CeramiciNotiuni introductive

Arta olritului n sensul larg al cuvntului dateaz din preistorie, unii autori plasndu-i originea n prima jumatate a mezoliticului, acum 8 10 milenii. Omul preistoric a remarcat c argila din anumite zone reinea apa de ploaie, fiind i plastic. Se poate ca urma unui picior imprimat n solul umed s-i fi sugerat ideea de a confeciona recipiente din argil ud. Acestea erau modelate grosolan, cu mna, i uscate la soare.Istoria ceramicii

Mai trziu a aprut ideea de a face din argil i crmizi. Spre deosebire de piatr, acestea aveau avantajul unei forme regulate i al posibilitii fabricrii pe loc, eliminnd astfel munca dur de extracie din carier. Argila prezenta i avantajul de a fi modelat cu uurin pentru a se obine figurine de lut i podoabe.

Cele trei domenii ustensile, materiale de construcie i ceramica artistic s-au manifestat pretutindeni, deci nu exist o istorie a ceramicii, ci tot attea istorii, cte civilizaii. Totui, pe baza vestigiilor cunoscute, cel mai vechi centru al ceramicii poate fi situat n Asia Occidental, n inuturile de coast unde se ntinde actuala Anatolie turc, pna n Palestina, iar n interior pna n Irak. Aceast industrie s-a dezvoltat n Egipt, de unde s-a rspndit i n Asia i Europa, ncepnd cu mileniul al VI-lea .Hr.

Primele obiecte din lut, uscate la soare, n-au rezistat scurgerii timpului. Crmizile au rezistat mai bine din cauza aezrii n straturi. Primele crmizi turnate au aprut n Mesopotamia la sfritul mileniului al V-lea .Hr. n Egipt, n acelai mileniu, exista deja o industrie a olritului:- lutul din valea Nilului - obinerea de obiecte de culoare roie sau cafenie,- n timp ce din marna argiloas se fceau recipiente poroase de culoare gri.Amestecul de lut i ap era obinut prin clcare n picioare, ntr-o groap spat n pmnt.

Timp ndelungat, obiectele de lut au fost fasonate cu mna. Dei momentul exact al acestui eveniment este greu de precizat, roata olarului a determinat un progres semnificativ n arta olritului. Nimeni nu poate spune cu precizie cnd a fost conceput aceasta, dar prima dovad a existenei roii olarului dateaz din Mesopotamia anului 3500 .Hr. O bucat de lut, ce pn atunci fusese modelat manual, putea fi azvrlit pe roat i nvrtit, iar cu ajutorul minilor i, eventual, a unor unelte, i prin intermediul forei ineriale i se putea da o form simetric. Printre aceste forme se numrau cupe, oale i alte recipiente.

Avnd o destinaie nu numai decorativ, aceste vase reprezentau singurul mod sigur de depozitare a alimentelor, buturilor, uleilor i cerealelor, avnd i multe alte utilizri. Vasele de lut nu erau produse doar pentru depozitarea diferitelor mrfuri comerciale, fiind prin ele nsele obiecte de nego, comercializate ntre diferite popoare cu ajutorul corbiilor i al cruelor.

Mult vreme, obiectele de lut erau uscate la soare, timp de luni ntregi. Apoi s-a vzut c focul scurta mult aceast operaie i mrea rezistena obiectelor. Totui, oamenii erau departe de inventarea cuptorului.

Arderea se fcea pe pmnt sau n gropi spate special, materialele combustibile fiind aezate printre obiectele de lut i sub ele. Arderea fcut astfel, la temperaturi joase (500-600C) era mai mult o uscare forat. Pentru c nu exista suficient aer n timpul combustiei, gazele nnegreau lutul. Cuptoarele nchise, care asigurau n evul mediu o ardere la 800-900C au aprut prin anul 3000 .Hr. n Siria.

n secolul al V-lea .Hr., chinezii au inventat ceramica fin, iar n secolul al II-lea .Hr. au perfecionat cuptoarele i au obinut temperaturi de circa 1200-1300C.

Porelanul a aprut tot n China, iar chinezii chiar i n prezent produc un porelan de cea mai bun calitate. Primul porelan era o subsant brut, obinut n timpul dinastiei Tang, ntre anii 618-907 d.Hr., fiind foarte apreciat pentru transluciditatea sa. Porelanul a ajuns pe pieele occidentale ntr-o form mai rafinat n secolul al XIII-lea, adus de negustorii de mirodenii ce cltoreau pn n Orientul ndeprtat.

