ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΛΙΚΩΝ

Transcript

1 ΕΘΝΙΚΟ ΜΕΤΣΟΒΙΟ ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ Σχολή Χημικών Μηχανικών Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών ΕΠΙΣΤΗΜΗ & ΤΕΧΝΙΚΗ ΥΛΙΚΩΝ 7 Ο ΕΞΑΜΗΝΟ Χ-Μ ΕΜΠ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟΣ ΟΔΗΓΟΣ ΕΜΠ, 2014

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Α/Α Τίτλος άσκησης Σελίδα 1. Πoροσιμετρία υδραργύρου Υπεύθυνος άσκησης: Α. Μπακόλας 1-6 Συγγραφείς: Α. Μοροπούλου, Α. Μπακόλας 2. Θερμομηχανική ανάλυση σύνθετων υλικών Υπεύθυνος άσκησης: Α. Μπακόλας 7-10 Συγγραφείς: Α. Μοροπούλου, Α. Μπακόλας, Π. Μούνδουλας 3. Θερμογραφία με μέτρηση της ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας Υπεύθυνη άσκησης: Μ. Κουή Συγγραφείς: Μ. Κουή, Ε. Χειλάκου, Π. Θεοδωρακέας 4. Παραγωγή και μορφοποίηση κεραμικών υλικών με την τεχνική της θερμής συμπίεσης Υπεύθυνος άσκησης και συγγραφέας: Λ. Ζουμπουλάκης 5. Πολυμερισμός μεθακρυλικού μεθυλίου (plexiglas) και εφαρμογές Υπεύθυνος άσκησης: Λ. Ζουμπουλάκης Συγγραφέας: Ι. Σιμιτζής 6. Σκλήρυνση ακόρεστου πολυεστέρα και εφαρμογές Υπεύθυνος άσκησης: Λ. Ζουμπουλάκης Συγγραφέας: Ι. Σιμιτζής 7. Υγρομετρική συμπεριφορά υλικών Υπεύθυνη άσκησης: Α. Μοροπούλου Συγγραφείς: Α. Μοροπούλου, Μ. Κροκίδα, Μ. Καρόγλου Aνoδική οξείδωση του αλουμινίου Υπεύθυνη άσκησης και συγγραφέας: Π. Βασιλείου Εφαρμογές στην υπέρυθρη φασματοσκοπία με μετασχηματισμό Fourier (FT-IR) Υπεύθυνη άσκησης: Μ. Κουή Συγγραφείς: Μ. Κουή, Β. Δρίτσα, Π. Παπανδρεόπουλος 10. Υπερηχοσκόπηση υλικών για αποτίμηση της μηχανικής αντοχής τους Υπεύθυνος άσκησης: Α. Μπακόλας Συγγραφείς: Α. Μοροπούλου, Γ. Μπατής α: Μικροσκοπία οπτικών ινών Υπεύθυνη άσκησης και συγγραφέας: Α. Μοροπούλου 12β: Ψηφιακή επεξεργασία εικόνας Υπεύθυνη άσκησης και συγγραφέας: Α. Μοροπούλου 12γ: Διαχείριση δεδομένων υλικών/περιβάλλοντος στην κλίμακα των εγκαταστάσεων/κατασκευών Υπεύθυνοι άσκησης: Α. Μοροπούλου, Ι. Σαγιάς Συγγραφείς: Α. Μοροπούλου, Ι. Σαγιάς, Αικ. Δελέγκου

3 1. ΠΟΡΟΣΙΜΕΤΡΙΑ ΥΔΡΑΡΓΥΡΟΥ Υπεύθυνος άσκησης: Α. Μπακόλας Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι να εξοικειωθούν οι φοιτητές με την ποροσιμετρία υδραργύρου, ως μέθοδο για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών της μικροδομής των υλικών. Πορώδη μέσα και πορώδες Τα πορώδη μέσα αποτελούν μια σημαντική κατηγορία τόσο φυσικών όσο τεχνητών και βιομηχανικών υλικών. Είναι επίσης γνωστό, ότι σημαντικές οργανικές λειτουργίες των φυτικών και ζωικών οργανισμών, όπως η αναπνοή και η κυκλοφορία ρευστών, πραγματοποιούνται μέσα από τις πορώδεις δομές των ζωτικών ιστών. Τα πορώδη υλικά είναι αρκετά διαδεδομένα στην καθημερινή ζωή. Με εξαίρεση τα μέταλλα, ορισμένα πετρώματα μεγάλης πυκνότητας και ορισμένα πολυμερή, όλα τα στερεά παρουσιάζουν πορώδες. Για να χαρακτηριστεί ένα υλικό