2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés) Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék amenyhard@mail.bme.hu Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477
Vázlat Bevezetés Korszerű műszaki kerámiák Definíció Csoportosítás Szerkezet és tulajdonságok Alaptulajdonságok Alkalmazási területek és példák Összetétel és szerkezet Előállítás Összetétel-szerkezet-tulajdonság példák 2
Korszerű műszaki kerámiák A szerkezeti anyagok fejlődése 3
Feszültség Korszerű műszaki kerámiák Mitől korszerű? Deformáció 4
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
Típusok, csoportosítás Szerkezet alapján Monolit kerámia Kerámia rétegek és bevonatok Társított kerámia kompozitok 6
Típusok, csoportosítás Funkcionális kerámiák Valamilyen különleges funkciót látnak el Szerkezeti kerámiák Szerkezeti elemként használják Mechanikai tulajdonságok 7
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
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
Tulajdonságok és alkalmazások 7 10
Tulajdonságok és alkalmazások 11
Alkalmazási példák Mechanika 12
Alkalmazási példák Hőtechnikai alkalmazások 13
Alkalmazási példák Hőtechnikai alkalmazások 14
Alkalmazási példák Haditechnika, védőburkolat 15
Alkalmazási példák Optikai alkalmazás 16
Alkalmazási példák Elektronikai alkalmazások 17
Szerkezeti anyagok és kerámiák A legfontosabb mechanikai tulajdonságok 18
A kerámiák felépítése A főbb alkotóelemek, a földkéreg alkotói 19
Az elemek gyakorisága a földkéregben 20
Olvadáspontok, bomlási hőmérsékletek 21
Tartós alkalmazási hőmérsékletek Oxidkerámiák: olvadásponttól függ Nem oxid kerámiák 22
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 (1300-2500 C) Kis hőtágulás (1-8 10-6 1/K) Elektromos és hőszigetelés Félvezetés, szupravezetés Piezoelektromos jelleg Biokompatibilitás 23
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 3 + 30% 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
Hőkapacitás, C p (cal/g atom/k) Termikus tulajdonságok Atomi mozgások (C p 3R) Hőmérséklet ( C) 25
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 3 380 38 16 0,4 SiC 440 44 21 0,7 26
Néhány korszerű kerámia 27
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
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
Korszerű műszaki kerámiák előállítása Folyamatábra 30
Korszerű műszaki kerámiák előállítása Végtermék formája szerint 31
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
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
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
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
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
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 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
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) 669-674 Étel 39
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
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