Download - Materiale Ceramice - Portelanul
CUPRINS:
Cap. I - Materiale ceramice. Definiţii. Clasificări ..........................pag.1
Cap. II - Tehnologia de obţinere a ceramicilor ...............................pag.4
Cap. III - Scurt istoric .....................................................................pag.7
Cap. IV – Porţelanul .......................................................................pag.10
Cap. V – Produsele ceramice şi aplicaţiile lor ................................pag.13
Cap. VI – Materiale bioceramice ...................................................pag.27
Bibliografie
1
Cap. I MATERIALE CERAMICE
Materialele ceramice sunt o clasă de solide anorganice, nemetalice, obţinute la temperaturi înalte.
Natura materialului ceramic, compoziţia lui chimică şi arderea sunt factorii principali care
definesc o ceramică, indiferent de aplicaţie. În Dicţionarul Explicativ al limbii române (DEX,
ediţia 1984) substantivul feminin "ceramică" este definit ca "tehnica şi arta prelucrării argilelor
pentru a se obţine, prin omogenizarea amestecului plastic, modelarea, decorarea, smălţuirea,
uscarea şi arderea lui, diverse obiecte;obiect confecţionat prin această tehnică".
Ceramica este reprezentată printr-o gamă foarte variată de materiale: ceramica de construcţii
(ţigle, cărămizi, plăci de faţadă şi de pardoseli, ceramica sanitară etc.), ceramica de menaj
(porţelan, faianţă, gresie etc.), materiale refractare pentru construcţia instalaţiilor termice,
ceramica pentru industria electrotehnică, electronică, nucleară, cum şi ceramica cu înalte
proprietăţi termomecanice, ceramica de uz biologic ca şi alte tipuri de ceramici (inclusiv cea cu
funcţie abrazivă, catalitică etc.).
Diversitatea funcţiilor de utilizare ale produselor ceramice arată, într-o oarecare măsură, evoluţia
noţiuniii de ceramică şi lasă să se întrevadă noi posibilităţi de îmbogăţire a acestei noţiuni. În
întelesul actual, materialele ceramice reprezintă o clasă de solide anorganice, nemetalice (deşi,
mai rar, pot avea şi constituenţi metalici), obţinute la temperaturi înalte, la care are loc
sintetizarea, vitrificarea sau topirea lor, urmate de răcirea şi consolidarea produsului,
corespunzător pentru utilizare.
Natura materialului ceramic (compoziţia lui chimico-mineralogică), reprezintă unul dintre factorii
esenţiali care diferenţiază materialele ceramice între ele. În funcţie de procesul termic aplicat la
formarea lor (prin ardere), materialele ceramice se pot deosebi între ele.
Clasificarea materialelor ceramice după procesul termic de formare:
Materiale obţinute prin sinterizare ,vitrificare:
cu formare de faze vitroase:
Ceramici nerefractate, tradiţionale
Ceramici refractate (excepţie cele cărbunoase şi de grafit)
Lianţi hidraulici din care se obţin:
produse nefasonate
produse fasonate
fară formare de faze vitroase:
oxizi ceramici (puri) şi compuşi oxidici (pigmenţi)
refractare din carbon şi grafit
2
boruri, azoturi, siliciuri, cărbuni, etc.
Materiale obţinute prin topire:
sticle, glazuri, frite
vitroceramici
emailuri
refractare electrotopire
fibre ceramice
După comportarea la temperatură, materialele şi produsele ceramice sunt nerefractare-cu
refractaritatea sub 1500o C, şi refractare a căror refractaritate depăşeşte această limită de
temperatură.
După natura materiilor prime şi destinaţia produselor există:
ceramice tradiţională, bazată pe materii prime naturale, relativ ieftine, şi cu utilizări
convenţionale (teracotă, faianţă, gresie, porţelan, refractare obişniute etc.);
ceramica modernă, de regulă ceramice tehnică, bazată pe materii prime de puritate înaltă,
oxidică sau neoxidică (carburi, azoturi, siliciuri, boruri, oxiazoturi etc.), cu utilizări în
construcţia de maşini, electronică, tehnica nucleară şi medicală, tehnologia spaţială etc.
Aflate în faze diferite de dezvoltare, compozitele ceramice din fibre (formate dintr-o matrice
ceramică şi fibre metalice sau ceramice), cele cu particule dispersate (de exemplu, cermeţi) sau cu
distribuţie lamelară a componenţior etc. sunt considerate materiale pentru viitor şi de înaltă
performanţă.
O serie de materiale şi produse ceramice (mai ales tradiţionale) pot fi considerate ca având
aceleaşi surse de materii prime. Compoziţia oxidică a acestora include: SiO2, Al2O3, Na2O (sau
K2O), cu sau fără proporţii relativ mici de alte adaosuri (de regulă, impurităţi care provin din
materii prime). Materialele ceramice prezintă, în general, o structură mai mult sau mai puţin
poroasă, care depinde de tipul de produs şi de tehnologia de fabricaţie. Din cauza acestei structuri,
anumite materiale ceramice (mai ales cele de menaj şi sanitare, pentru aparatura chimică etc.)
trebuie să fie acoperită cu o peliculă vitroasă impermeabilă (glazură), care este cerută fie din
motive de cerinţe practice (de exemplu impermeabilitatea la lichidele pe care le conţin sau vin în
contact cu ele), fie pentru a satisface unele exigenţe estetice şi decorative.
Datorită capacităţii lor de a rezista la temperaturi înalte, materialele şi produsele refractare oxidice
sunt, din punct de vedere compoziţional, mai simple; în alcătuirea lor intrând, în proporţia cea mai
mare, unul sau doi oxizi refractari.
Sunt unele materiale oxidice cu proprietăţi particulare-termo-mecanice, electrice, magnetice etc., a
căror compoziţie fie că se încadrează în sisteme oxidice monocomponente (cu eventuali dopanţi),
fie că este asociată unor compuşi cu structuri speciale (de tipul: titanaţi, niobaţi, tantalaţi în 3
combinaţie cu PbO, ZrO2 etc.; diverse tipuri de ferite-MO.Fe2O3, în care M=Mn, Ni, Zn, Co etc.,
respectiv MO 6 Fe2O3, în care M=Ba, Sr, Pb, Ca; zeoliţi cu funcţie de schimbători de ioni,
catalizatori şi suport de catalizatori; materiale cu structuri fosfatice pentru bioceramică etc.)
O altă serie de materiale şi produse ale acestora sunt pe bază de: carburi, azoturi, boruri, siliciuri
de metale tranziţionale (Ti, V, Cr, Zr, Nb, Mo, Hf, Ta, W), sau alte tipuri de carburi sau azoturi
(SiC, B4C, NB, Si3N4). Ele sunt mult folosite în domeniul tehnologiilor avansate, la fabricarea
pieselor abrazive pentru prelucrarea metalelor, iar unele dintre ele servesc drept elemente de
încălzire pentru temperaturi înalte etc.
Există, de asemenea, unele produse ceramice, care încearcă să îmbine proprietăţile valoroase a
două sau mai multor tipuri de materiale. Aşa este cazul compuşilor de tip SIMON (sialonuri,
sialonuri de magneziu, sialonuri de ytriu etc.). Sialonurile, de exemplu, sunt silicaţi sau
aluminosilicaţi în care oxigenul este parţial înlocuit prin azot. Se obţine astfel oxiazotura de siliciu
şi aluminiu (Si6_x, AlxOx, N8_x, în care x reprezintă numărul de atomi de azot substituiţi prin atomi
de oxigen) cu proprietăţi apropiate atât de β-Si3N4 cât şi de Al2O3. În aceeaşi categorie intră şi
compoziţiile ceramo-metalice de tip: WC-Co, TiC-Ni, Al2O3-Cr2O3 (NiO)-Ni ş.a, în care se
regăsesc o parte din proprietăţile de ductilitate, rezistenţă mecanică, conductivitate termică-
specifice metalelor, cu cele de stabilitate la temperatură înaltă, stabilitate chimcă ş.a.-specifice
materialelor ceramice.
4
Cap. II TEHNOLOGIA DE OBŢINERE A CERAMICILOR
Pentru a putea realiza un anumit produs ceramic trebuie să se stabilească cu acurateţe reţetele de
fabricaţie (care precizează în ce procent se vor introduce materiile prime). Cunoscând compoziţia
oxidică a podusului ceramic ce se doreşte a se obţine, precum şi pe cea a materiilor prime care se
utilizează, de realizează, ca şi în cazul produselor de sticlă, „calculul amestecului de materii
prime”. La stabilirea reţetelor de fabricaţie se ţine seama de o serie de cristerii: chimice,
tehnologice, economice şi ecologice.
Pentru fabricarea produselor ceramice şi refractare trebuie să se respecte o succesiune de operaţii
şi procese tehnologice prin care una sau mai multe materii prime corespunzător alese sunt
preparate, fasonate, supuse tratamentului termic şi finisate corespunzător cerinţelor de utilizare ale
produsului dorit. Toate acestea alcătuiesc fluxul tehnologic de obţinere a unui produs ceramic.
Materialul preparat poartă denumirea de masă ceramică crudă, în timp ce după efectuarea
tratamentului termic (arderea) masa se numeşte arsă.
În tabel se prezintă sintetic etapele tehnologice principale care se parcurg la fabricarea produselor
de ceramică.