ή μια δομή ως πορώδες μέσο, πρέπει να ικανοποιεί τα ακόλουθα κριτήρια: α. Πρέπει να περιέχει κενούς χώρους που ονομάζονται πόροι, ελεύθερους από στερεά. β. Πρέπει να είναι διαπερατό σε μια ποικιλία ρευστών, δηλαδή να υπάρχει η δυνατότητα, ώστε ένα ρευστό που εισέρχεται από μια πλευρά του υλικού να εξέρχεται από την ακριβώς απέναντι. Στην περίπτωση αυτή αναφερόμαστε σε ένα διαπερατό πορώδες μέσο. Παραδείγματα πορωδών υλικών αποτελούν τα πετρώματα ιζηματογενούς προέλευσης, όπως ασβεστόλιθοι, δολομίτες και ψαμμίτες που συνιστούν τις πιο σημαντικές κατηγορίες ταμιευτήρων πετρελαίου και φυσικού αερίου. Τα υπόγεια νερά ρέουν προς τα επιφανειακά πηγάδια δια μέσου των πόρων του υπεδάφους. Τα φίλτρα που χρησιμοποιούνται σε διαδικασίες καθαρισμού ρευστών οφείλουν τη δράση τους στους πόρους τους. Αρκετά βιομηχανικά προϊόντα μεγάλης σημασίας για τις ανθρώπινες δραστηριότητες όπως το τσιμέντο, σκυρόδεμα, ξύλο, κεραμικά, ύφασμα και χαρτί είναι πορώδη. Μια άλλη κατηγορία πορωδών υλικών βιομηχανικής σπουδαιότητας είναι οι καταλύτες, που αποτελούν βασικό μέσο για την επίτευξη ετερογενών χημικών αντιδράσεων. Τα κυριότερα δομικά χαρακτηριστικά ενός πορώδους υλικού, όπως το πορώδες, τα σχήματα και τα μεγέθη των πόρων, καθώς επίσης και ο τρόπος που συνδέονται μεταξύ τους, σχετίζονται με τις διαδικασίες που δημιούργησαν στη δημιουργία του υλικού. Έτσι π.χ. διαδικασίες απόθεσης και διαγένεσης, που συνέβαιναν για εκατομμύρια χρόνια ή συνεχίζουν να συμβαίνουν ακόμη, καθορίζουν την πολύπλοκη πορώδη δομή των ιζηματογενών πετρωμάτων. Οι φυσικές ιδιότητες των πορωδών υλικών, όπως η διαπερατότητα, επηρεάζονται σε σημαντικό βαθμό από τα δομικά χαρακτηριστικά των πόρων. Για το λόγο αυτό, η μελέτη της δομής των πορωδών υλικών αποτελεί ουσιαστικά ένα θεμελιώδες βήμα στον καθορισμό των σχέσεων ανάμεσα στις δομικές παραμέτρους του υλικού και τις ιδιότητές του. Οι πόροι ενός πορώδους μέσου εμφανίζουν μεγάλη διαφοροποίηση ως προς το σχήμα, το μέγεθος (πίνακας 1) και τον τρόπο της μεταξύ τους σύνδεσης (σχήμα 1). Πίνακας 1: Χαρακτηρισμός πορωδών μέσων ως προς το μέγεθος των πόρων τους (I.U.P.A.C.) Πορώδη μέσα Μικροπορώδη Μεσοπορώδη Μακροπορώδη Μέγεθος πόρων < 2 nm 2 50 nm > 50 nm Κλειστοί χαρακτηρίζονται οι πόροι που δεν έχουν καμιά σύνδεση μεταξύ τους και δεν είναι διαπερατοί από κάποιο ρευστό. Ως νεκρού άκρου χαρακτηρίζονται οι ανοιχτοί πόροι, που έχουν μια είσοδο, αλλά δεν είναι διαπερατοί. Έτσι κάποιο ρευστό μπορεί εύκολα να εισέλθει σε αυτούς, αλλά δύσκολα να εξέλθει. Μελανοδοχεία ονομάζονται οι πόροι με περισσότερα του ενός ανοίγματα, που όμως είναι πολύ στενά (λαιμοί), με αποτέλεσμα να είναι δύσκολα διαπερατοί από ρευστά. Τέλος μια άλλη κατηγορία πόρων είναι τα κανάλια (πόροι διαπερατοί από ρευστά) και τα τηλεσκόπια, των οποίων η διαπερατότητα είναι μεταξύ αυτής των καναλιών και