Materialele ceramice sunt o clas de solide anorganice, nemetalice, obinute la temperaturi nalte. Natura materialului ceramic, compoziia lui chimic i arderea sunt factorii principali care definesc o ceramic, indiferent de aplicaie. n Dicionarul Explicativ al limbii romne (DEX, ediia 1984) substantivul feminin "ceramic" este definit ca "tehnica i arta prelucrrii argilelor pentru a se obine, prin omogenizarea amestecului plastic, modelarea, decorarea, smluirea, uscarea i arderea lui, diverse obiecte; obiect confecionat prin aceast tehnic".

Ceramica este reprezentat printr-o gam foarte variat de materiale:ceramica de construcii (igle, crmizi, plci de faad i de pardoseli, ceramica sanitar etc.),ceramica de menaj (porelan, faian, gresie etc.),materiale refractare pentru construcia instalaiilor termice,ceramica pentru industria electrotehnic, electronic, nuclear,ceramica cu nalte proprieti termomecanice,ceramica de uz biologic,alte tipuri de ceramici (inclusiv cea cu funcie abraziv, catalitic ,etc.).

Diversitatea funciilor de utilizare ale produselor ceramice arat, ntr-o oarecare msur, evoluia noiuniii de ceramic i las s se ntrevad noi posibiliti de mbogire a acestei noiuni. n nelesul actual, materialele ceramice reprezint o clas de solide anorganice, nemetalice (dei, mai rar, pot avea i constitueni metalici), obinute la temperaturi nalte, la care are loc sintetizarea, vitrificarea sau topirea lor, urmate de rcirea i consolidarea produsului, corespunztor pentru utilizare.

Natura materialului ceramic (compoziia lui chimico-mineralogic), reprezint unul dintre factorii eseniali care difereniaz materialele ceramice ntre ele.n funcie de procesul termic aplicat la formarea lor (prin ardere), materialele ceramice se pot deosebi ntre ele.

Denumirea ceramic vine din grecescul ceramicos care nseamn argil ars.n domeniul materialelor, domeniu n plin dezvoltare n ultimii ani, puine sunt sectoarele care au evoluat att de rapid, precum cel al materialelor ceramice.

Materialele ceramice s-au impus n industriile mondiale de vrf datorit unor proprieti, dintre care se pot aminti: stabilitatea chimic i mecanic la temperaturi ridicate, raportul excelent rezisten mecanic/densitate, modul de elasticitate/densitate.

Domeniul materialelor ceramice este larg i divers, att privind compoziia, structura ct i proprietile, dar i tehnologiile de fabricaie ale acestora. Din acest motiv, definirea i clasificarea materialelor ceramice este deficil i pn n prezent, diverii specialiti nu au reuit s dea definiii unice.Definirea i clasificarea materialelor ceramice

Literatura de specialitate - ceramicele = materiale nemetalice de natur anorganic, greu solubile n ap, obinute pe cale natural sau artificial la temperaturi i presiuni ridicate. n general, materialele ceramice sunt amorfe, ns aproximativ 30% dintre acestea au structur cristalin.

Originea ceramicii se pierde n preistorie fiind una din primele invenii ale omului i fiind prezent n fiecare epoc. Arheologii recurg la ciobul de ceramic pentru elimitarea perioadelor istorice.Noiuni generale

Noiunea de ceramic a evoluat mult, folosindu-se diferite criterii de evaluare i clasificare. n funcie de temperatura de formare i respectiv de comportarea produsului finit la temperatur ridicat, materialele ceramice se mpart n:- materialele ceramice refractare i- materialele ceramice nerefractare.n funcie de nivelul temperaturii maxime de topire exist ceramice refractare obinuite, cu limita refractaritii la 1770C, cu refractaritate nalt - pn la 2000C i super-refractare - peste 2000C.

Dup microstructur materialele ceramice pot fi:- monocristaline i- policristalinepot fi, dup compoziia chimic, mono i polifazice sau multifazice, iar dup textur pot fi poroase sau dense i lipsite de porozitate.

Dup natura materiilor prime i destinaia produselor, materialele ceramice se clasific astfel: ceramica tradiional, bazat pe materii prime naturale i cu utilizri convenionale (teracot, faian, gresie, porelan, refractare obinuite). Ceramica de uz casnic - (porelan, sticl, utilizat pentru fabricarea de oale, vase sau cea pentru construcii - crmizi, igl, faian, chiuvete etc.) a fost fabricat i utilizat din vremuri strvechi.

ceramica tehnic, bazat pe materii prime de puritate nalt, oxidice sau neoxidice i utilizate n aproape toate domeniile de activitate: construcii de maini, electronic, tehnica nuclear, tehnologia spaial, etc. Ceramica tehnic sau ceramica avansat sau fin a fost dezvoltat ca material ingineresc, mai ales n ultimii 25-30 de ani.