Faze Procedeu Obiectiv Caracteristici
Preparare prelucrarea materiilor prime: - în
stare solidă (mărunţire, clasare,
sortare, măcinare) - în stare
lichidă (deleiere)
realizarea granulaţiei
necesare
concentraţie
omogenitate
stabilitate
fluiditate
plasticitateFasonare din suspensii, paste sau pulberi
prin : turnare, extrudare, presare,
laminare
aducerea masei preparate în
forma dorită
dimensiuni aspect
porozitate textură
Uscare tratament termic la temperaturi
de 100 - 200°C
eliminare apă sau alţi
compuşi
contracţie
rezistenţă
mecanică
Ardere tratament termic la temperaturi
ridicate (peste 1100°C)
realizarea fazelor cu
compoziţia şi structura
necesare
densitate, formă,
aspect, structură
Finisare glazurare decorare protecţie, stabilitate
chimică, aspect, estetică
caracteristici de
produs
5
Prepararea amestecului de materii prime se poate realiza prin 2 procedee - umed şi/sau uscat şi
presupune următoarele operaţii tehnologice :
• mărunţirea şi măcinarea (asigură aducerea materiilor la dimensiunea granulometrică
necesară);
• dozarea (asigură proporţia exactă de material); se poate realiza prin cântărire, prin măsurarea
volumului sau prin ambele;
• omogenizarea (înainte de utilizare materiile prime trebuie să fie uniform amestecate);
• deshidratarea. este operaţia prin care se îndepărtează apa aflată în exces;
• macerarea este operaţia prin care masa umedă, deshidratată, se păstrează un timp (uneori zeci
de zile) în atmosferă umedă ;
• dezaerarea: pentru îndepărtarea incluziunilor de aer.
Fasonarea reprezintă operaţia tehnologică prin care amestecul preparat de materii prime este adus
la forma cerută de produsul ceramic ce urmează a se obţine. Există diferite procedee de fasonare,
care ţin seama de starea în care se află amestecul omogen de materii prime:
• turnare din barbotină (atunci când amestecul de materii prime este în stare de suspensie) ;
• extrudare (când amestecul este sub formă de pastă);
• presare (când amestecul este în stare de pulbere).
Uscarea este operaţia tehnologică prin care se elimină apa existentă în produsele fasonate.
Produsele fasonate (tehnic poartă denumirea de semifabricate) au un conţinut de apă care poate
varia între 5 - 24%, cantitatea maximă fiind caracteristică produselor fasonate prin procedeul
turnării din barbotină sau din pastă plastică. în general, uscarea are loc la temperaturi cuprinse
între 100 şi 200°C.
Procesul de ardere este acela care conferă produselor ceramice şi refractare proprietăţile finale
necesare astfel încât acestea să corespundă condiţiilor de utilizare. Este o operaţie complexă şi
esenţială fără de care un produs nu îndeplineşte condiţiile de a fi numit un produs ceramic.
Arderea (deseori numită şi sinterizare) produselor ceramice şi refractare asigură realizarea
transformărilor fizico-chimice care consolidează produsele în forma în care au fost fasonate,
conferindu-le, totodată, proprietăţile care corespund scopului pentru care sunt fabricate. Este o
operaţie complexă şi esenţială fără de care un produs nu îndeplineşte condiţiile de a fi numit un
produs ceramic. în general, fenomenele care au loc în timpul arderii pot fi sintetizate astfel:
• îndepărtarea umidităţii reziduale de la procesul de uscare, care se termină, de obicei, la 200°C;
• îndepărtarea moleculelor de apă care sunt legate prin legături chimice de unii dintre componenţii
materiilor prime (este denumită "apă de constituţie"), care se termină, în funcţie de materia primă
la 400-600°C; '
6
• descompunerea unor componenţi ai materiilor prime (de exemplu, carbonaţi şi sulfaţi) până la
1000°C;
• reacţii chimice între diverşi componenţi, la temperaturi de 800 -1600°C, cu apariţia unei faze
lichide şi formarea compuşilor care asigură principalele proprietăţi fizice, chimice, mecanice ale
produsului final; pentru ceramica tehnică, temperatura poate depăşi chiar şi 2000°C;
• răcirea, în cursul căreia se produce definitivarea proceselor chimice şi fizice (cristalizare,
solidificare a fazei vitroase, etc.)
Arderea produselor ceramice se poate face într-o singură etapă (situaţie în care este denumită
monoardere) sau în mai multe etape (dublă sau chiar triplă ardere). În funcţie de durată, arderea
poate fi tradiţională sau rapidă. Temperatura maximă şi durata procesului de ardere variază foarte
mult şi depinde de foarte mulţi factori, cel mai important fiind compoziţia chimică a produsului
ceramic care urmează a fi obţinut. Pentru exemplificare, În tabelul de mai jos se prezintă
temperaturile şi duratele de ardere pentru câteva produse tradiţionale din ceramică.
Specificaţie Ceramică de constructii Faiante Gresie
plăci cărămizi farfurii farfurii plăci
monoardere monoardere biscuit glazură monoardere
Ardere
traditională
temperatura 1050°C 950°C 1260°C 1100°C 1250°C
durata 15 h 28 h 20 h 15 h 48 h
Ardere
rapidă
temperatura 1080°C 950°C 1260°C 1120°C 1240°C
durata 1h 10 min 3h 25 min 30 min 35 min. 9h
Unele produse se ard la temperaturi mai ridicate, ca de exemplu: produsele sanitare se ard la
temperaturi de 1250-1300°C, cele de gresie la 1200 - 1350°C iar porţelanul la 1250 - 1500°C.
Arderea produselor ceramice se efectuează în cuptoare special construite în funcţie de categoria de
produs ceramic ce se obţine. Dintre toate acestea, cele mai răspândite sunt cuptoarele tunel şi, mai
nou, cele conveior.
7
Marea majoritate a produselor de ceramică, îndeosebi tradiţională, trebuie să mai parcurgă o
etapă a fluxului tehnologic şi anume finisarea. Operaţiile care se execută în scopul finisării
produselor de ceramică sunt glazurarea şi decorarea. Glazurile sunt straturi subţiri (0,1 - 0,3
mm) de sticlă topită pe suprafaţa anumitor tipuri de produse ceramice. Ele au rolul de a
impermeabiliza corpurile ceramice, de a le face mai rezistente mecanic şi chimic, de a le da un
aspect plăcut, o suprafaţă netedă şi lucioasă, uşor de spălat. Decorarea produselor ceramice
(gresie, ceramică, faianţă, porţelan etc.) se face cu ajutorul culorilor ceramice speciale. Aceste
culori sunt oxizi metalici, silicaţi, compuşi diverşi (boraţi, aluminaţi etc.), capabile să formeze la
temperaturi ridicate compuşi coloraţi pe suprafaţa produselor.
8
Cap. III SCURT ISTORIC
În Dicţionarul de arhitectură (ediţia 1977) ceramica este considerată "oricare produs dintr-o clasă de
produse realizat din argilă sau produse similare, supus la temperaturi înalte în timpul fabricării sau
utilizării, ca de exemplu: porţelan, gresie, faianţă, teracotă, etc.".
În plus, în Grecia antică, ceramica era denumirea unui cartier situat în partea de N-V a Atenei, care
includea vechea Agora; cartierul s-a extins apoi către Pireu (sudul Atenei), până la grădinile lui
Academos.
Ceramica are o lungă şi interesantă istorie deoarece este un material care combină arta cu utilitatea.
De la cel mai bogat la cel mai sărac, fiecare deţine o piesă de ceramică, fie pentru menaj sau
construcţie, fie ca obiect de artă.
Datorită existenţei cotidiene în spaţiul casnic (farfurii, vaze, plăci de faianţă şi gresie, sobe de
teracotă, etc.) ceramica este o noţiune cunoscută de marea majoritate a oamenilor (în acest caz
ceramica este cunoscută ca "ceramică de menaj" sau "tradiţională"); materialele ceramice sunt însă
utilizate şi în aproape toate domeniile industriale (în acest caz ceramica are denumirea generică de
"ceramică tehnică"). Aria larga de utilitate şi aplicaţii este generată în primul rând de abundenţa
materiilor prime din scoarţa terestră care concură la obţinerea materialelor ceramice.
Originea ceramicii se pierde în preistorie, ea făcând parte din primele invenţii ale omului. Studiind
istoria ceramicii, vei descoperi multe din istoria omului. Cele mai vechi ceramici datează din epoca
neolitică, fiind localizate în Orientul Apropiat (Mesopotamia, în două din cele mai mari oraşe,
Babilon şi Ninive), Asia, cele două Americii, Europa şi Africa. în fiecare epocă, ceramica a fost
prezentă şi, adeseori, arheologii recurg la ciobul de ceramică pentru a delimita perioada istorică.
Roata olarului (a cărei apariţie este datată în jurul anului 3000 î.H. în Egipt) - una dintre primele
invenţii majore ale omului a revoluţionat istoria ceramicii şi a avut un impact esenţial asupra
îmbunătăţirii calităţii vieţii acestuia.
Ceramica neagră şi ceramica de Cucuteni, la noi în ţară, ceramica glazurată de la porţile Babilonului
sau în vechiul Egipt, sunt repere cronologice pentru istoria veche a omenirii.
Ceramica a căpătat o transparenţă şi noi valenţe artistice în China, odată cu realizarea porţelanului.
