Kerámiatan kommunikációs dosszié KERÁMIATAN ANYAGMÉRNÖK BSC KÉPZÉS törzsanyag TANTÁRGYI KOMMUNIKÁCIÓS DOSSZIÉ MISKOLCI EGYETEM MŐSZAKI ANYAGTUDOMÁNYI KAR KERÁMIA- ÉS SZILIKÁTMÉRNÖKI TANSZÉK Miskolc, 2008.
Tartalomjegyzék 1. Tantárgyleírás, tárgyjegyzı, óraszám, kreditérték 2. Tantárgytematika (órára lebontva) 3. Vizsgakérdések, vizsgáztatás módja, minta zárthelyi 4. Egyéb követelmények
A tantárgy/kurzus címe: A tantárgy/kurzus száma: Félév: Kerámiatan. 3 A kurzus típusa: Óraszám/hét: Kreditek száma: ELİADÁS+ gyakorlat 3+1 4 Tárgyjegyzı és elıadótanár: Dr. Gömze A. László, egyetemi docens Intézet/Tanszék: Mőszaki Anyagtudományi Kar, Kerámia- és Szilikátmérnöki Tanszék A kurzus státusza a tanulmányi programon belül: A BSc anyagmérnöki szak, törzsanyagában szereplı kötelezı tárgy A kurzus célja: A kerámiák alaptulajdonság rendszereinek általános ismertetése, átfogó jellemzés a ma ismert és használt kerámiákról és a hozzájuk kapcsolódó technológiákról. A kurzus leírása: Kerámiák fogalma csoportosítása. Oxidok, karbidok, nitridek, szilicidek, szulfidok, boritok, hidrátok és egyéb kerámia-vegyületek. A SiO2 és az Al2O3 módosulatai. Domináns kettı- és háromalkotós oxidkerámiák és kerámia-rendszerek. Kerámiák morfológiája mikro- és makro szerkezete. Porozitás, nedvességtartalom, száradási és égetési zsugorodás fogalma, értelmezése és számítása. Kerámiák terhelés alatti lágyulása, kúszása és tartós szilárdsága magas hımérsékleten. Kerámia reológiai tulajdonságai és reomechanikai anyagegyenletei. Kerámiák villamos tulajdonságai. A kreditpontok megszerzésének követelményei: A gyakorlatok és elıadások látogatása, évközi zárthelyi elégséges teljesítése és sikeres vizsga megszerzése. Oktatási módszer: Elıadások, írásvetítı és projektor használatával, laboratóriumi gyakorlat Elıfeltételek: Anyagszerkezet II., Mechanika, Matematika II. Ajánlott irodalom: Dr. Szabó Miklós - Dr. Gömze A. László és mások: Kerámiaipari évkönyv 2001. (2001) Dr. Balázs György: Barangolásom a betonkutatás területén (2001) James S. Reed: Introduction to the Principles of Ceramic Processing (1989) Rabuhin A. I. - Savelev B. G.: Fizicheskaya himiya nemetalicheskih i silikatnih soedinenij (2004) Az elıadáson elhangzottak, valamint a kiadott jegyzetek és kéziratok Vizsgáztatási módszer: Írásbeli és szóbeli vizsga Kell-e jelentkezni a kurzusra: Igen, a félév megkezdése elıtti héten (regisztrációs hét), számítógépen (NEPTUN). Értékelés: 100% vizsga súllyal
Tantárgy tematika Kerámiatan (BSc hallgatók számára) Hét Elıadás Gyakorlat 1 Bevezetés, tantárgyi követelmények. Kerámiák fogalma Kerámiák helye és szerepe a mesterségesen elıállított anyagok között. 2 Legjellemzıbb I. II. és III. generációs kerámiák: SiO 2 módosulatai; kerámiák szilikátkémiai gyorsírása 3 Domináns kettı- és háromalkotós oxidkerámiák. A SiO 2 -Al 2 O 3 és a SiO 2 CaO kétalkotós és a SiO 2 -Al 2 O 3 -CaO háromalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábrája összetételek és módosulatok elemzése 4 Kerámiák tulajdonságai mikroszerkezet, makroszerkezet, porozitás, nedvességtartalom, száradási érzékenység, száradási zsugorodás. 