This post is also available in: Holenderski Angielski Francuski Niemiecki Włoski Portugalski, Portugalia Hiszpański

Materiały z ceramiki szklanej zostały po raz pierwszy opracowane w Corning Glass Works i mają takie same właściwości, jak macierzysty materiał szklany i materiały polikrystaliczne. W tym artykule przyjrzymy się, czym różnią się one od materiałów szklanych, w jaki sposób są produkowane, jakie są typowe kompozycje i jakie są ich zastosowania.

Materiały szklane

Kiedy myślimy o materiałach szklanych, zwykle myślimy o oknach w budynkach, domach i środkach transportu. Chociaż to prawda, istnieje wiele różnych rodzajów okularów o różnych składach.

Materiały szklane są na ogół przezroczyste i bardzo kruche (jeśli nie są poddawane obróbce cieplnej). Przezroczystość wynika z braku granic ziaren i porów w strukturze szkła. Ten brak granic ziaren prowadzi również do kruchości, ponieważ pęknięcia mogą rozprzestrzeniać się bez przeszkód.

Inną cechą szkieł jest brak uporządkowania struktury, tzn. losowe ułożenie atomów i cząsteczek. Można to wykazać w analizie dyfrakcji rentgenowskiej (XRD), w której szkło nie wykaże wyraźnie określonych pików. Z drugiej strony, materiał krystaliczny wykazuje uporządkowanie w swojej strukturze i generalnie będzie wytwarzał dobrze zdefiniowane piki podczas analizy XRD.

Brak krystaliczności w ich strukturze powoduje, że określa się je jako amorficzne lub szkliste.

Materiały ceramiczne ze szkła

Materiały z ceramiki szklanej mają taki sam skład chemiczny jak szkła, ale różnią się od nich tym, że zazwyczaj są w 95-98% objętościowo krystaliczne, z niewielką zawartością ciała szklistego. Same kryształy są na ogół bardzo małe, mniejsze niż 1 µm i najczęściej mają bardzo jednolity rozmiar. Ponadto ze względu na swoją krystaliczność i sieć granic ziaren nie są już przezroczyste.

Właściwości szklanych materiałów ceramicznych

Materiały z ceramiki szklanej charakteryzują się zazwyczaj:

• Wysoka wytrzymałość
• Wysoka odporność na uderzenia
• Niski współczynnik rozszerzalności cieplnej, czasem nawet ujemny współczynnik rozszerzalności cieplnej
• Dobra odporność na szok termiczny
• Szereg właściwości optycznych, od półprzezroczystych do nieprzejrzystych, a czasem opalizujących.

Produkcja materiałów szklano-ceramicznych

Elementy z ceramiki szklanej są formowane przy użyciu tych samych procesów, które mają zastosowanie do elementów szklanych. Aby przekształcić je z materiału ze szkła szklistego w materiał ze szkła krystalicznego, należy je poddać obróbce cieplnej lub odszkliwić.

Dewitryfikacja może zachodzić spontanicznie podczas chłodzenia lub eksploatacji, ale najczęściej jest wykorzystywana do produkcji ceramiki szklanej. Polega na podgrzaniu uformowanego produktu szklanego do temperatury wystarczająco wysokiej, aby pobudzić kryształy do zarodkowania w szkle. Następnie podnosi się temperaturę, co powoduje wzrost zarodków krystalizacji pozostałego szkła.

Nukleacja wymaga krytycznej liczby atomów zbieżnych w celu utworzenia jądra. Kiedy jądro osiąga rozmiar krytyczny, następuje zarodkowanie. W wielu kompozycjach szklanych zarodkowanie jest utrudnione przez fakt, że materiał jest oparty na krzemionce i ma wysoką lepkość, co utrudnia połączenie wymaganych atomów. Kompozycje krystaliczne mogą być również złożone, co utrudnia zarodkowanie. Czynniki te wspomagają formowanie szkła i chłodzenie bez krystalizacji.

Obróbka cieplna dewitryfikacyjna musi być dokładnie kontrolowana, aby zapewnić utworzenie maksymalnej liczby zarodków i wzrost tych zarodków w jednorodną drobnokrystaliczną strukturę. W celu uzyskania wysokiego stężenia zarodków w całej strukturze, powszechnie dodaje się do kompozycji szkła środek zarodkujący.

Agenci nuklearni

Najpopularniejszymi czynnikami zarodkowymi są TiO ₂ i ZrO ₂ . Inne materiały, które były używane do nukleacji obejmują P ₂ O ₅ , grupę platynową i metale szlachetne oraz niektóre fluorki.

Kompozycje ze szkła ceramicznego

Chociaż istnieje wiele różnych kompozycji ceramiki szklanej, istnieją 3 główne rodziny:

• LAS – Mieszanina tlenków litu, glinu i krzemu (Li ₂ O-Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) z innymi środkami szklistymi (np. Na ₂ O, K ₂ O i CaO).
• MAS – Mieszanina tlenków magnezu, glinu i krzemu (MgO- Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) ze środkami szklistymi
• ZAS – Mieszanina tlenków cynku, glinu i krzemu (ZnO- Al ₂ O ₃ -SiO ₂ ) z dodatkami do formowania szkła

Zastosowania ceramiki szklanej

Niektóre zastosowania ceramiki szklanej obejmują:

• Osłony – wykonane z Corning 9606 (2MgO.2 Al ₂ O ₃ , układ kordierytowy)
• Naczynia kuchenne, naczynia do pieczenia i płyty kuchenne – wykonane z Corning 9608 (system ß-spodumen)
• Lusterka teleskopowe – wykonane z Owens-Illinois Cer-vit (system ß-kwarc)
• Izolatory – wykonane z General Electric Re-X (układ Li ₂ O.2SiO ₂ )
• Bioaktywne szkło do biomateriałów – Bioszkło 45S5 (46,1 mol% SiO ₂ , 26,9 mol% CaO, 24,4 mol% Na ₂ O i 2,5 mol% P ₂ O ₅ ) zostało zatwierdzone przez FDA i powstało wiele różnych odmian tego składu.
• Komponenty inżynieryjne – wykonane z Macor, ceramiki szklanej obrabialnej maszynowo

Bibliografia

• Jak definiuje się szkło, ceramikę i ceramikę szklaną? – IWT Global
• Wprowadzenie do ceramiki, wydanie drugie, Kingery WD, Bowen HK i Uhlmann DR, John Wiley & Sons, 1976.
• The Science and Design of Engineering Materials, Schaffer JP et al, Richard D. Irwin Inc, 1995
• Nowoczesna inżynieria ceramiczna, Richardson DW, Marcel Dekker Inc., 1992.

Źródło