KOMPOZITNÍ
MATERIÁLY ( 1 + 1 >>
2 )
NANOMATERIÁLY
INTELIGENTNÍ
(SMART) MATERIÁLY
KOVY
KERAMIKA
POLYMERY
~1990
~1970
~1950
~1930
~3000 př.n.l.
~8000 př.n.l.
1935 Carothers
DuPont NYLON
mezolit, neolit
Doba bronzová
železná
Udělejte si srovnání
vlastností
materiálů
základní
triády s ohledem na jejich přednosti a slabiny, zhodnoťte:
•Měrná
hmotnost (hustota)
• bod tání
(varu), použitelnost při vysokých a nízkých teplotách
•typ vazeb, které
se uplatňují
v materiálu
•Odolnost vůči prostředí
–
chemická
reaktivita
•Mechanické
vlastnosti (koef. tepelné
roztažnosti, tvrdost, křehkost, ….)
•Elektrické
a termické
vlastnosti (vodivosti, dielektrika,…)
•Ekologické
zhodnocení
–
možnosti likvidace, vliv na ŽP
•Cena vs
užitné
vlastnosti
•……….
KOVY•Bod tání
široké
meze ( olovo 327OC, hliník 659OC, železo
1529OC, wolfram 3 410OC)
•Hustota široké
meze (olovo 11 300, hliník a dural 2 700, hořčík 1 750, železo 7 870, wolfram 19 300 kg.m-3
)
•Kovová
vazba
•Chemická
odolnost většinou nevalná
•Elektrická
a tepelná
vodivost většinou velmi dobrá
(srv. typ vazby!!)
•…….
KERAMIKA•Bod tání
vyšší
až
vysoký ( cihly kolem 900OC , žáromateriály-
šamot nad 1580OC, silikon karbid 2 650OC za rozkladu, nitrid bóru téměř
3 000OC, grafitová
vlákna 3 650O
C)
•Tvrdost –
vyšší
až
extrémně
vysoká!!
•Kovalentní
či iontová
vazba
•Chemická
odolnost většinou dobrá
až
vynikající
•Elektrická
a tepelná
vodivost malá
-
izolanty (srv. typ vazby!!) ale keramické
supravodiče!!
•…….
26 000 let př.n.l.Pralidé
objevili, že směs mamutího tuku smísenou
s kostním popelem a sprašem
lze tvarovat a sušit na slunci za vzniku křehkého a tepelně
odolného materiálu. Tak začíná
období
keramiky.
6 000 let př.n.l.
Ve Starém Řecku se poprvé
pálí
keramika. Rozvíjí
se zejména hrnčířská
výroba a produkty se používají
pro skladování, pohřební
účely a jako umělecké
předměty.
KERAMIKA
4 000 let př.n.l.Ve Starověkém Egyptě
bylo objeveno sklo. Primitivní
sklo bylo složeno v křemenného povlaku (glazury) na slinutém podkladu z křemene a nejprve se používalo jako součást šperků. Keramické
povlaky se od té
doby používají
téměř
všude.
50 let př.n.l.-
r. 50
V Římě
se začíná
s výrobou optického skla
(čoček, zrcadel), skleněných tabulek
a vyfukovaných skleněných předmětů. S Říší
římskou se dostává
do světa.
Kolem r. 600Porcelán, první
keramický kompozitní
materiál, se vyrábí
v
Číně. Tento trvanlivý materiál se vyrábí
z jílu, živce a křemene. Porcelánový střep se využívá
na mnoho výrobků
od elektroizolátorů
až
po stolní
nádobí.
Kolem roku 1870Během průmyslové
revoluce se objevují
první
žárovzdorné
materiály
schopné
odolat vysoké
teplotě. Materiály na bázi vápna a MgO
se používají
jak pro obyčejné
stavební
cihly , tak i žárovzdorné
vyzdívky vysokých pecí.
1877T.A. Edison
řídí
výzkumný tým zabývající
se poprvé
high-tech
materiály. Edison
testuje spoustu keramických materiálů
z hlediska jejich odporu
pro použití
v jeho nově
objeveném uhlíkovém mikrofonu
1889Založena Americká
keramická
společnost materiály
s primárním cílem odkrývat záhady high-tech
(vysokoužitkové, speciální) keramiky
1960S objevem laseru a pozorováním, že se světlo dobře šíří
sklem, vzniká
nový obor zvaný vláknová
optika.Optický světelný kabel dovoluje, aby světelné
pulsy přenášely obrovské
množství
informací
s minimální
ztrátou energie
1965Vývoj fotovoltaických
článků
převádějících světlo na elektrický proud otevřel nové
cesty k využití
sluneční
energie.
