KERAMIČNI MATERIALI - Šolski center Novo mesto

Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
KERAMIČNI MATERIALI
Keramični materiali so sestavljeni iz anorganskih spojin. Vezi so lahko ionske (MgO) ali
kovalentne (SiO2). V večini primerov nastopa kombinacija ionskih in kovalentnih vezi.
Tipične lastnosti keramike:
• je obstojna pri visokih temperaturah, je trda in ima visoko tlačno trdnost,
• je odporna proti abraziji in koroziji,
• ima nizko specifično teţo,
• v principu so keramični materiali električni izolatorji, vendar so nekateri tipi ionski prevodniki in
polprevodniki.
• V zadnjem času so odkrili tudi superprevodne keramične materiale.
• Osnovna pomanjkljivost keramičnih materialov je krhkost
1. VRSTE KERAMIČNIH GRADIV
1.1 Silikatna keramika
Najpogostejše sestavine silikatne keramike so SiO2, Al2O3 in MgO. Sestavo najpogostejših
keramičnih materialov v sistemu MgO-Al2O3-SiO2 prikazuje diagram.
Diagram MgO-Al2O3-SiO2
Ločimo keramiko z gosto črepinjo in porozno črepinjo. Dalje ločimo belo in barvno
črepinjo.
Porozna barvana črepinja: opeke, pečnice, ploščice posoda
Gosta barvana črepinja: kamnina
Gosta bela črepinja: porcelan, steatit, kordierit
Kamnina se uporablja za sanitarno keramiko, klinker ploščice, kemijske naprave.
Porcelan se uporablja za gospodinjstvo, električne izolatorje, mlevske naprave, v
zobotehniki. Surovine za porcelan so kaolin, glinenci in kremen.
Steatit se uporablja za zahtevnejše elektrotehnične izdelke. Surovina za steatit je lojevec
ali talk s sestavo 3MgO.4SiO2.H2O
1
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
Kordierit je odporen proti termičnim šokom. Iz njega izdelujejo zaščitne cevi za
termoelemente, nosilce za grelne špirale v električnih pečeh, nosilce za katalizatorje v
avtomobilskih izpuhih.
1.2 Refraktarna (ognjestalna) gradiva
Zdrţijo visoke temperature, pri čemer ohranijo mehansko trdnost in korozijsko obstojnost.
Mehčajo se nad 1500°C. uporabljajo se za obloge peči za proizvodnjo kovin in stekla.
Korozijska obstojnost je odvisna od sestave. Kisla gradiva vsebujejo SiO2 in so obstojna
proti kislim ţlindram, bazična gradiva vsebujejo MgO in so odporna proti bazičnim
ţlindram.
Pomembna je tudi odpornost proti termičnemu šoku in maksimalna temperature uporabe.
Šamotna ognjestalna gradiva so izdelana iz ognjestalne gline. Šamot vsebuje med 22 in
45 % Al2O3. Do 30 % Al2O3 se imenujejo kisli šamoti, nad 30 % pa bazični šamoti.
Silika opeka vsebuje nad 96% SiO2 in pod 0,5% Al2O3. silika opeka vzdrţi visoke
temperature. Zmehčišče je pri 1750°C. Dobro prenaša termična nihanja in v širokem
temperaturnem intervalu ne spreminja dimenzij.
Magnezitna opeka vsebuje MgO in 3-6% Fe2O3. Uporablja se v jeklarstvu.
Vlaknata gradiva prenesejo visoke temperature in imajo odlično toplotno izolativnost.
Keramična vlakna izdelujejo z razprševanjem taline Al2O3/SiO2 preko vrtečih se koles.
Keramična vlakna oblikujejo v plošče, trakove, vrvi in druge posebne oblike.
Ogljik in grafit imata med vsemi elementi najvišje tališče, preko 3500°C. uporabljata se
kot ognjevarni material v močno redukcijski atmosferi. V oksidacijskem okolju ogljik
zgori. Uporabljata se za izdelavo livarniških talilnih loncev.
1.3 Elektro keramika
Pomembne električne lastnosti: dielektričnost, dielektrične izgube, električne upornost,
prebojna trdnost.
