Al 2 O 3 kerámiák (alumíniumtrioxid - alumina)
Alumíniumtrioxid - alumina Korund (polikristályos, hexagonális sűrűill.) Zafir egykristály (természetes és mesterséges is) Rubin (természetes és mesterséges is) ********** legalább 5 féle kristálymódosulata van, a legstabilabb az α-al 2 O 3 korund
Tipikus nagyteljesítményű kerámia Olyan nagytisztaságú szervetlen, nemfémes anyagok, amelyeket szigorúan definiált körülmények között meghatározott formájú és összetételű porokból állítanak elő, és alkalmasak szélsőséges mechanikai, korróziós, termikus és elektromos célú felhasználásokra,
Tulajdonságai I. Nagy olvadáspont 2050 O c Nagy merevség E=550 w -460-306 MPa Nagy keménység 9 Mohs, H KNOPP =2050 Stabil oxid (disszociációs nyomás kicsi,10-15 bar/1500 o C, BeO, ThO 2 jobb, még kisebb)) Kopásálló Átlátszó, ha nagy tisztaságú Korrózióálló:savaknak, lugoknak ellenáll (biokompatobilis), Fe csoporttal nem reagál (forgácsolószerszámok), Mn desztillálható, feszültségkorrózióra hajlamos vizes oldatokban
Tulajdonságai II. Nagy nyomószilárdság Nagy melegszilárdság Kis sűrűség Szigetelő (vezetőképesség a hőmérséklettel nő ) T szobahőn 10 12 ohm*m, 1000 o C 10 5 Hővezető 43 w -16 W/mK-szigetelő Közepes hőtágulás 4-8.8 Kis szívósság Magas hőmérsékleten (1200-1300 o C) alakvált. képesség (sőt szuperképlékenység 7.5*10-5 /s ε=105%)
Tulajdonságok III. Reakcióképesség (tömörödés hajtóereje) non reactíve: 0,2-1 m 2 /g reactíve: 6-9 m 2 /g <1 µm igen nagy felület (szívósság, szilárdság) < 0,3 µm porozitás eltüntethető, szinterelés után az átláthatóság feltétele
A por előállítása 1. Bayer eljárással bauxitból (darabolás, őrlés, oldás (45-50%-os) nátronlúgban NaOH, gőzzel fűtött tartályokban. Feltárás autoklávokban 105-250 o C-on 6-8 bar nyomáson Na 2 OAl 2 O 3 + vörösiszap Leválasztás, szűrés, hűtés Kikeverés 40-60 o C-on 30-48 óra finomszemcsés Al(OH) 3 válik ki Leválasztás vákuum szűrőben (kevés szennyező) Kalcinálás 1000-1300 o C-on (1200 felett stabil) forgódobos kemencében hexagonális αal 2 O 3, vízmentes tiszta timföld keletkezik 0,3-10 μm
A por előállítása 2. Hidrotermikus vagy vízoldatos eljárás (kicsapódás a forráspont felett, kristályos, nem kell kalcinálni) apró méret Kiválásos technológia (szubmikronos, nagytisztaságú 99.995%) Aerozolos bontás Ív- radiofrekvenciás, lézeres szintézis Self- propagating High temperatures Synthesis (SHS) eljárás 3TiO 2 szilárd+3csz+4al(sz) >>> 2Al 2 O 3 sz+ticsz
Al 2 O 3 alumíniumtrioxid Korund (polikristályos) Zafir (egykristály) mesterséges és természetes Rubin mesterséges és természetes Legalább ötféle módosulat: legstabilabb a hexagonális α-al 2 O 3 Szerkezeti anyagként legalább 85-99.9% Al 2 O 3 finomszemcsés por 1-30 mikron, adalékanyagok folyósítószer + + kristálynövekedést gátló anyag Nehéz szinterelni, száz éve az első szabadalom
