MODULUL 2 MATERIALE CERAMICE CUPRINS INTRODUCERE 2 Obiective 2 Organizarea sarcinilor de lucru 2 Recomandări bibliografice 2 Lecţia 1 CUNOAŞTEREA MATERIALELOR CERAMICE 3 Exemplu ilustrativ 1 7 Activitatea 1 9 Lecţia 2 TIPURI DE MATERIALE CERAMICE TEHNICE 10 Exemplu ilustrativ 2 13 Activitatea 2 16 REZUMAT 17 Rezultate aşteptate 17 Puncte cheie 18 TEST DE AUTOEVALUARE 19 Pagina 1
INTRODUCERE În ultimii ani materialele avansate cu performanţe ridicate sunt tot mai utilizate în tehnologiile de vârf, industrii ca cea electronică, a calculatoarelor, aerospaţială, surse energetice neconvenţionale. Aceste materiale se grupează în următoarele categorii: aliaje metalice de mare performanţă; ceramică tehnică; materiale compozite, materiale inteligente. Ceramicele sunt materiale anorganice şi nemetalice obţinute la temperaturi înalte care având proprietăţi avantajoase şi fiind relativ ieftine se pretează la realizarea unei game largi de produse. Obiective Obiectivele acestui modul sunt: Să prezinte definiţia, clasificarea, structura şi proprietăţile materialelor ceramice; Să prezinte tipurile de materiale ceramica utilizate. Organizarea sarcinilor de lucru Se parcurg cele 2 lecţii ale modulului de studiu. La fiecare lecţie urmăriţi exemplele ilustrative şi efectuaţi activităţile cerute. Fixaţi principalele idei ale modului de studiu prezentate în rezumat. Completaţi testul de autoevaluare. La fiecare sarcină aveţi indicat timpul de lucru. Timpul mediu necesar pentru asimilarea modulului este de 240 minute. Timpul de lucru pentru parcurgerea activităţilor este de 45 minute. Timpul de lucru pentru parcurgerea testului de autoevalure este de 40 minute. Recomandări bibliografice suplimentare Pentru o detaliere suplimentară a aspectelor prezentate în acest modul puteţi parcurge lucrările 1. NICA, A., Ceramica tehnică, Editura Tehnică, Bucureşti, 1988. 2. SOCACIU, T., MOISOIU, A., STRNAD, G. Studiul materialelor. Editura Universităţii Petru Maior Tg.-Mureş, 1999, 175 pag., ISBN 973-98726-4-6. 3. www.keramverband.de Pagina 2
LECŢIA 1 CUNOAŞTEREA MATERIALELOR CERAMICE 1.1. Definiţia si clasificarea materialelor ceramice Primele materiale, pe care omul le-a produs cu mii de ani în urmă prin transformarea materiilor prime, au fost materialele ceramice sub formă de oale şi cărămizi. Dezvoltarea materialelor refractare în jur de 1550, a fost una din pietrele de temelie ale revoluţiei industriale, şi a creat condiţiile necesare pentru topirea metalelor şi sticlei la scară industrială şi pentru producerea de cocs, ciment şi ceramică. Este dificil sa se determine precis începutul ceramicii moderne, de înaltă performanţă dar, metode ştiinţifice pentru obţinerea ceramicii au fost aplicate prima dată în cursul secolului 20. Materialele ceramice cunoscute continuă să fie îmbunătăţite, noi materiale şi aplicaţii sunt dezvoltate, materialele de azi nu mai pot fi comparate cu cele care au fost pe piaţă zece sau douăzeci de ani în urmă. Noile tehnologii de fabricaţie au adus progrese în domeniile de calitate, reproductibilitate şi de operare. Materialele ceramice se definesc ca fiind materiale nemetalice, de natura anorganică, greu solubile in apa, obţinute pe cale naturală sau artificială la temperaturi si uneori presiuni ridicate. In general, materialele ceramice sunt amorfe, insa circa 30% din totalul acestora au structura cristalină. În esenţă se poate spune că prin material ceramic se înţelege orice solid anorganic şi nemetalic obţinut sau utilizat la temperaturi înalte. În prezent termenul de ceramică include o gamă vastă de materiale. După domeniul de utilizare, materialele ceramice pot fi grupate in: Pagina 3
