1

CURS 13 Cuprins 4. Materiale ceramice 4.1. Generaliti

4.2. Structura i clasificarea materialelor ceramice 4.3. Ceramica utilitar 4.4. Ceramica de art 4.5. Ceramica industrial

4.5.1. Ceramice pentru sculele achietoare 4.5.2. Ceramice pentru electrotehnic i electronic 4.5.3. Ceramic refractar i pentru izolaii termice 4.5.4. Ceramic tribologic 4.5.5. Bioceramica

2

4 MATERIALE CERAMICE

4.1. Generaliti

Materialele ceramice constituie a treia grup de materiale utilizate n tehnic, dup cele metalice i plastice. Ele sunt materiale anorganice cu legturi covalente i ionice, a cror structur complex cristalin se obine prin sinterizare.

Cuvntul ceramic vine din limba greac (keramicos - argil ars), iar activitatea omului legat de olrit i producerea crmizilor i are originea n preistorie. De-a lungul timpului, se disting trei etape ale dezvoltrii ceramicii:

- ceramica utilitar este legat de olrit i a aprut nainte de folosirea metalelor, vasele i crmizile fiind primele produse obinute de om prin arderea argilei;

- ceramica de art a derivat din precedenta, ndeprtndu-se de funcia utilitar i centrndu-se pe valoarea decorativ i estetic;

- ceramica industrial a aprut dup anul 1950, ca urmare a dezvoltrii industriilor de vrf, care utilizeaz materiale pe baz de oxizi, carburi, nitruri, boruri i diverse forme de carbon.

Se consider ca fiind materiale ceramice i sticla, betonul i grafitul, deoarece folosesc procedee specifice ceramicii, precum i materialele refractare care se obin la temperaturi nalte i se utilizeaz la cptuirea cuptoarelor metalurgice.

4.2. Structura i clasificarea materialelor ceramice In componena materialelor ceramice intr: - materialele plastice (argil, caolin, bentonit, lut, loess) constituie partea principal

din care se fabric produsele ceramice tradiionale i au rol de liant, legnd alte componente neplastice;

- degresanii (nisip, amot) reduc contracia la uscare i la ardere i contribuie la creterea porozitii produselor;

- fondanii (feldspat, calcar, marmur, cret) contribuie la coborrea temperaturii de vitrifiere a materiilor prime solide, atunci cnd ceramica se obine prin topire;

- materialele refractare (alumin, magnezit, dolomit, cromit, carburi, nitruri, boruri) rezist la temperaturi ridicate, fr a se topi i fr a se nmuia;

- lubrifianii (motorin, petrol, uleiuri vegetale, parafin, lignin) se adaug n cantiti reduse produselor ce urmeaz a se fasona prin presare, facilitnd prelucrarea i extragerea semifabricatelor din matrie;

3

- materialele porifere (rumegu, praf de crbune, mangal, turb) se descompun n timpul arderii i contribuie, prin golurile formate, la creterea porozitii produselor.

Pn prin anii 1950, materialele ceramice erau reprezentate de ceramic utilitara i de cea de art, principalele produse fiind crmizile, iglele, faiana, porelanul, precum i cimentul, betonul i sticla. Incepnd cu anii 1950, apar noi materiale ceramice, numite industriale, cu aplicaii diverse n noile domenii. Astfel, n 1953, miezurile de ferit se utilizeaz n construcia calculatoarelor, iar din 1965, bioceramicele se folosesc ca implanturi osoase. In anii 1980 se descoper ceramicele pe baz de nitrur de siliciu, precum i cele pentru fabricarea semiconductorilor i supraconductorilor, iar la sfritul anilor 1980, ceramicele compozite.

Clasificarea materialelor ceramice se face conform schemei din figura 4.1.

Fig.4.1. Clasificarea materialelor ceramice 4.3. Ceramica utilitar

Istoria dezvoltrii industriei ceramice ncepe din timpurile strvechi. Inc din

preistorie, oamenii au nvat s-i confecioneze din argil plastic vase de forme diferite i s obin prin arderea lor o vesel rezistent la ap i la foc. Mai trziu, apar crmizile i alte materiale de construcie.

Aceast categorie de materiale ceramice cuprinde: crmida, igla, teracota, faiana i gresia.

4

a) Crmida este un material de construcie de form prismatic, obinut din argil, nisip i ap prin presare, fasonare, uscare i ardere la 900 1000 C. Crmizile pot fi pline sau cu goluri interioare (blocuri ceramice). Exist i crmizi pentru placri, de dimensiuni mai mici, colorate sau smluite i utilizate la finisarea pereilor, prin aplicare pe mortar.

b) igla este un material pentru nvelitori ieftin, durabil i ignifug care se obine din argil ars, sticl sau beton special. Ea se fabric prin tragere (igla - solz) sau prin presare (igla cu jgheab).

Tot ca materiale pentru nvelitori se folosesc olanele i coamele. Olanele au forma unor jumti de con care se mbin cu mortar de ciment, prin suprapunerea capetelor, iar coamele sunt destinate nchiderii muchiilor acoperiurilor.

c) Teracota este materialul din care se confecioneaz cahlele pentru sobe, acoperite pe partea aparent cu smal colorat i prevzute pe partea interioar cu nervuri speciale. Ca materii prime se utilizeaz argil refractar, nisip cuaros fin, marn sau cret i ap. Dup fasonare, teracota se usuc, se arde la 950 1000 C, se smluiete i se arde din nou, n cuptoare speciale.

d) Faiana este un produs ceramic clincherizat, nevitrifiat, cu cel puin o fa glazurat, obinut prin arderea unui amestec de argil plastic i nisip sau amestec de caolin, feldspat i cuar. Dup prepararea amestecului, acesta este presat, pentru a obine o porozitate ct mai mic. Piesele sunt supuse apoi uscrii, iar arderea se face n dou etape, nainte i dup smluire. Arderea final, dup smluire, se face la 1000 1200 C.

