Kerámiák
Csoportosítás • • • • •
Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegekek, Fémoxidok, nitridek, boridok stb. Mesterségesen előállított szilárd, nemfémes, szervetlen (műszaki) anyagok. • Technológiájukban közös; nyers formázás → hőkezelés (kivétel: üveg)
A kerámiák szerkezete Polikristályos anyagok 1. Kristályos fázisok: különböző összetétel, méret, kristályszerkezet → mechanikai és villamos tulajdonságok 2. Üveges fázis: → szilárdság, ridegség, átütési szilárdság 3. Gáz fázis: → rugalmasság, hőszigetelés
A fázisok egymáshoz való viszonya szabályozható az összetétellel és a technológiával
Technológia 1. Homogenizálás • Nyersanyagok + víz + kötőanyagok 2. Formázás • Korongolás (kézi, gépi) • Sajtolás (izosztatikus, forró) • Extrudálás • Fröccsöntés 3. Hőkezelés 4. • Szárítás
Égetés – az op (K) 80 – 90%-án – Nedvesség, kötőanyag eltávozása – Polimorf átalakulás – Átkristályosodás – Olvadék keletkezése – Szilárd fázisú reakciók, hőbomlás, diffúzió – Tömörödés, zsugorodás Mechanikai utómunkák
Tulajdonságok • Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság • Ideálisan rugalmas = rideg
• Jó hőállóság • Általában jó hőszigetelés • Jó villamos szigetelés
Kerámia típusok • Porcelán: kaolin – kvarc – földpát x(NaK)2O – yAl2O3 – zSiO2 közepes szigetelőanyag, főképp az alkáli-tartalom miatt
• Szteatit MgO - SiO2 – alkálimentes, jobb villamos tulajdonságok – Ellenállás-hordozók, kondenzátorok, hálózati szigetelők
Alumínium-oxid Korund
Egyéb különleges kerámiák
-Nagyon jó szigetelő: ρ > 1016 Ωcm tgδ < 10-3 -Készítenek: 90%, 99%, 99,9%-os tisztaságút -Égetés: 1600 – 2000°C -Finomszemcsés, ~ 100% tömör. Gázfázis nincs, üvegfázis 0 – 1% között. -Hordozó,(IC, MCM) Na-lámpa kisülőcső
•Si3N4, AlN: jobb hővezetők, nagy alkatrész–sűrűségű IC hordozó •Szupravezető kerámiák: YBa2Cu3O7-x MgB2 •Kondenzátorok: I típus: TiO2 MgTiO3 •II. típus: BaTiO3 ferroelektromos
Csoport
Jell. képviselő
Tulajdonság, jellemző
Felhasználás
Szilikátok:
Porcelán
(kaolin, földpát, kvarc alkáli-alumínium-szilikát)
hagyományos dísz és ipari kerámia, hálózati szigetelő
Szteatit
(magnézium-szilikát)
Korund: Al2O3
jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, szövetbarát
nagyfrekv. szigetelő, ellenálláshordozó MCM hordozó, nagyfrekv. szigetelő, implantátum
BeO:
nagyfrekv. szigetelő, ák. hordozó
ZrO2
jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető Hőálló, ionvezető
TiO2
magas dielektromos állandó
I. tip. kondenzátor
BaTiO3
nagyon magas dielektromos állandó, ferroelektromos, piezoelektromos
II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek
Nitridek:
Si3N4, AlN, BN
jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető, jó mechanikai tul.
nagyfrekv. szigetelő, hordozó, gyémánt helyettesítés
Karbidok:
SiC,
jó mechanikai tul., félvezető, hőálló
varisztor, kék LED, fűtőellenállás
Oxidkerámiák:
Titanátok:
WC
B4 C
jó mechanikai tul. atomreaktor lágy és kemény mágnesek
Ferritek Szupravezetők
YBa2Cu3O7-x MgB2
tűzálló anyag, oxigén szenzor
Tc ≈ 100K
Üvegek 1. Anyagtípus 2. Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO2, (Ge, B, P-oxidok) Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik.
