Rozmawiając o ceramice często proszę o podanie przykładów takich materiałów i zazwyczaj pada odpowiedz: ceramika sanitarna, stołowa, płytki ceramiczne. Po tych odpowiedziach następuje „niezręczna cisza”. A przecież materiały ceramiczne, to nie tylko te, które zawierają w swojej nazwie słowo ceramiczny.
dr inż. Magdalena Zarzecka Napierała, dr inż. Beata Macherzyńska

Pod tą nazwą kryją się również tworzywa trwałe termicznie, nieorganiczno-niemetaliczne, które są stosowane w samochodach jako okładki hamulców, filtry, zderzaki, elementy karoserii do bolidów, materiały do zastosowań laserowych, tyczki do skoków wzwyż, narty, ramy do rowerów, wędki, anteny, pokrycia balistyczne, kadłuby statków, szybowce, kajaki, szkła, materiały budowlane, betony, cegły, dachówki, materiały ścierne np. SiC, narzędzia skrawające, elementy akumulatorów cieplnych, baterie, materiały wykorzystywane w inżynierii biomedycznej jak np. panewki stawu biodrowego czy popularne ostatnio światłowody i wiele innych. Tak szerokie wykorzystanie materiałów jest możliwe ze względu na różnorodność ich postaci oraz spełnianych przez nie funkcji.
Tak jak w życiu ważne są więzi międzyludzkie, tak w ceramice istotne są wiązania jakie występują pomiędzy atomami. W materiałach ceramicznych dominują pierwszorzędowe kowalencyjne i jonowe wiązania atomowe, które tworzą sieć przestrzenną, determinującą ich wysokie temperatury topnienia, dużą sztywność, twardość oraz odporność na agresywne środowisko. Słabą stroną ceramiki jest kruchość, stąd tak prawdziwe jest powiedzenie „poruszać się jak słoń w składzie porcelany”.

Wbrew pozorom czy jest to dysza do piaskowania, cegła czy waza, materiały ceramiczne otrzymywane są trzema metodami: prasując proszki, formując masy plastyczne lub odlewając masę lejną. Reasumując materiały wyjściowe różnią się tylko zawartością wody, najwięcej ma jej masa lejna. Nieważne jak naukowo to brzmi w każdym przypadku mamy do czynienia z proszkiem, który po poddaniu obróbce cieplnej zamieni się w lity materiał. Czyli gdy dostatecznie zbliżymy ziarna do siebie i poddamy działaniu wysokiej temperatury, to one zetkną się ze sobą i otrzymamy gęsty wyrób. Sztywna ceramika odwrotnie niż plastyczne metale spieka się poniżej temperatury topienia. A zatem otrzymanie materiału spieczonego, nie jest wynikiem utworzenia cieczy.


Częstym błędem jest mylenie procesu spiekania z pieczeniem, z którym mamy do czynienia w kuchni. Jedno polega na zagęszczaniu materiału w wyniku działania wysokiej temperatury (powyżej 600°C), a drugie na reakcji chemicznej (do 300°C). Aby materiał mógł zostać spieczony musi charakteryzować się bardzo wysokim stopniem rozdrobnienia czyli małymi rozmiarami cząstek, gdyż tylko one mają naturalną skłonność do nieodwracalnej konsolidacji w wysokich temperaturach. I tutaj dotykamy tajemniczego pojęcia rozwinięcie powierzchni innymi słowy jest to sumaryczna powierzchnia proszku przypadająca na jednostkę masy. Parametr ten określa stopień dyspersji proszku i dla danego materiału może być skorelowany z jego aktywnością podczas spiekania. W tym momencie sprawa się komplikuje, gdyż brak jest jednoznacznych teorii, które mogą przewidzieć dokładnie a priori przebieg spiekania danego proszku.
A jakby tego było mało w rzeczywistości nie ma takich samych ziaren, a co za tym idzie w układzie pojawiają się niejednorodności, związane z występowaniem fluktuacji gęstości, wielkości ziaren czy porów. A to przełoży się na jakość finalnego produktu. Dodatkowo istotna jest czystość chemiczna proszku określana ilością zanieczyszczeń mogących utrudniać przebieg spiekania bądź obniżyć właściwości użytkowe gotowego spieku.
Kolejne parametry wiążą się z gęstością proszku. Dla metod formowania istotne są takie parametry jak gęstość nasypowa proszku i sypkość. Parametrami określającymi stopień dyspersji są najczęściej wielkość ziarna i odchylenie standardowe wielkości ziarna.