- materiale tradiţionale: produse din argilă, nisip, cimenturi, betoane, care se împart în: - ceramice de uz casnic (oale, vase, tuburi, rezervoare, robinete, etc.); - ceramice pentru construcţii sau structurale (cărămizi, ţiglă, faianţă, conducte, etc.); ceramica tehnică sau de înaltă performanţă care se referă la produsele ceramice pentru aplicaţii inginereşti, are compoziţia formată din oxizi, siliciuri, boruri, nitruri, carburi şi în general, nu include argilă. Având în vedere cele de mai sus ea poate fi clasificată în trei categorii distincte: - Oxizi: alumina, zirconia; - Non-oxizi: carburi, boruri, nitruri, siliciu; - Compozite: armate cu particule, combinaţii de oxizi şi non-oxizi. Un material compozit din ceramică şi metal, este numit cermet (ceramica-metal). 1.2. Structura şi proprietăţile materialelor ceramice Proprietăţile materialelor ceramice sunt determinate de tipul de legături interatomice dintre elementele componente. Atomii sunt legaţi între ei prin legături covalente sau ionice, formând compuşi heteropolari (reţele cristaline de anioni şi cationi). Cationii sunt elemente metalice care cedează electronii din banda de valenţă anionilor. Anionii pot fi: - atomii de oxigen, rezultând oxizii metalici (cele mai răspândite materiale ceramice); - atomi ai carbonului, rezultând carburi; - atomi ai azotului, rezultând nitruri; - atomi ai borului, rezultând boruri, etc. Există însă şi importante materiale ceramice care nu prezintă o structură periodic repetată respectiv cristalină (ca în cazul celor cu legătură ionică). Printre acestea se află substanţele sticloase care sunt amorfe (nu au o structură ordonată). Sticla pe bază de siliciu, de exemplu, are o structură fără repetabilitate pe spaţii mai largi. Proprietăţile generale ale materialelor ceramice, care rezultă din tipul de legături atomice, sunt următoarele (fig.2.1): - materialele ceramice nu sunt bune conducătoare de căldură şi electricitate (deoarece legăturile ionice şi covalente implică parţial electronii de valenţă, nemairămânând suficienţi electroni liberi care să transporte sarcinile electrice.) În anumite condiţii, ceramicele pot fi utilizate ca materiale semiconductoare (GaAs, SiC) sau ca materiale cu proprietăţi piezoelectrice (titanat de bariu, cuarţ); - materialele ceramice prezintă temperaturi înalte de topire, adesea superioare metalelor, au o mare stabilitate chimică, nu se degradează prin coroziune (legăturile ionice şi covalente sunt puternice şi stabile, fig.2.2); - materialele ceramice au o rigiditate şi o duritate mare, îşi păstrează rezistenţa mecanică la temperaturi foarte ridicate. În fig.2.1 este prezentată legătura dintre structura, proprietăţile şi principalele utilizări ale materialelor ceramice. Pagina 4
Structura materialelor ceramice Proprietăţile materialelor ceramice Utilizările materialelor ceramice Lipsă electroni liberi Rele conducătoare de căldură şi electricitate MATERIALE DIELECTRICE MATERIALE IZOLATOARE TERMICE Legături ionice şi covalente Caracter puternic şi stabil Temperatură ridicată de topire Bună stabilitate chimică MATERIALE REFRACTARE Caracter puternic Rigiditate Duritate MATERIALE ABRAZIVE MATERIALE PENTRU SCULE AŞCHIETOARE Fig.2.1. Legătura între structura, proprietăţile şi utilizările materialelor ceramice Dezavantajele prezentate de aceste materiale sunt legate de absenţa aproape totală a deformaţiilor, ruperea apărând brusc, la o anumită valoare a solicitărilor (fig.2.3). Acest lucru antrenează o accentuată fragilitate şi o slabă rezistenţă la şocuri şi vibraţii. [N/mm 2 ] [N/mm 2 ] Metale Ceramice Ceramice Metale T [C O ] Fig.2.2. Variaţia rezistenţei mecanice cu temperatura pentru metale şi materiale ceramice [%] Fig.2.3. Deformarea metalelor şi ceramicelor sub sarcină Ceramica tehnică ocupă un loc aparte între aceste materiale, elaborarea sa cunoscând o dezvoltare impetuoasă, explicabilă prin proprietăţile sale de excepţie: - rezistenţă mecanică ridicată; - foarte bună rezistenţă la coroziune; - păstrarea proprietăţilor de rezistenţă la temperaturi înalte; - greutate redusă; - surse de materii prime practic nelimitate. Pagina 5
