ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ & ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Transcript

1 Τμήμα Τεχνολόγων Περιβάλλοντος Κατεύθυνσης Συντήρησης Πολιτισμικής Κληρονομιάς ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ & ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 7 η Ενότητα Κεραμικά Υλικά Δημήτριος Λαμπάκης

2 ΓΕΝΙΚΑ ΟΡΙΣΜΟΣ: Κεραμικό υλικό είναι κάθε ανόργανο μη μεταλλικό υλικό, το οποίο έχει υποστεί θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες (>1000 ο C) είτε κατά το στάδιο της επεξεργασίας του είτε κατά το στάδιο της εφαρμογής του.

3 ΓΕΝΙΚΑ Πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα κεραμικών υλικών

4 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Τα κεραμικά υλικά περιλαμβάνουν δύο ή περισσότερα στοιχεία (π.χ. Al 2 O 3, MgAl 2 O 4 ), τα οποία συνδέονται μεταξύ τους με ισχυρούς δεσμούς, δηλ. ιοντικούς, ομοιοπολικούς ή συνδυασμό αυτών (μικτούς δεσμούς) και ακολουθούν είτε περιοδική διάταξη (κρυσταλλικά κεραμικά) είτε τυχαία διάταξη (άμορφα γυαλιά). Ο χαρακτήρας που επικρατεί προσδιορίζεται από τη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας μεταξύ των συνδεομένων ατόμων. Υπάρχουν οι εξής περιπτώσεις: Μεγάλη διαφορά ηλεκτραρνητικότητας: Ιοντικός χαρακτήρας. Μηδενική διαφορά ηλεκτραρνητικότητας: Ομοιοπολικός χαρακτήρας. Ενδιάμεσες τιμές διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας: Μικτός χαρακτήρας.

5 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Ο χαρακτήρας σημαντικών κεραμικών υλικών συναρτήσει της διαφοράς ηλεκτραρνητικότητας των στοιχείων που τα αποτελούν. Σημείωση: Από το είδος δεσμού που επικρατεί επηρεάζονται η κρυσταλλική δομή και οι ιδιότητες του κεραμικού.

6 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΙΟΝΤΙΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ: ενώσεις μετάλλου-αμετάλλου με τη μορφή ιόντων που συνδέονται μεταξύ τους με δυνάμεις ηλεκτροστατικής φύσεως. Τα κατιόντα είναι μικρότερα σε μέγεθος από τα ανιόντα, κάθε κατιόν πρέπει να εφάπτεται σε όλα τα ανιόντα που το περιβάλλουν, ενώ τα ανιόντα δεν πρέπει να εφάπτονται μεταξύ τους Σημείωση: Τα κεραμικά με πυκνότερη διάταξη ιόντων επιδεικνύουν σταθερότερη δομή (οι ηλεκτροστατικές ελκτικές δυνάμεις δημιουργούν σταθερές κρυσταλλικές δομές).

7 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Οι συνηθέστερες κρυσταλλικές δομές των ιοντικών κεραμικών είναι : (α) Η κυβική εδροκεντρωμένη (FCC), π.χ. η μαγνησία (MgO) και η κυβική ζιρκονία (ZrO 2 ). (β) Η εξαγωνική (ΗCP), π.χ. η αλουμίνα (Al 2 O 3 ). Μαγνησία Ζιρκονία Αλουμίνα

8 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΟΜΟΙΟΠΟΛΙΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ: ενώσεις δύο αμετάλλων (π.χ. η πυριτία, SiO 2 ) ή καθαρά στοιχεία, (π.χ. το διαμάντι C και το πυρίτιο (Si). Τα άτομα συνδέονται με κοινά ζεύγη ηλεκτρονίων της εξωτερικής στοιβάδας τους

9 ΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Συνηθέστερη δομή είναι: α) η κυβική, κρυσταλλική με δημιουργία αλυσίδων, επίπεδων ή τρισδιάστατων πλεγμάτων), π.χ. το ανθρακοπυρίτιο (β-sic), β) άμορφη (π.χ. όλα τα εμπορικά γυαλιά, τα οποία έχουν βασική μονάδα τετράεδρα SiO 4 που ενώνονται μεταξύ τους με διάφορους τρόπους δίνοντας κεραμικά διαφορετικών μικροδομών) βλ. επόμενη διαφάνεια

