12. Kerámia termékek tervezése és alkalmazása Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
[email protected] 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 (SiO2) és Al2O3 szemcsék nagy sebességű szórása Feladat
Követelmények
Fém és egyéb „kemény” felületek polírozása tisztítása Kerámia termékek felületének megmunkálása a szinterelést követően
Szobahőmérséklet, nagy nyomás Nagy ellenállás koptató hatás Jó mechanikai tulajdonságok
Lehetőségek
Szinterelt Al2O3 (rövid élettartam) Szinterelt Co-kötésű WC (drága) Melegen sajtolt B4C (drága, de nagyon tartós) 3
Tűzálló berendezések bevonata
Magas hőmérsékleten működő kemencék Feladat
Követelmények
Gyors fűtés és hűtés Kevés fogyasztás Rossz hővezetés Magas olvadáspont
Megoldás
Porózus oxid és szilikát kerámiák Kerámia szálak, szövetek (kis méret)
4
Tömítések
Egymáshoz érintkező mozgó felületek közötti kapcsolat Feladat
Követelmények
Tömítés „Kenés” Keménység Jó mérettartás széles hőmérséklet tartományban Jó tribológiai tulajdonságok Korrózióállóság
Megoldás
Grafit (drága) Al2O3 Kombinációk Speciális anyagok SiC 5
Tömítések
A tömítendő anyag
Gázok és folyadékok tömítése Autók klímamotorja
17 bar 550 m/min felületi sebesség Al2O3 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
Követelmények
Fémöntödék Égetők Fosszilis erőművek Hőállóság Korrózióállóság Termikus sokkálóság Jó hővezetés
Megoldás
SiC (méretkorlátozások) Speciális kerámiák, LAS, AS, MAS 7
Magas hőmérsékletű generátor
Gázturbinában folyamatosan forgó rész Feladat
Követelmények
Elvonni a kivezető gáz energiáját (forgás és hő) Előmelegíteni a bevezetett gázt >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) Si3N4 (hőtágulás) 8
Fegyverzet, páncél
A katona védelme úgy hogy mozgékonysága nem csökken Feladat
Követelmények
Védelem (30-as kaliber lövedék) Kis tömeg (repülés, helikopter) Keménység Ütésállóság Kis tömeg
Megoldás
B4C (6,4 mm vastag lemez elég) Al-Al2O3 (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
Követelmények
Általában rezet használnak a jó hővezetése miatt Magas hőmérsékleten és túl nagy hőmennyiségek elvezetésére a réz nem használható (megolvad) 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
Igények
Alsó rész Pillekönnyű porózus szilikát kerámia
Kis téglák
15,2 x 15,2 cm Vastagság 0,5-11,4 cm 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 Si3N4 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
Tényezők
Viszonylag nagy súly Nagy keménység (nem szennyezi az őrlendő anyagot)
Őrlési idő Őrlési hatékonyság Megengedett maximális szennyeződés
Megoldás
Si3N4 WC Al2O3 (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 ZrO2 (plazmaszórás) Kötőréteg alkalmazása: CoCrAlY Kerámiafelületek bevonása SiC bevonása ZrO2, vagy mullittal
16
Termoelemek bevonata
A termoelem fém részeinek védelme a direkt hőhatástól Követelmények
Kis hővezetés
Megoldás
Al2O3 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) Si3N4 SiC 18
Kiln vázak
Magas hőmérsékletű feldolgozást igénylő anyagok tartóeleme a feldolgozás során Követelmények
Nagy hőállóság Korrózióállóság
A feldolgozási hőmérséklet a meghatározó Megoldás
Al2O3 Si3N4 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 Al2O3 SiO2
IR + radar
MgF2 ZnS ZnSe
20
Gázturbina állórészek
Nem mozgó áramvonalas alkatrészek Követelmények
Stabil Jó hősokk állóság Korrózióállóság Jó mechanikai tulajdonságok
Megoldások
Si3N4 SiC
21
Fémmegmunkáló serszámok
Nagy sebességű vágás kivitelezése Követelmények
Nagy keménység Korrózióállóság Hőállóság
Megoldás
Al2O3 Si3N4 Al2O3 – TiC Al2O3 + SiC WC Egyéb más kerámiák 22
Fémmegmunkáló szerszámok fejlődése Történeti áttekintés Öntött nemfémek Nagy sebességű acél Öntöttvas
Szinterelt szénvegyület Kerámia Kompozit
Vágási sebesség (felület/min)
Piacrakerülés dátuma (év) 23
Magas hőmérsékletű fűtési alkatrész
Elektromos feszültség hatására melegedő anyag Követelmények
Félvezető tulajdonság
Megoldás
SiC MoSi2 ZrO2
24
Csapágyak
Magas hőmérsékleten alkalmazott csapágyak, ahol a hagyományos fém csapágy már nem használható Követelmények
Nagy keménység Kopásállóság Jó tribológiai tulajdonságok Nagy szívósság
Megoldás
Si3N4 (melegen sajtolt)
25
Teniszütő
Modern teniszütő Követelmények
Megoldások
Merev Könnyű Vibráció elnyelése Grafit BN Szénszálas polimer Piezoelektromos teniszütő
Head IntellifibreTM 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
Eu2O3 Yb2O3
Megoldás
A fog színe jobban hasonlít a természetes fogéhoz Fehér-kék színű fluoreszcencia 28