Prin Coreea porţelanul a pătruns în Japonia; în timpul lui Marco Polo a ajuns în Europa. în timpul
Renaşterii manufacturile de portelan au cunoscut o arie largă de răspândire, de la Florenţa (în Italia),
la St-Cloud (în Franţa), la Meissen în Germania, la Viena, Petrograd şi Sevres. În Anglia secolului
9
XVIII se realizează porţelanul fosfatic. În 1805 la Batiz-Hunedoara se fabrica portelan şi în
România.
Decorarea pereţilor cu plăci de teracotă a început în primul secol î.H. în Roma şi a devenit în timp
scurt o practică populară. Însă, după căderea imperiului roman, influenţa ceramicii de Bizanţ şi-a
pus amprenta şi asupra lumii islamice. Bisericile mahomedane, moscheile şi pereţii din interiorul
palatelor împărăteşti erau acoperite cu plăci ceramice. Pe atunci, plăcile erau mai mult albe şi
albastre, culori împrumutate din practica persană în decorarea plăcilor ceramice. Mai târziu, în
Orientul Mijlociu a început fabricarea splendidelor plăci glazurate, cu luciu metalic, ceea ce a
reprezentat un pas major în evoluţia calitativă a ceramlcii.
în Italia evului mediu, folosirea plăcilor ceramice a devenit mai mult decât o modă, era o practică
obişnuită şi îndrăgită, întrecând în calitate şi design plăcile fabricate în Valencia, Spania. Astfel, s-
au schimbat şi culorile, plăcile ceramice au căpătat noi nuanţe: verde-cupru, ocru, albastru veneţian,
chiar violet. Aşa a început în Italia "majolica", o practică în fabricarea plăcilor ceramice care pe
parcursul a 50 de ani a dat naştere celor mai frumoase plăci ceramice pictate; importante centre de
manufactură erau situate în Toscana, Faenza, Urbino, Veneţia, Florenţa, Gubbio (unde s-au folosit şi
primele glazuri). Produse vestite fabricate în acel timp erau vasele de la Faenza.
În era barocă, Olanda (ceramica de Delft) şi Franţa au fost lideri, pe plan european, în fabricarea
ceramicii. Folosirea plăcilor ceramice pentru podele (gresia) a fost iniţiată în Germania. Aici, au
avut succes plăcile mari cu imprimeuri, apoi, a început producţia binecunoscutei faianţe olandeze, în
frumoasele combinaţii de culori alb-albastru.
Englezii au ajuns la un nivel ridicat de fabricare a ceramicii în Evul Mediu. Gresia din biserici şi
mănăstiri era făcută de călugări. Aici, au fost găsite aranjamente de plăci ceramice cu diverse
imprimeuri, de la emblemele bisericii, la păsări, viţa de vie şi frunze de stejar.
Ceramici splendide au fost, de asemenea, descoperite şi în America Latina (ceramici de tip Nazca şi
Inca, pentru ritualuri religioase).
În secolul XIX, cerinţele pentru temperaturile înalte necesare metalurgiei aduc realizări în domeniul
materialelor refractare. Începutul secolului XX - prin dezvoltarea electricităţii şi radiofoniei -
marchează interesul pentru proprietăţile electrice ale porţelanului şi maselor ceramice. Ceramica de
rutil (dioxid de titan) revoluţionează în anii '20 domeniul materialelor dielectrice pentru
condensatoare; în anii '30 se cercetează feritele ceramice, iar în anii '40 se descoperă ceramica
feroelectrică. În a doua jumătate a secolului XX, tehnologia ceramicii şi refractarelor îşi
fundamentează ştiinţific operaţiile şi procesele care intervin în fabricaţia produselor. Se dezvoltă, de
10
asemenea, noi direcţii de utilizare ale ceramicilor:bioceramici, bariere termice, motoare ceramice,
pentru a enumera doar câteva dintre acestea.
11
Cap. IV PORŢELANUL
Porţelanurile sunt produse ceramice deplin vitrificate, constituite din una sau mai multe faze
cristaline distribuite într-o matrice vitroasă. Parametrii principali care determină vitrificarea sunt
temperatura de ardere şi cantitatea de fază lichidă necesară închiderii porilor. Masele care
îndeplinesc atributele porţelanurilor, dunpă Solacolu şi Dinescu, au temperatura de ardere cuprinsă
între 1350 şi 14500C, iar cantitatea de fază lichidă, la temperaturile respective de ardere, cuprinsă
între 50 şi 75%. Din acest punct de vedere porţelanurile tari au cantitatea de fază lichidă la limita
inferioară, iar porţelanurile moi au cantitatea de fază lichidă la limita superioară.
Există diferite criterii de grupare a porţelanurilor. Unul din acestea ţine seama de sistemul de
componenţi în care se situează compoziţia porţelanurilor. Astfel, se disting porţelanurile alcaline,
alcalinopământoase, fosfatice etc. Din punctul de vedere al ceramicii de construcţii şi de menaj cel
mai mare interes îl prezintă porţelanurile alcaline. Porţelanurile alcalinopământoase se disting prin
proprietăţi deosebite mecanice, termice, electrice.
Porţelanurile alcaline, tradiţionale sunt situate în sistemul: Na2O (K2O)-Al2O3-SiO2. Spre
exemplificare în figura alătutară se
prezintă locul porţelanurilor în
sistemul K2O-Al2O3-SiO2. Prezenţa
simultană a celor două faze
feldspatice (NAS6 şi KAS6), între
care există relaţii de izomorfie, face
ca temperatura de vitrificare a
porţelanurilor să scadă. De
asemenea, mulţi feldspaţi sunt
cuprinşi în sistemul ternar ortoză-
albit-anortit, între albit şi anortit
existând seria izomorfă a
plagioclazilor. Prezenţa acestui
feldspat în cadrul sistemului Na2O-
CaO-Al2O3-SiO2, plasează porţelanul mulitic (cel mai important din punct de vedere practic), în
subsistemul NAS6-CAS2-A3S2-S.
Proprietăţile porţelanurilor alcaline (feldspatice) sunt determinate, într-o măsură importantă, de
microstructura lor. Cantitatea mare de fază lichidă, obţinută la temperatura de ardere (65-75 % la
12
1350 oC, pentru porţelanurile feldspatice moi şi 50-65 % la 1350-1450oC, pentru porţelanurile tari),
deşi va cristaliza parţial prin răcire, va influenţa, alături de fazele cristaline majore (în cazul
porţelanului mulitic tradiţional, mulitul şi cristobalitul), proprietăţile porţelanului.
Componentul valoros al porţelanului mulitic (porţelanul comun) este mulitul. Acesta critalizează în
sistem rombic, cu cristale bine dezvoltate, atunci cand se formează în prezenţa unei proporţii ridicate
de fază lichidă. Mulitul asigură valori ridicate pentru: rezistenţa mecanică, modulul de elasticitate,
duritate, termostabilitate, rezistenţa chimică la atacul bazelor şi acizilor şi coeficient de dilatare
termică scăzut. Porţelanul tare conţine o proporţie mai ridicată de mulit decât cel moale.
Cristobalitul imprimă proprietăţi mecanice slabe şi sensibilitate la şoc termic crescută.
Faza vitroasă determină creşterea translucidităţii şi efectele estetice ale produselor de porţelan,
reducându-le, în schimb, rezistenţa mecanică şi stabilitatea termică. Ea este necesară, în cantitate
limitată, pentru a asigura vitrificarea completă a masei. De asemenea, între cantitatea de fază
vitroasă şi porozitatea, absorbţia, permeabilitatea, densitatea aparentă, contracţia maselor la ardere
se pot stabili corelaţii de strânsă
interdependenţă.
Porozitatea totală de 6-7% este, de regulă,
închisă, ceea ce face ca permeabilitatea la
lichide şi gaze să fie practic neglijabilă, ele
având o absorbţie a apei de maximum 0,5%.
Densitatea aparentă este dependentă atât de
gradul de vitrificare cât şi de compoziţia
masei (se obţin valori de 2,3-2,5 g/cm3 sau
mai mari la un conţinut crescut de Al2O3).
Dintre proprietaţile optice, mai importante
pentru porţelanul tradiţional sunt gradul de
alb şi transluciditatea. Ambele proprietăţi
sunt importante pentru aspectul estetic al
produselor de menaj şi decorative.
Gradul de alb depinde de calitatea
materiilor prime, de natura şi proporţia ionilor cromofori impurităţi, de atmosfera de ardere etc. şi
variază între 65 şi 75 %. Asupra gradului de alb influenţează, în mod pozitiv, prezenţa în
compunerea maselor de porţelan a compuşilor fosfatici. Se obţine astfel porţelanul fosfatic, care face
parte din sistemul oxidic RO-Al2O3-SiO2-P2O5.
13
Transluciditatea, cea de-a doua proprietate optică, creşte cu proporţia de fază vitroasă şi depinde de
atmosfera de ardere a cuptorului. Transluciditatea este rezultatul a două procesedifuzia şi absorbţia
luminii, iar cei doi parametri specifici-coeficientul de difuzie S şi coeficientul de absorbţie K, pot fi
deduşi din factorul de transmisie, determinaţi de probele arse. Porţelanul tare este ars în condiţii
reducătoare şi, drept rezultat, impurităţile de fier sunt reduse la Fe2-.
