Anyagtudomány és Technológia Tanszék

Átírás

1 Anyagtudomány és Technológia Tanszék Németh Árpád, dr. univ, Kientzl Imre, Orbulov Imre, A kerámia a görög, kiégetett szóból ered Egykor kizárólag az agyagból, kaolinból (Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O), (porcelánföld) kialakított, majd kiégetett cserépporcelán tárgyakat értették kerámia alatt Az égetett agyag megjelenése az i.e évezredre tekint vissza A műszaki értelemben vett kerámiák nem keverendőek össze a hagyományos értelemben vett porcelán használati tárgyakkal! 1

2 A műszaki, nagyteljesítményű kerámiák szervetlen, nem fémesen viselkedő anyagok Villamos ellenállásuk nagy Ridegek, merevek Atomi kötésük lehet ionos vagy kovalens Egyatomos Vegyületkerámiák Grafit Oxidok Al 2 O 3, ZrO 2, stb. Karbidok SiC, TiC, WC Gyémánt Nitridek TiN, Si 3 N 4, AlN Si, Ge egykristály Karbonitridek (félvezetők) Boridok BN Jellemző Fém Kerámia Polimer Sűrűség (g/cm3) 2-16 (átlagosan 8) 2-17 (átlagosan 5) 1-2 Olvadáspont ( C) alacsonytól magasig Sn 232, W 3400 magas 4000 C-ig alacsony Keménység közepes magas alacsony Forgácsolhatóság jó rossz jó Szakítószilárdság (MPa) 2500-ig 400-ig 120-ig Nyomószilárdság (MPa) 2500-ig 5000-ig 350-ig Rug. modulus (GPa) Kúszási ellenállás rossz kiváló - Hőtágulás közepes és nagy kicsitől közepesig nagyon nagy Hővezetés Hőlökéssel szembeni ellenállás közepes közepes, de gyakran gyorsan csökken a hőmérséklettel nagyon kicsi jó általában rossz - Elektromos ellenállás vezető szigetelő (de fél- és szupravezetők is) szigetelő Kémiai ellenállás gyenge-közepes kiváló általában jó Oxidációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleten gyenge, anyagtól függ az oxidoké kiváló SiC és Si 3 N4 jó Az esetek többségében kis sűrűség Nagy olvadáspont Nagy rugalmassági modulusz Nagy keménység Nagy kopásállóság Nagy nyomószilárdság Nagyfokú kémiai stabilitás Nagy melegszilárdság Korrózióállóság Nagy villamos ellenállás ( Ωm) Nagy dielektromos állandó (ε=50-80) 2

3 Ridegség Törékenység Kis hősokkállóság Mikrorepedések jelenléte Nehéz gyárthatóság Viszonylag magas ár Funkció Mechanikai Termikus Tulajdonság Alkalmazás Szilárdság, merevség, kopásállóság, súrlódás Vágó-, csiszoló, kenőanyagok, motorok, turbinák, gépelemek, csapágyak Hővezetés, hőszigetelés, kis hőtágulás Elektródák, hőcserélők, kemencék Villamos Mágneses Villamos szigetelés, félvezetés, mágnesesség, szupravezetés Hordozók, érzékelők, beavatkozók, mágnesek Funkció Vegyi és biológiai Optikai Atomtechnikai Tulajdonság Alkalmazás Biokompatibilitás, korrózió, abszorpció, katalízis Vegyi berendezések, katalizátorhordozó, fog- és csontpótlások Fénytörés, fényvezetés, fluoreszencia Kábelek, fénycsövek, fénydiódák Sugárzás, hő- és korrózióálóság Fűtőelemek, moderátorrudak, páncélzat 3

4 Általában porkohászati úton Porgyártás Keverés, adalékolás Sajtolás nyers (green) állapot Alakadás, megmunkálás Zsugorítás (szinterelés) (Utómegmunkálás) Kevésbé elterjedten Iszapöntéssel Öntőiszapos eljárás Nyomás alatti présöntés Fröccsöntés Centrifugál öntés ZSUGORÍTÁS (szinterelés/kiégetés) Cserép, tégla Klinker tégla Csempe, ipari kőanyag Porcelán WC-Co Al 2 O 3, korund Si 3 N C C C >1300 C C C C 4

5 Anyag g/cm3 E GPa Rm MPa Kevlar 1, Karbonszál 1, Bór szál 2, Üvegszál 2, Kvarcüveg szál 2, AI2O3 15Si02 szál 9 3, AI 2O 3 20 m 3, Acél ( 0,8%) huzal 7, W-szál 19, SiC szál Nicalon 3, Siw tűkristály 2, Karbon tűkristály 2, Few tűkristály 7, AI 2O 3 tűkristály 3, Si 3N 4 tűkristály 3, SiCw tűkristály 3, Si 3 N 4 turbinakerék 1150 C Nagy fordulatszám 110LE Zagyszivattyú Al 2 O 3 Vegyi ellenállás Kopásálláóság 5