Faiana este alb sau colorat i se utilizeaz la fabricarea plcilor pentru finisarea pereilor interiori, n ncperi cu umiditate ridicat, precum i la obinerea unor obiecte sanitare sau decorative. Obiectele decorative (vaze, bomboniere, supiere) sunt ornamentate cu desene care se aplic pe emailul stanifer nainte de ardere (n culorile albastru de cobalt, brun-violet, rou, verde sau galben) sau dup ardere (n culori mai delicate - roz, auriu sau verde deschis).

e) Gresia este un produs ceramic obinut din argil plastic i nisip cuaros fin care se arde la 1200 1300 C, avnd o porozitate de maximum 3%. Culoarea ei variaz de la galben-pai la gri-deschis sau de la gri-nchis la cafeniu-nchis, datorit arderii n atmosfera reductoare, spre deosebire de culorile mai deschise ale ceramicelor arse n atmosfera oxidant.

Cunoscut nc din antichitate, gresia se utilizeaz astzi la placaje i pardoseli, la fabricarea unor obiecte sanitare sau instrumente pentru laboratoarele chimice, precum i la confecionarea conductelor pentru asecri. Pentru aceast utilizare, este un material mai durabil dect fonta sau masele plastice, dar are dezavantajul c nu rezist la presiuni mari.

4.4. Ceramica de art Ceramica de art este aproape la fel de veche ca i ceramica utilitar. Ea a derivat din

aceasta, lsnd funcia utilitar, pentru a se centra pe valoarea decorativ sau estetic. Din aceast categorie fac parte: faiana (prezentat anterior), porelanul i mozaicul. a) Porelanul este un produs ceramic vitrifiat, alb, translucid i impermeabil la gaze i

lichide (porozitatea maxim este de 0,5%), obinut dintr-un amestec fin de caolin, cuar, feldspat i argil plastic. Ca material tehnic, porelanul are o serie de proprieti valoroase: rezisten mecanic i electric ridicate, stabilitate termic i chimic foarte bune. Porelanul de art are posibiliti ornamentale excepionale. Toate aceste proprieti, reunite ntr-un material care se obine din materii prime minerale ieftine i foarte rspndite, au determinat folosirea foarte variat i eficace a porelanului att n ceramica de art, ct i n ceramica industrial.

5

Toi specialitii sunt de acord c porelanul veritabil a aprut n China, n timpul

dinastiei Han de Est (25 220 d.Hr). Acesta conine 30 60 caolin i 1,7% oxid de fier, are o porozitate de 0,6%, o absorbie de 0,3%, este translucid pn la grosimi de 5 8 mm i rezistent la ocuri. L-au fabricat apoi japonezii i coreenii, iar n Europa secretul fabricrii lui a fost adus n 1712 de clugrul iezuit francez Pre d'Entrecolles.

Produsele din porelan se fasoneaz manual sau mecanizat i se usuc. Dup uscare, urmeaz o ardere la 1000 C, produsele fiind, n aceast faz, fragile i poroase. Acestea se introduc apoi ntr-o soluie apoas de smal feldspatic i se ard a doua oar la 1300 1400 C. Urmeaz lefuirea i decorarea care este un proces complicat i anevoios. Costul decorrii porelanului depete adeseori costul produsului alb finit. Decorarea se poate face i nainte de aplicarea smalului, dar n acest caz desenele nu se mai pot retua, iar culorile se estompeaz. De aceea, se prefer decorarea dup smluire, fixarea desenelor pe produse realizndu-se printr-o nou ardere, la 600 900 C.

b) Mozaicul este un produs ceramic sub form de plcue colorate care se asambleaz pe un suport de mortar, formnd diferite figuri. Plcuele pot fi i din roci lefuite, sticl colorat sau marmur i se asambleaz cu chit sau cu mortar.

De origine oriental (Egipt i Persia), arta mozaicului a fost preluat de greci i romani, pentru decorarea interioar a caselor i a templelor.

Tehnica realizrii plcuelor ceramice pentru mozaic este aceeai, ca la produsele ceramice anterioare, plcuele fiind acoperite cu smaluri divers colorate.

4.5. Ceramica industrial Ceramica industrial a aprut n secolul trecut ca urmare a dezvoltrii unor tehnologii

de vrf care au reclamat materiale cu proprieti i performane speciale (calculatoare, construcii aerospaiale, industria nuclear, bioingineria, industria de armament). Dintre avantajele acestor materiale se menioneaz: duritate i rezisten mare la uzur, rezisten ridicat la coroziunea atmosferic i a gazelor fierbini, pstrarea proprietilor de rezisten la temperaturi ridicate, rezisten bun la compresiune, mas volumic mic; sursele de materii prime din care provin sunt practic nelimitate.

Ins, folosirea lor este limitat de urmtoarele dezavantaje: fragilitate ridicat, ndeosebi la rece; variaii relativ mari ale materialului, rezisten sczut la traciune, cheltuieli suplimentare la producerea pulberilor i a operaiilor de reprocesare.

