12. KERAMICKÉ A KOMPOZITNÍ MATERIÁLY
12.1 Keramické materiály
Výborná odolnost proti žáru, často kyselinám a roztaveným kovům, velká tvrdost (odolnost proti opotřebení), malý součinitel tepelné a elektrické vodivosti - historie používání souvisí s historií lidstva - dělení dle různých hledisek:
• druhu použití
• vnitřní struktury
• chemického složení
• hutnosti (pórovitost pod 45 % hutné, nad 45 % pórovité)
• technologie výroby (tvarované a netvarované - slinované, hydraulické ap.) Podle druhu použití se obvykle dělí na:
• užitkovou keramiku
• stavební keramiku
• žárovzdornou keramiku
• konstrukční keramiku
Vnitřní struktura keramických materiálů podstatně ovlivňuje jejich vlastnosti - z hlediska krystalické stavby: materiály amorfní (skla) i krystalické - dle druhu chemické vazby:
• materiály iontové (oxidy Al, Mg, Zr, Ti, Be) - vysoká chemická a strukturní stabilita, vysoké hodnoty koeficientu tepelné roztažnosti, nízká schopnost interakce s okolím –
• materiály kovalentní (boridy, karbidy a nitridy Al, Si a B) - vysoká tvrdost, odolnost proti opotřebení –
• materiály metalické (boridy, karbidy a nitridy přechodových kovů) - vysoký bod tání, dobré únavové vlastnosti, elektrická vodivost –
Žárovzdorné keramické výrobky tvoří obvykle vícesložkovou sestavu /tab. I/ - teplota vzniku taveniny, její množství, složení a viskozita určují žárové vlastnosti - potřeba dalších vlastností: pevnost, odolnost proti opotřebení, odolnost vůči okolnímu prostředí (tavenina, spalné plyny ap.)
Tab. I: Klasifikace žárovzdorných materiálů
Skupina Druh hlavní složky /% hmotn./
Křemičité – křemenné sklo - dinas
SiO2 > 98 > 93 Hlinitokřemičité – korundové
- šamotové
Al2O3 > 90 > 15 < 45 Hořečnaté – periklasové
Hořečnatovápenité – dolomitové Hořečnatochromité - chromité
MgO > 85
>
35 < 65>
25 , Cr2O3 > 35Zirkoničité ZrO2 > 85
Uhlíkaté – grafitizované - uhlíkové
C > 96 > 85
1
Dinasové materiály - polymorfie SiO2 složitá a doprovázena velkými objemovými změnami - do 1 700 0C -
Šamotové materiály - eutektikum SiO2-Al2O3 1 587 0C - další oxidy snižují teplotu tání - pojivo žárovzdorné jíly (kaolinit) + ostřivo (pálené lupky) -
Výrobky konstrukční keramiky /tab. II/ jsou zhotovovány z čistých surovin, vynikají nízkou pórovitostí a nízkým podílem amorfní fáze - obvykle dle složení se dělí na:
• oxidická keramika
Al2O3 - hexagonální modifikace - odolnost proti kyselinám i taveninám (laboratorní přístroje) - izolátor při vysokých teplotách - řezné materiály (tvrdost 78 až 80 HRC - nízká houževnatost, cca 20 % RO) - snaha o kombinaci s kovy a karbidy -
ZrO2 - vysoká teplota tání, tvrdost, odolnost proti kyselým struskám, houževnatost BeO - tavící kelímky, dobrá tepelná vodivost
Cr2O3 - izomorfní s korundem, přídavek do brusiv
• neoxidická keramika
Karbid bóru – B4C po diamantu a nitridu bóru nejtvrdší - brusivo
Karbid křemíku - SiC odporové články (dostatečná vodivost a odolnost proti oxidaci), brusný materiál (tvrdost) Nitrid křemíku – Si3N4 vyniká korozní odolností, je žáropevný i žárovzdorný - známý je i Sialon (Si3N4-Al2O3-AlN) do 1 400 0C -
Tab. II: Fyzikální vlastnosti některých keramických materiálů (porovnání šedá litina) Materiál Hustota
ρ /g.cm-3/
Modul pružnosti E /GPa/
Pevnost v ohybu Rmo /MPa/
Lomová houževnatost KIC /MPa.m1/2/
Lin. tepelná roztažnost α /10-6 K/
Tepelná vodivost λ /W.m-1.K-1/
Max. teplota použití Tuž /0 C/