1987Byly objeveny keramické
supravodiče
s kritic-
kou
teplotou 92K, tedy překonaly staré
supravodiče o celých 60K!! Možných aplikací
je celá
řada, mimo jiné
IO v nových rychlých počítačích.
1992Objevují
se nové
inteligentní
(chytré, smart)
materiály. Tyto materiály vnímají
změnu povr-
chových
podmínek a reagují
na ně
–
podobně
jako lidský organismus. Např. airbag
je spuštěn „chytrým“
senzorem, který registruje tlakovou změnu po nárazu a transformuje ji na
elektrický impuls
Rozdělení
keramiky versus velikost částic surovin
Proces výroby keramiky
•Příprava pracovní
hmoty
•Tvarování
keramiky
•Sušení
a vypálení
keramiky
Příprava pracovní
hmoty
b) ROZPRACHOVÉ
SUŠENÍ
Tvarování
keramiky
•Lisováním (z granulátu –
prášku)
•Litím do forem (z keramické
břečky)
•Tažením z plastického těsta (cihly, kameninové
roury,…)
Sušení
a vypálení
keramiky
•Sušení
–
nutnost odstranění
povrchové
a kapilární
vlhkosti
•Výpal keramiky –
nejdůležitější
fáze výroby. Výrobek získává
pevnost
–
vysokoteplotními reakcemi vznikají
nové
minerální
fáze,
např. mullit
3Al2
O3 . 2SiO2
, dochází
k přeměně
krystalických modifikací.
KERAMIKA
Suroviny přírodní
(zejména pro klasickou keramiku)
a syntetické
(zejména pro technickou –
high
tech
keramiku)
Kaolin (alumosilikát)
SiO2
, Al2
O3
, ZrO2
, TiO2
, C , nitridy (BN, Si3
N4
), karbidy, …
KERAMIKA
Rozdělení
: oxidická
a neoxidická
Oxidická
: báze SiO2,
, Al2
O3
, ZrO2
, TiO2
, MgO, CaO,
ferity MeO.Fe2
O3
, směsné
struktury (Me
= kov)
Neoxidická
: karbidy, nitridy, boridy, silicidy, ….
Příklady : CrB, TiB2
, ZrC, Ti5
Si3
, TaN, WSe,…
Obecně
jsou keramické
materiály součástí
silikátových soustav, kam dále patří :
•Sklo
(základní
báze SiO2
– R2
O –
RO; např. SiO2
– Na2
O –
CaO)
•Maltoviny –
stavební
hmoty
( vápno -
výroba viz skripta!!, cement, sádra,..)
Oxid křemičitý SiO2
Tetraedry SiO4
•Základní
stavební
materiál keramiky (spolu s Al2
O3
)
•Polymorfní
(objemové
změny modifikací!!), žárovzdorný
•V kaolinu, jílech (plastické
suroviny), křemencích, píscích apod. (neplastické
suroviny).
•Čistota surovin –
např. písky, kaolin -
úpravnictví
Oxid hlinitý Al2
O3
•Základní
stavební
materiál keramiky (spolu s SiO2
, ale vyšší žárovzdornost)
•Žárovzdorný, polymorfní
•V kaolinu, jílech (plastické
suroviny) a synteticky vyrobený z Al(OH)3.
KORUND !
Soustava SiO2
- Al2
O3
MaterialMelting
Temp ·
(Teplota tání
- °C)
Heat Capacity
(J/kg ·
K)
Coefficient
of Linear
Expansion
1/ ° Cx10-6
Thermal Conductivity
(W/m K)
Aluminum metal 660 900 23.6 247
Copper
metal 1063 386 16.5 398
Alumina
Al2
O3 2050 775 8.8 30.1
Fused
silica SiO2
1650 740 0.5 2.0
Soda-lime glass
(sklo) 700 840 9.0 1.7
Polyethylene 120 2100 60-220 0.38
Polystyrene 65-75 1360 50-85 0.13
Srovnání
tepelných vlastností
různých typů
materiálů
Ceramic
Compound Melting
Point °(Bod tání
oC) % Covalent
character
% kovalentního char. % Ionic
character
% iontového char.
