2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés)

HTML
DOWNLOAD

Méret: px

Mutatás kezdődik a ... oldaltól:

Download "2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés)"

Tibor Katona
9 évvel ezelőtt
Látták:

1 2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés) Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Iroda: H épület 1. emelet; Tel.:

2 Vázlat Bevezetés Korszerű műszaki kerámiák Definíció Csoportosítás Szerkezet és tulajdonságok Alaptulajdonságok Alkalmazási területek és példák Összetétel és szerkezet Előállítás Összetétel-szerkezet-tulajdonság példák 2

Alaptulajdonságok Alkalmazási területek és példák

3 Korszerű műszaki kerámiák A szerkezeti anyagok fejlődése 3

4 Feszültség Korszerű műszaki kerámiák Mitől korszerű? Deformáció 4

5 Típusok, csoportosítás Összetétel alapján Oxidkerámiák Al 2 O 3, BeO, MgO, SiO 2, ThO 2, Y 2 O 3, ZrO 2 Nem oxid kerámiák Nitridek, karbidok, boridok, szilicidek, szulfidok Kombinációk Oxinitridek, karbonitridek, SIALON 5

oxid kerámiák Nitridek, karbidok, boridok, szilicidek,

6 Típusok, csoportosítás Szerkezet alapján Monolit kerámia Kerámia rétegek és bevonatok Társított kerámia kompozitok 6

7 Típusok, csoportosítás Funkcionális kerámiák Valamilyen különleges funkciót látnak el Szerkezeti kerámiák Szerkezeti elemként használják Mechanikai tulajdonságok 7

8 Szerkezeti kerámiák Magas hőmérsékletű, nagy szilárdságú kerámiák Porózus kerámiák Kerámia csapágyak Vágószerszámok Energiatermelésben és tárolásban alkalmazott kerámiák Méhsejt szerkezetű krodierit kerámiák Orvosi kerámiák Rétegszerkezetű funkcionális kerámiák Társított kerámia kompozitok 8

tárolásban alkalmazott kerámiák Méhsejt szerkezetű krodierit kerámiák

9 Funkcionális kerámiák Hőszigetelő és hővezető kerámiák Félvezető kerámiák Ionvezető kerámiák, oxigén érzékelők (szenzorok) Kémiai tüzelőanyag cellák Piezoelektromos kerámiák Dielektromos kerámiák Mágneses kerámiák Optoelektronikai kerámiák 9

(szenzorok) Kémiai tüzelőanyag cellák Piezoelektromos

10 Tulajdonságok és alkalmazások 7 10

11 Tulajdonságok és alkalmazások 11

12 Alkalmazási példák Mechanika 12

13 Alkalmazási példák Hőtechnikai alkalmazások 13

14 Alkalmazási példák Hőtechnikai alkalmazások 14

15 Alkalmazási példák Haditechnika, védőburkolat 15

16 Alkalmazási példák Optikai alkalmazás 16

17 Alkalmazási példák Elektronikai alkalmazások 17

18 Szerkezeti anyagok és kerámiák A legfontosabb mechanikai tulajdonságok 18

19 A kerámiák felépítése A főbb alkotóelemek, a földkéreg alkotói 19

20 Az elemek gyakorisága a földkéregben 20

21 Olvadáspontok, bomlási hőmérsékletek 21

22 Tartós alkalmazási hőmérsékletek Oxidkerámiák: olvadásponttól függ Nem oxid kerámiák 22

23 Fontosabb jellemzők Kémiai stabilitás Kis sűrűség (1,5-4,0 g/cm 3 ) Nagy keménység (8-20 GPa) Nagy szilárdság (0,5-3 GPa) Jó hőállóság ( C) Kis hőtágulás ( /K) Elektromos és hőszigetelés Félvezetés, szupravezetés Piezoelektromos jelleg Biokompatibilitás 23

