Sadržaj SAŽETAK............................................................................................................1.

1. Uvod – keramika ...................................................................................2.2. Primjena keramike...............................................................................4.

2.1.Proizvodi keramički za električnu industriju.................................4. 3. Glinica..................................................................................................6. 4.Karakteristike keramike........................................................................7. 4.1.Osobine električne izolacije...........................................................7. 4.2.Hemijske osobine..........................................................................7. 4.3.Mehaničke osobine........................................................................7. 4.4.Termičke osobine...........................................................................8. 4.4.1.Spajanje keramike..............................................................................9. 4.4.2.Keramički materijali i njihove osobine u ovisnosti o temperaturi..10. 5.Tehnička keramika................................................................................14. 5.1.Poluvodiči.....................................................................................14. 5.2.Supravodiči..................................................................................14. 6.Zaključak..............................................................................................15. Izvori....................................................................................................16.

SAŽETAK:Ovaj rad ima za cilj upoznavanje sa pojmom keramika i njihove primjenu računarstvu. Upoznavanje s njihovim osobinama,mehaničkim, hemijskim a narocito termalnim svojstvima.Keramike se široko koriste u tehnici, na primjer, za izradu građevinarskih opeka, crjepova i betonskih blokova, sanitarne opreme kućanstava, alata za rezanje metala, vatrostalnih obloga ložišta, vjetrobrana i stakala vozila, svjećica motora SUI, dielektrika kondenzatora, senzora, magnetnih memorija.

1. Uvod – keramika

Keramika dolazi od riječi keramikos (grčki: κεραμικός ) koja je označavala glinu za lončarske predmete. Keramički materijali su složeni hemijski spojevi, koji sadrže kovine i anorganske elemente. Keramički materijali imaju mehanička i fizikalnih svojstava koja pokrivaju široko područje. Granica između kovine i keramike se najlakše definira pomoću temperaturnog koeficijenta električne otpornosti. Kod keramičkih materijala ovaj koeficijent ima negativan predznak dok za kovine ima pozitivan predznak. Primjena keramike varira od keramičkih pločica, lončarske robe, cigle, odvodnih cijevi, posuđa, vatrostalnih materijala, magneta, električnih uređaja, vlakana do abrazivnih materijala. Keramički materijali nastaju pod uticajem visoke topline (pečenjem, taljenjem).

Slika 1. Keramički lonac

Keramika, pored stakla, je jedan od najstarijih sintetičkih materijala. Proizvodi od keramike se dobiju pečenjem, nakon prethodnog oblikovanja osnovne mase. Pečenjem osnovne mase ona gubi sva plastična svojstva. Za neke namjene se površine keramičkih materijala presvlače slojem glazure koja, između ostalog, povećava površinsku električnu otpornost i štiti keramički proizvod od nagomilavanja prljavštine i vlage. Pored glaziranja, površine keramičkih proizvoda mogu se metalizirati i polirati.

Postoje mnoge vrste keramika u zavisnosti od sastava osnovne mase. Bitne vrste keramika za primjenu u elektrotehnici dijele se, po standardu, na sedam grupa. To su:

grupa 100 - dominantan sadržaj aluminijskih silikata, grupa 200 - dominantan sadržaj magnezijskih silikata, grupa 300 - dominantan sadržaj titanijum oksida, grupa 400 - dominantan sadržaj magnezij-aluminijskih silikata, grupa 500 - porozne keramike, grupa 600 - dominantan sadržaj aluminij dioksida i

grupa 700 - čisti metalni oksidi.

Keramike su nepropusne za vodu. Otporne su na visoku temperaturu, djelovanje sunčevog zračenja i djelovanje električnog luka. Keramički materijali manje su podložni procesu starenja i zamora. Hemijski su stabilni.

Nedostaci keramičkih materijala su visoka cijena i osjetljivost na mehaničke prenapone i udare. Primjena keramičkih materijala u elektrotehnici zavisi o namjeni i raznovrsna je.

