5. KERAMIKA, SKLO, SKLOKERAMIKA – STRUKTURA, ZÁKLADNÍ DRUHY, VLASTNOSTI, POUŽITÍ Vysoká škola technická a ekonomická v Českých Budějovicích Institute of Technology And Business In České Budějovice
Tento učební materiál vznikl v rámci projektu "Integrace a podpora studentů se specifickými vzdělávacími potřebami na Vysoké škole technické a ekonomické v Českých Budějovicích" s registračním číslem CZ.1.07./2.2.00/29.0019. Tento projekt je spolufinancován Evropským sociálním fondem a státním rozpočtem České republiky.
KERAMICKÉ MATERIÁLY • keramické výrobky provázejí člověka již odpradávna • se původně připravovali výhradně z přírodních surovin, jsou vlastně prvním člověkem vyrobeným materiálem se specifickými vlastnostmi, a vynikající stabilitou těchto vlastností • název " keramika " má původ v starořeckém slově " keramos " , což znamená " pálená hlína " • Keramický materiál je převážně krystalický, složený převážně z anorganických sloučenin nekovového charakteru
KERAMIKA • Keramika představuje velmi širokou škálu materiálů, které se vzájemně liší svým chemickým složením, strukturou a vlastnostmi. • Tyto materiály lze definovat jako převážně krystalický materiál, tvořený především anorganickými sloučeninami nekovového charakteru. Toto označení zahrnuje jak tradiční keramiku, brusné materiály i nové keramické materiály – tzv. technickou (konstrukční) keramiku. • Keramické materiály obvykle připravujeme z výchozích prášků slinováním.
KERAMIKA • Vlastnosti klasické keramiky jsou do značné míry dány vlastnostmi přírodních surovin. • Technická keramika se připravuje převážně ze syntetických surovin. Vlastnosti vyžadují dodržení přesného a neměnného složení. • Strukturu keramických materiálu lze charakterizovat jako heterogenní, polykrystalickou, polyfázovou.
TECHNICKÁ KERAMIKA • Tato keramika, zvaná též konstrukční, se vyrábí převážně ze syntetických surovin. • Jde o novější typ keramiky, který se využívá v řadě technických aplikací, zejména za extrémních podmínek. • Má výbornou chemickou odolnost, žáruvzdornost, odolnosti proti opotřebení a pevnost v tlaku. Navíc, oproti keramice tradiční, musí odolávat kolísání teplot a zatížení. • Rozdělení: - keramika oxidická - keramika neoxidická - keramika směsná
TECHNICKÁ KERAMIKA • Biokeramika – musí splňovat velmi vysoké nároky na pevnost, odolnost vůči vnitřnímu prostředí těla člověka a v neposlední řadě musí být zdravotně nezávadná. Využívá e ve zdravotnictví především na implantáty - např. hlavice kloubů. • Řezna keramika – u této keramiky je využíváno zejména její vysoké tvrdosti, která zůstává zachována i při vysokých teplotách. Používá se především na výrobu řezné techniky, kde je potřeba dobré otěruvzdornosti a tvrdosti např. při rychlořezném obrábění.
VLASTNOSTI TECHNICKÉ KERAMIKY
• Keramické materiály vynikají vysokou pevností, tvrdostí a otěruvzdorností, ale současně jsou náchylné ke křehkému porušení. • Keramika vykazuje relativně velkou pórovitost a její teplotní vodivost a roztažnost je podobná kovům. • Dále má keramika vysokou tlakovou pevnost a je charakteristická zejména vysokým bodem tání, chemickou odolností, žáruvzdorností a svými elektrickými vlastnostmi.
OBLASTI VYUŽITÍ KERAMIKY • • • • • • • • • •
Otěruvzdorné součásti Keramické brusné materiály Řezné nástroje Ložiska Biokeramika Elektrochemická zařízení Tepelné výměníky Vozidlový průmysl Povlaky Vojenské a kosmické technologie
SKLO
• Skleněné předměty se vyrábějí ochlazením taveniny (skloviny). Z technického hlediska je sklo podchlazená tekutina a nemá krystalickou strukturu. Sklo teče, i když velmi pomalu téměř stále. • V současné době se vyrábějí stovky různých druhů skla pro nejrůznější praktické aplikace, které se navzájem odlišují fyzikálními vlastnostmi i vzhledem.
SKLO • Z fyzikálního hlediska je sklo každý amorfní, homogenní a tuhý materiál. • Vzniká nejčastěji ochlazením taveniny takovým způsobem, že nezkrystalizuje a přitom dosáhne tak vysoké viskozity, že se chová jako pevná látka. • Materiál ve sklovitém stavu lze získat také za stálé teploty (např. tavenina selenu) při dostatečně vysokém tlaku.