Technológia • Alapanyagok: kvarchomok, módosítók: Na2O, K2O stabilizálók: CaO, MgO, B2O3 Al2O3 színezők, színtelenítők, egyéb speciális adalékok • Olvasztás: ~ 1500°C • Táblahúzás, csőhúzás, öblösüveg fújás • Temperálás
Viszkozitás
• Meghatározza a technológiát, hőkezelést, feszültségeket
Lágy üveg: adott viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el Kemény üveg: ~
Feszültségek • Okok: az üveg – rossz hővezető – nagy a hőtágulása – Tg alatt nincs képlékeny alakváltozás
• Veszélyes, mert kicsi a húzószilárdság – nincs krisztallithatár → a mikrorepedés akadály nélkül terjedhet –
Típusok: • Maradandó: kötési – Üveg – üveg – Fém – üveg – Kerámia – üveg
• Temperálható: – Hűlési
• Ideiglenes – Mechanikai
– Tg alatti hőmérsékletkülönbség
Üvegtípusok • Lágy Na, Ca, Mg – oxid, Σ 30% • Kemény alkáliszegény/mentes B2O3, Al2O3 Laboratóriumi, háztartási hőálló üveg, IC hordozó, fényforrás • Kvarc Tiszta SiO2, legjobb mechanikai, villamos, optikai, termikus tul
• Vitrokerámia, üvegkerámia Feldolgozás üvegként, utána kristályosító hőkezelés Egy vagy több kristályfajta kiválik Tulajdonságok: – Kerámia: szilárdság, hőállóság – Üveg: tömörség, felületi simaság – Elérhető negatív vagy 0 hőtágulás
LTTC üvegkerámia szerkezet kialakulása (Multichip modul hordozó)
Villamos tulajdonságok • Ált: jó szigetelő • ρ: 1013 - 1017Ωcm – csekély ionos vezetés, (Na+), – keményü, kvarcü. jobb szigetelő – Hőmérsékletfüggés exponenciális, TK100 = az a T, ahol ρ = 100MΩcm • Felületi ellenállás: nagyon függ a páratartalomtól és a felület állapotától
• Átütési szilárdság nagy: kb. 30 – 60 kV/ cm romolhat: – nagy alkáli tartalmú üvegekben – Hibás, buborékos üvegben • Dielektromos tulajdonságok: – εrel: 3 - 10 – tgδ: 10-4 (kvarc) – 10-1 lágy üveg
Polimerek
Alapfogalmak Természetes polimerek: • Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) • Polipeptidek, fehérjék • Kaucsuk, gumi
• Mesterséges polimerek, műanyagok • Monomer: építőegység • Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal
Alapstruktúra :
Szabad rotáció
Csoportosítás Láncalkotók (monomerek) szerint • Szénlánc:
Poli-etilén, PE
Poli-propilén, PP
• Heterolánc Poliéter: - R – O – R – O – Poliészter: - R – O – CO – R’ – Poliamid: - R – CO – NH – R – Poliuretán, poliszulfid, stb.
