Anyagtudomány és Technológia Tanszék Németh Árpád, dr. univ, arpinem@eik.bme.hu Kientzl Imre, imre@eik.bme.hu Orbulov Imre, orbulov@gmail.com A kerámia görög, kiégetett szóból ered Egykor kizárólag az agyagból, kaolinból (Al2O3 2SiO2 2H2O), (porcelánföld) kialakított, majd kiégetett cserépporcelán tárgyakat értették kerámia alatt
Az égetett agyag megjelenése az i.e. 12-11 évezredre tekint vissza A műszaki értelemben vett kerámiák nem keverendőek össze a hagyományos értelemben vett porcelán használati tárgyakkal! A műszaki, nagyteljesítményű kerámiák szervetlen, nem fémesen viselkedő anyagok Villamos ellenállásuk nagy Ridegek, merevek Atomi kötésük lehet ionos vagy kovalens Egyatomos Grafit Gyémánt Si, Ge egykristály (félvezetők) Vegyületkerámiák Oxidok Al 2 O 3, ZrO 2, stb. Karbidok SiC, TiC, WC Nitridek TiN, Si 3 N 4, AlN Karbonitridek Boridok BN
Jellemző Fém Kerámia Polimer Sűrűség (g/cm3) 2-16 (átlagosan 8) 2-17 (átlagosan 5) 1-2 Olvadáspont ( C) alacsonytól magasig Sn 232, W 3400 magas 4000 C-ig alacsony Keménység közepes magas alacsony Forgácsolhatóság jó rossz jó Szakítószilárdság (MPa) 2500-ig 400-ig 120-ig Nyomószilárdság (MPa) 2500-ig 5000-ig 350-ig Rug. modulus (GPa) 40-400 150-450 0.001-3.5 Kúszási ellenállás rossz kiváló - Hőtágulás közepes és nagy kicsitől közepesig nagyon nagy Hővezetés Hőlökéssel szembeni ellenállás közepes közepes, de gyakran gyorsan csökken a hőmérséklettel nagyon kicsi jó általában rossz - Elektromos ellenállás vezető szigetelő (de fél- és szupravezetők is) szigetelő Kémiai ellenállás gyenge-közepes kiváló általában jó Oxidációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleten gyenge, anyagtól függ az oxidoké kiváló SiC és Si 3 N 4 jó Az esetek többségében kis sűrűség Nagy olvadáspont Nagy rugalmassági határ Nagy keménység Nagy kopásállóság Nagy nyomószilárdság Nagyfokú kémiai stabilitás Nagy melegszilárdság Korrózióállóság Nagy villamos ellenállás (10 7-10 16 Ωm) Nagy dielektromos állandó (ε=50-80)
Ridegség Törékenység Kis hősokkállóság Mikrorepedések jelenléte Nehéz gyárthatóság Viszonylag magas ár Funkció Mechanikai Termikus Villamos Mágneses Tulajdonság Szilárdság, merevség, kopásállóság, súrlódás Hővezetés, hőszigetelés, kis hőtágulás Villamos szigetelés, félvezetés, mágnesesség, szupravezetés Alkalmazás Vágó-, csiszoló, kenőanyagok, motorok, turbinák, gépelemek, csapágyak Elektródák, hőcserélők, kemencék Hordozók, érzékelők, beavatkozók, mágnesek
Funkció Vegyi és biológiai Optikai Atomtechnikai Tulajdonság Biokompatibilitás, korrózió, abszorpció, katalízis Fénytörés, fényvezetés, fluoreszencia Sugárzás, hő- és korrózióálóság Alkalmazás Vegyi berendezések, katalizátorhordozók, fog- és csontpótlások Kábelek, fénycsövek, fénydiódák Fűtőelemek, moderátorrudak, páncélzat Általában porkohászati úton Porgyártás Keverés, adalékolás Sajtolás nyers (green) állapot Alakadás, megmunkálás Zsugorítás (szinterelés) (Utómegmunkálás)
