Seminarski Ver 2.0

7/27/2019 Seminarski Ver 2.0

1/15

Seminarski rad iz SavremenihMaterijala

Keramika kao Savremeni Materijal

Student:

Mentor:

Skula Admir,

dr.sc. Dafer Kudumovi

Tuzla 27.10.2008.


2/15

Pojam i Podjela Keramike

Termin keramika pokriva anorganske nemetalne materijale koje se formraju pod djelovanjem

topline. Pojam keramika potie iz starogrke rijei za mineral gline (keramikos).Produkcija keramike pripada jednoj od najstarijih tehnika ovjeanstva. Njena najstarijauporaba ini se da je vrena kod polu-nomadskih lovakih kultura u podruju gornjeg Nila.Svoju veliku rasprostranjenost zahvaljuje proirenim mogunostima koje je pruzala zauvanje (skladitenje) hrane koja je bila potrebna u neolitu. Keramika igra veliku ulogu udeterminiranju neolitskih kultura. Polazni materijal glina je veoma rano pruao podraaje zaumjetnoko oblikovanje. Do 1950-tih godina prolog vijeka najvanije su bile tradicionalnegline, pravljenje u grniariju, cigle, ploice i sline, skupa sa cementima i staklon.Kompozitni materijal keramike i metala je poznat kao cermet. Tehnologija prozvodnje iuporabe keramikih materijala je dio oblasti keramikog ininjerstva.

Sam primjer podruja siroke primjene keramike su razliite definicije rijei keramika uanglosaksonskom ili pak srednjeevropskom podrucju.

Primjer ope definicije u anglosaksonskom podruju:

CERAMICS je prelazni termin za sve neorganske, nemetalne spojeve (staklo, emajl, vezivnasredstva, monokristali, soli takoe i ledeni kristali)

Ameriko udruenje za testiranje materijala (ASTM) definira keramiki dio kao dio koji ima

glazirano ili neglazirano tijelo od kristalne ili djelomin kristalne strukture, ili od stakla, ijetijelo se proizvodi u osnovi od neorganskih, nemetalnih substancija a kao takvo je formiranood otopljene mase koja se uvrsti prilikom hlaenja, ili se formira istovremeno ili kasnijedjelovanjem topline..

Tonija definicija po Dietzelu (srednjevropska, Njemaka):

Keramika je prelazni pojam za:

nemetalno,anorganske

cjelokupno ili djelomino (>30% udio) kristalne

pretezno vodootporne materijale

koji se pri proizvodnji ili uporabi zagrijavaju na velike temperature

(znaajke odreenosti se mogu provjeriti samo na gotovom produktu)

Naposljetku definicija uspostavljena na bazi tehnologije proizvodnje:

Keramiki materijali su oni, koji se prvo fromiraju iz praka pa onda poslije tog preko peenja

dovode u svoj konani oblik. Kroz sam proces peenja se gubi sposobnost defofmabilnosti ielastinosti.


3/15

Shodno tome je razlikovanje nemetalno anorganskih materijala slijedee:

KERAMIKA

Staklo i

Vezivna sredstva

KERAMIKA STAKLO VEZIVNIMATERIJALI

Prah Prah Energija

Davanje Forme Energija Prah

Energija Davanje Forme Davanje FormeTabela 1.1.

Tabela 1.1. nam daje neku osnovnu podjelu nemetalnih anorganskih materijala shodnotehnologiji proizvodnje.

Dalje keramika industrija (njemaka al to je generalisano, npr. sam DIN standard je osnova

za sve ostale) dijeli ovisno o veliini i grai zrna na finu i grubu keramiku, odnosno naindustrijsku i tradicionalnu.

Definicija po Hausner-u ide preko same mikrostrukture al isto tako i preko grae zrna.