24 Sűrűség Elméleti sűrűség ρ elm = m ec V ec m ec az elemi cella tömege m ec = N atomm atom N a V ec az elemi cella térfogata Térfogati sűrűség Példa A réz elméleti sűrűsége: 8,98 g/cm 3 A gyakorlati sűrűsége: 8,92 g/cm 3 ρ térf = m V ρ elm > ρ térf Porozitás Nyílt és zárt pórusok Példa 70% Al 2 O % SiC Az elméleti sűrűség: 0,7*ρ Al2O3 + 0,3* ρ SiC = 3,731 g/cm 3 A mért térfogati sűrűség 3,65 g/cm 3 Porozitás = 100 ρ térf ρ elm 100 = 2,2 % 24

25 Hőkapacitás, C p (cal/g atom/k) Termikus tulajdonságok Atomi mozgások (C p 3R) Hőmérséklet ( C) 25

26 Mechanikai tulajdonságok Merevség Elméleti szilárdság σ elm = Eγ a 0 σ elm - elméleti szilárdság E - modulus γ törési felületi energia a 0 atomi távolságok Anyag Modulus (GPa) Számított szilárdság (GPa) Mért szilárdság, szál (GPa) Mért szilárdság, próbatest (GPa) Al 2 O ,4 SiC ,7 26

27 Néhány korszerű kerámia 27

28 Előnyök Magas hőmérsékletű alkalmazhatóság Szuperötvözet: Számos egyéb ötvözőanyagot (Ni, Cr, Ti, Co, Mo, V, ) tartalmazó fémek, melyekben az ötvözés következtében olyan fázis jön létre, ami a diszlokációk mozgását nagymértékben akadályozza 28

29 Előnyök Tulajdonságok kombinációi Mechanikai Szilárdság Keménység Szívósság Kopásállóság Termikus Kis hőtágulás Jó hővezetés Jó hőállóság Kémiai Kémiai stabilitás Al 2 O 3 ZrO 2 SiC Si 3 N 4 29

30 Korszerű műszaki kerámiák előállítása Folyamatábra 30

31 Korszerű műszaki kerámiák előállítása Végtermék formája szerint 31

32 Korszerű vs. hagyományos kerámiák Korszerű Kémiai módszerek (kicsapás, porlasztva szárítás, gőzfázisú, S-G Fröccsöntés, formaöntés, S-G, HP, HIP, RP Elektromos, MW kemence, reaktív szinterelés, HP, VD, PS Csiszolás, lézer, PS, bevonás, ionimplantáció Fénymikroszkóp, XRD, SEM, TEM, ND, XPS Előállítás Formázás Hőkezelés Végső megmunkálás Jellemzés Hagyományos Természetes ásványok (agyagok, homok) Formaöntés, sajtolás, korongozás Égetőkemence (olaj, földgáz, szén) Csiszolás, mázazás Vizuális, fénymikroszkóp 32

33 Korszerű és hagyományos kerámiák Rövidítések az előző ábrához S-G: Sol-Gel (szol-gél) HP: Hot pressing (melegsajtolás) HIP: Hot isostatic pressing (izosztatikus melegsajtolás) RP: Rapid prototyping (gyors prototípus gyártás) MW: Microwave (mikrohullám) VD: Vapor deposition (leválasztás gőzfázisból) PS: Plasma spraying (plazmaszórás) XRD: X-Ray diffraction (röntgen diffrakció) SEM: Scanning electron microscopy (pásztázó elektronmikroszkópia) TEM: Transmission electron microscopy (transzmissziós elektronmikroszkópia) ND: Neutron diffraction (neutron szórás) XPS: X-Ray photoelectron spectroscopy (röntgen fotoelektronspektroszkópia) 33

34 Összetétel-szerkezet-tulajdonság MgO kerámia: szilárdság szemcseméret Polikristályos kerámiák szilárdsága függ a szemcsemérettől Végső szemcseméret befolyásolása Kiinduló por szemcsemérete Alapanyag előkészítése Hőkezelés körülményei Szemcsehatárok szerepe Egyéb befolyásoló tényezők Alapanyag tisztasága Pórusok száma és eloszlása Második fázis elhelyezkedése 34