Kevésbé elterjedten Iszapöntéssel Öntőiszapos eljárás Nyomás alatti présöntés Fröccsöntés Centrifugál öntés ZSUGORÍTÁS (szinterelés/kiégetés) Cserép, tégla Klinker tégla Csempe, ipari kőanyag Porcelán WC-Co Al 2 O 3, korund Si 3 N 4 700-900 C 1150-1250 C 900-1300 C >1300 C 1350-1450 C 1400-1900 C 1700-1850 C
Anyag ρ E Rm g/cm3 GPa MPa Kevlar 1,45 125 2700 Karbonszál 1,95 390 2200-2700 Bór szál 2,3 5500 3800-10000 Üvegszál 2,5 98 4500 Kvarcüveg szál 2,5 105 10000 58AI2O3 15Si02 szál 9µ 3,2 250 2600 AI 2 O 3 20µm 3,95 380 1450 Acél ( 0,8%) huzal 7,8 210 4000 W-szál 19,3 360 5500 SiC szál Nicalon 3,2 410 3800 Siw tűkristály 2,3 180 7000 Karbon tűkristály 2,2 690 15000-20000 Few tűkristály 7,8 210 12000 AI 2 O 3 tűkristály 3,9-4 430-580 10000-21000 Si 3 N 4 tűkristály 3,2 380 10000-14000 SiCw tűkristály 3,2 700 20000 Si 3 N 4 turbinakerék 1150 C Nagy fordulatszám 110LE Zagyszivattyú Al 2 O 3 Vegyi ellenállás Kopásálláóság
Ékszer: optikailag átlátszó, nagy törésmutató Ritkasága miatt drága 500$/g (arany: 8-12$/g) Kovalens kötés, 14eV Sűrűsége 3,01-3,56 gcm -3 A műgyémánté nagyobb 3,48-3,54 gcm -3 Törési szívósság K IC =0,5-2 Mpam 0,5 Jó hővezető Tulajdonság Rétegként való alkalmazás Vickers keménység (kp/mm 2 ) 12-15000 Szerszámok, polirozás, csapágyak Súrlódási együttható 0,1 contact recording Mágneses adattárolók Young modulus (N/mm 2 ) 1,2*10 12 Nagyfrekvenciás hangszóró Hangsebesség (km/s) 18,2 membrán Letörési szilárdság (V/mm) 10 7 Nagyfeszültségű szigetelések Hővezetés (W/cmK)* 20 Hőnyelők (3D packaning ) Negatív elektronaffinitás (ev) -1 hidegkatód Kémiai ellenállóképesség** Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi Biokompatibilás műszerek, protézisek borítása Átlátszósági tartomány (µm) 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, Törésmutató 2,4 antireflexiós réteg, mikrohullámú és röntgenablakok, infravörös szűrők Tiltott sáv (ev) 5,45 Teljesítményelektronika, magas Elektron/lyuk mozgás 22/16 működési hőmérséklet, sugárzási keménység, optoelektronika, LED Dielektromos állandó 5,5 Lumineszcencia (µm) 0,44, 0,52 *A legjobb hővezető **mintegy 700 o C-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is
Normál hőmérsékleten és nyomáson a grafit a stabil fázis A gyémánt nagy hőmérsékleten és nagy nyomáson a földkéregben jön létre Lelőhelyek: India (18. század közepéig kizárólag) Brazília, 1725 Dél-Afrika, 19. század vége Ausztrália, 1851 Szibéria, Amerika, Borneó ~0,5 karát/bányászott tonna
A gyémántot karátban mérik Szentjánoskenyérfa magja (keration) Precíziós tömegmérés Államonként eltérő Elfogadott: trójai, 205 mg Metrikus karát: 200 mg=0,2 g (1907) A bányászott, természetes gyémánt 20-25%-a alkalmas ékszerkészítésre Ez értékben ~70%-nak felel meg Legnagyobb: Cullinan gyémánt 621,2 g Elv: Henry Moisson, 1890 Vastartalmú meteoritban találtak gyémántot A földhöz ütközve nagy hőmérsékleten a grafit oldódott, nagy nyomáson gyors hűtés hatására gyémánt formájában vált ki a szén ASEA: 1953, nem publikálták GE: 1954, 75000 atm, 3000 C Keményfém szegmensszerszám Kijevi Nagykeménységű Anyagok Kutatóintézete+MTAT mm-es nagyságig