των μελανοδοχείων. Η πιο γνωστή μακροσκοπική ιδιότητα ενός πορώδους μέσου είναι το πορώδες Π, το οποίο ορίζεται ως ο λόγος του όγκου του κενού χώρου Vp (του όγκου δηλαδή των πόρων), προς τον ολικό όγκο Vs, ενός δείγματος του πορώδους μέσου. Δηλαδή: Π = Vp / Vs (1) Όταν το Vp αναφέρεται στο σύνολο των πόρων, δηλαδή και στους ανοιχτούς και στους κλειστούς πόρους, τότε το πορώδες ονομάζεται απόλυτο ή ολικό. Ανοιχτό πορώδες: ο λόγος του όγκου των ανοιχτών πόρων προς το σύνολο του όγκου του πορώδους μέσου. 1

4 Κλειστό πορώδες: ο λόγος του όγκου των κλειστών πόρων (περιβάλλονται από στερεή μάζα του υλικού και δεν μπορεί να εισχωρήσει ένα ρευστό) προς το σύνολο του όγκου του πορώδους μέσου. νεκρού άκρου κλειστοί μελανοδοχεία κανάλια τηλεσκόπια Σχήμα 1 : Τα διάφορα είδη των πόρων Μερικές από τις πιο γνωστές και ευρύτατα χρησιμοποιούμενες τεχνικές για τον προσδιορισμό των χαρακτηριστικών της μικροδομής των υλικών είναι: η ποροσιμετρία υδραργύρου, η ρόφηση εκρόφηση αζώτου (BET), η μικροσκοπική εξέταση τυχαίων (ποσοτική στερεολογία) ή διαδοχικών (σειριακή τομογραφία) επίπεδων τομών ενός πορώδους δείγματος, κ.α. Ποροσιμετρία υδραργύρου Η ποροσιμετρία υδραργύρου αποτελεί μια από τις σημαντικότερες μεθόδους εκτίμησης και ανάλυσης της μικροδομής των πορωδών υλικών και προσδιορισμού του πορώδους τους. Η τεχνική βασίζεται στη βαθμιαία διείσδυση υδραργύρου (μη διαβρέχον υγρό) σε ένα πορώδες υλικό εκκενωμένο από αέρα, με αύξηση της εξωτερικής πίεσης και στην συνέχεια την απομάκρυνση του υδραργύρου, καθώς η πίεση ελαττώνεται. Συγκεκριμένα, επειδή ο υδράργυρος αποτελεί μη διαβρέχον υγρό για το σύνολο σχεδόν των υλικών, απαιτεί την επιβολή πίεσης για να εισδύσει στους πόρους ενός πορώδους υλικού. Με τη εξωτερική επιβαλλόμενη πίεση ο υδράργυρος εισδύει πρώτα στους πόρους μεγαλύτερου μεγέθους και στη συνέχεια στους μικρότερους πόρους σε μεγαλύτερες επιβαλλόμενες πιέσεις. Τυπικές καμπύλες είσδυσης απομάκρυνσης (υστέρησης) υδραργύρου φαίνονται στο επόμενο σχήμα (Σχήμα 2). Σχήμα 2: Τυπικές καμπύλες είσδυσης (a), απομάκρυνσης (b) υδραργύρου Tα τριχοειδή φαινόμενα και οι δυνάμεις που σχετίζονται με αυτά παίζουν σημαντικό ρόλο στην ποροσιμετρία υδραργύρου. Αν σε ένα σωλήνα λεπτής διατομής υπήρχε διαβρέχον υγρό, όπως το νερό, τότε οι τριχοειδείς δυνάμεις θα ωθούσαν το νερό μέσα στο σωλήνα μέχρι να επιτευχθεί ισορροπία με τις βαρυτικές δυνάμεις. Αν όμως αντί για νερό είχαμε μη διαβρέχον υγρό, όπως είναι ο υδράργυρος, τότε οι τριχοειδείς δυνάμεις θα δρούσαν κατά την αντίθετη κατεύθυνση έτσι ώστε να κρατήσουν το υγρό έξω από το σωλήνα. 2

