Materiale ceramice moderne

Curs 6

Definire si clasificare În înţelesul actual, materialele ceramice sunt o clasă de solide

anorganice, nemetalice, obţinute la temperaturi înalte. Desi sticla si materialele vitroceramice sunt materiale ceramice vor fi tratate separat. Există diverse criterii de clasificare a materialelor ceramice; cele mai importante dintre acestea, unde se vor sublinia succint şi principalele domenii de utilizare, se vor prezenta în continuare:

 După natura materiilor prime şi destinaţia produselor există:ceramica tradiţională, bazată pe materii prime naturale (în

primul rând argilă) şi cu utilizări convenţionale (teracotă, faianţă, gresie, porţelan, cărămizi şi produse refractare obişnuite, etc);

ceramica tehnică, bazată pe materii prime de înaltă puritate, utilizate în electronică, construcţii de maşini, tehnica nucleară, tehnica medicală, tehnologia spaţială, etc.).

Definire si clasificareDupă compoziţia chimică pot fi materiale ceramice:

oxidice (conţin oxizi): obţinute din materii prime silicatice sau nesilicatice;neoxidice (nu conţin oxizi): sunt carburi, nitruri, boruri, siliciuri, din carbon

sau grafit, etc. 

După proprietăţile pe care le au, există materiale ceramice:cu proprietăţi mecanice deosebite: materiale abrazive, plăcute dure

pentru aşchierea metalelor, ceramică pentru motoare termice;cu proprietăţi electrice, utilizate în electronică, electrotehnică;cu proprietăţi magnetice (denumite ferite ceramice);materiale rezistente la radiaţii şi combustibili ceramici nucleari etc.

După mărimea granulelor materiilor prime sunt:ceramici obţinute din materiale cu granule foarte fine (cu dimensiuni mai

mici de 1 micron - denumite “înalt disperse”): pentru ceramici tehnice speciale;

ceramici obţinute din materiale cu granule de dimensiuni mai mari (denumite cu “granulaţie grosieră”); aici se încadrează ceramica tradiţională, clasificată conform acestui criteriu în: ceramică fină (granule sub 0,06 mm), semifină (granule pana la 1,5 mm) şi brută (granule pana la 5 mm).

De ce materiale ceramice?Materialele ceramice poseda o combinatie unica de proprietati

fizico-chimice, electrice, optice si mecanice. Avansarea stiintei materialelor a permis un control foarte precis asupra compozitiei chimice si fazale precum si al microstructurii permitand obtinerea unor materiale cu un set de proprietati specific anumitor aplicatii.

S-au obtinut astfel de progrese in sticla, monocristale, straturi subtiri si nu numai in tehnologia ceramicii clasice policristaline.

Materialele ceramice includ materialele cu cele mai ridicate puncte de topire, cea mai ridicata conductivitate termica, duritate, rezistenta la uzura, modul de elasticitate etc. Defectele lor se refera in primul rand la casanta si rezistente scazute la soc mecanic si termic. Exista o abordare extrem de serioasa si a acestor defecte inclusiv in domeniul structural, unde se foloseste o abordare pe baza probabilitatii de cedare si nu a unei valori ale unei proprietati, precum si principii de proiectare utilizand materiale ceramice.

Aplicatii

Principalele aplicatii ale materialelor ceramice sunt:

Materiale cu proprietati termomecanice speciale;

BiomaterialeSenzori electrochimiciComponente electronice si piezoceramicaMateriale transparente la radiatii

electromagneticeMateriale pentru constructii

Materii primeClasificarea materiilor prime:

a) După provenienţa şi modul lor de obţinere, se împart în : materii prime naturale : diferite roci, în stare brută sau preparată

materii prime sintetice (fabricate): şamote, oxid de aluminiu, carbură de siliciu.

b) După comportarea în raport cu apa, se disting :materii prime plastice : caolinuri, argile, bentonite etc.materii prime neplastice sau degresate : cuarţ, feldspaţi, bauxite,

alumine etc.c) După comportarea la ardere, ele se împart în :

materii prime nerefractare : feldspaţi, diverse sticle şi argile;materii prime refractare : caolinuri şi argile refractare, oxizi,

dolomite, carburi, nitruri, etc.d) După compoziţia chimică ele se împart în :

materii prime din categoria silicaţilor;materii prime din categoria oxizilor şi hidroxizilor;materii prime nesilicatice şi neoxidice.

