12. Kerámia termékek tervezése és alkalmazása Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék amenyhard@mail.bme.hu Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477 2013
Vázlat Homokfúvó berendezés Tűzálló berendezések felülete Tömítések Magas hőmérsékletű hőcserélő Páncél, fegyverezet Mágnes Hűtőblokk Földi légkörbe visszalépő járművek (hővédő pajzs) Szinterelés során mérettartó kerámiák Őrlőközeg (golyós malom) Szerszámok Csapágyak Fényemittáló kerámiák (fluoreszcens ) 2
Homokszórás Homokszemcsék (SiO 2 ) és Al 2 O 3 szemcsék nagy sebességű szórása Feladat Fém és egyéb kemény felületek polírozása tisztítása Kerámia termékek felületének megmunkálása a szinterelést követően Követelmények Szobahőmérséklet, nagy nyomás Nagy ellenállás koptató hatás Jó mechanikai tulajdonságok Lehetőségek Szinterelt Al 2 O 3 (rövid élettartam) Szinterelt Co-kötésű WC (drága) Melegen sajtolt B 4 C (drága, de nagyon tartós) 3
Tűzálló berendezések bevonata Magas hőmérsékleten működő kemencék Feladat Gyors fűtés és hűtés Kevés fogyasztás Követelmények Rossz hővezetés Magas olvadáspont Megoldás Porózus oxid és szilikát kerámiák Kerámia szálak, szövetek (kis méret) 4
Tömítések Egymáshoz érintkező mozgó felületek közötti kapcsolat Feladat Tömítés Kenés Követelmények Keménység Jó mérettartás széles hőmérséklet tartományban Jó tribológiai tulajdonságok Korrózióállóság Megoldás Grafit (drága) Al 2 O 3 Kombinációk Speciális anyagok SiC 5
Tömítések A tömítendő anyag Gázok és folyadékok tömítése Autók klímamotorja 17 bar 550 m/min felületi sebesség Al 2 O 3 és grafit felületek Jet motorok tömítése 8,3 bar 6100 m/min felületi sebesség 600 C Felületkezelt grafit (oxidáció védelem) Grafit + SiO felületi SiC réteg 6
Magas hőmérsékletű hőcserélő (Hulladék)hő hasznosítása Fémöntödék Égetők Fosszilis erőművek Követelmények Hőállóság Korrózióállóság Termikus sokkálóság Jó hővezetés Megoldás SiC (méretkorlátozások) Speciális kerámiák, LAS, AS, MAS 7
Magas hőmérsékletű generátor Gázturbinában folyamatosan forgó rész Feladat Elvonni a kivezető gáz energiáját (forgás és hő) Előmelegíteni a bevezetett gázt Követelmények >950 C Nagy fordulatszám Minimális hőtágulás Megoldás LAS (Lítium-alumínium-szilikát) Közel nulla hőtágulás, de korróziós probléma (A Li ionok Na és H ionokra cserélődnek bizonyos területen, ez pedig töréshez vezet) MAS (Magnézium-alumínium-szilikát) Nincs korróziós probléma, de a hőtágulás nagyobb (tervezési nehézségek) SiC (hőtágulás) Si 3 N 4 (hőtágulás) 8
Fegyverzet, páncél A katona védelme úgy hogy mozgékonysága nem csökken Feladat Védelem (30-as kaliber lövedék) Kis tömeg (repülés, helikopter) Követelmények Keménység Ütésállóság Kis tömeg Megoldás B 4 C (6,4 mm vastag lemez elég) Al-Al 2 O 3 (nehéz) Polimer (Kevlar hordozó) 9
Mágneses kerámiák Mágnesesség biztosítása Előnyök Könnyebb, minta a fém Tulajdonságok hangolhatók Megoldás Hexagonális ferritek Stroncium Ólom Barium A kristályszerkezet a felhasználás jellegétől függően változhat 10
Kerámia hűtőblokk A lokálisan ébredő hő elvezetése Általában rezet használnak a jó hővezetése miatt Magas hőmérsékleten és túl nagy hőmennyiségek elvezetésére a réz nem használható (megolvad) Követelmények Jó hővezetés Jó mérettartás Megoldás Gyémánt (drága és nehezen alakítható) BeO AlN SiC Grafit Grafit-SiC felület 11
Földi légkörbe visszatérő jármű A földi légkörbe való visszatérés csak nagy sebességgel lehetséges Nagy hőfejlődés Megoldások Nagy mennyiségű hőt elnyelő anyagból készült bevonat Olyan bevonat ami elviseli a belépéskor ébredő hőt (1650 C) 12
Földi légkörbe visszatérő jármű Anyagválasztás 1260 C felett Orr, és szárnyak Szén-szén kompozit + SiC felületi réteg 1260 C alatt Alsó rész Kis téglák Pillekönnyű porózus szilikát kerámia 15,2 x 15,2 cm Vastagság 0,5-11,4 cm Igények 13
