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
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 • Égetés Nyersanyagok + víz + – az op (K) 80 – 90%-án kötőanyagok – Nedvesség, kötőanyag 2. Formázás eltávozása • Korongolás (kézi, – Polimorf átalakulás gépi) – Átkristályosodás • Sajtolás (izosztatikus, – Olvadék keletkezése forró) – Szilárd fázisú reakciók, • Extrudálás hőbomlás, diffúzió • Fröccsöntés – Tömörödés, zsugorodás 3. Hőkezelés 4. Mechanikai utómunkák • Szárítás
2
Tulajdonságok • Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság • Ideálisan rugalmas
• Jó hőállóság • Általában jó hőszigetelés • Jó villamos szigetelés
Kerámia típusok • Porcelán: kaolin – kvarc – földpát x(NaK)2O – yAl2O3 – zSiO2 közepes szigetelőanyag
• Szteatit MgO - SiO2 – alkálimentes, jobb villamos tulajdonságok – Ellenállás-hordozók, kondenzátorok, hálózati szigetelők
3
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
jó mechanikai tul. B4C
Ferritek Szupravezetők
YBa2Cu3O7-x MgB2
tűzálló anyag, oxigén szenzor
atomreaktor lágy és kemény mágnesek
Tc ≈ 100K
4
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
Viszkozitás
• Alapanyagok: kvarchomok, módosítók: Na2O, K2O stabilizálók: CaO, MgO, B2O3 Al2O3 színezők, színtelenítők, egyéb speciális adalékok • Olvasztás: ~ 1500°C • Táblahúzás, csőhúzás, • Meghatározza a öblösüveg fújás technológiát, hőkezelést, • Temperálás feszültségeket
5
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
6
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
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
7
Polimerek
Alapfogalmak Természetes polimerek:
Alapstruktúra:
• Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) • Polipeptidek, fehérjék • Kaucsuk, gumi
• Mesterséges polimerek, műanyagok
Szabad rotáció
• Monomer: építőegység • Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal
8
Csoportosítás Láncalkotók (monomerek) szerint • Szénlánc:
Poli-etilén, PE
• Heterolánc
Poli-propilén, PP
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
9
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)
Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok: • Monomertől, technológiától, katalizátortól függ
10
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
11
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
Kémiai tulajdonságok Optikai tulajdonságok • Általában jó vegyszerállóság • 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
12
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
13
• 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
14
Típusok • Rövid ismertetés a jegyzet Polimerek c. fejezetében
• Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele
Kompozitok
15
• Társított anyag a tulajdonságok tervszerű alakítására • Töbfázisú, összetett rendszer: – Erősítő, ~ szálerősítő. szálerősítő Nagy szilárdság, nagy rugalmasági modulus (E) – Befoglaló, mátrix. 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)
16
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.
Polietilén: ultranagy molekulatömeg, párhuzamos polimer láncok
• 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
Kvarcüveg, kerámia, Természetes szálak
17
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
18
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%
Az üveg – epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre
Szója alapú biokompozit törésfelülete
Kompozit tulajdonságok Lehet: – csak az erősítő, – csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy – eredő
• Hőállóság: mátrix • Vill.tul: eredő
19
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
20
Alkalmazások
Vonat vezetőfülke
• Közlekedés: súlycsökkenés, korrózióálló, vízálló, • Sporteszközök • Villamosipar: NYHL, villanyoszlop, szélkerék
Szénszál-kompozitos kerékpár
21
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
22