Izolacijska keramika
Poleg izolatorjev na daljnovodih in v transformatorjih so pomembni tudi izolacijski substrati v elektroniki.
Fini prah Al2O3 oblikujejo v suspenzijo, ko jo nalivajo na podlago, posušijo in ţgejo.
Feroelektriki
Feroelektriki so snovi, ki se v električnem polju polarizirajo, po odstranitvi električnega polja ostanejo
polarizirani. Tipičen predstavnik je BaTiO3, ki se uporablja za izdelavo keramičnih kondenzatorjev.
Piezokeramika
Če feroelektrično keramiko stisnemo, ali raztegnemo, se na površini pojavi električni naboj. Spremembi
elektrine zaradi mehanskega tlaka pravimo piezoelektrični efekt. Uporablja se za spreminjanje mehanske
energije v električno: mikrofoni, hidrofoni, vţigalniki za plin, napravah za ultrazvočno čiščenje. Primeri
piezoelektričnih materialov so: trdna raztopina svinčevega titanata in svinčevega cirkonata Pb(ZrTi)O 3,
natrijev niobat NaNbO3 in svinčev magnezijev niobat (PbMg)NbO3.
Piroelektrična keramika
Polarizacija feroelektrične keramike je odvisna tudi od temperature. Pojav se imenuje piroelektrični efekt.
Pirolektrike (litijev tantalat in stroncijev barijev niobat) uporabljamo kot senzorje EM valovanja v širokem
območju energij, od ultrazvočnih do mikrovalovnih frekvenc. Iz pirokeramike izdelujejo senzorje
infrardečega sevanja, detektorje dima številne druge senzorje.
Termistorji
Termistorje imenujemo elektronske sestavne dele, pri katerih se upornost močno spreminja s temperaturo.
Razlikujemo dva tipa termistorjev: NTC (negativni temperaturni koeficient) in PTC (pozitivni temperaturni
koeficient).
2
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
PTC termistorji so iz BaTiO3 z raznimi dodatki. Uporabljajo se kot preklopniki, grelci z lastno regulacijo,
lajšanje vţiga avtomobilskih motorjev, za razmagnetenje TV zaslonov.
NTC termistorji so iz mešanice oksidov Ni in Mn z dodatki. Sluţijo za merjenje temperature v hladilnikih,
kopirnih strojih, v medicini,... Uporabni so v temperaturnem območju od -50 do +800°C.
Varistorji
Varistorji sluţijo za zaščito elektronskih naprav pred naglimi spremembami napetosti ali toka. Varistor
reagira hipno, v nanosekundah. Izdelani so iz mešanice oksidov.
Keramični magneti
Keramični magnetni materiali so oksidne spojine trivalentnega ţeleza, feriti. Ločimo dve glavbi skupini
feritov: trde in mehke. Trdi se uporabljajo kot trajni magneti, mehki pa se hitro razmagnetijo. Trde ferite
uporabljamo pri elektromotorjih in zvočnikih. Mehke ferite uporabljamo v visokofrekvenčnih elektronskih
napravah.
Keramični senzorji
Porozna keramika absorbira vlago in pline. Pri spremembi vlaţnosti od 0 do 100% se močno spremeni
upornost. S senzorji lahko merimo koncentracijo redukcijskih plinov, kot sta metan in butan. Uporabljajo se
za zaznavanje naftnega ali zemeljskega plina, če bi uhajala. Koncentracijo kisika merimo z ionskimi
prevodniki. Senzorji kisika se uporabljajo za določanje kisika v izpušnih plinih avtomobilskega motorja in
za kontrolo zgorevanja v pečeh.
1.4 Gradbena keramika
Keramični izdelki, ki jih najbolj pogosto uporabljamo v graditeljstvu, so:
 groba keramika (opeke, strešniki, drenaţne in tehnične cevi, tehnična posoda),
 fina keramika (glazirane in neglazirane ploščice, sanitarna keramika, porcelan) in
steklo.