1961: Chicagói Egyetem és DuPont robbantásos szintézise Könnyítés : lehet már 2000 C-on, 50-100 Gpa nyomáson is, ha átmeneti fémmagképzési centrumot és katalizátort alkalmaznak ~30-40 tonna/év mesterséges gyémánt termelés GE, Sumitomo Electrics, DeBeers (Dél-Afrika) Bevonatok, köszörűszabályozás, csiszolástecnika, stb Fogalma: Két vagy több anyag előnyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok Az egyik legősibb kompozit a vályog Agyag és szalmatörmelék keveréke Vasbeton C-C kompozitok (féktárcsák)
Mátrix: körülfogja az erősítőanyagot, elosztja a terhelést Erősítő anyag: fő teherviselő Átmeneti réteg (interfész): az erősítőanyag és az alapanyag közötti kapcsolatért felelős Szilárdságnövelés Alacsony, magas és normál hőmérsékleten is Törési biztonság Törési szívósság növelése Merevség növelése A rugalmassági modulusz növelése Súlycsökkentés Energia megtakarítás Mágneses és elektromos tulajdonságok javítása
Kopásállóság Heterogén anyagú csapágyötvözetek, stb. Szupravezető szerkezetek előállítása Hőszigetelő képesség növelése Energiaelnyelő képesség fokozása Mechanikai rezgések, ütközés, stb. ----- acél alumínium -- kompozit Column 4 súly hõtágulás merevség szilárdság szívósság
Mátrix: Fémek (Al ötvözetek, egyéb könnyűfémek) Kerámiák (pl: Al 2 O 3 K IC növelése nitriddel) Polimerek (epoxi és egyéb gyanták) Karbon Erősítőanyag: Fém és kerámia szálak, szövetek, huzalok Kerámia szemcsék (pl: SiC, Al 2 O 3 ) Whiskerek Az erősítőanyag megjelenési formája szerint Szálerősítéses kompozit Rövid szálerősítés Hosszú szálerősítés Whisker erősítés Részecskeerősítés kompozit Réteges kompozit Szendvicsszerkezetű kompozit
Keverés Nyomásos infiltrálás
Eljárás Költség Erősítés Diffúziós kötés Porkohászat Szórásos módszerek Öntés jellegű monoszálak Whiskerek Szálas szövet Részecske és szál
...a porózus szerkezetű fémes anyagok fogalma...az előállítási lehetőségeik...az alapvető tulajdonságaik...és potenciális alkalmazási területeik Morfológiai csoportosítás... Kompozitok, társított anyagok Szálerősítés Rövid szálas Hosszú szálas Whiskerek... Részecskeerősítés Speciális részecskeerősítésű kompozitok Vagyis: porózus szerkezetű fémek olyan kompozitok, ahol az erősítés levegő
Csoportosítás felépítés alapján Nyitott cellás Zárt cellás Vegyes porozitás alapján Százalékosan megadva a porozitás mértékét Előállítási mód alapján Alkalmazási területük alapján... Lehetnek nyílt- és zárt cellásak Ez alapvető megkülönböztetési mód A következő legfontosabb jellemző a porozitás
Gázátbuborékoltatás Habképző anyaggal Ömledékmetallurgiai habosító eljárás Hő hatására kiolvadó anyaggal Folyamatos, kisajtolásos eljárás Kémiai reakció segítségével Fémgömbhéjak felhasználásával Üreges töltőanyaggal Kioldódó töltőanyaggal Miskolc Bécs együttműködés probléma: buborékstabilitás megoldás: stabilizáló részek Munkafolyamat: az alapfém és az adalék megolvasztása gázátbuborékoltatás a folyékony fémen keresztül a formába hűtés a forma segítségével