10

11 ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ 1) Παραδοσιακά κεραμικά 2) Προηγμένα κεραμικά 3) Γυαλιά

12 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ O όρος «παραδοσιακό» δηλώνει κάτι σχετικά συμβατικό, το οποίο συναντάται σε αφθονία στη φύση, κατεργάζεται εύκολα και φθηνά και είναι ευρείας χρήσης στην καθημερινή ζωή για πολλά χρόνια. Υπάρχουν 2 κλάδοι της βιομηχανίας παραδοσιακών κεραμικών: Ο 1ος κλάδος χρησιμοποιεί αργιλικά ορυκτά χωρίς άλλες προσθήκες για την παραγωγή δομικών υλικών (τούβλα, πλακίδια, σωλήνες, κλπ.) σε μεγάλη έκταση παραγωγής. Ο 2ος κλάδος αφορά σε κεραμικά αργιλοπυριτικής βάσης, τα οποία παράγονται από πρώτες ύλες που περιέχουν 20% αργιλικά ορυκτά (china clay, ball clay, calcined flind, fendspar). To μίγμα που προκύπτει περιέχει 50-60% άργιλο, υπόκειται σε έψηση σε υψηλή θερμοκρασία (της τάξης των ο C) και προκύπτει υλικό μικροπορώδες φάση με μικτή δομή, όπου διακρίνεται κρυσταλλική και υαλώδης φάση. Για τον έλεγχο του πορώδους προστίθεται συνήθως ευτηκτικό υλικό (άστριοι-feldspar) μέχρι ποσοστού ~50%. Το τελικό προϊόν είναι διάφορα είδη πορσελάνης.

13 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ Κατηγορίες εφαρμογών και ειδικών χρήσεων παραδοσιακών κεραμικών

14 1. Άργιλος (Clay) Προστίθεται στο μίγμα με τη μορφή λεπτών κόκκων, διαμέτρου ~1μm. Είναι ένυδρο πυριτικό αργίλιο (τριμερές σύστημα): Al 2 O3, SiO 2 και Η 2 Ο. Μίγμα της με νερό δίνει εύπλαστη μάζα που διαμορφώνεται εύκολα και διατηρεί το σχήμα της μετά από ξήρανση ή έψηση. Το χρώμα του τελικού προϊόντος εξαρτάται από την περιεκτικότητα της αργίλου σε ακαθαρσίες (οξείδια). Μορφές αργίλου: ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΑΡΓΙΛΟΠΥΡΙΚΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ (α) Καολινίτης (Al 2 O 3 2SiO 2 2Η 2 Ο), που έχει δομή φυλλιδίων και χρησιμοποιείται στην κατασκευή πορσελάνης, (β) Montmorrilonite (Al 5 (Na,Mg)(Si 2 O 5 ) 6 (OH) 4 ).

15 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΑΡΓΙΛΟΠΥΡΙΚΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ 2. Πυριτική άμμος (Quartz sand / Flint ) Αποτελείται από μικροσκοπικούς κόκκους άνυδρου SiO 2 (flint). Προστίθεται στην άργιλο, προκειμένου να της αυξήσει τη δυστηκτότητα και να διατηρήσει την πλαστικότητα του τελικού προϊόντος.

16 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΑΡΓΙΛΟΠΥΡΙΚΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ 3. Προστιθέμενα ευτηκτικά οξείδια (Feldspar) Είναι ενώσεις χαμηλού σημείου τήξης. Συνήθως χρησιμοποιούνται Κ 2 Ο Αl 2 O 3 6SiO 2 ή Na 2 O Al 2 O 3 6H 2 O. Στο αρχικό μίγμα (υγρή κατάσταση) διαβρέχουν τα σωματίδια αργίλου και άμμου και ελαττώνουν το πορώδες. Στο τελικό προϊόν αποτελούν την υαλώδη φάση. Στην παρασκευή πορσελάνης χρησιμοποιούνται άστριοι, οι οποίοι είναι άνυδρα αργιλοπυριτικά ορυκτά που περιέχουν ιόντα K, Na ή Ca.

