Keramika Technická univerzita v Liberci Nekovové materiály, 5. MI Doc. Ing. K. Daďourek 2008
Tuhost a váha materiálů Keramika má největší tuhost z technických materiálů Keramika je lehčí než kovy, ale těžší než kompozity
Děje při změně teploty Výroba z taveniny pomalým ochlazováním krystalizace - kovy Výroba z taveniny rychlým ochlazením až pod teplotu zeskelnění skla Výroba bez roztavení, jen ohřátím do oblasti pod teplotu tání slinování - keramika
Základní vlastnosti keramiky Vysoký bod tání, netaje při jedné teplotě Vysoká chemická odolnost- především oxidy Vysoká žáruvzdornost určí ji teplota výpalu Tepelný a často i elektrický izolátor Vysoká odolnost opotřebení tvrdost Vysoká pevnost, především v tlaku Malá odolnost rázům mechanickým i tepelným Značná křehkost, minimální trvalá deformace Vysoká odolnost tečení
Porovnání mineralografické a technické tvrdosti Ocel má tvrdost 200 až 1000 HV
Vliv velikosti krystalů na jejich pevnost Pevnost roste s klesající velikostí krystalků Tento růst je velmi silný až řádový
Závislost pevnosti na teplotě Keramika si udržuje svou pevnost do vyšších teplot než kovy Tento fakt obzvlášť vynikne při porovnání s teplotou výroby materiálu
Vliv pórovitosti a velikosti částic Zpočátku převládá růst pevnosti v tlaku s klesajícím rozměrem krystalků Následuje prudký pokles pevnosti díky rostoucí pórovitosti Vliv je největší při nízké teplotě Optimální je asi 3 % pórů keramiky na pevnost
Fázový diagram SiO 2 Příklad látky s velmi proměnnou strukturou
Základní přeměny v SiO 2
Porovnání pro kysličník křemičitý SiO 2 Teplota tuhnutí je 1713 o C Extrémně pomalým ochlazováním vznikají krystalické fáze : krystobalit, tridymit, křemen Zrychleným ochlazováním se dá tavenina snadno podchladit až pod teplotu zeskelnění 600 o C, tím vznikne křemenné sklo Dlouhodobým ohřevem křemenného skla nad teplotu 1050 o C dojde k jeho krystalizaci odskelnění Spékáním drobných krystalků křemenného písku při 1400 o C (300 K pod teplotou tání) vznikne keramika zpravidla označovaná jako dinasová
Rozdělení keramiky Podle složení : Kysličníková - oxidová Neoxidová Podle čistoty : - Směsná z přírodních surovin - Čistá stálé vlastnosti, drahá - Podle účelu: - užitková - konstrukční (HiTech, Advanced)
Keramická výroba principy tradiční výroby Z malých nerozpustných částic vzniká ve vodě lehko tvarovatelná suspenze Malé částice zahřáté na 60 až 90 % teploty tání tvoří mezi sebou difuzní můstky- spékání, vypalování Struktura je po vypálení složena z krystalků, mezi nimiž jsou difuzní můstky a póry Při vyšší teplotě vypalování může vznikat skelná fáze
Postup tradiční výroby keramiky Příprava prášku mletí suroviny Příprava břečky suspenze prášku ve vodě Tvarování výrobku ruční, strojní Sušení výrobku až na kritickou vlhkost, při níž se částice již dotýkají- hlavní smrštění Vypalování desítky hodin při 1000 až 1400 o C vznik difuzních můstků v místech dotyku
Nejčastější směsná keramika
Keramické suroviny - živec Tvoří až 60 % Zemské kůry. Draselný živec : KAlSi 3 O 8 Má jednu monoklinickou a dvě triklinické krystalické modifikace
Keramické suroviny - kaolin Zvětralý minerál kaolinit Chemické složení : Al 4 (OH) 8 Si 4 O 10 Krystalizuje v triklinické soustavě Vzniká hydrolyzou živce : 4 KAlSi 3 O 8 + 6 H 2 O Al 4 (OH) 8 Si 4 O 10 + 8 SiO 2 + 4 KOH
Užitková keramika
Děje při vypalování směs živec + křemen + kaolin
Směsná elektrokeramika
Vysokoteplotní keramika
Keramika s nízkou tepelnou roztažností Li 2 O má záporný koeficient teplotní roztažnosti Diagram vpravo pro keramiky na červené čáře
Směsná stavební keramika
Vliv čistoty materiálu Čím čistší je základní surovina, tím je pevnost vyšší a méně klesá s teplotou Zde pro korund Al 2 O 3 Kromě toho jsou všechny vlastnosti reprodukovatelnější
Speciální metody přípravy CIP izostatické lisování za studena HIP izostatické lisování za tepla Reakční slinování : C v parách Si dá SiC, Si v dusíku dá Si 3 N 4 Zr na vzduchu při 1200 o C dá ZrO 2 Důvod : potlačení pórovitosti
Oxidová keramika Korundová Al 2 O 3 Zirkoniová ZrO 2 Rutilová TiO 2 Ferity kysličníky železa Pokud chceme používat i pro vyšší teploty, v oblasti použitelnosti by neměl být fázový přechod
Korundová keramika Je to alfa fáze Al 2 O 3, bod tání 2044 o C Hustota 4 g/cm 3 Youngův modul 360 GPa velký, 1,7 násobek oceli Pevnost 3000 MPa v tlaku, 400 MPa v ohybu, 150 MPa v tahu Tvrdost nad 2000 HV, vysoká otěruvzdornost Elektrický izolátor Žáruvzdorná, použitelná do 2000 o C Vysoká tepelná vodivost 1720 W/mK dává vysokou odolnost tepelným šokům ( hliník má 240 W/mK) Malá lomová houževnatost 2 MPam 1/2 - křehký Vysoká chemická odolnost Užití : brusný materiál, biokeramika, řezná keramika
