Kerámiák. Keszler Anna. Hagyományos és korszerű műszaki kerámiák. MTA Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet

Átírás

1 Kerámiák Hagyományos és korszerű műszaki kerámiák Keszler Anna MTA Természettudományi Kutatóközpont Anyag- és Környezetkémiai Intézet

2 Anyagválasztás szempontjai A felhasználó dilemmája Felhasználói igények Melyiket válasszam? - Alkalmazási körülmények Tulajdonságok - Fizikai, kémiai, mechanikai Költségek - Gyártási költségek, újrahasznosíthatóság Egyéb szempontok - Várható élettartam, megjelenés

3 Kerámiák általában

4 Kerámiák Régen: égetett agyagból készített tárgyak Ma: szervetlen, nemfémes anyagok, melyekben a fémes és nemfémes elemek között elsősorban ionos és/vagy kovalens kötések alakultak Kerámia anyagok csoportosítása Gyártás szerint: Olvasztás (üveggyártás) Hidrát kötés (cement) Nedves formázás (agyag áruk) Porkohászat (műszaki kerámiák) Szerkezet szerint: Amorf (pl. üveg) Kristályos (pl. bórnitrid) Vegyes (agyag árúk) Eredet szerint: Természetes anyagok (pl. gránit, bazalt, ) Mesterséges kerámiák (pl. SiC)

5 Kerámiák csoportosítása történelmi Hagyományos (klasszikus) kerámiák Régen Korszerű műszaki kerámiák Ma

6 Hagyományos kerámiák bbb

7 Hagyományos kerámiák Agyagásványokból álló kőzetek vízzel összekeverve formázhatók Elsődleges üledékes kőzetek, pl. földpátok geológiai öregedése során alakulnak ki Földpátok: vízmentes alkáli- vagy mész-alumínium-szilikátok Legfontosabb ásványcsoport: a földkéreg %-át alkotják Típusok Egydimenziós agyagásványok Láncszerkezetűek Kétdimenziós agyagásványok Atomkötegekből kialakuló rétegkomplexumok 1:1, 2:1, 2:2 típusok Amorf agyagásványok

8 Kristályszerkezet Alumínium-hidroxid-szilikátok (x Al 2 O 3 y SiO 2 z H 2 O) Kristályos, rétegrács szerkezetű anyagok Kaolinit (1:1) típusú rétegszilikát Al 2 O 3 2 SiO 2 2 H 2 O Pirofillit (2:1) típusú rétegszilikát Al 2 O 3 4 SiO 2 H 2 O H Al Si Hidrogén hidak O

9 Hagyományos - Korszerű Kerámiák Kerámiákra általában jellemző nagy ridegség kis alakíthatóság Tulajdonságok nem megfelelő reprodukálhatósága közepes, ill. nagy kötési energia közepes, ill. nagy szilárdság magas olvadási hőmérséklet jó korrózióállóság változás Korszerű műszaki kerámiák

10 Korszerű kerámiák

11 Mitől korszerű egy kerámia

12 Korszerű műszaki kerámiák Általában mesterséges, meghatározott összetételű és morfológiájú porokból, szigorú technológiai feltételek mellett készülnek Fontosabb jellemzők

13 Szerkezeti anyagok fejlődése

14 Miért előnyösek a korszerű kerámiák? Tulajdonságok kombinálhatók Mechanikai Szilárdság Al 2 O 3 Keménység Szívósság Kopásállóság ZrO 2 Termikus Kis hőtágulás Jó hővezetés Jó hőállóság SiC Kémiai Kémiai stabilitás Si 3 N 4

15 A korszerű kerámiák főbb típusai Összetétel alapján: oxid kerámiák (Al 2 O 3, BeO, MgO, SiO 2, ZrO 2 ) nem-oxid kerámiák karbidok (TiC, SiC), nitridek (Si 3 N 4 ) boridok (ZrB 2, LaB 6, TiB 2 ), Szerkezet alapján: monolitok kerémia rétegek társított kerámiák, kompozitokok Rendeltetés alapján: Funkcionális - hőszigetelő és hővezető kerámiák - félvezető, szupravezető kerámiák - piezoelektromos kerámiák -dielektromos kerámiák - mágneses kerámiák - optoelektronikai kerámiák Szerkezeti - méhsejt szerkezetű,kordierit kerámiák - vágószerszámok - porózus kerámiák - orvosi kerámiák - magas hőmérsékletű kerámiák - társított kerámiák

