KERÁMIÁK 1. ÁLTALÁNOS JELLEMZÉS



Hasonló dokumentumok
SiAlON. , TiC, TiN, B 4 O 3

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 8. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7.

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 7. Képlékeny viselkedés. Terhelési diagram. Mechanikai tulajdonságok 2. s sz (Pa) Tankönyv fejezetei: 16-17

Al 2 O 3 kerámiák. (alumíniumtrioxid - alumina)

Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

2 modul 3. lecke: Nem-oxid kerámiák

2. modul 2. lecke: Oxidkerámiák

Szent István Egyetem

Kerámiák. Csoportosítás. Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegekek, Fémoxidok, nitridek, boridok stb.

A töréssel szembeni ellenállás vizsgálata

Fémek és ötvözetek termikus viselkedése

Kerámia, üveg és fém-kerámia implantátumok

2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés)

Anyagismeret tételek

SZÉCHENYI ISTVÁN EGYETEM. Kerámiák

Fogászati anyagok fajtái. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok: fémek, kerámiák.

4. PORKOHÁSZAT. ırlés (rideg anyagok esetén) (4.5 fejezet) termikus bontás oxidáció, redukció 4/1. Korszerő anyagok korszerő technológiák

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2012/13-es tanév I. félév

Nagynyomású csavarással tömörített réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és termikus stabilitása

Kerámiák és kompozitok a munkavédelemben

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5. Általános anyagszerkezeti ismeretek Fémek, ötvözetek

MÉRNÖKI ANYAGISMERET AJ002_1 Közlekedésmérnöki BSc szak Csizmazia Ferencné dr. főiskolai docens B 403. Dr. Dogossy Gábor Egyetemi adjunktus B 408

FBN206E-1 és FSZV00-4 csütörtökönte 12-13:40. I. előadás. Geretovszky Zsolt

Tartalom: Bevezetés. 1. Karbidok. 1.1 Szilíciumkarbid

41. ábra A NaCl rács elemi cellája

A technológiai paraméterek hatása az Al 2 O 3 kerámiák mikrostruktúrájára és hajlítószilárdságára

American Society of Materials. Szilárdtestek. Fullerének (C atomok, sokszögek) zárt gömb, tojás cső (egy és többrétegű)

Fogászati anyagok fajtái. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 4. Általános anyagszerkezeti ismeretek Anyagcsaládok: fémek és kerámiák KERÁMIÁK FÉMEK

Kristályos szilárd anyagok

Szilárdság (folyáshatár) növelési eljárások

2. Műszaki kerámiák mechanikai és hővezetési tulajdonságai

3. Anyagtudományi alapok

Szén nanoszerkezetekkel adalékolt szilícium-nitrid. nanokompozitok. Tapasztó Orsolya MTA TTK Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

Az elállítási körülmények hatása nanoporokból szinterelt fémek mikroszerkezetére és mechanikai tulajdonságaira

ANYAGTUDOMÁNY ÉS TECHNOLÓGIA TANSZÉK. Anyagismeret 2016/17. Szilárdságnövelés. Dr. Mészáros István Az előadás során megismerjük

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 6.

TÖBBKOMPONENS RENDSZEREK FÁZISEGYENSÚLYAI IV.

Anyagismeret I. A töréssel szembeni ellenállás vizsgálata. Összeállította: Csizmazia Ferencné dr.

5. elıadás KRISTÁLYKÉMIAI ALAPOK

Kémiai kötések és kristályrácsok ISMÉTLÉS, GYAKORLÁS

Kerámiák és kompozitok (gyakorlati elokész

Karbonát és szilikát fázisok átalakulása a kerámia kiégetés során (Esettanulmány Cultrone et al alapján)

SZILIKÁTTECHNIKA O 3. Néhány nagy tisztaságú Al 2. mûszaki kerámia hajlítószilárdsági vizsgálata

A szerkezeti anyagok tulajdonságai és azok vizsgálata

Szilárdságnövelés. Az előadás során megismerjük. Szilárdságnövelési eljárások

miák k mechanikai Kaulics Nikoletta Marosné Berkes Mária Lenkeyné Biró Gyöngyvér

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

Bevezetés a lézeres anyagmegmunkálásba

2. ábra. 1. ábra. Alumínium-oxid

FIATAL MŰSZAKIAK TUDOMÁNYOS ÜLÉSSZAKA

Az atomok elrendeződése

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok

12. Kerámia termékek tervezése és alkalmazása

Polimorfia Egy bizonyos szilárd anyag a külső körülmények függvényében különböző belső szerkezettel rendelkezhet. A grafit kristályrácsa A gyémánt kri

Folyadékok. Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 2. Általános anyagszerkezeti ismeretek Folyadékok, szilárd anyagok, folyadékkristályok.