4/15

Slika 1.1. Nastanak kristalne strukture kroz tri faze: (1) formiranje klica kristalizacije (2)rast kristala (3) gotova mikrostruktura

Granica kod veliine je preteno od oko 0,1 do 0,2 mm. Ako su dijelovi koji grademikrostrukturu manji od 0,1 mm, tj. ako se golim okom ne mogu uoit onda govorimo o finoj

keramici.

Finoj keramici pripadaju Tehnika Keramika, keramika za posue, ukrasna keramika,sanitarna keramika, zidne i podne ploice s sredstva za struganje na keramikoj bazi.

Gruboj keramici pripadaju cigle ili drugi konvencionalni vatrostalni materijali.

Takodje je veoma esta podjela na tradicionalnu i industrijsku keramiku.

Tradicionalna keramika nainjenaod tri osnovne komponente: gline, silicijum dioksida (SiO2)i feldspata. Ova keramika se koristi za opeke i ploice u graevinarstvu kao i za

elektroizolacioni porculan kod visokih napona.

Industrijska (tehnika) keramika se sastoji iz istih ili skoro istih jedinjenja od kojih sunajvaniji: aluminium dioksid (Al2O3), cirkonijum oksid (ZrO2), vrolfram karbid(WC),silicijum karbid (SiC) i silicijum nitrid (Si3N4), bor karbid (B4C) i bor nitrid (BN).

TRADICIONALNA KERAMIKA

Abrazivni proizvodi Brusne ploe, brusni papiri, mlaznice ureajaza pjeskarenje, kugle mlinova

Proizvodi od gline Opeke, grnarija, kanalizacione cijevi

U graevinarstvu Opeke, ploice, beton, gips

Vatrostalni materijali Opeke, lonci za topljenje metala, kalupi

Tabela 1.2 Podjela tradicionalne keramike

INDUSTRIJSKA KERAMIKA

U automobilskoj industriji i

aerokosmonautici

Komponente gasnih trubina, toplotne barijere,

komponente izduvnog sistema motora,zaptivai

U elektronskoj industriji Poluprovodnici, izolatori, grijna tijela, grijnatijela, laseri, optika vlakna

U proizvodnom masinstvu Dijelovi alata za obradu metala i sijeenje,dijelovi otporni na habanje i koroziju,magneti

U medicini Laboratorijska oprema, protetike naprave

Tabela 1.3 Podjela industrijske keramike


5/15

Keramike sirovine

Slika 2.1Rudnik gline u Westerwaldu

Silikatne sirovine

Ovim sirovinama pripadaju sve sirovine koje sadre [SiO4]4Tetraedar u kristalnoj strukturi.

Glineni minetali i njene mjeavine

Gline su aluminijumski silikati koji sade vodu. Razlikujemo izmeu primarne i sekundarnegline. Gline i ilovae nastaju kroz razgraivanje slikatnih minerala. Glavni sastojci su ilit,montmorillonit i kaolinit, veliine zrna su do 0,002 mm. Po upotrebi se ove sirovine dijele naKamene gline, grniarske i ilovau. Kalcijum-karbonatna glina ima veliki udio talka, kojidjeluje teno. Kako na takvim dijelovima olovne i cik-glazure se veoma dobro lijepe, esto sekoriste za crijep i ploice. Betoniti su produkt razgraivanja vulkanskog porijekla, djeluju ve

pri malim koliinama jako plastificirajue, poboljavaju formljivost i vrstou prilikom

procesa suenja. Iz velikg primanja vode betonta u procesu davanja forme rezultira velikokaliranje ve tokom suesnja.

Izbor i mjeavina sirovina mora da odgovara slijedeim uvjetima: Dobra formljivost mase,malo kaliranje prilikom suenja i peenja, velika vrstoa prilikom peenja i mala ili nikakvaizmjena boje konanog produkta.