Keramički materijali se koriste za izradu visokonaponskih i niskonaponskih izolatora vanjske i unutrašnje namjene, kao i uvodnika napona. U visokofrekvencijskoj tehnici se keramički materijali primjenjuju pri izradi antenskih postolja, uvodnika, držača elektroda i kao dielektrik za izradu kondenzatora. U području elektrotermije od njih se izrađuju izolacijske cijevi. Pored toga, od keramike se proizvode automobilske svjećice, niskonaponski prekidači, razna kućišta i neki konstrukcijski elementi.

Slika 2. Niskonaponski izolatori

Na osnovu sastava, keramika se dijeli na: Oksidnu – tipični predstavnici su: Al2O3, ZrO2, Al2TiO5

Neoksidnu – tipični predstavnici su: SiC, Si3N4, B4C, BN, TiN, TiC, AlN, umjetni dijamanti.

2. Primjena keramike

Keramike se široko koriste u tehnici, na primjer, za izradu građevinarskih opeka, crjepova i betonskih blokova, sanitarne opreme kućanstava, alata za rezanje metala, vatrostalnih obloga ložišta, vjetrobrana i stakala vozila, svjećica motora SUI, dielektrika kondenzatora, senzora, magnetnih memorija. Na jednoj svemirskoj letjelici (Space Shuttle) ugrađeno je oko 25000 lakih poroznih keramičkih pločica koje štite aluminijsku oplatu od prekomjernog grijanja pri prolazu letjelice velikom brzinom kroz Zemljinu atmosferu.

2.1. Proizvodi keramički za električnu industriju Diskovi, izolacijski, keramički, za električnu industriju

Brtvila, izolacijska, keramička, za električnu industriju Cijevi i šipke, izolacijske, keramičke, za električnu industriju Kalemi, navici, vretena, izolacijski, keramički, za električnu

industriju Stošci, stožeri i stupići, izolacijski, keramički, za električnu industriju Međuprostori, izolacijski, keramički, za električnu industriju Komponente konektora, keramičke, električne Ležajevi za potpore, keramički, izolacijski Kutije, ulazne za vodove, keramičke Tijela keramičkih osigurača Komponente, dielektričke, keramičke Keramika, radio frekventna, keramika sa niskim električnim gubicima Potpore za grijaće elemente, keramičke Proizvodi od keramike, izolacijski, za električne vodove Kondenzatori, keramički Komponente kondenzatora, keramičke Rezonatori, keramički Komponente otpornika, keramičke Blokovi za ublažavanje, keramički, za releje Komponente za elektronske cijevi, keramičke Keramika, metalizirana, električna Keramika koja provodi električnu energiju Keramika, piezoelektrična Keramika, semielektrična Keramika, transparentna, od aluminij-oksida, za rasvjetu Keramika za svijećice Komponente, keramičke, vruće prešane, za električne aplikacije Izolatori i izolacijske komponente za električnu industriju, keramički,

prema specifikaciji kupca Izolatori, električni, keramički i porculanski, niskonaponski Izolatori, električni, keramički i porculanski, visokonaponski Izolatori, električni, keramički i porculanski, tipa klin Izolatori, električni, keramički i porculanski, tipa karike Izolatori, električni, keramički i porculanski, visećeg tipa Izolatori, električni, keramički i porculanski, tipa za maglu Držači za svjetiljke i električni dijelovi svjetiljaka, keramički Dijafragme, elektrolitičke, keramičke Cijevi, zaštitne, od glazirane vatrostalne gline, za električnu industriju Komponente, keramičke, s kontoliranim širenjem pod utjecajem

topline, za električnu industriju Supstrati od aluminij-oksida, za mikroelektroniku Brtvila, keramika na metal, za elektronske cijevi i opremu Komponente modela, višeslojne, keramičke, za električnu industriju Izolatori, berilij-oksid, keramički, za električnu industriju Modeli, keramički, za električnu industriju Komponente termostata, keramičke

Sl.3. Keramički zupčanici

Slika 4. Komponente od keramike

3. Glinica

Ovo je keramika proizvedena od alumina-oksida koja u sebi ima čak 99,99% Al2O3. Postoje razne tehnologije za proizvodnju keramičkih dijelova ali najčešći je dvostrano izostatsko presovanje, zatim ekstrudiranje i odljevanje. Način proizvodnje zavisi od željenog oblika i same kvalitete proizvoda. Sirovi presovani dijelovi su dovoljno jaki da mogu podnijeti mašinsku obradu da bi se postiglo sto bolje dimenzioniranje.