Porţelanul moale diferă de cel tare prin accea că este ars la o temperatură mai scăzută şi nu este
supus unor condiţii reducătoare. Aceasta are ca rezultat o rămânere a ionilor Fe3- în structură, care
dau o culoare roz, conferind astfel o absorbţie puternică în UV şi producând o coadă de absorbţie în
albastru vizibil. Valorile coeficientului de difuzie sunt mai mari în cazul porţelanului moale
deoarece temperatura de ardere, mai scăzută a acestuia, dă naştere unei microstructuri poroase.
Separarea celor doi coeficienţi, în acest mod, este utilă deoarece variaţiile lui K sunt un indice al
chimiei probei şi spectrului său cristalin, în timp ce variaţiile lui S pot fi folosite pentru a explora
schimbările microstructurale în timpul arderii.
14
Cap.V PRODUSE CERAMICE ŞI APLICAŢIILE LOR
MATERIALE ŞI PRODUSE CERAMICE TRADIŢIONALE
Ceramică brută de construcţii se împarte în următoarele categorii în funcţie de caracterul
utilizării:
ceramica de pereţi (cărămizi, blocuri ceramice şi panouri realizate din acestea);
ceramica de faţadă (cărămidă aparentă, plăci de diferite tipuri);
ceramica de acoperire (ţigle);
tuburi de canalizare şi de drenaj;
umpluturi ceramice pentru betoane izolatoare (keramzit -granulit, agloporit);
produsele sanitare - tehnice din faianţa şi porţelan;
plăci de faţadă (placare) din faianţă şi porţelan;
plăci pentru pardoseli şi produsele antiacide.
Acest tip de ceramică cuprinde produsele folosite la alcătuirea elementelor de construcţii,
reprezentând o masă aluminosilicatică (alcalină, alcalino-pământoasă, de fier). Din punct de vedere
mineralogic, o asemenea ceramică este constituită dintr-o fază vitroasă relativ neomogenă (cu indice
de refracţie, n = 1,55...1,60), în care sunt incluse cristale colorate (cu n = 1,70...1,72) de soluţii
solide criptomulitice, cristale de cuarţ, cristobalit etc.
După tradiţie, produsele poroase, cu structura granulară mare, din mase argiloase, formează clasa
ceramicii brute de construcţii, iar produsele compacte, cu structură granulară fină, vitrificată, de
tipul celor din porţelan, formează clasa ceramicii fine de construcţii.
Ţiglele, ca materiale de bază pentru acoperirea clădirilor, sunt plăci ceramice prevăzute cu nervuri
pentru îmbinare şi creşterea rezistenţei mecanice, au cioburi pe una din feţe, permiţând fixarea lor în
poziţie înclinată. După forma lor şi modul de fabricaţie, se deosebesc:
ţigle jgeab presate, cu masa 2,600 kg fiecare;
ţigle jgeab trase prin filiere (extrudate), cu masa de 2,400 kg
ţigle solzi extrudate cu masa de 1,350 kg.
Ceramica de faţadă este destinată decorării unor elemente ale clădirilor. Se prezintă sub formă de:
cărămizi aparentem profilate (pline sau cu goluri), plăci drepte sau unghiulare, mozaicuri ceramice,
elemente arhitecturale, teracotă, majolică etc.
15
Deşi multe produse de faianţă şi de porţelan fac parte din ceramica pentru construcţii, caracterizarea
acestora este făcută separat, ţinând seama de cerinţele compziţionale mai severe şi de utilizarea mai
largă a acestor produse.
Proprietăţile ceramicii de pereţi, de acoperire şi de faţadă:
1. Rezistenţa mecanică la compresiune, variază între 7,5-15 MPa şi poate atinge chiar 30 MPa.
Pentru executarea clădirilor cu mai multe etaje şi a construcţiilor solicitate mecanic, se folosesc
cărămizi cu rezistenţă mare.
2. Rezistenţa mecanică la încovoiere, reprezintă o proprietate importantă, mai ales pentru
materialele de grosime mică. Astfel, ţigla trebuie să reziste la greutatea unui om (la o sarcină
concentrată în mijlocul ei de cel puţin 70 kg).
3. Absorbţia apei variază, la produsele normale, între 8 şi 25%, iar la cărămizile cu porozitate mare
între 25-50%. Pentru asigurarea unei izolaţii termice, materialele de zidărie trebuie să prezinte o
absorbţie a apei de 6-8%. În mod normal, capacitatea de absorbţie a apei pentru ţigle nu trebuie să
depăşească 10%, în timp ce pentru produsele de faţadă, trebuie să fie de 6-12%. Pentru produsele
care nu vin în contact cu apa această caracteristică nu se normează.
4. Rezistenţa la îngheţ (gelivitatea): materiale de construcţii trebuie să reziste la 10-25 cicluri de
îngheţare la -15°C.
5. Culoarea produselor ceramice arse variază în funcţie de compoziţia chimică şi de temperatură, de
la galben roşcat (când argila conţine calcar) sau galben pai la verzui (când produsul a atins
temperatura de topire) la roşu (din argila cu mai puţin calcar) sau rosu-brun apoi brun - prin
ridicarea treptată a temperaturii de ardere (când topitura sa devine neagră).
Alte produse de ceramică poroasă pentru construcţii sunt:
Plăci de teracotă pentru sobe (cahle);
Tuburile ceramice de drenaj;
Ceramica poroasă filtrantă.
MASE ŞI PRODUSE DE FAIANŢĂ
Faianţele sunt produse ceramice poroase, permeabile la lichide şi gaze; permeabilitatea lor este
înlăturată prin acoperire cu glazuri.
Faianţele feldspatice - cu cea mai largă utilizare şi au feldspatul drept component fondant; unt
utilizate pe scară largă pentru fabricarea produselor de menaj şi decorative, pentru placaje
16
ceramice, obiecte sanitare şi tehnico-sanitare.
Faianţele fine calcaroase - folosesc calcarul (creta) sau dolomit în calitate de fondant - se
utilizează mai ales la obţinerea de plăci pentru placarea interioara a construcţiilor.
Faianţele mixte - intermediare între cele două categorii amintite mai înainte - se folosesc atât la
realizarea de plăci pentru pereţi interiori, cât şi pentru vase de menaj şi obiecte sanitare. Prin
proprietăţi şi comportament ele se plasează între faianţele feldspatice şi cele calcaroase.
Faianţele silicioase - aproape lipsite de componenţi argiloşi în masa crudă - servesc la obţinerea
de produse arhitecturale.
Faianţele argiloase - prezintă o proportie foarte ridicată de materiale argiloase în masă -
constituie obiect de utilizare pentru obţinerea produselor de faianţa comună, în special. Ceramica
comună îşi găseşte cea mai larga utilizare ca ceramică de menaj, ca ceramică decorativă şi de
placaj.
Proprietăţile produselor de faianţă :
1. Porozitatea faianţelor este mai mare de 8%, limita sa maximă de 25%, fiind mai mică în cazul
faianţelor feldspatice (max. 14%). Porozitatea faianţelor este o porozitate deschisă.
2. Permeabilitatea este o consecinţă a porozităţii.
3. Acordul masă-glazură prezintă o importanta esenţială pentru produsele de faianţa. Deoarece
comportamentul faianţei cu cantitate mică de fază vitroasă este diferit de cel al glazurii, rezultă
dificultăţile mari în realizarea acordului masă-glazură.
4. Temperatura finală de ardere este inferioară aceleia a portelanurilor şi a gresiilor, nefiind
necesară vitrificarea deplină. Arderea în biscuit se realizează la 900-1200°C; temperatura de ardere a
produselor după glazurare este cel mult egală cu arderea biscuitului, funcţie de fuzibiltatea glazurii.
La biscuitare, produsele de faianţă prezintă o deformabilitate redusă, urmare a conţinutului mai
redus de fondanţi şi temperaturii de ardere mai scăzute. Arderea produselor de faianţă se poate
realiza şi într-o singură etapă, când au loc formarea produsului de faianţă, topirea şi fixarea glazurii.
5. Microstructura se caracterizează printr-un conţinut redus de fază vitroasă (<50%) şi, ca urmare,
printr-o porozitate mai mare, interconectată deschisă. Natura şi proporţia fazelor cristaline depind de
compoziţia oxidică a masei.
6. Culoarea masei de faianţa fină este albă, cu nuanţă gălbuie, agreabilă; în cazul faianţelor comune,
culoarea ciobului este roşiatică de nuanţe diferite, funcţie de conţinutul de Fe2O3.
17
7. Rezistenţa mecanică este cu atât mai redusă cu cât proporţia de faza vitroasa este mai mică.
Rezistenţa la compresiune a faianţelor calcaroase este de 45-70 MPa, iar a celor feldspatice de 80-
100 MPa. Sub aceste valori se plasează rezistenţa faianţelor şamot şi a celor comune.
8. Luciul şi duritatea glazurii conferă produselor rezistenţă la uzură şi aspect plăcut.
MASE ŞI PRODUSE DE GRESIE
În categoria produselor de gresie ceramică se pot considera produsele ceramice compacte, vitrificate
sau clincherizate, netranslucide sau translucide numai la margini, reprezentate mai ales prin:
cărămida clincher, plăcile de pardoseală, tuburile de canalizare şi produsele rezistente chimic
(deseori considerate ca făcând parte din ceramica vitrificata de construcţii), precum şi gresia fină de
menaj, respectiv gresia termorezistentă de menaj şi gresia artistică.