5 Τότε για κάθε τριχοειδή σωλήνα (Σχήμα 3) η δύναμη που ασκείται στον υδράργυρο δίνεται από τον τύπο: F = 2 π R γ cosθ (2) 1 όπου R : ακτίνα σωλήνα, π : σταθερά ίση με 3.14, γ : η επιφανειακή τάση του υδραργύρου (480 dyn/cm), θ : η γωνία επαφής του υδραργύρου με τα τοιχώματα του σωλήνα ( o ). Σχήμα 3. Μηνίσκος υδραργύρου καθώς εισέρχεται σε τριχοειδή σωλήνα Προκειμένου να εισέλθει ο υδράργυρος στο σωλήνα θα πρέπει να εφαρμοστεί εξωτερική δύναμη, που δίνεται από τον τύπο : 2 F2 = π R P (3) όπου P : η πίεση που ασκείται κάθετα στη διατομή του σωλήνα. Το 1921, ο Washburn συνδύασε τις δύο παραπάνω εξισώσεις στην: 2 γ cosθ P = (4) R Η εξίσωση αυτή αποτελεί ειδική περίπτωση της εξίσωσης Young-Laplace και πήρε το όνομα του Washburn. Συσχετίζει την ακτίνα του τριχοειδούς σωλήνα και της πίεσης που πρέπει να εξασκηθεί προκειμένου να εισέλθει ο υδράργυρος μέσα στο σωλήνα. Ο σωλήνας αντιπροσωπεύει κυλινδρικό πόρο με διατομή π. R 2 και συνεπώς μπορούμε να συνάγουμε το συμπέρασμα ότι οι παραπάνω εξισώσεις ισχύουν για τον υπολογισμό των ακτινών των πόρων (θεωρώντας κυλινδρικό μοντέλο). Σχήμα 4. Κατ όγκο κατανομή μεγέθους πόρων που προκύπτει από την καμπύλη διείσδυσης. 3

6 Η κατανομή των πόρων ως προς το μέγεθος των ακτινών τους μπορεί να παραχθεί από την καμπύλη είσδυσης ορίζοντας τον όγκο dv(r) σε πόρους με ακτίνες μεταξύ r και r+dr. Έτσι με απλή διαφόριση της καμπύλης είσδυσης λαμβάνεται μια ογκομετρική κατανομή των πόρων ως προς τις ακτίνες τους (Σχήμα 4). Περιγραφή του οργάνου Το ποροσίμετρο που χρησιμοποιήθηκε είναι της εταιρίας Fisons Instruments και αποτελείται από δύο τμήματα (Σχήμα 5). Σχήμα 5: Ποροσίμετρο υδραργύρου Το πρώτο τμήμα (macropores unit 120) χρησιμεύει για τη μέτρηση μεγάλων πόρων (ακτίνας 7.5 μm -100 μm) και το δεύτερο (porosimeter 2000) για τη μέτρηση μικρότερων πόρων (ακτίνας μm), ενώ και τα δύο τμήματα είναι συνδεδεμένα με ηλεκτρονικό υπολογιστή μέσω μιας μονάδας ελέγχου, στον οποίο γίνεται απ ευθείας η αποθήκευση και η επεξεργασία των δεδομένων. Διαδικασία μέτρησης Η διαδικασία της μέτρησης με το ποροσίμετρο υδραργύρου δίνεται συνοπτικά στο Σχήμα 6 και έχει ως εξής: Δείγμα Ξήρανση 105 ο C Ψύξη Ζύγισμα Κενό Υπολογιστής Μονάδα Ελέγχου Macropore Unit 120 (1.3x atm) Porosimeter 2000 (1-2000bar) Ολικό Ανοιχτό πορώδες (P%), κατανομή μεγέθους πόρων, μέση ακτίνα πόρων, φαινόμενη και διορθωμένη φαινόμενη πυκνότητα, ειδική επιφάνεια Σχήμα 6: Σχηματική παρουσίαση της διαδικασίας μέτρησης με ποροσίμετρο υδραργύρου. Σε τμήμα του δείγματος, που έχει προηγουμένως κοπεί κατάλληλα για να χωράει στην κυψελίδα του ποροσιμέτρου, γίνεται ξήρανση συνήθως στους 105 ο C. Ακολούθως, αφήνεται να ψυχθεί μέσα σε ξηραντήρα. 4