Materii primeArgila este materia primă cu care ceramica s-a identificat

(cel puţin cea tradiţională). Prin argilă se înţelege o rocă naturală aluminosilicatica alcătuită dintr-un amestec de minerale – uneori chiar 40, cu granulaţie fină (peste 50% sunt particule mai mici de 10 microni). Mineralele constituente sunt de natură silico-aluminoasă sau argiloasă (cu denumiri tehnice de tipul: caolinit, halloisit, illit, montmorillonit, etc.) sau neargiloasă (cu denumiri de tipul: cuarţ, feldspat, pirită, calcit etc.). Compozitia oxidica a argilei este constituita de obicei din oxid de aluminiu, dioxid de siliciu şi apă în diferite proporţii. Argilele conţin şi diferite impurităţi (cuarţ, oxizi de fier - care conferă argilei o tentă roşiatică, substanţe organice - ca grafitul, care dă argilelor culori de la cenuşiu la negru etc.). Principala ei caracteristică este plasticitatea (adică se poate modela atunci când este umezită şi îşi păstrează forma prin uscare şi ardere ). Lutul este o argilă mult impurificată cu fier şi nisip.

Materii primeDioxidul de siliciu (SiO2) : cunoscut şi sub denumirea de silice,

prezintă mai multe stări polimorfe (structură cristalină diferită) care se găsesc în natură (nisip) sau se formează prin încălzire la temperaturi ridicate. Acesta asigură produselor ceramice proprietăţi specifice: refractaritate, stabilitate termochimică, rezistenţe mecanice şi proprietăţi optice (transparenţă, grad de alb). Materii prime care aduc în compoziţie dioxid de siliciu sunt : nisip cuarţos, cristal de stâncă, cuarţite, diatomite etc.;

Trioxidul de aluminiu (Al2O3) : cunoscut şi sub denumirea de alumină, asigură refractaritate, rezistenţă la uzură, rezistenţe mecanice mari precum şi la atacul chimic. Materii prime cunoscute care aduc în compoziţie alumină sunt : bauxite, corindon natural etc.

Pentru realizarea ceramicilor se utilizează şi alte numeroase tipuri de materii prime, fie pentru conferirea unor proprietăţi specifice, fie pentru un scop tehnologic. De exemplu, se pot enumera: carbonaţi, sulfaţi, fosfaţi, boraţi, cocs, smoală, grafit sau compuşi sintetici (carburi, siliciuri, boruri, nitruri, etc.) utilizate mai ales la producerea ceramicilor tehnice.

ProcesareRealizarea produselor ceramice clasice presupune mai multe

etape şi anume:dozarea amestecului de materii prime: argilă, degresant -

adăugat în scopul reducerii contracţiiilor la uscare: nisip, rumeguş, zgură de furnal, etc, şi eventual fondanţi - adăugaţi pentru reducerea temperaturii de apariţie a fazei lichide în sistem: oxizi de fier, alcalii;

omogenizarea în prezenţa apei, cu obţinerea unei paste ce poate fi fasonată;

fasonarea prin presare, extrudere sau turnare;uscarea în încăperi speciale, însoţită de contracţia la uscare;arderea în cuptoare industriale, la temperaturi de peste

900oC;răcirea lentă a produselor;eventuale tratamente de finisare.

Ceramica de constructiiCeramica brută de constructii:

ceramica de pereţi (cărămizi, blocuri ceramice şi panouri realizate din acestea);

ceramica de faţada (cărămida aparentă, plăci de diferite tipuri);

ceramica de acoperire (ţigle);tuburi de canalizare şi de drenaj;umpluturi ceramice pentru betoane izolatoare

(keramzit – granulit, agloporit);plăci de teracotă pentru sobe (cahle)

Tot în ceramica de construcţii adeseori intră şi:produsele sanitare–tehnice din faianţă şi porţelan;plăcile de faţadă (placare) din faianţă şi porţelan;plăcile pentru pardoseli şi produsele antiacide.