Anyagválasztás Dr. Tábi Tamás

Anyagválasztás dugattyúcsaphoz

Dr. Konczos Géza (MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutató Intézet) KORSZERŐ ANYAGOK és TECHNOLÓGIÁK

Bevezetés az anyagtudományba III. előadás

A töréssel szembeni ellenállás vizsgálata

merevség engedékeny merev rugalmasság rugalmatlan rugalmas képlékenység nem képlékeny képlékeny alakíthatóság nem alakítható, törékeny alakítható

Villamosipari anyagismeret. Program, követelmények ősz

Reaktortechnika. A reaktortechnikában használatos anyagok I. Üzemanyagok

Villamosmérnök MSc, Anyagtudomány. CaF 2 (fluorit rács) kicsit torzul: pl H 2 O (két nemkötő pár, 105 ), NH 3 (egy nemkötő pár, 107 ).

Kétalkotós ötvözetek. Vasalapú ötvözetek. Egyensúlyi átalakulások.

Anyagszerkezet és vizsgálat

Az alumínium és ötvözetei valamint hegeszthetőségük. Komócsin Mihály

Anyagszerkezet és vizsgálat Fémtan, anyagvizsgálat

FOK Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai tárgy kolokviumi kérdései 2017/18-es tanév

9. Funkcionális kerámiák

Réz - szén nanocső kompozit mikroszerkezete és mechanikai viselkedése

Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

SiC kerámiák. (Sziliciumkarbid)

ÚJ FÁZISOK KIALAKULÁSA GRAFITTAL ADALÉKOLT Si 3 N 4 KERÁMIA KOMPOZITOKBAN

Bevezetés s az anyagtudományba. nyba. Geretovszky Zsolt május 13. XIV. előadás. Adja meg a következő ionok elektronkonfigurációját! N e P.

Kerámiák mechanikája és technológiája Mechanics and Processing of Ceramics

Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 5.

Villamosmérnök MSc, Anyagtudomány

Új típusú anyagok (az autóiparban) és ezek vizsgálati lehetőségei (az MFA-ban)

Optikai tulajdonságok (áttetszőség, szín) Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 10. Optikai tulajdonságok. Összefoglalás. Tankönyv fej.

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata 4. félév

TANULÁSTÁMOGATÓ KÉRDÉSEK AZ 2.KOLLOKVIUMHOZ

Polimerbetonok mechanikai tartósságának vizsgálata Vickers keménységmérő felhasználásával

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok

Vezetési jelenségek, vezetőanyagok. Elektromos vezetési folyamatban töltést továbbító (elmozdulni képes) részecskék:

Fázisátalakulás Fázisátalakulások diffúziós (egyedi atomi mozgás) martenzites (kollektív atomi mozgás, diffúzió nélkül)

Fogászati anyagok fajtái

Kémiai átalakulások. A kémiai reakciók körülményei. A rendszer energiaviszonyai

Optikai tulajdonságok (áttetszőség, szín) Fogorvosi anyagtan fizikai alapjai 10. Optikai tulajdonságok. Összefoglalás

Fogászati anyagok fajtái

Nem fémes szerkezeti anyagok. Kompozitok

5 előadás. Anyagismeret

RIDEG ANYAGOK FRAKTOGRÁFIÁJA

Mikrohullámú abszorbensek vizsgálata

3. ÁTALAKULÁSOK SZILÁRD FÁZISBAN

biokerámiák félvezetők

2011. tavaszi félév. Élanyagok. Dr. Ozsváth Péter Dr. Szmejkál Attila

Átírás:

1. ÁLTALÁNOS JELLEMZÉS KERÁMIÁK Ceramics are inorganic, non-metallic materials which either in their formation or in use are subjected to heat (American Ceramic Society) ionos vagy kovalens kötéső vegyületek (oxidok, nitridek, boridok) ionos: fém + nemfém pl. Al 2 O 3, ZrO 2, MgO kovalens: nemfémes elemek vegyületei pl. SiO 2, Si 3 N 4, SiC kristályos vagy amorf (üveg) szerkezetőek kemény, rideg anyagok: nehezen alakithatók, nagy nyomó-, de kis hajlítószilárdsággal kis sőrőség rossz elektromos- és hõvezetõképesség nagy kémiai- és hõállóság, magas olvadáspont (>2000 o C). 2. FELOSZTÁS Történelmi: hagyományos - korszerő ( advanced ), finom stb. A felhasználás jellege szerint: üvegek (szilikát-), zománcok porcelán tőzálló anyagok pl. MgO cement, beton elektromos, mágneses kerámiák pl. szigetelık, ferritek, stb kozmetikumok pl. puder, fogkrém töltıanyaga reaktor anyagok pl. UO 2 katalizátor hordozók pl. aluminiumoxid mőszaki kerámiák: szerkezeti pl. sziliciumnitrid, sziliciumkarbid elektronikai pl. piezokerámiák optikai pl. lézer anyagok (üvegek, Nd:YAG, stb.) biokerámiák. Alak szerint: tömb (monolit) pl. tégla, lemez, rúd, csõ, tégely felületi réteg pl. zománc, kopásálló bevonat (TiN stb.) kompozit: kerámia mátrix és/vagy kerámia szálerõsitõ. Kémiai összetétel szerint: oxid, nem-oxid stb. egykomponenső, többkomponenső (kerámia ötvözet ). 1

3. SZERKEZET 3.1. Kristály szerkezet Az ionkristályos kerámiák egyszerő vagy bonyolult rácstipusokban kristályosodnak (pl. NaCl ill. spinel NiFe 2 O 4 ). A szerkezet az esetek nagy részében leírható úgy, hogy a nagyobb mérető, szorosan illeszkedõ anionok (pl. O 2- ) közötti üregekben (intersticiális helyek) vannak a kisebb mérető fém ionok. Valamely ion közvetlen szomszédainak száma (koordinációs szám ) az ionsugarak arányától függ (r/r) pl. AB tipusú vegyületeknél >0,41-nél oktaéderes, >0.21-nél tetraéderes elrendezõdés alakul ki. Az elemi cellában az ionok elrendezõdésének ki kell elégíteniök a töltéssemlegesség követelményét is. Both the f.c.c. and the c.p.h. structures are close-packed. Both contain one octahedral hole per atom, and two tetrahedral holes per atom. The holes in the f.c.c. structures are shown here. 2

Ionic ceramics. (a) The rocksalt, or NaCl structure, (b) Magnesia, MgO, has the rocksalt structure. It can be thought of as an f.c.c. packing with Mg ions in the octahedral holes. (c) Cubic zirconia ZrO 2 : an f.c.c. packing of Zr with O in the tetrahedral holes. (d) Alumina, Al 2 O 3 : a c.p.h. packing of oxygen with Al in two-thirds of the octahedral holes. Sok ionkristályos vegyület kerámiára jellemzõ a polimorfia: a hõmérséklet/nyomás függvényében más-más kristályszerkezet stabilis (pl. a ZrO 2 -nak monoklin, tetraéderes és köbös módosulata van). A polimorfia speciális esete a politipia: a rácsnak csak az egyik eleme változik meg pl. hexegonális elemi cellánál csak a c tengely (α- ill. β-si 3 N 4 ). A fázisátalakulás ált. jelentõs térfogatváltozással jár együtt. Esetenként a magas hõmérsékleten stabilis fázist adalékokkal alacsonyabb hõmérsékletekre is kiterjesztik ( pl. stabilizált ZrO 2 ). A kovalens kötéső kerámiák leggyakrabban gyémánt tipusú rácsban kristályosodnak. Covalent ceramics. (a) The diamond-cubic structure: each atom bonds to four neighbours. (b) Silicon carbide: the diamond cubic structure with half the atoms replaced by silicon. (c) Cubic silica: the diamond cubic structure with an SiO 4 tetrahedron on each atom site. 3

