1935 Carothers DuPont POLYMERY - zcu.czateam.zcu.cz/download/keramika.pdfmezolit, neolit Doba bronzová železná Ud ě lejte si srovnání vlastností materiál ů základní triády

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

.


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)


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


•

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.


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


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


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

http://www.ceramtec.cz/koroze.html

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


Závislost tvrdosti na modulu pružnosti

Srovnání



ohybu na tvrdosti HV10

Srovnání



ohybu na tepelné

vodivosti

Srovnání


Koeficient roztažnosti v

závislosti na tepelné

vodivosti

Srovnání



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

–


16

ZČU v Plzni

–


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

–


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

–


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

–


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


Miska z Al2

O3

se vzorkem při 970°C

Vzorek 1

ZČU v Plzni

–


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


Vzorek 2

ZČU v Plzni

–


11

Dosažené

výsledky

Meissner-Ochsenfeldův

efekt

ZČU v Plzni

–


10

Dosažené

výsledky

Meissner-Ochsenfeldův

efekt

ZČU v Plzni

–


9

Díky za pozornost!!

Documents

1935 Carothers DuPont POLYMERY - zcu.czateam.zcu.cz/download/keramika.pdfmezolit, neolit Doba bronzová železná Ud ě lejte si srovnání vlastností materiál ů základní triády