Magnesium Oxide 2798° 27% 73%
Aluminum
Oxide 2050° 37% 63%
Silicon Dioxide 1715° 49% 51%
Silicon Nitride 1900° 70% 30%
Silicon Carbide 2500° 89% 11%
Srovnání
bodů
tání
a % iontovosti
vazeb keramických materiálů
•
křemen -
přírodní
forma oxidu křemičitého SiO2•
nejčistější
forma křemene -
křišťál
•
tavený křemen je SiO2
v
amorfním stavu
-vyroben drcením a tavením přírodních krystalů, nebo tavením křemenných písků
-
zrnitá
mikrostruktura
•
syntetický tavený křemen je též
amorfní
SiO2
-
vytvořen chemickou vazbou mezi křemíkem a kyslíkem
-
má
vyšší
čistotu a kvalitu v
porovnání
s
taveným křemenem
Keramika SiO2
Vlastnosti:•
téměř
nulový koeficient tepelné
roztažnosti
•
výjimečně
dobrá
odolnost proti tepelným rázům•
odolnost proti poškrábání
•
nízká
tepelná
vodivost•
velmi dobrá
chemická
netečnost
•
může být leštěný do hladkých povrchů•
vynikající
optické
vlastnosti, propustnost
širokého spektra
-
zvláště
UV propustnost
Parametr Hodnota
Optické
vlastnosti:
•
tavený křemen umožňuje propouštění ultrafialových paprsků
•
propustnost je ovlivněna způsobem výroby a obsahem nečistot
–
kolísání
propustnosti
Al2
O3
- základní charakteristika
•
Patří
mezi oxidovou keramiku
•
Obsah Al2
O3
se pohybuje od 80 do víc jak 99%
•
Nízký podíl skelné
fáze
•
Nejdůležitější
materiál technické
oxidové
keramiky s nejširším uplatněním
Výroba•
Ze syntetického práškového oxidu požadovaných vlastností
•
Příprava směsi
•
Tvarování
•
Slinování
suché mletímokré mletí
suchým lisovánímlitím do sádrových foremhorkým litím pod tlakeminjekčním vstřikováním
obvykle při více jak 1500°C např. použitím metod HP a HIP
Výroba
•
PříměsiSměsi s
nižším obsahem oxidu hlinitého mají
ve vsázce plavený
kaolin či vysoce kaolinitický jíl, mastek nebo uhličitany alkalických zemin např. CaCO3,MgCO3 a pod.
Směsy s
vysokým obsahem oxidu hlinitého nad 99 hmotn. %se slinují
s obsahem 0,1 až 0,5% MgO, který zabraňuje růstu
velkých krystalů
na úkor malých
Vlastnosti
•
Elektrické
vlastnosti
Podskupina podle
IEC 672
Název Ztrátový činitel
při 20ºC48 až
62Hztanδ
[10-3]
Permitivita48 až
62Hzε
Průraznénapětí(min)
Ed [kV*mm-1]
Měrný odpor
ρ20 [Ωm]
C 780 Alumina 80%
1 8 10 1012
C 786 Alumina 86%
0,5 9 15 1012
C 795 Alumina 95%
0,5 9 15 1012
C 799 Alumina 99%
0,2 9 17 1012
Vlastnosti
•
Mechanické
vlastnostiOznačení Název Pórovito
stHusto
taPevnos
t v ohybu
Younův modul
pružnos ti
Tvrdost podle
Vickers
Vrubová houževn
atost
max. Vol.%
[gcm-
3][Nmm-
2]E
[GPa][103Nmm
-2]KIC
[MPam]
C 780 Alumina 80% 0 3,2 200 200 12-15 3,5-4,5
C 786 Alumina 86% 0 3,4 250 220 12-15 4-4,2
C 795 Alumina 95% 0 3,5 280 220-
350 12-20 4-4,2
C 799 Alumina 99% 0 3,7 300 300-
380 17-23 4-5,5
Vlastnosti•
Tepelné
vlastnosti
Označení Název Lineární koeficient roztažnosti
Součinitel tepelné
vodivosti
Maximální teplota použití
30 - 100°C [10-6K-1]
30 - 600°C [10-6K-1]
[Wm-1K-1][°C]
AI2 O3Alumina 80 %
5 - 7 6 - 8 10 - 16 1400 - 1500
AI2 O3Alumina 86 %
5,5 - 7,5 6 - 8 14 - 24 1400 - 1500
AI2 O3Alumina 95 %
5 - 7 6 - 8 16 - 28 1400 - 1500
AI2 O3Alumina >99 %
5 - 7 7 - 8 19 - 30 1400 - 1700
Vlastnosti
•
Chemická
odolnost
+ odolné
(až
do teploty)
(*) var-
koroduje 0 proběhne reakce
HCl
(ř)
HCl
(k)
HNO2
(ř)
HNO2
(k)
H2 SO3
(ř)
H2 SO3
(k)
H3 PO4 HF NaOH
(r)
KOH
(r)
NaCl KCl CuCl2
+(*)
+(*)
+ +(*)
+ +(*)
+ (20ºC)
- 0 (*)
+ (*)
+ (*)
+ (*)
Použití
korundové keramiky
•
Díky dobrému poměru cena/výkon a celkově
užitných vlastností je korundová
keramika užívána v:
elektrotechniceelektronicekonstruování strojůchemickém průmyslumedicíněvysokoteplotních aplikací
Použití
korundové keramiky
Elektrotechnika:Nízkonapěťová
Díky svým výborným izolačním vlastnostem se využívá
např. na:
Objímky pojistekObjímky žárovekV topných spirálách
Vysokonapěťová
Je zde vyžadovaná
vysoká
elektrická
a mechanická, pevnost odolnost proti korozi a svodovým proudům
Izolační krytyTyčové izolátoryVrchní kabelová izolace
Použití
korundové keramiky
Těla rezistorů
Použití
korundové keramiky
•
Elektronika:nosný podkladkomponenty velkých izolátorůobal tyristoru
•
Piezo
keramikaVýjimečnou charakteristickou vlastností
je přeměna
tlaková
síla elektrický impuls
a to změnou elektrického poleVyužití:
elektroakustický snímačprůtokoměrfrekvenční filtr
Použití
korundové keramiky
Substráty z
korundové
keramiky
Různé
piezo-keramické
části
Použití
korundové keramiky
Konstruování
strojů:Textilní
průmysl -
zde se využívá
vlastností
jako je:
otěruvzdornostdostatečná hladkost povrchu
Použití:•
ouška jehel•
háky•
válce•
vedení
nití
Nářadí
–
nástroje z technické
keramiky se často využívají
pro tváření kovů
(dovoluje např. zvýšení
řezné
rychlosti)
Použití
korundové keramiky
části pro obložení
Použití
korundové keramiky
Chemický průmysl:díky své
kombinaci vlastností
je keramika v tomto odvětví
nenahraditelnou (vynikající
korozivzdornost, žárupevnost, odolnost vůči některým chemikáliím)
Příklady použití:tavící kelímkytěsnící kroužkykatalyzátoryfiltryčásti pro řízení plynu(trysky,..)vyzdívky
Použití
korundové keramiky
Medicína:Technická
keramika je zde využívána pro svoji
kompatibilitu s
tkání
a odolnosti proti opotřebení
Použití:sluchová kůstkastomatologický štěpendoprotéza kyčelního klouburamenní kloub
BIOLOX®forte
ball heads
Features
of
BIOLOX®forte ball
heads
•28 mm to 54 mm ball
head
diameter
(other
sizes
available
upon
request)
•Various
neck
length
options
•Various
taper
types
•BIOLOX®forte can
be
used
in combination
with
cup
inserts
made
of
BIOLOX®forte, BIOLOX®delta as well
as polyethylene and
highly
cross-linked
polyethylene.
BIOLOX®forte Cup
Inserts
CeraLock
Long
term secure
fixation
of
the
cup
insert in the
metal acetabular
shell
is
achieved
by means
of
the
CeraLock®
fixation
concept. This
fixation
concept
relies
upon
the
correct
positioning
by the
surgeon
of
two
specially-
designed
conical
tapers, one
on the
outer
surface
of
the
cup
insert and
one
on the
inner
surface
of
the
metal acetabular
shell. This
concept
allows
not only
for fixation, but
also
for interoperative
interchangeability. Such interchangeability
allows
the
surgeon
to optimise
the
system
being
implanted.
Použití
korundové keramiky
Vysokoteplotní
průmysl:vysokoteplotní procesy – procesy nad 1000˚Cpotřeba otěruvzdorných a korozivzdorných materiálů i za vyšších teplotzvýšení efektivity a snížení nákladů
Příklady využití:nosné válcežárnice(žárová trubka)
Použití
korundové keramiky
Vybavení
pecí(stojany a nosníky)
Závěrečné shrnutí – Al2
O3
•
Dobrý poměr cena/výkon
•
Výborná
kombinace užitných vlastností
•
V mnoha oblastech nahrazuje kovy
•
Možnost vytváření
nových kompozitů
•
Budoucnost nejen technického odvětví
Keramika na bázi ZrO2
•
Oxidová
keramika –
materiály tvořené úplně
nebo převážně
jediným
žárovzdorným oxidem•
Al2
O3
(ve formě
α, zvané
korund), BeO, MgO, ZrO2
, ThO2
, UO2
aj. •
Nejvyšších pevností
se dosahuje u slinutého
Al2
O3
, následuje BeO
a stabilizovaný ZrO2
.