Al2O3 3,3 – 3,98 360 340 - 440 4,5 – 5,8 6,1 – 8,1 25 - 30 1 800
Si3N4 slin. 3,0 – 2,75 160 - 270 600 - 740 4,0 – 5,3 3,0 – 3,3 12 - 29 1 400
Si3N4 HP 3,18 – 3,20 310 620 – 890 5,0 – 6,0 2,8 – 3,3 25 1 500
SiC slin. 3,1 3,3 - 400 450 - 500 2,4 – 4,5 4,0 – 4,8 60 - 87 1 650
ZrO2
stabil. 5,4 160 200 1,1 10,9 3,76 2 300
Sialon 3,0 – 3,2 230 - 300 350 - 900 3,0 – 7,7 3,0 – 3,2 18 - 25
Šedá litina 7,1 80 - 100 250 80 10 - 12 50 - 54 do 450
12.2 Kompozity
V obecném smyslu většina materiálů (mikroměřítko) - důležité rozhraní mezi fázemi a synergující účinek spojení - již přírodní (dřevo, kosti ap.) –
Rozdělení podle různých hledisek:
• podle materiálu matrice (základní spojité fáze): - kovové kompozity - polymerní - keramické
- kombinace uvedených systémů
• podle struktury nebo geometrické charakteristiky dispergované (vložené) fáze do matrice:
- disperzní kompozity /kap. 10/
2
-částicové (partikulární, granulární - částice pravidelných nebo nepravidelných tvarů, plynné inkluze) - vláknové kompozity (s dlouhými nebo krátkými vlákny, uspořádané nebo neuspořádané)
• podle technologického (výrobního) hlediska: - lisování za tepla v tuhém stavu
- příprava v tekutém stavu (infiltrace, lití) - nanášení matrice na povrch vláken - jiné způsoby
Tab. III: Mechanické vlastnosti některých vyztužujících vláken
Vlákna ρ /kg.m-3/ E /GPa/ Rm /Gpa/
Skelná - Sklo A - Čedič - Křemen
2 480 2 500 2 200
74 78 – 90 75
3,1 3,5 6,0 – 10,0 Uhlíková - HM a UHM
- Amorfní
1 850 – 1960 1 600
375 – 517 až 688
2,2 – 1,8 2,07 Keramická - Al2O3
- SiC - BN
3 150 – 4 000 3 000 1 900
172 – 470 400 – 600 90 - 315
2,1 – 2,8 2,55 1,4 – 2,4 Kovová – Oceli
- Al slitiny - Ti slitiny - W
7 740 2 660 4 510 19 400
210 73 118 353 - 424
2,8 – 4,1 0,60 0,6 – 2,2 1,0 – 4,0 Whiskery - Al2O3
- SiC - Grafit - Fe
4 000 3 200 3 000 7 800
2 250 840 700 210
15,0 21,0 19,0 13,0 Polymerní - Bavlna
- Dřevo - PA Nylon - Aramid Kevlar
1 500 1 000 1 140 1 450
1,1 72 6 – 22 58 - 146
0,35 0,90 0,4 – 1,0 2,4 – 4,6 Kompozity: Epoxy – C sklo
Epoxy – kevlar PE – E sklo
1 600 1 330 1 600 – 2 000
71 – 300 (8,2 – 71) 40 – 85 (5,6) 28 – 42
0,5 – 3,1 (0,035) 1,4 (0,03) 4,0 – 1,3
U kompozitů s částicovými plnivy závisí zpevnění nejen na množství plniva a jeho mechanických vlastnostech, ale i na dalších fyzikálních vlastnostech (teplotní roztažnost, povrchová energie) a jejich morfologii –
U vláknových kompozitů jsou síly především přenášeny vyztužujícími vlákny (vyšší modul pružnosti) - optimální podmínky /obr. 12.1/ mezní prodloužení matrice větší než vlákna - volba minimální délky vlákna - rovnováha sil:
mv 2 m
0 .R
2 . d 2.
.l d
.
π
= τ
π τm - pevnost ve smyku
matrice, Rmv - pevnost v tahu vlákna, d - průměr vlákna
3
Obr. 12.2: Směrová závislost tuhosti kompozitu z různě natočených jednosměrně vyztužených vrstev /a-počet vrstev/
Mechanické vlastnosti některých vyztužujících vláken jsou uvedeny v tab. III. – vlastnosti kompozitů jsou závislé i na orientaci vláken /obr. 12.2/ - Porušování kompozitů /obr. 12.3/ - obvykle první trhliny na mezifázovém rozhraní - porušování jednak rozvrstvováním (delaminací), jednak vytahováním vláken z matrice a destrukcí matrice –
Obr. 12.3: Mechanismus porušování vláknových kompozitů /A-porušená vlákna vytažená z matrice, B-trhliny na rozhraní fází/
4
Obr. 12.1: Podmínky optimálního využití vláken v kompozitech /a- vhodná kombinace mezního prodloužení εuv < εum, b-nevhodná kombinace εuv > εum