Najvažnija operacija u proizvodnji keramičkih dijelova je visoko-temperaturno sinterovanje. Keramika se sinteruje pri temperaturi od 1873-1973ºC čime se postiže polikristalna stuktura. Zahvaljujući svojoj čistoći i proizvodnoj tehnologiji, keramika ima odlične mehaničke, električne, termičke i hemijske karakteristike. Ovako proizvedeni keramički dijelovi imaju dimenzionalne devijacije do 2%, kao što je i definisano standardom DIN 40680. Radi toga se treba potruditi i uložiti dosta napora da dizajn samog dijela bude u dozvoljenim granicama samog standarda.

Ako su zahtijevi po pitanju preciznosti dimenzija keramičkog dijela zahtijevniji, onda se željeni efekat postiže dodatnom mašinskom obradom (brušenjem, poliranjem itd).

Obrada dijamantskim alatom i poliranje pastom je sljedeći korak u postupku postizanja visoke kvalitete površine:

Hrapavost površine:

Paljena površina Ra = 0.4 – 1.4 µm

Polirana površina Ra = 0.1-0.4 µm

Iz estetskih razloga kao i radi lakšeg održavanja, glaziranje sinterovanih dijelova se obavezno provodi. U slučaju da se treba proizvesti kompleksan keramički dio, gdje se više dijelova različitog materijala mora spojiti, npr. keramika na keramiku ili keramika na metal, onda se to radi na sljedeći način:

ljepljenjem - za niža opterećenja i niže temperature mehaničkim združavanjem - za veća opterećenja i više temperature metalizacijom – gdje treba stvoriti vakum radi prisutnosti visokih voltaža

i temperatura

4. Karakteristike keramike

Karakteristike keramike su u zavisnosti od kvalitete, postotka glinice te tehnološkog postupka pripreme, sinterovanja kao i same fabrikacije iste.U zavisnosti od operativnih uslova ,proizvodi se keramika različitih osobina i karakteristika. Najvažnije osobine keramike su:

4.1. Osobine električne izolacije

Zahvaljujući hemijskoj analizi i strukturi nakon procesa sinterovanja, keramika je dobar električni izolator čak i pri visokim temperaturama.

Proizvodi od ove keramike imaju visok nivo otpora i visoku izolatorsku vrijednost pri varirajućim frekvencijama i voltažama.

4.2. Hemijske osobine

Zavisno od postotka Al2O3, ova keramika je otporna na razne hemijske i korozivne uticaje. Čak i pod raznih termičkim i mehaničkim uticajima, ona ostaje otporna na organske i neorganske otrove, kiseline, razne soli i ostalo.

4.3. Mehaničke osobine

Svoju široku primjenu keramika upravo može zahvaliti svojim odličnim mehaničkim osobinama. Visok nivo čvrstoce kao i nizak stepen trošenja,moduli elasticnosti i dr. su joj omogućili da bude primjenjena tamo gdje su mehanički dijelovi pokazali slabe rezultate pri samoj primjeni.

Visoka čvrstoca koja se održava i pri visokim temperaturama i pritisima su osigurali mjesto keramici kao zamjeni za većinu metala, stakla, plastike i dr.

4.4. Termičke osobine

Keramika se pokazala kao dobar toplotni vodič u odnosu na porculan, staklo i ostale, te kao takva ne zaostaje mnogo za metalima. Nivo provodljivosti i temperaturne izdržljivosti zavisi od postotka Al2O3, oblika i dr. Ova keramika zadržava svoje mehaničke karakteristike pri maksimalnim temperaturama, višim nego metal, i pokazuje duži vijek trajanja pri oksidiranju, smanjenoj atmosferi i visokom nivou vakuma.

Zbog električnih i termičkih osobnosti,keramka je prikladna i za metalizaciju.Pored neporozne keramike, tu je također i porozna keramika proizvedena od kombinovanog korunduma, koji pokazujući nivo poroznosti od 15-20% i gustoću od 2.3-3g/cm3. Ostaje stabilan i pri visokim temperaturama (njegova radna tempertura je 1873K) i kao takav je podoban za proizvodnju sagera za sinterovanje i dr.