6 Ékszer: optikailag átlátszó, nagy törésmutató Ritkasága miatt drága 500$/g (arany: 8-12$/g) Kovalens kötés, 14eV Sűrűsége 3,01-3,56 gcm -3 A műgyémánté nagyobb 3,48-3,54 gcm -3 Törési szívósság K IC =0,5-2 MPam 0,5 Jó hővezető Tulajdonság Rétegként való alkalmazás Vickers keménység (kp/mm 2 ) Szerszámok, polirozás, csapágyak Súrlódási együttható 0,1 contact recording Mágneses adattárolók Young modulus (N/mm 2 ) 1,2*10 12 Nagyfrekvenciás hangszóró Hangsebesség (km/s) 18,2 membrán Letörési szilárdság (V/mm) 10 7 Nagyfeszültségű szigetelések Hővezetés (W/cmK)* 20 Hőnyelők (3D packaning ) Negatív elektronaffinitás (ev) -1 hidegkatód Kémiai ellenállóképesség** Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi Biokompatibilás műszerek, protézisek borítása Átlátszósági tartomány (µm) 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, Törésmutató 2,4 antireflexiós réteg, mikrohullámú és röntgenablakok, infravörös szűrők Tiltott sáv (ev) 5,45 Teljesítményelektronika, magas Elektron/lyuk mozgás 22/16 működési hőmérséklet, sugárzási keménység, optoelektronika, LED Dielektromos állandó 5,5 Lumineszcencia (µm) 0,44, 0,52 *A legjobb hővezető **mintegy 700 o C-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is 6

7 Normál hőmérsékleten és nyomáson a grafit a stabil fázis A gyémánt nagy hőmérsékleten és nagy nyomáson a földkéregben jön létre Lelőhelyek: India (18. század közepéig kizárólag) Brazília, 1725 Dél-Afrika, 19. század vége Ausztrália, 1851 Szibéria, Amerika, Borneó ~0,5 karát/bányászott tonna A gyémántot karátban mérik Szentjánoskenyérfa magja (keration) Precíziós tömegmérés Államonként eltérő Elfogadott: trójai, 205 mg Metrikus karát: 200 mg=0,2 g (1907) A bányászott, természetes gyémánt 20-25%-a alkalmas ékszerkészítésre Ez értékben ~70%-nak felel meg Legnagyobb: Cullinan gyémánt 621,2 g 7

8 Elv: Henry Moisson, 1890 Vastartalmú meteoritban találtak gyémántot A földhöz ütközve nagy hőmérsékleten a grafit oldódott, nagy nyomáson gyors hűtés hatására gyémánt formájában vált ki a szén ASEA: 1953, nem publikálták GE: 1954, atm, 3000 C Keményfém szegmensszerszám Kijevi Nagykeménységű Anyagok Kutatóintézete+MTAT mm-es nagyságig 1961: Chicagói Egyetem és DuPont robbantásos szintézise Könnyítés : lehet már 2000 C-on, GPa nyomáson is, ha átmeneti fémmagképzési centrumot és katalizátort alkalmaznak ~30-40 tonna/év mesterséges gyémánt termelés GE, Sumitomo Electrics, DeBeers (Dél-Afrika) Bevonatok, köszörűszabályozás, csiszolástecnika stb Fogalma: Két vagy több anyag előnyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok Az egyik legősibb kompozit a vályog Agyag és szalmatörmelék keveréke Vasbeton C-C kompozitok (féktárcsák) 8

9 Mátrix: körülfogja az erősítőanyagot, elosztja a terhelést Erősítő anyag: fő teherviselő Átmeneti réteg (interfész): az erősítőanyag és az alapanyag közötti kapcsolatért felelős Szilárdságnövelés Kis, nagy és normál hőmérsékleten is Törési biztonság Törési szívósság növelése Merevség növelése A rugalmassági modulusz növelése Súlycsökkentés Energia megtakarítás Mágneses és elektromos tulajdonságok javítása Kopásállóság Heterogén anyagú csapágyötvözetek, stb. Szupravezető szerkezetek előállítása Hőszigetelő képesség növelése Energiaelnyelő képesség fokozása Mechanikai rezgések, ütközés, stb. 9

10 ----- acél alumínium -- kompozit Column 4 súly hõtágulás merevség szilárdság szívósság Mátrix: Fémek (Al ötvözetek, egyéb könnyűfémek) Kerámiák (pl: Al 2 O 3 K IC növelése nitriddel) Polimerek (epoxi és egyéb gyanták) Karbon Erősítőanyag: Fém és kerámia szálak, szövetek, huzalok Kerámia szemcsék (pl: SiC, Al 2 O 3 ) Whiskerek Az erősítőanyag megjelenési formája szerint Szálerősítéses kompozit Rövid szálerősítés Hosszú szálerősítés Whisker erősítés Részecskeerősítés kompozit Réteges kompozit Szendvicsszerkezetű kompozit 10

11 Keverés Nyomásos infiltrálás 11

12 Eljárás Költség Erősítés Diffúziós kötés monoszálak Porkohászat Whiskerek Szórásos Szálas szövet módszerek Öntés jellegű Részecske és szál 12