Datorit proprietilor superioare ceramicele tehnice prezint un interes deosebit pentru activitile din toate domeniile.Exemple: ceramice funcionale; ceramice structurale; ceramice industriale; ceramice nalt performante; electroceramice; ceramice abrazive; bioceramice.

Din punct de vedere al compoziiei chimice, ceramicele tehnice pot fi grupate astfel:- Ceramice silicioase sau vitroceramice, obinute prin cristalizarea dirijat a sticlelor cu ajutorul unor ageni de nucleaie (catalizatori) metalici, halogenuri sau compui oxidici. Prin desfurarea corespunztoare a tratamentului termic poate fi modificat microstructura materialului ceramic i ca urmare, se pot mbunti proprietile mecanice, termice, optice, electrice, etc.

Principalele materiale vitroceramice sunt constituite din elemente chimice de forma: Li2O-Al2O3-SiO2, Na2O-Al2O3-SiO2, MgO-Al2O3-SiO2, K2O-Al2O3-SiO2, Al2O3-SiO2, MgO-SiO2, PbO-ZnO-B2O3 i vitroceramice din bazalt: Al2O3-Fe2O3-FeO-MgO-Ca-SiO2, etc.Clasificarea ceramicelor tehnice din punct de vedere al compoziiei chimice i principalele utilizri

- Ceramice nemetalice caracterizate prin structuri complexe realizabile prin presare la temperaturi =1700C i presiuni p>14MPa obinndu-se produse cu compactitate ridicat. Principalele materialea parinnd acestei categorii de ceramice sunt:- nitrura de siliciu (Si3N4),- carbura de siliciu (SiC),- carbura de bor (B4C),- carbura de zirconiu (Zr2C),- nitrura cubic de bor (BN), etc.

- Ceramice metalice sau cermeni, cu structur metalografic complex, foarte rezistente la solicitri dinamice, temperaturi ridicate i coroziune. Materialele specifice aparinnd acestei grupe sunt:- cermeni de tip wolfram-cobalt (W-Co),- cermeni cu mai multe carburi (TiC-TaC-WC),- cermeni cu alumin (Al2O3) i carburi de titan (TiC), sau nichel (NiC),- cermeni cu alumin i crom (Al2O3Cr), sau azot (Al2O3N), crom-molibden (Al2O3-Cr-Mo), crom-wolfram (Al2O3-Cr-W), siliciur de molibden (Al2O3-MoSi), nitrur de titan (Al2O3-TiN), etc.

- Ceramice oxidice de forma Al2O3 n proporie de 99%: ZrO2, SnO2, Fe2O3, ZnO, BeO, MgO, TiO2, ThO2, Y2O3. Tot din aceast categorie fac parte i ceramicele de forma: MgC2O4-TiO2, ZnO-Cr2O3, BaTiO, Pb(TiZr)O4, Al2TiO5, MnFe2O4, Fe3O4, ZrB2 cu 20% SiC, MgO-Al2O3-SiO2, soluii solide cum sunt titanatul-zirconat de plumb (ceramica PZT), titanatul de bariu, etc.;

- Ceramice magnetice constituite din ferit de forma MFe2O4 n care Fe este trivalent, iar metalul M este bivalent, fiind reprezentat de Ni, Mn, Mg, Zn, Cu, Co, etc. ;

O alt clasificare a ceramicelor tehnice se poate face n functie de componentul de baz. Astfel, deosebim: ceramice care au ca i component de baz siliciul: sticla de siliciu, fibre de sticl, fibre de silicie, carbura de siliciu, nitrura de siliciu ; ceramice care au ca i component de baz carbonul: grafit monocristalin (whiskers), fibre de grafit artificial sau amorf, diamantul, diverse carburi; ceramice care au ca i component de baz borul: carbura de bor, borur de titan; ceramice care au ca i component de baz oxigenul: oxidul de siliciu, alumina, oxidul de beriliu; ceramice care au ca i component de baz azotul: nitrura de bor, nitrura de aluminiu, nitrura de titan.

O categorie important de materiale ceramice este constituit din materialele compozite cu matrice ceramic.Sunt de natur anorganic, cu caracteristici fizico-mecanice (duritate, fragilitate, refractaritate, rezisten la coroziune i abraziune, densitate etc.) cu totul deosebite fa de acelea metalice sau a altor categorii de compozite.