Kao što se vidi, keramika se pokazala veoma izdržljvom pod raznim radnim uslovima, što njenu upotrebu čini veoma ekonomičnom. Od vatrostalne keramike izrađuju se elektroizolatori za vrlo visoke temperature.

Iako se keramika može primjeniti u raznim industrijskim granama, mi ćemo navesti samo one gdje je njena upotreba najčešća:

Konusno izvaćenje žice, koture, prstenje i vodilice Elementi pumpi i ostale opreme Metalizirana keramika i metalno-keramički priključci Dizne za zavarivanje, pjeskarenje i raspršivanje Električni i termički izolatori Laboratorijski pribor Proizvodi od preradjene porozne keramike

Elektrane najčešće koriste izolatore napravljene od 95% AlO3 keramike izlažući ih visokim električnim otporima od 20kV/mm. Pored izolatora ova keramika se koristi za elemente sa dobrom termalnom provodljivosti, najčešće električnim sistemima koji rade i pri visokim temperaturama.

Isti materijal se koristi za proizvodnji rezistora koji je smještaju u elektrane. Zahvaljujuci svojim odlicnim mehaničkim karakteristikama čak i pri visokim temperaturama, ova keramika je najčešće korištena za izolatore u elektro–industriji, kao toplotni izolatori u termo industriji te kao izolator u svjećicama pri sistemima za paljene automobila itd.

Slika 5. Izolatori

4.4.1.Spajanje keramike

Keramički materijali (oksidi, silikati) su različitog sastava i kao konstrukcijski materijali koriste se u većem opsegu od 1950 g. Za primjenu u tehnici koriste se oksidi Al, Mg, Zr i Th.

Ovi oksidi imaju važne karakteristike:

otporni su na koroziju pri povišenim temperaturama (vatrootpornost); imaju dobru čvrstoću pri visokim temperaturama (vatrostalnost); otporni su na trošenje.

Inače, za rad na visokim temperaturama su najotporniji Si3N4 (nitrid) i SiC (karbid), koji su nemetali, a ne spadaju u keramičke materijale.

Zbog svojih karakteristika keramički materijali su, prikladni za rad u plinskim turbinama, raketnim motorima i motorima sa unutarnjim izgaranjem. Danas se u mnogo slučajeva metali zamjenjuju keramikom.

Postoje i metalokeramike napr. Mo - ZrO2. Metalne komponente u strukturi daju žilavost, a keramika čvrstoću na visokim temperaturama.

Primjena keramičkih materijala za elemente opreme za rad na visokim temperaturama, alate, u elektronici i u elektrotehnici zahtijeva razvoj metoda spajanja dijelova iz keramike.

Prvo uspješno spajanje metala i keramike je ostvareno 1930. godine. Prvo je na keramiku nanesen metalni sloj metalizacijom, a zatim je srebrnim lemom ostvaren spoj keramike i metala. Ovakav spoj je dobar za rad na niskim temperaturama, zbog relativno niske temperature taljenja srebrnog lema.

Tabela 1.Svojstva Al2O3 keramike

    97% Al2O3 99.7 Al2O3

Tt - Talište oC 2 050 2 050

 - Gustoća (20 oC) g cm-3 3.7 3.99

Poroznost % 7.2 0.2

 - Koef. Topl. vodljivosti (0-100 oC) Wm-1 K-1 19.7 37.7

 - Koef. Linearnog istezanja (0-100 oC) 10-6K-1    

  (0-300 oC) 6.7 6.7

  (0-500 oC) 7.3 7.3

  (0-1100 oC) 8.5 8.5

Čvrstoća na tlak Nmm-2 3 000 4 500

Čvrstoća na savijanje Nmm-2 300 520

Za materijale međuslojeva spojeva metala i keramike poželjno je da su koeficjenti linearnog istezanja što sličniji. Niob odnosno Nb 1 Zr imaju koeficjent linearnog istezanja blizak Al2O3. FeNi, FeNiCo su legure koje imaju također sličan koeficijent linearnog istezanja, pa koriste kao materijal za međuslojeve.

