Anyagtudomány és Technológia Tanszék Németh Árpád, dr. univ,
[email protected] Kientzl Imre,
[email protected] Orbulov Imre,
[email protected]
A kerámia görög, kiégetett szóból ered Egykor kizárólag az agyagból , kaolinból (Al2O3·2SiO2·2H2O), (porcelánföld) kialakított, majd kiégetett cserépporcelán tárgyakat értették kerámia alatt
Az égetett agyag megjelenése az i.e. 12-11 évezredre tekint vissza A műszaki értelemben vett kerámiák nem keverendőek össze a hagyományos értelemben vett porcelán használati tárgyakkal!
A műszaki, „nagyteljesítményű” kerámiák szervetlen, nem fémesen viselkedő anyagok Villamos ellenállásuk nagy Ridegek, merevek Atomi kötésük lehet ionos vagy kovalens Vegyületkerámiák Egyatomos Oxidok Al2O3, ZrO2, stb. Grafit Karbidok SiC, TiC, WC Gyémánt Nitridek TiN, Si3N4, AlN Si, Ge egykristály Karbonitridek (félvezetők) Boridok BN
Jellemző
Fém
Kerámia
Polimer
Sűrűség (g/cm3)
2-16 (átlagosan 8)
2-17 (átlagosan 5)
1-2
Olvadáspont (°C)
alacsonytól magasig Sn 232, W 3400
magas 4000 °C-ig
alacsony alacsony
Keménység
közepes
magas
Forgácsolhatóság
jó
rossz
jó
Szakítószilárdság (MPa)
2500-ig
400-ig
120-ig
Nyomószilárdság (MPa)
2500-ig
5000-ig
350-ig
Rug. modulus (GPa)
40-400
150-450
0.001-3.5
Kúszási ellenállás
rossz
kiváló
-
Hőtágulás
közepes és nagy
kicsitől közepesig
nagyon nagy
Hővezetés
közepes
közepes, de gyakran gyorsan csökken a hőmérséklettel
nagyon kicsi
Hőlökéssel szembeni ellenállás
jó
általában rossz
-
Elektromos ellenállás
vezető
szigetelő (de fél- és szupravezetők is)
szigetelő
Kémiai ellenállás
gyenge-közepes
kiváló
általában jó
Oxidációval szembeni ellenállás magas hőmérsékleten
gyenge, anyagtól függ
az oxidoké kiváló SiC és Si3N4 jó
Az esetek többségében kis sűrűség Nagy olvadáspont Nagy rugalmassági határ Nagy keménység Nagy kopásállóság Nagy nyomószilárdság Nagyfokú kémiai stabilitás Nagy melegszilárdság Korrózióállóság Nagy villamos ellenállás (107-1016 Ωm) Nagy dielektromos állandó (ε=50-80)
Ridegség Törékenység Kis hősokkállóság Mikrorepedések jelenléte Nehéz gyárthatóság Viszonylag magas ár
Funkció
Mechanikai
Termikus
Villamos Mágneses
Tulajdonság
Szilárdság, merevség, kopásállóság, súrlódás
Hővezetés, hőszigetelés, kis hőtágulás
Villamos szigetelés, félvezetés, mágnesesség, szupravezetés
Alkalmazás
Vágó-, csiszoló, kenőanyagok, motorok, turbinák, gépelemek, csapágyak
Elektródák, hőcserélők, kemencék
Hordozók, érzékelők, beavatkozók, mágnesek
Funkció
Vegyi és biológiai
Optikai
Atomtechnikai
Tulajdonság
Biokompatibilitás, korrózió, abszorpció, katalízis
Fénytörés, fényvezetés, fluoreszencia
Sugárzás, hő- és korrózióálóság
Alkalmazás
Vegyi berendezések, katalizátorhordozók , fog- és csontpótlások
Kábelek, fénycsövek, fénydiódák
Fűtőelemek, moderátorrudak, páncélzat
Általában porkohászati úton