Sunt constituite din:- o matrice din carbura de siliciu SiC, nitrur de siliciu Si3N4, oxid de aluminiu Al2O3, oxid de zirconiu ZrO2, etc.,- armat fie cu monocristale filamentare, whiskers, fibre foarte scurte sau scurte ori cu fibre lungi de ceramic din SiC, Al2O3, Si3N4, etc., din carbon C, din bor B, etc.

n funcie de natura materialului i a structurii de armare, compozitele cu matrice ceramic pot fi:

Compozite cu matrice din nitrur de bor armat cu fibre de nitrur de bor BN-BN, obinute prin bobinarea unui mnunchi de fibre de bor pe care se impregneaz o past de nitrur de bor sau/i se depune o pelicul prin fixare chimic n faza de vapori a nitrurii de bor pe structura de armare a compozitului realizat din nitrur de bor;

Compozite cu matrice vitroceramic, constituit din sistemul de elemente Li2O3-SiO2, armate cu fibre de carbon care sunt caracterizate prin proprieti fizico-mecanice remarcabile, care se conserv pn la temperaturi de 200C i printr-o rezisten foarte mare la solicitri mecanice prin oc;

Compozite cu matrice de sticl armat cu grafit sub form de filamente, fibre scurte sau lungi, estur, ptur etc., care se remarc prin proprieti fizico-mecanice bune, care se conserv pn la temperaturi de 650C, n atmosfer oxidant.

Compozite cu matrice din ZrO2 armate cu cristale filiforme sau fibre de ZrO2, cu cristale de Al2O3, etc. Acestea au o rezisten mrit la solicitri mecanice i impact, n raport cu ceramica nearmat;

Compozitele cu matrice de carbur de tantal se obin prin depunerea chimic n faz de vapori (DCV) a acesteia pe o structur de armare format din fibre de grafit, urmat de o presare la cald. Aceste ceramice au o bun rezisten la uzur i ocuri termice, comparabile cu acelea ale compozitelor cu matrice din sticle armate cu Si5N4-SiC;

Compozitele cu matrice din carbur de zirconiu ZrC obinute prin depunere chimic n faz de vapori a acesteia pe o structur a armturii din grafit C. Ele se remarc prin caracteristici fizico-mecanice, deosebite. Compozitul ceramic cu matrice din oxid de zirconiu, parial stabilizat, este la fel de rezistent ca i oelurile de calitate, rezistnd la solicitri mecanice pn la temperaturi de1200C.

O alta categorie foarte important a compozitelor cu matrice ceramic, o constituieceramicele nanocompozite. n cazul ceramicelor nanocompozite, introducerea elementului de armare de tip pulbere foarte fin are ca obiectiv principal, ameliorarea fragilitii acestor materiale, n scopul folosirii acestora pentru aplicaii termomecanice sau pentru ameliorarea rezistenei la uzur n medii severe.

Exemple:Al2O3/SiCSi3N4/SiCAl2O3/ZrO2/SiCZrO2/SiCMgO/SiC

Clasificarea materialelor ceramice nanocompozite poate fi realizat n funcie de modul de dispersie al elementului de armare. Astfel, avem: nanocompozite intragranulare, la care elementul de armare ai crui gruni sunt mult mai mici dect cei ai matricei, este segregat n interiorul grunilor matricei; nanocompozite intergranulare, la care elementul de armare ai crui gruni sunt mult mai mici dect cei ai matricei, este segregat la limita de grunte a grunilor matricei; nanocompozite intra-intergranulare, la care elementul de armare ai crui gruni sunt mult mai mici dect cei ai matricei, este segregat att n interiorul grunilor matricei ct i la limita de grunte; nanocompozite de tip nano/nano, la care grunii elementului de armare sunt de acelai ordin de mrime cu cei ai matricei i sunt dispui aleator n interiorul matricei.

Materialele ceramice tehnice sunt caracterizate prin unele proprieti fizico-mecanice superioare materialelor metalice dure i extradure:- duritate cuprins ntre 1500 i 2100 HV;- rezisten la uzur de 2-3 ori mai mare;- stabilitate dimensional i de form geometric pn la temperaturi de 2000C;- rezilien cuprins ntre 32 i 117 J/m2.

Aceste proprieti fizico-chimice, depind att de compoziia chimic a materialului ceramic ct i de procedeul i tehnologia de obinere.