7 Μετά ζυγίζεται μέχρι τέταρτο δεκαδικό ψηφίο του γραμμαρίου και το βάρος του εισάγεται στον υπολογιστή. Στη συνέχεια το δείγμα τοποθετείται στη κυψελίδα του ποροσιμέτρου, η οποία εφαρμόζεται στο τμήμα Macropore Unit 120. Ακολουθεί η εξαέρωση της κυψελίδας και του δείγματος με την περιστροφική αντλία κενού που διαθέτει η συσκευή, μέχρι πίεση 1.3x10-5atm. Μετά γίνεται πλήρωση της κυψελίδας με υδράργυρο, υπό κενό. Δια μέσου μιας βαλβίδας εισάγεται στο κύκλωμα αέρας. Κατά τον τρόπο αυτό ασκείται πίεση μέχρι την ατμοσφαιρική στον Hg, ο οποίος διεισδύει στους μεγάλους πόρους του υλικού. Στη συνέχεια η κυψελίδα με το δείγμα ζυγίζεται πάλι και το βάρος εισάγεται στον υπολογιστή. Μετά τοποθετείται η κυψελίδα στο τμήμα Porosimeter 2000, όπου ο Ηg εισχωρεί σε μικρότερου εύρους πόρους με την εξάσκηση πίεσης από bar. O όγκος του υδραργύρου που διεισδύει σε μια δεδομένη πίεση στους πόρους μετριέται από το ποροσίμετρο και αποθηκεύεται αυτόματα στον υπολογιστή. Μετά το στάδιο της διείσδυσης του υδραργύρου ακολουθεί η διαδικασία αποσυμπίεσης, όπου ο υδράργυρος εξέρχεται από τους πόρους. Αποτελέσματα - υπολογισμοί Η συσκευή μετράει όγκο εισερχομένου υδραργύρου σε σχέση με την εφαρμοζόμενη πίεση και το ενσωματωμένο λογισμικό πρόγραμμα : υπολογίζει ολικό ειδικό όγκο εισερχομένου υδραργύρου, ειδική επιφάνεια πόρων, μέση ακτίνα πόρων, φαινόμενη και πραγματική πυκνότητα δείγματος και ολικό ανοιχτό πορώδες, κατασκευάζει διάγραμμα ειδικού όγκου εισερχομένου υδραργύρου-πίεσης και το ιστόγραμμα που παρουσιάζει την κατανομή του όγκου των πόρων (ανοιχτών) με τις ακτίνες του υλικού. Το ολικό ανοιχτό πορώδες (P t ) προκύπτει σαν γινόμενο του ολικού ειδικού όγκου του υδραργύρου του εισχώρησε (με πίεση) στους πόρους (Vκ) με την φαινόμενη πυκνότητα (d ). B ( ) 100 Ισχύει : P V d (5) t = K B Όμως, d = B mδ/v δ (6) όπου m δ = μάζα δείγματος, V δ = όγκος δείγματος (φαινόμενος) Επίσης Vκ= V κενός /m δ (7) όπου V κενός = ολικός όγκος ανοιχτών πόρων Η εξίσωση (5) λόγω των (6) και (7) γίνεται: Vκενος P t = 100 (8) V δ Ολικό ανοιχτό πορώδες σημαίνει εξ ορισμού: (V κενός /V δ )x100. Άρα από το γινόμενο του τύπου (5) προκύπτει το ολικό ανοιχτό πορώδες του δείγματος. Βιβλιογραφία 1. Lane A.M., Interpretation of Mercury Porosimetry Data, PhD, University of Massachusetts, Gregg S.J., Sing K.S.W., Adsorption surface area and porosity, Academic Press inc., 2nd ed., London, Μοροπούλου Α., Φθορά και Συντήρηση Δομικών Υλικών, Σημειώσεις Μαθήματος: Υλικά Ι, 9ου Εξαμήνου Χημ. Μηχανικών, ΕΜΠ, Αθήνα Gmelins Handbuch der Anorganischen Chemie, 8 Auflage, 34, Quecksilber, (1960). 5. Συμβώνης Δ., Αποτίμηση κεραμικής τεχνολογίας των κελίων καύσης υψηλών θερμοκρασιών, με προσδιορισμό των παραμέτρων της μικροδομής, Διπλωματική Εργασία, Σεπτέμβριος

8 6. Fitzner,B., Basten, D., Gesteinporositaet-Klassifizierung, mebtechnische Erfassung und Bewertung ihrer Verwitterungsrelevanz, Jahresberichte aus dem Forschungsprogramm Steinzerfall-Steinkonservierung, Band 4, (1992). 7. Moropoulou A., Biscontin G., Theoulakis P., Bisbikou K., Zendri E., Bakolas A., Maravelaki P., Behaviour of the bricks of the Corfu Venetian fortress, Conservation of Stone and other Materials, edited by M.-J.Thiel UNESCO-RILEM Publ. E&FN SPON, Chapman & Hall, 402, Paris (1993). 8. International Union of Pure and Applied Chemistry, Commission on Colloid and Surface Chemistry, Subcommittee on Characterization of Porous Solids: Recommendations for the characterization of porous solids (Technical Report), Pure Appl. Chem., 66 (1994)