5 Kerámiák mechanikai tulajdonságai. Mikro- és makrokeménység, húzó, nyomó és hajlítószilárdság. Merevség és ridegség. Kerámiák reológiai tulajdonságai reológiai anyagmodellek és anyagegyenletek. 6 ZH az eddig tanultakból. Kerámiák termomechanikai tulajdonságai: csúcsterhelés, terhelés alatti lágyulás, kúszás és tartós szilárdság magas hımérsékleten, Kerámiák hıfizikai tulajdonságai: hıvezetés, hıtágulás, párolgás. 7 Kerámiák termikus tulajdonságai: - tőzállóság; - térfogatállóság magas hımérsékleten; - állékonyság; - termikus öregedés; - kémiai stabilitás 8. Kerámiák villamos (elektrofizikai) tulajdonságai -vezetés -polarizáció; -dielektromos tulajdonságok *átütési szilárdság *dielektromos veszteség -mágneses tulajdonság -villamos szigetelés 9 ZH az október 20-tól tanultakból Kerámiák alakadása I. - A méret és alaktartósság feltételei; Számítási példák 1. Anyagösszetételi számítások. Szárazanyag tartalom meghatározása, átszámítása más nedvességtartalomra Számítási példák 2. Keverékek számítása a massza kémiai analízise alapján Számítási példák 3. Technológiai keverékek szinterelés után várható kémiai összetételének számítása Számítási példák 4. Masszák hıtágulási együtthatójának számítása. Számítási példák 5. Adott összetételő nyersselejt és égetett-selejt nyers masszákba történı visszaforgatásának számításai. Laborgyakorlat 1. Keverékek készítése, téglatermékek alakadása Laborgyakorlat 2. Száradási és zsugorodási vizsgálatok I. Boury - Morozov diagram felvétele, elkészítése. Laboratóriumgyakorlat 3. Száradási érzékenység vizsgálatok II. Bourry-Morozov féle diagramm értelmezése, kiértékelése. Laborgyakorlat 4. Kötıanyagok folyósságának, kötési idejének meghatározása.
deformáció sajtolónyomás és deformáció sajtolási idı diagrammok értelmezése. 10 Kerámiák alakadása II. - A reológia és a reomechanika jelentısége kerámiák alakadásánál - Nyomásesések meghatározása különbözı geometriájú sajtoló szerszámokban. 11. Kerámiák szárítása - A száradás kinetikája, a száradási sebességet befolyásoló tényezık és azok hatásmechanizmusa. - Módszerek és megoldások kerámiák szárításához. - Termoplasztikus kötıanyagok eltávolítása. 12 Kerámiák égetése, zsugorítása I. - általános fogalmak és értelmezésük, - Zsugorítás folyadék fázisban, - Zsugorítás szilárdfázisban. A szilárdfázisú reakciók jellege és értelmezése kerámiák égetésekor. 13. Kerámiák égetése, zsugorítása II. - Kerámiák égetése, zsugorítása mechanikai nyomás alatt - Kerámiák reaktív zsugorítása - Kerámiák égetésének hımérsékletidı diagramját befolyásoló legfontosabb tényezık és azok hatásmechanizmusa. 14. ZH a november 10-tıl tanultakból Pót Zh a meg nem írt vagy elégtelenre megírt ZH-ból Laborgyakorlat 5. Kötıanyagok 7 napos nyomószilárdságának meghatározása Laborgyakorlat 6. Téglaagyagból gyártott próbatestek égetése; tömeg és térfogatcsökkenés meghatározása Laborgyakorlat 7. Szigetelı szálkerámiák (üveggyapot) hıvezetésének meghatározása. Laborgyakorlat 8. Téglaagyagból égetett kerámiák vízfelvételének és sőrőségének vizsgálata. Laborgyakorlat 9. Hıtágulás mérése téglákon.
