Ceramika techniczna - wyzwanie dla konstruktora

Sprawdzając pojęcie „ceramika” w encyklopedii można dowiedzieć się, że słowo to pochodzi z języka greckiego i jest pojęciem zbiorczym, oznaczającym wyroby z wypalanej gliny, takie jak terakota, kamionka, fajans, gres, porcelana, a także cegła. Przykładem największych artystycznych osiągnięć w ceramice są wazy greckie z okresu silnego rozkwitu, a także porcelana chińska i europejska.

Wysokowydajna ceramika techniczna mająca różnorodne zastosowania w przemyśle z tą definicją ma już niewiele wspólnego. Jest ona niezwykle czystym materiałem, otrzymywanym z naturalnych surowców za pomocą skomplikowanych procesów chemicznych. Wiele rodzajów zaawansowanej ceramiki technicznej zaskakuje ponadprzeciętnymi właściwościami, które są trudne do pogodzenia
z klasycznym obrazem ceramiki.

Rys 1. Wirnik pompy

Wśród wszystkich tlenków, węglików i azotków, tlenek glinu zajmuje tu szczególne miejsce. Tlenek glinu jest ceramiką najbardziej rozpowszechnioną, o nieporównywalnych zasobach tego surowca. Boksyt aluminium jest jednym z najbardziej rozpowszechnionych składników w skorupie ziemskiej, jego zawartość w niej wynosi ok. 8%! Dlatego w przypadku tego typu ceramiki nie trzeba liczyć się z niedoborem zasobów naturalnych, jakkolwiek pozyskiwanie z surowego materiału czystych proszków tlenku glinu jest procesem energochłonnym i wymagającym dużych nakładów inwestycyjnych.

Rys 2. Generator ozonu do przemysłu półprzewodników

Właściwości materiału

Najważniejsze właściwości zaawansowanej ceramiki technicznej to:

odporność na tarcie
nadzwyczajna twardość ( 9 Mohs )
niska gęstość
bardzo dobra odporność na korozję względem kwasów i zasad
wysoka odporność na temperaturę do 1950 °C

Te niezwykle atrakcyjne właściwości ceramiki technicznej równoważone są jej wysoką ceną. Dlatego ceramikę techniczną należy stosować wszędzie tam, gdzie koszt inwestycji kompensowany jest poprzez korzyści płynące z jej zastosowania. Czasami może być niezbędna adaptacja całej konstrukcji pod ceramikę, co może stanowić dodatkowe wyzwanie dla projektanta. Dla samych producentów ceramiki technicznej urządzenia produkcyjne są niezwykle kapitałochłonne, dodatkowo opracowywanie i rozwój zaawansowanych materiałów ceramicznych wymaga dużych nakładów inwestycyjnych. Niezbędne w produkcji procesy spiekania ceramiki w temperaturze około 1800 °C są również niezwykle wymagające i energochłonne. Z kolei nadzwyczajna twardość i odporność na ścieranie ceramiki sprawia, że jej obróbka wykańczająca po spiekaniu jest czasochłonna i wymaga dużego wysiłku oraz doświadczenia.

Rys 3. Obudowa kamery w dronach

Wyższa cena ceramiki technicznej jest uzasadniona wtedy, gdy środowisko pracy danego elementu konstrukcyjnego wymaga jednocześnie co najmniej dwóch szczególnych właściwości od zastosowanego materiału. Na przykład, w ceramicznych łożyskach ślizgowych wymagane są dobre właściwości ślizgowe oraz odporność na korozję przy jednoczesnym braku smarowania. Ewentualnie konieczna może być jeszcze izolacja elektryczna, bądź produkt nie może mieć kontaktu z metalami zawierającymi nikiel. W takich sytuacjach tańsze materiały osiągają granice swoich możliwości. Najbardziej efektywne wykorzystanie elementów konstrukcyjnych z ceramiki technicznej umożliwiają zastosowania o skrajnie złożonych wymaganiach.

Konstrukcja

Ze względu na wyjątkowe właściwości ceramiki technicznej, konstrukcja elementów z tego materiału różni się od konstrukcji tożsamych części wykonanych z innych materiałów. Tak jak konstrukcja mostu drewnianego różni się od konstrukcji mostu z betonu lub ze stali. W projektach technicznych mostów uwzględnia się właściwości tworzyw i dostępność materiałów, czego efektem są ich różne kształty.

Producenci ceramiki technicznej współdziałają przy projektowaniu nowych elementów konstrukcyjnych dostosowanych do indywidualnych potrzeb klientów. Dlatego technolodzy i inżynierowie do spraw aplikacji w przemyśle ceramicznym muszą często intensywnie współpracować z odbiorcami aby spełnić ich wymagania w stosunku do danego elementu konstrukcyjnego. W celu skutecznego zaprojektowania nowej części konstrukcyjnej należy z jednej strony szukać precyzyjnego dopasowania wymaganej funkcji z odpowiednimi właściwościami materiału, a z drugiej z technicznymi aspektami produkcji danego elementu. Dobór odpowiedniej metody produkcji ma często decydujące znaczenie i wywiera znaczący wpływ na ostateczny projekt części ceramicznej. Jeżeli w konstrukcji uwzględni się właściwości materiału oraz specyfikę dostępnych metod produkcji, można wykorzystać mocne strony ceramiki przy akceptowalnych kosztach.