9 Υπεύθυνος άσκησης: Α. Μπακόλας 2. ΘΕΡΜΟΜΗΧΑΝΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΥΝΘΕΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Σκοπός Σκοπός της άσκησης είναι ο προσδιορισμός του συντελεστή θερμικής διαστολής υλικών, ειδικότερα σύνθετων ή/και συνεργαζόμενων υλικών προκειμένου να εκτιμηθεί η συμβατότητά τους. Εξηγείται επίσης η σημασία του συντελεστή θερμικής διαστολής σε τομείς όπως ο κατασκευαστικός, η συντήρηση και προστασία μνημείων. Θερμομηχανική ανάλυση (TMA Thermomechanical Analysis) Θερμομηχανική ανάλυση είναι η θερμική μέθοδος κατά την οποία καταγράφονται μεταβολές του μήκους, που προκαλούνται από διαστολή, συστολή ή κάμψη κατά τη διάρκεια θέρμανσης, ψύξης του δείγματος ή υποβολή σε ισόθερμη καταπόνηση. Η μεταβολή μπορεί επίσης να καταγραφεί και υπό μηχανική καταπόνηση και έτσι να εξαχθούν συμπεράσματα για την ιξωδοελαστική συμπεριφορά του υλικού. Χαρακτηριστικό παράδειγμα εφαρμογής θερμομηχανικής ανάλυσης είναι του ενισχυμένου με ίνες πολυμερούς (Σχήμα 1) κατά μία διεύθυνση και μας επιτρέπει την αποτίμηση του βαθμού ενίσχυσής του. Η θερμική διαστολή είναι σημαντική κάθετα και όχι παράλληλα στη διεύθυνση των ινών, διότι τότε ελαχιστοποιείται η ικανότητα των ινών να παρεμποδίσουν τη μετατόπιση των αταξιών του μητρικού πολυμερούς. Συνεπώς βάσει της ιδιότητας αυτής, μπορεί να σχεδιαστεί ανάλογα το ενισχυμένο πολυμερές, κατά τη διεύθυνση που θα επιτρέπει συμβατή διαστολή προς το περικλειόμενο μεταλλικό εξάρτημα, όταν αυτό λειτουργεί σε συνθήκες αυξανόμενης θερμικής καταπόνησης. Σχήμα 1. Θερμομηχανική ανάλυση πολυμερούς ενισχυμένου με ίνες. Αρχή λειτουργίας Η αρχή της λειτουργίας της θερμομηχανικής ανάλυσης είναι πολύ απλή. Το δείγμα θερμαίνεται με ένα θερμοκρασιακό πρόγραμμα. Λόγω της αύξησης της θερμοκρασίας έχουμε επιμήκυνση του δοκιμίου. Το δείγμα ακουμπά σε έναν ευαίσθητο μετρητή ύψους. Έτσι με την συνεχή αύξηση της θερμοκρασίας έχουμε ένα πλήθος δεδομένων μήκους/χρόνου και θερμοκρασίας, από τα οποία μπορούμε να βγάλουμε συμπεράσματα ως προς τον συντελεστή θερμικής διαστολής του δείγματος. Για την ακριβή μέτρηση της θερμοκρασίας του δοκιμίου, ένα θερμοστοιχείο βρίσκεται πολύ κοντά και παράλληλα με το δοκίμιο. Εδώ πρέπει να σημειωθεί ότι δεν πρέπει να υπάρχει επαφή μεταξύ θερμοστοιχείου και δοκιμίου για αποφυγή τυχόν λιωσίματος και ένωσης θερμοστοιχείου και δοκιμίου. Ο φούρνος είναι παράλληλος στο μήκος του δοκιμίου και το περιβάλλον στο οποίο γίνεται η μέτρηση είναι ο ατμοσφαιρικός αέρας. Η μέτρηση του