Folosită ca atare, sau înglobată în materiale compozite, ceramica tehnică este considerată în prezent ca cel de-al treilea material din punct de vedere al importanţei tehnico-economice, după metale şi materiale plastice. Factorii care au condus la elaborarea şi utilizarea noilor materiale ceramice sunt (fig.2.4): - dezvoltarea microelectronicii şi a tehnicii de calcul; - creşterea solicitărilor termice în motoarele cu piston şi turbinele cu gaze; - dezvoltarea motoarelor de rachetă; - necesitatea înlocuirii materialelor metalice deficitare; - îmbunătăţirea performanţelor maşinilor şi utilajelor prin utilizarea de materiale mai rezistente, mai uşoare şi mai ieftine; - necesitatea utilizării unor materiale foarte dure la prelucrările prin aşchiere; - necesitatea utilizării de materiale mai eficiente pentru protecţii termice, electrice, acustice; - dezvoltarea tehnicii supraconductorilor; - necesitatea unor materiale cu proprietăţi tribologice speciale. - microelectronică - industria tehnicii de calcul - dezvoltarea motoarelor termice - motoarele rachetelor - îmbunătăţirea performanţelor maşinilor şi utilajelor CERAMICA TEHNICĂ - noi materiale pentru protecţii termice, electrice, acustice - dezvoltarea de noi materiale pentru prelucrări prin aşchiere - tehnica supraconductorilor Fig.2.4. Domenii care au determinat elaborarea de materiale ceramice avansate CONCLUZIE Noile materiale ceramice prezintă o mare diversitate de provenienţe, structuri şi tehnici de elaborare, ceea ce antrenează, evident, şi o mare diversitate de proprietăţi (fizice, mecanice, termice, electrice, magnetice, chimice, tribologice), fiind dezvoltate în funcţie de cerinţele şi utilizările specifice. Pagina 6
1.3. Materiale ceramice tradiţionale Materialele ceramice tradiţionale se obţin prin ardere, folosindu-se ca materii prime: argilă, nisip şi feldspat (fig. 2.5). Argilele sunt formate din granule foarte fine de silicaţi de aluminiu hidrataţi, fiind compuşi ternari Al2O3, SiO2 şi H2O. Impurităţile prezente în argile sub formă de oxizi metalici (Fe2O3, FeO, TiO2, Na2O, CaO) au influenţă asupra culorii produsului final. Argila cu particule foarte fine, folosită la obţinerea porţelanului, poartă numele de caolin. Amestecul de argilă cu apă este plastic şi poate fi modelat. Nisipul cuarţos, denumit silice (SiO2) se adaugă în argile în scopul modificării plasticităţii şi comportării la ardere şi uscare. Argila Caolin Cuarţ (dioxid de siliciu, silice, SiO2) Fig. 2.5. Materii prime pentru ceramica tradiţională Feldspat Feldspatul (K2O Al2O3 6SiO2 sau Na2O Al2O3 6H2O) are rol de fondant, coborând temperatura de topire a amestecului. El leagă particulele de argilă şi silice, reducând porozitatea. Arderea amestecului are loc la temperaturi între 850 1200 o C. Materialele ceramice rezultate în urma arderii sunt formate din silicaţi şi silico-aluminaţi complecşi, faze sticloase şi pori. EXEMPLU ILUSTRATIV 1: Principalele tipuri de materiale ceramice tradiţionale sunt: pentru construcţii (cărămizi, ţigla, teracota, faianţa, gresia, porţelanul, conducte, etc fig. 2.6.) şi de uz casnic (oale, vase, tuburi, rezervoare, robinete, etc. fig 2.7). Fig.2.6. Cărămizi, ţigle Pagina 7
Fig.2.7. Oale, vase, porţelan În tabelul 1. sunt prezentate principalele caracteristici şi domeniile de utilizare ale unor materiale ceramice tradiţionale. TABELUL 1 Caracteristicile şi domeniile de utilizare ale materialelor ceramice tradiţionale Denumirea materialului ceramic Teracotă Faianţă Gresie Porţelan Caracteristici principale Porozitate: 15 30% Emailată sau nu. Temperatura de ardere: 950 1050 o C Porozitate: 10 15% Suprafaţă emailată, opacă. Temperatura de ardere: 950 1200 o C Porozitate: 0,5 3,0% Suprafaţă sticloasă Temperatura de ardere: 1100 1300 o C Porozitate: 0 2,0% Suprafaţă sticloasă sau nu Temperatura de ardere: 1100 1400 o C Domenii de utilizare Cărămizi. Ţigle. Coşuri de fum. Ţevi ceramice. Protecţie. Olărie Echipamente sanitare. Veselă. Placaje Echipamente sanitare. Placaje. Pardoseli. Aparate pentru laboratoare de chimie Veselă. Izolatoare electrice. Aparate pentru laboratoare de chimie CONCLUZIE Ceramicele tradiţionale şi-au găsit o foarte largă utilizare, atât datorită bunelor lor proprietăţi, cât şi faptului că materiile prime utilizate în obţinerea lor sunt ieftine, se găsesc din abundenţă şi se prelucrează uşor. Pagina 8