Habképző: titánhidrid (TiH 2 ) Porkohászati módszer
Hasonló módszer Fémolvasztás Habképző közvetlenül az ömledékbe juttatva Gáz, vagy por habosító anyag Habképződés az ömledék felületén Poliuretán (PUR) habra hordják fel a fémet Physical Vapour Deposition (PVD) A PUR habot kiolvasztják Legporózusabb >80% Ni, Al, Zn, Cu
Prekurzor előállítása az ismertetett módon Fém+habképző Hevítés hatására a szerszámban habosodás indul meg A szerszámból kész fémhab távozik Az anyagáram irányítható Gömbhéjak (hollow spheres) Ø0,5-10 [mm] s20-1000 [µm] Diffúz hegesztés Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből
Fizikai tulajdonságok Kémiai összetétel, [%] Átmérő 10 350 µm Szilícium 55 65 Sűrűség 365 450 kg/m 3 Alumíniumoxid 25 35 Nyomószilárdság 20-35 MPa Vasoxid 1 5 Olvadáspont ~1000 C Titánoxid 0,5 1 Forma gömbhéj Szín szürke csontfehér
töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása Sűrűség Nyílt <1000 [kg/m 3 ] Zárt ~1300 [kg/m 3 ] Térkitöltés Nyílt ~60-70 [%] Zárt ~60 [%] energiaelnyelés mechanikai ütközés rezgés akusztikus termikus elektromágneses
Hosszú platós szakasz Sorozatosan összeroppanó cellák A görbe alatti terület arányos az elnyelt energiával Optimális sűrűség meghatározása Ütközők deformációja hőcserélő (nyílt cella, λ~κ) nagy fajlagos felület (katalizátorok) lángfogó előnyös réteges kompozit maganyag (magasabb hőmérsékleten) kevésbé érzékeny a szennyeződésekre különleges megmunkálást igényel szűrő (nyílt cella) áramlási jelleg változtatás esztétikus
A nyílt cellás fémhabokat nem vizsgáltuk Si tartalomtól és a T-től, t-től függően reakció alakulhat ki A reakció mechanikailag káros Teljes infiltráció, néhány törött gömbhéj Kősó lerakódás a felületeken, mindenhol
R m nyílt AlSi12Mg 0,15 R m AlSi12Mg R m nyílt Al99,5 0,1 R m Al99,5 R m zárt AlSi12Mg 0,2 R m AlSi12Mg R m zárt Al99,5 0,2 R m Al99,5 25 NA3 próbatest 50 ZB1 próbatest Feszültség, [MPa] 20 15 10 Feszültség, [MPa] 40 30 20 5 10 0 0 1 2 3 Elmozdulás, [mm] 0 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 Elmozdulás, [mm]
W/m nyílt AlSi12Mg 8...42 [J/g] W/m nyílt Al99,5 8 [J/g] W/m zárt AlSi12Mg 35 [J/g] W/m zárt Al99,5 19...31 [J/g] Energiaelnyelés módja Ütközés-, rezgés csillapítás 30 NH1 próbatest 180 160 ZA5 próbatest Feszültség, [MPa] 25 20 15 10 5 0 0 10 20 30 40 50 60 Fajlagos hosszváltozás, [%] Feszültség, [MPa] 140 120 100 80 60 40 20 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 Fajlagos hosszváltozás, [%] Rúd-elem modell Voxel-elem modell Tetraéder-elem modell
Gibson Ashby modell nyílt- és zártcellás esetben Elemi cella modellek
Orvosi implantátumok, csontszövet irányultság terhelés nélkül Szűrők, zagyleválasztás (könnyen tisztítható égetéssel) Hőátadó felületek, hőcserélők Szendvicsszerkezetű kompozitok távtartó eleme nagyobb hőmérsékleten Stabilitásnövelés üreges szerkezetekben Nagy merevségű tartópanelek űralkalmazásokban Modern elemek elektródája