6/15

Kaolini

Kalin, poznat i kao porculanska zemlja, je produkt raspadanja feldspata. Sastoji se iz najveeg

dijela od kaolinitia, to je hidratizirani aloumoslilikat, ali i od kvarcnog pijeska, feldspata imuskovita. Posljednji se sastojici se filtriranjem kroz sito odvajaju, jer konani produkt morabit to vie plastian, prilikom suenja mora biti stabilne forme i nakon peenja mora bitibijel. Da bi se postigle eljene osobine mjeaju se kaolini razliitog porijekla; da bi se postiglodobro ponaanje pri lijevanju dodaje se i sredstvo za plastificiranje, kao to je vodeno stakloi/ili soda.

Neplastine sirovine

Feldspati su za razliku od talka dobra sredstva za teenje, koja sa poveanom temperaturompeenja djeluju na veu gustou produkta. Smanjuje se nestajanje prilikom suenja, ali se zatopoveava nestajanje prilikom peenja. Kvarz kao sredstvo smanjuje nestajanje u oba sluaja,al zato pogorava plastinost. Kvarc se kao pijesak najfinijih zrna ili kao samljeveni kamenuporabljuje, ali mora biti to ii, da bi se neeljena bojenja izbjegla. Talk se koristi kao

blatnjava kreda ili kao samljeveni talki kamen koristi. Kao sredstvo on poveava stabilnostforme prilikom suenja, kod peenja djeluje kao flux (sredstvo za olakavanje rukovanja saotopljenih masa). Al njegove take sinterovanja i topljenja su veoma blizu pa tako kod velikihtemperatura postoji opasnost deformiranja. amot poveava proznost i smanjuje nestajanje

prilikom suenja i peenja. Magnezijumovi minerali (talkum, magnezit) daju proizvoduodanost pri velikim promjenama temperatura; najee se koriste za elektrotehnike

produkte.

Oksidne sirovine

Sa slijedeim sirovinama se proizvode oksidne keramike, koje se najvise upotrebljavaju upodruju tehnike (tehnika keramika). Neke od ovih sirovina su sintetike sirovine.


7/15

Aluminijumokisid

Aluminijumoksidne keramike se baziraju na -Al2O3, Korundu. Slue kao sredstva za

struganje i poliranje, takoe se koriste kao nosivni materijali za integriranje strujne krugove.Iz sinterovanog korunda ili topljenog korunda

daju se napraviti vatrostalni proizvodi. Produkti

od aluminijumoksida mogu sadrati staklenu fazu,

vei sadaj staklene faze smanjuje temperaturu

sinterovanja, ali i vrstou i temperaturnu

odivost.

Slika 2.2 kristalna struktura Al2O3

Da bi se vrstoa dalje poveala, moe se dodati cirkonijumoksid: ova posebno ilavakemakima se oznaava kao ZTA (zirconia toughened alumina).

Najvaznije modifikacije aluminijum oksida su:

kubina -Al2O3(glina, polazni materijal za dio keramickih materijala)

romboedarski (triagonalni) -Al2O3 (poznatiji kao mineral korund, safir ili kad

kromskog dotiranja- Rubin, kao sredstvo za bruenje ili kao aluminijum oksidanakeramika)

al takoe imamo i -Glinu (-Al2O3), no kod ovog se radi o historijskj gresci. Kodovog se radi o jedinjenju od Na2O i Al2O3 u Na2Al22O34 (Na2O*11Al2O3), poznat kaomineral Diaoyudaoit

Kasnije e biti vie govoru o aluminijumskim keramikama.

Berilijumoksid

Iz sinterovanog berlijumoskida (BeO) se proizvde zdjela za kemijske reakcije pri velikimtemperaturama. Iz BeO se takoe prave i elektrino izolirajui, ali i visoko toplotno-

provodljivi chip nosioci, da bi se nastala toplotna energija mogla na hladee tijelo provesti.Zbog velike cijene i otrovnosti se BeO smjenjuje kroz razne druge materijale, kao to sualuminiumoksid ili skuplji aluminuimnitrid za provoenje toplote ili pak grafit zavisokoteperaturne laboratorijske posude.


8/15

Druge oksidne sirovine

Druge oksidne sirovine, koje se koriste prilikom proizvodnje keramike su cirkonoksid iaminiumtitanat.