Rys 4. Kołki pozycjonujące do procesów zgrzewania w przemyśle samochodowym

Przykłady zastosowań ceramiki technicznej

Pierścień ślizgowy

Dzisiaj już w uszczelnieniach mechanicznych wałów standardowych jednostek stosuje się pierścienie ceramiczne. Uszczelnienia mechaniczne z pierścieniami ceramicznymi stosowane są np. w wale wirnika pompy spustowej pralki, w wałach mieszadeł i pomp w przemyśle chemicznym oraz w pompach wody zasilającej w elektrowniach.

Obrotowy pierścień węglowy jest dociskany do pierścienia ceramicznego przez siłę sprężyny. Zachodzące na siebie powierzchnie uszczelniające ślizgają się po sobie. Uszczelnienie powinno być smarowane (tłoczonym) produktem, przez co występuje niewielka, uwarunkowana pracą systemu kroplowa nieszczelność. Do tego przypadku zastosowania stosuje się węglik krzemu ze względu na wyraźnie wyższą przewodność cieplną od innych materiałów ceramicznych.

Puszka uszczelniająca

Sprzęgło magnetyczne w pompie wirowej umożliwia znacznie bardziej skomplikowane, ale w dużej mierze bezobsługowe i dokładne uszczelnienie wału. Moment obrotowy przenoszony jest przez magnesy, oddzielone od siebie ceramiczną puszką uszczelniającą wykonaną z tlenku cyrkonu. Wewnętrzny korpus pompy jest hermetycznie zamknięty.

Wielkość wymaganych magnesów określana jest głównie przez szczelinę pomiędzy magnesem połączonym z wałem napędowym a magnesem osadzonym na wirniku pompy. Dzięki zmodyfikowanym metodom produkcji udało się na tyle zredukować grubość ścianek ceramicznych puszek uszczelniających, że mogą być one stosowane ze standardowymi magnesami. Dlatego puszki ceramiczne mogą być zamiennikiem puszek z wszystkich innych materiałów bez konieczności zmiany konstrukcji co pozwala również na zaoszczędzenie przestrzeni magazynowej.

Rys 5. Puszka uszczelniająca do pomp odśrodkowych ze sprzęgłem magnetycznym

Dysze

Skrajne natężenia przepływu i nagłe rozprężenia na wylocie dyszy wymagają od zastosowanego materiału największej odporności na ścieranie. Dysze ceramiczne stosowane są z powodzeniem w przemyśle, w niezliczonej ilości zastosowań. Różne formy zastosowania ceramicznych dysz w wielu kształtach można znaleźć w procesach dyspergowania. Pompy wysokociśnieniowe tłoczą ciecze z udziałami fazy stałej pod wysokim ciśnieniem (do 1500 barów) przez dysze ceramiczne o średnicy otworu około 0,2 mm. Powstające w ten sposób twarde strumienie, znane są z procesów cięcia strumieniem wody. Większą ilość dysz rozmieszcza się w taki sposób, że strumienie spotykają się w jednym punkcie, przez co zawarte w cieczy cząsteczki są bardzo dokładnie rozdrabniane. Daleko posunięta odporność na zużycie ceramiki technicznej umożliwia długotrwałe przeprowadzanie procesów na takim samym poziomie bez pogorszenia jakości. Ponieważ średnica dysz praktycznie się nie zmienia, spadek ciśnienia może być utrzymywany na stałym poziomie. Metodę tę stosuje się w wytwarzaniu farb i folii, a także w farmacji i biochemii.

Rys 6. Dysza klejowa w przemyśle papierniczym

Jednostki tłok / cylinder

Bardzo precyzyjnie spasowane tłoki z cylindrami transportują, tłoczą i dozują artykuły żywnościowe, środki czystości, perfumy i lekarstwa. Ceramiczne jednostki tłok / cylinder wytwarza się w różnych kształtach i rozmiarach. Tłoki pasowane są w cylindrach, również ceramicznych, praktycznie bez luzu. Tak więc wszystkie części mające kontakt z produktem są wykonane z ceramiki technicznej przez co zanieczyszczenie, ścieranie i zużycie jest praktycznie wykluczone. Ze względu na wysoką odporność termiczną i korozyjną ceramiki możliwa jest jej sterylizacja parą wodną ze środkami czyszczącymi bez uprzedniego demontażu.

Rys 7. Jednostki dozujące tłok z cylindrem do technologii medycznej

Wymienione wyżej zastosowania to tylko kilka z licznych przykładów zakończonych powodzeniem, specjalnie opracowanych rozwiązań problemów technicznych.

Dla użytkownika decyzja o rozwiązaniu konkretnego problemu poprzez zastosowanie ceramicznych elementów konstrukcyjnych w wielu przypadkach nie jest łatwa. Istniejąca konstrukcja musi być ponownie rozpatrzona i najczęściej zmodyfikowana. Zazwyczaj nieuniknione są próby na partii prototypowej bez względu na wszelkie poprzedzające analizy. Dodatkowo z wymagającym dużych nakładów procesem produkcji ceramiki wiążą się stosunkowo długie terminy dostaw.

Kiedy jednak dany problem zostanie rozwiązany i powstanie w pełni funkcjonalny produkt ceramiczny, przeważają korzyści tego materiału, takie jak długa żywotność, stała jakość, lepsze możliwości sterylizacji, niskie tarcie itp., tak że nawet przy stosunkowo większych kosztach jednostkowych dzięki ceramice technicznej będzie można znaleźć uzasadnione ekonomicznie rozwiązania.