μήκους γίνεται με ακρίβεια 0.01 mm. Το μαθηματικό μοντέλο με το οποίο γίνεται ο υπολογισμός των καμπυλών του φυσικού και του τεχνικού συντελεστή θερμικής διαστολής φαίνεται παρακάτω. Βλέπουμε επίσης την καμπύλη του φυσικού συντελεστή θερμικής διαστολής. Η αλλαγή μήκους ενός στερεού είναι μια συνάρτηση της θερμοκρασίας. Ο τύπος που ακολουθεί μας δίνει τον φυσικό συντελεστή διαστολής μήκους. l l α ( T ) = ( ) T l p l0 l0 = το μήκος του δείγματος σε θερμοκρασία 20 C Ο φυσικός συντελεστής διαστολής σε κάθε σημείο είναι η εφαπτομένη της γωνίας κλίσης της καμπύλης μεταβολής μήκους στη συγκεκριμένη θερμοκρασία. 7

10 Όπως διαπιστώνουμε αυτό ανταποκρίνεται στο πρώτο διαφορικό της καμπύλης dl/l0 ως προς τη θερμοκρασία. Ο τεχνικός συντελεστής θερμικής διαστολής είναι η μέση τιμή του φυσικού συντελεστή θερμικής διαστολής σε μια καθορισμένη θερμοκρασιακή περιοχή. Ο τύπος με τον οποίο υπολογίζεται είναι ο εξής: ΔL L T ΔL ( L T 2 ) ( 1) 0 0 at ( 1 T2) = T2 T1 Τ2 άνω θερμοκρασιακό όριο Τ1 κάτω θερμοκρασιακό όριο ΔL/L0 μεταβολή του μήκους ως προς το αρχικό που έχει μετρηθεί στους 20 C. Ο τεχνικός συντελεστής θερμικής διαστολής χρησιμοποιείται κυρίως για μετρήσεις σε κεραμικά (μελέτη συμβατότητας σε συγκεκριμένο θερμοκρασιακό εύρος) και γυαλιά. Μπορεί να παρασταθεί επίσης και σαν καμπύλη. Στο σχήμα 2 που ακολουθεί φαίνεται το τμήμα του οργάνου στο οποίο τοποθετείται το δείγμα. Σχήμα 2. Υποδοχέας δείγματος. 8

11 Μπορούν να γίνουν επίσης μετρήσεις υπό μηχανική καταπόνηση σε εφελκυσμό και διείσδυσης, με τις οποίες εξάγονται συμπεράσματα για το μέτρο ελαστικότητας σε διάφορες θερμοκρασίες. Η χρησιμότητα της θερμομηχανικής ανάλυσης έγκειται στο γεγονός ότι μπορούμε με αυτήν να μετρήσουμε τον συντελεστή θερμικής διαστολής καθαρών υλικών και να τους συγκρίνουμε με αυτόν των σύνθετων υλικών. Έτσι μπορεί να διαπιστωθεί η συμβατότητα μεταξύ π.χ. υλικών που χρησιμοποιούνται για στερέωση μνημείων με τα αυθεντικά συστατικά τους, η αντοχή δομικών υλικών σε θερμοκρασιακό σοκ κ.ά. Εφαρμογές Η μέτρηση του συντελεστή θερμικής διαστολής επιτρέπει επίσης τον έλεγχο συμβατότητας υλικών που εφαρμόζονται κατά την επέμβαση συντήρησης αρχιτεκτονικών επιφανειών ιστορικών κτιρίων κ.ά. Για παράδειγμα στο Εργαστήριο Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών του ΕΜΠ προκειμένου να ελεγχθεί η συμβατότητα των υπό δοκιμή στερεωτικών και προστατευτικών υλικών πωρόλιθου μετρώνται: Ο συντελεστής θερμικής διαστολής ακατέργαστου πωρόλιθου (Α) 6.29Χ10-6 1/Κ και βαθμονομείται το όργανο σε σχέση με τη θεωρητικά αναμενόμενη τιμή Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του κατεργασμένου με στερεωτικό πωρόλιθου (πυριτικός αιθυλεστέρας σε διάλυμα αιθυλικής αλκοόλης 20% κ.