Al2O3 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-Al2O3 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 Oc Nagy merevség E=550w-460-306 MPa Nagy keménység 9 Mohs, HKNOPP=2050 Stabil oxid (disszociációs nyomás kicsi,10-15 bar/1500oC, BeO, ThO2 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 ) Tszobahőn 1012ohm*m, 1000oC 105 • Hővezető 43w-16 W/mK-szigetelő • Közepes hőtágulás 4-8.8 • Kis szívósság • Magas hőmérsékleten (1200-1300oC) alakvált. képesség (sőt szuperképlékenység 7.5*10-5/s ε=105%)
Tulajdonságok III. • Reakcióképesség (tömörödés hajtóereje) non reactíve: 0,2-1 m2/g reactíve: 6-9 m2/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 oC-on 6-8 bar nyomáson Na2OAl2O3+ vörösiszap • Leválasztás, szűrés, hűtés • Kikeverés 40-60 oC-on 30-48 óra finomszemcsés Al(OH)3 válik ki • Leválasztás vákuum szűrőben (kevés szennyező) • Kalcinálás 1000-1300oC-on (1200 felett stabil) forgódobos kemencében hexagonális αAl2O3 , 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 – 3TiO2szilárd+3Csz+4Al(sz) >>> 2Al2O3sz+TiCsz
Al2O3 alumíniumtrioxid • • • •
Korund (polikristályos) Zafir (egykristály) mesterséges és természetes Rubin mesterséges és természetes Legalább ötféle módosulat: legstabilabb a hexagonális α-Al2O3 • Szerkezeti anyagként legalább 85-99.9% Al2O3 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, ZrO2) erősítésű Al2O3kompozit
Tulajdonságai • • • • •
Tisztaság Szemcseméret Szemcseeloszlás Porozitás Reakcióképesség: a tömörödés hajtóereje: 0.2-1 m2/g rossz, 6-9 jó reakcióképesség 1μm igen nagy felület, jó szívósság, szilárdság 0.3 μm szinterelés után eltűnnek a pórusok, átlátszik
Al2O3-SiO2 1590 Al2O3-MgO-SiO2 1365 Al2O3-CaO-SiO2 1170 CaO gyorsabb szemcsenövekedés
Zsugorítás • Tiszta Al2O3 szinterelési hőmérséklete 1800 oC, 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 Formázás
Tűkristály Film
Tömb kristály
Szilárd hordozó
Kerámia rétegek
Tömör kerámiák
Társított kerámiák
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 >1000oC • 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 200-400oC 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 Al2O3 (reaction bonding) 30-60% Al+Al2O3 + 5-20 % ZrO2 keverés, tömörítés (20-50 MPa) nyersdarab, forgácsolható, kezelés levegőn, 350 oC-on, Al nm-nyi Al2O3 kristályokká oxidálódik térfogatnövekedés 28%, szinterelés 1200 oC-on (jelentős zsugor, HIP Rm =1200 MPa