Dup structur, ceramica industrial cuprinde trei categorii de materiale: a) Materiale ceramice oxidice; sunt materiale policristaline formate din oxizi sau

compui oxidici. Datorita legturilor chimice puternice, aceste materiale sunt foarte stabile, avnd duritate i rezisten la compresiune mari, precum i o bun rezisten la coroziune. Din aceast categorie fac parte: Al2O3, ZrO2, BeO, Fe3O4, MgO, UO2, ZnO.

b) Materiale ceramice neoxidice; sunt materiale dure: carburi, nitruri, boruri i siliciuri. Avnd legturi covalente care Ie confer temperaturi de topire nalte, module de elasticitate i duritate mari, prezint i o nalt rezisten la coroziune i sunt bune conductoare de cldur i electricitate.

c) Materiale ceramice compozite; sunt combinaii ale ceramicelor oxidice i neoxidice, cu o foarte bun rezisten la oxidare i care se fabric prin procedee complexe.

In tabelul 4.1. sunt prezentate principalele materiale ceramice industriale, cu proprietile i utilizrile lor.

6

Tab.4.1. Principalele materiale ceramice industriale.

Natura Materialul Formula chimic Proprieti Domenii de utilizare

Alumina (oxid de

aluminiu) Al2O3

- rezisten mecanic la temperaturi ridicate; - conductibilitate termic bun; - rezistivitate electric mare; - duritate i rezisten la uzur mare; - stabilitate chimic.

Izolatoare electrice, suporturi pentru elemente de nclzire, protecii termice, inele de etanare, proteze dentare, piese pentru robinete.

Oxid magnetic de

fier Fe3O4 - proprieti magnetice

Transformatoare, bobine, de inducie, stocarea magnetic a datelor.

Magnezie (oxid de

magneziu) MgO

- refractaritate mare; - rezisten mecanic bun.

Zidrii refractare, creuzete pentru laborator, teci pentru termocuple.

Pehblend (oxid de uraniu)

UO2 - proprieti radioactive Combustibil n reactoarele nucleare.

Zincit (oxid de zinc) ZnO - semiconductor Diode i varistoare.

Oxizi

Zircon (oxid de zirconiu)

ZrO2

- rezisten mecanic la temperaturi ridicate; - conductibilitate electric la peste 1000 C;- duritate i rezisten la uzur ridicate; - stabilitate chimic.

Creuzete, elemente de nclzire pentru cuptoare, izolatori termici, conductoare ionice, tehnic nuclear, fabricarea emailurilor, tehnic dentar.

Carbur de bor B4C

- duritate foarte mare; - modul de elasticitate foarte mare; - densitate mic.

Construcii aerospaiale, blindaje pentru tancuri i elicoptere militare.

Carborund (carbur de

siliciu) SiC

- densitate mare; - rezisten la ocuri termice; - conductibilitate termic i electric; - coeficient de dilatare termic redus; - stabilitate chimic.

Produse refractare, plcue achietoare, garnituri de etanare la pompele de ap, obinerea de materiale abrazive, repere n construcia de maini.

Carburi

Carbura de titan TiC

- duritate i rezisten la uzur mari; - rezisten la oxidare i la coroziune.

Supape pentru motoare cu ardere intern, piese pentru cuptoare industriale, turboreactoare, petrochimie

7

Tab.4.1. (continuare).

Natura Materialul Formula chimic Proprieti Domenii de utilizare

Carburi Carbura de wolfram WC

- duritate i rezisten la uzur mari; - rezisten la ocuri termice.

Plcue dure pentru scule achietoare, placri rezistente la uzur, industria de armament, filiere pentru trefilare.

Nitrura de aluminiu AlN

- duritate mare; - rezisten la temperatur i oc termic;- conductibilitate termic bun; - rezisten electric ridicat.

Creuzete, cptuirea cuptoarelor cu atmosfer reductoare, material abraziv, circuite imprimate.

Nitrura de bor BN

- conductibilitate termic nalt; - rezisten la ocuri termice; - dilatare termic slab; - rezisten electric ridicat; - stabilitate chimic.

Izolatori electrici pentru temperaturi nalte, creuzete, teci pentru termocupluri, suporturi pentru rezistene electrice, lubrifiant la temperaturi mari, material refractar, plcue pentru scule achietoare.

Nitrura de siliciu Si3N4

- duritate i rezisten la uzur mari; - rezisten la ocuri termice. - conductibilitate termic ridicat; - stabilitate chimic.

Plcue pentru scule achietoare, pulberi abrazive, bile de rulmeni, inele de etanare pentru mori, supape de motoare, teci pentru termocupluri, palete de turbine.

Nitruri

Nitrura de titan TiN

- conductibilitate termic bun; - duritate mare; - stabilitate chimic.

Material refractar dur, creuzete, depunere pe scule achietoare, ceramic semiconductoare.

Borur de crom CrB2

- conductivitate termic bun; - duritate mare; - rezisten la oxidare bun.

Schimbtoare de cldur n reactoarele nucleare, rezistoare, semiconductori.

Boruri

Borur de titan TiB2

- duritate mare; - rezisten mecanic ridicat; - conductivitate electric bun.

Placarea cuvelor pentru electroliza aluminei, blindarea aparatelor de lupt, pulberi refractare, duze de rachete, creuzete.

8

Tab.4.1. (continuare).

