Materiały ceramiczne stosowane w pojazdach samochodowych

Spis treści

1. Wstęp........................................................................................................................ str. 3
2. Materiały ceramiczne i ich zastosowanie................................................................. str. 4
3. Zakończenie.............................................................................................................. str. 8
4. Biografia................................................................................................................... str. 9

Wstęp


Rysy historyczne, procesy otrzymywania, surowce i zastosowanie materiałów ceramicznych na skale światową w każdej dziedzinie przemysłu.




Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji mineralnych, czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Współcześnie do ceramiki zalicza się niekiedy wszystkie te materiały, które nie są metalami, polimerami lub kompozytami, a więc również substancje nieorganiczne (do ważnych materiałów należą półprzewodniki: german, krzem), organiczne, beton, diament, a nawet lód. Ze względu na rodzaj występujących wiązań chemicznych rozróżnia się ceramikę jonową i kowalencyjną. Materiały ceramiczne mogą być krystaliczne, częściowo krystaliczne lub amorficzne (szkła ceramiczne). Niekiedy osobno wymienia się szkło, aczkolwiek na ogół uznaje się je za podgrupę ceramiki. Materiały ceramiczne należą do najwcześniej wykorzystywanych przez człowieka. Narzędzia krzemienne oraz materiały budowlane z kamienia i gliny były wytwarzane już w czasach prahistorycznych. Naczynia z gliny zaczęto wypalać ok. 8000 lat p.n.e., sposób wytwarzania szkła odkryto ok. 4000 lat p.n.e., a betonu — w czasach rzymskich. W ciągu wieków zakres zastosowań ceramiki poszerzał się ze względu na jej dużą odporność termiczną i chemiczną, szczególne właściwości elektryczne, dużą wytrzymałość i trwałość.



















Materiały ceramiczne i ich zastosowanie

Materiały ceramiczne są przy tym łatwo dostępne i stosunkowo tanie. Stosuje się je zarówno jako tworzywa.
Materiały ceramiczne
konstrukcyjne (zwł. na elementy konstrukcji narażonych na działanie wysokiej temperatury, jak silniki, turbiny gazowe), jak też materiały funkcjonalne. Specjalne materiały ceramiczne są wytwarzane z otrzymywanych syntetycznie tlenków (gł. glinu, cyrkonu), azotków (np. krzemu, boru, tytanu, glinu), węglików. Proszki tych związków zagęszcza się i spieka w wysokiej temperaturze i pod wysokim ciśnieniem. Tak uzyskane materiały odgrywają wielką rolę w technice, m.in. jako warstwy (np. z węglików spiekanych lub diamentowe, nakładane na rdzenie metalowe w celu zwiększenia ich stabilności termicznej, odporności na zużycie i korozję), jako materiały ścierne, jako materiały do wytwarzania biokompatybilnych implantów (np. z tlenku glinu, Al2O3, lub hydroksyapatytu, Ca10(PO 4)6(OH)2).
Materiały ceramiczne stosowane w mikroelektronice mają wyjątkowe znaczenie, ich wartość stanowi ok. 80% ogólnej wartości produkowanych obecnie materiałów ceramicznych. W szerokim zakresie są wykorzystywane ceramiczne materiały półprzewodnikowe, są z nich wytwarzane m.in.: diody, fotodiody, tranzystory, lasery, baterie słoneczne. Dąży się do uzyskania nadprzewodników wysokotemperaturowych, z którymi wiąże się nadzieje na ogromny postęp techniczny. Właściwości nadprzewodnikowe wykazują niektóre materiały ceramiczne. W porównaniu z nadprzewodnikami metalicznymi odznaczają się one znacznie wyższą temperaturą krytyczną (T c), przekraczającą już znacznie 100 K, np. związek o wzorze HgBa2Ca2Cu3O8 ma T c = 135 K. Niektóre związki kompleksowe o właściwościach donorowo-akceptorowych wykazują tak dużą przewodność elektryczną, że bywają nazywane metalami organicznymi.