Keramika na bázi ZrO2
Nejdůležitější surovinou pro přípravu ZrO2je minerál zirkon, což je křemičitan zirkoničitý ZrSiO4Používá se 75 – 99 % ZrO2.Lokality: Austrálie, USA, Brazílie a v IndieDalším zdrojem ZrO2 je minerál baddeleyitZrO2, který se těží v ojedinělém nalezišti v Jižní Africe (v ČR: ZrO2 + Hf + U)
Keramika na bázi ZrO2
2700 °C 2370 °C 950 °C tav. kubická
tetragonální
monoklinická
(c-
ZrO2
) (t-
ZrO2
) 1175 °C (m-
ZrO2
)
ZrO2 modifikace hustota ρ(g . cm-3)
Oblast stálosti (°C)
c-ZrO2 kubická 6,27 2300-2700
t-
ZrO2 tetragonální 6,10 1100-2300
m-
ZrO2 monoklinická 5,68 do 1100
Keramika na bázi ZrO2
•
Na teplotu přeměny má
vliv mnoho faktorů, např. způsob přípravy, příměsi, tepelná
historie aj
•
Za normální
teploty a tlaku je stabilní
monoklinická
modifikace, která se silně
smršťuje a přechází
v
tetragonální
modifikaci při přibližně
1100°C a při ochlazování
naopak objem roste•
Největší
praktický význam má
přeměna tetragonální
modifikace ZrO2
na monoklinickou
-
tato přeměna je nazývaná
také
přeměnou
martenzitickou, protože se velmi podobá
přeměně
martenzitu
v
ocelích•
Změna objemu zrn činí
3 až
5 %, teoreticky až
8 %. Tak veliká
změna
objemu zrn v
keramickém materiálu vede ke vzniku trhlin.
Stabilizace ZrO2
•
Při přípravě
zirkoničité
keramiky je třeba vyrušit nepříznivý účinek martenzitické
přeměny. Toho je možné
docílit stabilizací
vysokoteplotní
modifikace ZrO2
.•
stabilizace kubické
modifikace c-ZrO2
přídavky oxidů ytritého
Y2
O3
, vápenatého CaO
a hořečnatého MgO v
množství
5 až
15 hmotn. %.
•
další
oxidy La2
O3
, Nd2
O3
, Se2
O3
, ThO2
, TiO2
, UO2
, CeO2
, MnO.
Keramika na bázi ZrO2
Výhody:•
Vysoká
žáruvzdornost
•
Chemická
odolnost vůči korozi a erozi při styku se struskou a tavidly
•
Vysoká
elektrická
vodivost při vysokých teplotách•
Vysoká
pevnost a houževnatost
•
Odolnost proti opotřebení•
Obrobitelnost
Keramika na bázi ZrO2
Nevýhody:•
Přeměna m-ZrO2
na t-
ZrO2
za značné
objemové změny (z 5,68 na 6,10 g.cm-3)
•
Plně
stabilizovaná
keramika se špatně
slinuje ⇒ přídavek plaveného kaolinu
Keramika na bázi ZrO2
Použití:•
Chirurgické
implantáty
•
Elektronická
čidla•
Keramické
topné
články
•
Břitové
destičky•
Polotovary pro výrobu přístrojových ložisek a měřících přístrojů
Břitové destičky
Polotovary pro měřící přístroje
TiO2
•
Ti(IV)O2
–
oxid titaničitý•
Krystalová
struktura:
1.
rutil
(vyšší
teploty) 2.
anatas
(nižší
teploty)
3.
brookit
(přírodní
minerály)
Mechanické vlastnosti
•
dobré
mechanické vlastnosti
•
velká
teplotní
stabilita (Ttání
= 1585°C )•
elektrická
vodivost při
pokojové
teplotě
hustota 4 gcm-3
porovost 0%
pevnost v lomu 140MPa
pevnost v tlaku 680MPa
lomova houzevnatost 3.2 Mpa.m-1/2
modul pruznosti ve smyku 90GPa
modul elasticity 230GPa
mikrotvrdost (HV0.5) 880
resistivita (25°C) 1012 ohm.cmresistivita (700°C) 2.5x104 ohm.cmrelativni permitivita (1MHz) 85
dielektricka pevnost 4 kVmm-1
teplotni roztaznost (RT-1000°C) 9 x 10-6
tepelna vodivost (25°C) 11.7 WmK-1
Optické vlastnosti
•
Vynikající
optické
vlastnosti
1.
velký index lomu (n = 2,9) !!!!
2.
Fotoaktivita
–
obrovské
možnosti využití
TiO2
– bílý pigment
•
světově
nejrozšířenější
bílý pigment (přes 3 miliony tun)
•
rutil
–
index lomu až
2,9 převažuje nad anatasem
•
rudné
suroviny –
příměsi nutné chemickézpracování
• dva různé procesy 1.
sulfátový-56%
2.
chloridový-44%
Naše firma je dceřinnou společností
německé
firmy CeramTec
AG, světové
špičky v oblasti technické
keramiky a speciálních materiálů. Exportujeme do celého světa produkty pro odvětví
stavby strojů, přístrojů
a zařízení, chemie, ochrany životního prostředí, energetiky, automobilového průmyslu a dalších.
Závod v Šumperku je specializován na výrobu součástí
ze sintrovaného
(SSiC) a infiltrovaného (SiSiC) karbidu křemíku a opracování
těsnících destiček z Al2O3.