16 Olvadáspontok, bomlási hőmérsékletek ( C) CrB 2 MoSi 2 LaB 6 MoC WB 2 HfB 2 NbC HfC Cr 3 C 2 WSi 2 CrB 2 ThC VC TaB 2 Ta 2 C TaC β-si 3 N 4 α- Al 2 O 3 B 4 C UC BN TiB 2 ZrC SnO 2 BaO Al 2 O 3 SiC WC TiN ZrB 2 SiO 2 MgO Cr 2 O 3 AlN ThN ZrN TiC 2BaO SiO 2 2MgO SiO 2 Cr 2 O 3 UN HfO 2 ThO 2 Al 2 O 3 TiO 2 MgO ZrO 2 La 2 O 3 BeO MgO 2MgO TiO 2 ThO 2 SiO 2 UO 2 CaO ZrO 2 CaO HfO 2 SrO ZrO 2 SiO 2 Y 2 O 3 CaO ZrO 2 NaO ZrO 2 ThO 2 ZrO 2 SrO ZrO 2

17 Tartós alkalmazási hőmérsékletek levegőn ( C) Oxidkerámiák: olvadásponttól függ Nem-oxidkerámiák: 600 alatt B 4 C ZrC HfB 2 CrB 2 TiN TiB 2 SiC MoSi 2 UC VC TaB 2 AlN ZrN ZrB 2 WSi 2 ThC TaC VB 2 ZrSi 2 TiSi 2 Cr 3 C 2 szulfidok Mo 2 C UB 2 TaSi 2 Si 3 N 4 WC TiC Cr 3 Si 2

18 Tulajdonságok és alkalmazások Tulajdonság Kerámia anyag Alkalmazás Bi 2 Ru 2 O 7 Vékonyfilm ellenállások vezető komponense Elektromos SiC Ellenállásfűtések anyaga SnO 2 Elektromos üvegolvasztó kemencék elektródanyaga α-al 2 O 3 Gyújtógyertyák szigetelő része Dielektromos Pb-Zn-titanátok Mikroszivattyúk SiO 2 Kemencetéglák γ-fe 2 O 3 Hang/ kép-rögzítő szalagok Mágneses Mn 0.4 Zn 0.6 Fe 2 O 4 Érintőképernyős telefonokban a transzformátor mag BaFe 12 O 18 Mikrofonok permanens mágnese SiO 2, TiC Űrsiklók hővédő bevonata Termikus Al 2 O 3, AlN Integrált áramkörök burkolóanyaga Li-Al-szilikát üvegkerámia Teleszkóptükrök hordozóanyaga Adalékolt SiO 2 Optikai szálak Optikai Pb-La-Zn-titanátok Vékonyfilm optikai kapcsolók Nd-dopolt Y 3 Al 5 O 12 Szilárdtest lézerek TiN Kopásálló bevonatok Mechanikai SiC Polírozó anyagok Si 3 N 4 Motoralkatrészek Al 2 O 3 Csípőprotézisek

19 Optikai szál

20 Kapcsolatrendszer Összetétel Előállítás Szerkezet Tulajdonságok

21 Összetétel tulajdonság szerkezet előállítás MgO kerámia: szilárdság szemcseméret összefüggés Polikristályos kerámiák szilárdsága függ a szemcsemérettől Végső szemcseméretet befolyásolja Kiinduló por szemcsemérete Alapanyag előkészítése Hőkezelés körülményei Fontosak a szemcsehatárok is Szilárdság függ továbbá Alapanyag tisztaságától Pórusok számától és eloszlásától Második fázis elhelyezkedésétől Pilótasisak felvillanás okozta vakság elleni védőüveggel Átlátszó kerámiák: a fény ne szóródjon Fényszóródás: Szennyezéseken Pórusokon Szennyezések elkerülése: -- Kémiai szintézis Porozitás csökkenthető melegsajtolással Átlátszó PLZT (P-La-Zr-titanát) kerámiák Sandia National Laboratories (USA) fejlesztése 1970-es években Vadászpilóták részére

22 Előállítási módszerek és eljárások

23 Kerámiák előállítása Alapanyag gyártás Formázás Hőkezelés (szinterelés) Utómegmunkálás Termékminősítés

24 Korszerű műszaki kerámiák előállítása Másféle értelmezés Kiindulási vegyületek Kerámia elővegyületek Blend-készítés Tűkristály Film Tömb kristály Formázás Szilárd hordozó Rétegek, bevonatok Tömör kerámiák Társított anyagok

25

26

27 Kerámiaporokkal szembeni igények Tulajdonság Összetétel Szennyeződés Sztöchiometria Fázisösszetétel Szemcsék alakja Szemcseméret Méreteloszlás Igény Homogén Kevés, vagy egyáltalán nincs Sztöchiometrikus Stabil fázisok Egységes és többnyire gömbszerű Kicsi Technológiának megfelelő (szűk) Kémiai szintézisekkel előállított porokra van szükség!