Activitatea 1 Timp de lucru: 20 minute 1. Descrieţi cazuri de utilizare a ceramicii ca izolator, ca material rezistent la temperaturi înalte şi coroziune. 2. Explicaţi de ce materialele ceramice prezintă temperaturi înalte de topire, adesea superioare metalelor, au o mare stabilitate chimică, nu se degradează prin coroziune. 3. Exemplificaţi la locul dumneavoastră de muncă trei cazuri de utilizare a ceramicii tradiţionale. Descrieţi proprietăţile ceramicii observate. Pagina 9
LECŢIA 2 TIPURI DE MATERIALE CERAMICE TEHNICE Materialele ceramice tehnice sunt caracterizate prin unele proprietăţi fizicomecanice superioare materialelor metalice. Astfel se caracterizează prin: densitate redusa, de circa 1/3 din aceea a materialelor metalice; duritatea foarte mare; rezistenta la uzare de 2-3 ori mai mare decât aceea a materialelor metalice; stabilitate dimensională si de formă geometrică până la temperaturi de circa 2.000 C; rezistenta ridicată la fluaj; alte proprietăţi mecanice, chimice si electrice deosebite. Aceste proprietăţi fizico-mecanice depind de compoziţia chimică a materialului ceramic, cât si de procedeul si tehnologia de obţinere a diferitelor produse. În tehnica modernă se foloseşte o mare varietate de materiale ceramice. În cele ce urmează se vor prezenta materiale ceramice pe bază de siliciu, bor, nitruri, oxizi, carbon. 2.1. Materiale ceramice pe bază de siliciu Cantitatea uriaşă de siliciu aflată în natură, încurajează extinderea utilizării acestuia. Formele chimice sub care se găseşte sunt: dioxidul de siliciu (SiO2-silicea fig. 2.5) şi diverşi silicaţi. Silicea prezintă forme cristaline alotrope: cuarţ, tridimit şi cristobalit. În prezent materialele ceramice tehnice pe bază de siliciu se pot clasifica în: Pagina 10
1. Sticla de siliciu este un corp vitros, care între 1300 şi 1800 o C prezintă o stare vâscoasă, trecând apoi, odată cu creşterea temperaturii, direct în stare gazoasă. Ea se obţine prin topirea cuarţului natural la temperaturi în jur de 2000 o C şi e un produs aproape pur, ce conţine 99,99% SiO2. Sticla de siliciu e stabilă fizic şi chimic la temperaturi în jur de 1000 o C, este un bun izolator termic şi electric, are densitate mică şi are o bună transparenţă la unde radio. Datorită acestor proprietăţi se foloseşte în sfera mijloacelor de transport şi în industria Fig. 2.8. Structura amorfă a sticlei de siliciu aerospaţială. Forma cea mai convenabilă de utilizare este cea de fibre de sticlă ce sunt înglobate în materiale compozite. 2. Fibrele de sticlă se folosesc de peste 50 de ani în construcţii ca material izolant fonic şi termic. Extinderea rapidă a compozitelor pe bază de sticlă (fibreglas, fig.2.9) se explică prin marea stabilitate termică şi prin proprietăţile de rezistenţă mecanică foarte bune ale fibrelor de sticlă. La fabricarea fibrelor, respectiv ţesăturilor pentru materiale de tip fibreglas se utilizează şi alte sortimente de sticlă cu o compoziţie, respectiv proprietăţi mecanice, chimice si electrice, conform utilizării propuse. Acestea se obţin prin modificarea raportului siliciu /oxizi metalici, precum si prin adăugarea altor substanţe. În prezent, mai ales în domeniul aerospaţial, fibrele de sticlă sunt înlocuite cu fibre de carbon, cu caracteristici net superioare, Fig. 2.9. Fibreglas dar în domeniul construcţiilor, al vehiculelor terestre, ambarcaţiunilor, materialelor sportive, etc, compozitele fibreglas se bucură de o utilizare extinsă, datorită preţului lor de cost mai redus. 3. Fibrele de siliciu se obţin din siliciu pur, topit la circa 1800 o C, prin trefilare la mare viteză (20 50 m/s). Ele au proprietăţi mecanice superioare fibrelor de sticlă şi se folosesc, înglobate în materiale compozite, în industrie aerospaţială. 4. Carburile de siliciu apărute în ultimele decenii, prezintă interes deosebit datorită păstrării rezistenţei la uzură şi coroziune. Combinaţiile carbon-siliciu, inexistente în natură, se obţin prin reducerea silicei (SiO2) cu carbonul. Proprietăţile carburii de siliciu (SiC) sunt remarcabile: duritate între corindon şi carbura de bor, mare rezistenţă mecanică şi termică, coeficient foarte redus de dilatare termică, conductibilitate electrică şi termică ridicată, nu prezintă punct de topire, ci la peste 2000 o C, în atmosferă reducătoare, se disociază în elementele componente. Fig. 2.10. Monocristal carbura de siliciu SiC Pagina 11
