Al 2 O 3 kerámiák. (alumíniumtrioxid - alumina)

Átírás

1 Al 2 O 3 kerámiák (alumíniumtrioxid - alumina)

2 Alumíniumtrioxid - alumina Korund (polikristályos, hexagonális sűrűill.) Zafir egykristály (természetes és mesterséges is) Rubin (természetes és mesterséges is) ********** legalább 5 féle kristálymódosulata van, a legstabilabb az α-al 2 O 3 korund

3 Tipikus nagyteljesítményű kerámia Olyan nagytisztaságú szervetlen, nemfémes anyagok, amelyeket szigorúan definiált körülmények között meghatározott formájú és összetételű porokból állítanak elő, és alkalmasak szélsőséges mechanikai, korróziós, termikus és elektromos célú felhasználásokra,

4

5

6

7 Tulajdonságai I. Nagy olvadáspont 2050 O c Nagy merevség E=550 w MPa Nagy keménység 9 Mohs, H KNOPP =2050 Stabil oxid (disszociációs nyomás kicsi,10-15 bar/1500 o C, BeO, ThO 2 jobb, még kisebb)) Kopásálló Átlátszó, ha nagy tisztaságú Korrózióálló:savaknak, lugoknak ellenáll (biokompatobilis), Fe csoporttal nem reagál (forgácsolószerszámok), Mn desztillálható, feszültségkorrózióra hajlamos vizes oldatokban

8 Tulajdonságai II. Nagy nyomószilárdság Nagy melegszilárdság Kis sűrűség Szigetelő (vezetőképesség a hőmérséklettel nő ) T szobahőn ohm*m, 1000 o C 10 5 Hővezető 43 w -16 W/mK-szigetelő Közepes hőtágulás Kis szívósság Magas hőmérsékleten ( o C) alakvált. képesség (sőt szuperképlékenység 7.5*10-5 /s ε=105%)

9 Tulajdonságok III. Reakcióképesség (tömörödés hajtóereje) non reactíve: 0,2-1 m 2 /g reactíve: 6-9 m 2 /g <1 µm igen nagy felület (szívósság, szilárdság) < 0,3 µm porozitás eltüntethető, szinterelés után az átláthatóság feltétele

10

11 A por előállítása 1. Bayer eljárással bauxitból (darabolás, őrlés, oldás (45-50%-os) nátronlúgban NaOH, gőzzel fűtött tartályokban. Feltárás autoklávokban o C-on 6-8 bar nyomáson Na 2 OAl 2 O 3 + vörösiszap Leválasztás, szűrés, hűtés Kikeverés o C-on óra finomszemcsés Al(OH) 3 válik ki Leválasztás vákuum szűrőben (kevés szennyező) Kalcinálás o C-on (1200 felett stabil) forgódobos kemencében hexagonális αal 2 O 3, vízmentes tiszta timföld keletkezik 0,3-10 μm

12 A por előállítása 2. Hidrotermikus vagy vízoldatos eljárás (kicsapódás a forráspont felett, kristályos, nem kell kalcinálni) apró méret Kiválásos technológia (szubmikronos, nagytisztaságú %) Aerozolos bontás Ív- radiofrekvenciás, lézeres szintézis Self- propagating High temperatures Synthesis (SHS) eljárás 3TiO 2 szilárd+3csz+4al(sz) >>> 2Al 2 O 3 sz+ticsz

13 Al 2 O 3 alumíniumtrioxid Korund (polikristályos) Zafir (egykristály) mesterséges és természetes Rubin mesterséges és természetes Legalább ötféle módosulat: legstabilabb a hexagonális α-al 2 O 3 Szerkezeti anyagként legalább % Al 2 O 3 finomszemcsés por 1-30 mikron, adalékanyagok folyósítószer + + kristálynövekedést gátló anyag Nehéz szinterelni, száz éve az első szabadalom