Porgyártás Keverés, adalékolás Sajtolás→nyers (green) állapot Alakadás, megmunkálás Zsugorítás (szinterelés) (Utómegmunkálás)
Kevésbé elterjedten Iszapöntéssel
Öntőiszapos eljárás Nyomás alatti présöntés Fröccsöntés Centrifugál öntés
ZSUGORÍTÁS (szinterelés/kiégetés)
Cserép, tégla Klinker tégla Csempe, ipari kőanyag Porcelán WC-Co Al2O3, korund Si3N4
700-900°C 1150-1250°C 900-1300°C >1300°C 1350-1450°C 1400-1900°C 1700-1850°C
Anyag Kevlar Karbonszál Bór szál Üvegszál Kvarcüveg szál 58AI2O3 15Si02 szál ∅ 9µ AI2O3 ∅ 20µm Acél (≅0,8%) huzal W-szál SiC szál Nicalon Siw tűkristály Karbon tűkristály Few tűkristály AI2O3 tűkristály Si3N4 tűkristály SiCw tűkristály
ρ g/cm3 1,45 1,95 2,3 2,5 2,5 3,2 3,95 7,8 19,3 3,2 2,3 2,2 7,8 3,9-4 3,2 3,2
E GPa 125 390 5500 98 105 250 380 210 360 410 180 690 210 430-580 380 700
Rm MPa 2700 2200-2700 3800-10000 4500 10000 2600 1450 4000 5500 3800 7000 15000-20000 12000 10000-21000 10000-14000 20000
Si3N4 turbinakerék 1150°C Nagy fordulatszám 110LE
Zagyszivattyú Al2O3 Vegyi ellenállás Kopásálláóság
Ékszer: optikailag átlátszó, nagy törésmutató
Ritkasága miatt drága 500$/g (arany: 8-12$/g)
Kovalens kötés, 14eV Sűrűsége 3,01-3,56 gcm-3 A műgyémánté nagyobb 3,48-3,54 gcm-3 Törési szívósság KIC=0,5-2 Mpam0,5 Jó hővezető
Tulajdonság Vickers keménység (kp/mm2) Súrlódási együttható Young modulus (N/mm2) Hangsebesség (km/s) Letörési szilárdság (V/mm) Hővezetés (W/cmK)* Negatív elektronaffinitás (eV) Kémiai ellenállóképesség** Biokompatibilás Átlátszósági tartomány (µm) Törésmutató
Tiltott sáv (eV) Elektron/lyuk mozgás Dielektromos állandó Lumineszcencia (µm)
Rétegként való alkalmazás Szerszámok, polirozás, csapágyak 0,1 „contact recording” Mágneses adattárolók 1,2*1012 Nagyfrekvenciás hangszóró membrán 18,2 107 Nagyfeszültségű szigetelések 20 Hőnyelők (3D packaning”) -1 hidegkatód Sav/bázis/szerves Reaktorok, szenzorok, orvosi műszerek, protézisek borítása 0,22-2, >6 Optikai elemek védőborítása, antireflexiós réteg, mikrohullámú 2,4 és röntgenablakok, infravörös szűrők 5,45 Teljesítményelektronika, magas működési hőmérséklet, sugárzási 22/16 keménység, optoelektronika, LED 5,5 0,44, 0,52 12-15000
*A legjobb hővezető **mintegy 700 oC-ig minden kémiai hatásnak, és sugárzásnak is
Normál hőmérsékleten és nyomáson a grafit a stabil fázis A gyémánt nagy hőmérsékleten és nagy nyomáson a földkéregben jön létre Lelőhelyek:
India (18. század közepéig kizárólag) Brazília, 1725 Dél-Afrika, 19. század vége Ausztrália, 1851 Szibéria, Amerika, Borneó
~0,5 karát/bányászott tonna
A gyémántot karátban mérik
A bányászott, természetes gyémánt 20-25%-a alkalmas ékszerkészítésre Ez értékben ~70%-nak felel meg Legnagyobb: Cullinan gyémánt 621,2 g
Elv: Henry Moisson, 1890 Vastartalmú meteoritban találtak gyémántot
