Tworzywa szklano-krystaliczne Tworzywa szklano-krystaliczne (szkło-ceramika) (szkło-ceramika)

Tworzywa szklano-krystaliczne Tworzywa szklano-krystaliczne

(szkło-ceramika) (szkło-ceramika)

 Zawierają co najmniej dwie fazy: Zawierają co najmniej dwie fazy:

szklistą i krystaliczną;

szklistą i krystaliczną;

 Otrzymuje się je w procesie Otrzymuje się je w procesie

odpowiedniej obróbki termicznej odpowiedniej obróbki termicznej

szkieł podczas której zachodzi szkieł podczas której zachodzi

objętościowa krystalizacja

objętościowa krystalizacja

Krystalizacja szkła Krystalizacja szkła

aspekt praktyczny aspekt praktyczny

podatno

podatno ść ść szkł szk ł a na krystalizacj a na krystalizacj ę ę okre okre ślaj ś laj ą ą dwa dwa czynniki

czynniki : :



ilo ilo ść ść powstaj powstaj ących zarodków krystalizacji w jednostce ą cych zarodków krystalizacji w jednostce czasu i jednostce obj

czasu i jednostce obję ęto to ści ( ś ci ( d d ąż ąż no no ść ść do krystalizacji do krystalizacji ) )



liniowa pr liniowa pr ę ę dko dko ść ść wzrostu kryszta wzrostu kryszta ł ł ów ( ów ( szybko szybko ść ść krystalizacji

krystalizacji ) )

K v dN

 Vd



K g dL

 d



N ‑ ilość powstających  zarodków; 

V ‑ objętość, w której zachodzi         proces; 

 ‑ czas; 

L ‑ długość kryształu;

Krystalizacja szkła

Krystalizacja szkła aspekt aspekt praktyczny

praktyczny

Zale Zale żno ż ność ść d d ąż ąż ności do krystalizacji K ności do krystalizacji K

i liniowej

i liniowej pr pr ę ę dko dko ś ś ci wzrostu kryszta ci wzrostu kryszta ł ł ów K ów K

od od przech

przech ł ł odzenia odzenia . .

P r z e c h ł o d z e n i e

Temperatura topienia Temperatura pokojowa

K , K_{v g}

K _g

K _v

Metastabilna strefa przechłodzenia Metastabilna strefa dużej lopkości

T ₂

T ₁ T _k T ₃

T

– temperatura likwidusu T

– T

zakres temperatury krystalizacji

T

– temperatura krytyczna T

– T

mało zarodków, ale szybko rosną

T

– T

dużo zarodków, ale

rosną wolno

Krystalizacja Krystalizacja

czas i temperatura czas i temperatura

J J eśli masa szklana znajduje si eśli masa szklana znajduje si ę ę w zakresie w zakresie temperatury krystalizacji

temperatury krystalizacji ( ( szczególnie w szczególnie w krytycznej temperaturze krystalizacji

krytycznej temperaturze krystalizacji ), ), to mo to mo ż ż e e skrystalizowa

skrystalizowa ć ć . . O tym

O tym czy skrystalizuje, decyduje czy skrystalizuje, decyduje czas czas

przebywania masy w zakresie temperatury przebywania masy w zakresie temperatury

krystalizacji.

krystalizacji.

Kierowana krystalizacja szkła Kierowana krystalizacja szkła

Przeprowadzenie obróbki termicznej w taki sposób, Przeprowadzenie obróbki termicznej w taki sposób,

aby celowo wywołać krystalizację i otrzymać aby celowo wywołać krystalizację i otrzymać

tworzywa szkło ‑ krystaliczne

tworzywa szkło ‑ krystaliczne ( ( tworzywa o tworzywa o

równomiernej, drobnoziarnistej mikrostrukturze równomiernej, drobnoziarnistej mikrostrukturze oraz o właściwościach fizycznych i chemicznych oraz o właściwościach fizycznych i chemicznych

lepszych lub innych niż szkło wyjściowe) lepszych lub innych niż szkło wyjściowe) wzrost kryształów

wzrost kryształów rozpoczyna się jednocześnie w rozpoczyna się jednocześnie w dużej ilości

dużej ilości zarodków krystalicznych zarodków krystalicznych równomiernie równomiernie rozmieszczonych w szkle

rozmieszczonych w szkle . .