Natura Materialul Formula chimic Proprieti Domenii de utilizare

Boruri Borur de zirconiu ZrB2

- rezisten la oxidare bun; - rezisten la aciunea metalelor topite; - duritate mare.

Absorbant de electroni n reactoarele nucleare, pulberi refractare, teci pentru termocupluri, duze de rachete, creuzete

Siliciur de molibden MoSi2

- conductiviti termic i electric bune; - stabilitate chimic; - rezisten la oxidare.

Electrotermie, cptuirea cuptoarelor cu inducie, duze pentru rachete, placri antioxidante. Siliciuri

Siliciur de zirconiu ZrSi2

- duritate mare; - rezisten la oxidare; - conductivitate electric bun.

Creuzete pentru reacii chimice la temperaturi ridicate, construcii aerospaiale.

4.5.1. Ceramice pentru sculele achietoare

Materialele ceramice se utilizeaz att la fabricarea unor scule abrazive (corpuri abrazive, pnze i hrtii abrazive, lichide i paste abrazive), ct i a plcuelor dure cu care se armeaz unele scule achietoare (cuite, freze, burghie). Aceste materiale trebuie sa fie dure i s aib stabilitate termic, adic s nu-i piard proprietile de achiere dup nclziri i rciri repetate.

Sculele abrazive sunt constituite din granule abrazive ncorporate n masa unui liant. Materialele abrazive pot fi naturale (cuar, corindon, mirghel, diamant) sau sintetice (electrocorindon, carbura de siliciu, carbura de bor, diamant artificial). Lianii trebuie s asigure rezistena mecanic a corpului abraziv i s reziste ocurilor termice i aciunii lichidelor de rcire. Ei pot fi anorganici (amestec de argil, feldspat, cuar i caolin ars la 1200 1300 C, silicai fluizi care se ntresc la 200 C, oxiclorur de magneziu) sau organici (elac, bachelit, cauciuc natural sau sintetic).

Plcuele dure cu care se armeaz unele scule achietoare se obin prin sinterizare din carburi metalice, materiale mineralo-ceramice, nitrur cubic de bor sau diamant.

a) Carburile metalice sinterizate sunt materiale dure i refractare care conin wolfram, titan i tantal, iar ca liant, cobaltul. Ele se caracterizeaz printr-o duritate foarte mare, stabilitate termic foarte bun (900 1000 C) i rezisten la compresiune mare, dar, n acelai timp, sunt fragile (Rm = 500 1000 MPa, KCU = 0,1 daJ/cm2) i ca urmare nu se pot folosi cnd exist sarcini variabile mari, vibraii i ndeosebi ocuri.

In afar de carburile metalice obinuite, n ultimul timp se produc i se folosesc din ce n ce mai des plcue din carburi metalice acoperite cu straturi superdure simple sau multiple, ct mai stabile la temperaturi nalte. Aceste straturi au grosimi de 4 10 m i sunt alctuite din carburi de titan, azot, wolfram i Al2O3, conducnd la creterea rezistenelor la uzur i oxidare, la mbuntirea calitii suprafeelor prelucrate i la lipsa depunerilor pe ti.

b) Materialele mineralo-ceramice au aprut relativ recent i se obin prin sinterizarea Al2O3, combinat cu ali oxizi alcalino-pmntoi (ZrO2). Plcuele mineralo-ceramice sunt superioare celor din carburi metalice att n ceea ce privete duritatea i rezistena la uzur,

9

ct i stabilitatea termic (1100 1200 C), avnd i un pre de cost mai sczut, ntruct nu conin elemente de aliere. In acelai timp, au rezistena la rupere mic (Rm = 75 MPa) i sunt foarte fragile (KCU= 0,08 daJ/cm2), utilizndu-se numai la finisarea metalelor feroase i achierea materialelor plastice, fr ocuri i vibraii.

Prin adugarea unor cantiti mici de carburi de titan, siliciu i molibden, i mresc reziliena, refractaritatea i rezistena mecanic.

c) Nitrura cubic de bor este o form alotropic sintetic a nitrurii de bor care cristalizeaz n sistem hexagonal. Proprietile sale le egaleaz sau chiar le depesc pe cele ale diamantului, mai ales n ceea ce privete rezistena la ocuri termice i stabilitatea termic.

Plcuele sinterizate din nitrur cubic de bor se utilizeaz la achierea oelurilor i fontelor de mare duritate, precum i a unor materiale neferoase i nemetalice.

d) Diamantul este materialul cu cea mai mare duritate, avnd i o rezisten la uzur excepional. Are o stabilitate termic foarte ridicat (1600 1800 C), pstrndu-i proprietile de achiere la cele mai ridicate viteze de achiere practic posibile. Prin lefuire i se asigura un ti foarte fin, astfel nct calitatea suprafeelor prelucrate este foarte bun i dup prelucrarea cu o scul cu diamant nu mai este necesar o finisare ulterioar.

In acelai timp, este foarte fragil, astfel c nu se poate folosi dect la prelucrrile de finisare, lucrndu-se cu avansuri i adncimi de achiere mici i cu viteze de achiere mari. Nu se recomand utilizarea diamantului la achierea metalelor feroase, ntruct fiind carbon pur, el are mare afinitate fa de anumite metale (Fe, Cr, Mo, V, W), cu care se combin prin difuzie, formnd carburi care se uzeaz prematur.