3.2. Mikroszerkezet A gyakorlatban használt kerámiák zöme polikristályos szerkezető. A mikroszerkezet fõbb jellemzõi: szemcsék (grains) szemcsehatárok (grain boundaries) pórusok, mikrorepedések kiválások, második fázis. Ezek mérete, alakja, elrendezõdése, az egyes fázisok kémiai összetétele és kristályszerkezete nagy változatosságot mutat. A korszerő mőszaki kerámiák számos tulajdonságát a mikroszerkezet speciális kialakitásával érik el. 3.3. Többkomponenső kerámiák (kerámia ötvözetek ) Az egyes kerámiákat csak ritkán használják tiszta (egykomponenső) alakban: a legtöbb kerámia többkomponenső. A fémekhez hasonlóan a termodinamikailag stabilis fázisok hımérséklet és összetétel függését egyensúlyi fázisdiagrammokban ábrázoljuk. A hasonló vegyületek szilárd oldatokat képezhetnek az egész koncentráció tartományban, mint pl. a MgO-FeO rendszerben. A különbözı elektron- és kristály szerkezető vegyületek eutektikumokat vagy intermetallikus vegyületeket alkotnak. Az Al 2 O 3 SiO 2 rendszerben két eutektikum és egy intermetallikus vegyület (mullit 3 Al 2 O 3-2 SiO 2 ) található. Az alacsony hımérséklető eutektikumok fontos szerepet játszanak a folyadékfázisú szinterelésben. 4

4. MECHANIKAI TULAJDONSÁGOK A kerámiák szerkezeti anyagként történõ felhasználásának legnagyobb problémája a képlékeny alakíthatóság hiánya, a ridegség (brittleness). A kerámiák ellenállnak a rács deformációjának, a diszlokációk mozgásának. Ennek fõ oka kovalens kötésü kerámiáknál a kötések lokalizáltsága és erõssége, ionkristályoknál a töltéssemlegesség követelménye (kevés a csúszási sik ). (a) Dislocation motion is intrinsically easy in pure metals though alloying to give solid solutions or precipitates can make it more difficult. (b) Dislocation motion in covalent solids is intrinsically difficult because the interatomic bonds must be broken and reformed. (c) Dislocation motion in ionic crystals is easy on some planes, but hard on others. The hard systems usually dominate. 5

4.1. Rugalmassági modulus (Young modulus, E) A kerámiák Young modulusa ált. nagyobb a fémekénél (acéloknál 200 GPa, szerkezeti kerámiáknál 150-400 GPa), lásd Melléklet. A kerámiák kis sőrősége (2.5-4.0 gml -1 ) miatt a fajlagos modulus (E/d) nagy (d : sőrőség). 4.2. Keménység (hardness, H) A kerámiák a legkeményebb szilárd testek, fõleg a gyémánt, Al 2 O 3, SiC, Si 3 N 4. 4.3. Törési szilárdság (fracture strenght) A rács merevségének következménye a ridegség, a kis törési szivósság (fracture toughness). Jellemzése: szakitó szilárdság (tensile strength, σ TS) hajlitó szilárdság (modulus of rupture, σ r), nyomási szilárdság (crushing strength, σ C) σ r ~ 1.7 * σ TS σ C ~ 15 * σ TS A kerámiákat sohasem használják húzó igénybevétel esetén. A szilárdságot legtöbbször σ r rel jellemzik, három vagy négypontos módszerrel mérik. Tests which measure the fracture strengths of ceramics. (a) The tensile test measures the tensile strength σ TS. (b) The bend test measures the modulus of rupture σ r, typically 1.7 x σ TS. (c) The compression test measures the crushing strength, σ c, typically 15 x σ TS. Adott anyagnál a szilárdságot növeli az átlagos szemcseméret csökkenése (Hall- Petch összefüggés). A kerámiákban levõ pórusok és - az esetek nagy részében meglevõ -mikrorepedések viszont csökkentik a szilárdságot. A kerámiák törési viselkedésével a törés mechanika foglalkozik. Ennek az a kiindulópontja, hogy a rideg anyagok szilárdságát az anyagban levı mikrorepedések határozzák meg. A mikrorepedések mérete a következı egyenlet szerint függ össze a húzási szilárdsággal: σ TS = K IC/(π. a m ) 1/2 ahol: K IC feszültség intenzitási tényezõ (a szivósságra jellemzõ állandó), a m : a leghosszabb mikrorepedés fele. A pórusok a következõ empirikus összefüggés szerint csökkentik a szilárdságot: σ = σ o exp(-n * P) ahol: n = 4...7, P : a pórus térfogat hányada. 6

Effect of porosity on the fracture strength of ceramics Mikrorepedések többféle okból keletkezhetnek a kerámiában. A kerámiák mechanikai tulajdonságai sokkal nagyobb szórást mutatnak, mint a fémeké. A kerámiák törési szilárdságát az ú.n. Weibull statisztikával jellemzik. P s(v o ) = exp{-(σ/σ o ) m } ahol: P s a túlélési valószínőség, ha a V o térfogatú anyagot σ feszültséggel terheljük, m: Weibull modulus, mely a szilárdság egyenletességére jellemzı adat, ha σ = σ o, P s (V o ) = 1/e = 0.37. (a) The Weibull distribution function. (b) When the modulus, m changes, the survival probability changes as shown. Survival probability plotted on Weibull probability axes for samples of volume V 0. This is just the previous figure (b) plotted with axes that straighten out the lines of constant m. 7