35 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Átlátszó tulajdonságok: fényszóródás Szennyeződéseken Pórusokon Kristályos szemcsehatárokon A szennyezések elkerülése: kémiai szintézis Porozitás csökkentése meleg sajtolással Átlátszó PLZT (Pb-La-Zr-titanát) kerámiák Sandia National Laboratories (USA) 1970-es évek Felvillanás okozta Hadiipar vakság ellen Vadászpilóták részére Perovszkit típusú kristály, piezoelektromos és elektrostriktív tulajdonságok (nanoelektronika, aktuátorok) 35

36 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Polikristályos AlN: az elméletinél rosszabb hővezetés Ok Szennyeződések Fonon szórás Megoldás: Y 2 O 3 vagy CaO adagolása Csökkentik az oxigéntartalmat Oxigénelnyelőként működnek AlN porra összekeverve hatékonyak Az adalék Külön fázist képez az AlN szemcsék felületén lévő oxigénnel A külön fázis a hármas pontoknál dúsul fel Szemcsehatárok az AlN kerámiában Az Y-ban gazdag fázisok jelenléte Fononok: szilárd anyagokban található atomok rezgési átmeneteinek energiakvantumai 36

37 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Lágy ferritek (Mn 1-x Zn x Fe 2 O 4 ) Elektronikai eszközök (TV elektronsugár mozgatása) Permeabilitásuk függ a szemcsemérettől Nagy hibamentes kristályok előnyösek Nagyon mozgékony doménhatárok Jobban közelíthető a telítési mágnesesség Rácshibák és szemcsehatárok összenyomják a doménhatárokat 37

Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Al 2 O 3 kerámiák: elektromos szigetelés Nagy elektromos ellenállás Kis dielektromos állandó Legtöbb esetben adalékolják Szilikátokkal Szinterelési hőmérséklet

38 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Al 2 O 3 kerámiák: elektromos szigetelés Nagy elektromos ellenállás Kis dielektromos állandó Legtöbb esetben adalékolják Szilikátokkal Szinterelési hőmérséklet csökkenés Szerkezet Az Al 2 O 3 szemcsék között üvegszerű szilikát fázis Tulajdonságok változása Nagyobb vezetőképesség (gyújtógyertya foglalat) Elektromos tulajdonságok változtathatóak a szilikát adalék mennyiségével 38

39 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Többkomponensű elegyek MgO (39,4%), Cr 2 O 3 (39,4%) és TiO 2 Páratér szenzor Fizikailag megkötött víz Szemcse Nyak Kémiailag megkötött víz Elektróda Automatikus mikróhullámú sütő Szemcsék közötti tér Páratér szenzor Magnetron Szellőzés Sütési idő Sütőtér Nitta et al. Ceramic humidity sensor Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 20. (1981) Étel 39

40 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Hétköznapi alkalmazások Kerámia kések ZrO 2 Mohs keménység 8,5 Edzett acél keménysége 8 Gyémánt keménysége10 Rideg anyag ezért társítani kell Y 2 O 3 (3 %-ban) A repedések keletkezésekor az Y 2 O 3 polimorf átmenete játszódik le, mely során a térfogata megnő így begyógyul a repedés Előállítás: préselés és szilárd fázisú szinterelés Élezés: gyémánt poros élező 40

41 Összetétel-szerkezet-tulajdonságok Kerámia edények serpenyők Silargan Nano-kerámia bevonatok Acél serpenyő (relatív jó hővezető) Kerámia bevonat (ellenálló, inert, nem tapad hozzá semmi) Ti és kerámia szemcsék 2000 C égetés 41

Hasonló dokumentumok

SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3

SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3 ALKALMAZÁSOK 2. SiAlON A műszaki kerámiák (Al 2 O 3, Si 3 N 4, SiC, ZrO 2, TiC, TiN, B 4 C, stb.) fémekhez képest igen kemény, kopásálló, ugyanakkor rideg, azaz dinamikus igénybevételek elviselésére csak