Nauka o materiálu II

"Keramika"

Definice keramiky, její varianty, objasnění pojmů tradiční a pokročilá keramika, příklady

Keramika je definována jako anorganické nekovové nebo uhlíkové těleso uměle vyrobené nebo vytvarované pomocí vysokoteplotního procesu. Za keramiku se rovněz povazují kompozity slozené zcela nebo z podstatné části z výse definovaných materiálů.

Podle této siroké definice zahrnuje keramika i takové materiály jako je sklo, sklokeramika, keramické a uhlíkové vrstvy a povlaky, keramické monokrystaly, keramické kompozity.

Často se vsak pojem keramika zuzuje pouze na anorganické látky nekovového charakteru v převázně krystalickém stavu, připravené z výchozí práskové suroviny slinováním za vysokých teplot.

Keramiku v jejím uzsím pojetí (i nadále ji budeme takto chápat) lze rozdělit na tradiční a pokročilou. K přípravě tradiční keramiky se pouzívá surovin nacházených v přírodě, které jsou pro pouzití jen částečně upravovány. Jde o značně heterogenní materiály, které obs 313q1616d ahují po vypálení krystaly různého slození a výrazný podíl skelné fáze i pórů (zdravotní keramika - umyvadlo, záchod,., porcelán, elektroporcelán, dlazdice, obklady, cihly,.). Vedle této tradiční keramiky byly v posledních desetiletích vyvinuty nové typy keramiky, u nichz se vychází z čistých práskových chemikálií. Patří k nim keramika oxidová (např. Al₂O₃, ZrO₂, MgO, .), různé typy neoxidové keramiky (nitridy, karbidy, boridy, .) a také keramické kompozitní materiály. Tato keramika, souhrnně označovaná jako pokročilá keramika (podle anglického termínu "advanced ceramics"), předčí díky vhodnějsí mikrostruktuře a definovanému chemickému slození svými fyzikálně - chemickými a mechanickými vlastnostmi keramiku tradiční. V posledních letech je kladen důraz na přípravu keramických dílů s řízenou mikrostrukturou. Je snaha o dosazení velmi jemné a rovnoměrné struktury (na mikrometrické nebo lépe submikrometrické úrovni), jez vede ke zlepsení rozličných vlastností keramiky, a tím i zvýsení uzitných vlastností keramických dílů v mnoha aplikacích. U vsech tvarovacích metod vycházejících z práskových materiálů závisí výsledná mikrostruktura keramiky na velikosti částic výchozí suroviny.

Na rozdíl od tradiční keramiky, se kterou se kazdý setkává denně, pokročilá keramika není tak bězně známá, i kdyz nás obklopuje rovněz na kazdém kroku. Pro přiblízení můzeme uvést několik příkladů pouzití pokročilé keramiky:

řezné nástroje - destičky do obráběcích nástrojů umozňují delsí zivotnost a vyssí obráběcí rychlosti ve srovnání s ocelí (Al₂O₃, Si₃N₄, WC pojený Co)

loziska - tepelně namáhaná a vysokorychlostní keramická loziska lépe odolávají vysokým teplotám, korozi a ztrátě mazných vlastností (Si₃N₄), hodinková loziska (ZrO₂)

tepelné stroje - statory a rotory plynových turbín a turbodmychadla, vyssí účinnost vzhledem k moznosti pouzití vyssích teplot a otáček (SiC, Si₃N₄)

tepelná izolace - nízká tepelná vodivost a odolnost proti vysokým teplotám, aplikace ve spalovacích motorech (Si₃N₄, ZrO₂) , vyzdívky pecí (Al₂O₃, ZrO₂) plásťování kosmických raketoplánů (uhlíkové kompozity, SiO₂)

těsnění - otěruvzdornost s chemickou korozivzdorností (Al₂O₃, uhlíkové materiály), např. vodovodní baterie

topné elementy - vysokoteplotní topné elementy pro oxidační atmosféru (SiC, MoSi₂, ZrO₂)

pancéřování - keramické materiály B₄C a Al₂O₃ na pruzném podkladu poskytují stejné vlastnosti jako kovové pancíře s podstatně nizsí hmotností