Ha a kerámiákat szerkezeti anyagként használják, akkor a szilárdság egyenletességének (=m) növelése létfontosságú. Az alábbi ábrák jól mutatják, hogy a szerkezeti kerámiák szilárdsága (a repedés kialakulással szembeni ellenállás), illetve a szilárdság egyenletessége hogyan változott az elmúlt idıben. 5. ELÕÁLLITÁS A kerámiák képlékenyen nem alakíthatók, elõállitásukra általában porkohászati módszereket használnak (szinterelés) (lásd a 4. PORKOHÁSZAT fejezetet). Az üvegek feldolgozása olvadék állapotban történik. 6. KORSZERŐ SZERKEZETI KERÁMIÁK Ahhoz, hogy a kerámiákat különleges szerkezeti anyagként lehessen felhasználni, szivósságuk növelésére volt szükség. A probléma megoldásához felhasználták az anyagtudomány legújabb eredményeit. A szivósság növelésének legjellemzõbb lehetõségei: a) a mikrorepedések számának csökkentése. Ezt elsõsorban finom (szubmikronos) por felhasználásával, adalékokokkal, pórusmentes terméket erdményezõ formázási és égetési eljárásokkal érték el; b) a mikrorepedések terjedésének megakadályozása: fázisátalakulással (transformation toughening). Ebben az esetben a mikrorepedés olyan fázisátalakulást indit el, mely a repedés tovaterjedését gátolja ( pl. ZrO 2 -dal szívósított Al 2 O 3 ); erõsitõszálak vagy tőkristályok (whiskerek) beépitésével (kerámia mátrixú kompozitok) (lásd 9. KOMPOZITOK fejezetet). A továbbiakban néhány jellegzetes anyagcsaládot mutatunk be. Fontosabb mechanikai tulajdonságaikat a következõ táblázatban foglaltuk össze: 8

Mechanical properties of selected advanced ceramics Material Density (Mg. m -3 ) Tensile Strength (MPa) Flexural Strength (MPa) Compressive Strength (MPa) Young s Modulus (Gpa) Al 2 O 3 3.98 210 560 2800 392 5.5 SiC (sintered) 3.1 175 560 3920 420 4.4 Si 3 N 4 (reaction 2.5 140 245 1050 210 3.3 bonded) Si 3 N 4 (hot pressed) 3.2 560 910 3500 315 5.5 Sialon 3.24 420 980 3500 315 9.9 ZrO 2 (partially 5.8 455 700 1890 210 11 stabilized) 5.8 350 805 1750 203 12.1 ZrO 2 (transformation toughened) 6.1. Aluminiumoxid alapú kerámiák Általános jellemzés Fracture Toughness (Mpa. m 1/2 Az aluminiumoxid az egyik legelterjedtebb, sokféle célra használható oxidkerámia. Kedvezõ tulajdonságai: nagy keménység ( 25 GPa, a Mohs skálán: 9), magas olvadáspont (2054 C), jó elektromos- és hõszigetelõ képesség. Hõtágulása viszont aránylag nagy a többi kerámiához képest (8 * 10-6 K -1 ). Több kristálytani módosulata közül legfontosabb az α -Al 2 O 3 (korund), mely Cr 2 O 3 tipusú rácsban kristályosodik. Több oxiddal szilárd oldatot (pl. Cr 2 O 3 ), másokkal alacsony olvadáspontú eutektikumat képez (pl. SiO 2 ). Az Al 3+ és az O 2- ionok mozgékonysága aránylag nagy magas hõmérsékleteken, ezért aránylag könnyen szinterelhetõ. Különbözõ tisztaságú minõségben használják. Elõállítás Porkészítés: A tisztasággal és a részecskemérettél szemben támasztott igényektõl függõen számos változat terjedt el, a mechanikai õrléstõl kezdve a különbözõ kémiai eljárásokig. Szinterelés: szintén különféle módszerek használatosaknak. Pórusmentes, áttetszõ (a fény több, mint 6O%-át átengedõ), vékonyfalú csõ készíthetõ szubmikronos porból, kevés (kb. O.5 %) MgO hozzáadásával, védõgázban történõ hagyományos szintereléssel 1400-1600 C-on (a csövet nátriumlámpákban használják). Meleg préseléssel ( 1200-1400 o C-on, 35-70 MPa nyomáson ) néhány perc alatt pórusmentes termék készíthetõ (vágólapkák). Folyadékfázisú szinterelést is alkalmaznak. Az Al 2 O 3 - SiO 2 binér eutektikum 1590 o C-on, az Al 2 O 3 - CaO - SiO 2 terner rendszerben levõ egyik eutektikum 117O o C-on olvad. Ezek az adalékok a kész termékben üveges szemcseközi fázist alkotnak. Elõsegítik pórusmentes termék készítését, de rontják a szilárdságot magas hõmérsékleteken. Különleges alakú Al 2 O 3 elõállítása: tőkristályok ill. erõsítõszálak is készíthetõk (lásd 9. KOMPOZITOK) egykristály rudakat olvadékból növesztenek Czochralski módszerrel. 9