Zirkoniová keramika Alfa fáze ZrO 2, teplota tání 2680 o C Hustota 6 g/cm 3 Youngův modul 180 GPa malý Pevnost v ohybu až 500 MPa Tvrdost 1300 HV Elektricky vodivá nad 1000 o C Nízká tepelná vodivost 2 W/mK tepelný izolátor, neodolává tepelným šokům Střední lomová houževnatost 8 MPam 1/2, dá se zvýšit částečnou stabilizací PSZ. Houževnatá keramika Základní typ konstrukční keramiky, ale : Užití komplikuje jeho polymorfizmus
Fázové přeměny zirkoniové keramiky Alfa fáze má o 5 % větší objem než beta fáze Kysličníky MgO, CaO stabilizují vysokoteplotní fáze i při nižší teplotě 5 15 % MgO stabilizace krychlové fáze - SZ Užití do 2400 o C při stabilizaci CaO pak až do pokojové teploty kubická gama fáze, jinak použitelný jen do 1000 o C
Mechanismus zpevnění PSZ keramiky -Partially Stabilized Zirconia 3 5 % MgO, bez napětí je beta fáze má menší objem - Pod vlivem elastické energie dojde k překrystalizaci na alfa fázi větší objem A iniciace trhliny B šíření trhliny Kroužky bílé beta fáze Kroužky černé alfa fáze Šipky tlaková napětí zavírající trhlinu
Vlastnosti PSZ keramiky Zvýšení ohybové pevnosti z 500 na 1000 MPa. Použití do 2300 o C. Na keramiku vysoká lomová houževnatost nad 10 MPam 1/2. Tvrdost 1700 HV Základní typ konstrukční keramiky
Příklady použití čisté keramiky
Feritová keramika Je to elektrický izolátor Má ferimagnetické vlastnosti podobné feromagnetickým Základem je kysličník železitý. Magneticky měkké ferity na anteny a transformátory MgO- MnO-Fe 2 O 3 Magneticky tvrdé ferity na trvalé magnety BaO-Fe 2 O 3, CoO- Fe 2 O 3
Speciální biokeramika Biodegradovatelná bakteriemi CaO-Al 2 O 3 Umělé kosti CaHPO 4 kyselý fosfát vápníku srůstá s kostí Na kloubní protézy se dnes začíná používat korund.
Neoxidová keramika Má nižší chemickou odolnost, především proti oxidaci Většinou ji nelze roztavit, při vysoké teplotě dochází k jejímu rozkladu) Spékání při její výrobě musí většinou probíhat v atmosféře bez kyslíku Zpravidla není elektrický izolátor, buď má polovodivé chování, nebo je vodivá jako kovy Ve většině případů jde o karbidy nebo nitridy kovů Vazba kovalentní až kovová.
Karborundová keramika Karbid křemíku SiC Výroba redukcí SiO 2 koksem Čistý je šedivý, méně čistý zelený Bod rozkladu na Si a C je 2700 o C Na vzduchu oxiduje od 1000 o C, maximální použitelnost 1600 o C Hustota 3,1 g/cm3 Youngův modul 450 GPa vysoký, více než dvojnásobek oceli Pevnost v ohybu 550 MPa Tvrdost 2400 HV více než korund Elektricky vodivý s přebytkem Si silitové topné tyče Tepelná vodivost 100 W/mK dost vysoká asi jako ocel velká odolnost teplotním šokům Lomová houževnatost 3 MPam 1/2 nízká Užití : brusný materiál, topné elementy
Keramika nitridu křemíku Fáze Si 3 N 4, rozklad při 1900 o C, oxidace od 1200 o C Pro lepší odolnost kyslíku přídavek Al 2 O 3 - SIALON Hustota 3,3 g/cm3 Youngův modul 300 GPa střední Pevnost v ohybu až 1000 MPa Tvrdost 1500 HV Tepelná vodivost 40 W/mK středně vysoká, poloviční proti oceli, odolává menším tepelným šokům Lomová houževnatost nad 8 MPam 1/2 má vláknitou strukturu, odolává lomu. Houževnatá keramika Základní typ konstrukční keramiky
Boronitridová keramika Nitrid boru BN odolává oxidaci do 1000 o C, rozkládá se při 3000 o C. Existuje ve dvou krystalických modifikacích se zcela odlišnými vlastnostmi : Hexagonální forma je částečně tvárná, dobře odolává teplotním šokům, slouží na vysokoteplotní součástky kelímky a p. Kubická forma extrémně tvrdá a křehká, jediný materiál, který se svou tvrdostí vyrovná diamantu. Vyrobitelný zatím jen jako prášek (nejde slinovat)
Příklady použití keramiky Si 3 N 4
Turbinová kola z keramiky Si 3 N 4
Písty z keramiky Si 3 N 4
Žhavé potrubí z keramiky Si 3 N 4 teplota nad 1200 o C
Ventily spalovacích motorů kombinace keramik ZrO 2 Si 3 N 4
Keramický spalovací motor
Mosil keramika Také obchodní název Superkantal Intermetalická sloučenina MoSi 2 Vyráběná spékáním prášku Použitelná do 1650 o C, při vyšší teplotě na povrchu oxidace na SiO 2 Použitelná jako topná tělesa pro vysoké teploty
Vznik sklokeramiky (vitrokeramika) Vlastně přechod ke kompozitům
Nejznámější konstrukční keramika - vlastně kompozit z křemene tepelný štít raketoplánu Spodní strana nepoškozený štít Vrchní strana - poškozený štít Raketoplán Endeavour, srpen 2007