Cele mai reprezentative produse sunt:
► Plăcile de pardoseală sunt produsele de gresie cele mai cunoscute; ele se obţin din argile destul
de omogene, cu un interval larg de vitrificare.
► Gresia fină de menaj se obţine din argile vitrifiabile, cu interval larg de vitrificare (1160 -
1300°C), la care se adaugă caolin, nisip cuarţos, feldspat, şamot, deşeuri de gresie şi porţelan.
► Gresia artistică este de compoziţie asemănătoare gresiei fine de menaj.
MASE ŞI PRODUSE DE SEMIPORŢELAN
Semiporţelanul este un sortiment îmbunătăţit de faianţă fină feldspatică, cu rezistenţa mecanică
superioară acesteia, cu porozitate şi absorbţie a apei mai reduse. Iniţial a fost considerat o masă
feldspatică tare, în care s-a mărit proportia de fondanţi. În varianta sa modernă, semiporţelanul este
un material cu grad de vitrificare ridicat, cunoscut şi sub numele de vitrus.
Specificul fabricaţiei produselor de semiporţelan îl reprezintă tehnologia fasonării şi arderii.
Fasonarea se execută prin presare izostatică şi discuire la turaţii mici, în timp ce arderea se
realizează în doua etape: I: 1240 - 1300°C, II: 1160-1200°C, în atmosferă oxidantă. Produsele
pentru alimentaţie publică, cu pereţi groşi se realizează prin monoardere, după diagrame de ardere
rapide utilizate în tehnologia obiectelor sanitare.
Specificul fabricaţiei obiectelor sanitare îl reprezintă fasonarea prin turnare din barbotine şi
monoarderea(1140-1150°C).
MASE ŞI PRODUSE DIN PORŢELAN
18
Portelanurile sunt mase ceramice deplin vitrificate, constituite din una sau mai multe faze cristaline,
distribuite într-o matrice vitroasă. Proporţia de fază vitroasă în portelanuri variază în limite foarte
largi: de la mai puţin de 25% la peste 70%, compoziţia şi proporţia sa reprezentând importanţă
deosebită, atât pentru obţinerea portelanului, cât şi pentru funcţia lui de utilizare.
După numărul fazelor cristaline, există:
porţelanuri unare - în care numai o faza cristalină se găseşte distribuită în faza vitroasă;
porţelanuri binare (sau multinare) - în care două (sau mai multe) faze cristaline coexistă în
matricea vitroasă;
Porţelanurile unare sau multinare se pot clasifica, la rândul lor, după compoziţia fazelor cristaline,
primind denumirea acestora:
porţelanuri mulitice, spinelice, cordieritice, enstatitice etc.;
porţelanuri mulit-cristobalitice, mulit-corindonice, spinel-forsteritice etc.
După proprietăţile lor - determinate esenţial de compoziţia fazală, porţelanurile pot avea diferite
funcţii de utilizare. Din acest punct de vedere, o clasificare ar putea cuprinde:
► porţelanurile tehnice : utilizarea lor este asigurată de una dintre următoarele proprietăţi:
rezistenţa mecanică, rezistenţa termică, rezistenţa chimică, caracteristici electrice etc.
► porţelanul artistic : determinant este efectul artistic şi aspectul - dat esenţial de gradul de alb,
de proporţia de faza vitroasa care asigura transluciditate.
► porţelanul de menaj sau sanitar - de mare serie, pe lângă aspectul estetic şi proprietăţile
mecanice şi chimice, interesează disponibilitatea materiilor prime, precum şi costul produselor.
Un alt criteriu de grupare a porţelanurilor îl constituie sistemul de componenţi în care se plasează
compoziţia porţelanurilor. Astfel, se pot distinge, de exemplu: porţelanuri alcaline, porţelanuri
alcalino-pământoase etc. De asemenea, poate constitui criteriu de clasificare a porţelanurilor natura
componentului principal de vitrificare. Pe aceasta baza, porţelanurile tradiţionale - în care, de regula,
nu se includ porţelanurile tehnice - se pot clasifica în: porţelanuri feldspatice, fosfatice etc.
Principalele proprietăţi ale porţelanurilor, determinate esenţial de microstructura lor, sunt
următoarele :
1. Densitatea aparentă a porţelanului feldspatic uzual este, de regulă, cuprinsă între 2,3 şi 2,5
g/cm3: la un conţinut mai ridicat de alumină, densitatea aparentă poate depăşi 2,5 g/cm3.
19
2. Porozitatea totală a porţelanurilor este de 6-7%, ea fiind constituită practic din pori închişi,
proporţia porilor deschişi fiind practic neglijabilă. Ca urmare a structurii menţionate a porozităţii,
porţelanurile nu sunt permeabile la gaze şi lichide, ele având o absorbţie a apei de max. 0,5%.
3.Contracţia variază în funcţie de compoziţia masei - ca şi porozitatea maselor şi temperatura de
tratament termic.
4. Proporţia de fază lichidă are o influenţă prioritară şi asupra stabilităţii formei produsului în
timpul tratamentului termic.
Porţelanul este, în general, un produs fragil, caracterizat prin rapoarte ridicate între rezistenţă şi
densitate, între modulul de elasticitate şi densitate, comportament care le conferă un foarte mare
interes practic.
5.Limitele rezistenţei mecanice a porţelanurilor sunt foarte largi. Rezistenţa la compresiune
oscilează, în general, între 270-750 MPa, sau chiar mai mari; rezistenţele la încovoiere sunt cuprinse
între 22-90 MPa, iar cele de tracţiune între 25-50 MPa
6. Urmare a compoziţiei şi structurii lor, porţelanurile sunt materiale cu duritate mare, cu valoarea,
pe scara Mohs, între 6,5 şi 8.
7. Stabilitatea termică reprezintă capacitatea produselor de a rezista fără a se distruge, la variaţii
bruşte de temperatură. Comportarea produselor de porţelan din acest punct de vedere, depinde direct
de mărimea dilatării termice a componenţilor.
Dintre proprietăţile optice, pentru porţelanurile feldspatice uzuale (tradiţionale) cel mai mare
interes îl reprezintă gradul de alb şi transluciditatea.
8. Gradul de alb interesează sub aspectul estetic al produselor de menaj şi decorative. Culoarea
porţelanului depinde de calitatea materiilor prime, de natura şi proporţia impurităţilor pe care le
conţin. Gradul de alb ridicat presupune proporţii strict limitate de impurităţi ce conţin ioni cromofori
şi o ardere în atmosfera prescrisă. În mod obişnuit, gradul de alb al porţelanurilor variază între 65 şi
75%.
9. Transluciditatea reprezintă o proprietate deosebit de apreciată pentru produsele de menaj şi
decorative, conferindu-le valoare estetică. Ea creşte cu proporţia, calitatea şi puritatea fazei vitroase.
MATERIALE CERAMICE AVANSATE
Ceramici termorezistente
20
În categoria ceramicilor termorezistente vor fi considerate materialele refractare utilizate în
construcţia instalaţiilor termice din industria metalurgică, conductoare de maşini, materialelor de
construcţii, chimică etc.
Materialele refractare silicioase (cunoscute, mai ales, ca refractare silica) au un conţinut de peste
93% SiO2. Indiferent de forma de utilizare (în stare arsă sau nearsă) în timpul exploatării, la
temperatură ridicată, se creează condiţiile ca materialul silicios să se afle sub formă de cuarţ, tridimit
şi cristobalit (în diferite proporţii), alături de o cantitate variabilă de fază sticloasă. Primele trei faze
sunt formele crsitaline sub care se poate afla silicea într-un material înalt silicios. Aceste forme
(polimorfe) se deosebesc între ele, îndeosebi, prin densitatea şi structura lor reticulară specifice.
Materialele refractare silicoaluminoase, aceste materiale aparţin sistemului Al2O3-SiO2 de cea mai
mare importanţă pentru chimia refractarelor (dacă se ţine seama de proporţia produselor aferente
acestui sistem).
Materiale refractare bazice şi neutre. Cele mai importante din această categorie sunt materialele
refractare magnezitice, dolomitice (respectiv magnezio-dolomitice) şi cromo-magnezitice.
Diversitatea oxizilor, care pot intra în alcătuirea lor, determină un număr mare de tipuri de materiale
situate în sistemul polinar MgO-CaO-R2O3 (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3)-SiO2.
Materialele refractare magnezitice, dolomitice, magnezio-cromitice cunosc două aplicaţii majore: în
industria siderurgică-la căptuşirea cuptoarelor de elaborat oţel şi în industria cimentului- la
căptuşirea zonei de clincherizare a cuptoarelor rotative. De asemenea, ele intră în componenţa
zidăriei unor instalaţii termice anexe din aceste sectoare, cum şi a unor cuprtoare din metalurgia
neferoasă, a camerelor regeneratoare ale cuptoarelor de topit sticla, a unor cuptoare de ars produse
ceramice şi refractare etc.
Materiale refractare zirconice, carborundice şi electrotopite. Materiale refractare zirconice
obişnuite, în funcţie de natura materiei prime din care se obţin, sunt de două tipuri: pe bază de ZrO 2
(zirconie) şi pe bază de silicat de zirconiu, ZrO2*SiO2 (zircon). Materialele pe bază de silicat de
zirconiu au o stabilitate termică (la temperaturi de sub aproximativ 1700oC, la care are loc
descompunerea sa) mai bună decât a celor cu conţinut de ZrO2. Aceste materiale se folosesc la
căptuşirea cuptoarelor cu inducţie, a oalelor intermediare şi orificiilor de scurgere ale instalaţiilor de
turnare continuă a oţelului, au o rezistentă bună la atacul topiturilor borosilicatice, a sticlei opal şi
cu bariu, a sticlelor calco-sodice etc.