Kod spajanja keramike i metala treba imati na umu i visoki koeficijent linearnog istezanja metala u odnosu na keramiku zbog porasta temperature. Javljaju se visoke temperature, napetosti i pukotine u spojevima. Da bismo izbjegli ovu nepriliku može se primjeniti spajanje u čvrstom stanju (bez taljenja) pri kojem se između metala i keramike postavlja međusloj od metala ili metal-keramike, te se mjesto spajanja zagrijava i vrši pritisak (difuzijsko zavarivanje).

Nanošenje međusloja. Spojevi se ostvaruju pomoću međusloja, koji se na različite načine nanosi. Postoje slijedeće mogućnosti: oksidi, metali ili mješavine se isparavaju, a zatim se kondenziraju na površinama, uranjanje u te materijale, premazivanje, nabrizgavanje ili galvanizacija u određenoj zaštitnoj atmosferi i pri povišenoj temperaturi. Kasnije sintetiziranje, difuzijsko zavarivanje ili lemljenje se često primjenjuju. Ako se kao lem koristi Pd-Cu ili Nb legure, tada se lemljenje međusloja obavlja na preko 1500 oC, a dozvoljene radne temperature takvih spojeva su i preko 1200 oC.

Zavarivanje trenjem: Protusmjernim okretanjem oba komada koji se spajaju ili okretanjem jednog dok je drugi učvršćen, kroz određeno vrijeme dolazi do zagrijavanje površina uslijed trenja. Nakon zagrijavanja isključi se okretanje - trenje i djeluje samo sila pritiska.

Za spajanje je korišten stroj s 300-3000 min-1, aksijalna sila pri rotaciji i zagrijavanju 5.5-18.5 kN, a nakon isključenja rotacije, korištena je aksijalna sila spajanja 11-30 kN.

Pri spajanju se mogu javiti pukotine u keramici zbog termičkog šoka i zbog momenta torozije pri zagrijavanju. Najbolji rezultati su postignuti pri 1 500 min-1 uz 5.5 kN silu pritiskivanja pri zagrijavanju i 18.5 kN i 5 sekundi vrijeme spajanja.

Pri spajanju metala na keramiku važno je da metal može vlažiti i prianjati na keramiku. Postignut je dobar spoj Al-Mg 5 na keramiku, a meki čelik i bakar se nisu mogli na ovaj način spajati.

Slika 6. Zavarivanje trenjem Al-legura na keramiku (Sastav napr. 94% Al2O3, 4,4% SiO2, 1,0% CaO, 0,6% MgO).

Keramika je dobivena sinterovanjem na zraku pri 1 200°C.

a) oblaganjem keramike s Al - legurom, pa spajanjem

b) direktnim spajanjem keramike i Al-legure

c) izgled spoja nakon zavarivanja, te tipični parametri: broj okretaja, moment, aksijalna sila i sabijanje

4.4.2. Keramički materijali i njihove osobine u ovisnosti o temperaturi

Keramički materijali se dobijaju od smjese minerala ili metalnih oksida sinter-postupkom (prešanje i zagrijavanje). Vrlo su brojna skupina materijala, a elektroizolacijski se dijele na podgrupe: porculani, steatiti, rutili, keramike s malim koeficijentom linearnog širenja, porozne keramike, oksidne keramike, vatrostalne keramike.

Porculani se sastoje od kaolina, kremena (kvarca) i glinenca (feldspata). Za izradu elektroizolatora upotrebljava se tvrdi porculan s više od 50% kaolina. Površina mu se redovito glazira. Posebno je otporan prema klimatskim utjecajima, negorljiv je i lako se oblikuje (promjena dimenzija oko 20% pri pečenju). Nedostaci porculana su krhkost (teško se mehanički obrađuje) i mala otpornost na udarno opterećenje.

Steatiti su keramički materijali kod kojih je dominantan udio magnezijevog silikata. Svojstva su slična kao kod tvrdog porculana uz nešto manji tg d i manje skupljanje pri sinter-postupku. Od steatita se izrađuju nisko i visokonaponski izolatori, potporni izolatori, antenski izolatori, dijelovi utičnica, prekidača, sklopki, osigurača, elektrotermičkih uređaja (štednjaci, glačala, grijači i sl.), tijela niskofrekvencijskih zavojnica i kondenzatorskih elemenata.