NEOXIDOVÁ
KERAMIKA -
SiC
Oblasti využití
vyspělé
keramiky z karbidu křemíku :
Těsnící
kroužky Díky výborným kluzným vlastnostem, vysoké
tvrdosti,
otěruvzdornosti, chemické
odolnosti jsou materiály SiSiC
a SSiC
výborným řešením pro kluzné
kroužky v mechanických
ucpávkách. Životností
násobně
překonávají
materiály na bázi grafitu a výborně
odolávají
působení
chemických médií. Jistou
nevýhodou SiC
materiálů
v této aplikaci je nízká
výdrž
při výpadku mazání. Díky jedinečné
technologii je možné
dodávat
kluzné
kroužky až
do průměru 850 mm z jednoho kusu.
Trysky Díky vysoké
odolnosti vůči otěru, erozi a chemické
odolnosti, jsou keramické
trysky stále časteji
nasazovány tam, kde ostatní
materiály vykazují
nízkou životnost.
Typickým případem jsou rozprašovací
trysky užívané
v chemickém průmyslu nebo v odsiřovacích jednotkách uhelných energetických zdrojů.
Hořáky Vysoká
teplotní
odolnost (1350 resp. 1500 st.) umožňuje aplikaci vyspělé
keramiky do hořáků
-
jako koncovky.
Kluzná
ložiska
Díky výborným tribologickým
vlastnostem jsou SiC
materiály velmi vhodné
pro kluzná
ložiska.
Třídící
a mlecí
technika
Třídící
kola zatížená
abrazí, díky vlastnostem karbidu křemíku, dosahují
výborných výsledků.
Armatury Do náročných podmínek chemické
výroby, energetiky,
zpracování
rud, papírenské
výroby jsou dodávány keramické kulové
ventily, části potrubí, vložky do namáhaných
potrubních částí
Pracovní
části čerpadel vřetena, lopatková
kola
Speciální
výrobky Ve všech strojírenských oblastech je možné
výhodně
aplikovat
keramické
prvky, které
zvýší
životnost zařízení, případně
zcela nahradí klasické
materiály v náročných podmínkách s kombinací
zátěže (teplota,
koroze, otěr, eroze ..).
Vlastnosti materiálů
SSiC
a SiSiC
CeramTec
Šumperk vyrábí
dvě
základní
materiálové
modifikace z karbidu křemíku (SiC) :
-
infiltrovaný (reaction-bonded) karbid křemíku -
SiSiC
hrubozrnný (Rocar SiG),
jemnozrnný (Rocar
SiF) -
slinovaný (sintered) karbid křemíku -
SSiC
(Rocar
S1)
Oba materiály vynikají
vysokou teplotní
odolností, velmi nízkým koeficientem teplotní
roztažnosti, velmi vysokou tvrdostí, otěruvzdorností, vysokou korozní
odolností, nízkou měrnou hustotou, nepropustností
pro plyny a kapaliny, výbornou tepelnou vodivostí, výbornými kluznými vlastnostmi a mezi keramickými materiály vysokou odolností
vůči teplotním šokům.
SiSiC
hrubozrnný -
Rocar
SiG
SiSiC
jemnozrnný -
Rocar
SiF
SSiC
-
Rocar
S1
Rozdíly :
- SiSiC je klasickým materiálem s širokým spektrem uplatnění v aplikacích, kde nevyhoví levnější vyspělé materiály (kompozity, grafit, Al2O3- korund apod.). Chemická
odolnost je omezena do 10 pH. Drsnost neobrobeného materiálu je pod Ra 6,3. - SSiC materiál má vyšší užitnou hodnotu, díky vyšší teplotní a chemické
odolnosti (v celém rozsahu pH - dle chemické odolnosti). - Výrobní náklady jsou vyšší než
u SiSiC, proto nalezne uplatnění v nejnáročnějších aplikacích materiálů
z karbidu křemíku. Drsnost neobrobeného materiálu je Ra 0,8-1,6.