Materiale refractare carborundice sunt obţinute din granule de carbură de siliciu (SiC), legate
între ele prn diferite procedee. În atmosferă oxidantă, la aproximativ 800oC, suprafaţa granulelor de
21
carbură de siliciu cunoaşte un început de oxidare; ea este relativ lentă şi încetineşte la temperaturi
mai ridicate (peste 1100oC).
Ceramici cu proprietăţi termomecanice
Ceramica pentru motoare, turbine de gaze si rachete
Un interes deosebit pentru utilizarea componentelor ceramice în calitate de componente ale unor
motoare s-a constatat la începutul anilor '80, având în vedere unele proprietăţi deosebite ale acestora,
care pot contribui la îmbunătăţirea randamentelor termice şi mecanice ale motoarelor. Materialele
utilizate în prezent pentru obţinerea unor componente ale motoarelor sau turbinelor sunt: nitrura de
siliciu (Si3N4), carbura de siliciu (SiC), SiAION-ul, compozitele pe bază de dioxid de zirconiu,
titanatul de aluminiu (Al2O3*TiO2 numit şi tialit) etc.
Se constată că materialele ceramice au o densitate mult mai mică decât a oţelului şi unele dintre ele
foarte apropiată de a aluminiului, modul de elasticitate ridicat, duritate foarte mare, rezistenţa la
temperatură ridicată superioară celei a metalelor.
Unele dintre ele au şi proprietăţi specifice fapt pentru care se folosesc în anumite domenii de
preferinţă. De exemplu, nitrura şi carbura de siliciu au conductivitate termică ridicată şi coeficient
de dilatare termică redus ceea ce le face să fie foarte rezistente la şocuri termice. De asemenea, lipsa
fazei vitroase face ca aceste materiale să posede şi o bună rezistenţă la fluaj. Materialele ceramice pe
bază de Al2O3 şi nitrură de aluminiu (AlN) se caracterizează prin proprietăţi tribologice foarte bune
(coeficient de frecare redus) ceea ce face să fie utilizate acolo unde solicitările la uzură sunt mari.
În anul 1985 s-a descoperit aşa numitul fenomen de superelasticitate, care apare la materiale
ceramice la temperaturi ridicate şi sarcini reduse, cu relevarea unei viteze mici de deformare.
Aceasta favorizează comportarea la prelucrare, cu lărgirea metodelor de fasonare ale ceramicii din
această categorie, realizându-se ambutisarea lor, suduri metal-ceramică şi ceramică -ceramică.
Titanatul de aluminiu se remarcă în special prin coeficient de dilatare termică foarte redus, stând la
baza obţinerii unor materiale cu foarte bună stabilitate termică. în prezent se cercetează însă
posibilităţile creşterii rezistenţei mecanice ale acestui material.
În ceea ce priveşte materialele pentru rachete, acestea trebuie să se caracterizeze prin rezistenţe
mecanice bune la temperaturi de cca. 1000 - 2000°C şi să aibă densitate redusă. Din aceste motive se
folosesc în principal materiale compozite fibroase de tipul C-C, C-SiC şi SiC-SiC. Prima categorie
dintre acestea începe să se oxideze de la temperatura de 600°C şi trebuie să fie protejate cu un strat
ceramic superficial, în particular de SiC.
22
Ceramici extradure
Ceramici extradure având ca principală utilizare prelucrarea mecanică a metalelor şi a materialelor
ceramice, posedă un ansamblu de caracteristici specifice cum ar fi: duritate foarte ridicată, rezistenţă
mecanică mare, rezistenţă la şoc termic, capacitate aşchietoare şi o foarte bună rezistenţă la uzură.
Asemenea materiale sunt electrocorindonul, carbura de siliciu, carbura de bor, nitrura de bor,
diamantul sintetic, carburi, boruri şi nitruri ale metalelor tranziţionale.
Aceste materiale se folosesc sub formă de pulbere pentru prelucrarea suprafeţei metalelor dure şi a
materialelor ceramice. Pulberile se pot aplica pe un suport, caz în care se pot folosi la prelucrări
foarte fine ale suprafeţelor (în optică) sau se pot realiza piese sau instrumente pentru găurire,
aşchiere sau rulmenţi. Pentru acestea din urmă se foloseşte o tehnologie modernă de tipul cermet,
adică o îmbinare a proprietăţilor metalelor cu cele ale ceramicii.
CERAMICA DIN AL2O3
Ceramica din alumină-considerată în continuare, cu proprietăţi termomecanice-este bazată pe α-
Al2O3. α - Al2O3 are o structură romboedrică, cu ionii de oxigen situaţi într-o reţea hexagonală
densă, cu grupul spaţial D63a şi cu 2/3 din poziţiile octaedrice interstiţiale ocupate de Al3+.
Coordinarea Al3+ este egală cu şase, iar a anionului O2- cu patru.
CERAMICA DIN ZrO2
ZrO2 este privit ca o ceramică ionică fragilă. Raportul razelor elor doi ioni, de 0,57, sugerează
coordinarea cubică a opt oxigeni în jurul fiecărui ion de Zr4+ şi respectiv a patru ioni de Zr4+ dispuşi
tetraedric în jurul fiecărui ion O2-; în cazul unui raport ideal al razelor (0,72) acesta corespunde
structurii fluorinei (CaF2). Poliedrul de coordinare din structura zirconiei reale este deformat până la
aproximativ 2280-2350oC, peste această temperatură are loc aranjarea ideală 8:4, fără nici o
deformare.
CERAMICI PE BAZĂ DE AZOTURĂ DE SILICIU
Ceramica din azotură de siliciu face parte din categoria materialelor cu rezistenţă mecanică şi
temperatură de utilizare înalte, asupra căreia, în ultimii ani, s-au desfăşurat intense cercetări privind
sinteza, caracterizarea şi creşterea performanţei acesteia, cerute de o funcţionare mai eficientă a
turbinelor cu gaz, prin înlocuirea aliajelor metalice cu componente ceramice. Proprietăţile mecanice,
fizice şi chimice sunt dominate de natura covalentă a legăturilor atomice; în particular, mobilitatea
dislocaţiilor este foarte limitată, ceea ce conferă acestui material comportare fragilă. Acest caracter,
puternic covalent, este totuşi originea proprietăţilor remarcabile ale materialelor pe bază de Si3N4.
CERAMICA PE BAZĂ DE SIALON
23
În cazurile examinate anterior s-a constatat că folosirea adaosurilor de densificare a Si 3N4 produce,
pe lângă faza cristalină de Si3N4, faze suplimentare cristaline sau vitroase a căror compoziţie
depinde de natura adaosului, prezenţa impurităţilor etc. Aceste faze suplimentare slăbesc, în mod
inevitabil, rezistenţele mecanice sau chiar comportarea la oxidare, coroziune a materialului. Ca şi în
cazul celorlalte ceramici, rezistenţele mecanice care se obţin la temperatura ambiantă scad când
temperatura creşte, cu toate acestea ele rămân la valori destul de importante. Rezistenţa la oxidare a
sialonurilor este mai bună decât a azoturilor, ca urmare a formării unui strat de mulit la suprafaţă.
CERAMICI PE BAZĂ DE CARBURĂ DE SILICIU
Ca şi azoturile, carbura de siliciu prezintă numeroase avantaje nu numai prin comportarea sa foarte
refractară, ci şi prin proprietăţile mecanice interesante la temperaturi de peste 1000oC, rezistenţă
bună la coroziune şi abraziune, densitate mai mică (materiale mai uşoare) şi preţ mai scăzut decât al
unor superaliaje utilizate în construcţiile termomecanice. Structura cristalografică a carburii de
siliciu este destul de complexă. Carbura de siliciu poate exista sub 7 varietăţi alotropice: o formă
cubică β, două forme hexagonale (notate uneori αII şi αIII) şi patru forme romboedrice.
CERAMICI PE BAZĂ DE AZOTURĂ SAU CARBURĂ DE BOR
Aceste ceramici sunt cunoscute, în special, prin duritatea lor mare. De asemenea, ele prezintă şi alte
caracteristici specifice materialelor de înaltă refractaritate şi cu posibilităţi de utilizare în locul unor
piese metaloce puternic solicitate.
Azotura de bor se prezintă în două forme structurale: cubică compactă şi hexagonală stratificată.
Azotura de bor este izoelectronică cu carbonul, motiv pentru care structurile celor două forme sunt
analoage diamantului şi grafitului. Forma de diamant este mai puţin obişnuită, deoarece se obţine
numai la presiuni foarte înalte şi temperaturi ridicate. Ca material abraziv, această formă este
cunoscută sub denumirea de borazon (sau elbor). El are o duritate care după unii autori ar întrece pe
cea a diamantului. Prezintă avantajul că se oxidează doar la temperaturi de peste 2000oC, în timp ce
diamantul arde la 900-1000oC. Azotura de bor se descompune la aproximativ 3000 oC. Forma
hexagonală stratificată constă în atomi alternanţi de bor şi azot legaţi prin cele trei legături în planul
straturilor.