Rutili su skupina keramika od magnezijevog silikata i metalnih oksida (najčešće titanov dioksid TiO2 - rutil). Imaju veliku relativnu dielektričnu konstantu er (50 Hz do1 MHz) od 5,5 do100. Uglavnom se koriste kao dielektrici u kondenzatorima i za izradu keramičkih otpornika.

Keramike s malim koeficijentom linearnog širenja imaju ovaj koeficijent približno 4 puta manji od porculana i 6 do 9 puta manji od steatita. Koriste se u elektrotermičkim uređajima.

Porozne keramike odlikuju se velikom električnom otpornošću i na visokim temperaturama. Primjenjuju se u elektrotermičkim uređajima i kod elektronskih cijevi.

Oksidna keramika ima bolja vatrostalna svojstva, veću termičku vodljivost i bolja mehanička i električna svojstva od porculana. Koristi se za elektroizolaciju kod termoelemenata i svjećica za benzinske motore.

Od vatrostalne keramike izrađuju se elektroizolatori za vrlo visoke temperature.

5.Tehnička keramika

Tehnička keramika se dijeli na: Konstrukcijsku Funkcionalnu

Konstrukcijske keramike su pretežno čisti spojevi (izuzetak je elementarni ugljik), i obično imaju dva elementa – oksidi, karbidi i nitridi. Osnovna sirovina za proizvodnju tehničkih keramika je prah koji se dobiva:

mehaničkim usitnjavanjem, kemijskom redukcijom ili elektrolitičkim taloženjem.

Keramički proizvodi se od praha izrađuju u četiri koraka: priprava sirovine za oblikovanje, oblikovanje poluproizvoda, pečenje/sinteriranje, završna obrada.

5.1.Poluvodiči

Poluvodiči se koriste za izradu dijelova kompjutora (45 %), različitih potrošačkih proizvoda (23 %) i komunikacijske opreme (13 %) te u proizvodoj (12 %), automobilskoj (5 %), i vojnoj industriji (23 %). Industrija poluvodiča je ogromna, još uvijek rastuća, raširena je po industrijski razvijenim zemljama i obrće milijarde dolara.

5.2.SupravodičiPri temperaturama nižim od kritične supravodiči postaju savršeni vodiči (e0 = 0).

6.Zaključak:

Keramika ima mnogo elektroničkih osobina uključujući izoliranje, poluprovodnost, superprovodnost, magnetizam. Keramike su važne za proizvode poput mobilnih telefona, računara, televizora i ostalih korisničkih uređaja.Magnetsko pohranjivanje podataka se razvilo paralelno sa poluprovodničkim računarskim čipovima što ima jednak uticaj na računare i rukovanje informacijama. Bez magnetskog pohranjivanja podataka ne bi bilo Interneta, personalnih računala, velikih baza podataka kojima računari danas manipulišu.

Keramika se koristi i da poboljša naše sportske aktivnosti. Piezoelektrična keramika se koristi za pravljenje „pametne“ sportske opreme, skije, baseball palice, amortizeri za planinska bicikla.

Keramičke svjećice, koje su električki izolatori, su imale veliki značaj za društvo. Izumljenje su 1860. da bi palile gorivo u motorima sa unutrašnjim sagorijevanjem, i koriste se još i danas.Aplikacija uključuje automobile, brodske mašine, kosilice, i sl. Izolatori za visoki napon omogućuju provođenje struje do kuća.

Izvori: [1]Nauka o materijalima-Novi materijali-Fuad Catovic [2]http://global.kyocera.com/fcworld/charact/elect/insulation.html [3]http://global.kyocera.com/fcworld/charact/heat/heatresist.html [4]http://ceramic-studio.net/keramika-zanimljivosti/ [5]http://www.eti.si/hr/tehnicka_keramika.aspx [6]http://en.wikipedia.org/wiki/Ceramic_materials [7]http://www.acers.org/acers/aboutceramics.asp#electrical