Kierowana krystalizacja szkła Kierowana krystalizacja szkła

Proces kierowanej krystalizacji

Proces kierowanej krystalizacji wymaga wymaga substancji działających jako

substancji działających jako zarodki zarodki lub lub ułatwiających zarodkowanie (nukleacja ułatwiających zarodkowanie (nukleacja

heterogeniczna) heterogeniczna)

Bez nukleatora z nukleatorem

TWORZYWA SZKŁO- TWORZYWA SZKŁO-

KRYSTALICZNE KRYSTALICZNE

Zasady projektowania Zasady projektowania

tworzyw szkło-krystalicznych:

tworzyw szkło-krystalicznych:



Zaprojektowanie odpowiedniego składu Zaprojektowanie odpowiedniego składu chemicznego szkła wyjściowego,

chemicznego szkła wyjściowego,

zapewniającego krystalizację odpowiednich zapewniającego krystalizację odpowiednich faz; faz;



Odpowiedni dobór nukleatorow krystalizacji Odpowiedni dobór nukleatorow krystalizacji



Zaprojektowanie warunków obróbki Zaprojektowanie warunków obróbki

termicznej - czas i temperatury nukleacji i termicznej - czas i temperatury nukleacji i

krystalizacji

krystalizacji

Technologia wytwarzania Technologia wytwarzania

tworzyw szkło-krystalicznych tworzyw szkło-krystalicznych

Przygotowanie surowców; sporządzanie Przygotowanie surowców; sporządzanie

zestawu;

zestawu;

Topienie masy szklanej Topienie masy szklanej

 Formowanie metodami Formowanie metodami szklarskimi

szklarskimi

 Otrzymywanie Otrzymywanie

sproszkowanego szkła

sproszkowanego szkła

Technologia wytwarzania Technologia wytwarzania

 Formowanie wyrobów metodami szklarskimi Formowanie wyrobów metodami szklarskimi

(najczęściej ‑ (najczęściej ‑ wytłaczanie i odlewanie) wytłaczanie i odlewanie)

Odprężanie

Odprężanie Krystalizacja Krystalizacja

Krystalizacja

Krystalizacja

Technologia wytwarzania Technologia wytwarzania

 Otrzymywanie sproszkowanego szkła Otrzymywanie sproszkowanego szkła

Przygotowanie masy do formowania Przygotowanie masy do formowania

formowanie wyrobów metodami ceramicznymi formowanie wyrobów metodami ceramicznymi

prasowanie

prasowanie (półsuche, z lepiszczem organicznym), (półsuche, z lepiszczem organicznym), termoplastyczne odlewanie

termoplastyczne odlewanie

Krystalizacja

Krystalizacja

Technologia wytwarzania Technologia wytwarzania

Ewentualna obróbka wyrobów

Ewentualna obróbka wyrobów (np. (np.

szlifowanie końców rur, wygładzanie powierzchni szlifowanie końców rur, wygładzanie powierzchni

pryzmatów, obcinanie) pryzmatów, obcinanie)

Kontrola jakości Kontrola jakości

Sortowanie

Sortowanie

Pakowanie

Pakowanie

Tworzywa Tworzywa

szkło-krystaliczne charakterystyka szkło-krystaliczne charakterystyka

 Są to tworzywa o Są to tworzywa o odpowiedniej odpowiedniej mikrostrukturze,

mikrostrukturze, co najmniej dwu‑fazowe co najmniej dwu‑fazowe

 właściwości właściwości zależą od zależą od składu fazowego składu fazowego ziaren krystalicznych

ziaren krystalicznych i i składu chemicznego składu chemicznego pozostałej fazy szklistej

pozostałej fazy szklistej

 materiały izotropowe materiały izotropowe (większość) lub (większość) lub anizotropowe

anizotropowe

Tworzywa Tworzywa

szkło-krystaliczne szkło-krystaliczne

 Cechy mikrostruktury: Cechy mikrostruktury:

 Rodzaj faz krystalicznych i amorficznych zawartych Rodzaj faz krystalicznych i amorficznych zawartych w tworzywie;

w tworzywie;

 Ich proporcje ilościowe Ich proporcje ilościowe

 Wielkość kryształów; ich kształt i orientacje; Wielkość kryształów; ich kształt i orientacje;

 Przestrzenne rozmieszczenie poszczególnych faz w Przestrzenne rozmieszczenie poszczególnych faz w tworzywie;

tworzywie;

Mikrostruktura dewitryfikatów decyduje o ich:

Mikrostruktura dewitryfikatów decyduje o ich:

‑ Właściwościach;

‑ Właściwościach;

‑ Zastosowaniu;

‑ Zastosowaniu;

 Cechy mikrostruktury zdeterminowane są: Cechy mikrostruktury zdeterminowane są:

 składem chemicznym materiału; składem chemicznym materiału;

 Parametrami obróbki cieplnej; Parametrami obróbki cieplnej;

Tworzywa Tworzywa

szkło-krystaliczne szkło-krystaliczne

rodzaje tworzyw rodzaje tworzyw

 Tworzywa o podwyższonych własnościach użytkowych: Tworzywa o podwyższonych własnościach użytkowych:

 Mechanicznych – fazy krystaliczne: krzemiany łańcuchowe, miki, Mechanicznych – fazy krystaliczne: krzemiany łańcuchowe, miki, glino‑krzemiany, 2‑krzemian litu, mulit

glino‑krzemiany, 2‑krzemian litu, mulit

 Termicznych – Termicznych – o niskim współczynniku rozszerzalności o niskim współczynniku rozszerzalności termicznej

termicznej (fazy krystaliczne: eukryptyt, spodumen); (fazy krystaliczne: eukryptyt, spodumen); o wysokim o wysokim współczynniku rozszerzalności termicznej

współczynniku rozszerzalności termicznej (fazy krystaliczne: (fazy krystaliczne:

dwukrzemian litu, kwarc, krystobalit);

dwukrzemian litu, kwarc, krystobalit);

 chemicznych chemicznych (fazy krystaliczne: glino‑krzemiany, SiO2) (fazy krystaliczne: glino‑krzemiany, SiO2)

 Biomateriały Biomateriały (fazy krystaliczne: apatyt, wollastonit) (fazy krystaliczne: apatyt, wollastonit)

 Fotoceramy Fotoceramy (krystalizacja indukowana reakcjami (krystalizacja indukowana reakcjami fotochemicznymi) – obrazy w szkle

fotochemicznymi) – obrazy w szkle

Tworzywa szkło-krystaliczne Tworzywa szkło-krystaliczne

Tworzywa o podwyższonych, w stosunku do Tworzywa o podwyższonych, w stosunku do

szkieł, własnościach użytkowych:

szkieł, własnościach użytkowych:



Artykuły gospodarstwa domowego Artykuły gospodarstwa domowego



Elementy kuchenek elektrycznych, Elementy kuchenek elektrycznych, piecyków, kominków;

piecyków, kominków;



Elementy aparatury Elementy aparatury



Urządzenia techniczne do różnych Urządzenia techniczne do różnych zastosowań lub ich elementy;

zastosowań lub ich elementy;



Rekonstrukcyjna szkło-ceramika Rekonstrukcyjna szkło-ceramika dentystyczna

dentystyczna

Tworzywa szkło-krystaliczne Tworzywa szkło-krystaliczne

Tworzywa o podwyższonych własnościach użytkowych Tworzywa o podwyższonych własnościach użytkowych

do zastosowań w gospodarstwie domowym i do zastosowań w gospodarstwie domowym i

urządzeniach technicznych:

urządzeniach technicznych:



Szkło-ceramika oparta na krystalizacji krzemianów Szkło-ceramika oparta na krystalizacji krzemianów łańcuchowych (kanazyt, enstatyt, amfibole itp.)