Fıbb felhasználások tőzállóanyagok pl. tégelyek, csövek, termoelem-szigetelõk mechanikai alkatrészek pl. fúvókák, szelepek, csapágyak optikai: áttetszõ csõ Na lámpákhoz, lézer kristályok (Cr 3+ vagy más adalékkal) mikroelektronika: pl. zafir szubsztrát elektromos: pl. gyujtógyertya vagy más szigetelõ féldrágakövek, stb. A termék ára a por árának 2...20,000-szorosa is lehet. 6.2. Cirkóniumdioxid alapú kerámiák Általános jellemzés A cirkondioxid 2700 0 C-on olvad. Három kristályos módosulata van: 2700 és 2370 o C között köbös 2370 és 900 o C között tetragonális 900 o C alatt monoklin. A fázisátalakulások térfogatváltozással járnak együtt, ezek repedéseket okozhatnak. Ezért a ZrO 2 önmagában nem használható szerkezeti anyagként. Adalékokkal viszont kíváló tulajdonságú kerámiák készithetõk belõle. A ZrO 2 alapú kerámiák három csoportra oszthatók, közülük csak a fázisátalakulással szívósított kerámiákkal foglalkozunk. A ZrO 2 -ban lejátszódó tetragonális monoklin (martenzites) átalakulás 3-6%-os térfogatnövekedéssel jár együtt, ez felhasználható a szívósság növelésére. Aluminiumoxidhoz finom szemcsés (kb. 1 µm), speciális alakú ZrO 2 port adnak 10-20 térf. %-ban. A tetragonális ZrO 2 szemcsék a szinterelt anyagban a tetragonális - monoklin átalakulás hõmérséklete alá hőthetõk. Szobahõmérsékleten metastabil állapotban vannak. Amennyiben az anyagban repedés kezdõdik, a repedési csúcs körül lokális húzófeszültség keletkezik, melynek egy kritikus értékénél bekövetkezik a fázisátalakulás: nagyobb térfogatú monoklin szemcsék keletkeznek. A létrejövõ nyomófeszültség csökkenti a csúcs körüli húzófeszültség hatását: szinte lezárja a repedés terjedésének útját. Hasonló átalakulás következik be felületi megmunkálás következtében is. P versus T phase diagram for zirconia 10

Toughening of transformation-toughened ceramics by (a) transformation around the crack up due to crack tip stresses and (b) transformation at the surface due to grinding A ZrO 2 -ban lejátszódó tetragonális monoklin átalakulást felhasználják nemcsak az aluminiumoxid, hanem más kerámiák (pl. a mullit 3Al 2 O 3.2SiO 2 vagy a spinel MgAl 2 O 4 ) szivósságának növelésére is. Ezek az anyagok a korszerő szerkezeti kerámiák igéretes csoportját alkotják. 6.3. Sziliciumnitrid alapú kerámiák 6.3.1. Sziliciumnitrid Si 3 N 4 Általános jellemzés A sziliciumnitridnek nagy a szilárdsága, kopásálló, aránylag szivós és kis hõtágulása folytán jól bírja a hõlökést. Elõállításánál és felhasználásánál problémát jelent, hogy 1800 C felett bomlik. Erõs kovalens jellege miatt nehezen szinterelhetõ pórusmentesre. Jól ellenáll az oxidációnak. Két kristályos módosulata van α- ill. β- Si 3 N 4 : mindkettõ hexagonális és csupán a c-tengely nagyságában különböznek (politipok). Alapanyaga aránylag olcsó. Elõállítás A szinterelési nehézségek leküzdésére több eljárást dolgoztak ki: "reaction bonding": Si por szinterelése N 2 gázban meleg vagy meleg izosztatikus préselés (HIP) általában adalékok használatával. (folyadékfázisú szinterelés). a) Reaction bonded silicon nitride (RBSN) Si porból zöld kompaktot készítenek a formázási eljárások valamelyikével, majd ezt nitrogéngázban izzítják (1200-1450 C-on, 100-200 óra hosszat). Ekkor lejátszódik a 3Si + 2N 2 = Si 3N 4 11

