2. Korszerű műszaki kerámiák (bevezetés) Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék
[email protected] Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477
Vázlat
Bevezetés
Korszerű műszaki kerámiák Definíció Csoportosítás
Szerkezet és tulajdonságok
Alaptulajdonságok Alkalmazási területek és példák Összetétel és szerkezet Előállítás Összetétel-szerkezet-tulajdonság példák 2
Korszerű műszaki kerámiák
A szerkezeti anyagok fejlődése
3
Korszerű műszaki kerámiák Mitől „korszerű”? Feszültség
Deformáció
4
Típusok, csoportosítás
Összetétel alapján
Oxidkerámiák
Nem oxid kerámiák
Al2O3, BeO, MgO, SiO2, ThO2,Y2O3, ZrO2 Nitridek, karbidok, boridok, szilicidek, szulfidok
Kombinációk
Oxinitridek, karbonitridek, SIALON
5
Típusok, csoportosítás
Szerkezet alapján
Monolit kerámia
Kerámia rétegek és bevonatok
Társított kerámia kompozitok
6
Típusok, csoportosítás
Funkcionális kerámiák
Valamilyen különleges funkciót látnak el
Szerkezeti kerámiák
Szerkezeti elemként használják Mechanikai tulajdonságok
7
Szerkezeti kerámiák
Magas hőmérsékletű, nagy szilárdságú kerámiák Porózus kerámiák Kerámia csapágyak Vágószerszámok Energiatermelésben és tárolásban alkalmazott kerámiák Méhsejt szerkezetű krodierit kerámiák Orvosi kerámiák Rétegszerkezetű funkcionális kerámiák Társított kerámia kompozitok
8
Funkcionális kerámiák
Hőszigetelő és hővezető kerámiák Félvezető kerámiák Ionvezető kerámiák, oxigén érzékelők (szenzorok) Kémiai tüzelőanyag cellák Piezoelektromos kerámiák Dielektromos kerámiák Mágneses kerámiák Optoelektronikai kerámiák
9
Tulajdonságok és alkalmazások
7
10
Tulajdonságok és alkalmazások
11
Alkalmazási példák
Mechanika
12
Alkalmazási példák
Hőtechnikai alkalmazások
13
Alkalmazási példák
Hőtechnikai alkalmazások
14
Alkalmazási példák
Haditechnika, védőburkolat
15
Alkalmazási példák
Optikai alkalmazás
16
Alkalmazási példák
Elektronikai alkalmazások
17
Szerkezeti anyagok és kerámiák
A legfontosabb mechanikai tulajdonságok
18
A kerámiák felépítése
A főbb alkotóelemek, a földkéreg alkotói
19
Az elemek gyakorisága a földkéregben
20
Olvadáspontok, bomlási hőmérsékletek
21
Tartós alkalmazási hőmérsékletek
Oxidkerámiák: olvadásponttól függ
Nem oxid kerámiák
22
Fontosabb jellemzők
Kémiai stabilitás Kis sűrűség (1,5-4,0 g/cm3) Nagy keménység (8-20 GPa) Nagy szilárdság (0,5-3 GPa) Jó hőállóság (1300-2500 °C) Kis hőtágulás (1-8· 10-6 1/K) Elektromos és hőszigetelés Félvezetés, szupravezetés Piezoelektromos jelleg Biokompatibilitás 23
Sűrűség
Elméleti sűrűség
𝜌𝑒𝑙𝑚 =
mec – az elemi cella tömege
Példa A réz elméleti sűrűsége: 8,98 g/cm3 A gyakorlati sűrűsége: 8,92 g/cm3
𝑁𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑀𝑎𝑡𝑜𝑚 𝑁𝑎
𝑚𝑒𝑐 =
Vec – az elemi cella térfogata
Térfogati sűrűség
𝑚𝑒𝑐 𝑉𝑒𝑐
𝜌𝑡é𝑟𝑓 =
𝑚 𝑉
ρelm > ρtérf Porozitás
Nyílt és zárt pórusok
Példa 70% Al2O3 + 30% SiC Az elméleti sűrűség: 0,7*ρAl2O3 + 0,3* ρSiC = 3,731 g/cm3 A mért térfogati sűrűség 3,65 g/cm3
Porozitás = 100 −
𝜌𝑡é𝑟𝑓 𝜌𝑒𝑙𝑚
100 = 2,2 % 24
Termikus tulajdonságok Atomi mozgások (Cp ≈ 3R)
Hőkapacitás, Cp (cal/g atom/K)
Hőmérséklet (°C) 25
Mechanikai tulajdonságok
Merevség Elméleti szilárdság
𝜎𝑒𝑙𝑚 =
σelm - elméleti szilárdság E - modulus γ – törési felületi energia a0 – atomi távolságok
𝐸𝛾 𝑎0
Mért szilárdság, szál (GPa)
Mért szilárdság, próbatest (GPa)
Anyag
Modulus (GPa)
Számított szilárdság (GPa)
Al2O3
380
38
16
0,4
SiC
440
44
21
0,7
26
Néhány korszerű kerámia
27
Előnyök
Magas hőmérsékletű alkalmazhatóság
Szuperötvözet: Számos egyéb ötvözőanyagot (Ni, Cr, Ti, Co, Mo,V, …) tartalmazó fémek, melyekben az ötvözés következtében olyan fázis jön létre, ami a diszlokációk mozgását nagymértékben akadályozza
28
Előnyök
Tulajdonságok kombinációi Mechanikai
Termikus
Szilárdság Keménység Szívósság Kopásállóság Kis hőtágulás Jó hővezetés Jó hőállóság
Al2O3 ZrO2 SiC Si3N4
Kémiai
Kémiai stabilitás 29
Korszerű műszaki kerámiák előállítása
Folyamatábra
30
Korszerű műszaki kerámiák előállítása
Végtermék formája szerint
31
Korszerű vs. hagyományos kerámiák
Korszerű
Kémiai módszerek (kicsapás, porlasztva szárítás, gőzfázisú, S-G Fröccsöntés, formaöntés, S-G, HP, HIP, RP Elektromos, MW kemence, reaktív szinterelés, HP, VD, PS Csiszolás, lézer, PS, bevonás, ionimplantáció Fénymikroszkóp, XRD, SEM, TEM, ND, XPS
