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.Nitridová keramika a keramika na báze SiC

Keramika na báze nitridu a karbidu kremíka sú perspektívne materiály na súčiastky strojov pracujúcich pri vysokých teplotách (do 1500 °C) a už komerčne využívané materiály na rezné nástroje. Ak materiály na báze Si3N4 porovnávame so superzliatinami niklu a materiály na báze SiC so zliatinami vysoko taviteľných kovov je prednosťou keramických materiálov nižšia hustota (na úrovni Al-zliatin), vyššia žiaruvzdornosť i možnosť aplikácie pri ešte vyšších teplotách. Jedinou nevýhodou je krehkosť.

Nitrid kremíka je anorganická zlúčenina, ktorá sa vyskytuje v dvoch štruktúrnych modifikáciách: α – Si3N4 (ktorá má defektnú mriežku v tom, že jeden zo základných atómov dusíka nahrádza kyslík) a β – Si3N4 (zastúpenie atómov plne zodpovedá stechiometrickému vzorcu). Po spekaní pri teplote 1700 - 2000 °C je vhodné, aby štruktúra β-Si3N4 mala vláknitý charakter (má väčšiu lomovú húževnatosť), pričom sú tieto kryštály obklopené spojitou sieťou sklovitých alebo kryštalických fáz, vznikajúcich z prísad a SiO2. Tieto fázy zhoršujú mechanické vlastnosti materiálu, preto sa veľká pozornosť venuje výskumu možností ich odstránenia.

Sialony sú keramické materiály odvodené od nitridu kremíka náhradou niektorých atómov kremíka hliníkom a niektorých atómov dusíka kyslíkom. Dnes je známych asi 400 takýchto materiálov sústavy Si-AI-O-N (z chemických značiek zložiek sústavy je odvodený názov sialon).

Nitridová keramika (nitrid kremíka a sialony) je predurčená na vysokoteplotné aplikácie. Uvažuje sa s ňou na súčiastky tepelných strojov namáhaných ťahovými napätiami nad 100 MPa pri teplotách až okolo 1500 °C. Ich pevnosť pri vysokých teplotách, ako dokumentuje tabuľka, prevyšuje i niklové superzliatíny. Nitridová keramika sa ďalej vyznačuje odolnosťou proti tepelným nárazom, nízkou tepelnou vodivosťou, nízkou tepelnou rozťažnosťou, vysokou tvrdosťou a koróznou odolnosťou. Priaznivejšie charakteristiky sialonu vyplývajú z toho, že výhodne kombinuje vlastnosti Si3N4 a Al2O3.

Karbid kremíka sa vyrába žiarovým lisovaním, reakčným spekaním, alebo spekaním bez použitia tlaku. Karbid kremíka, pripravený žiarovým lisovaním (2000 °C, 35 MPa) sa vyznačuje vysokou hustotou a pevnosťou, ale neľahkým opracovaním a tvarovaním. Tento problém viedol k vývoju SiC pripraveného reakčným spekaním. Veľkou výhodou tohto spracovateľského postupu sú malé rozmerové zmeny počas procesu.

Reakčne spekaný SiC sa najčastejšie získava zo zmesi SiC, grafitového prášku a kremíka. Kremík, ktorý je počas spekania tekutý, reaguje s grafitovým práškom a vytvára sklenú fázu SiC, pôsobiacu ako spojivo. Po spracovaní obsahuje materiál obvykle 10 - 15 % zvyškového kremíka.

Spekaný SiC bez použitia tlaku je pripravovaný spekaním prášku SiC s prídavkom bóru, uhlíka alebo hliníka. Pevnosť SiC je nižšia než Si3N4, rovnako tak i odolnosť proti tepelnému šoku. Vyznačuje sa vysokou tvrdosťou a vysokou tepelnou vodivosťou, ktorá sa využíva pri konštrukcii tepelných zariadení. Pri teplotách do 1300 °C má výhodnejšie vlastnosti Si3N4, pre teploty 1300- 1500 °C sa javí výhodnejší SiC.

Biokeramika

Nebiologická náhrada „biologickej“ kosti sa nazýva biokeramika, myslí sa tým taká keramika, ktorú živé tkanivá dobre znášajú. Podľa toho, ako materiál na živé tkanivo pôsobí, rozlišujeme biokeramiku na inertnú, resorbovateľnú a bioaktívnu (na ňu organizmus reaguje, ako keby bola skutočne živá).