2. FAZE TEHNOLOŠKEGA PROCESA pridobivanja keramičnih in nekaterih drugih
nekovinskih materialov
2.1 Surovine za keramična gradiva
Surovine delimo na naravne in sintetične. Najpomembnejše naravne surovine so gline in
kaolini, kremen, glinenci, lojevec, kalcit, magnezit in dolomit. Iz njih izdelujejo predvsem
izdelke klasične keramike. Za potrebe sodobne tehnične keramike pa se uporabljajo visoko
kakovostne sintetične surovine, predvsem aluminijev oksid, cirkonijev oksid, silicijev karbid,
borov karbid, silicijev nitrid, borov nitrid in barijev titanat.
Glina je skupno ime za razkrojene kamnine. Sestavljena je iz zelo drobnih delcev, pogosto koloidne velikosti.
Minerali, ki sestavljajo glino so hidratizirani aluminijevi silikati. Glina vpija velike količine vode in pri tem
postane plastična. Po lastnostih ločimo kaolinske gline, plastične gline, lončarske gline in opekarske gline.
Kaolinit s formulo Al2O3.2SiO2.2H2O je glavni mineral kaolinskih glin. Kaolini so gline, ki so bogate na
mineralu kaolinitu in so glavna surovina za porcelan.
3
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
Kremen SiO2 sodi med najpomembnejše neplastične surovine za izdelavo tradicionalne keramike. Uporablja se
za izdelavo kamenine in porcelana. Zelo čist kremen se uporablja za izelavo stekla.
Glinenci so skupina mineralov s skupno formulo M2O.Al2O3.6SiO2. M je lahko kalij, natrij ali kalcij. V
keramičnih masah sluţijo glinenci za zniţanje tališča in pospešijo sintranje.
Lojevec ali talk je hidrat magnezijevega silikata 3MgO.4SiO2.H2O. Je mehak in daje na otip značilen »milnat«
občutek. Včasih ga dodajamo glinam kot vezivo. Talk se uporablja za izdelavo steatitne in kordieritne keramike.
Osnovna enote silikatov je tetraeder SiO44-. Tetraedri se povezujejo preko kisikovih atomov v verige, obroče,
plastovite in prostorske oblike.
Proste negativne naboje zapolnijo kationi kovin (Na+, K+. Ca2+, Mg2+, …)
Kalcit, magnezit in dolomit (CaCO3, MgCO3 in CaCO3.MgCO3) razpadejo pri ţganju na okside z visokim
tališčem (CaO 2700°C, MgO 2800°C). oba oksida sta močno bazična in tvorita s kremenico stekla in glazure. V
čisti obliki se uporabljata za izdelavo visoko ognjestalnih opek za obzidavo metalurških peči.
Surovine tehnične keramike so sintetične spojine s kontrolirano sestavo, pogost zelo visoke
čistoče.
Aluminijev oksid ali glinico Al2O3 pridobivajo iz minerala boksita po Bayerjevem postopku. Rudo izluţujejo z
raztopino NaOH, pri čemer nastane oborina Al(OH) 3. Tega segrevajo in pri 1200-1300°C nastane Al2O3, ki se
imenuje korund. Iz njega izdelujejo visoko kvalitetno korundno keramiko.
Cirkonijev oksid ZrO2 uporablja industrija ognjevarnih izdelkov in abrazivov.
Silicijev karbid SiC nastane pri reakciji med kremenovim peskom in koksom v električni uporovni peči.
Uporablja se za abrazive in refraktarije.
Borov karbid B4C nastane na podoben način iz borovega oksida in ogljika. Uporablja se za abrazive.
Silicijev nitrid Si3N4 se uporablja za rezalna orodja.
Borov nitrid BN se uporablja kot brusni material in za rezalna orodja.
Barijev titanat BaTiO3 je pomembna surovina za proizvodnjo elektronskih elementov (kondenzatorji,
termistorji, senzorji)
4
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
2.2 Tehnologija izdelave keramike
1.faza: Priprava surovin: mletje, mešanje, granuliranje
Za sintranje so primerna zrna okoli 1 μm, kar doseţemo z mletjem ali precipitacijo. S sejalnimi
postopki pripravimo ustrezne frakcije. Najfinejše frakcije aglomeriramo v mikro granule. V naravnih
glinah so delci ţe ustrezno majhni.