Hagyományos
Természetes ásványok (agyagok, homok)
Formaöntés, sajtolás, korongozás
Hőkezelés
Égetőkemence (olaj, földgáz, szén)
Végső megmunkálás
Csiszolás, mázazás
Vizuális, fénymikroszkóp
Előállítás
Formázás
Jellemzés
32
Korszerű és hagyományos kerámiák
Rövidítések az előző ábrához
S-G: Sol-Gel (szol-gél) HP: Hot pressing (melegsajtolás) HIP: Hot isostatic pressing (izosztatikus melegsajtolás) RP: Rapid prototyping (gyors prototípus gyártás) MW: Microwave (mikrohullám) VD:Vapor deposition (leválasztás gőzfázisból) PS: Plasma spraying (plazmaszórás) XRD: X-Ray diffraction (röntgen diffrakció) SEM: Scanning electron microscopy (pásztázó elektronmikroszkópia) TEM: Transmission electron microscopy (transzmissziós elektronmikroszkópia) ND: Neutron diffraction (neutron szórás) XPS: X-Ray photoelectron spectroscopy (röntgen fotoelektronspektroszkópia) 33
Összetétel-szerkezet-tulajdonság
MgO kerámia: szilárdság – szemcseméret Polikristályos kerámiák szilárdsága függ a szemcsemérettől Végső szemcseméret befolyásolása
Kiinduló por szemcsemérete Alapanyag előkészítése Hőkezelés körülményei
Szemcsehatárok szerepe Egyéb befolyásoló tényezők
Alapanyag tisztasága Pórusok száma és eloszlása Második fázis elhelyezkedése 34
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Átlátszó tulajdonságok: fényszóródás
Szennyeződéseken Pórusokon Kristályos szemcsehatárokon
A szennyezések elkerülése: kémiai szintézis Porozitás csökkentése meleg sajtolással Átlátszó PLZT (Pb-La-Zr-titanát) kerámiák Sandia National Laboratories (USA)
1970-es évek Felvillanás okozta Hadiipar vakság ellen Vadászpilóták részére Perovszkit típusú kristály, piezoelektromos és elektrostriktív tulajdonságok (nanoelektronika, aktuátorok) 35
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Polikristályos AlN: az elméletinél rosszabb hővezetés Ok
Megoldás: Y2O3 vagy CaO adagolása
Szennyeződések Fonon szórás Csökkentik az oxigéntartalmat Oxigénelnyelőként működnek AlN porra összekeverve hatékonyak
Az adalék
Szemcsehatárok az AlN kerámiában Az Y-ban gazdag fázisok jelenléte
Külön fázist képez az AlN szemcsék felületén lévő oxigénnel A külön fázis a hármas pontoknál dúsul fel
Fononok: szilárd anyagokban található atomok rezgési átmeneteinek energiakvantumai
36
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Lágy ferritek (Mn1-xZnxFe2O4) Elektronikai eszközök (TV elektronsugár mozgatása) Permeabilitásuk függ a szemcsemérettől Nagy hibamentes kristályok előnyösek
Nagyon mozgékony doménhatárok Jobban közelíthető a telítési mágnesesség Rácshibák és szemcsehatárok összenyomják a doménhatárokat 37
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Al2O3 kerámiák: elektromos szigetelés
Legtöbb esetben adalékolják
Szilikátokkal Szinterelési hőmérséklet csökkenés
Szerkezet
Nagy elektromos ellenállás Kis dielektromos állandó
Az Al2O3 szemcsék között üvegszerű szilikát fázis
Tulajdonságok változása
Nagyobb vezetőképesség (gyújtógyertya foglalat) Elektromos tulajdonságok változtathatóak a szilikát adalék mennyiségével
38
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Többkomponensű elegyek MgO (39,4%), Cr2O3 (39,4%) és TiO2 Páratér szenzor Automatikus mikróhullámú sütő
Elektróda Fizikailag megkötött víz Szemcse Nyak Kémiailag megkötött víz Szemcsék közötti tér Páratér szenzor
Magnetron
Szellőzés
Sütési idő
Sütőtér
Nitta et al. Ceramic humidity sensor Ind. Eng. Chem. Prod. Res. Dev. 20. (1981) 669-674
Étel 39
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Hétköznapi alkalmazások Kerámia kések
ZrO2
Rideg anyag ezért társítani kell
Mohs keménység 8,5 Edzett acél keménysége 8 Gyémánt keménysége10
Y2O3 (3 %-ban) A repedések keletkezésekor az Y2O3 polimorf átmenete játszódik le, mely során a térfogata megnő így „begyógyul” a repedés
Előállítás: préselés és szilárd fázisú szinterelés Élezés: gyémánt poros élező 40
Összetétel-szerkezet-tulajdonságok
Kerámia edények serpenyők
Silargan® Nano-kerámia bevonatok
Acél serpenyő (relatív jó hővezető) Kerámia bevonat (ellenálló, inert, nem tapad hozzá semmi)
Ti és kerámia szemcsék 2000 °C égetés
41