Materiały ceramiczne są też stosowane jako napełniacze (nazywane niekiedy wypełniaczami); są to: proszki ceramiczne (krzemionka, glinokrzemiany, węglany wapnia i magnezu, sadze, grafit) dodawane w dużych ilościach do elastomerów w celu obniżenia kosztów wytwarzania wyrobów lub nadania im korzystnych właściwości. W technice zapisu i odtwarzania informacji istotne znaczenie mają materiały ceramiczne o właściwościach magnetycznych, np. tlenek żelaza Fe2O3, chromu CrO2, ferryt barowy. Specjalne materiały ceramiczne o właściwościach piezoelektrycznych (cyrkonian i tytanian ołowiu, PbZrO3 i PbTiO3), ferroelektrycznych, również reagujące zmianami właściwości optycznych na fluktuacje pola elektrycznego (mieszane tlenki, np. PbLa(Zr,Ti)O 3), elektrostrykcyjnych (np. Pb(Mg1/3Nb2/3Ti)O 3) znajdują zastosowanie jako czujniki (sensory), przekaźniki i podzespoły w wielu układach elektronicznych.

Czujniki z materiałów ceramicznych (np. z NiO, Fe2O3, ZrO2, Al2O3-Cr 2O3) mogą także reagować na wiele bodźców, np.: zmiany wilgotności, ciśnienia, temperatury, masy próbki, a stosowane w nich materiały są zaliczane do tzw. materiałów inteligentnych. W istocie są to złożone układy zdolne do rozpoznawania bodźców zewnętrznych i — po ich zanalizowaniu — do reagowania w odpowiedni sposób. Sygnały z czujników docierają do analizatora, który — zależnie od wyników analizy — przekazuje polecenie do zespołu kontrolnego i jednocześnie wyświetla je na ekranie monitora. Zespół kontrolny uruchamia zespół wykonawczy. Układy inteligentne są wykorzystywane m.in. do sterowania procesami produkcyjnymi i monitorowania warunków eksploatacji maszyn.
Do ceramiki zalicza się nader ważną grupę materiałów, których gł. składnikiem jest węgiel. Są to przede wszystkim włókna węglowe, bodaj najlepsze zbrojenie kompozytów polimerowych, o bardzo dużej odporności chemicznej i termicznej. W zależności od tego jakimi właściwościami powinien się odznaczać kompozyt stosuje się jedną z dwóch głównych odmian włókien węglowych: o wysokim module Younga (moduł sprężystości podłużnej) lub o dużej wytrzymałości. Różne odmiany sadzy, o rozmiarach cząstek w granicach 10–500 nm i powierzchni właściwej 5–300 m2/g są powszechnie stosowane jako napełniacze elastomerów. Węgiel aktywny, silnie porowaty o powierzchni właściwej sięgającej 1000 m2/g, jest doskonałym adsorbentem. Grafit (naturalny lub syntetyczny) jest odmianą węgla krystalizującą w układzie heksagonalnym, o strukturze warstwowej. Kolejne warstwy, zbudowane z sześcioczłonowych pierścieni węglowych, są połączone nielicznymi wiązaniami chemicznymi i łatwo ulegają przesunięciu względem siebie pod wpływem naprężeń stycznych. Z tego powodu grafit przejawia, podobnie jak siarczek molibdenu MoS2, właściwości smaru stałego, jest ponadto bardzo odporny chemicznie i termicznie, dobrze przewodzi prąd elektryczny. Jest stosowany do wytwarzania uszczelnień, tygli, elementów przewodzących prąd elektryczny, jako smar stały lub, w postaci koloidalnej, dodatek do olejów smarowych. Diament jest krystaliczną odmianą węgla o budowie regularnej. Oszlifowane diamenty (brylanty) tradycyjnie stanowią najcenniejszą ozdobę. Współcześnie diamenty, zarówno naturalne (drobne, często zanieczyszczone), jak i uzyskiwane syntetycznie, są coraz powszechniej wykorzystywane w technice (głównie w postaci proszków lub warstw nakładanych, np. na rdzenie metalowe) do produkcji narzędzi skrawających, ściernych, wierteł, jako zabezpieczenie implantów itd. Nader interesującą strukturę i właściwości mają fulereny (fullereny) — cząsteczki węgla o regularnej strukturze przestrzennej (kuliste lub walcowe), zbudowane z kilkudziesięciu do kilkuset atomów węgla. Możliwość występowania węgla w takiej postaci przewidywano już w latach 70. XX w., ale pierwszy z całej rodziny — fuleren C60 został odkryty w 1985. Mimo intensywnych badań właściwości fulerenów nie zostały dotychczas w pełni poznane i cząsteczki te nie znalazły do tej pory tak szerokiego zastosowania jak się początkowo spodziewano. Wiadomo już, że mogą one pełnić funkcję nośników ładunku, selektywnych sorbentów, stałych smarów, przejawiają właściwości ferromagnetyczne, mogą być wykorzystywane w układach optyki nieliniowej, rysują się perspektywy uzyskania fulerenowych nadprzewodników. Poznanie właściwości i przydatności technicznej różnych postaci węgla jest nader ważne bowiem uważa się, że po wyczerpaniu zasobów ropy naftowej będzie to podstawowy surowiec, od którego racjonalnego wykorzystania zależeć będą możliwości dalszego rozwoju współczesnej cywilizacji.