Carburile, azoturile, borurile şi siliciurile sunt caracterizate nu numai printr-o refractaritate mare, ci
şi prin duritate, conductivitate electrică, rezistenţă mecanică la temperatura ambiantă şi la cald mari,
tensiune de vapori scăzută la temperaturi ridicate, rezistenţă la şoc termic moderată, de regulă
superioară oxizilor refractari. Aceşti compuşi au rezistenţă bună la acizii neoxidanţi (chiar în stare
caldă a acestora), dar sunt atacaţi puternic de baze sau oxizi bazici topiţi. Stabilitatea termodinamică
a compuşilor cu elemente tranziţionale scade în ardinea: oxid-azotură-borură-carbură-siliciură.
24
Majoritatea carburilor, azoturilor, borurilor şi siliciurilor se oxidează în aer la temperatură ridicată,
unele dintre ele însă (CrB2, TiB2, MoSi2, CrSi2) au rezistenţă bună la oxidare datorită formării unui
strat impermeabil şi protector de oxid.
Carburile metalelor tranziţionale prezintă cele mai mari temperaturi de topire, o bună stabilitate,
duritate, conductivitate termică şi electrică. Aliajul care constă din 80% TaC0,93 + 20% HfC0,93 are
cel mai înalt puct de topire, 4050oC. În general, pentru orice sistem care conţine un metal punctul de
topire descreşte în ordinea MC>MN>MO (de exemplu, TiC-3150oC, TiN2950oC, TiO-1750oC), dar
această ordine se poate schimba atunci când stoichiometria nu este luată în considerare. Azoturile au
punctele de topire cele mai mari numai în atmosferă de azot, deoarece ele nu se evaporă congruent,
ci ca metal +N2, pierzând preferenţial azotul.
Compuşii borului au structuri mult mai numeroase decât compuşii carbonului sau azotului.
CERAMICI CU PROPRIETĂŢI ELECTRICE SI MAGNETICE
Izolatori electrici
Mulţi oxizi puri şi ceramici silicatice sunt foarte rezistente la trecerea electricităţii şi sunt astfel buni
izolatori. Rezistivitatea lor electrică înaltă, combinată cu proprietăţi ca inerţie chimică şi stabilitate
la temperatură bune, au condus la multe aplicaţii importante.
Izolatorii electrici pot fi fabricaţi din porţelan tradiţional, alcalinopământos, cu zirconiu, din
ceramică aluminoasă, steatitică, cordieritică etc.
Izolatorii pentru curent continuu sau pentru frecvenţă joasă trebuie să posede o rezistenţă electrică
ridicată, iar atunci când sunt utilizaţi în aplicaţii cu pierderi mari (de exemplu, pentru rezistoarele
cuptoarelor electrice) sunt necesare o bună rezistenţă termică şi un coeficient de dilatare scăzut.
Ceramici dielectrice
Au aplicaţii în stocarea şi transportul energiei, în electrotehnică şi electronică, în automatică şi
telecomunicaţii.
Aplicaţiile comerciale ale radiocomunicaţiilor: telefonul celular (400 MHz -1,8 GHz), televiziunea
(2-5 GHz), staţiile de radiotransmisie directă (11 -13GHz) şi în special comunicaţiile prin satelit
sunt acum exploatate la scară mondială. în context, a fost, este şi va fi stimulată creşterea industrială,
în particular a ceramicilor dielectrice speciale şi comercializarea lor într-un volum tot mai mare şi la
un preţ de cost tot mai scăzut. Ele funcţionează ca filtre de frecvenţă, condensatori, inductori,
elemente distributive de semnal.
După constanta dielectrică, materialele dielectrice se împart în două categorii:
► tip I — cu constantă dielectrică sub 200 (după alţi autori sub 500);
25
► tip II — cu constanta dielectrică peste 1000 (respectiv 500 la peste 10000).
Ceramici semiconductoare şi conductoare
Materialele semiconductoare ceramice (oxidice în particular) se caracterizează prin valori nu prea
mari ale rezistivităţii electrice, dar care, în schimb, prezintă o dependenţă puternică de temperatură
sau de câmp electric.
Deşi mai puţin reprezentată în categoria globală a materialelor semiconductoare, ceramica
semiconductoare oxidică şi neoxidică a câştigat în interes.
Ţinând seama de natura legăturii interatomice, multe materiale semiconductoare sunt caracterizate
de prezenţa legăturilor hibride covalent-ionice.
Ceramica semiconductoare din oxizi ai metalelor tranziţionale prezintă o rezistivitate care variază,
în general, exponenţial cu temperatura:
ρ = ρ0 * e-B/T,
unde B = E/2k este o constantă de material, care conţine energia de activare E a purtătorilor de
sarcină.
Ceramici supraconductoare
Descoperirea supraconductibilităţii la temperatură ridicată în 1986 a fost considerată un eveniment
senzaţional ce a determinat un adevărat torent în activitatea de cercetare. De altfel, nu mai târziu de
finele anului 1987, premiul Nobel pentru fizică a încununat eforturile lui K.A. Muller şi J.G.
Bednorz pentru "progrese în cercetarea supraconductibilităţii în materiale ceramice".
Până în prezent competiţia materialelor ceramice supraconductoare, este dominată de masele
ceramice obţinute în sistemele oxidice al căror numitor comun este prezenţa CuO în sistemul oxidic
care conţine Ti-Ca-Ba-Cu-O.
Numărul sistemelor oxidice care permit obţinerea de mase ceramice cu proprietăţi supraconductoare
este destul de mare. 0 clasificare a acestora poate fi făcută având la bază diverse criterii (compoziţia
chimică, structura, tipul purtătorilor de sarcină, temperatura de tranziţie, etc.).
Din punct de vedere al aplicaţiilor, programele de cercetare sunt îndreptate în două direcţii:
perfecţionarea tehnologiilor în obţinerea de corpuri, fibre, filme supraconductoare şi punerea
acestora în practică. Pornind de la acceleratoare, generatoare, transport şi înmagazinare de energie şi
terminând cu dispozitive microelectronice, computere şi aplicaţii medicale vor fi sau sunt puternic
afectate de apariţia acestor materiale.
26
Ceramici magnetice
Se pot enumera ca domenii principale de aplicare a acestora: înregistrările magnetice, dispozitivele
electronice şi transformatoare, dispozitive pentru microunde sau tehnică de calcul. între materialele
magnetice un loc important îl ocupă ceramicile magnetice cunoscute şi sub denumirea de ferite.
Principalii componenţi ai acestor materiale sunt caracterizaţi de formula generala: MeO*Fe2O3 (unde
Me reprezintă un ion metalic de obicei tranziţional, de exemplu Mn, Zn, Ni sau combinaţii ale
acestora). Cele mai utilizate sunt feritele de Mn-Zn şi Ni-Zn.
MATERIALE BIOCERAMICE
În ultimii 50 ani s-a produs o noua revoluţie prin utilizarea ceramicii în vederea îmbunătăţirii
calităţii vieţii. Biomaterialele în general, deci şi materialele bioceramice, sunt destinate implantării
într-un organism viu pentru a reda forma şi funcţiile unei părţi dintr-un ţesut distrus de o boală sau
de un traumatism. Caracteristicile lor principale, se grupează în dependenţă de particularităţile
acestei funcţiuni.
Biocompatibilitatea este principala caracteristică a biomaterialelor, obligatorie indiferent de
funcţia particulară de utilizare.
În funcţie de comportarea faţă de ţesutul viu, materialele bioceramice se grupează în: bioactive,
biotolerante şi bioinerte. Biomaterialele trebuie să fie totodată netoxice, nealergice, necancerigene şi
cu capacitate uşoară de sterilizare, acceptate de sistemul imunologic al organismului. În cazul
materialelor bioactive, acestea participă la formarea legăturilor cu ţesuturile vii.
Ceramicile bioactive prezintă interacţiuni chimice cu osul viu şi stimulează formarea lui în zona de
contact. Ele cuprind fosfaţi de calciu şi derivaţii lor, biosticle, biovitroceramici şi biocompozite.
Implantul ceramic se poate obţine fie compact, fie poros, cu forma definitivă sau nu. Dimensiunile
porilor din material trebuie să depăşească 100 μm pentru a permite o bună dezvoltare a osului.
Din punct de vedere chimic fosfaţii de calciu se apropie cel mai mult de partea minerală a ţesutului
calcifiat (oase, dinţi). Conţinând numai elementele esenţiale cerute de metabolismul normal (Ca, P)
în stare poroasă permit fenomenul de fagocitoză. Astfel, odată cu resorbţia implantului ceramic are
loc fenomenul de osteogeneză (implantul ceramic stimulează refacerea părtii degradate a ţesutului
osos).
Biomaterialul resorbabil poate constitui fie suport pentru refacerea ţesuturilor, fie material pentru
umplerea zonelor cavitare (alveole dentare, spaţii intervertebrale). Sunt recomandaţi următorii
fosfaţi de calciu: hidroxiapatita HAP, fluorapatita FAP, fosfatul tricalcic TCP, fosfatul de aluminiu.
27
HAP reprezintă 60 -70 % din os şi 98 % în smalţul dentar (alături de FAP). Ea se regăseşte şi după 3
- 4 ani de la implantare şi de aceea se foloseşte în procedee clinice de restaurare şi conservare de
lungă durată. în schimb, fosfatul tricalcic se resoarbe partial în 6 - 15 săptămâni.