Carbura de siliciu se utilizează în: - metalurgie; - obţinerea de materiale abrazive; - construcţia de maşini pentru diverse repere obţinute prin sinterizare; - tehnologiile de vârf sub formă de carbură de siliciu siliconizată; - în construcţia recuperatoarelor de căldură şi a arzătoarelor (fig. 2.11); - structura unor materiale compozite. Fig. 2.11. Schimbătoare de căldură 5. Compozite siliciu-siliciu au fost dezvoltate în ultimii ani pentru aplicaţii aerospaţiale. Ele se obţin prin compactizarea reţelei de fibre de siliciu cu ajutorul unei dispersii coloidale de siliciu amorf, fapt ce duce la îmbunătăţirea caracteristicilor electromagnetice ale materialului, insensibilizare la umiditate atmosferică şi creşterea rezistenţei mecanice. 2.2. Materiale ceramice pe bază de bor În tehnica modernă se utilizează: carbura de bor şi diborura de titan (TiB2). Carbura de bor este un material extrem de dur (ocupând locul trei, după diamant şi nitrura cubică de bor) la o densitate redusă, dar cu un modul de elasticitate foarte mare, fapt ce permite utilizarea lui în construcţiile aerospaţiale. Diborura de titan se utilizează la plăcile de blindaj, la electroliza aluminiului (caz în care înlocuieşte electrozii de grafit, ducând la realizarea unei economii de energie electrică de circa 25%) şi chiar ca material absorbant de neutroni, posibil de folosit în reactoarele nucleare ca element moderator (în locul grafitului sau apei grele). 2.3. Nitruri ceramice Printre materialele ceramice tehnice de dată recentă un loc special îl ocupă nitrurile. Cele mai cunoscute sunt nitrurile cu bor, aluminiu şi titan. Nitrura cubică de bor, cunoscută sub denumirea de CBN (cubic boron nitride), se utilizează în locul diamantului în unele operaţii de prelucrare prin aşchiere. Nitrura de aluminiu se utilizează în industria electronică, pentru producerea substraturilor pentru componente electronice. Nitrura de titan se utilizează sub formă de pulbere în vederea măririi durabilităţii pieselor, sau depusă sub formă de vapori pe sculele aşchietoare. Deşi prezintă proprietăţi funcţionale foarte favorabile, nitrurile au încă un preţ de cost relativ ridicat. Pagina 12
EXEMPLU ILUSTRATIV 2: Pornind de la nitrura de siliciu proprietăţile acestuia au fost îmbunătăţite prin înlocuirea unor părţi de azot şi siliciu cu oxigen şi aluminiu. S-au obţinut astfel, sialonurile (Si-Al-O-N), o categorie de ceramice avansate, cu largi utilizări în fabricarea unor componente de maşini, scule aşchietoare, rulmenţi, etc. Acestea prezintă proprietăţi remarcabile: stabilitate fizică până la cel puţin 1800 o C, bună rezistenţă mecanică, rezistenţă la oxidare şi la şocuri termice. 2.4. Sisteme de oxizi Oxizii constituie cea mai răspândită categorie de materiale ceramice tehnice, pe primul loc situându-se oxizii de siliciu (SiO2) şi de aluminiu (Al2O3 - alumina). Se mai utilizează zirconia (ZrO2), berilia (BeO), titania (TiO), titanatul de bariu (BaTiO3), combinaţii zirconiu-alumină. Sistemele de oxizi constituie principalul furnizor de materiale ceramice pentru numeroase utilizări în construcţia de maşini, industria electronică. Fig. 2.13. Oxidul de aluminiu Al2O3 Fig. 2.12. Zirconia ZrO2 2.5. Carbonul şi fibrele de carbon Carbonul apare in stare cristalină sub formă de grafit, la presiune normală şi sub formă de diamant, la presiune foarte mare. Acestea sunt două stări alotropice ale carbonului ce diferă doar prin structura cristalină (fig. 2.14). Se poate prezenta şi în stare amorfă când aranjamentul atomilor este neregulat (fig. 2.15). În esenţă este tot grafit dar nu a avut loc ordonarea atomilor într-o reţea cristalină. Apare ca o pulbere şi este principalul element constitutiv din cărbune. Pagina 13