Vizsgáztatás módja: 4. Vizsgakérdések, vizsgáztatás módja A vizsga szóban történik. Az érdemjegy megállapítása a 4 kiadott tételre és az elıadások illetve gyakorlatok anyagából feltett kérdésekre adott válasz alapján történik VIZSGAKÉRDÉSEK KERÁMIATAN BSc Anyagmérnöki szak 1. Kerámiák fogalma, legfontosabb kerámiaipari alapanyagok és nyersanyagok 2. Különbözı kerámiák és kerámiarendszerek alkotóelemeinek szilikátkémiai gyorsírása. 3. Kerámiák jellemzı nano- és mikrostruktúrája összefüggések a kerámiákat alkotó elemek (oxidok) kötéstípusa és olvadáspontja között. 4. Kerámiák makrostruktúrája, porozitása gáz- és folyadékáteresztı képessége. 5. Kerámiák legjellemzıbb alapanyagai és termikus bomlásuk átalakulásuk. 6. Ismertesse a kaolin ásvány termikus bomlását és átalakulásait a hımérséklet függvényében. 7. Ismertesse a szilicium-dioxid átalakulását és módosulatait a hımérséklet függvényében 8. Ismertesse a SiO 2 -Al 2 O 3 kétalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai és fizikai tulajdonságait. 9. Ismertesse a SiO 2 CaO kétalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai és fizikai tulajdonságait. 10. Kerámiák legfontosabb kémiai tulajdonságai összetétel, kötés típusok, szilárdfázisú reakciók 11. Kerámiák oldódása savakkal, lúgokkal szembeni ellenálló képessége. 12. Kerámiák oldódása olvadékokkal szembeni ellenálló képesség 13. Kerámiák legfontosabb mechanikai tulajdonságai kerámiák ridegsége, összefüggések a kerámiák ridegsége valamint mikro- és makroszerkezete között. 14. Kerámiák keménysége összefüggések a kerámiák mikro- és makrokeménysége, valamint kémiai (ásványi) összetétele illetve mikro- és makroszerkezete között. 15. Kerámiák mechanikai szilárdsága kerámiák nyomó-, húzó- és hajlítószilárdsága közötti nagy különbség okai és magyarázatuk. 16. Összefüggések azonos kémiai összetételő kerámiák törıszilárdsága és a törésig történı megfeszítéséig végbemenı alakváltozása között. 17. Kerámiák és kerámiaipari alapanyagok legjellemzıbb reológiai tulajdonságai 18. Definiálja és értelmezze a viszkozitást, a rugalmasságot és a képlékenységet. 19. Kerámiák viszkorugalmas, viszkoképlékeny és képlékeny rugalmas alakváltozása változó terhelıerı hatására. 20. Kerámiák viszkorugalmas, viszkoképlékeny és képlékeny rugalmas alakváltozása az idı függvényében állandó terhelıerı esetén. 21. Kerámiák száradási zsugorodása ismertesse a Bourry-Morozov féle zsugorodási diagramot. 22. Kerámiák égetési zsugorodása az égetési (szinterelési) zsugorodás okai. 23. Kerámiák kúszása a kúszás mikro- és makroszerkezeti okai. 24. Kerámiák kúszásának nagyságát meghatározó mechanikai modellek matematikai egyenletek fejlıdése a XX. század I. felében. 25. Kerámiák kúszásának nagyságát meghatározó mechanikai modellek matematikai egyenletek fejlıdése a XX. század II. felében