Neoksidne sirovine

Slijedee sirovine se koriste za produkciju neoksidnih keramika, koje se tokoeupotrebljavaju nairoko u tehnikom sektoru. U praksi se ove sirovine umjetno dobijaju.

Silicijumkarbid

Silicijum karbid (SiC) pripada na osnovu svojih posebnihsposobnosti tranutno najvanijim industrijskimkeramikama za visokoefektivne uporabe. Koristi se kaosredstvo za struganje, u kliznim leajevima od kemijskih

pumpi, kao estini filter i takoe za visokotemperaturneuporabe kao temperaturno stabilni dio aparata (npr. kareciver kod solarnih elektrana), zbog toga to je veoma tvrdkao i termiki i kemijski otporan. Dalja uporaba su kao

prstenovi u prstenasto kliznim diftunzima.

Najznaajnima produkcija (Acheson postupak) sljeduje iz kvarcnog pijeska i koksa pri 2 .200oC:

SiO2 + 3 C SiC + 2 CO

Moe se uporediti sa redukcijom kvarca u sirovi silicijum; ali se koristi vea koliina ugljika.Za bolju formljivost je prikladnija proizvodnja iz topljenog silicijuma i ugljika. Pri ovome sedrveni ugalj, koji se prije toga dovede u pravi oblik, ouvao. Kroz pore se moe primitislicijum i onda do SiC reagovati.. nastaje posebna forma silicijumkarbida, tzv. SiSiC

(silicijumfiltrirani SiC), u kojem se i dalje odreeni procenti nereagiranog slicijuma nalaze,to negativno utie na otpornost ka koroziji.

U prirodi se rjee naie na SiC. Tada se on oznaava kao moissanit.

Bornitrid

Poto je bornitrid (BN) pri normalnim uslovima slino graen kao grafit i jo k tome veomatemperaturno utporan (reaguje tek pti 750 oC sa zrakom), koristi se kao visokotemperaturnomazivo. Dijamantska modifikacija brazon je nakon dijamanta najtvri materijal.


9/15

Heksagonalna kristalna struktura se moe proizvesti, ako se kod grafita smjenjujui zamjeneugljici borom i nitrogenom. Znai sastoji se iz nivoa sa svih strana kondenziranih borazon

prstenova. Bornitrid nije elektriki provodljiv kao grafit, jer su elektroni jae lokalizirani naatomima nitrogena.

Pri 60-90 kbar-a i 1.500-2.200 oC se pretvara BN u kubini borazon koji se u dijamantnoanalognoj strukturu kristalizira. Borazon je sline tvrdoe kao dijamant, ali je otpornijioksidiranju pa se zato koristi kao sredstvo za struganje.

Borcarbid

Borcarbid (B4C) je jo jedan veoma tvrdi materijal (na treem mjestu za dijamanta iborazona). Koristi se kao sredstvo za struganje za oklopne plate i pjeane dizne. Proizvodnjase vri pri 2.400 oC iz B2O3 i ugljika.

Druge neoksidne sirovineJos par neoksidnih sirovina koje se koriste prilikom proizvodnje keramike su silicijumnitrid,aluminijumnitrid i volframcarbid.

Manipulirane keramike sirovine

U poetku su se zvale metalino-keramike sirovine. No keramika u pravilu nema nikakveveze sa metalnim materijalima. Ali poto se metali mogu pri slinim procesima formiranjamogu dodati kao keramiki materijali je ovo grekom nazvano. Radi se o suhom presovanju,lijevanju emulzije za bruenje, ili plastinog formiranja preko vezivnih sredstava. Ovaj dio

proizvodnje metalnih materijala se naziva pulverasta metalurgija. Prilikom nje se radi sanajfinijim zrnima.