SKLO • Mezi základní látky, které mohou tvořit skla, patří některé chemické prvky (S, Se, Te, P), oxidy ( B2O3, SiO2, GeO2, P2O5, As2O3 ), boritany a křemičitany ( Na2B4O7, Na2Si2O5 ), halogenidy ( BeF2, AlF3, ZnCl2 ), sulfidy, selenid a telurid některých prvků a směsi některých dusičnanů a uhličitanů. Na základě vstupní suroviny mezi nejpoužívanější druhy skel patří: křemenné sklo, sodno - vápenaté a sodno - draselné skla, olovnaté, borité a fosforečné skla.
SKLO • Základními surovinami při výrobě skla jsou čistý křemičitý písek, oxid vápenatý, uhličitan sodný nebo draselný a oxid hlinitý. Z těchto surovin se připraví tzv. sklenářský kmen, který se taví ve sklářské peci. Tekutá sklovina se pak zpracovává foukáním, tažením, válcováním, lisováním, odléváním apod. Vzniklé polotovary pak lze leptat, pokovovat, brousit nebo leštit.
SKLO • Sklo je v podstatě tvořeno základními složkami: 1. 2. 3. 4. 5.
sklotvorné složky, které tvoří kostru skel, taviva - slouží jako urychlovače tavení; snižují teplotu tání, což přináší zejména ekonomický efekt, čiřidla, jejichž úkolem je, aby sklo bylo čiré, tedy průhledné, barvivá - používají se zejména oxidy přechodných kovů a vzácných zemin, složky na úpravu vlastností, jejichž vliv je třeba vhodně zkombinovat s působením tavidel, protože často působí protichůdně a většinou se používají jako stabilizátory.
SKLO Druhy a použití skla • Technické sklo - laboratorní nádoby, teploměry, hustoměry, nádoby na biologické a mikroskopické účely, výrobní aparatury, dopravní prostředky • Optické sklo - čočky a hranoly různých velikostí a různých optických vlastností • Skelná vlákna - výroba sklolaminátů, pro tepelnou, zvukovou a elektrickou izolaci, v lékařství a farmaceutickém průmyslu
SKLOKERAMIKA • Sklokeramika je polykrystalický materiál vyrobený řízenou krystalizací ze skla. Krystalizace probíhá v celém objemu skla podle přísně regulovaného režimu , za účasti látek urychlujících nukleace. Získává se tak produkt s rovnoměrnou a jemnozrnnou strukturou ( velikost krystalů obvykle 0,1 - 1 mm ) , obsahující pouze malé množství zbytkové fáze.
SKLOKERAMIKA • Výrobní postup záleží na tavení a tvarování výrobků sklářskou technikou a na tepelném zpracování, které jsou produkty převedou na produkt charakteru keramiky. Výhodou tohoto postupu je především to , že z homogenního skla se získá rovnoměrná neporézní struktura, která je nositelem vysoké pevnosti (podstatně vyšší než u vycházejícího skla) a různých specifických vlastností (např. velmi nízká až nulová teplotní roztažnost).
SKLOKERAMIKA • U keramických a kovových materiálech je známo, že mechanická pevnost silně závisí na struktuře: čím menší je velikost zrn, tím vyšší jsou obvykle mechanické parametry. Při sklokeramice by měla existovat určitá optimální velikost zrn, protože při homogenním skle je pevnost opět poměrně nízká.
SKLOKERAMIKA • Objev sklokeramiky jako nového typu materiálu s neobvyklými parametry a jejich rychlý laboratorní vývoj předešel ve své době aplikační možnosti. Dnes se sklokeramika uplatňuje ve výrobě varných nádob dále v technice, kde se využívají specifické mechanické, tepelné , elektrické a jiné vlastnosti, a ve stavebnictví, které se orientuje na materiály z levných přírodních nebo odpadních surovin.
LITERATURA • POKLUDA, J., KROUPA, F., OBDRŽÁLEK, L. Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek – kovy, keramika, plasty., 1. vyd. Brno : PC-DIR, 1994. ISBN 80-214-0575-9. • HAŠKOVÁ, E.: Technologie skla a keramiky II., Liberec 1983 • PTÁČEK, L. a kol.: Nauka o materiálu II., 2002 • FANDERLÍK, I. A KOL. Křemenné sklo a jeho využití v praxi. Praha: SNTL, 1985 • HLAVÁČ J.: Základy technologie silikátů, SNTLnakladatelství technické literatury, Praha 1981.