26. Feszültségek ernyedése, relaxációja a kerámiákban rajzolja fel és értelmezze a feszültségrelaxáció σ = f(t) függvényt a kerámiák esetére. 27. Értelmezze a gyors feszültségrelaxációt és a kúszást a kerámia porok sajtolása példáján 28. Mik a kerámiák alakadásakor bevitt feszültségek nem tökéletes relaxációjának legtipikusabb nemkívánatos következményei? 29. Mi a tixotrópia? Mikor találkozunk a kerámiáknál a tixotrópia jelenségével? 30. Kerámiák legfontosabb termo-mechanikai és hıfizikai tulajdonságai 31. Kerámiák magas hımérsékleti törıszilárdsága a törıszilárdság csökkenésének és növekedésének okai. 32. Kerámiák magas hımérsékleti pillanatnyi csúcsterhelése (MHPCS) melyek az MHPCS -t jól viselı kerámiák? 33. Melyek a kerámiák magas hımérsékleti pillanatnyi csúcsterhelési tulajdonságait leginkább befolyásoló tényezık mondjon példát az MHPCS -t rosszul viselı kerámiákra. 34. Mi a terhelés alatti lágyulás (TAL) hogyan határozzuk meg a kerámiák TAL-számát (lágyulási pontját)? 35. Melyek a kerámiák TAL tulajdonságait befolyásoló legfontosabb tényezık ismertesse néhány oxid-kerámia lágyuláspontját (TAL-számát) és lágyulási intervallumát. 36. Kerámia tőzállóanyagok fázisösszetétele (az üveges fázis aránya) hatással bír-e a lágyulási intervallum nagyságára és ez által a tőzállóságra? 37. Kerámiák termikus kúszása, a termikus kúszás okai ismertesse és értelmezze a kúszás sebességét leíró matematikai összefüggést. 38. Ismertesse az üvegnek mint a kerámiák egy szélsı esetének szerkezeti felépítését és a hıvel szembeni viselkedésének sajátosságait. 39. Az üveget alkotó oxidok jelentısége és hatása az üveg morfológiai tulajdonságaira. Melyek a legfontosabb hálózatépítı, módosító és átmeneti oxidok? 40. Az üvegolvadék tulajdonságai melyek az üvegolvadék viszkozitását és felületi feszültségét leginkább befolyásoló oxidok és azok hatásmechanizmusa. 41. Kerámiák sőrősége abszolút sőrőség, testsőrőség, fajlagos sőrőség. 42. Kerámiák a testsőrőség és az abszolút sőrőség tükrében. 43. Kerámia nyersanyagok nedvességtartalma hogyan határozzuk meg a kerámiaipari nyersanyagok abszolút és relatív nedvességtartalmát. 44. Kerámiák vízfelvétele hogyan történik a kerámiák vízfelvételének MSz (Magyar Szabvány) szerinti meghatározása? 45. Mi az effektív vagy áteresztı porozitás hogyan határozzuk meg a kapilláris rádiuszt? 46. A kapilláris rádiusz értelmezése és levezetése tökéletes nedvesítés esetén. 47. Mi a különbség a kerámia porok fajlagos felülete és fajlagos pórusfelülete között? 48. Értelmezze a merevséget, a ridegséget és a keménységet az égetett (szinterelt) kerámiák példáján. 49. Értelmezze a Brinell-, a Vickers- és a Rockwell keménységet. 50. Mi a Mohs-keménység? Milyen a kapcsolat az, azonos típusú ionkötéső kerámiák Mohs keménysége (HM) valamint a kristály rácspontjainak távolsága között? 51. Kerámiák alakváltozása mechanikai igénybevételek (nyomó, húzó, nyíró és csúsztató feszültségek) hatására. 52. Hogyan befolyásolja az alapanyag tisztasága a kerámiák mikroszerkezetérıl készített SEM felvételt? 53. Mi a felületi feszültség, és milyen szerepet játszik az egyes komponensek felületi feszültsége a több összetevıs kerámia rendszerek szinterelésekor.