Suho presovanje: keramiki se prah se suho presuje u elinoj matrici preko pritiska

donjeg i gornjeg alata sa pritiscima oko 1 t/cm 3. Mogue je i hladno izostatikopresanje. Tada se keramiki prah puni u gumenu formu i preko pritiska tekuine(preteno ulja) sa svih strana presuje. Nakon davanja forme se dio pee odnosnosinteruje. Pri svim postupcima formiranja hladno izostatinog davanje forme je

mogue da se dobiju ravnomjerno raspostranjene osobine diljem citavog dijela zarazliku od suhog presovanja.

Livenje emulzije: keramiki se prah se dovodi u mjeavinu s vodom i prikladnom

tekuinom (elektrolitom). Prilikom toga je mogue da se, viskoznost suspenzije krozdjelovanje sredstava za peptizaciju spusti, dako da je to je mogue vie volumena u

suspenziju moe uvest. Kroz livenje emulzije u gipsane forme, gdje e gipsana formada upije vodu, na rubu forme se gradi plastina koa. Kada se viak emulzione


10/15


11/15

Preostala masa se sui iponovo melje. U ovoj formise sirova masa moeskladititi ili pod dodatkomvode i tekuih pomonihsredstava mijesi odnosnozrai. Pored toga je nedavno

polumokra i suha pripremakod industrijske produkcijadobila na znaaju.

Slika 2.3 pripremljena glina

U radionici lonarstva se djelomino i dalje ovaj proces izvodi manualno. Poto pogoni zamljevenje esto ne budu pristupni, oblatnjavanju se daje poseban znaaj. Homogeniziranjemase se dobija mukotrpnim mjeanjem. Danas se najee koriste maine za taj posao. Cilj jedobiti homogenu, glatku radnu masu bez balonia zraka u sebi.

Davanje forme

Slika 2.4 toploisostatska presa

Davanje forme se kod grubekeramike vri pomouekstrudiranja (npr. cijevi i ipke)ili pomou klasinih presa. Finakeramika se (analognohistorijskom razvitku) krozslijedee postupke formira:

Modeliranjem

Ekstrudiranjem

Graenje iz pojedinih ipki

Tehnikom ploa

Okretanjem rotaciono-simetrinih praznih posuda na ploi za grniariju

Livenjem rijetkih mjeavina u podjeljene gipsane forme koje upijaju vodu

Davanje forme pomou diskusa na motorni pogon u upljim formama pomou ablona


12/15

Presovanjem

pricgusom

Livenjem folija

Odvojena prerada erodiranjem, presovanjem ili glodanjem

Suenje

Nakon davanje forme je sirovi dio vlaan zbog:

1. Mehaniki zatvorene vode u upljinama

2. Fizikalno-hemijsko vezane vode (adhezija, kapilarna voda)

3. Kemijski vezane vode (kristalna voda)

Brzina suenja pored okruujue klime ovisi i od recepture sirove mase. Da bi se brzinasuenja zbog izbjegavanja pukotina drala niskom, mogu se sirovi djelovi drati pokrivenim.

U industriji se suenje vri u klimatiziranim prostorijama. A voda navedena pod 2. i posebnopod 3. se gubi kroz procese peenja.

Tri stadijuma suenja

1. Tvrd: dio se ne da vie deformirati, ali posjeduje jo toliko vlage da se moe dekorirati

2. Zrakom Suen : dio pri sobnoj temperatur ne odaje vise vlagu i pri dodiru djelujehladan.

3. Spreman za peenje : dio nije vie hladan, pokazuje se sa sposobnou jakog upijanja(pokus: jezik se lijepi za dio)


13/15

Proces Peenja

Proces peenja pretvara suho formirano tijelo u tvrdi vodootporni onani produkt. Kodtehnike keramike se ovaj proces naziva i sinterovanje. Pri niskim temperaturama (


14/15

Po vrstama pei razlikujemoperiodine i kontinuirane pei.Koriste se komorne i prstenaste peiko i tunelske pei (za proizvodnju

porculana) kao i kotrljajue pei (zatanke produkte kao to su npr.