Ceramica de constructii POROTHERM 38 este un bloc ceramic cu locas de mortar ce se foloseste pentru pereti structurali exteriori, in

conformitate cu proiectul de executie sau pentru pereti nestructurali la constructiile cu structura din beton armat in cadre. Produs disponibil si sub forma de jumatati.

Caracteristici tehnice     Dimensiuni (lxbxh -mm) 250x380x238 Masa (M- kg) cca. 19 Rezistenta la compresiune (σ - N/mm2)* 10 Conductivitatea termica echivalenta (λech - W/mK) 0,24 Rezistenta la transfer termic (R - m2K/W) 1,58 Densitate aparenta (kg/m3) 800 Indice de reductie sonora (dB) 50 Comportament la ardere A1 Livrare (bucati/ palet infoliat) 60 Necesar de caramizi/m2 de zidarie 16 Necesar de caramizi/m3 de zidarie 43 * Valoare minim garantata, conform SR EN 771-1:2003

Ceramica de constructiiPOROTHERM 25S se foloseste pentru pereti

structurali interiori sau exteriori. Configuratia blocului ceramic imbunatateste mecanismul de cedare sub actiunea solicitarilor de tip seismic. Rezistenta la forfecare in rostul vertical de mortar este sporita cu valori intre 18-20% fata de produsele tip locas de mortar.

Ceramica de constructii POROTHERM 25/30 este un bloc ceramic ce se foloseste pentru zidarii in pereti de compartimentare si

inchidere la structuri in cadre, avand 25cm sau 30cm grosime. Produs recomandat pentru cladiri multietajate.

Caracteristici tehnice     Dimensiuni (lxbxh -mm) 250x300x238 Masa (M- kg) cca. 12 Rezistenta la compresiune (σ - N/mm2)* 10 Conductivitatea termica echivalenta (λech - W/mK) 0,213 (30cm gros.); 0.315 (25cm gros.) Densitate aparenta (kg/m3) 670 Indice de reductie sonora (dB) 46 Comportament la ardere A1 Livrare (bucati/ palet infoliat) 80 Necesar de caramizi/m2 de zidarie 14 Necesar de caramizi/m3 de zidarie 53 * Valoare minim garantata, conform SR EN 771-1:2003

Ceramica de constructiiGrinzile POROTHERM, din beton armat

precomprimat, in invelis ceramic, se folosesc pentru plansee cu nervuri dese POROTHERM, putandu-se obtine deschideri cuprinse intre 1,50 - 7,00 m. Grinzile se dispun pe directia de calcul a planseului.

Produse refractareProdusele refractare sunt materiale care nu se înmoaie sub greutate proprie la

temperaturi sub 1580° C.Materialele refractare se utilizează în căptuşirea focarelor, cuptoarelor, reactoarelor

din industria chimică etc. Funcţie de compoziţia chimică se clasifică în:Materialele refractare oxidice (oxizii de Si, Al, Mg, Zr au temperaturi de topire foarte

ridicate) sub formă de cărămizi sunt utilizate la căptuşirea cuptoarelor industriale, fiind clasificate după natura constituienţilor în:

refractare silica - au refractaritatea sub 1800oC şi se comportă mai slab la şocuri termice. Se obţin din cuarţite măcinate fin liate cu var şi arse. Rezistă bine la agresiune acidă datorită caracterului acid determinat de conţinutul ridicat de SiO2:

refractare silicoaluminoase - obţinute prin dubla ardere a argilelor refractare. Au o refractaritate sub 1800oC;

refractare magneziene - obţinute din materii prime bogate în MgO. Materiile prime sunt arse pentru obţinerea MgO, după care cărămizile se fasonează utilizând un liant şi se ard din nou. Refractaritatea acestora este de sub 1900oC, prezentând, datorită caracterului bazic, o bună rezistenţă la acţiuni agresive de această natură;

refractare zirconice, - ce au în compoziţie în principal ZrO2, au o refractaritate de peste 2000oC, fiind denumite superrefractare.