Inertná biokeramika je napríklad korundová alebo na báze oxidu zirkoničitého. Tieto materiály živé kostné tkanivo toleruje. Kostné bunky osídľujú povrch, a ak ide o poréznu keramiku, vzniká novo vytvorená kosť na obmedzenú vzdialenosť do pórov.

Resorbovateľná biokeramika je založená na báze vápenatých solí, napríklad fosforečnanov, uhličitanov alebo síranov. Tieto materiály slúžia ako dočasná náhrada kostí. Pri obnovovaní kostného tkaniva sa implantovaný materiál postupne vstrebáva.

Bioaktívne materiály (napríklad hutný hydroxyapatit, bioaktívne sklá, bioaktívna sklokeramika) majú schopnosť vytvárať pevnú chemickú väzbu so živým kostným tkanivom priamo, alebo prostredníctvom väziva.

V 70. rokoch vyvinul L. L. Henche povrchovo bioaktívne sklá na báze sodnovápenatokremičitých skiel s prídavkom oxidu fosforečného, ktorá sa v určitom rozsahu zloženia môžu chemicky viazať nielen na kostné tkanivo, ale vytvárajú väzbu i s mäkkým tkanivom. Bioaktívne sklá však majú nízku mechanickú pevnosť, preto sa príliš nehodia pre klinické využitie. Oproti tomu bioaktívne sklokeramické materiály na báze apatitu a wollastonitu majú vynikajúce mechanické vlastnosti, ktoré sa uplatňujú napríklad v ortopédii, neurochirurgii alebo čeľustnej a tvarovej chirurgii.

Materiál BAS-O je bioaktívny, dlohodobo stabilný a má vysokú mechanickú pevnosť. Ide o anorganickú polykryštalickú nekovovú látku, ktorá sa pripravuje kryštalizáciou skla. Pri nej je amorfný materiál premenený v sklokeramiku s hlavnými kryštalickými fázami apatitom a wollastonitom. Základnou podmienkou pre vznik väzby

medzi implantátom BAS-O a živým kostným tkanivom je tvorba tenkej povrchovej vrstvy obohatená o vápnik a fosfor, ktorá vzniká na povrchu ako výsledok reakcie medzi implantátom a telesnou tekutinou (Obr.1). Táto vrstva, spočiatku amorfná, sa časom mení na polykryštalickú vrstvu apatitových útvarov podobných kostnému apatitu (Obr. 2). Implantát nieje pre organizmus cudzorodým telesom, takže s ním v priebehu 4 až 8 týždňov vytvorí pevnú väzbu. BAS-O má pevnosť v ohybe podobnú ako kosť a pevnosť v tlaku oproti kosti dvojnásobnú. Dostatočne pevný je aj zrast implantátu s kostným tkanivom. Vyrábajú sa implantáty v tvare globulí, plátkov, hranolčekov, poprípade individuálne tvarované podľa operovaného miesta.

Hutný alebo porézny hydroxyapatit, ktorý pod názvom BAS-HA vyrába spoločnosť Lasak Praha, je vhodný ako výplň defektov v zubnej chirurgii a k náhrade stredoušných kostičiek (Obr. 3), poprípade k rekonštrukčnej výplni zvukovodu. Dobre sa hodí i na povlaky kovových implantátov, predovšetkým na časti endoprotéz veľkých kĺbov alebo na dlahy a pre vonkajšiu fixáciu. Hydroxyapatitovým povlakom sú chránené aj umelé náhrady zubných koreňov, ktoré sú vložené do čeľustných kostí a po zahojení sa na ne upevnia korunky (Obr. 4).

Záver

Túto seminárnu prácu s názvom Keramické konštrukčné materiály, keramické nástroje, biokeramika som písala s cieľom charakterizovať vlastnosti keramických konštrukčných materiálov, nástrojov a biokeramiky v rôznych priemyselných odvetviach, ako aj ich praktické využitie.

Prvá časť práce bola zameraná na charakteristiku a rozdelenie jednotlivých keramických konštrukčných materiálov podľa ich využitia a vlastností. V druhej časti som v krátkosti uviedla charakteristiku biokeramiky a takisto rozdelenie a vlastnosti jednotlivých druhov materiálov. Táto časť práce ma osobne najviac zaujala.

	Tento článok bol vytlačený zo stránky https://referaty.centrum.sk