14 19007 első szabadalom Ipari gyártás 1936 Szintereléshez MgO szükséges, 100% tömörség ************************ 1912 forgácsoló szerszámok,1930 laboreszközök (tégely, szigetelő stb), 1950 elektronikai ipar (szigetelők),1955 forgácsoló szerszámok, 1960 dróthúzás, csapágyak, 1963 papíripar, 1970 orvosi alkalmazás, 1980 wiskers(sicw, ZrO 2 ) erősítésű Al 2 O 3 kompozit

15 Tulajdonságai Tisztaság Szemcseméret Szemcseeloszlás Porozitás Reakcióképesség: a tömörödés hajtóereje: m 2 /g rossz, 6-9 jó reakcióképesség 1μm igen nagy felület, jó szívósság, szilárdság 0.3 μm szinterelés után eltűnnek a pórusok, átlátszik

16

17

18 Al 2 O 3 -SiO Al 2 O 3 -MgO-SiO Al 2 O 3 -CaO-SiO CaO gyorsabb szemcsenövekedés

19 Zsugorítás Tiszta Al 2 O 3 szinterelési hőmérséklete 1800 o C, adalékokkal csökkenteni kell

20

21 Diffúziós kötés

22

23 Mitől korszerű műszaki kerámiák? Feszültség Alakváltozás

24 A korszerű kerámiák fejlődése

25 Hol helyezkednek el a kerámiák a szerkezeti anyagok között? Szilárdság Rugalmas viselkedés mérőszáma

26 Miből épülnek fel? Döntően kristályos anyagok

27 Szerkezeti kerámiák Magas hőmérsékletű, nagy szilárdságú kerámiák Porózus kerámiák Kerámia csapágyak Vágószerszámok Energiatermelésben és tárolásban alkalmazott kerámiák Méhsejt szerkezetű, kordierit kerámiák Orvosi kerámiák Rétegszerkezetű kerámiák Kerámia mátrixú társított anyagok (kompozitok)

28 Miért előnyösek? Magas hőmérsékleten alkalmazhatók

29 Hogyan készülnek a korszerű műszaki kerámiák? Kiindulási vegyületek Kerámia prekurzorok Blend-készítés Tűkristály Film Tömb kristály Formázás Szilárd hordozó Kerámia rétegekr Tömör r kerámi miák Társított kerámi miák

30 Hogyan készülnek a korszerű műszaki kerámiák? Alapanyag-gyártás Nyerskeverék előkészítés Formázás Zsugorítás/szinterelés Utómegmunkálás

31 Sajtolás: szemcsék tömörödése Nyers sűrűség

32 Hideg izosztatikus sajtolás (CIP) (a) Por betöltése (b) Öntőforma behelyezése (c) Hideg izosztatikus sajtolás (d) A nyers formatest kivétele

33 Szinterelés Általános megfontolások A kerámiai anyagok olvadáspontja általában >1000 o C A formázott porelegyet magas hőmérsékletű hőkezeléssel (zsugorítással/szintereléssel) lehet átalakítani tömör kerámiává Cél: a részecskék összekapcsolása és porozitás csökkentése

34 Szinterelés a gyakorlatban I. Jellemző fűtési program o C Víz és adalékok eltávolítása A poralkotók kémiai homogenizálása vagy reakciója Izoterm szinterelési szakasz Utólagos hőntartás Felfűtés a szinterelési hőmérsékletre Lehűtés

35 Szinterelés: példák

36 Felületi filmek kialakítása Oxidok pulzált lézersugaras leválasztása

37 Rétegkialakítás plazmaporlasztással

38 Zsugorítás 2. MgO adalékkal 1950-ben 100%-os tömörség (MgO és NiO képes meggátolni a folyamatos szemcsenövekedést szabadalom 1936-ban) ************* Reakciókötésű Al 2 O 3 (reaction bonding) 30-60% Al+Al 2 O % ZrO 2 keverés, tömörítés (20-50 MPa) nyersdarab, forgácsolható, kezelés levegőn, 350 o C-on, Al nm-nyi Al 2 O 3 kristályokká oxidálódik térfogatnövekedés 28%, szinterelés 1200 oc-on (jelentős zsugor, HIP Rm =1200 MPa