Ceramika - początki i znaczenie technologiczne.

Ceramika i materiały ceramiczne towarzyszą rozwojowi cywilizacyjnemu człowieka praktycznie od początku, a zatem od epoki neolitu. Najwcześniej, bo około 8300 lat p.n.e. zaczęto wytwarzać ceramikę na Bliskim Wschodzie. Do wyrobu ceramiki wykorzystywano wówczas surowce naturalne takie jak glina, kwarc, skalenie, kaolin.

Geneza dynamicznego rozwoju materiałów ceramicznych sięga okresu II wojny światowej, kiedy to rosnące zapotrzebowanie na wysokojakościowe materiały konstrukcyjne przyczyniły się do szybkiego rozwoju inżynierii ceramiki technicznej. W latach 60-tych i 70-tych powstały kompozyty ceramiczne stowane w energetyce jądrowej, elektrotechnice, telekomunikacji.

Wraz z pojawieniem się przewodników ceramicznych w 1986, zainicjowano szerokie prace laboratoryjne nad produkcją przewodników dla aparatury elektronicznej, urządzeń, silników elektrycznych. Ceramika stała się popularna, jako materiał konstrukcyjny w wielu dziedzinach techniki.

Pomimo iż ceramika odznacza się mniejszą odpornością na obciążenia dynamiczne w porównaniu z metalami, to okazuje się bezkonkurencyjna, jesli chodzi o odporność na korozję, zużycie cierne, rozpad i rozkład.

Właściwości materiałów ceramicznych:

• żaroodporność
• izolacja cieplna
• izolacja elektryczna
• odporność na erozję
• odporność na tarcie
• odporność na działanie środowisk agresywnych chemicznie
• biotolerancja

• ceramikę tlenkową - pojedyńcze tlenki jak Al₂O₃, ZrO₂, ThO₂, BeO, MgO, CeO₂, Cr₂O₃ czy wieloskładnikowe jak PbFe₁₂O₁₉, ZnFe₂O₄, MgAl₂O₄, La₂ZrO₇
• ceramikę nietlenkową - najbardziej popularne to azotki Si₃N₄, AlN, węgliki B₄C i SiC, TiC i TiB₂
• kompozyty - gama tworzyw dwu lub wielo składnikowych.

Nowe nieznane oblicze ceramiki - kompozyty ceramiczno-metalowe.

Materiał ceramiczny w połączeniu z metalem tworzy strukturę - cermetal o zaskakująco dobrych właściwościach materiałowych.

Cermetal (inaczej warstwa ceramiczno-metalowa) to kompozyt powstały w warunkach wysokiej temperatury na bazie materiału ceramicznego oraz metalu. Metal zwykle jest spoiwem dla tlenków (np. glinu) i węglików (np. tytanu bądź chromu), ale także azotków, borków i krzemków metali (żelaza, niklu, chromu). Metal oprócz funkcji spoiwa, podtrzymuje kowalność, przewodność cieplną, odporność na zmiany temperatury i wstrząsy. Więcej o procesach wytwarzania warstw ceramiczno-metalowych.

Cermetal łączy dobre właściwości zarówno metalu jak i ceramiki. Posiada większą wytrzymałość mechaniczną niż ceramika oraz lepszą odporność termiczną niż metal. Własności zależą od stosunku ilościowego użytych materiałów, rozmiaru cząsteczek i technologii wytwarzania. Cermetale ze względu na niski współczynnik tarcia stosowane są jako powłoki zabezpieczające przed zużyciem ciernym.

Popularne zastosowania to ostrza skrawające (węgliki spiekane), łopaty turbin mechanicznych, poszycia kadłubów, elementy aparatury elektrotechnicznej.



Wyjątkowe własności ceramiki i cermetali zainspirował wielu konstruktorów do wykorzystania tych materiałów w motoryzacji. Koncern motoryzacyjny Isuzu zbudował prototyp silnika o pojemności 1.6 litrów oraz mocy 295 koni mechanicznych, którego elementy cierne (między innymi tłoki i cylindry) wytworzone zostały z cermetalu (azotku krzemu Si₃N₄).

