04/12/2014
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)
1
04/12/2014
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 •
Szárítás
•
Égetés – az op (K) 80 – 90%-án – Nedvesség, kötőanyag eltávozása – Polimorf átalakulás – Átkristályosodás – Olvadék keletkezése – Szilárd fázisú reakciók, hőbomlás, diffúzió – Tömörödés, zsugorodás
4. Mechanikai utómunkák
2
04/12/2014
Forró izosztatikus préselés
3
04/12/2014
Tulajdonságok • Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság • Ideálisan rugalmas
• Jó hőállóság • Általában jó hőszigetelés • Jó villamos szigetelés
Kerámia típusok • Porcelán:
• Szteatit kaolin – kvarc – földpát MgO - SiO2 x(NaK)2O – yAl2O3 – zSiO2
közepes szigetelőanyag
– alkálimentes, jobb villamos tulajdonságok – Ellenállás-hordozók, kondenzátorok, hálózati szigetelők
4
04/12/2014
Alumínium-oxid Korund
Egyéb különleges kerámiák
-Nagyon jó szigetelő:
• Si3N4, AlN: jobb hővezetők, nagy alkatrész–sűrűségű IC hordozó • Szupravezető kerámiák: YBa2Cu3O7-x MgB2 • Kondenzátorok: I típus: TiO2 MgTiO3 • II. típus: BaTiO3 ferroelektromos
ρ > 1016 Ωcm tgδδ < 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
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 , mérgező 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,
B4C
jó mechanikai tul. atomreaktor lágy és kemény mágnesek
Ferritek Szupravezetők
YBa2Cu3O7-x MgB2
tűzálló anyag, oxigén szenzor
Tc ≈ 100K
5
04/12/2014
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
6
04/12/2014
Lágy üveg: adott viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el
Kemény üveg: ~
Feszültségek • Okok: az üveg – rossz hővezető – nagy a hőtágulása – Tg alatt nincs képlékeny alakváltozás, rideg
• 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
7
04/12/2014
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:
LTTC üvegkerámia szerkezet kialakulása (Multichip modul hordozó)
– Kerámia: szilárdság, hőállóság – Üveg: tömörség, felületi simaság – Elérhető negatív vagy 0 hőtágulás
8
04/12/2014
Villamos tulajdonságok • Ált: jó szigetelő • ρ: 1013 - 1017Ωcm – csekély ionos vezetés, (Na+), – keményü, kvarcü. jobb szigetelő – Hőmérsékletfüggés exponenciális, TK100 = az a T, ahol ρ = 100MΩ Ωcm • 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 δ: 10-4 (kvarc) – 10-1 lágy üveg
Optikai üvegek • Transzmisszió • függ: tisztaság, homogenitás, Fe, Ti (UV) tartalom
9
04/12/2014
Törésmutató, diszperzió • nD = clev/cü • Törésmutató függ a hullámhossztól →
diszperzió • Lencsék, lencserendszerek kromatikus hiba: fehér fényt használva minden hullámhosszra máshol van az éles kép • Korrekció: kétféle optikai üvegcsalád: korona és flint • ν: Abbe-szám Optika Gröller BMF Kandó MTI
Törésmutató, diszperzió
10
04/12/2014
Optikai szál • Nagyon jó transzmisszió → csillapítás > 0,1 dB/km • Nagy tisztaságú kvarcüveg
Optikai szál Diszperzió: jel kiszélesedés, adatsűrűség korlátozója ok: futási sebesség különbség módusdiszperzió: törésmutató profil és a mag vastagság függvénye anyagdiszperzió: laser 1-2 nm sávszélességű, a kül. λ kül. terjedési sebességű kb. 1,5 µm-nél 0-átmenet
11