brusné materiály - vyuzívá se vysoká tvrdost keramických materiálů (SiC, Al₂O₃, BN v kovové, skleněné nebo polymerní matrici)

biokeramika - keramické kostní náhrady vyuzívají otěruvzdornost, bioinertnost (Al₂O₃, ZrO₂) resp. bioaktivitu keramiky (hydroxyapatit, fosforečnan vápenatý)

elektrokeramika - dielektrika pro kondenzátory (BaTiO₃), substráty a izolanty pro el. obvody (Al₂O₃, MgO), tuhé elektrolyty pro palivové články, měřící sondy, chemické reaktory (ZrO₂, CeO₂)

Struktura keramiky, typy vazeb, vlastnosti keramiky, příčina křehkosti

Atomy v keramických materiálech jsou spojeny kovalentními, iontovými vazbami nebo smísenými (tj. iontově-kovalentními) vazbami. Větsina pokročilých keramických materiálů je krystalická, ale v jejich struktuře se mohou se vyskytovat i podíly amorfní (skelné) fáze. Skelné fáze tuhnou při ochlazení z kapalné fáze bez krystalizace. Molekuly ve sklech nejsou uspořádány v pravidelném opakujícím se pořádku na dlouhou vzdálenost, jak je tomu u krystalických látek. Oxid křemičitý je typickým představitelem keramiky, která se vyskytuje (a také vyuzívá) jak v krystalickém, tak skelném stavu.

Iontové a kovalentní vazby v keramice jsou odpovědny za výrazné odlisnosti některých fyzikálních vlastností keramiky ve srovnání s kovy. Nejvýrazněji se to projevuje u vlastností primárně závislých na elektronové struktuře. Např. elektrická a tepelná vodivost je vzhledem k nepřítomnosti volných elektronů řádově nizsí nez u kovů. Naproti tomu vliv elektronové struktury na mechanické vlastnosti není tak přímočarý. U látek s iontovou, kovalentní nebo kovovou vazbou mají vazbové energie řádově stejnou velikost. To znamená, ze elastické vlastnosti a maximální dosazitelná (ideální) pevnost jsou u keramiky a u kovů řádově stejné a dokonce keramika v některých případech kovy předčí. Typ vazeb má vsak překvapivě výrazný vliv na pohyb dislokací v keramice. Zhorsuje se tak schopnost plastické deformace, která je v krystalických látkách způsobena pohybem dislokací. Tím dochází k křehkému chování keramiky - největsí překázce v konstrukčním pouzití keramiky. Příčiny obtízného pohybu dislokací v keramice lze rozdělit do několika skupin:

Zhorsená pohyblivost dislokací - u látky se silnou kovalentní vazbou musí při pohybu dislokace docházet k porusování směrových vazeb s vysokou energií, coz vede k vysokému Peierlsovu-Nabarrovu (P-N) napětí (napětí potřebné k pohybu dislokace ve skluzové rovině), které se blízí ideální pevnosti. Značně vysoká P-N napětí mají také slozité iontové krystaly.

Zhorsená manévrovatelnost dislokací - u iontových krystalů s jednoduchou mřízkou (MgO, ZrO₂) je P-N napětí blízké P-N napětím u kovů, ale v mřízce je omezen počet rovin a směrů skluzu. Nesplňují tedy podmínku pěti nezávislých skluzových systémů pro plastickou deformaci polykrystalického materiálu (Missesovo kritérium). Znamená to tedy, ze jako monokrystaly jsou tyto materiály tvárné, jako polykrystaly vsak nikoliv.

U mnoha keramických materiálů je omezení tvárnosti způsobeno oběma předchozími příčinami zároveň (např. Al₂O₃, SiO₂, SiC, Si₃N₄).

Se zvysující teplotou se snizuje P-N napětí a aktivují vedlejsí skluzové systémy. Nad určitou přechodovou teplotou by tedy keramické materiály měly být tvárné. Tato přechodová teplota je velmi vysoká a blízí se k teplotě tavení. U bězné keramiky připravené z slinováním práskového materiálu vsak nedokonalá struktura hranic zrn vede naopak k usnadnění lomu po hranicích zrn jestě před dosazením přechodové teploty.

