Kerámiák. Csoportosítás. Technológia

Átírás

1 Csoportosítás Kerámiák Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegekek, Fémoxidok, nitridek, boridokstb. Mesterségesen előállított szilárd, nemfémes, szervetlen (műszaki) anyagok. Technológiájukbanközös; nyers formázás hőkezelés (kivétel: üveg) A kerámiák szerkezete Polikristályos anyagok 1. Kristályos fázisok:különböző összetétel, méret, kristályszerkezet mechanikai és villamos 2. Üveges fázis: szilárdság, ridegség, átütési szilárdság 3. Gáz fázis: rugalmasság, hőszigetelés A fázisok egymáshoz való viszonya szabályozható az összetétellel és a technológiával 1. Homogenizálás Nyersanyagok + víz + kötőanyagok 2. Formázás Korongolás (kézi, gépi) Sajtolás (izosztatikus, forró) Extrudálás Fröccsöntés 3. Hőkezelés Szárítás Technológia Égetés az op (K) 80 90%-án Nedvesség, kötőanyag eltávozása Polimorf átalakulás Átkristályosodás Olvadék keletkezése Szilárd fázisú reakciók, hőbomlás, diffúzió Tömörödés, zsugorodás 4. Mechanikai utómunkák Tulajdonságok Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság Ideálisan rugalmas = rideg Jó hőállóság Általában jó hőszigetelés Jó villamos szigetelés Kerámia típusok Porcelán: kaolin kvarc földpát x(nak) 2 O yal 2 O 3 zsio 2 közepes szigetelőanyag, főképp az alkáli-tartalom miatt Szteatit MgO-SiO 2 alkálimentes, jobb villamos Ellenállás-hordozók, kondenzátorok, hálózati szigetelők 1

2 Alumínium-oxid - Korund -Nagyon jó szigetelő: ρ >10 16 Ωcm tgδ <10-3 -Készítenek: 90%, 99%, 99,9%-os tisztaságút -Égetés: C -Finomszemcsés, ~ 100% tömör. Gázfázis nincs, üvegfázis 0 1% között. -Hordozó,(IC, MCM) Na-lámpa kisülőcső Egyéb különleges kerámiák Si 3 N 4, AlN: jobb hővezetők, nagy alkatrész sűrűségű IC hordozó Szupravezető kerámiák: YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 Kondenzátorok: I típus:tio 2 MgTiO 3 II. típus:batio 3 ferroelektromos Csoport Jell. képviselő Tulajdonság, jellemző Felhasználás Szilikátok: Porcelán (kaolin, földpát, kvarc alkáli-alumínium-szilikát) hagyományos dísz és ipari kerámia, hálózati szigetelő BeO: jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó nagyfrekv. szigetelő, ák. hordozó hővezető ZrO 2 Hőálló, ionvezető tűzálló anyag, oxigén szenzor Titanátok: TiO 2 magas dielektromos állandó I. tip. kondenzátor Nitridek: BaTiO 3 Si 3 N 4, AlN, BN nagyon magas dielektromos állandó, ferroelektromos, piezoelektromos jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető, jó mechanikai tul. II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek nagyfrekv. szigetelő, hordozó, gyémánt helyettesítés Karbidok: SiC, jó mechanikai tul., félvezető, hőálló varisztor, kék LED, fűtőellenállás Ferritek Szteatit (magnézium-szilikát) nagyfrekv. szigetelő, ellenálláshordozó Korund: Al 2 O 3 jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, MCM hordozó, nagyfrekv. szövetbarát szigetelő, implantátum Oxidkerámiák: Szupravezetők WC B 4 C jó mechanikai tul. YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 T c 100K atomreaktor lágy és kemény mágnesek 1. Anyagtípus 2. Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO 2, (Ge, B, P-oxidok) Üvegek Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik. Technológia Alapanyagok: kvarchomok, módosítók: Na 2 O, K 2 O stabilizálók: CaO, MgO, B 2 O 3 Al 2 O 3 színezők, színtelenítők, egyéb speciális adalékok Olvasztás: ~ 1500 C Táblahúzás, csőhúzás, öblösüveg fújás Temperálás Viszkozitás Meghatározza a technológiát, hőkezelést, feszültségeket Lágy üveg: adott viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el Kemény üveg: ~ Okok:az üveg rossz hővezető nagy a hőtágulása T g alatt nincs képlékeny alakváltozás Veszélyes, mert kicsi a húzószilárdság nincs krisztallithatár a mikrorepedés akadály nélkül terjedhet Feszültségek Típusok: Maradandó: kötési Üveg üveg Fém üveg Kerámia üveg Temperálható: Hűlési Ideiglenes Mechanikai T g alatti hőmérsékletkülönbség 2