SticlaSticlele sunt materiale rezultate din răcirea rapidă a unor

topituri vâscoase, având aceleaşi elemente de structură ca şi cristalele, dar cu aşezare în spaţiu neordonată, ceea ce le imprimă anumite proprietăţi specifice,

Astfel, starea sticloasă, faţă de starea cristalină a aceleiaşi substanţe, se caracterizează prin densitate mai redusă, conţinut mai ridicat de energie internă (este deci mai reactivă), nu are punct fix de topire ci prezintă la încălzire un domeniu de înmuiere (favorizează tehnologii de prelucrare), iar prin răcirea bruscă a topiturii apar tensiuni interne care determină rezistenţe scăzute la şoc şi zgâriere.

Datorită instabilităţii energetice, prezintă tendinţa ca, în timp, să treacă în forma cristalină (mai săracă în energie), proces numit devitrificare, ceea ce poate determina opacizarea sau pulverizarea.

Chiar si metalele se pot gasi in starea vitroasa, daca topitura lor este racita extrem de rapid.

Sticla- componentiExistă un număr limitat de oxizi care pot forma sticle prin topire şi răcire

bruscă. Aceştia sunt: trioxidul de bor (B2O3), dioxidul de siliciu (SiO2), dioxidul de germaniu (GeO2), pentoxidul de fosfor (P2O5), trioxidul de arseniu (As2O3) şi trioxidul de stibiu (Sb2O3). Aceşti oxizi reprezintă aşa numiţii „formatori de reţea” sau „vitrifianţi”. Ei sunt absolut necesari pentru obţinerea sticlei. Dintre ei cei mai utilizaţi la nivel industrial sunt SiO2 (sticle silicatice) B2O3 (sticle boratice) şi P2O5 (sticle fosfatice). În sticlele silicatice oxizii vitrifianţi se regăsesc în procente gravimetrice de 68 ÷ 75%.

O altă categorie de oxizi se introduce în scopul reducerii temperaturii de topire a sticlei. Aceşti oxizi, din acest motiv, se numesc „fondanţi”. Cei mai utilizaţi sunt: oxidul de litiu (Li2O), oxidul de sodiu (Na2O), oxidul de potasiu (K2O), adică aşa numiţii „oxizi alcalini”. În procente gravimetrice, conţinutul lor în sticlele silicatice se plasează între 12 şi 20%.

O a treia categorie de oxizi care se regăsesc în mai toate compoziţiile de sticle (silicatice) sunt „stabilizatorii”. Oxizii stabilizatori utilizaţi, în procente de 6 ÷ 14%, sunt: oxidul de magneziu (MgO), oxidul de calciu (CaO), oxidul de bariu (BaO) şi oxidul de plumb (PbO). Aceşti oxizi au rolul de a imprima o mai mare stabilitate sticlelor fată de apă şi alţi agenţi externi.

În sfârşit, într-o a patra categorie intră şi alţi oxizi care sunt folosiţi în special pentru a obţine anumite valori ale unor proprietăţi de interes pentru sticla fabricată. Ei pot reprezenta câteva procente în compoziţia oxidică.

Fabricarea sticleiSticla obişnuită, din care se fabrică aproape toate materialele de

construcţie, este silico-calco-sodică, materiile prime fiind nisipul cuarţos, soda calcinată şi calcarul, care, măcinate fin şi omogenizate (pentru a intensifica reacţiile chimice care încep încă din faza solidă), sunt topite în cuptoare vană, la circa 1450° C.

Topitura omogenizată şi afânată se fasonează, după caz, prin tragere, laminare, suflare, presare etc. Deoarece în timpul fasonării, răcirea topiturii de sticlă se face brusc şi neuniform în secţiunea produselor, apar tensiuni interne care măresc fragilitatea, astfel încât la zgâriere sau lovire se sparg cu uşurinţă.

Pentru anularea tensiunilor interne, majoritatea produselor fasonate sunt supuse recoacerii, prin încălzire la circa 500 – 600° C urmată de răcire lentă.