Szentjánoskenyérfa magja (keration) Precíziós tömegmérés Államonként eltérő Elfogadott: trójai, 205 mg Metrikus karát: 200 mg=0,2 g (1907)
A földhöz ütközve nagy hőmérsékleten a grafit oldódott, nagy nyomáson gyors hűtés hatására gyémánt formájában vált ki a szén
ASEA: 1953, nem publikálták GE: 1954, 75000 atm, 3000°C Keményfém szegmensszerszám Kijevi Nagykeménységű Anyagok Kutatóintézete+MTAT mm-es nagyságig
1961: Chicagói Egyetem és DuPont robbantásos szintézise „Könnyítés”: lehet már 2000°C-on, 50-100 Gpa nyomáson is, ha átmeneti fémmagképzési centrumot és katalizátort alkalmaznak ~30-40 tonna/év mesterséges gyémánt termelés GE, Sumitomo Electrics, DeBeers (Dél-Afrika) Bevonatok, köszörűszabályozás, csiszolástecnika, stb…
Fogalma: Két vagy több anyag előnyös tulajdonságainak társítására létrehozott anyagok
Az egyik legősibb kompozit a vályog
Agyag és szalmatörmelék keveréke Vasbeton C-C kompozitok (féktárcsák)
Mátrix: körülfogja az erősítőanyagot, elosztja a terhelést
Erősítő anyag: fő teherviselő
Átmeneti réteg (interfész): az erősítőanyag és az alapanyag közötti kapcsolatért felelős
Szilárdságnövelés
Törési biztonság
A rugalmassági modulusz növelése
Súlycsökkentés
Törési szívósság növelése
Merevség növelése
Alacsony, magas és normál hőmérsékleten is
Energia megtakarítás
Mágneses és elektromos tulajdonságok javítása
Kopásállóság
Heterogén anyagú csapágyötvözetek, stb.
Szupravezető szerkezetek előállítása Hőszigetelő képesség növelése Energiaelnyelő képesség fokozása
Mechanikai rezgések, ütközés, stb.
----- acél
súly
hõtágulás
alumínium
-- kompozit
merevség
Column 4
szilárdság
szívósság
Mátrix:
Erősítőanyag:
Fém és kerámia szálak, szövetek, huzalok Kerámia szemcsék (pl: SiC, Al2O3) Whiskerek
Az erősítőanyag megjelenési formája szerint Szálerősítéses kompozit
Fémek (Al ötvözetek, egyéb könnyűfémek) Kerámiák (pl: Al2O3 KIC növelése nitriddel) Polimerek (epoxi és egyéb gyanták) Karbon
Rövid szálerősítés Hosszú szálerősítés Whisker erősítés
Részecskeerősítés kompozit Réteges kompozit Szendvicsszerkezetű kompozit
Keverés Nyomásos infiltrálás
Eljárás Diffúziós kötés Porkohászat Szórásos módszerek Öntés jellegű
Költség
↑
Erősítés monoszálak Whiskerek Szálas szövet Részecske és szál
...a porózus szerkezetű fémes anyagok fogalma ...az előállítási lehetőségeik ...az alapvető tulajdonságaik ...és potenciális alkalmazási területeik
Morfológiai csoportosítás... Kompozitok, társított anyagok
Szálerősítés Rövid szálas Hosszú szálas Whiskerek
... Részecskeerősítés Speciális részecskeerősítésű kompozitok Vagyis: porózus szerkezetű fémek olyan kompozitok, ahol az „erősítés” levegő
Csoportosítás
felépítés alapján Nyitott cellás Zárt cellás Vegyes
porozitás alapján Százalékosan megadva a porozitás mértékét
Előállítási mód alapján Alkalmazási területük alapján ...