łańcuchowych (kanazyt, enstatyt, amfibole itp.) Własności:

Własności: bardzo wysoka odporność na kruche bardzo wysoka odporność na kruche pękanie 4,8-5,2 MPa.m

pękanie 4,8-5,2 MPa.m

(tworzywa kanazytowe) (tworzywa kanazytowe)



Szkło—ceramika eukryptytowo-spodumenowa Szkło—ceramika eukryptytowo-spodumenowa (oparta na krystalizacji glinokrzemianów litu) – (oparta na krystalizacji glinokrzemianów litu) –

Neoceram, Ceram, Robax Neoceram, Ceram, Robax własności:

własności:

  = -0,3 do +1,3 (10 = -0,3 do +1,3 (10

K K

) )

szok termiczny = 600-800K szok termiczny = 600-800K

wytrzymałość na zginanie = 75 – 175 MPa wytrzymałość na zginanie = 75 – 175 MPa

Tworzywa szkło-krystaliczne Tworzywa szkło-krystaliczne

Szkło-ceramika Szkło-ceramika

dla stomatologii rekonstrukcyjnej:

dla stomatologii rekonstrukcyjnej:



Szkło-ceramika oparta na krystalizacji Szkło-ceramika oparta na krystalizacji leucytu – glino-krzemian potasu

leucytu – glino-krzemian potasu Własności:

Własności: walory estetyczne, wytrzymałość walory estetyczne, wytrzymałość na zginanie 135-160MPa

na zginanie 135-160MPa



Szkło-ceramika oparta na krystalizacji dwu- Szkło-ceramika oparta na krystalizacji dwu- krzemianu litu

krzemianu litu Własności:

Własności: walory estetyczne, podwyższona walory estetyczne, podwyższona

wytrzymałość mechaniczna 250-400 MPa

wytrzymałość mechaniczna 250-400 MPa

Tworzywa szkło-krystaliczne

Tworzywa szkło-krystaliczne

Tworzywa szkło-krystaliczne Tworzywa szkło-krystaliczne

 Biomateriały szkło-ceramiczne: Biomateriały szkło-ceramiczne:

- Dobra tolerancja w organizmie żywym - Dobra tolerancja w organizmie żywym

- Zdolność zrastania się z tkanką Zdolność zrastania się z tkanką kostną

kostną

- Długa przeżywalność implantów Długa przeżywalność implantów

- Zdolność stymulacji tkanek do Zdolność stymulacji tkanek do szybszej odbudowy

szybszej odbudowy

Ceravital

Ceravital - - Skład chemiczny Skład chemiczny 40-50% SiO

40-50% SiO

, 5-10% Na , 5-10% Na

O, 0,5-3% K O, 0,5-3% K

O, 30-35% CaO, O, 30-35% CaO, 2,5-5% MgO, 10 – 25% P

2,5-5% MgO, 10 – 25% P

O O

; ; główna faza krystaliczna:

główna faza krystaliczna: apatyt Ca apatyt Ca

(PO (PO

) )

(OH), (OH), właściwości:

właściwości:

bioaktywność, biozgodność bioaktywność, biozgodność

wytrzymałość na zginanie 100-150 MPa wytrzymałość na zginanie 100-150 MPa wytrzymałość na ściskanie 500 MPa

wytrzymałość na ściskanie 500 MPa moduł Younga 30-50 GPa

moduł Younga 30-50 GPa kryształy 40-50 nm

kryształy 40-50 nm



Zastosowanie: chirurgia kości twarzowych, ucha Zastosowanie: chirurgia kości twarzowych, ucha środkowego. korzeni zębowych po ekstrakcji,