Výhody materiálů SiC : - při vhodné aplikaci násobně
vyšší životnost než
klasické kovové materiály - podstatné prodloužení servisních intervalů
- úspora nákladů
na údržbu - vysoká odolnost proti otěru - trysky, ventily, čerpadla v chemickém průmyslu pro abrazivní suspenze - umožnění konstrukčních řešení, která bez těchto materiálů
nejsou možná - nízká měrná hmotnost (přibližně
odpovídající duralu) - odlehčení částí strojů
- minimalizace teplotních vlivů
na přesnost optických či měřících zařízení
Nevýhody : - křehký materiál - vyšší cena - částečná vodivost
Konstrukční
doporučení
pro optimální
využití
SiC
keramiky : - v návrhu využít namáhání v tlaku - eliminovat bodové zatížení a mechanické rázy - minimalizovat tahová napětí
- eliminovat napěťové koncentrace - zaoblit hrany - náchylnost k tvorbě
odštipků - usilovat o jednoduché geometrie s pokud možno konstantní sílou stěny
při zabudování keramického dílu do kovových součástí zohlednit rozdílné teplotní roztažnosti kovů
a keramiky (riziko destrukce keramického dílu) - optimalizovat tolerance a drsnost povrchu dílu tak, aby se minimalizovalo broušení
keramiky jen na funkční plochy a rozměry - výrazný vliv na cenu výrobku
Klíčové
faktory ovlivňující
cenu výrobku z SiC: - volba materiálové varianty (SiSiC nebo SSiC) - přesná definice provozních podmínek - složitost tvaru - tolerance (zejména nefunkčních rozměrů) - požadavky na všeobecnou drsnost - velikost série (kusová výroba 1-5 ks, malosériová 5-500 ks, sériová ca.500 ks a
více)
Přehled materiálů
užívaných pro výrobu těsnících kroužků
v mechanických ucpávkách :
- kovy - snadná výroba, nízké užitné vlastnosti - grafit - výborné kluzné vlastnosti (samomazný), odolný vůči korozi, není odolný vůči
abrazi - wolfram karbid - houževnatý, tuhý, odolný vůči abrazi, nízká odolnost vůči korozi - Al2O3 (alumina, korund) - odolný vůči abrazi, tuhý, nízká odolnost na teplotní šok - karbid křemíku - odolný vůči abrazi, tuhý, odolný vůči korozi, vysoký výkon (vysoký P-V
faktor - oběhová rychlost, tlak), křehký - povlaky - výhodná aplikace, tendence k oddělování vrstvy od nosiče, díky omezené
tloušťce vrstvy dochází rychle k prodření
New
concepts
for metal/ceramics composites
Especially
in automotive
construction, the
spectrum
of
applications
for light-metal components
is
growing
more and
more: at
the
same
time, however, these components
are having
to work
under
ever
more punishing
conditions. The
solution
is
to reinforce
the
lightweight
components
with
high-performance ceramics at
exactly
those
high-stress locations.
For composites
from
metal and
ceramics (Metal Matrix
Composites, MMC or
Ceramic
Matrix
Composites, CMC), a metallic
substrate
with
ceramic
hardened
particles
is
used
as reinforcement. The
low
weight
of
the
metal can
thus
be
combined
with
the
resistance
of
ceramics under
tribological, mechanical
and
thermal
loads.
Highly
porous
preforms
are infiltrated
by the
light
metal during
the
casting
process
and
thus
assure
a seamless
transition
between
metal and
ceramic
material.
By locally
reinforcing
the
cylinder
sleeves
in the
engine
block
of
the
Porsche Boxster
and
911, CeramTec
AG has not only
proven
the
proper functioning
and
efficiency
of
MMC preforms
on a series-production
scale, but
also
created
a completely
new
class
of
composites. This
taps
a range
of
applications
hitherto
inaccessible
to ceramics.
Application
potential
Seal
rings
in high-performance ceramics live
longer Wherever
fluids
are pumped, compressed
or
stirred, it
is
the
bearings
and
face seal
rings
that
concern
design engineers
in particular. The
type of
material
used
for these parts
has a vast
impact on operational
reliability
and
durability, especially
when
critical
media are involved.
Due
to their
outstanding
chemical
and
physical
properties
as well
as their
homogeneous
microstructure, our
high-performance ceramics have
in many instances
displaced
conventional
materials. Their
functional
reliability
is
the
outcome
of
such factors
as:
•high
wear
resistance
•corrosion
resistance
•ability
to withstand
high
temperatures
and
•imperviousness
to sudden
fluctuations
in temperature.
Srovnání
některých vlastností
Závislost pevnosti v
ohybu na hustotě
Srovnání
některých vlastností
Závislost tvrdosti na modulu pružnosti
Srovnání
některých vlastností
Závislost pevnosti v
ohybu na tvrdosti HV10
Srovnání
některých vlastností
Závislost pevnosti v
ohybu na tepelné
vodivosti
Srovnání
některých vlastností
Koeficient roztažnosti v
závislosti na tepelné
vodivosti
Srovnání
některých vlastností
Závislost pevnosti v
ohybu na součiniteli roztažnosti
Bentonit – jílová hornina
3/24
• ↑hodnota výměny kationtů
• bobtnání
• ↑plastičnost
Využití
v mnoha oborech:- Slévárenství
- Stavebnictví
- Chemický průmysl
- Čištění
odpadních vod
Montmorillonit (MMT)(1/2Ca,Na)0,25–0,6
(Al,Mg)2
Si4
O10
(OH)2
·
nH2
O
•destičkový tvar částic
•velký měrný povrch
4/24
Schématický průběh změn ve struktuře při modifikaci organickými barvivy
základní seskupení
jíluInterkalovaný
jíl Exfoliovaný
jíl
Došlo k rozdružení jednotlivých vrstev jílu
Jíl nabobtná
natolik, že vrstvení
přestává
být organizované
↓ ↓
7/24
PŘÍPRAVA ANORGANICKO-ORGANICKÝCH HYBRIDŮ
MMT lze modifikovat organickými látkami díky vyměnitelnosti kladněnabitých iontů
v mezivrstvé
mezeře.