• Szilikonok:
Poli-vinilklorid, PVC
Poli-sztirol, PS
Polimer lánc alakja szerint • Lineáris, fonal • Elágazó fonal • Térhálós Kissé térhálós: elasztikus
• Termikus viselkedés szerint • Hőre lágyuló • Hőre nem lágyuló • Hidegen keményedő
Mikroszerkezet • Amorf: üvegszerű, összegabalyodott láncmolekulák általában átlátszó (PMMA, PS) • Kristályos: részben rendezett tartományok. jell.: kristályosság foka: 50 – 90% általában átlátszatlan (PE, PP) Feltétel: – Nem elágazó láncok – Közel azonos lánchossz – Esetleg H-híd a láncok között (pl: nylon)
A polietilén mikroszerkezete
Polarizációs mikroszkóppal készített felvétel a PE szferolit szerkezetéről
Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok: • Monomertől, technológiától, katalizátortól függ
Termikus tulajdonságok Hőállóság mésékelt Jellemző hőmérsékleti tartományok:
• Tg: transzformációs hőm • Tf: lágyulási hőm • TD: degradálódási hőm
Amorf polimerek termomechanikai görbéi
Használható tartomány: • Leggyakoribb Tg és Tf (ill. Tm) között • Tg alatt törékeny → fagyállóság határa • (Tm : a kristályos fázis olvadáspontja)
Részben kristályos polimerek termomechanikai görbéi
Mechanikai tulajdonságok • Minden tulajdonság nagyon függ: –Kémiai összetételtől (monomer) –Polimer molekula mérete alakja –Adalékok –Szál, fólia erősebb, mint a tömb –Hőmérséklet: Tg alatt / fölött
• Gyakorlatilag tetszőleges mechanikai tulajdonságok előállíthatók
Polietilén és polisztirol nyújtási diagramja
A viszkoelasztikus viselkedés
Kémiai tulajdonságok
Optikai tulajdonságok
• Általában jó vegyszer• állóság • Savaknak, lúgoknak ellenáll • • Oldószerekben néha • duzzad, ritkán oldódik (de • PVA vízben oldódik) • • Korrózió: csekély, de feszültségkorrózió: mech • feszültség + oldószer / felületaktív anyag • Öregedés, lassú oxidálódás, bomlás
Üveg helyettesítés: PMMA, PC Amorf: átlátszó Kristályos: matt Mindegyik színezhető UV érzékenység: bomlás, elszíneződés Kettőstörés: – Mechanikai feszültségektől – Láncmolekulák rendeződésétől
Villamos tulajdonságok • Szigetelők: villamosiparban: PE, PP – PVC: ált. szigetelő (kábel) – PS: fóliakondenzátor – Teflon, szilikon: különleges célokra, nagy ρ, kis tgδ – NYHL: (üvegszálas) epoxi Átütési csatorna PP-ben
Vezető polimerek
• OLED sávszerkezete • Egyszerű OLED működése
Fém elektród +
Fénykibocsátó polimer réteg
-
Átlátszó elektród Hordozó
Emittált fény
Kopolimerek, adalékok • Kopolimer: Együtt
• Adalékok
polimerizálva több monomer → láncon belüli keveredés • Pl: PE – PP SAN (stirol – akrilnitril), ABS (akrilnitril – butadién – stirol)
• Lágyító • Stabilizátor, öregedésgátló • UV stabilizátor • Öregedés gyorsító • Lánggátló • Színező • Antisztatizáló • Habosító
Típusok • Rövid ismertetés a jegyzet Polimerek c. fejezetében
• Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele
Kompozitok
• Társított anyag a tulajdonságok tervszerű alakítására • Töbfázisú, összetett rendszer: – Erősítő, ~ szálerősítő. Nagy szilárdság, nagy rugalmasági modulus (E) – Befoglaló, mátrix. Kisebb szilárdság, nagy szívósság – Jó kapcsolat a kettő között • Cél: egynemű anyagban együtt el nem érhető tulajdonság-kombinációk megvalósítása. Eredetileg: hagyományos fémes szerkezeti anyagok mechanikai jellemzői és kisebb sűrűség, esetleg korrózióállóság, villamos szigetelés.
Erősítő • Alapvetően szálas, mert a terhelés legtöbbször irányfüggő • d ~ 10 µm
•A vékony szál általában hibátlanabb szerkezetű, jobb mechanikai tulajdonságok, mint a tömb anyagban. (polimer láncok párhuzamosan rendeződnek, üvegszálban hibátlanabb a felület)
Erősítőanyagok fő mechanikai tulajdonságai Sűrűség g/cm3
Szakítószilárdság (GPa)
Rugalmassági modulusz (GPa)
Szakadási nyúlás (%)
Fajlagos szakadási hossz (km)
Üvegszál (E)
2.6
2,5
72
4,8
96
Aramid (Kevlar)
1,45
3,3
75
3,6
230
Polietilén (UHMWPE)
0,97
3,3
99
3,7
340
Acél
7,8
0,4 – 1,2
210
1,1
50
Szénszál(HS)
1,8
3,4
240
1,4
190
Száltípus
Erősítőanyagok • Üvegszál: „E-üveg”: alkáliszegény boroszilikát – C-üveg: kémiai ellenállás jobb – R, S, T: javított mech. tul.
