Úvod

Cieľom mojej seminárnej práce je charakterizovať vlastnosti a využitie keramických konštrukčných materiálov, nástrojov a biokeramiky v rôznych priemyselných odvetviach. Ďalej v nej popisujem rozdelenie keramických materiálov podľa ich zloženia, spôsobu formovania, podľa povrchovej úpravy aj praktického použitia. Poukázala som aj na skupinu materiálov, ktoré sú založené na báze rôznych oxidov, na ich tepelné či mechanické vlastnosti. Obšírnejšie som opísala biokeramické materiály, nakoľko sú v súčasnosti veľmi využívané v zdravotníctve.

Téma tejto práce je veľmi zaujímavá z toho dôvodu, lebo vývoj keramických materiálov a hmôt veľmi súvisí s rozvojom priemyselnej elektrotechniky a elektroniky.

Pri práci som používala odborné články a literatúru z internetu.

Všeobecne o keramike

Keramika sa triedi do skupín podľa rozličných hľadísk :

- podľa chemického zloženia, spôsobu formovania, vypaľovania, podľa povrchovej úpravy aj praktického použitia. Často sa keramika triedi na jemnú - predstavuje úžitkové predmety pre domácnosť, zdravotnícku keramiku, obkladačky a laboratórne náradie, na hrubú - používa sa pre stavebné a priemyselné účely.

- medzi základné keramické suroviny patria plastické zeminy (kaolín, hliny a íly) a ostrivá (kremeň, živec, piesok, vápenec). Plastické zeminy sa v prírode vyskytujú rôzne znečistené. Medzi najčistejšie a najcennejšie plastické zeminy patrí kaolín, ktorý si zachováva bielu farbu aj po vypálení.

Keramické materiály

Sortiment keramických materiálov sa v období rokov tesne pred a po II. svetovej vojne podstatne rozšíril z pôvodne ohraničeného počtu druhov klasickej keramiky (fajansa, porcelán) na mnohonásobný počet nových keramických hmôt (ktoré často vôbec neobsahujú zlúčeniny kremíka), najmä v súvislosti s rozvojom priemyslovej elektrotechniky a zvlášť potom elektroniky.

Technická a konštrukčná keramika

Prevažná časť hlavnej zložky je kryštalická, často však obsahuje i minoritnú sklenú fázu. Tieto materiály sa nazývajú moderná technická keramika. Moderná technická keramika sú teda polykryštalické materiály na báze anorganických zlúčenín nekovového charakteru, pripravované spekaním z práškov. Moderná keramika sa dnes využíva aj na náročné aplikácie - na vysoko namáhané súčiastky ( pri zmenách teploty) v koróznom prostredí. Takúto keramiku, vrátane nástrojových keramických materiálov, označujeme ako konštrukčná keramika, na rozdiel od funkčnej keramiky, ktorou rozumieme materiály určené svojimi špecifickými (najmä fyzikálnymi) vlastnosťami pre elektrotechniku, elektroniku, optiku a pod.

Základné poznatky o konštrukčnej keramike

Hlavnými prednosťami konštrukčnej keramiky je ich mimoriadne vysoká tvrdosť (ktorá im dodáva vysokú odolnosť proti opotrebeniu), vysoká korózna odolnosť a vysoká žiaruvzdornosť.

Keramické konštrukčné materiály sú elektricky nevodivé a majú aj tepelno-izolačnú schopnosť. Možno ich vytvarovať s veľkou presnosťou, čo je veľmi dôležité vzhľadom na to, že sa dajú opracovávať len diamantovými nástrojmi. Keramiku možno vyrábať v pestrej škále farieb, výrobky si uchovávajú svoj lesk i farbu prakticky nekonečne dlho.

Hlavnou a prakticky jedinou nevýhodou konštrukčnej keramiky je jej krehkosť, ktorá vyplýva zo zložitej kryštálovej štruktúry a najmä kovalentnej alebo iónovej väzby medzi atómami hlavnej polykryštalickej zložky.

Vedľajšou príčinou krehkosti keramiky je ich mikroštruktúra spekaného materiálu, charakteristická pórovitosťou, nehomogenitou a pod.
Krehké materiály sa doteraz ako konštrukčné prakticky nevyužívali a je preto s nimi pomerne málo skúseností. Rozvoj využívania konštrukčnej keramiky je preto nerozlučne spojený jednak s výskumom možností zvýšenia húževnatosti keramiky, jednak s vývojom prístupov ku konštrukčným výpočtom i skúšaní týchto materiálov.

Oxidová keramika

Ide o pomerne širokú skupinu materiálov na báze rôznych oxidov, z ktorej najväčší význam pre konštrukčné aplikácie majú materiály na báze oxidu hlinitého a oxidu zirkoničitého.

Materiály na báze α-Al2O3 sú najznámejšou oxidovou keramikou pre rôzne aplikácie. Vyrába sa kalcináciou Al(OH)3 v rotačných peciach. Vzhľadom na existenciu silných chemických väzieb medzi iónmi Al a O má Al2O3 dobrú chemickú stabilitu, vysoký bod tavenia (2050 °C) a najvyššiu tvrdosť zo všetkých druhov oxidickej keramiky. Pri izbovej teplote má vysokú pevnosť v ohybe, ktorá však nad teplotou 1000 °C prudko klesá. Ich tepelná vodivosť je relatívne vysoká, majú vysoký koeficient teplotnej rozťažnosti, čo spôsobuje, že ich odolnosť voči tepelným rázom je nízka.

Materiály na báze oxidu zirkoničitého, používané na konštrukčné účely, využívajú na zhúževnatenie napäťovo indukovanú martenzitickú premenu t-ZrO2 (stredno-teplotná tetragonálna modifikácia) na m-ZrO2 (nízkoteplotná monoklinická modifikácia) pri tzv. čiastočne stabilizovanom oxide zirkoničitom. Premena t-ZrO2 na m-ZrO2 je spojená s objemovou zmenou asi 3 %. Výrobky z čistého ZrO2 sa preto často rozrušia už pri vypaľovaní a sú prakticky nepoužiteľné. Prídavkom vhodných oxidov, napr. CaO alebo Y203 je však možné docieliť to, že sa ZrO2 prevedie na pevný kubický roztok, stály v celom teplotnom rozsahu. Takto upravenú keramiku označujeme ako stabilizovanú. Priaznivý účinok sa dosahuje tým, že vysoké napätia v okolí koreňa trhliny pri zaťažení vyvolávajú transformáciu tetragonálnej fázy do stabilnej monoklinickej formy. Uvedená fázová transformácia nastáva i pri mechanickom opracovaní povrchu, kedy vznikajú tiež pomerne vysoké napätia. Na rozdiel od bežnej keramiky, kde sa

mechanickým opracovaním, napr. brúsením, pevnosť zníži vznikom početných povrchových trhlín, v čiastočne stabilizovanom ZrO2 sa naopak v dôsledku vyvolania transformácií a tlakového pnutia v povrchovej vrstve pevnosť zvýši.