Lehetnek nyílt- és zárt cellásak Ez alapvető megkülönböztetési mód A következő legfontosabb jellemző a porozitás
Gázátbuborékoltatás Habképző anyaggal Ömledékmetallurgiai habosító eljárás Hő hatására kiolvadó anyaggal Folyamatos, kisajtolásos eljárás Kémiai reakció segítségével Fémgömbhéjak felhasználásával Üreges töltőanyaggal Kioldódó töltőanyaggal
Miskolc – Bécs együttműködés probléma: buborékstabilitás megoldás: stabilizáló részek Munkafolyamat: az alapfém és az adalék megolvasztása gázátbuborékoltatás a folyékony fémen keresztül a formába hűtés a forma segítségével
Habképző: titánhidrid (TiH2) Porkohászati módszer
Hasonló módszer Fémolvasztás Habképző közvetlenül az ömledékbe juttatva Gáz, vagy por habosító anyag Habképződés az ömledék felületén
Poliuretán (PUR) habra hordják fel a fémet Physical Vapour Deposition (PVD) A PUR habot kiolvasztják Legporózusabb >80% Ni, Al, Zn, Cu …
Gömbhéjak (hollow spheres)
Prekurzor előállítása az ismertetett módon Fém+habképző Hevítés hatására a szerszámban habosodás indul meg A szerszámból kész fémhab távozik Az anyagáram irányítható
Ø0,5-10 [mm] s20-1000 [µm]
Diffúz hegesztés Tetszőleges alak és szerkezet rakható ki a gömbökből
Fizikai tulajdonságok Átmérő
10 – 350 µm
Sűrűség
365 – 450 kg/m3
Nyomószilárdság
20-35 MPa
Olvadáspont
~1000 °C
Forma
gömbhéj
Szín
szürke – csontfehér
Kémiai összetétel, [%] Szilícium
55 – 65
Alumíniumoxid
25 – 35
Vasoxid Titánoxid
1–5
0,5 – 1
töltés szorítás felöntés olvadt fémmel túlhevítés túlnyomásos átitatásos öntés nyomás fenntartása szilárdulásig megmunkálás töltőanyag kioldása
Sűrűség Nyílt <1000 [kg/m3] Zárt ~1300 [kg/m3] Térkitöltés Nyílt ~60-70 [%] Zárt ~60 [%]
energiaelnyelés mechanikai ütközés rezgés
akusztikus termikus elektromágneses
Hosszú platós szakasz Sorozatosan összeroppanó cellák A görbe alatti terület arányos az elnyelt energiával Optimális sűrűség meghatározása Ütközők deformációja
hőcserélő (nyílt cella, λ~κ) nagy fajlagos felület (katalizátorok) lángfogó előnyös réteges kompozit maganyag (magasabb hőmérsékleten) kevésbé érzékeny a szennyeződésekre különleges megmunkálást igényel szűrő (nyílt cella) áramlási jelleg változtatás esztétikus
A nyílt cellás fémhabokat nem vizsgáltuk Si tartalomtól és a T-től, t-től függően reakció alakulhat ki A reakció mechanikailag káros Teljes infiltráció, néhány törött gömbhéj
Kősó lerakódás a felületeken, mindenhol
Rm nyílt AlSi12Mg≈0,15 Rm AlSi12Mg Rm nyílt Al99,5≈0,1 Rm Al99,5 Rm zárt AlSi12Mg≈0,2 Rm AlSi12Mg Rm zárt Al99,5≈0,2 Rm Al99,5 NA3 próbatest
ZB1 próbatest
50
20
Feszültség, [MPa]
Feszültség, [MPa]
25
15
10
5
40
30
20
10
0 0
1
2
Elmozdulás, [mm]
3
0 0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Elmozdulás, [mm]
1,4
1,6
1,8
W/m nyílt AlSi12Mg≈8...42 [J/g] W/m nyílt Al99,5≈8 [J/g] W/m zárt AlSi12Mg≈35 [J/g] W/m zárt Al99,5≈19...31 [J/g] Energiaelnyelés módja Ütközés-, rezgés csillapítás NH1 próbatest
ZA5 próbatest
180 160
30
140
25
Feszültség, [MPa]
Feszültség, [MPa]
20 15 10 5
120 100 80 60 40 20 0
0 0
10
20
30
40
50
60
0
5
10
15
20
25
30
35
Fajlagos hosszváltozás, [%]
Fajlagos hosszváltozás, [%]
Rúd-elem modell Voxel-elem modell Tetraéder-elem modell
40
Gibson – Ashby modell nyílt- és zártcellás esetben Elemi cella modellek
Orvosi implantátumok, csontszövet irányultság terhelés nélkül Szűrők, zagyleválasztás (könnyen tisztítható égetéssel) Hőátadó felületek, hőcserélők Szendvicsszerkezetű kompozitok távtartó eleme nagyobb hőmérsékleten Stabilitásnövelés üreges szerkezetekben Nagy merevségű tartópanelek űralkalmazásokban Modern elemek elektródája