Procesul tehnologic se încheie prin finisarea şi decorarea produselor din sticlă. Sticla se finisează în general prin şlefuire sau polizare.

Sticla- proprietati  Proprietăţile chimice şi fizico-mecanice ale sticlei depind de compoziţia chimică,

structură, starea de defecte, tensiuni interne etc.  Sticla obişnuită prezintă o transparenţă ridicată pentru radiaţii luminoase (60 – 95 %

în funcţie de compoziţie şi calitate) şi este puţin permeabilă pentru razele ultraviolete şi infraroşii.

 Sticla prezintă o remarcabilă stabilitate dimensională (pentru sticla de construcţii coeficientul de dilatare termică liniară este apropiat de al oţelului), nu este higroscopică, nu este combustibilă şi are proprietăţi electroizolante.

 Sticla rezistă bine la acţiunea agenţilor atmosferici, la acţiunea acizilor, excepţie făcând soluţiile acidului fluorhidric. Soluţiile bazice, chiar şi apa curată, mai ales cea fierbinte, acţionând timp îndelungat asupra sticlei, o distrug la suprafaţă.

 Sticla se caracterizează prin duritate şi rezistenţe mecanice teoretice ridicate (determinate de natura legăturilor chimice). Rezistenţele mecanice reale sunt mult mai reduse datorită compoziţiei chimice variabile, defectelor de structură, defectelor de suprafaţă, tensiunilor interne, tratamentelor termice etc. Rezistenţa la compresiune este importantă (până la 200 N/mm2), însă rezistenţa la întindere (până la 20 N/mm2) este relativ redusă.

 Sticla prezintă deformaţii predominant elastice la solicitări mecanice (modulul de elasticitate 50.000 – 100.000 N/mm2); este deci casantă şi nu rezistă la şocuri mecanice. De aceea, la contactul cu materiale dure, pot apare local forţe ce depăşesc limita de rupere, apare fisurarea şi apoi spargerea.

 Densitatea sticlei, în funcţie de compoziţie, este cuprinsă în limitele 2200 – 6000/m3, sticla utilizată în construcţii având densitate de 2500 – 2600 kg/m3.

 Coeficientul de conductivitate termică, în funcţie de compoziţia chimică, are valori în limitele 0,33 – 1,34 W/mK.

Sticla pentru geamuriProcedeul Pilkington, cunoscut şi ca procedeul float sau procedeul pe

baie de metal topit a apărut pentru că geamul obţinut prin alte procedee prezintă ondulaţii (mai mari sau mai mici) care duc la deformarea imaginilor, impediment ce nu poate fi înlăturat decât prin operaţii de şlefuire şi lustruire. Acest procedeu se desfăşoară astfel : masa de sticlă topită din cuptorul 1 este laminată de către valţurile 2 şi condusă înclinat prin nişte valţuri de fugă 3 pe suprafaţa băii de metal topit 4 (de obicei este staniu, Sn. Obţinerea temperaturilor in aceasta camera se realizează prin arderea unui combustibil în spaţiul de ardere 5 şi introducerea de gaze cu atmosferă reducătoare în spaţiul de reglaj 6. În continuare geamul este tras şi recopt în tunelul 7.

Geamuri de sigurantaLa realizarea geamurilor triplex se folosesc cele mai bune plăci

de geam (obţinute prin procedeul float). Se lipesc două plăci de sticlă printr-o folie de material plastic transparent, de obicei polivinil butiral (butafol). Foile triplex obţinute sunt rezistente la penetraţia corpurilor dure şi absorb şocuri mecanice. La lovituri suficient de mari geamul triplex se crapă sau se sparge, dar bucăţile de sticlă rezultate tind să rămână fixate pe folia organică şi nu creează cioburi periculoase.