28 Kerámiaporok előállítása Alapanyagok szerint Szervetlen alapanyagokból Fémorganikus vegyületekből Előállítási módszer szerint Szilárdfázisú reakciók Oldatfázisú reakciók Gáz/gőzfázisú reakciók Szól-gél eljárások Hidrotermális szintézisek BaO Fe 2 O 3 előállítása Golyós malom, 200 o C, 4h 200 o C, 2MPa, 4h Kiindulási oxidelegy

29 Előállítás: Szol-gél eljárás Szintézis fémorganikus vegyületekből Hidrolízis és kondenzáció Fém alkoxid oldat Hidrolízis Szol (oldat) Szuszpenzó (részecskék) Gélesítés Polimer gél (előkerámia) Gélesítés Részecske gél Szárítás Szárított gél Szárítás Hőkezelés Tömör kerámia

30 Élőállítási módszer megválasztása Si 3 N 4 porok előállítása Fém szilícium közvetlen nitridálása 3 Si + 2 N 2 = Si 3 N 4 ( o C) Szintézis termikus plazmában 3 SiCl NH 3 = Si 3 N HCl ( o C) Szilícium-diimid előállítása és bontása SiCl NH 3 = Si(NH) NH 4 Cl ( o C) 3 Si(NH)2 = Si 3 N NH 3 ( o C) A 2. és 3. módszernél amorf porok képződnek Kristályosítás nitrogénben, o C-on

31 Sugármalom

32 Porok őrlése örlőberendezések Típus Berendezés Alkalmazás Elsődleges törés Másodlagos törés Finomőrlés Pofástörő Ércek, ásványok Kalapácsos törő Mészkő, laza agglomerátumok Hengeres törő Csapos törő Forgómalom Angmill Vibrációs malom Sugármalom Kolloid malom Ércek, mezőgazdasági termékek Ásványok, élelmiszerek Kerámiai anyagok szárazőrlése Ásványok szárazőrlése Hőmérséklet és gázatmoszféra beállítása Finom porok eloszlatása Porok finomőrlése folyadékban

33 Porok előkészítése formázáshoz formázás Nedves formázási módszerek: A formázási módszertől függ Porok eloszlatása alkalmas folyadékban (kolloidok) Adalékanyagokra van szükség plasztifikáló-, stabilizálószerek, kötő- és kenőanyagok Száraz porok sajtolása: Adalékanyagokra van szükség plasztifikálószerek, kötő- és kenőanyagok Formázási eljárások Lecsapolásos öntés (drained casting) Folyékony és szilárd alkotók elválasztása Leggyakoribb módja a szalagöntés Állandó térfogatú formázási eljárások Gél-öntés Préselés (extrudálás) Fröccsöntés Sajtolás (CP, CIP, HP, HIP)

34 Adalékanyagok Diszpergálószer: csökkenti a viszkozitást Kötőanyag: a nyers szilárdság növelésére használják Folyósítószer: a kötőanyag lágyságát növeli, és csökkenteni a porkötőanyag keverék nedvesség érzékenységét Csúsztató adalék: csökkenti a belső súrlódási együtthatót Nedvesítő anyag: az anyag reológiai tulajdonságainak befolyásolása a mellett csökkenti a szinterelési időt és hőmérsékletet

35 Szinterelés (zsugorítás) Szinterelés célja: Részecskék összekapcsolása Porozitás csökkentése Végső fázisösszetétel és mikroszerkezet kialakítása

36 Szinterelési módok Formázott porelegy hőkezelés (szinterelés) magas hőmérsékletű tömör kerámia

37 Szikrakisüléses Plazma Szinterelés A minta fűtését a két, dugattyúként használt elektródán átmenő töltésáramlás miatt a porszemcsék között kialakuló kis szikrák végzik, melyeket váltóárammal hozunk létre (5-10 V és 5-10 ka). Ezzel a módszerrel a tömörödés nagyon gyorsan (5-20 perc) lejátszódik.