Fig. 2.14. Carbon cristalin, diamant şi grafit Fig. 2.15. Carbon amorf Tendinţa de a include carbonul, sub diversele sale forme, printre materialele ceramice tehnice avansate se explică prin: - rezistenţa lui mecanică foarte bună (în cazul grafitului, aceasta creşte cu temperatura); - greutatea specifică redusă; - rezistenţa foarte mare la atacuri chimice, influenţe termice şi radiaţii; - preţ de cost convenabil şi în continuă scădere; - surse practic nelimitate de materie primă. Rezistenţa mecanică a carbonului depinde de structură, de gradul de grafitizare [N/mm 2 ] 1000 2000 3000 T [C O ] Fig. 2.16. Variaţia rezistenţei rupere a carbonului cu temperatura şi, fapt remarcabil, creşte cu temperatura până la 2500 o C, după care se manifestă plastifierea, cu scăderea corespunzătoare a rezistenţei (fig.2.16). Rezistenţa specifică (raportul dintre rezistenţa mecanică şi greutatea specifică) a compozitelor din fibre de carbon în matrice din răşini epoxidice este de 3 ori mai mare faţă de cea a oţelurilor, a aliajelor de titan, de aluminiu sau magneziu şi de 2,5 ori mai mare decât a compozitelor tip fibreglas. Datorită existenţei planelor de clivaj, anumite forme de grafit constituie un excelent lubrifiant solid, posibil de utilizat ca material compact, sub forma coloidală, sau in combinaţie cu alte materiale (de exemplu metale) acolo unde nu este posibila utilizarea unui lubrifiant fluid sau semifluid (uleiuri sau unsori). Carbonul slab organizat (amorf) are o rezistivitate electrică foarte ridicată, cel cristalin are o rezistivitate foarte mică. Cristalul de grafit are proprietăţi de conductor Pagina 14
metalic în sensul axei a şi de semiconductor în sensul axei c, cu dublarea conductivităţii la fiecare interval de creştere a temperaturii cu 250 o C. Proprietăţile de conductivitate electrică ale grafitului combinate cu cele tribologice, respectiv un coeficient de frecare foarte redus, explică larga sa utilizare ca perii pentru colectoarele maşinilor electrice. Conductivitatea termica a grafitului este de circa cincizeci de ori mai mare decât cea a carbonului amorf si dubla decât cea a fierului. Conductivitatea termica scade cu creşterea temperaturii. Densitatea este determinata de varianta structurală a carbonului: 2,26 g/cm 3 pentru grafitul monocristalin, in timp ce la cărbunele amorf variază intre 1,3...1,8 iar la diamant intre 2,01 si 3,53. La atacul chimic carbonul este unul din cele mai inactive elemente la temperatura obişnuită, situaţia inversându-se o data cu creşterea temperaturii. In grafit, impurităţile au rolul de a catalizator, inerţia chimica a grafitului crescând cu puritatea sa. Nu reacţionează nici cu acizii diluaţi si nici cu bazele, ceea ce explica utilizările in medii agresive din punct de vedere chimic, sau acolo unde sunt prezenţi factorii favorabili amorsării proceselor de coroziune. In absenta catalizatorilor, grafitul nu reacţionează cu hidrogenul decât la peste 1200 C, cu clorul numai la temperatura arcului electric, iar cu metalele numai la temperaturi foarte ridicate formând carburi. Punctul de topire al grafitului este foarte înalt (circa 3.900 C), dar nu poate fi riguros precizat, deoarece grafitul sublimează. Privind oxidarea, sub forma de diamant carbonul oxidează rapid la peste 650 C. Oxidarea in aer începe la peste 350 C pentru carbonul amorf si la peste 450 C pentru grafit, limită ce creste cu puritatea si densitatea. Printre materialele industriale moderne, fibrele de carbon (denumite alternativ fibre de grafit, sau fibre de carbon grafit) ocupă un loc important. Drept materie primă pentru obţinerea lor se pot folosi materiale: solide (cărbuni, asfalt