Ceramics-Silikáty 30, (1) 81 - 94 (1986)

Keramické materiály mají řadu vlastností tepelných, chemických a jiných, které je činí nepostradatelnými pro technickou praxi. V souvislosti s rozvojem techniky vysokých teplot, chemického průmyslu, elektrotechniky, medicíny a dalších oborů jejich význam stále roste. Určitou překážku jejich použití však představují jejich méně příznivé vlastnosti mechanické: křehkost, obvykle nižší pevnost v tahu ve srovnání s kovovými konstrukčními materiály, rozptyl pevností a často i pokles pevnosti s dobou zatížení. Existuje proto snaha tyto vlastnosti zlepšovat.

V podstatě lze říci, že za mechanické vlastnosti keramiky je odpovědná její struktura. Vazby mezi atomy hlavních složek keramiky silikátové, oxidové i bezkyslíkaté jsou obvykle iontové nebo kovalentní, popř. smíšené, o vysoké pevnosti. Struktury krystalů přítomných ve střepu jsou složité, skelná fáze má uspořádání chaotické. To vše má za následek extrémně nízkou plasticitu (schopnost trvalých změn tvaru) a sklon k porušení spíše odtržením než usmyknutím. Charakter výroby a mikrostruktura keramiky má zase za následek přítomnost velkého počtu různých trhlin, pórů a dalších vad ve střepu. Při zatížení působí tyto vady jako koncentrátory napětí. Dostoupí-li zatížení určité výše, dojde v kořeni nejnebezpečnější trhliny k překonání vazebních sil a k oddělování atomu. Protože plastické deformování v těchto místech i jemu odpovídající spotřeba energie je minimální, šíří se trhlina snadno dále. Důsledkem je již zmíněná křehkost a nízká pevnost v tahu. Při růstu trhliny se někdy uplatňují chemické aj. vlivy okolního prostředí, což vede k časové závislosti pevnosti.

Při zlepšování mechanických vlastností keramiky představují velkou pomoc jednak poznatky o její struktuře, jednak tzv. lomová mechanika, která se zabývá otázkami porušení těles s trhlinami. Samotné keramice, její struktuře a vlastnostem je věnována četná literatura; z monografií uveďme napš. [1-4]; pokud se týče lomové mechaniky, lze získat první představu z přehledných referátů [5, 6]; k podrobnějšímu studiu jsou vhodné např. knihy [7-10].

Zde se pokusíme shrnout hlavní cesty ke zlepšování pevnostních vlastností keramiky na základě poznatku o její struktuře a na základě zákonitostí lomové mechaniky. Je ovšem nutno míti trvale na zřeteli, že při vývoji nových materiálů, a zejména výrobků nestačí omezit se pouze na hledisko pevností. Ani poměrně vysoká pevnost ještě nemusí zaručit spolehlivou funkci výrobku, který je např. vystaven prudkým teplotním změnám a má velkou teplotní roztažnost a malou tepelnou vodivost. V řadě případů zase dochází k různým degradačním procesům, ať již následkem střídavých změn teploty, chemického působení okolního prostředí nebo mechanického poškozování, které původní vysokou hodnotu pevnosti snižují. Celou problematiku je proto nutno chápat obecněji a zaměřovat se spíše na zlepšování odolnosti proti porušení při určitém způsobu namáhání. To znamená přihlížet ke všem činitelům, které se mohou uplatnit při lomu nebo k němu mohou napomoci, ať již jde o tepelnou vodivost nebo chemické vlastnosti, ale i o celkové konstrukční řešení daného předmětu.