Mikołaj Szafran Współczesna ceramika tradycja teraźniejszość

Prezentacja na temat: "Mikołaj Szafran Współczesna ceramika tradycja teraźniejszość"— Zapis prezentacji:

1 Mikołaj Szafran Współczesna ceramika tradycja teraźniejszość
przyszłość

2 R.Pampuch, Wielka Encyklopedia PWN, Warszawa 2001, t.5, s. 277.
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 oC. R.Pampuch, Wielka Encyklopedia PWN, Warszawa 2001, t.5, s. 277.

3 Mezopotamia 5500 BC

4 Chiny 4500 BC

5 Egipt 1300 BC Fajans Szkło

6 Mezopotamia BC Szkliwione cegły

7 Grecja 400 BC ceramika szkło

8 Rzym 100 AD szkło lampka oliwna

9 Chiny AD Porcelana

10 Barcelona XX wiek

11 XXI wiek

12 ZMIANY STRUKTURY W TRAKCIE PROCESU CERAMICZNEGO
Proszek Formowanie Spiekanie

13 Podstawowe stadia wytwarzania wyrobów ceramicznych wg Neprakty

14 C E R A M I K A MATERIAŁY BUDOWLANE MATERIAŁY WIĄŻĄCE
CERAMIKA SZLACHETNA SZKŁO I DEWITRYFIKATY MATERIAŁY OGNIOTRWAŁE MATERIAŁY ŚCIERNE CERAMIKA KONSTRUKCYJNA Al2O3 ZrO2 Si3N4 SiC AlN CERAMIKA FUNKCJONALNA elektroniczna elektrotechniczna magnetyczna piezoelektryczna jądrowa kosmiczna bioceramika NANOCERAMIKA EMALIE

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

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

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

18 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 szybkościowej obróbki metali

19 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 elektrooptyczne

20 Właściwości materiałów ceramicznych
Ceramika monolityczna naprężenie odkształcenie Metal Zniszczenie katastroficzne Charakterystyczna różnica między ceramiką a innymi materiałami leży w wytrzymałości na wzrastające naprężenia (ciągliwość). Z uwagi na silne wiązania kowalencyjno-jonowe materiały ceramiczne są z natury kruche. 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.

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

22 Dotychczasowe zastosowanie i prognozy wzrostu udziału procentowego szeregu materiałów w konstrukcji silników samolotowych METALOWE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE STAL 50 STOPY NIKLU CERAMICZNE MATERIAŁY KOMPOZYTOWE 40 STOPY TYTANU 30 20 STOPY ALUMINIUM 10 1960 1970 1980 1990 2000 2010 Lata 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 komercjalizacja kompozytów zbrojonych dyspersyjnie SiC i Al2O3

23 CERAMIKA MONOLITYCZNA POKRYCIA CERAMICZNE
Rok Prace koncepcyjne badawcze optyma-lizacyjne Produkcja rynkowa KOMPOZYTY CERAMICZNE CERAMIKA MONOLITYCZNA POKRYCIA CERAMICZNE STADIA ROZWOJOWE GŁÓWNYCH RODZAJÓW CERAMIKI SPECJALNEJ W ODNIESIENIU DO CZĘŚCI SILNIKOWYCH

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

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

26 Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie:
wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4x mikrotwardość wzrasta dwa razy, np. n-Al2O3-SiC (10%obj.) przewodnictwo cieplne spada kilka razy przesuwa się granica plastyczności materiału odporność na ścieranie wzrasta 4 razy, np. n-Al2O3-TiO2 (13%obj.)

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

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

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

30 CERAMIKA 36% 28% 24% 12% POLIMERY METALE
ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I ROZWOJOWE W DZIEDZINIE PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW W NIEMCZECH W LATACH CERAMIKA POLIMERY METALE INNE 36% 28% 24% 12%

31 Prognozy rozwojowe ceramicznych materiałów specjalnych
Główne cele badawcze: 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 tolerancji uszkodzeń. Japonia Korea Południowa Wielka Brytania Francja USA Niemcy Skala aktywności wiodących krajów w zakresie zgłoszeń patentowych związanych z ceramiką specjalną ( )