de petrol, fibre organice), lichide (petrol, uleiuri aromatice, gudroane), gazoase (hidrocarburi, acetilenă). La fibrele de carbon se constată creşterea rezistenţei mecanice cu scăderea diametrului şi lungirea fibrei. Astfel fibrele tip whiskers (structuri monocristaline cu un raport foarte ridicat între lungime şi diametru) prezintă o rezistenţă mecanică apropiată de cea teoretică, datorită absenţei defectelor structurale. Fibrele de carbon se utilizează în industria nucleară, în construcţiile aerospaţiale (pale de elicopter, lonjeroane, eleroane, derive, trape, învelişul navetelor spaţiale, elemente ale motoarelor de rachetă), în construcţia de automobile, nave, etc. Fig. 2.17. Fibra de carbon comparativ cu un fir de păr (culoare deschisă) Fig. 2.18. Ţesătură din fibre de carbon Pagina 15
Activitatea 2 Timp de lucru: 25 minute 1. Explicaţi diferenţa între fibra de sticlă şi fibra de siliciu. Daţi exemple de utilizare a lor. --------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------- 2. Daţi exemple la locul dumneavoastră de muncă (sau alte firme) de utilizare a carbonului amorf, sub formă de grafit si sub formă de diamant. -------------------------------------------------------------------------------------------------- 3. Descrieţi proprietăţile remarcabile ale carbonului. Explicaţi de ce creşte rezistenta mecanică cu scăderea diametrului la fibra de carbon. -------------------------------------------------------------------------------------------------- Pagina 16
REZUMAT în LECŢIA 1 s-a studiat definiţia, clasificarea, structura şi proprietăţile materialelor ceramice. Astfel, s-a precizat că materialele ceramice sunt solide anorganice şi nemetalice obţinute la temperaturi ridicate care se împart în ceramică tradiţională şi ceramică tehnică. După o scurtă prezentare a ceramicii tradiţionale s-au arătat proprietăţile generale ale materialelor ceramice tehnice si faptul ca acestea rezultă din tipul de legături atomice. în LECŢIA 2 s-au studiat tipurile tipurile de materiale ceramice tehnice, acestea intrând in categoria materialelor avansate. Din marea varietate de materiale ceramice tehnice utilizate în tehnica modernă s-au prezentat cele pe bază de siliciu, bor, nitruri, oxizi, carbon. S-a arătat că materialele ceramice cunoscute continuă să fie îmbunătăţite, noi materiale şi aplicaţii sunt dezvoltate, materialele de azi nu mai pot fi comparate cu cele care au fost pe piaţă zece sau douăzeci de ani în urmă. Noile tehnologii de fabricaţie au adus progrese în domeniile de calitate, reproductibilitate şi de operare. REZULTATE AŞTEPTATE După studierea acestui modul, ar trebui să cunoaşteţi bazele, definiţia, clasificarea, structura şi proprietăţile materialelor ceramice. Să ştiţi amănunte despre materialele ceramice tehnice utilizate în tehnica modernă pe bază de siliciu, bor, nitruri, oxizi, carbon. Pagina 17
P U N C T E C H E I E Materialele ceramice se definesc ca fiind materiale nemetalice, de natura anorganică, greu solubile in apa, obţinute pe cale naturală sau artificială la temperaturi si uneori presiuni ridicate. În prezent termenul de ceramică include o gamă vastă de materiale. După domeniul de utilizare, materialele ceramice pot fi grupate in tradiţionale şi tehnice. Proprietăţile materialelor ceramice sunt determinate de tipul de legături interatomice dintre elementele componente. Materialele ceramice sunt rele conducătoare de căldură şi electricitate deoarece legăturile ionice şi covalente implică electroni de valenţă. În anumite condiţii, ceramicele pot fi utilizate ca materiale semiconductoare sau ca materiale cu proprietăţi piezoelectrice Materialele ceramice prezintă temperaturi înalte de topire, adesea superioare metalelor, au o mare stabilitate chimică, nu se degradează prin coroziune. Materialele ceramice au o rigiditate şi o duritate mare, îşi păstrează rezistenţa mecanică la temperaturi foarte ridicate. Din marea varietate de materiale ceramice tehnice utilizate în tehnica