19007 első szabadalom 1920-30 Ipari gyártás 1936 Szintereléshez MgO szükséges, 100% tömörség ************************ 1912 forgácsoló szerszámok,1930 laboreszközök (tégely, szigetelő stb), 1950 elektronikai ipar (szigetelők),1955 forgácsoló szerszámok, 1960 dróthúzás, csapágyak, 1963 papíripar, 1970 orvosi alkalmazás, 1980 wiskers(sicw, ZrO 2 ) erősítésű Al 2 O 3 kompozit
Tulajdonságai Tisztaság Szemcseméret Szemcseeloszlás Porozitás Reakcióképesség: a tömörödés hajtóereje: 0.2-1 m 2 /g rossz, 6-9 jó reakcióképesség 1μm igen nagy felület, jó szívósság, szilárdság 0.3 μm szinterelés után eltűnnek a pórusok, átlátszik
Al 2 O 3 -SiO 2 1590 Al 2 O 3 -MgO-SiO 2 1365 Al 2 O 3 -CaO-SiO 2 1170 CaO gyorsabb szemcsenövekedés
Zsugorítás Tiszta Al 2 O 3 szinterelési hőmérséklete 1800 o C, adalékokkal csökkenteni kell
Diffúziós kötés
Mitől korszerű műszaki kerámiák? Feszültség Alakváltozás
A korszerű kerámiák fejlődése
Hol helyezkednek el a kerámiák a szerkezeti anyagok között? Szilárdság Rugalmas viselkedés mérőszáma
Miből épülnek fel? Döntően kristályos anyagok
Szerkezeti kerámiák Magas hőmérsékletű, nagy szilárdságú kerámiák Porózus kerámiák Kerámia csapágyak Vágószerszámok Energiatermelésben és tárolásban alkalmazott kerámiák Méhsejt szerkezetű, kordierit kerámiák Orvosi kerámiák Rétegszerkezetű kerámiák Kerámia mátrixú társított anyagok (kompozitok)
Miért előnyösek? Magas hőmérsékleten alkalmazhatók
Hogyan készülnek a korszerű műszaki kerámiák? Kiindulási vegyületek Kerámia prekurzorok Blend-készítés Tűkristály Film Tömb kristály Formázás Szilárd hordozó Kerámia rétegekr Tömör r kerámi miák Társított kerámi miák
Hogyan készülnek a korszerű műszaki kerámiák? Alapanyag-gyártás Nyerskeverék előkészítés Formázás Zsugorítás/szinterelés Utómegmunkálás
Sajtolás: szemcsék tömörödése Nyers sűrűség
Hideg izosztatikus sajtolás (CIP) (a) Por betöltése (b) Öntőforma behelyezése (c) Hideg izosztatikus sajtolás (d) A nyers formatest kivétele
Szinterelés Általános megfontolások A kerámiai anyagok olvadáspontja általában >1000 o C A formázott porelegyet magas hőmérsékletű hőkezeléssel (zsugorítással/szintereléssel) lehet átalakítani tömör kerámiává Cél: a részecskék összekapcsolása és porozitás csökkentése
Szinterelés a gyakorlatban I. Jellemző fűtési program 200-400 o C Víz és adalékok eltávolítása A poralkotók kémiai homogenizálása vagy reakciója Izoterm szinterelési szakasz Utólagos hőntartás Felfűtés a szinterelési hőmérsékletre Lehűtés
Szinterelés: példák
Felületi filmek kialakítása Oxidok pulzált lézersugaras leválasztása
Rétegkialakítás plazmaporlasztással
Zsugorítás 2. MgO adalékkal 1950-ben 100%-os tömörség (MgO és NiO képes meggátolni a folyamatos szemcsenövekedést szabadalom 1936-ban) ************* Reakciókötésű Al 2 O 3 (reaction bonding) 30-60% Al+Al 2 O 3 + 5-20 % ZrO 2 keverés, tömörítés (20-50 MPa) nyersdarab, forgácsolható, kezelés levegőn, 350 o C-on, Al nm-nyi Al 2 O 3 kristályokká oxidálódik térfogatnövekedés 28%, szinterelés 1200 oc-on (jelentős zsugor, HIP Rm =1200 MPa