Printre materialele ceramice silicioase se regsesc: porelanul tehnic; steatita; cordierita; mulitul ceramic.Ceramice silicioase

Materiile prime utilizate la fabricarea porelanului tehnic sunt: cuarul, feldspatul i caolinul.Aplicaiile tehnice ale porelanului tehnic sunt cunoscute nc din sec. XVII. n prezent s-a dezvoltat porelanul cu aplicaii electrice, mecanice i termice. Prin schimbarea compoziiei, porelanul aluminos (C120 i C130) poate ajunge la dublul rezistenei mecanice obinuite. Pentru obinerea porelanului tehnic ceramitii nlocuiesc cuarul (SiO2), care este mai scump, cu alumina (Al2O3). Astfel, caracteristicile remarcabile ale porelanului aluminos sunt: rezisten mare la solicitri termice permanente; comportare favorabil n condiii de aciune a unui mediu exterior agresiv.

Preul de cost sczut l recomand pentru construcia izolatorilor electrici afereni cablurilor aeriene.Porelanul tehnic

Materialele din aceast categorie sunt formate n principal din materii prime naturale care sunt cuprinse n grupa silicailor de magneziu (C200). Aditivii utilizai pentru formarea acestor materiale influeneaz caracteristicile electrice i conduc la urmtoarelediferenieri: steatit pentru frecven joas (C210); steatit normal (C221); steatit special cu "factor de pierdere" sczut (C221) sau steatit de frecven nalt. Steatita prezint o rezisten mecanic foarte ridicat i proprieti dielectrice. Evident, trstura principal este "factorul de pierdere sczut.Steatita are mai multe utilizri n cadrul ingineriei electrice. Se folosete n special pentru fabricarea componentelor ce lucreaz la frecven nalt. Steatita poroas (C230) are o bun prelucrabilitate prin achiere dup sinterizare, utilizndu-se n acest scop scule obinuite.Steatita

Aceste silicate magnezice (din grupa C400) apar ntimpul sinterizrii steatitei prin dispersie de caolin, carborundum sau mulit.

Cordierita prezint coeficient sczut de dilatare termic liniar i o nalt rezisten la oc termic.

Ea este utilizat de obicei n ingineria cldurii i ingineria electric.Cordierita

Aceste materiale pot avea au n componena lor Al2O3 sau SiO2. In aceste condiii se poate obine fie un mulit ceramic pur, dens, obinut prin sinterizare sau un mulit ceramic poros.

Proprietile importante ale mulitului ceramic sinterizat sunt: rezisten mecanic ridicat; coeficient sczut de dilatare termic liniar; nalt rezisten la oc termic; limit de curgere ridicat la temperaturi nalte

Aceste proprieti recomand mulitul ceramic pentru: tuburi de protecie a termocuplelor; role de transport pentru cuptoare ; alte utilizri n ingineria cldurii pn la temperaturi de 1650C.Mulitul ceramic

Factorii care au condus n ultimii ani la elaborarea i utilizarea noilor materiale ceramice: dezvoltarea microelectronicii i a tehnicii de calcul; creterea nivelului de solicitri n special termice la motoarele cu piston i turbinele cu gaze; dezvoltarea motoarelor de rachet i a construciilor aerospaiale; necesitatea mririi eficienei utilajelor energetice; necesitatea nlocuirii materialelor deficitare; mbuntirea performanelor funcionale i a fiabilitii diverselor produse ale construciei demaini prin utilizarea unor materiale mai rezistente, mai uoare i mai ieftine; necesitatea folosirii unor materiale mai eficiente pentru izolri i protecii termice, electrice,acustice; necesitatea utilizrii unor materiale supradure pentru prelucrrile mecanice; dezvoltarea tehnicii supraconductorilor; necesitatea unor materiale cu proprieti tribologice speciale; dezvoltarea biotehnicii etc.

Din punct de vedere al structurii atomice, materialele ceramice ocup o poziie precis, n raport cu metalele i cu polimerii organici. In principal, parametrul care difereniaz aceste materiale este tipul de legtur chimic, adic structura electronic. Ceramicele au mai ales legturi ionice sau covalente, polimerii au numai legturi covalente, iar metalele au legturi metalice.Mat. metalice

Din punct de vedere chimic, materialele ceramice, cu excepia carbonului i a grafitului, sunt materiale compuse, adic au n componena lor atomi care provin de la cel puin dou elemente.Gama materialelor ceramice este extrem de bogat, de la aa zisele materiale ceramice simple de genul MgO, Al2O3, SiC etc. compuse din dou elemente chimice, pn la materialele ceramice complexe formate din mai multe elemente chimice (2MgO-2Al2O3-5SiO2 cordierit, sau 3Al2O3-2SiO2 mulit etc.). Din punct de vedere structural, ceramicele sunt constituite att din faze amorfe ct i/sau cristaline, pe cnd polimerii sunt amorfi, iar metalele au structur cristalin.