ploice). U manufakturi se koristeelektrine pei ili pak pei na fosilnagoriva.Ovdje razlikujemo otvorenesisteme, kod koji sagorijevajuigasovi dolaze u direktni kontakt sadijelom i pei gdje gasovi dioindirektno zagrijavaju.Za kasnijuanalizu temperature peenja, kao to

je npr. uobiajeno kod antikihkeramika, postoje dva metoda.

slika 2.6 shema procesa laserskog sinterovanja

Mogue je da pretpostavljeni polazni materijal eksperimentalno kontinuirano zagrijavamosve dok ne dobijemo eljene osobine, ili emo koristiti temperaturno indicirajue minerale

(kao npr. gelenit) koji imaju ogranieno temperaturno podruje stabilnosti, i tono na taj

nain se koristi da se odredi temperatura peenja.

Glazure

Glazure su tanki stakleni prelazi, koji ispunjavaju dva zahtjeva. s jedne strane prave poroznoglineno tijelo vodootpornim i daju mu povrinu koja se lako isti. A s druge strane

omoguavaju promjenjeno, dekorativno oblikovanje keramike. Glazure mogu biti u boji,transparentne ili pak pokrivajue (opak), sjajne, polumat ili mat. Mogu biti meke i niske taketopljenja (max. 1000oC) ili pak tvrde i s visokom takom topljenja (preko 1.200 oC). Pokemijskom sastavu moemo razlikovati borsilikatne, feldpatne, solne i olovno sadravajueglazure. U svakom sluaju je glavni sastojak koji i gradi staklo SiO2, kao i kod stakla za flaei prozore. Glazure se esto nekon primarnog peenja nanose da bi se kasnije u jednom

ponovnom procesu peenja postaklile, koji je ispod temperature peenja sitovog dijela.

Kod tradicionalne solne glazure se priliko peenja stona sol dodaje u vatru, njeni gasovi

premau itav dio koji se pee. Pri tome nastali natrijumoksid smanjuje povrinskitemperaturu topljenja i na dijelu stvara glazuru.


15/15

Primjer proizvodnje tipine industrijske (tehnike) keramike Steatita

Prije svega emo objasniti to je to steatit. Steatit je magnezijumski silikat. Za prozvodnju je

veoma pogodan jer je extremno dobro obradiv i preradiv. Steatitni dijelovi se pretenodobijaju preko procesa suhog presovanja, manji dio se ekstrudira. Kompleksnost i raznolikostsuhopresanih steatitnih dijelova je veoma zadivljujua

Za poznavaoce elektro i elektrotoplotne tenike je steatit pravo poznat. Ve je se u 19. Stoljeuovaj materijal kostistio kao izolacioni materijal. Danas se preteno koristi visokofrekventnisteatit, koji se esto naziva kao specijalni ili barijum steatit. U prvoj liniji je to materijal sa

sjajnim elektrinim i dielektrinim osobinama. No steatit moe vie. Pitanje je dal moraju

uvijek da to budu velika vrstoa i primjena na visokim temperaturama. Ako temperatura

primjene nije vea od 800oC, steatit moe da se uporabi. Njegova temperatura primjene je

daleko ispod Al2O3 ili ZrO2, to je u nekim podrujima primjene sasvim dovoljno. Steatit akprua utedu mase u odnosu na ove dvije gore navedene oksidne keramike. Njegova specfina

teina iznosi 2,7 g/cm3, dok je vrijednost za Al2O3 3,5 3,9 g/cm3, a za ZrO2 6,2 g/cm

3. Jedna

prava prednost, moda ak i najvanija, je poprilino povoljna cijena za steatitne keramike.

Materijal se ne mora dobijati iz skupih sintetikih sirovina i bolje je obradiv nego extremno

tvrde, neplastine keramike. Od jednostavnih osovina pa do kompleksno formiranih presanih

dijelova je skoro sve mogue dobiti.

Documents

Seminarski Ver 2.0