3 Üvegtípusok Lágy Na, Ca, Mg oxid, Σ30% Kemény alkáliszegény/mentes B 2 O 3, Al 2 O 3 Laboratóriumi, háztartási hőálló üveg, IC hordozó, fényforrás Kvarc Tiszta SiO 2, legjobb mechanikai, villamos, optikai, termikus tul Vitrokerámia, üvegkerámia Feldolgozás üvegként, utána kristályosító hőkezelés Egy vagy több kristályfajta kiválik Tulajdonságok: Kerámia: szilárdság, hőállóság Üveg: tömörség, felületi simaság Elérhető negatív vagy 0 hőtágulás LTTC üvegkerámia szerkezet kialakulása (Multichip modul hordozó) Villamos Ált: jó szigetelő ρ: Ωcm csekély ionos vezetés, (Na + ), keményü, kvarcü. jobb szigetelő Hőmérsékletfüggés exponenciális, T K100 = az a T, ahol ρ= 100MΩcm Felületi ellenállás:nagyon függ a páratartalomtól és a felület állapotától Átütési szilárdságnagy: kb kv/ cm romolhat: nagy alkáli tartalmú üvegekben Hibás, buborékos üvegben Dielektromos : ε rel : 3-10 tgδ: 10-4 (kvarc) 10-1 lágy üveg Polimerek Alapfogalmak Természetes polimerek: Poliszacharidok(keményítő, cellulóz) Polipeptidek, fehérjék Kaucsuk, gumi Mesterséges polimerek, műanyagok Monomer: építőegység Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal Alapstruktúra : Szabad rotáció Láncalkotók (monomerek) szerint Szénlánc: Poli-etilén, PE Poli-vinilklorid, PVC Csoportosítás Poli-propilén, PP Poli-sztirol, PS Heterolánc Poliéter: -R O R O Poliészter: -R O CO R Poliamid: -R CO NH R Poliuretán, poliszulfid, stb. Szilikonok: 3

4 Polimer lánc alakja szerint Lineáris, fonal Elágazó fonal Térhálós Kissé térhálós: elasztikus Termikus viselkedés szerint Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló Hidegen keményedő Mikroszerkezet Amorf:üvegszerű, összegabalyodott láncmolekulák általában átlátszó (PMMA, PS) Kristályos:részben rendezett tartományok. jell.: kristályosság foka: 50 90% általában átlátszatlan (PE, PP) Feltétel: Nem elágazó láncok Közel azonos lánchossz Esetleg H-híd a láncok között (pl: nylon) A polietilén mikroszerkezete Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok: Monomertől, technológiától, katalizátortól függ Polarizációs mikroszkóppal készített felvétel a PE szferolit szerkezetéről Hőállóság mésékelt Jellemző hőmérsékleti tartományok: Termikus T g : transzformációs hőm T f : lágyulási hőm T D : degradálódási hőm Használható tartomány: Leggyakoribb T g ést f (ill. T m ) között T g alatt törékeny fagyállóság határa (T m : a kristályos fázis olvadáspontja) Amorf polimerek termomechanikai görbéi Részben kristályos polimerek termomechanikai görbéi 4

5 Mechanikai A viszkoelasztikus viselkedés Minden tulajdonság nagyon függ: Kémiai összetételtől (monomer) Polimer molekula mérete alakja Adalékok Szál, fólia erősebb, mint a tömb Hőmérséklet: T g alatt / fölött Gyakorlatilag tetszőleges mechanikai előállíthatók Polietilén és polisztirol nyújtási diagramja Kémiai Optikai Villamos Általában jó vegyszerállóság Savaknak, lúgoknak ellenáll Oldószerekben néha duzzad, ritkán oldódik (de PVA vízben oldódik) Korrózió: csekély, de feszültségkorrózió: mech feszültség + oldószer / felületaktív anyag Öregedés, lassú oxidálódás, bomlás Üveg helyettesítés: PMMA, PC Amorf: átlátszó Kristályos: matt Mindegyik színezhető UV érzékenység: bomlás, elszíneződés Kettőstörés: Mechanikai feszültségektől Láncmolekulák rendeződésétől Szigetelők: villamosiparban: PE, PP PVC: ált. szigetelő (kábel) PS: fóliakondenzátor Teflon, szilikon: különleges célokra, nagy ρ, kis tgδ NYHL: (üvegszálas) epoxi Átütési csatorna PP-ben Vezető polimerek OLED sávszerkezete Egyszerű OLED működése Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród Hordozó + - Emittált fény 5