Jak podaje magazyn New Scientist, US Army Tank Automotive (TACOM) zbudowało prototyp 6 cylindrowego silnika diesla o pojemności 14 litrów i mocy 170 KW, w którym elementy cierne zostały pokryte kompozytem ceramicznym ZrO₂. Silnik ten sprawnie napędzał ciężarówkę podróżującą z Detroit do Waszyngtonu. TACOM zauważył, że 50% silników pojazdów wojskowych ulegało awarii z powodu układu chłodzenia (przegrzania, awarii) i skonstruował w dlaszych projektach silnik pozbawiony tego elementu. Łącznie usunięto 360 elementów i 14 litrowy silnik odciążono o 190 kilogramów (sam płyn ważył 37 kilogramów).



Obecnie w silnikach pojazdów wojskowych, wiele newralgicznych elementów tarciowych pokrywa się warstwami ochronnymi w tym warstwami ceramiczno-metalowym.
Dzięki tańszym metodom nakładania warstw ceramicznych (zarówno metoda nakładania natryskiem plazmowym jak i dodatkiem ceramicznym dostarczanym do oleju), obserwuje się coraz to większą popularność cermetalu w przemyśle motoryzacyjnym (warstwy ceramiczne na powierzchniach trących silników i skrzyń biegów). Więcej o praktycznym wykorzystaniu warst ceramiczno-metalowych.

Technologie bezzużyciowe i selektywne przenoszenie

Technologie bezzużyciowe powstały na bazie wyników badań, jakie prowadził w latach 60-tych zespół naukowy pod kierownictwem D.N. Garkunov'a i I.V. Kragelsky'ego. Badania koncentrowały się na opisaniu zjawisk fizycznych i chemicznych, zachodzących na roboczych powierzchniach ciernych układów tribologicznych. W efekcie prac, zaobserwowano a następnie sformułowano zjawisko selektywnego przenoszenia, nazywane często również efektem bezzużyciowości.

Selektywne przenoszenie zostało zaobserwowane po raz pierwszy w warunkach tarcia powierzchni stalowej z powierzchnią brązu w obecności mieszanki gliceryny oraz alkoholu jako substancji smarnej. Naukowcy badający zjawisko zanotowali wzrost koncentracji cząsteczek miedzi na powierzchni brązu oraz częściowy transfer miedzi na powierzchnię stalową. W efekcie tego, na obu powierzchniach kontaktowych utworzyła się warstwa miedzi, która prawie całkowicie wypełniła deformacje powierzchniowe.



Zjawisko selektywnego przenoszenia zostało zarejestrowane w rosyjskim urzędzie patentowym (Goscomizobreteniy) pod numerem 41 i w oryginale brzmi następująco:

"It has been found that in friction of copper alloys on steel under conditions of boundary lubrication excluding oxidation of copper, a phenomenon of selective transfer of copper from the solid solution of copper alloy to steel and its reverse transfer from steel to copper alloy occurs accompanied by the reduction of friction coeficient to its liquid state and resulting in appreciable reduction of wear of the friction pair."

Korzystny wpływ zjawiska selektywnego przenoszenia wyzwolił prace nad rozwojem technologii, których zadaniem jest eliminowanie szkodliwych skutków zjawisk tarciowych występujących w urządzeniach i układach mechanicznych.

Dalszy rozwój modelu selektywnego przenoszenia to zasługa prof. George P. Shpenkov'a. Jego publikacja z 1995 roku zatytułowana "Friction Surface Phenomena", formalizuje zjawiska i procesy tarciowe, podkreśla potencjał technologiczny, oszczędnościowy i regeneracyjny wynikający z zastosowania selektywnego przenoszenia w praktyce.

W próbach badawczych wykorzystano selektywne przenoszenie do osadzania się na powierzchniach ciernych, cienkich warstw miedziowych, których cząsteczki budulcowe przenoszone są do obszarów tarcia wraz z substancją smarną.

W efekcie uformowano warstwy posiadające grubość od kilku warstw atomowych do 1-2 mikrometrów, redukujące współczynnik tarcia do wartości porównywalnych z tarciem płynnym.

Badania te stały się początkiem rozwoju dodatków do oleju których działanie prowadzi do tworzenia się na powierzchniach ciernych mechanizmów, warstw cermetalowch.

Dzisiejszy stan technologii pozwala zmniejszyć intensywność zużycia materiałowego nawet kilkukrotnie, dzięki warstwie cermetalowej, osadzonej w obszarach tarcia. Wiele badań potwierdza również właściwości regenerujące warstw ceramiczno-metalowych (po dostarczeniu odpowiednich minerałów do układu olejenia).

Kompozyty ceramiczne, uważane są przez wielu naukowców za materiał konstrukcyjny 21-go wieku.