Dodatki za oblikovanje keramike: surfaktanti, deflokulanti, koagulanti, veziva, plastifikatorji in
maziva. Z dodatki vplivamo na tehnološke lastnosti in na končne lastnosti izdelka.
2.faza: Oblikovanje izdelkov
 Stiskanje:
Surovine pomešamo z dodatki in jih stisnemo v posebnih kalupih.
 Plastično oblikovanje
Plastično oblikovanje je najstarejši postopek oblikovanja gline. Glino oblikujemo ročno ali na
vrteči se plošči. Vsaka civilizacija je razvila lastne postopke ter značilne glinene izdelke.
Z ekstruzijo izdelujemo opeko, palice in cevi. Injekcijsko brizganje je primerno za izdelavo
manjših izdelkov zahtevnih oblik in v velikih serijah.
 Ulivanje suspenzij
Ulivanje je tradicionalna tehnika oblikovanja keramičnih izdelkov. Z njo dobimo komplicirane
izdelke z enakomerno debelino stene. Model je iz gipsa in je poceni. Najprej pripravijo stabilno
suspenzijo gline ali keramičnega prahu. Suspenzijo vlijejo v model s poroznimi stenami. Na stenah
se suspenzija zgosti in nabere se plast keramičnega materiala. Čez določen čas odlijemo preostalo
suspenzijo. Po krajšem sušenju se plast skrči in odstopi od stene modela, obenem pa dovolj utrdi,
da lahko odstranimo izdelek iz modela.
3.faza: Sušenje
Tehnike sušenje so odvisne od količine vlage, vrste in velikosti izdelkov. Najpreprostejše je naravno
sušenje na zraku, ki je počasno. Med sušenjem se izdelki krčijo. Sušenje moramo voditi tako, da ne
pride do deformacij oblike izdelkov.
4.faza: Ţganje
Ţganje je najpomembnejši proces v proizvodnji keramike. Z ţganjem dobijo keramični izdelki
mehansko trdnost, razvije se tipična polikristalna mikrostruktura in izdelki dobijo značilne lastnosti.
Temi postopku pravimo tudi sintranje. Pri sintranju se delci prahu zdruţijo v mehansko trden agregat.
Z zemeljskim plinom dosegamo temperature do 1700°C. Z električnimi grelci doseţemo 1250 °C, kar v
večini primerov zadostuje. Reţim ţganja mora biti optimalen. Optimalen reţim ţganja prikazuje
časovna krivulja.
5.faza: Glaziranje
Glazura je tanka steklena prevleka na površini keramičnih izdelkov. Z glaziranjem postane površina
porozne keramike neprepustna. Doseţemo tudi boljši estetski videz izdelka. Mešanice za tvorbo glazur
so gline z dodatki talil in veziv. Glazure nanašamo v obliki suspenzij.
5
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
3. Struktura in lastnosti keramike
Med sintranjem poteka vrsta kemijskih reakcij, predvsem na površini zrn.
Za sintranje je značilno, da je temperatura sintranja niţja od tališča materiala, tako izdelek ohrani obliko.
Mikrostrukturo sestavljajo zrna in pore. Pri običajnem sintranju doseţemo poroznost 5-10% volumna. Za potrebe
elektronike je ta poroznost previsoka, za to je potrebno voditi postopek sintranja tako, da doseţemo skoraj nično
poroznost. Na lastnosti materiala vpliva tudi velikost zrn.
Na lastnosti materiala vpliva tudi velikost zrn.
Mikrostruktura Al2O3 keramike
Mikrostruktura klasične keramike je kompleksna zaradi številnih faz in kemijskih reakcij med ţganjem
keramike.
Mikrostruktura porcelana
6
Šolski center Novo mesto
Program: kemijski tehnik
KERAMIČNI MATERIALI
učno gradivo
4. Uporabnost sodobne tehnične keramike
Poleg ţe omenjenih izdelkov iz sodobne tehnične keramike se pojavljajo novi izdelki, ki so plod novejših
keramičnih tehnologij (debele in tanke plasti, naparevanje, večplastna struktura).
Področja uporabe so predvsem izdelki informacijskih tehnologij, promet, robotika, …
7