reakció. A termék 15-20 % pórust tartalmaz. Az égetés folyamán a méret alig változik, mivel a szintereléskor bekövetkezõ térfogatcsökkenést a nitrid képzõdésekor lejátszódó térfogatnövekedés közel kiegyenlíti. Bonyolult alakú termékek készítésére használják. Szilárdsága alacsony: csupán 1/3-a a tömör termékének. b) Hot pressed silicon nitride (HPSN) Amennyiben a szilárdságára teljes mértékben szükség van, akkor elıbb sziliciumnitrid port készítenek, majd ezt meleg préseléssel vagy meleg izosztatikus préseléssel zsugorítják. A szinterelést esetenként adalékokkal segítik (pl. 1 % MgO vagy 4-8 % Y 2 O 3 ). Meleg izosztatikus préselés (HIP) esetén az anyagot tokozni kell (fémbe vagy üvegbe) a Si 3 N 3 bomlásának visszaszorítása céljából. Így 1800 C fölé emelhetõ a hõmérséklet (1800-2000 C, 200 MPa, 30-120 perc, grafit főtõtest). 6.3.2. SIALON A Si 3N 4 szintereléssel kapcsolatos kutatások vezettek a Si-Al-O-N anyagcsalád, a (szialonok) felfedezéséhez. A szialonok sziliciumnitrid rács tipusokban kristályosodnak. Össztételük az alábbi általános képlettel jellemezhetõ: Si 3-x Al x O x N 4-x ( x < 1 ) (Si,Al)(O,N) 4 tetraéderekbõl épülnek fel, hasonlóan a szilikátokhoz. A tetraéderek nagyon változatos módokon kapcsolódhatnak egymáshoz. Eddig leginkább a β- Si 3N 4-del azonos rácsban kristályosodó változatokat, a β-szialonokat kutatták és használják. A Si és az Al számos fémmel helyettesithetõ (Li, Be, Mg, Sc stb.), így az össztételek és szerkezetek nagy változatossága valósítható meg. Megfelelõ adalékok (Y 2O 3, MgO) hatására folyadékfázisú szinterelés következik be magas hõmérsékleteken. Ilymódon hagyományos préseléssel és égetéssel (nyomás egyidejő alkalmazása nélkül is) pórusmentes, kiváló tulajdonságokkal rendelkezõ termék készithetõ. Ebben rejlik a szialonok elõnye a sziliciumnitriddel szemben. A szemcsék határán kialakuló intergranuláris fázis nagymértékben befolyásolja a termék tulajdonságait, fõleg a szilárdságot magas hõmérsékleten. A β, -szialonnak magas a törési- és húzószilárdsága. Hõtágulása kicsi, ezért jól bírja a hõlökéseket. Kristályos intergranuláris fázis megléte esetén 14OO o C-ig használható. 6.4. Szilíciumkarbid Általános jellemzés A SiC -nak több kristályos módosulata ismeretes, melyek politipek. Az alap építõegység tetraéderesen koordinált Si és C atomokból áll, melyek sokféle módon kapcsolódhatnak egymáshoz. Régóta használják csiszolóporként, ennél a felhasználásnál nagy keménységét és szilárdságát értékesítik. Hõvezetõképessége nagy; majdnem akkora, mint az alumíniumé. A nagy tisztaságú SiC félvezetõ. A SiCból régóta készítenek főtõelemeket ellenállás főtéső kemencékhez (szilit rudak). Az oxidációnak jól ellenáll még 1500 o C-on is. Ezért bevonat alakjában is használják magas hõmérsékletnek kitett alkatrészeken. Fém- és kerámia mátrixú 12