Alte aplicaţii ale materialelor ceramice avansate
Ceramici pentru industriile chimice şi cu utilizări ecologice: filtre (sau membrane) ceramice,
obţinute în general din oxizi refractari (SiO2, Al2O3, TiO2, ZrO2). Aplicaţiile acestor filtre sunt: în
procese chimice şi alimentare, desalinizarea apei, recuperarea gazelor reziduale din industria
minieră, metalurgica, a hârtiei, extracţia de hidrocarburi, procese biomedicale, separare de gaze.
Suporţi şi catalizatori ceramici folosiţi pentru realizarea conversiilor tehnologice sau pentru
prevenirea poluării.
Acoperiri ceramice, care pot fi utilizate la realizarea de sisteme rezistente la uzură, coroziune sau
oxidare, la obţinerea de bariere pentru protecţii termice, la producerea de suprafeţe catalitice, la
îmbunătăţirea aspectului estetic al produselor.
28
Cap. VI MATERIALE BIOCERAMICE
BIOCERAMICI INERTE
Ceramicile inerte (sau aproape inerte) sunt în mod esenţial stabile (inerte) în organismul viu, sunt
acceptate de corp şi nu par să determine o reacţie inversă a ţesutului, neprovocând nici o interacţiune
cu mediul fiziologic.
În această categorie se includ materiale din alumină şi carbon de diferite forme şi, într-o proporţie
mai redusă, unele materiale de uz electronic, astfel ca siliciul şi oxidul de tantal.
Alumina mono- şi policristalină, de înaltă densitate şi puritate (99,9% Al2O3), ca implant chirurgical
are rezistenţa la coroziune, uzură şi compresiune foarte mari, inerţie chimică mare şi coeficient de
frecare scăzut (în urma finisării prin şlefuire a suprafeţelor sale). Viteza sa de uzură în cazul
protezelor pentru şolduri este de 10 ori mai scăzută decât a celei din polietilenă cu metal.
Din cauza fragilităţii sale (caracteristică specifică materialelor ceramice), în protezele de articulaţii,
alumina se foloseşte fie sub forma unui strat aplicat pe piesele metalice cu ajutorul arzătorului cu
plasmă, fie ca piese complete numai pentru o anumită porţiune a implantului, asigurându-se astfel
biocompatibilitatea cu ţesutul (de exemplu, capătul şi cavitatea articulară a femurului se realizează
din alumină, care se montează pe o tijă de titan).
Piesele din alumină poroasă au fost folosite ca înlocuitori ai platoului tibial, implante de dinţi sau
fundaţii ale protezelor dentare fixe. Pentru dimensiuni ale porilor aluminei de la 10 la 44 μm, nu a
existat decât o mică creştere a ţesutului conjunctiv şi nici o creştere osoasă detectabilă, în timp ce la
dimensiuni ale porilor de 75—100 μm a avut loc infiltrarea completă a ţesutului conjunctiv cu
iniţierea creşterii osoase în ceramică până la o adâncime de 100 μm.
În cadrul sistemelor multicanal, care necesită receptori implantaţi sau stimulatoare electronice ale
unor porţiuni ale corpului uman protecţia acestora este obţinută printr-un înveliş închis realizat, de
asemenea, din alumină.
Formele sub care carbonul poate fi folosit ca material bioceramic inert sunt: carbon pirolitic, vitros
sau carbon obţinut prin depunere în fază de vapori. Ca implante de ţesut, aceste forme sunt stabile şi
nereactive, putând produce numai, în cazuri rare, complicaţii minore de tromboză cu foarte slabe
hemolize. Valve de inimi artificiale, cum şi implante făcute la nivelul pielei sau cele dentare
reprezintă aplicaţii biomedicale ale acestui material.
29
Pentaoxidul de tantal a fost folosit ca anod la construcţia electrozilor pentru aplicaţii intracorticale
cronice şi stimularea selectivă în adâncime a nervilor periferici.
BIOCERAMICI SUPERFICIAL ACTIVE
Ceramicile superficial active posedă reactivitate chimică cu mediul fiziologic. Atunci când are
loc vindecarea locului unei răni se dezvoltă, de asemenea, simultan o legătură chimică între ţesut şi
suprafaţa implantului. Hench şi Wi1son au arătat că ceramicile superficial active includ: hidroxil-
apatita densă, sticle, vitroceramici şi compozite superficial active.
Hidroxil-apatita, de compoziţie chimică Ca10(PO4)6(OH)2, joacă un rol important în chimia
ţesuturilor tari. Alţi autori clasează acest material în categoria ceramicilor resorbabile,
biodegradabile. Acest hidrofosfat se bucură de o considerabilă atenţie clinică pentru implante
ortopedice şi dentare. Jarcho et al au arătat că hidroxil apatita densă este compatibilă cu osul şi nu
arată nici o biodegradare (eventual o biodegradare nesemnificativă) după 6 luni de la perioada
implantării. După Dennison, intre os şi ceramică se dezvoltă o legâtură chimică aşa de puternică
încât implantul nu poate fi îndepărtat fără ruperea osului înconjurător. Hidroxil-apatita pare să
permită o creştere foarte rapidă a osului în interiorul micro-sau macroporilor săi. De asemenea,
hidroxil-apatita este posibil să se folosească ca material de umplutură în defectele maxilofaciale şi
mandibulare, chisturi şi fisuri şi în osteotomii.
Sticla superficial activă sau biosticla cea mai cunoscută este o compoziţie care face parte din
sistemul Na2O-CaO-CaF2-P2O5-SiO2, cu conţinut constant de 6% P2O5 (% masă). Deoarece biosticla
este un material de rezistenţă mecanică relativ slabă, folosirea sa a fost limitată la acele aplicaţii în
care rezistenţa este un factor de mai mică importanţă, aşa cum este cazul refacerii crestei alveolare.
Dacă rezistenţa mecanică este importantă, atunci biosticla poate fi folosită ca o acoperire pe oţel
inoxidabil, tantal, ceramici de densitate mare etc. Oţelul inoxidabil acoperit cu biosticlă reprezintă
un compozit bun pentru implantele dentare. După Hench, datorită naturii legăturii care se stabileşte
între os şi biosticlă, protezele de şold au o durată de viaţă mai mare (peste 20 ani) decât a
cimenturilor de fixare convenţionale (polimetil metacrilat).
Vitroceramica superficial activă este o bioceramică cu rezistenţa mecanică considerabil mai mare
decât a sticlei corespunzătoare. Folosită ca acoperire pe metal în dispozitivul capătului femural, a
dovedit o foarte bună fixare prin modul de creştere a ţesutului, astfel încât rezistenţa legăturii
interfaciale este mai mare decât acea a osului. Folosirea vitroceramicii pentru refacerea bărbiei
30
pacienţilor a dat rezultate mai bune decât cele obţinute în mod obişnuit cu oscioare alogene
convenţionale.
Tot în categoria bioceramicilor superficial-active se situeazâ compozitul pe bază de cristale de mică
şi cristale de apatită într-o matrice sticloasă, capabil să producă un material uşor de croit (de
prelucrat) de către chirurg, la temperatura camerei, folosind scule de tăiere standard. Prezenţa
apatitei asigură bioactivitatea necesară creşterii ţesutului.
BIOCERAMICI RESORBABILE
Importanţa bioceramicilor resorbabile constâ în natura tranzitorie a pro-prietăţilor lor. Constituenţii
din care aceste materiale sunt formate trebuie să fie, în cele mai multe cazuri, uşor de prelucrat, pe
cale metabolică normală. Astfel de bioceramici servesc ca un eşafodaj temporar sau material de
umplutură până când, în mod treptat, are loc dezvoltarea ţesutului conjunctiv care îl va înlocui.
Fenomeul de regenerare a ţesutului se bazează pe tendinţa de dizolvare (de „digestie") a sistemului
bioceramic (fenomen cunoscut şi sub denumirea de fagocitoză) şi pe capacitatea ţesutului de a-l
înlocui concomitent. Deoarece ceramica se dizolvă, ea devine mai mult sau mai puţin poroasă,
permiţând creşterea nestingherită a ţesutului, menţinând integritatea mecanică şi concentraţia
minimă a tensiunilor. Se pare chiar că implantul este un stimulator al creşterii părţii ţesutului care
anterior a suferit degradarea.
Materialele resorbabile au cea mai mare reactivitate în raport cu mediul fiziologic în care ele sunt
introduse.
În aplicaţiile cu astfel de materiale sunt utile atât bioceramici cu degradare rapidă cât şi lentă.
Materialele cu degradare rapidă sunt adesea necesare când ţesutul trebuie să fie înlocuit, ca în
defectele peridontale şi spaţiile deschise din os datorită procedurilor chirurgicale. Ceramicile cu
degradare lentă sunt importante atunci când ţesutul trebuie să crească, astfel ca umplerea spaţiilor
deschise dintre vertebre şi a spaţiilor rămase prin lipsa dinţilor sau deasupra crestelor alveolare.
Cele mai cunoscute bioceramici resorbabile sunt: sulfatul de calciu, fosfatul trisodic, săruri de fosfat
de calciu (în care raportul Ca/P variază de la 1:1 la 3: 1), unele compozite de natură organică (acid
polilactic/carbon ) etc.
BIBLIOGRAFIE:
31