38 TÁRSÍTOTT KERÁMIÁK Mátrix + Erősítőfázis Társított rendszerek Miért szükséges? Mechanikai tulajdonságok javítása Feszültségkoncentráció elkerülése Erősítőfázis: terhelés viselése Mátrix: terhelés közvetítése az erősítőfázishoz Különleges tulajdonságkombinációk kialakítása Szilárdság vs. hőállóság Merevség vs. ütésállóság Égésgátolt vs. antisztatikus jelleg Korszerű műszaki kerámiák társított rendszerei Jellemző tulajdonságok Kis tömeg Kiváló kémiai ellenállóképesség Nagy hőállóság és hősokkállóság

39 Kerámia mátrixú társított anyagok (CMC) Nem folytonos erősítőfázis 1 2 Kerámia mátrix Nanoméretű erősítőfázis Folytonos erősítőfázis 3 Oxid alapú mátrixok CMC: mátrix anyagok Al 2 O 3, SiO 2, MgO, TiO 2, szilikátok Technológiailag jobban megalapozottak Környezeti szempontból stabilisak Olcsóbban gyárthatók Nem oxid alapú mátrixok SiC tűkristályok erősítőfázis Si 3 N 4, BN, Sialon, SiC, B 4 C, TiC, MoSi 2 Kiváló mechanikai és hőtechnikai jellemzők Nagy keménység Korrózióállóság

40 Felületi rétegek/bevonatok Cél: felületi tulajdonságok módosítása Védő-, módosító- és/vagy funkcionális réteg Rétegkialakítási módszerek: Fizikai módszerek - Termikus elpárologtatás és leválasztás (TED) - Pulzált lézersugaras leválasztás (PLD) - Molekulasugaras epitaxia (MBE) Alkalmazások: Optikai bevonatok Tribológiai rétegek Tüzelőanyag cellákhoz ionvezetők Katalizátor rétegek Mikroelektronikai eszközök: RAM, DRAM - Porlasztásos leválasztás (SD) Kémiai módszerek - Kémiai leválasztás oldatból (CSD) - Kémiai leválasztás gőzfázisból (CVD) Termikus szórás - Lángszórás - Plazmaszórás

41 Oxidok pulzált lézersugaras leválasztása Fizikai módszer Oxigén bevezetés Ablak Melegítő Hordozó Plazmazóna Pulzáló lézer Lézersugár Lencsék Céltárgy Leválasztó kamra Szivattyúhoz

42 Rétegleválasztás plazmaszórással Fizikai módszer Vízhűtés Kerámia por Olvadék, fél-olvadék vagy szilárd Hordozó Plazma gázok Plazmaszóró fej Kamra (vákuum)

43 Néhány fontos tulajdonság - meghatározás Termikus tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok Optikai tulajdonságok Elektromos és dielektromos tulajdonságok Mágneses tulajdonságok

44 Mechanikai tulajdonságok A kerámiák mechanikai jellemzői és azok meghatározásának módszerei lényegesen különböznek a fémeknél és ötvözeteknél megszokottaknál A kerámiákat nem használják húzó igénybevétel esetén Rugalmassági modulusz Keménység Törési szilárdság Szakító szilárdság Hajlító szilárdság Nyomási szilárdság Két oldalon alátámasztott, középen terhelt rúd elhajlása négypontos hajlítószilárdság hárompontos hajlítószilárdság Nyomórúd Nyomópofa Minta Nyúlásmérő

45 Biokerámiák Biokerámia: korszerű kerámiai anyag, amely alkalmas az emberi szervezetbe történő beültetésre, csont- és fogpótlás céljából Apatitok M 10 (ZO 4 ) 6 X 2 fém nemfém halogén Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 Ca 10 (PO 4 ) 6 F 2

46 Nanotechnológia, Nanokerámiák 1 nanometer (nm) 10-9 méter 6-10% súrlódáscsökkentés, t kerozinnal kevesebb szükséges évente 1 repülőgépre számítva

47 Irodalom [1] Szépvölgyi János: Korszerű műszaki kerámiák, BME, Budapest, oktatási segédlet, 2010 [2] Konczos Géza: Kerámiák (internetről letölthető) [3] Szépvölgyi János: Korszerű műszaki kerámiák, Magyar Tudomány 1994, 4.sz old.