modernă cele mai importante sunt cele pe bază de siliciu, bor, nitruri, oxizi, carbon. Cantitatea uriaşă de siliciu aflată în natură, sub forma dioxidului de siliciu SiO2-silicea încurajează extinderea utilizării acestuia. Oxizii constituie cea mai răspândită categorie de materiale ceramice tehnice, pe primul loc situându-se oxizii de siliciu (SiO2) şi de aluminiu (Al2O3 - alumina) Carbonul se utilizează sub formă de grafit, la presiune normală şi sub formă de diamant, la presiune foarte mare. Acestea sunt două stări alotropice ale carbonului ce diferă doar prin structura cristalină. Pagina 18
TEST DE AUTOEVALUARE Încercuiţi răspunsurile corecte la întrebările următoare. ATENŢIE: pot exista unul, niciunul sau mai multe răspunsuri corecte la aceeaşi întrebare. Timp de lucru: 30 minute 1) Materialele ceramice se definesc ca fiind: a) materiale metalice, de natura anorganică, greu solubile in apa, obţinute pe cale naturală sau artificială la temperaturi si uneori presiuni ridicate; b) materiale nemetalice, de natura anorganică, greu solubile in apa, obţinute pe cale naturală sau artificială la temperaturi si uneori presiuni ridicate; c) materiale nemetalice, de natura organică, greu solubile in apa, obţinute pe cale naturală sau artificială la temperaturi si uneori presiuni ridicate. 2) Materialele ceramice sunt rele conducătoare de căldură şi electricitate deoarece: a) legăturile ionice şi covalente implică electronii de valenţă; b) legăturile ionice şi covalente sunt puternice şi stabile; c) legăturile ionice şi covalente sunt puternice. 3) Printre factorii care au condus la elaborarea şi utilizarea noilor materiale ceramice sunt: a) dezvoltarea microelectronicii şi a tehnicii de calcul; b) necesitatea utilizării unor materiale foarte dure la prelucrările prin aşchiere; Pagina 19
c) necesitatea unor materiale cu proprietăţi tribologice speciale. 4) Materialele ceramice tradiţionale se obţin prin ardere, folosindu-se ca materii prime: a) compuşi ternari Al2O3, SiO2, H2O+ nisip +feldspat b) argila şi nisip; c) argilă, nisip şi feldspat. 5) Materialele ceramice tehnice sunt caracterizate prin unele proprietăţi fizicomecanice superioare materialelor metalice. Astfel se caracterizează prin:: a) densitate redusa, de circa 1/3 din aceea a materialelor metalice; b) duritatea foarte redusă; c) stabilitate dimensională si de formă geometrică până la temperaturi de circa 2.000 C. 6) Proprietăţile carburii de siliciu (SiC) sunt: a) conductibilitate electrică şi termică reduse; b) mare rezistenţă mecanică şi termică; c) duritate foarte mare. 7) Oxizii constituie cea mai răspândită categorie de materiale ceramice tehnice, pe primul loc situându-se: a) zirconia (ZrO2) şi berilia (BeO); b) titania (TiO), titanatul de bariu (BaTiO3); c) oxizii de siliciu (SiO2) şi de aluminiu (Al2O3 - alumina). 8) Carbonul apare in stare cristalină sub formă de: a) grafit, la presiune normală şi ca o pulbere ca element constitutiv din cărbune; b) grafit, la presiune normală şi sub formă de diamant, la presiune foarte mare; c) grafit, la presiune normală şi sub formă de diamant, la presiune redusă. Pagina 20
9) Tendinţa de a include carbonul, sub diversele sale forme, printre materialele ceramice tehnice avansate se explică prin: a) rezistenţa foarte mare la atacuri chimice, influenţe termice şi radiaţii; b) surse practic nelimitate de materie primă; c) rezistenţa lui mecanică foarte bună. 10) La fibrele de carbon tip whiskers se constată: a) o rezistenţă mecanică apropiată de cea teoretică; b) absenţa defectelor structurale; c) scăderea rezistenţei mecanice cu scăderea diametrului. Prin conectare la internet la adresa de site www.mmsc.upm.ro, vă logaţi cu datele de autentificare primite (user şi parolă) şi completaţi în modulul TESTE răspunsurile corecte la întrebări (pe care le-aţi încercuit anterior). ATENŢIE: Numai după transmiterea on-line a testului v-aţi îndeplinit obligaţiile de parcurgere a modulului. Timp de lucru: 10 minute Pagina 21