Cermetale stanowią zzwyczaj połączenie dobrze przewodzącego (cieplnie i elektrycznie) składnika metalicznego i izolatora, jakim jest składnik ceramiczny. Zależnie od udziałów objętościowych obydwu składowych faz cermetali, można zmieniać w szerokich granicach zarówno ich budowę jak i właściwości.



Typowa mikrostruktura cer metali o różnych udziałach objętościowych
faz metalicznych i niemetalicznych.


Powyższe rysunki przedstawiają mikrostrukturę typowych cermetali. Na pierwszym z rysunków faza metaliczna (czarne pola) otoczona jest przez ciągłą osnowę fazy ceramicznej (białe pola). Przy udziale objetościowym metalu bliskim 50% otrzymuje się mikrostrukturę niejako odróconą, gdzie fazę ciagłą tworzy teraz metal. Widać to na drugim z powyższych rusunków. Odpowiednio zmieniają się i właściwości cermetalu, októrych decyduje przede wszystkim faza ciągła. Zmiany tego rodzaju mogą wystąpić, zależnie od kształtu obszarów występowania danej fazy, przy różnych udziałach objętosciowych. Przykładem może być zilustrowany poniżej cermetal Pb (czarne pola) - Ge (białe pola).





Tworzywa uzyskiwane przez spiekanie lub prasowanie sproszkowanych tlenków, węglików, azotków, borków i krzemków oraz metali. Cer metale są bardzo twarde, mają dużą odporność termiczną oraz na ścieranie. Zastosowanie: głównie w technice skrawania metali oraz do budowy części maszyn pracujących w wysokich temp takich jak:


• Turbosprężarka
• Tarczach hamulcowych
• Wałkach rozrządu
• Zaworów ssących i wydechowych
• Korbowody
• Łożyska ceramiczne


Ceramika ma również zastosowanie w podzespołach elektronicznych ,komputerach pokładowych pojazdów ,bateriach słonecznych.






W turbo sprężarkach materiał ceramiczny stosowany jest na łopatkach wirnika.



PORCELANA- rodzaj wyrobów ceramicznych o czerpie białym, spieczonym, nieprzepuszczalnym dla wody i gazów, przeświecającym w cienkiej warstwie, szkliwionym lub nie szkliwionym . Ze względu na skład chemiczny oraz temperaturę wypalania rozróżnia się dwa rodzaje porcelany, twardą oraz miękką.



W skład porcelany twardej wchodzi 40-60% kaolinu , 20-30% kwarcu i 20-30% skalenia, zaś w skład porcelany miękkiej 25-40% kaolinu, 30-45%kwarcu 25-40% skalenia. Porcelana twarda odznacza się dużą wytrzymałością mechaniczną, dobrymi własnościami dielektr.. jest bardzo mało nasiąkliwa, odporna na działanie czynników chemicznych, stosowana do produkcji wysokonapięciowych izolatorów, kształtek izolacyjnych , wyrobów artystycznych. Np., drążka zmiany biegów , świecę zapłonowe, oraz wszelkie materiały dekoracyjne, którymi można ozdobić wnętrze samochodów



Zakończenie


Jak, widać zastosowanie ceramiki w przemyśle motoryzacyjnym ma szeroki zakres zastosowania, począwszy od estetycznych elementów do bardzo skomplikowanych urządzeń, części. Badania prowadzone nad zastosowaniem elementów ceramicznych ze względu na swoje wartości chemiczne, fizyczne i metalurgiczne prowadzone na skalę globalną. Jest to dowód na to, że ceramika to przyszłość......


Bibliografia
• „Mała Encyklopedia Techniki”, wydanie IV, Warszaw 1973 PWN
• „Encyklopedia Powszechna PWN”, Warszawa 1975
• Materiały pomocnicze- Internet
• „Auto Moto Klub”, nr 4 (11) kwiecień 2001