínu, jejichž základem jsou hydratované hlinitokřemičitany ve formě písků. Mletím těchto surovin a jejich mísením s vodou se získá snadno tvarovatelná hmota, která se po vysušení vypaluje v pecích při teplotách v rozmezí od 800 do 1200 C. Protože skelná keramika je po vypálení velmi porézní, chrání se její povrch u některých výrobku tenkou vrstvu glazury nízkotavitelného skla. Přispívá to rovněž ke zvyšování nejen jejich pevnosti, ale zároveň se mírně zvyšuje i jich houževnatost. Hustota je silně závislá na poréznosti a pohybuje se v rozmezí 2300 až 2500 kg m -3. Modul pružnosti se pohybuje v rozmezí 65 až 72 GPa. 7

8 Skelná keramika Pevnost v ohybu je okolo 45 MPa a pevnost v tlaku cca 350 MPa. Houževnatost skelné keramiky je nízká a v nejlepším případě dosahuje jen asi 1 Mpa m 1/2. Použití ve stavebnictví, spotřební zboží, elektrotechnický průmysl (izolátory). 8

9 Anorganická nekovová skla a skelně krystalické materiály Anorganická nekovová skla se vyrábějí tavením směsí oxidů, z nichž hlavní složku tvoří SiO 2. Vlastnosti skel a skelně krystalických materiálů jsou ve srovnání s technickou keramikou až na tepelnou vodivost horší. Modul pružnosti cca 65 až 74 GPa. Pevnost v ohybu 50 až 70 MPa. Pevnost v tlaku 1000 až 1200 MPa. Houževnatost velmi nízká, nižší než 1 MPa m 1/2. Běžná sodná skla nachází uplatnění v nejrůznějších výrobnách spotřebních předmětů a ve výrobě obalového a tabulového skla. Stejně pro skelně krystalické materiály. Velmi široké uplatnění ve stavebnictví. 9