Pentru achiere se folosete diamantul natural cu impuriti care nu se poate utiliz pentru bijuterii, precum i diamantul sintetic, ambele varieti fiind cele mai scumpe materiale pentru confecionarea sculelor achietoare. El se folosete sub form de monocristal, policristal sau pulbere. Cu astfel de scule se pot prelucra aliaje de Al i Mg, aliaje antifriciune, Cu, Ag, Pt, Au, Ni, ebonit, hrtie etc.

4.5.2. Ceramice pentru electrotehnic i electronic Legturile ionice i covalente ale materialelor ceramice implic toi electronii de

valen ai elementelor chimice componente. Neavnd electroni liberi, materialele ceramice sunt, n general, rele conductoare de electricitate. In cazul existenei unor impuriti, anumii ioni se pot deplasa, sub influena cmpurilor electrice, astfel c aceste materiale sunt semiconductoare. Alte materiale ceramice au proprieti piezoelectrice, feromagnetice sau chiar supraconductoare.

a) Izolatorii ceramici nu conin electroni liberi care s permit circulaia curentului electric i se utilizeaz n construcia bujiilor motoarelor cu aprindere prin scnteie i, mai ales, la liniile pentru transportul energiei electrice, de la joas pn la nalt tensiune.

Istoria acestor izolatori ncepe pe la mijlocul anilor 1840, n Anglia, ele fiind confecionate din sticl i utilizate la liniile telegrafice. In 1865, Louis A. Cauvet breveteaz, n SUA, un izolator de sticl, cu gaur filetat. Aceti izolatori s-au utilizat pn pe la nceputul anilor 1970, cnd au fost nlocuii cu izolatori de porelan, mult mai rezisteni mecanic, confecionai din argil, cuar, alumin i feldspat. Acetia au porozitate foarte mic i o rigiditate dielectric de 4 10 KV/mm, fiind protejai cu o glazur sticloas.

Izolatorii ceramici se mai utilizeaz la construcia antenelor de emisie radio care sunt alimentate cu tensiuni nalte i trebuie izolate fa de pmnt. Acetia se confecioneaz din steatit, o varietate de talc de culoare alb, cu rezisten la rupere mare i pierderi dielectrice foarte sczute (Mg2SiO4).

b) Condensatoarele ceramice sunt construite din straturi alternative de metal i

10

ceramic, ultima constituind materialul dielectric. Acesta trebuie s aib permitivitate electric mare pentru a putea nmagazina ct mai mult energie ntr-un volum mic, un factor de disipare foarte mic i o rigiditate electric ridicat. In acest sens se folosesc perovskitele: titanat de bariu (BaTiO3), titanat de calciu (CaTiO3), titanat de stroniu (SrTiO3), titanat dublu de plumb i stroniu [(PbSr)TiO3] i titanat zirconat de plumb [Pb(Zr0,5Ti0,5)O3].

Condensatoarele ceramice au aprut n perioada 1930 1950 i s-au folosit n construcia aparatelor de radio, nainte de apariia tranzistoarelor; astzi se utilizeaz n echipamentele electronice de nalt performan.

c) Ceramica piezoelectric se caracterizeaz prin proprietatea de generare a unui impuls electric sub aciunea unei deformri mecanice (efect piezoelectric direct) sau de a se deforma sub aciunea unui cmp electric exterior (efect piezoelectric invers).

Efectul piezoelectric direct a fost descoperit n 1880 de Pierre Curie, iar efectul piezoelectric invers, de Gabriel Lippman, n 1881. Fenomenul a rmas o curiozitate de laborator pn n 1917, cnd Paul Langevin a inventat un detector ultrasonic pentru submarine, alctuit din cristale de cuar lipite ntre dou plci de oel i un hidrofon pentru detectarea ecoului. Ceramica piezoelectric a fost folosit apoi n radioaviaie i televiziune. Astzi se utilizeaz n ceasornicrie, la construcia captoarelor (aparate electrice sau electromagnetice pentru transformarea semnalelor sonore sau optice n semnale electrice), motoarelor piezoelectrice, microscoapelor cu efect de tunel i imprimantelor cu jet de cerneal.

Intr-un cristal piezoelectric, sarcinile electrice pozitive i negative sunt separate simetric, astfel c sarcina electric total a cristalului este neutr. Dac asupra cristalului acioneaz o sarcin mecanic exterioar, simetria sarcinilor electrice este perturbat, genernd un impuls electric. De exemplu, dac asupra unui cristal de cuar de 1 cm3 acioneaz o for de 2 kN, se produce o tensiune de 12500 V. In acelai timp, dac asupra cristalului piezoelectric se aplic un cmp electric exterior, cristalul se va deforma mecanic.

Ca materiale ceramice piezoelectrice se utilizeaz: berlinita (AlPO4), titanatul de bariu (BaTiO3), titanatul de plumb (PbTiO3), titanatul zirconat de plumb [Pb(Zr0,5Ti0,5)O3], niobatul de potasiu (KNbO3), niobatul de litiu (LiNbO3), tantalatul de litiu (LiTaO3), topazul i cuarul.

d) Ceramica feromagnetic este reprezentat de ferite care sunt compui ai unor metale bivalente cu oxizi de fier, avnd proprieti magnetice superioare i o conductibilitate electric redus. Feritele sunt, ca majoritatea materialelor ceramice, dure i fragile. Ele au o mas volumic de circa trei ori mai mic dect a magneilor metalici tradiionali, ceea ce constituie un avantaj major la fabricarea echipamentelor portabile sau aerospaiale. innd cont de proprietile magnetice, feritele pot fi moi sau dure.