13 ...a porózus szerkezetű fémes anyagok fogalma...az előállítási lehetőségeik...az alapvető tulajdonságaik...és potenciális alkalmazási területeik Morfológiai csoportosítás... Kompozitok, társított anyagok Szálerősítés Rövid szálas Hosszú szálas Whiskerek... Részecskeerősítés Speciális részecskeerősítésű kompozitok Vagyis: porózus szerkezetű fémek olyan kompozitok, ahol az erősítés levegő Csoportosítás felépítés alapján Nyitott cellás Zárt cellás Vegyes porozitás alapján Százalékosan megadva a porozitás mértékét Előállítási mód alapján Alkalmazási területük alapján... 13

14 Lehetnek nyílt- és zárt cellásak Ez alapvető megkülönböztetési mód A következő legfontosabb jellemző a porozitás Gázátbuborékoltatás Habképző anyaggal Ömledékmetallurgiai habosító eljárás Hő hatására kiolvadó anyaggal Folyamatos, kisajtolásos eljárás Kémiai reakció segítségével Fémgömbhéjak felhasználásával Üreges töltőanyaggal Kioldódó töltőanyaggal Miskolc Bécs együttműködés probléma: buborékstabilitás megoldás: stabilizáló részek Munkafolyamat: az alapfém és az adalék megolvasztása gázátbuborékoltatás a folyékony fémen keresztül a formába hűtés a forma segítségével 14

15 Habképző: titánhidrid (TiH 2 ) Porkohászati módszer 15

16 16

17 Hasonló módszer Fémolvasztás Habképző közvetlenül az ömledékbe juttatva Gáz, vagy por habosító anyag Habképződés az ömledék felületén Poliuretán (PUR) habra hordják fel a fémet Physical Vapour Deposition (PVD) A PUR habot kiolvasztják Legporózusabb >80% Ni, Al, Zn, Cu Prekurzor előállítása az ismertetett módon Fém+habképző Hevítés hatására a szerszámban habosodás indul meg A szerszámból kész fémhab távozik Az anyagáram irányítható 17

18 Gömbhéjak (hollow spheres) Ø0,5-10 [mm] s [μm] Diffúz hegesztés Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből Fizikai tulajdonságok Kémiai összetétel, [%] Átmérő μm Szilícium Alumíniumoxid Sűrűség kg/m Nyomószilárdság MPa Vasoxid 1 5 Olvadáspont ~1000 C Titánoxid 0,5 1 Forma gömbhéj Szín szürke csontfehér 18

19 töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása Sűrűség Nyílt <1000 [kg/m 3 ] Zárt ~1300 [kg/m 3 ] Térkitöltés Nyílt ~60-70 [%] Zárt ~60 [%] energiaelnyelés mechanikai ütközés rezgés akusztikus termikus elektromágneses Hosszú platós szakasz Sorozatosan összeroppanó cellák A görbe alatti terület arányos az elnyelt energiával Optimális sűrűség meghatározása Ütközők deformációja 19

20 hőcserélő (nyílt cella, λ~κ) nagy fajlagos felület (katalizátorok) lángfogó előnyös réteges kompozit maganyag (magasabb hőmérsékleten) kevésbé érzékeny a szennyeződésekre különleges megmunkálást igényel szűrő (nyílt cella) áramlási jelleg változtatás esztétikus A nyílt cellás fémhabokat nem vizsgáltuk Si tartalomtól és a T-től, t-től függően reakció alakulhat ki A reakció mechanikailag káros Teljes infiltráció, néhány törött gömbhéj Kősó lerakódás a felületeken, mindenhol 20

21 R m nyílt AlSi12Mg 0,15 R m AlSi12Mg R m nyílt Al99,5 0,1 R m Al99,5 R m zárt AlSi12Mg 0,2 R m AlSi12Mg R m zárt Al99,5 0,2 R m Al99,5 25 NA3 próbatest 50 ZB1 próbatest Feszültség, [MPa] Feszültség, [MPa] Elmozdulás, [mm] 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Elmozdulás, [mm] W/m nyílt AlSi12Mg [J/g] W/m nyílt Al99,5 8 [J/g] W/m zárt AlSi12Mg 35 [J/g] W/m zárt Al99, [J/g] Energiaelnyelés módja Ütközés-, rezgés csillapítás 30 NH1 próbatest ZA5 próbatest Feszültség, [MPa] Fajlagos hosszváltozás, [%] Feszültség, [MPa] Fajlagos hosszváltozás, [%] 21

22 Rúd-elem modell Voxel-elem modell Tetraéder-elem modell Gibson Ashby modell nyílt- és zártcellás esetben Elemi cella modellek 22

23 Orvosi implantátumok, csontszövet irányultság terhelés nélkül Szűrők, zagyleválasztás (könnyen tisztítható égetéssel) Hőátadó felületek, hőcserélők Szendvicsszerkezetű kompozitok távtartó eleme nagyobb hőmérsékleten Stabilitásnövelés üreges szerkezetekben Nagy merevségű tartópanelek űralkalmazásokban Modern elemek elektródája 23