6 Kopolimerek, adalékok Kopolimer:Együtt polimerizálva több monomer láncon belüli keveredés Pl: PE PP SAN (stirol akrilnitril), ABS (akrilnitril butadién stirol) Adalékok Lágyító Stabilizátor, öregedésgátló UV stabilizátor Öregedés gyorsító Lánggátló Színező Antisztatizáló Habosító Rövid ismertetés a jegyzet Polimerek c. fejezetében Típusok Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele Kompozitok Társított anyag a tervszerű alakítására Töbfázisú, összetett rendszer: Erősítő, ~ szálerősítő. Nagy szilárdság, nagy rugalmasági modulus (E) Befoglaló, mátrix. Kisebb szilárdság, nagy szívósság Jó kapcsolat a kettő között Cél: egynemű anyagban együtt el nem érhető tulajdonság-kombinációk megvalósítása. Eredetileg: hagyományos fémes szerkezeti anyagok mechanikai jellemzői és kisebb sűrűség, esetleg korrózióállóság, villamos szigetelés. Erősítő Alapvetően szálas, mert a terhelés legtöbbször irányfüggő d ~ 10 µm A vékony szál általában hibátlanabb szerkezetű, jobb mechanikai, mint a tömb anyagban. (polimer láncok párhuzamosan rendeződnek, üvegszálban hibátlanabb a felület) 6

7 Erősítőanyagok fő mechanikai tulajdonságai Erősítőanyagok Száltípus Üvegszál (E) Aramid (Kevlar) Polietilén (UHMWPE) Acél Szénszál(HS) Sűrűség g/cm 3 Szakítószilárdság (GPa) Rugalmassági modulusz (GPa) Szakadási nyúlás (%) Fajlagos szakadási hossz (km) 2.6 2,5 72 4,8 96 1,45 3,3 75 3, ,97 3,3 99 3, ,8 0,4 1, ,1 50 1,8 3, ,4 190 Üvegszál: E-üveg : alkáliszegény boroszilikát C-üveg: kémiai ellenállás jobb R, S, T: javított mech. tul. Aramid(kevlár): (aromás poliamid) Szénszál:PAN szál hevítésével. Jó mechanikai tul. mellett kémiai ellenállás (HS: nagy szilárdság, IM: közepes modulus) Bór:C vagy W szálra Polietilén: ultranagy molekulatömeg, párhuzamos polimer láncok Kvarcüveg, kerámia, Természetes szálak Rövidszálas erősítés Előnyös hőre lágyuló mátrixban, mert a hagyományos műanyag formázás használható Szálirány áramlás közben rendeződhet Erősítő fajlagos felülete nagy legyen elegendő tapadás Kritikus szálhossz függ a tapadási nyírófeszültségtől, pl. üveg/epoxi esetén 0,25 0,03mm Lökhárító: PP és részben irányított üvegszál Szövött erősítő Felületek kialakítására Különböző mintázattal Mátrix anyagok Szerep: az erősítő (szálak) elválasztása, a terhelés továbbítása, elosztása, kémiai védelem önálló mechanikai, villamos, termikus Hőre lágyuló polimerek Térhálós polimerek: epoxi, poliészter Üveg Kerámiák, fémek A mátrix és az erősítő közötti kötés Megfelelő erős kötés a szál és a mátrix között (ha túl erős, rideggé válik a kapcsolat, a repedés nem áll meg) A mátrix zsugorodása belső feszültséget okozhat. Poliésztereknél ~8% Az üveg epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre Kompozit Lehet: csak az erősítő, csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy eredő Hőállóság: mátrix Vill.tul: eredő Szója alapú biokompozit törésfelülete 7

8 Technológia Anyagpárosítástól, alaktól függően egyedi, sok kézi munkával Rövidszálú erősítő + hőre lágyuló mátrix: szokásos polimer technológiák (fröccsöntés, sajtolás, extrudálás, stb.) Rövid szál + hőre nem lágyuló mátrix felvitele szórással Hosszú szálú erősítő + hőre nem lágyuló mátrix: Szál, szövet előállítása külön folyamatban Laminálás Több réteg, szövött erősítő Döntő a térhálósodás teljes végbemenetele. Monomer ne maradjon. Lehet: Hőre térhálósodó Hidegen keményedő (exoterm, rossz hővezető!) Prepreg: szövet bevonva részben térhálósított gyantával (preimpregnated) Kézi laminálás Pultruzió: az erősítő szálak rendezett elhelyezése Alkalmazások Vonat vezetőfülke Közlekedés: súlycsökkenés, korrózióálló, vízálló, Sporteszközök Villamosipar: NYHL, villanyoszlop, szélkerék Szénszál-kompozitos kerékpár Különleges kompozitok Folyadékkristályos polimerek (LCP): Pálcika vagy lemez alakú molekulák Molekuláris méretű erősítő, jó kapcsolat a mátrixszal Orientáció el. térrel szabályozható A mezomorf állapot a mátrix op-je fölött Újraformázás, recycling megoldható Önerősítő kompozitok: Ugyanaz a polimer az erősítő, mint a mátrix, csak szállá húzott, nagyobb móltömegű vagy kristályos PE, PP Nanokompozitok Molekuláris kapcsolat a mátrix és az erősítő között Nanoméretű anyag lehet szinte hibátlan szerkezetű, jobb szilárdságú Pontosan tervezhető Erősítő: CNT, csillám, tű-, lemez alakú szervetlen kristályok Dendrimer szerkezet Au atomokkal 8