Feritele moi au pierderi foarte mici prin histerezis magnetic i prin cureni Foucault. Ca urmare, se utilizeaz n construcia antenelor de recepie, a transformatoarelor de impuls sau de putere, la fabricarea capetelor de nregistrare magnetic i a memoriilor calculatoarelor, precum i a radarelor.

Dup structur, exist dou tipuri de ferite moi: - spinelii; au formula general AB2O4, unde A este un metal din grupa II A, iar B, un

metal din grupa III A. Ei se obin din magnetit (Fe3O4) prin nlocuirea atomilor de fier cu atomii altor elemente (Ni, Mn, Zn, Mg, Li): MgZnFe2O4, MnZnFeO4, NiZnFe2O4, Li0,5Fe2,5O4;

- grenatele; au formula general R3Fe5O12, unde R este un lantanid (pmnt rar): grenatul de fier i ytriu (Y3Fe5O12), grenatul de galiu si gadoliniu [Gd3Ga2(GaO4)3].

Feritele dure au o permeabilitate magnetic ridicat i se utilizeaz la fabricarea magneilor permaneni i la construcia minimotoarelor electrice, a aparatelor de radio i a incintelor acustice. Ele se obin din carbonai de bariu i de stroniu (BaCO3, SrCO3).

11

Din categoria ceramicii feromagnetice, pe lng ferite, mai fac parte unele lantanide (pmnturi rare), din care se confecioneaz magnei. Cmpul magnetic al acestora depete 1200 mT fa de 50 100 mT, n cazul magneilor confecionai din ferit. In acelai timp, magneii fabricai din pmnturi rare sunt foarte fragili, astfel c trebuie s fie protejai cu un strat de nichel. Pentru confecionarea magneilor se utilizeaz aliaje de neodim (Nd) i samariu (Sm): Nd2Fe14B i SmCo5.

e) Ceramica semiconductoare prezint o conductibilitate electric intermediar ntre metale i izolatoare i se utilizeaz la fabricarea termistorilor i varistoarelor.

Termistorul este un dispozitiv semiconductor a crui rezistent variaz proporional cu temperatura. Exist termistoare pentru temperaturi pozitive, a cror rezistenta crete cu temperatura i termistoare pentru temperaturi negative, a cror rezisten scade cu temperatura. Ele acoper o gam larg de temperaturi ( 273,14 ... +1700 C).

Primul termistor a fost descoperit n 1833 de M. Faraday care a semnalat proprietatea semiconductoare a sulfurii de argint, fenomenul rmnnd i n acest caz o curiozitate de laborator pn n 1930, cnd Samuel Ruben a brevetat acest dispozitiv care se utilizeaz pentru protecia transformatoarelor i motoarelor electrice la supranclzire, precum i pentru controlul temperaturii uleiului i lichidului de rcire la motoarele cu ardere intern.

Termistorii ceramici sunt indicai n cazul temperaturilor ridicate, de peste 1000 C, ei fiind de fapt singura soluie pentru astfel de situaii i se confecioneaz din nitrur de bor (BN), nitrur de galiu (GaN), arseniur de galiu (GaAs), fosfoarseniur de galiu (GaAsP) sau fosfur de indiu (InP).

Varistorul este un dispozitiv semiconductor a crui rezisten electric scade rapid cu creterea curentului electric, aceast proprietate fiind aplicat la protecia staiilor electrice contra descrcrilor atmosferice (fulgere i trsnete). Timpul de rspuns este foarte scurt (1 ns), iar protecia este asigurat pn la intensiti ale curentului de 70000 A. Varistoarele se mai folosesc la protejarea circuitelor calculatoarelor i a altor aparate sensibile, precum i a liniilor telefonice.

Varistoarele s-au construit iniial din carbur de siliciu (SiC), pentru ca astzi s fie fabricate din oxid de zinc (ZnO), n amestec cu cantiti mai mici de oxizi ai altor metale (Bi, Co, Mn). Grunii de oxizi sunt fixai ntre dou plci metalice i doi gruni vecini formeaz o diod care permite circulaia curentului ntr-un singur sens.

f) Ceramica supraconductoare a fost descoperit n 1986 de cercettorii elveieni Alex Mller i Georg Bednorz care au fost rspltii cu Premiul Nobel pentru fizic, n 1987. Ei au descoperit un material ceramic cu formula chimic La2-xSrxCuO4 care devenea supraconductor la temperatura de 233 C.

Supraconductibilitatea este o stare a unor substane de a-i pierde rezistena electric la o anumit temperatur critic i de a conduce curentul electric fr nici o pierdere. Aceast stare ar putea revoluiona industria energetic, ntruct firele supraconductoare nu numai c nu au pierderi de curent electric prin cldur, dar permit densiti de curent de neimaginat n alte condiii.

Supraconductibilitatea are numeroase aplicaii practice: rezonana magnetic nuclear (RMN) pentru investigarea corpului uman, obinerea magneilor supraconductori, generatoare de curent electric de mare putere care livreaz n reea curent electric la tensiuni nalte, nlturnd transformatoarele, aplicaii n domeniul fuziunii termonucleare controlate, stocarea pe timp ndelungat a energiei electrice n bobine supraconductoare; trenurile cu suspensie magnetic, aplicaii n magnetohidrodinamic.