8/19Obr. 5
Supravodiče I. typu
Kovové a nekovové prvkyVodivé za normální teplotySplňují podmínku BCS teorieVyžadují nižší teplotyVykazují ostrý přechodDiamagnetismus (M-O efekt)
Olovo Tc
= 7,19 KLanthan
Tc
= 4,88 KRtuť
Tc
= 4,15 KCín
Tc
= 3,72 KZinek
Tc
= 0,85 KZirkon
Tc
= 0,61 K Titan
Tc
= 0,40 K Uran
Tc
= 0,25 K
Supravodiče II. typu
Kovy, slitiny, intermetalickésloučeniny, keramika na bázi perovskitů
Vyšší kritické teplotyVyšší kritická magnetická pole
Uhlík, Niob
Tc
= 9,25 –
15 KNbTi, Nb3
Sn
Tc
= 9,80 –
19 KMgB2
Tc
= 39 K
Vysokoteplotní
(HTS) keramika:(La1.85
Ba0.15
)CuO4
Tc
= 30 KLaCaCu2
O6+
Tc
= 45 KYBa2
Cu3
O7
Tc
= 93 KTlBa2
Ca3
Cu4
O11
Tc
= 118 K
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
20
Příprava supravodiče typu YBa2
Cu3
O7
Supravodivost: vrstvy kyslíku a mědi v krystalové mřížce
Struktura YBCO 1-2-3 + šupinková struktura O7
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
16
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
18
VyužitíPřenos elektřiny:rozvodné
sítě, generátory,omezovač
chyb
akumulační
systémy D-SMES
MRI: SQUID
Urychlovače částic
Vojenství:SQUID, dráty a antény, E-bomby,elektrické
motory
Rychlé elektronické přepínače:Josephsonovy
supravodivé
spoje
Magnetická levitace: MAGLEV
Použitý postupVyužití
metody Shake
and
Bake
(Protřepat a vypálit)
1.
Promíchání
chemických sloučenin
Y2
O3
11,29 gBaCO3
39,47 gCuO
23,86 g
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
15
Použitý postup2.
Kalcinace: počáteční
vypálení
(Odstranění
CO2
)
a)
Výdrž
na teplotě
925 –
950°C (940°C) 18 –
24 hodin (22 hod.)b)
„Rychlé“
chlazení
YBa2
Cu3
O6,5
-
černé
barvy
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
14
Použitý postup3.
Střední
vypálení
(Odstranění
CO2
, H2
O, sycení
O2
)
a)
Drceníb)
Výdrž
na teplotě
925 –
975°C (950°C) 18 hodin (18 hod.)
c)
Při 500°C
slabé
proudění
kyslíkud)
Ochlazování
100 –
250°C / 1hod (150°C
/ 1 hod
= 5,5 hod)
e)
Odpojení
kyslíku při 400°C
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
13
Použitý postup4.
Konečné
kyslíkové
žíhání
(sycení
O2
)
a)
Drcení
(černý vzorek)b)
Výdrž
na teplotě
950 –
1000°C (970°C) 18 hodin (18 hod.)
c)
Při 400°C
silné
proudění
kyslíkud)
Ochlazování
pod 100°C / 1hod (90°C
/ 1hod
= 10,8 hod)
e)
Odpojení
kyslíku při 400°C
Miska z Al2
O3
se vzorkem při 970°C
Vzorek 1
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
12
Použitý postupMetoda Shake
and
Bake
–
zrychlený postup
1.
Promíchání
chemických sloučenin2.
Kalcinace: počáteční
vypálení
(Odstranění
CO2
)3.
Konečné
vypálení
(sycení
O2
)
a)
Drcení
(černý vzorek)b)
Výdrž
na teplotě
950°C
–
22 hodin
c)
Při 500°C
silné
proudění
kyslíkud)
Ochlazování
pod 94°C
/ 1 hod
e)
Odpojení
kyslíku při 400°C
Vzorek 2
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
11
Dosažené
výsledky
Meissner-Ochsenfeldův
efekt
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
10
Dosažené
výsledky
Meissner-Ochsenfeldův
efekt
ZČU v Plzni
–
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
9
Díky za pozornost!!
Top Related