54. Hogyan befolyásolja a szintereléskor olvadék fázisban levı komponens felületi feszültsége a többkomponenső (több összetevıs) kerámia anyagok sőrőségét és mechanikai tulajdonságait? 55. Mi a felületi feszültség és milyen módszerekkel tudjuk egy adott folyadék felületi feszültségét meghatározni? 56. Ismertesse a természetes agyagtelepek ásványait, részletezze, milyen agyagásványokat ismer! 57. Melyek a legismertebb mállási maradékok ismertesse a leggyakoribb földpátok oxidos összetételét és legjellemzıbb tulajdonságait. 58. Milyen karbidokat, boridokat és szilicideket ismer; és a tudomány illetve ipar milyen területein hasznosíthatóak ezek az anyagok. 59. Hogyan néz ki térben a SiO 4 tetraéder? rajzolja fel a Si-O kettıs láncot és a kettıs oktaéder láncot felülnézetben! 60. Milyen reo-mechanikai anyagmodelleket és anyagegyenleteket ismer? Értelmezze a reopektikus folyást a cementpép vagy a gipszhidrát példáján! 61. Ismertesse a tetraéderes szilícium-oxid legismertebb elrendezıdéseit [SiO 4 ] 4- ; [Si 2 O 7 ] 6- ; [Si 3 O 9 ] 6- ; [Si 4 O 12 ] 8-2 és végtelen számú tetraéderbıl álló [ ] 3 2 6 [ Si O ] [ Si ] láncait és szalagait. 2 5 ; 4O11 SiO ; 62. Rajzolja le egy kerámia kristály tipikus mikroszerkezetét. Mi a különbség az ideális és a mozaik-szerő kristályszerkezet között. 63. Rajzolja fel és magyarázza meg a kvarcszemcse a kvarcüveg és a nátronüveg kristályszerkezete közötti különbséget. 64. Ismertesse a SiO 2 -Na 2 O kétalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai és fizikai tulajdonságait. 65. Ismertesse a SiO 2 -MgO kétalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját; és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai és fizikai tulajdonságait. 66. Ismertesse a Na 2 O-SiO 2 -CaO háromalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját; és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai, fizikai és termikus tulajdonságait. 67. Ismertesse a CaO-Al 2 O 3 -SiO 2 háromalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját; és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai, fizikai és termikus tulajdonságait. 68. Ismertesse a MgO-Al 2 O 3 -SiO 2 háromalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját; és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai, fizikai és termikus tulajdonságait. 69. Ismertesse a CaO-MgO-SiO 2 háromalkotós kerámiák egyensúlyi állapotábráját; és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai, fizikai és termikus tulajdonságait. 70. Tőzállóanyagok felosztása, fajtái; jellemezze a legfontosabb egy, kettı és háromalkotós tőzállóanyagokat. 71. Rajzolja fel a FeO- Al 2 O 3 -SiO 2 háromalkotós kerámia állapotábráját és jellemezze a rendszerhez tartozó kerámiák morfológiai, fizikai és termikus tulajdonságait.
Minta zárthelyi Kerámiatan BSC zárthelyi A 1. Rajzolja fel és értelmezze a kalcium-karbonát disszociáció elvő dekarbonizációját! 2. Rajzolja fel és jellemezze a kerámia száradó nyersgyártmány, nedvességtartalom, gıztenzió és hımérséklet megoszlását! 3. Kerámiák reológiai tulajdonságai. Ismertesse a Maxwell-test és a Voith-Kelvin féle test reológiai modelljét (Deformáció-erı és deformáció idı függvények). 4. Számítsuk ki, mennyi ásványi alapanyagot kell bekevernünk, hogy a szárítási és izzítási folyamatok után 100 kg égetett terméket kapjunk. Ásványi alapanyagok tulajdonságai: Nedvességtartalom és megkívánt összetétel: Alapanyag Mol. Tömeg (g) Földpát 556 Kaolin 258 Kvarchomok 60 Dolomit 184 Alapanyagok Nedv. Tart % Összetétel % Földpát 4 10 Kaolin 20 60 Kvarchomok 1 5 Dolomit 2 25 5. Határozza meg az alábbi hıtágulási együtthatókkal adott alapanyagokból készített kerámiamáz lineáris hıtágulási együtthatóját. Mázösszetétel (Seeger képlettel) SiO 2 0,8*10-7 Al 2 O 3 0,5*10-7 K 2 O 8,5*10-7 MgO 0,1*10-7 CaO 5*10-7 MgO 0,145 CaO 0,645 K 2 O 0,21 Al 2 O 3 0,42 SiO 2 0,67 Moláris tömegek (g/mol): MgO 40 CaO 56 K 2 O 94 Al 2 O 3 102 SiO 2 60