Atenia cercettorilor este ndreptat spre urcarea temperaturii critice i spre nlturarea elementelor toxice din supraconductoare (taliu, mercur, plumb).

g) Ceramica pentru substraturi de circuite integrate se folosete pentru fabricarea unor plci subiri pe care se monteaz microcircuitele electronice. Aceste plci se

12

confecioneaz ndeosebi dintr-un amestec de 90% alumin (Al2O3) i 10% rini sintetice, cu rol de liant, precum i din oxid de beriliu (BeO) sau nitrur de aluminiu (AlN), prin presare n forme. Dup proiectarea i imprimarea desenelor circuitelor, urmeaz arderea formei i depunerea elementelor de circuit cu grosimi de ordinul micronilor, prin evaporare i condensare n vid sau pulverizare catodic sau cu plasm.

Pachetele de circuite integrate se obin prin suprapunerea mai multor foi, cu legturi ntre ele, iar suprafeele exterioare ale pachetelor se placheaz cu nichel. Pachetele pot conine i diode sau tranzistoare, n acest caz avnd dimensiuni mai mari, dar i performane electrice superioare (circuite integrate hibride).

4.5.3. Ceramic refractar i pentru izolaii termice a) Ceramica refractar se utilizeaz la cptuirea cuptoarelor, focarelor i aparatelor

care funcioneaz la temperaturi de peste 1000 C. Spre deosebire de celelalte materiale de construcie, ceramica refractar trebuie s ndeplineasc anumite condiii speciale: s nu se topeasc sub aciunea temperaturilor nalte, s nu-i piard rezistena mecanic la aceste temperaturi, s aib un volum constant la temperaturile de exploatare, s aib stabilitate termic, adic s nu i modifice proprietile n urma nclzirilor i rcirilor repetate, s reziste la aciunea corosiv a materialelor topite cu care vine n contact.

In practic nu exist ceramice refractare care s aib n aceeai msur toate proprietile necesare pentru o exploatare n orice condiii. Fiecare tip de ceramic refractar are proprieti specifice, pe baza crora se stabilete domeniul de utilizare raional. Din punct de vedere al caracterului chimic, exist trei mari familii de ceramice refractare: acide, bazice i neutre. In tabelul 4.2. sunt prezentate proprietile i domeniile de folosire ale acestora.

Tab.4.2. Proprietile i aplicaiile principalelor materiale ceramice refractare.

Materialul Proprieti Compoziia chimic Domenii de aplicare Ceramic refractar acid

Silice - Fluaj slab - Rezisten la oc termic pn la 800 C

SiO2 > 93% - Boli de cuptoare - Cuptoare pentru topirea sticlei

Argil - Coeficient de dilatare mare - Conductibilitate termic ridicat

20% < A12O3 < 45% - Cptuirea cuptoarelor

Alumin - Rezisten la coroziune ridicat Al2O3 > 45% - Furnale

Ceramic refractar bazic Magnezie MgO

Oxid de crom

- Refractaritate ridicat - Rezisten la coroziune foarte bun Cr2O3

- Cuptoare pentru topirea metalelor neferoase - Cuptoare electrice

Ceramic refractar neutr

Carbon - Coeficient de dilatare mic - Rezistent chimic mare C - Cptuirea cuvelor de electroliz - Creuzete

Degradarea ceramicii refractare se datoreaz n principal ocurilor termice i

coroziunii zgurilor care se formeaz i se depun la suprafaa metalelor lichide. Aceste zguri

13

sunt de fapt oxizi metalici care reacioneaz cu materialele refractare i le distrug i de aceea la contactul unei zguri acide trebuie s se utilizeze un material refractar acid, iar la contactul unei zguri bazice, un material refractar bazic.

Dup forma lor, ceramicele refractare pot fi fasonate, cnd au o form geometric bine definit i nefasonate, cnd se prezint sub form de granule sau pulberi. Mai exist i materiale fibroase care se livreaz sub form de suluri. Produsele fasonate se prezint sub form de crmizi care pot fi normale (paralepipedice i pan) sau speciale (radiale, tubulare i cu profil special). Produsele nefasonate se livreaz n vrac (ciment, mortar, chit, beton) i se utilizeaz pentru realizarea zidriilor, pentru reparaii sau ca straturi de uzur n cuptoare.

b) Ceramic pentru izolaii termice se folosete la cptuirea cuptoarelor i a agregatelor termice a cror temperaturi nu este prea mare (sub 1200 C), pentru economisirea de combustibil. Ea are porozitate mare i densitate mic i se fabric din materii prime uoare i poroase (diatomit, vermiculit i argil expandat).

Ceramica modern pentru izolaii termice se folosete ca scut termic pentru vehiculele spaiale (navete spaiale i capsule de aterizare). La intrarea n atmosfera terestr, aceste vehicule ating temperaturi foarte mari, datorit frecrii cu aerul i dac nu ar fi protejate termic, s-ar topi. Plcuele ceramice care le protejeaz trebuie s fie compatibile din punct de vedere chimic cu materialul-suport, s fie inerte la aciunea gazelor din atmosfer, s aib un coeficient de dilatare apropiat de cel al materialului-suport, s aib o conductibilitate termic foarte sczut i, evident, s aib o refractaritate foarte mare. Aceste plcue au, de fapt, o structur compozit, fiind armate cu fibre de silice sau cu fibre de carbon.