Szinterelés során mérettartó kerámiák Kivételesen nagy méretpontosságot igénylő allamazások Probléma A szinterelés során a mintadarab méretei megváltoznak, és a változás nem jósolható meg teljes pontossággal Megoldás Olyan kerámia amely nem változtatja a méretét a szinterelés során Si 3 N 4 reaktív szinterelés SiC reaktív szinterelés A szinterelés során lejátszódó reakció alatt olyan vázszerkezet képződik, ami megakadályozza a méretváltozást Hátrány: pórusok képződnek 14
Őrlőközegek A golyósmalomban a forgás során egy belső őrlőközeg biztosítja az aprítást Követelmények Viszonylag nagy súly Nagy keménység (nem szennyezi az őrlendő anyagot) Tényezők Őrlési idő Őrlési hatékonyság Megengedett maximális szennyeződés Megoldás Si 3 N 4 WC Al 2 O 3 (SIALON kompozíciók) 15
Hőálló bevonatok Gázturbinák belsejében lévő fém alkatrészek védelme Lehetőséget ad a speciális fém alkatrészek helyettesítésére Co, Ni, Cr, Mo vagy Hf Követelmények Kis hővezetés A fémekhez hasonló hőtágulás Relatív erős kölcsönhatás a fémmel Megoldás Stabilizált ZrO 2 (plazmaszórás) Kötőréteg alkalmazása: CoCrAlY Kerámiafelületek bevonása SiC bevonása ZrO 2, vagy mullittal 16
Termoelemek bevonata A termoelem fém részeinek védelme a direkt hőhatástól Követelmények Kis hővezetés Megoldás Al 2 O 3 MgO Egyéb olcsóbb kerámia Extrúzió + szinterelés 17
Hősokkálló anyagok A gyors felfűtés és lehűtési lépések ciklikus ismétlődése tönkreteszi az anyagokat Követelmények Kis hőtágulási együttható Relatív kis merevség Jó hővezető Szívósság Megoldás LAS (Li-Al-szilikát) Si 3 N 4 SiC 18
Kiln vázak Magas hőmérsékletű feldolgozást igénylő anyagok tartóeleme a feldolgozás során Követelmények Nagy hőállóság Korrózióállóság A feldolgozási hőmérséklet a meghatározó Megoldás Al 2 O 3 Si 3 N 4 SiC 19
Radome bevonatok Radartechnikai és harcászati alkalmazás (repülők radarjának borítása) Követelmények A bevonatnak át kell ereszteni az elektromágneses hullámokat Megoldások UV, részben IR + radar MgO Al 2 O 3 SiO 2 IR + radar MgF 2 ZnS ZnSe 20
Gázturbina állórészek Nem mozgó áramvonalas alkatrészek Követelmények Stabil Jó hősokk állóság Korrózióállóság Jó mechanikai tulajdonságok Megoldások Si 3 N 4 SiC 21
Fémmegmunkáló serszámok Nagy sebességű vágás kivitelezése Követelmények Nagy keménység Korrózióállóság Hőállóság Megoldás Al 2 O 3 Si 3 N 4 Al 2 O 3 TiC Al 2 O 3 + SiC WC Egyéb más kerámiák 22
Vágási sebesség (felület/min) Fémmegmunkáló szerszámok fejlődése Történeti áttekintés Öntött nemfémek Nagy sebességű acél Öntöttvas Szinterelt szénvegyület Kerámia Kompozit Piacrakerülés dátuma (év) 23
Magas hőmérsékletű fűtési alkatrész Elektromos feszültség hatására melegedő anyag Követelmények Félvezető tulajdonság Megoldás SiC MoSi 2 ZrO 2 24
Csapágyak Magas hőmérsékleten alkalmazott csapágyak, ahol a hagyományos fém csapágy már nem használható Követelmények Nagy keménység Kopásállóság Jó tribológiai tulajdonságok Nagy szívósság Megoldás Si 3 N 4 (melegen sajtolt) 25
Teniszütő Modern teniszütő Követelmények Merev Könnyű Vibráció elnyelése Megoldások Grafit BN Szénszálas polimer Piezoelektromos teniszütő Head Intellifibre TM technology (Sílécekben is használják) 26
Fényemittáló kerámiák Fénycsövek, energiatakarékos izzócső Felépítés Üvegcső Foszfortartalmú kerámiával borított belső fal Higany és argon gáz a töltet Működés Az elektromosság gerjeszti a higanygőzt ami alacsony hullámhosszú fényt emittál A belső foszfor bevonat gerjesztődik és az emberi szem számára is látható fényt bocsát ki 27
Fényemittáló kerámiák Fluoreszcens fogászati kerámia Probléma: a fogpótlásra használt kerámia színe elüt a természetes fog színétől Felhasznált anyag Alumínium szilikát Adalékokkal fluoreszcens tulajdonságok érhetők el Eu 2 O 3 Yb 2 O 3 Megoldás A fog színe jobban hasonlít a természetes fogéhoz Fehér-kék színű fluoreszcencia 28