Konkrétní typ mřízky a vazeb v keramice určuje specifické vlastnosti kazdého keramického materiálu. Lze vsak obecně shrnout vlastnosti keramiky v porovnání s ostatními materiály.

Přednosti

vysoký bod tání

pevnost v tlaku

tvrdost

otěruvzdornost

chemická odolnost

střední a nizsí hustota

Omezení

křehké chování

citlivost k tepelným sokům

obtízná výroba a nákladné opracování

Některé vlastnosti omezující pouzití keramiky v jedné aplikaci mohou být s výhodou vyuzity v jiné aplikaci (např. nízká tepelná vodivost způsobující praskání při teplotních socích je s výhodou vyuzívána při pouzití keramiky jako izolačního materiálu). V současné době se pouzití keramiky zdaleka neomezuje jen na konstrukční aplikace ve strojírenství, ale vyuzívají se mnohé unikátní vlastnosti různých druhů keramik (např. elektrické a magnetické vlastnosti, optické vlastnosti, biokompatibilita, chemické vlastnosti).

Základy technologie pokročilé keramiky, způsoby tvarování (lisování, suspenzní lití, plastické tvarování), slinování, opracování

Přípravu keramických dílů z práskového materiálu lze obecně popsat následujícími kroky:

Úprava práskového materiálu

Tvarování keramického polotovaru

Susení resp. odstraňování pojiva

Vysokoteplotní zpracování - slinování

Opracování slinutého keramického dílu - brousení, lestění

Úprava prásku představuje dosazení nejvhodnějsí granulometrie tj. velikosti, tvaru a stupně aglomerace keramických částic vzhledem k pouzité tvarovací metodě. Upravený prásek je formován do pozadovaného tvaru. Nejběznějsí tvarovací metody pro vytvoření keramického polotovaru jsou suché lisování (uniaxiální nebo izostatické), suspenzní lití a plastické tvarování (injekční vstřikování a vytlačování).

Lisování - suchý prásek nebo prásek s malým přídavkem pojiva je slisován dostatečně vysokým tlakem tak, aby vznikl dostatečně hutný a pevný polotovar. Hustota dílu, a tím i výsledné vlastnosti, se mění po průřezu dílu vzhledem tlakovým rozdílům způsobeným třením prásku o stěny formy. Nehomogennost slisovaného dílu se zlepsí při oboustranném lisování. Nejvyssí homogenita  je vsak dosazena při lisování ze vsech stran - izostatickém lisování. V tomto případě je prásek uzavřen v gumové formě a tlak pro zhutnění je vyvozen kapalinou.

Suspenzní lití - práskový materiál je ve formě vodné suspenze nalit do porézní formy (nejčastěji sadrová forma). Porézní forma absorbuje kapalinu a na povrchu formy vzniká tuhá vrstva keramických částic. Po vytvoření vrstvy pozadované tlousťky se přebytek suspenze vylije. Chceme-li zaplnit celou dutinu formy, přidáváme suspenzi do formy tak dlouho, dokud vrstva keramického materiálu nezaplní celou formu. Keramický díl se potom vysusí, aby získal manipulační pevnost a mohl být vyjmut z formy.

Plastické tvarování - keramický prásek je zplastifikován smícháním s dostatečným mnozstvím pojiva. Viskózní suspenze je buďto vytlačována přes tvarovací trysku a vytváří polotovar s pozadovaným profilem (vytlačování) nebo je vstřiknuta do formy, ze které je po ztuhnutí vyjmut polotovar v zádaném tvaru (injekční vstřikování).

Po vytvarování dílu je třeba keramický polotovar vysusit resp. odstranit z něj vsechno pojivo a dalsí přísady, které byly pouzity při tvarování. Po odstranění pojiva je keramický polotovar porézní a jednotlivé keramické částice jsou drzeny navzájem van der Waalsovými silami, vodíkovými vazbami event. prostřednictvím molekul cizorodých látek, které zůstaly po odstraňování pojiva a susení adsorbovány na povrchu částic keramického polotovaru.  