Ceramica pentru izolaii termice se mai utilizeaz la confecionarea unor piese ale turbinelor cu gaze i turbomotoarelor de aviaie care sunt supuse la solicitri termice i mecanice foarte mari. Astfel, camerele de ardere ale turbinelor care au temperaturi de peste 1500 C se confecioneaz din carbur de siliciu (SiC), iar rotoarele turbinelor, din nitrur de siliciu (Si3N4).

De asemenea, s-au fcut ncercri pentru utilizarea materialelor ceramice la construcia motoarelor cu ardere intern ale automobilelor. Astfel, la nceputul anilor 1980, firma Toyota din Japonia a realizat un astfel de motor care poate funciona la o temperatur de 3300 C, fr rcire. Acest lucru conduce la scderea greutii motorului i la creterea randamentului su energetic. Intr-un motor clasic metalic, o mare parte din energie se pierde prin cldura degajat care este nlturat prin lichidul de rcire. Motorul japonezilor nu a putut echipa nici un automobil, din cauza fragilitii componentelor sale ceramice.

4.5.4. Ceramic tribologic

Materialele ceramice au i aplicaii tribologice, datorita coeficienilor mici de frecare, rezistenei la aciunea agenilor chimici i refractaritii ridicate. Ele se pot folosi la fabricarea lagrelor cu alunecare care lucreaz la temperaturi ridicate, n vid sau n medii expuse la radiaii (reactoare nucleare i navete spaiale). Aplicarea ceramicelor la confecionarea lagrelor cu alunecare este totui limitat de fragilitatea acestora.

O aplicaie mai larg se ntlnete la fabricarea rulmenilor. Utilizarea ceramicii tripleaz durata de exploatare a unui rulment att datorit micorrii frecrii, ct i reducerii forelor centrifuge care la turaii mari pot depi ncrcarea nominal a rulmentului, materialele ceramice avnd o densitate mai mic dect oelul. De asemenea, rolele sau bilele ceramice se deformeaz mai puin sub sarcin, ceea ce asigur o mai bun rostogolire a lor pe cile de rulare i o cretere a turaiei nominale. Cldura produs n cazul rulmenilor metalici poate duce la supranclzirea sau chiar griparea acestora, pe cnd n cazul rulmenilor cu corpuri de rostogolire ceramice, acest pericol este nlturat. De asemenea, ceramica este foarte

14

rezistent la aciunea agenilor chimici i se poate utiliza i n medii umede, unde rulmenii de oel nu pot funciona. Inconvenientul principal al rulmenilor ceramici este costul ridicat.

Materialul cel mai indicat pentru fabricarea rulmenilor ceramici este nitrura de siliciu (Si3N4) care se topete la 1900 C, este rezistent la aciunea agenilor chimici, are o structur fin, o tenacitate bun, precum i un coeficient de frecare mic.

4.5.5. Bioceramica

Ceramica devine din ce n ce mai util n medicin. Ortopezii folosesc bioceramica pentru nlocuirea soldurilor, genunchilor, umerilor, coatelor, degetelor i ncheieturilor minilor corpului uman. Ea este folosit i n medicina dentar i chiar la fabricarea valvelor de inim. Implanturile ceramice tind s le nlocuiasc pe cele metalice, datorit faptului c ele sunt compatibile cu corpul uman, stimulnd reformarea oaselor i a esuturilor i nu sunt atacate de sistemul imunitar al organismului.

Materialul ceramic cel mai apropiat de compoziia i structura osoas a corpului uman este hidroxiapatitul fosfocalcic, cu formula chimic Ca10(PO4)6(OH)2. El se obine din reacia fosfailor de calciu acizi i bazici ntr-o soluie apoas, obinndu-se o past care se poate modela uor. Produsul ceramic are o reea cristalin foarte apropiat de cea a osului i o rezisten la compresiune de circa 20 MPa. Nu conine materii organice umane sau animale, aa c nu prezint nici un risc de contaminare. De asemenea, nu exist pericol de respingere sau de toxicitate. Recunoscut de celulele osoase, este perfect compatibil cu esuturile vecine, se resoarbe i dispare, lsnd locul unui os proaspt format.

Intruct rezistena mecanic a hidroxiapatitului fosfocalcic este destul de mic, acesta se utilizeaz adesea pentru a mbrca implanturile ortopedice metalice n scopul evitrii respingerii lor de ctre esuturile vecine.

Bibliografie

1. Bncescu, N., Dulucheanu, C., Materiale i tehnologii, vol.I, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2004. 2. Bolundu, I.L. tiina i ingineria materialelor, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2010.

3. Bolundu, I.L. Materiale i tehnologii neconvenionale, Editura Tehnic Info, Chiinu, 2012.

4. Ciucescu, D., tiina i ingineria materialelor, Editura Didactic i Pedagogic, R.A., Bucureti, 2006. 5. Constantinescu, D., s.a., tiina materialelor, Editura Matrix Rom, Bucureti, 2004. 6. Mrscu-Klein, V., Materiale industriale, vol.1., Editura Universitii Transilvania, Braov, 2000. 7. Nicu, M., s.a., tiina i ingineria materialelor, Universitatea Tehnic Gh. Asachi, Iai, 2002. 8. Petrescu, S., s.a., tiina materialelor, Editura Gh. Asachi, Iai, 1995. 9. Popescu, N., .a., tiina materialelor pentru ingineria mecanic, vol. 2, Editura Fair Partners, Bucureti, 1999. 10. erban, V.A., Rdu, A., tiina i ingineria materialelor, Editura Politehnica, Timioara, 2012.