• Aramid (kevlár): (aromás poliamid) • Szénszál: PAN szál hevítésével. Jó mechanikai tul. mellett kémiai ellenállás (HS: nagy szilárdság, IM: közepes modulus)
• Bór: C vagy W szálra gőzölve hőálló, alk: repülő
Polietilén: ultranagy molekulatömeg, párhuzamos polimer láncok
Kvarcüveg, kerámia, Természetes szálak
Rövidszálas erősítés • Előnyös hőre lágyuló mátrixban, mert a hagyományos műanyag formázás használható • Szálirány áramlás közben rendeződhet • Erősítő fajlagos felülete nagy legyen → elegendő tapadás • Kritikus szálhossz függ a tapadási nyírófeszültségtől, pl. üveg/epoxi esetén 0,25 → 0,03mm
Lökhárító: PP és részben irányított üvegszál
Szövött erősítő • Felületek kialakítására • Különböző mintázattal
Mátrix anyagok • Szerep: – az erősítő (szálak) elválasztása, – a terhelés továbbítása, elosztása, – kémiai védelem – önálló mechanikai, villamos, termikus tulajdonságok
• Hőre lágyuló polimerek • Térhálós polimerek: epoxi, poliészter • Üveg • Kerámiák, fémek
A mátrix és az erősítő közötti kötés • Megfelelő erős kötés a szál és a mátrix között (ha túl erős, rideggé válik a kapcsolat, a repedés nem áll meg)
• A mátrix zsugorodása belső feszültséget okozhat. Poliésztereknél ~8%
Szója alapú biokompozit törésfelülete
Az üveg – epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre
Kompozit tulajdonságok Lehet: – csak az erősítő, – csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy – eredő
• Hőállóság: mátrix • Vill.tul: eredő
Technológia • Anyagpárosítástól, alaktól függően egyedi, sok kézi munkával • Rövidszálú erősítő + hőre lágyuló mátrix: szokásos polimer technológiák (fröccsöntés, sajtolás, Rövid szál + hőre nem lágyuló extrudálás, stb.) mátrix felvitele szórással • Hosszú szálú erősítő + hőre nem lágyuló mátrix: Szál, szövet előállítása külön folyamatban
Laminálás • Több réteg, szövött erősítő • Döntő a térhálósodás teljes végbemenetele. Monomer ne maradjon. Lehet:
Kézi laminálás
– Hőre térhálósodó – Hidegen keményedő (exoterm, rossz hővezető!)
• Prepreg: szövet bevonva részben térhálósított gyantával (preimpregnated)
Pultruzió: az erősítő szálak rendezett elhelyezése
Alkalmazások • Közlekedés: súlycsökkenés, korrózióálló, vízálló, • Sporteszközök • Villamosipar: NYHL, villanyoszlop, szélkerék
Vonat vezetőfülke
Szénszál-kompozitos kerékpár
Különleges kompozitok • Folyadékkristályos polimerek (LCP): – Pálcika vagy lemez alakú molekulák – Molekuláris méretű erősítő, jó kapcsolat a mátrixszal – Orientáció el. térrel szabályozható – A mezomorf állapot a mátrix op-je fölött – Újraformázás, recycling megoldható
• Önerősítő kompozitok: – Ugyanaz a polimer az erősítő, mint a mátrix, csak szállá húzott, nagyobb móltömegű vagy kristályos – PE, PP
• Nanokompozitok – Molekuláris kapcsolat a mátrix és az erősítő között – Nanoméretű anyag lehet szinte hibátlan szerkezetű, jobb szilárdságú – Pontosan tervezhető tulajdonságok – Erősítő: CNT, csillám, tű-, lemez alakú szervetlen kristályok
Dendrimer szerkezet Au atomokkal