Vysokoteplotní zpracování - slinování probíhá za zvýsené teploty a vede k zhutnění porézního keramického polotovaru. Hnací silou slinování je snízení celkové volné energie systému keramických částic. Mezifázové rozhraní keramická částice-plynná atmosféra s vysokou energií je během slinování nahrazeno rozhraním částice-částice (hranice zrn) s nizsí energií. Slinování probíhá pod teplotou tavení keramického materiálu. V případě, ze se některá slozka vícefázového keramického materiálu roztaví, jedná se o slinování v přítomnosti kapalné fáze (vitrifikaci). Tento způsob slinování keramiky je s výhodou vyuzíván, neboť můze zrychlit a usnadnit proces zhutňování.

Finální opracování keramického dílu je časově a ekonomicky náročná operace, proto je třeba volit takové tvarovací metody, které tuto operaci minimalizují. Vzhledem k tvrdosti keramiky je nutno ve větsině případů pouzívat diamantové nástroje.

Zkusební metody keramiky (pevnost, lomová houzevnatost, tvrdost, pórovitost, fázové a chemické slození)

Mechanické vlastnosti

Vzhledem k náročnosti přípravy keramických vzorků pro tahovou pevnost se keramika zkousí převázně v ohybu. Je třeba zdůraznit, ze pevnost u keramiky nepředstavuje materiálovou charakteristiku, protoze je vzhledem ke křehkému chování keramiky závislá na přítomnosti defektů ve struktuře, tedy na konkrétní technologii daného vzorku. Stejný materiál můze dosáhovat naprosto odlisné pevnosti. Velký rozptyl hodnot pevností vyzaduje statistické zpracování. Weibullova statistika vhodným způsobem popisuje rozdělení hodnot pevnosti a lze ji vyuzít při výpočtech spolehlivosti konstrukčních dílů. Křehké chování keramiky způsobuje velký rozdíl v pevnostech v tahu a v tlaku. Tento charakter keramiky je nutno vzít v úvahu při konstrukčních návrzích dílů a principiálně omezovat oblasti s vysokou koncetrací tahového namáhání. Lomová houzevnatost je nejdůlezitějsí veličinou při stanovování mechanických vlastností keramiky. Lomová houzevnatost představuje odpor proti síření trhliny a tuto veličinu lze více méně povazovat za materiálovou konstantu. Spolu s velikostí defektů v keramice přímo určuje lomové napětí, tj. napětí potřebné k porusení vzorku. Měření lomové houzevnatosti vsak narází na mnoho problémů a získané hodnoty se lisí az několikanásobně podle zvolené metody měření. Tvrdost se nejčastěji měří v uspořádání podle Vickerse nebo Knoopa. Vytvoření vtisku hrotu v křehké keramice je mozné (při zatízeních, při kterých nedojde k celkovému rozdrcení vzorku) protoze při tlakových napětích dojde k pohybu dislokací (a tedy plastické deformaci), aniz by doslo k poskození vtisku. Okolí vpichu je vsak značně ovlivněno vznikajícími napětími a můze dojít k tvorbě trhlin v blízkosti vpichu. Délku a charakter těchto trhlin je mozno vyuzít například k posouzení lomové houzevnatosti keramiky.

Pórovitost

Důlezitou vlastností u keramiky je její hutnost (póry představují defekty, které ovlivňují pevnost). Podle úrovně slinutí mohou keramiky obsahovat otevřené nebo uzavřené póry.

Stanovení pórovitosti se provádí nejčastěji vázením v kapalině s vyuzitím Archimédova zákona.

Morfologie, fázová struktura a chemické slození

Pro stanovení morfologie struktury, fázového a chemického slození se pouzívají obdobné metody jako pro kovy. Rozdíl spočívá v obtíznějsí přípravě vzorků. Některé metody přípravy vzorků a analýzy (SEM, ..) vyzadují elektricky vodivé materiály. V těchto případech se musí volit jiné metody nebo vzorky upravit např. pokovením.