Geamuri de sigurantaO altă metodă de obţinere a sticlelor de siguranţă este procedeul

geamului securit (călit). Sticla călită are pe lângă proprietatea de a se sparge în cioburi mici cu muchii şi colţuri rotunjite, nepericuloase, şi rezistenţe mecanice mai ridicate decât sticla recoaptă. Fabricarea sticlei călite constă, în principiu, în încălzirea plăcii de sticlă la o temperatură apropiată de temperatura de înmuiere (într-un cuptor), apoi răcirea ei rapidă cu ajutorul unor jeturi puternice de aer. Tăierea plăcii la dimensiunile dorite, faţetarea marginilor şi alte prelucrări mecanice trebuie făcută înainte de călire.

Geamuri antifoc – geamuri alcatuite din mai multe straturi de sticla laminata si straturi dintr-un material organic ce expandeaza puternic la caldura. La incendiu, partea interioara se sparge si straturile de material expandabil alcatuiesc o protectie termica impotriva incendiului, conducand la rezistente de pana la 2 ore la foc.

Geamuri de protectie, antiefractie- geamuri alcatuite din numeroase straturi de stica laminata si plastic sau rasina. Functie de geometria straturilor se pot obtine geamuri rezistente la proiectile, bombe sau vandalism.

Geamuri termopanGeamul termopan este format din două sau mai multe plăci

de sticlă, fixate la o anumită distanţă între ele, închise ermetic pe tot perimetrul cu scopul de a asigura o izolaţie termică şi fonică îmbunătăţită. Spaţiul dintre cele două geamuri este umplut cu aer uscat sau cu alte gaze Ar sau Kr. Aceste gaze au un comportament termic superior, datorita conductivitatii mai reduse, vascozitatii superioare care diminueaza fenomenul de convectie. Grosimea plăcilor utilizate este, cel mai uzual, de 4 mm, iar distanţa între plăci de cativa mm. Ermetizarea se face cu substanţe organice cu întărire rapidă. Plăcile utilizate sunt geamuri float, albe sau colorate. Rezistenţa mecanică a geamurilor termopan este de circa două ori mai mare decât a unor plăci simple de aceeaşi grosime, iar coeficientul de transfer termic poate scădea de 2 – 3 ori (mai ales dacă cele două foi de geam au fost acoperite cu pelicule speciale).

Panourile de geam termopan se montează în rame, de PVC, lemn sau aluminiu. Se folosesc la construirea ferestrelor, a uşilor, a pereţilor interiori şi exteriori etc.

Geamuri pentru controlul radiatiei In privinta geamurilor exista mai multe abordari ale problemelor generate de

transmisia luminii si caldurii. Aceste abordari trebuie sa tina seama de regimul de insorire al zonei unde se afla

constructia si de necesarul de lumina in interior. Una din abordari priveste colorarea in masa a geamului pentru reducerea

concomitenta a luminii care patrunde cat si a radiatiilor calorice. O alta abordare utilizeaza acoperiri cu straturi oxidice cu grosimi si caracteristici

variabile functie de scopul dorit. In acest cadru, mai nou se folosesc straturi foarte subtiri metalice sau de oxizi metalici depuse pe sticla, geamuri cu emisivitate scazuta – Low E; aceste geamuri Low-E sunt transparente pentru radiatiile vizibile si reflecta radiatiile infrarosii cu lungime de unda mare, lasand lumina sa intre dar nu si caldura in timpul verii si pastrand caldura inauntru in timpul iernii. Straturile se pot depune in timpul tragerii cand sticla are o temperatura foarte ridicata iar stratul rezultat este aderent si rezistent si poate fi folosit in exteriorul geamului, sau prin depunere in vid sau prin alte procedee, dupa ce sticla s-a racit – rezistenta mai redusa si de aceea este folosit la partea interioara. La depunerea in vid se folosesc 1-3 straturi subtiri de argint, care trebuie protejate prin montarea catre interiorul geamului termopan. Geamurile Low-E pot avea o transparenta ridicata, medie sau scazuta la lumina, functie de necesitati.

VitroceramicaSTICLA CRISTALIZATĂ (vitroceramica) are

utilizări din cele mai diverse datorită proprietăţilor ei particulare (plăci pentru pardoseli şi pentru placarea pereţilor construcţiilor, conducte, izolatori electrici, ghiduri de fire, ajutaje şi vârfuri de rachetă, obiecte de menaj etc.).