środkowego. korzeni zębowych po ekstrakcji, wypełnienia patologicznych kieszeni kostnych wypełnienia patologicznych kieszeni kostnych

Apatytowe tworzywa szklano-ceramiczne Apatytowe tworzywa szklano-ceramiczne

SiO SiO _{2 2} – P – P _{2 2} O O _{5 5} – CaO/MgO – Na – CaO/MgO – Na _{2 2} O/K O/K _{2 2} O O

Apatytowo-wollastonitowe tworzywa Apatytowo-wollastonitowe tworzywa

szklano-ceramiczne szklano-ceramiczne

SiO SiO

– P – P

O O

– CaO – MgO – F/Na – CaO – MgO – F/Na

O/K O/K

O O

Cerabone

Cerabone - - Skład chemiczny Skład chemiczny 34% SiO

34% SiO

, 44,7% CaO, 4,6% MgO, 16,2% P , 44,7% CaO, 4,6% MgO, 16,2% P

O O

, 0,5% , 0,5%

CaF CaF

; ;

Ilmaplant L1

Ilmaplant L1 - - Skład chemiczny Skład chemiczny 44,3% SiO

44,3% SiO

, 4,6% Na , 4,6% Na

O, 0,2% K O, 0,2% K

O, 31,9% CaO, 2,8% O, 31,9% CaO, 2,8%

MgO, 11,2% P

MgO, 11,2% P

O O

, 0,5% CaF , 0,5% CaF

; ; główna faza krystaliczna:

główna faza krystaliczna: apatyt Ca apatyt Ca

(PO (PO

) )

(OH), (OH), wollastonit CaSiO

wollastonit CaSiO

właściwości:

właściwości:

bioaktywność, biozgodność bioaktywność, biozgodność

wytrzymałość na zginanie 170-220 MPa wytrzymałość na zginanie 170-220 MPa

wytrzymałość na ściskanie 1000 MPa wytrzymałość na ściskanie 1000 MPa

odporność na kruche pękanie 2 MPam odporność na kruche pękanie 2 MPam

moduł Younga ok. 100 GPa moduł Younga ok. 100 GPa

kryształy 50-100 nm

kryształy 50-100 nm

Apatytowo-wollastonitowe tworzywa Apatytowo-wollastonitowe tworzywa

szklano-ceramiczne szklano-ceramiczne

 Lepsze parametry wytrzymałościowe Lepsze parametry wytrzymałościowe od bioszkieł i tworzyw szkło-

od bioszkieł i tworzyw szkło-

krystalicznych apatytowych!!!!!!

krystalicznych apatytowych!!!!!!

 Zastosowanie: Zastosowanie:

 - chirurgia kości twarzowych; - chirurgia kości twarzowych;

 - chirurgia ucha środkowego; - chirurgia ucha środkowego;

 - chirurgia kręgosłupa - chirurgia kręgosłupa

Fotoceramy Fotoceramy

 Szkła o dużej tendencji do likwacji Szkła o dużej tendencji do likwacji

 Katalizatory krystalizacji Katalizatory krystalizacji – pierwiastki lub – pierwiastki lub związki reagujące pod wpływem kwantów związki reagujące pod wpływem kwantów świetlnych i tworzące zarodki krystalizacji świetlnych i tworzące zarodki krystalizacji

(„uczulacze”):

(„uczulacze”):

 Cu, Ag, Au, CeO Cu, Ag, Au, CeO 2 ₂ , SnO , SnO 2 ₂

Ce Ce

+ Cu + Cu

+ h + h     Ce Ce

+ Cu + Cu

( ( przejście metalu z postaci jonowej w atomową przejście metalu z postaci jonowej w atomową

  tworzenie agregatów  tworzenie agregatów  wzrost agregatów wzrost agregatów   zarodek zarodek krystalizacji w formie koloidalnej cząstki )

krystalizacji w formie koloidalnej cząstki )