17 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ Ανάλογα με τα σχετικά ποσοστά καολινίτη/χαλαζία/αστρίων προκύπτουν οι διάφοροι τύποι πορσελάνης

18 ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ Το τριγωνικό διάγραμμα της τριαδικής πορσελάνης (triaxial porcelain). Διακρίνονται οι συστασιακές περιοχές για διάφορες εφαρμογές)

19 ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ 2) Τα προηγμένα κεραμικά υλικά είναι υλικά αυξημένων απαιτήσεων, με ειδικές προδιαγραφές που δημιουργήθηκαν με την ανάπτυξη των νέων τεχνολογιών. Eίναι κυρίως οξείδια, καρβίδια, νιτρίδια και βορίδια που συνδυάζουν μοναδικές ιδιότητες όπως εξαιρετική μηχανική αντοχή, μεγάλη σκληρότητα, μοναδικές μαγνητικές, οπτικές και ηλεκτρικές ιδιότητες, πολύ καλές θερμομηχανικές ιδιότητες που διατηρούνται σε υψηλή θερμοκρασία, θερμομονωτικές ιδιότητες, αντοχή σε θερμικούς αιφνιδιασμούς, κ.λ.π. Μολονότι δεν υπάρχει ένας συνολικός ορισμός για τα προηγμένα κεραμικά, μπορούμε να τα ταξινομήσουμε σε τέσσερις μεγάλες κατηγορίες: Προηγμένα δομικά κεραμικά. Ηλεκτρονικά κεραμικά Κεραμικές επικαλύψεις Σύνθετα κεραμικά υλικά.

20 ΓΥΑΛΙΑ ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ Τεχνητά γυαλιά εμφανίζονται γύρω στο 4000 π.χ. σε Αίγυπτο και Μεσοποταμία ως διακοσμητικά γυαλιά. Η επεξεργασία του γυαλιού, ως τέχνη και τεχνολογία, ήταν γνωστή από τον 15 ο αιώνα π.χ. Το 1881 δίνεται περαιτέρω ανάπτυξη με τις εργασίες του Faraday και αργότερα των Zeiss, Abbe και Schott με την κατασκευή οπτικών γυαλιών.

21 ΓΥΑΛΙΑ Μέχρι σήμερα, έχουν δοκιμαστεί 74 στοιχεία για σχηματισμό γυαλιού, αλλά το 99% κ.β. της συνολικής παραγωγής γυαλιού συνίσταται από τα ακόλουθα τρία μεγάλα συστήματα: Σόδας (Νa 2 O)-Ασβέστου (CaO)-Πυριτίας (SiO 2 ). Κρύσταλλα μολύβδου (PbO-SiO 2 ). Μικρής διαστολής βοριοπυριτικό γυαλί (B 2 O 3 -SiO 2 - Na 2 O-CaO). Σημείωση: Για πολύ μεγάλο διάστημα είχε επικρατήσει διαχρονικά το σύστημα σόδας-ασβέστου-πυριτίας και μόλις τον 20 ο αιώνα αναπτύχθηκε το βοριοπυριτικό γυαλί.

22 ΓΥΑΛΙΑ Αρχικός ορισμός: Το γυαλί είναι ένα ανόργανο προϊόν τήξης που ψύχθηκε απότομα και δεν πρόλαβε να κρυσταλλωθεί. Σημείωση: πρόκειται για περιοριστικό και αναχρονιστικό ορισμό, βασισμένο σε μέθοδο παρασκευής που εφαρμόζεται στην υαλουργία. Επιπλέον, αποκλείει πολλά οργανικά γυαλιά. Νεότερος ορισμός: Το γυαλί είναι μη κρυσταλλικό ελαστικό στερεό με ιξώδες μεγαλύτερο από poise (ή Νsm -2 ).

23 ΓΥΑΛΙΑ Τα σημαντικότερα είδη γυαλιού είναι άμορφα στερεά και έχουν ως βασική μονάδα την πυριτία SiO 2. Η υαλώδης δομή λαμβάνεται κατά την ταχύτατη απόψυξη τήγματος οξειδίων. Οι υψηλές τιμές ιξώδους και οι ισχυροί δεσμοί που αναπτύσσονται μεταξύ των τεραέδρων της πυριτίας δεν επιτρέπουν την έναρξη της κρυστάλλωσης. Τα οξείδια που προστίθενται για την μετατροπή του πλέγματος της πυριτίας, επηρεάζουν τις ιδιότητες του γυαλιού, καθιστώντας το κατάλληλο για συγκεκριμένες χρήσεις.

24 ΓΥΑΛΙΑ

25 ΓΥΑΛΙΑ Κυριότερα είδη γυαλιού

26