kompozitokban erõsítõ szálakként vagy részecskékként alkalmazzák. A rendkívül erõs kovalens kötések miatt nehezen szinterelhetõ. Újabban sikerült tömör, szerkezeti anyagként használható formában is elõállítani. Elõállítás Porkészítés SiC port régóta készítenek karbotermikus eljárással, 1500-1600 C-on SiO 2 + 3C = SiC + 2CO A termék õrlésével finom por készíthetõ. Jó minõségü, finom szemcseméretü por készíthetõ különbözõ szilánokból, gázfázisban, magas hõmérsékleten (pl. CH 4 + SiCl 4 vagy CH 4 + Si(CH 3 ) 2 Cl 2 reagálásával). A reakciót sok esetben plazmával segített módon végzik. A SiC szálak és tőkristályok készítését lásd a kompozitoknál. Formázás, szinterelés Reaktív szinterelés (reaction bonding). A szokásos módon kompaktot készítenek Si és C porból, majd ezt a Si olvadáspontja feletti hõmérsékleten izzítják. A reakció a Si olvadék és a szilárd C szemcsék között játszódik le. Meleg préselésnél 2000 C felett, néhány százalék Al 2 O 3 folyadékfázisú szinterelést tesz lehetõvé. Drága. vagy B 4 C adalék Meleg izosztatikus préselésnél 2200 C-on 140 MPa nyomáson 2 óra szükséges tömör termék elõállításához. Drága. Újabban nyomásmentes szintereléssel is sikerült nagy tömörségû SiC-ot elõállítani, B és C adalékkal. Felhasználás A SiC kedvezõ tulajdonságait olyan esetekben tudják igazán kihasználni, amikor magas hõmérsékleteken, esetleg oxidáló atmoszférában kell az alkatrész szilárdságát megõrizni. Ez fõleg gázturbinákban, rakétahajtómővekben fordul elõ. 7. ÖSSZEFOGLALÁS A korszerő szerkezeti kerámiáknál sikerült megoldani a szívósság növelését, leginkább a mikrorepedések számának jelentõs csökkentésével vagy a repedés tovaterjedésének megakadályozásával. Több anyagcsalád tartozik ide, közülük legfontosabbak az aluminiumoxid alapú, a cirkonoxid alapú, a sziliciumnitrid és sziliciumkarbid kerámiák. Elõállításukhoz a porkészítés szigorú ellenõrzése, a porkeverékek homogenitásának biztosítása és számos esetben költséges szinterelési eljárások alkalmazása szükséges. A szinterelés hımérsékletét lehet ugyan csökkenteni olyan adalékokkal, melyek folyadékfázisú szinterelést eredményeznek. A szemcshatárokon kialakuló általában alacsonyabb olvasdáspontú- fázis viszont korlátozza a felhasználás maximális hımérsékletét. Amennyiben a magas alkalmazási hımérséklet tényleges követelmény, akkor tömör termék csak nyomás egyidejő alkalmazásával készíthetı. 13

A szerkezeti anyagként használt kerámiák mechanikai tulajdonságai számos vonatkozásban eltérnek a fémekétõl. Ez egyebek mellett azt is jelenti, hogy a kerámia alkatrészek tervezésénél más szempontokat is figyelembe kell venni pl. éles szögletek helyett legömbölyítés alkalmazása, a húzó terhelés elkerülése, stb. A fentiekben a szerkezeti anyagként használt kerámiákkal foglalkoztunk. A kerámiák alkalmazása egyéb területeken is folyamatosan növekszik (funkcionális kerámiák). HIVATKOZÁSOK [1] W.D.Kingery, H.K. Bowen, D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics, Second edition, John Wiley and Sons, New York, 1975 [2] N. Ichinose: Introduction to Fine Ceramics, Academic Press, Boston, 1989 [3] Szépvölgyi J.: Korszerő mőszaki kerámiák, Magyar Tudomány 1994, 4. sz. 7-13 old. [4] J. Szépvölgyi: Low cost composites made of oxides and nitrides: State-of-theart and perspectives, Key Engr. Mater. 175-176, 79-90 (2000) [5] R.E. Smallman, R.J. Bishop: Modern Physical Metallurgy and Materials Engineering, 6th edition, Butterworth-Heineman, Oxford, 1999 [6] a) M.P. Harmer: Hot pressing of advanced ceramics: technology and theory, p. 2205-2208 b) J.N. Fleck: Hot pressing of metals, p. 2208-2209 c) J.N. Fleck: Hot isostatic pressing, p. 2186-2187 d) R.F. Davis: Hot isostatic pressing of advanced ceramics p. 2187-2196 In: M.B. Bever: Encyclopedia of Materials Science and Engineering, Pergamon Press, Oxford, 1986 14

15