Należy pamiętać, iż spiekaniu nie poddaje się luźnego proszku, gdzie ziarna oddalane są od siebie na dość znaczne odległości, bo to przeszkadza w migracji atomów pomiędzy ziarnami. Aby ułatwić transport masy, a tym samym zapewnić odpowiednią skuteczność procesu spiekania, należy proszek zaformować. Na etapie wstępnego przygotowania proszku i formowania wyrobu istnieje największa możliwość modyfikacji układów spiekanych ziaren. Odpowiednie ułożenie ziaren determinuje rezultat końcowy spiekania. Gdy naszym celem jest otrzymanie gęstego bezporowatego wyrobu, należy dążyć do uzyskania wysokiej i jednorodnej gęstości wyrobu w całej objętości.
Z inną sytuacją mamy do czynienia, gdy chcemy aby nasz finalny produkt charakteryzował się anizotropią właściwości (np. materiały magnetyczne) lub gradientem składu (materiały warstwowe). W takich przypadkach formowanie ma zapewnić odpowiedni, niejednorodny skład wstępnie przygotowanego wyrobu.

Oprócz wyżej wymienionych czynników, formowanie musi zapewnić wystarczającą odporność mechaniczną, tak aby wyrób przetrwał bez naruszenia jego spoistości proces transportu, ewentualną wstępna obróbkę mechaniczną czy proces nakładania szkliwa. Wracając do początku w zależności od ilości zawartej cieczy proces formowania wymaga wprowadzenia dodatków, które nie powinny wpływać niekorzystnie na proces spiekania czy właściwości finalnego produktu a jedynie ułatwiać zagęszczanie materiału. W toku spiekania dodatki ułatwiające formowanie powinny być skutecznie usunięte. Techniki i parametry formowania powinny być dobierane z uwzględnieniem aspektów ekonomicznych wytwarzania wyrobu
.
Dopiero teraz możemy przejść do procesu spiekania, który składa się z kilku etapów. W zakresie niskich temperatur, stopniowo ulegają odparowaniu resztki wilgoci oraz rozkładają się i wpalają substancje organiczne zawarte w wyrobie. Zjawiska te mogą wywoływać niewielki skurcz, który jest jednak w sposób ciągły kompensowany wzrostem wymiarów, wskutek rozszerzalności cieplnej układu. W pewnym momencie rozszerzanie się spiekanego wyrobu zostaje zatrzymane. Następuje skurcz układu w wyniku przegrupowania ziaren i eliminacji dużych porów. Jest to najważniejszy moment spiekania układu tzw. temperatura początku spiekania. Od tego momentu następuje właściwe spiekanie polegające na dyfuzji masy. Szybkość skurczu początkowo rośnie i przechodząc przez wartość maksymalną ulega stopniowemu zmniejszaniu, aż do całkowitego zakończenia zmniejszania się wymiarów wyrobu.

Do temperatury początku spiekania nie zachodzą istotne zmiany gęstości i porowatości materiału. Jednak wraz ze wzrostem temperatury, jeszcze przed zapoczątkowaniem skurczu, morfologia proszku ulega zmianie. Ziarna ulegają częściowemu zaokrągleniu, wzrasta także ich wielkość oraz w widoczny sposób zwiększa się ilość połączeń miedzy ziarnami zwane szyjkami. Zmiany te są rezultatem transportu masy po swobodnych powierzchniach. Konsekwencją tego procesu jest skurcz całego układu, czego widocznym efektem jest zwiększanie gęstości i stopniowa eliminacja porowatości. Tym samym wzrasta ilość kontaktów pomiędzy ziarnami oraz następuje ich rozrost, pojedyncze ziarna stopniowo tworzą ciągły szereg. A ilość i wielkość porów ulega zmniejszeniu.

Wracając do niejednorodności wyrobu wstępnie zaformowanego, na etapie spiekania może to przełożyć się na nienaturalny rozrost dużych porów i eliminację porów najmniejszych. Wpływają one na końcową morfologię spieku. W układzie oprócz eliminacji porów i zmiany ich kształtów możliwe jest zamykanie porów wewnątrz ziaren.
Podsumowując spiekanie jest procesem na który wpływ mają parametry określające stopień dyspersji proszku, metoda i parametry formowania, temperatura spiekania oraz wiele innych czynników. Jak łatwo zauważyć, artykuł ten nie wyczerpuje złożoności tematu spiekania a jedynie przybliża zjawiska jakie zachodzą w jego trakcie.

Literatura:
1.    R.Pampuch, "Budowa i właściwości materiałów ceramicznych" Wyd. AGH, Kraków, 1995.
2.    R.Pampuch, „Współczesne materiały ceramiczne”, wyd. AGH, Kraków, 2005. 
3.    R.Pampuch., K.Haberko., M.Kordek, „Nauka o procesach ceramicznych”, PWN, Warszawa, 1992.

Nowy numer

  1. Temat numeru: Rozwiązania dla branży kruszyw

    03/2018 (61)
  2. Temat numeru: Automatyka i pomiary

    02/2018 (60)
  3. Temat numeru: Filtracja, odpylanie, ATEX, BHP

    01/2018 (59)
  4. Temat numeru: Transport materiałów sypkich

    07/2017 (58)
  5. Temat numeru: Logistyka i magazynowanie materiałów sypkich

    06/2017 (57)
  6. Temat numeru: Górnictwo,energetyka.ATEX

    05/2017 (56)
  7. Temat numeru: Rynek tworzyw sztucznych i kompozytów

    04/2017 (55)
  8. Temat numeru: Rozwiązania dla branży kruszywowej

    03/2017 (54)
  9. Temat numeru: Automatyka, pomiary

    02/2017 (53)
  10. Temat numeru: Filtracja,odpylanie,odkurzanie,BHP, ATEX

    01/2017 (52)
  11. Temat numeru: Transport  materiałów sypkich

    07/2016 (51)
  12. Temat numeru: Magazynowanie materiałów sypkich

    06/2016 (50)
  13. Temat numeru: Zabezpieczenia przeciwwybuchowe

    05/2016 (49)
  14. Temat numeru: Wagi.Dozowniki

    04/2016 (48)
  15. Temat numeru: Kruszenie.Mielenie.Granulowanie

    03/2016 (47)
  16. Temat numeru: Filtracja.odpylanie.BHP

    02/2016 (46)
  17. Temat numeru: Automatyka i pomiary 

    01/2016 (45)
  18. Temat numeru: Transport materiałów sypkich

    07/2015 (44)
  19. Temat numeru: Magazynowanie materiałów sypkich

    06/2015 (43)
  20. Temat numeru: Bezpieczeństwo procesowe i zabezpieczenia ATEX

    05/2015 (42)
  21. Temat numeru: Kruszenie, mielenie, mieszanie

    04/2015 (41)
  22. Temat numeru: Sita,przesiewacze,separatory

    03/2015 (40)
  23. Temat numeru: Automatyka i pomiary

    02/2015 (39)
  24. Temat numeru: Odkurzanie, odpylanie, BHP, Atex

    01/2015 (38)
  25. Temat numeru: Transport materiałów sypkich

    07/2014 (37)
  26. Temat numeru: Opakowania w przemyśle materiałów sypkich

    06/2014 (36)
  27. Temat numeru: Silosy i magazyny na materiały sypkie

    05/2014 (35)
  28. Temat numeru: Systemy dozujące, ważące i pakujące

    04/2014 (34)
  29. Temat numeru: Filtracja,odpylanie,odkurzanie

    03/2014 (33)
  30. Temat numeru: Automatyka i aparatura kontrolno-pomiarowa

    02/2014 (32)
  31. Temat numeru: Sita, przesiewacze i separatory przemysłowe

    01/2014 (31)
  32. Temat numeru: Rozdrabnianie i granulowanie

    06/2013 (30)
  33. Temat numeru: Przemysł wydobywczy surowców energetycznych

    05/2013 (29)
  34. Temat numeru: Silosy do zastosowań przemysłowych

    04/2013 (28)
  35. Temat numeru: Sytuacja na rynku kruszyw

    03/2013 (27)
  36. Temat numeru: Aparatura pomiarowa w aplikacjach wysokotemperaturowych

    02/2013 (26)
  37. Temat numeru: Polski rynek cementu i betonu

    01/2013 (25)
  38. Temat numeru: Postęp techniczny w konstrukcji młynów

    06/2012 (24)
  39. Temat numeru: Konstrukcje silosów aluminiowych

    05/2012 (23)
  40. Temat numeru: Europejski rynek tworzyw sztucznych

    04/2012 (22)
  41. Temat numeru: Zmiany technologiczne w produkcji kruszyw

    03/2012 (21)
  42. Temat numeru: Automatyzacja procesów

    02/2012 (20)
  43. Temat numeru: Polski rynek targowy

    Rozmowa z dr. inż hab. Lidią Gawlik zastepcą dyrektora IGSMiE 
    01/2012 (19)
  44. Temat numeru: Nauka dla przemysłu

    Rozmowa z dr. inż Szymonem Modrzejewskim
    06/2011 (18)
  45. Temat numeru: Nowoczesne technologie górnicze

    Węgiel polskie bogactwo narodowe
    05/2011 (17)
  46. Temat numeru: Transport, logistyka i magazynowanie

    03-04/2011 (16)
  47. Temat numeru: Automatyzacja procesów

    Innowacyjny mechatroniczny system manipulacyjny
    02/2011 (15)
  48. Temat numeru: Rynek kruszyw w Polsce

    Recykling gruzu powyburzeniowego
    01/2011 (14)
  49. Temat numeru: Przemyslowe systemy ważąco-dozujące 05-06/2010 (13)
  50. Temat numeru: Magazynowanie sypkich produktów spożywczych 04/2010 (12)
  51. Temat numeru: Transport pneumatyczny materiałów sypkich 03/2010 (11)
  52. Temat numeru: Rynek cementu w polsce 02/2010 (10)
  53. Temat numeru: Krajowy rynek automatyki przemyslowej 01/2010 (9)