β.) (Β) 6.19Χ10-6 1/Κ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής του κατεργασμένου με προστατευτικό αντιγκράφιτι πωρόλιθου (πολυσιλοξάνιο σε διάλυμα white spirit) (Γ) 4.69Χ10-6 1/Κ Ο συντελεστής θερμικής διαστολής ως ανωτέρω κατεργασμένου με στερεωτικό και μετά με προστατευτικό αντιγκράφιτι πωρόλιθου (πυριτικό αιθυλεστέρα και πολυσιλοξάνιο) (Δ) 5.01Χ10-6 1/Κ Από τα παραπάνω συνάγεται ότι: οι τιμές του συντελεστή θερμικής διαστολής για τον ακατέργαστο (Α) και τον κατεργασμένο με στερεωτικό πωρόλιθου (Β) βρίσκονται πάρα πολύ κοντά και ως εκ τούτου υπάρχει συμβατότητα μεταξύ των υλικού που χρησιμοποιήθηκε για στερέωση και του πωρόλιθου. Οι τιμές του συντελεστή για τον κατεργασμένο με προστατευτικό αντιγκράφιτι πωρόλιθου (Γ), όπως και του κατεργασμένου με στερεωτικό και μετά με προστατευτικό αντιγκράφιτι πωρόλιθου (Δ), βρίσκονται χαμηλότερα από τον συντελεστή θερμικής διαστολής του φυσικού ακατέργαστου πωρόλιθου, συνεχίζουν όμως να βρίσκονται σε περιοχή τιμών συμβατή με αυτή του φυσικού πωρόλιθου. Στα διαγράμματα που ακολουθούν (Σχήμα 3) φαίνονται συγκριτικά οι τιμές του τεχνικού συντελεστή θερμικής διαστολής στο θερμοκρασιακό διάστημα από C, μεταξύ του ακατέργαστου πωρόλιθου και τον ίδιου πωρόλιθου κατεργασμένου όμως με τα προαναφερθέντα στερεωτικά και προστατευτικά υλικά. Βιβλιογραφία 1. Instrumental Methods of Analysis, H. H. Willard, L. L. Merritt, J. A. Dean, F. A. Settle, Wadsworth Publishing Company, 7th ed., D. M. Price, Thermomechanical and Thermoelectrical Methods, in P.J. Haines (ed.) Principles of Thermal Analysis & Calorimetry, ch. 4, Royal Society of Chemistry, Cambridge, 2002, pp Thermal Analysis, Netzsch, Instrument Manual,

12 Δ Σχήμα 3. Σύγκριση του συντελεστή θερμικής διαστολής μεταξύ ακατέργαστου και κατεργασμένου πωρόλιθου με διαφορετικά υλικά. Εμφανίζεται το θερμοκρασιακό διάστημα και ο τεχνικός συντελεστής θερμικής διαστολής. 10

13 3. ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΜΕ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΑΝΑΚΛΩΜΕΝΗΣ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Υπεύθυνη άσκησης: Μ. Κουή Σκοπός Σκοπός της εργαστηριακής άσκησης, είναι να έλθουν οι σπουδαστές σε επαφή με την διάταξη της Θερμογραφίας Υπερύθρου (μία από τις μη καταστρεπτικές μεθόδους που εφαρμόζονται για τον έλεγχο και την αποτίμηση των υλικών), να μάθουν την αρχή λειτουργία της και να μπορέσουν να δουν την επιστημονική και πρακτική σημασία που μπορεί να έχει η μέθοδος αυτή. 1. Εισαγωγή Η Θερμογραφία Υπερύθρου κάνει χρήση στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η υπέρυθρος περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος περιλαμβάνει τα μήκη κύματος από 0,75 έως 1000μm και περικλείεται μεταξύ του ορατού φάσματος και των μικροκυμάτων. Τα υπέρυθρα θερμογραφικά συστήματα, διακρίνονται σε δύο περιοχές : του κοντινού-μεσαίου υπέρυθρου (συνήθως 2 μm 5,6 μm) και του μακρινού υπέρυθρου (συνήθως 8 μm - 14 μm). Υπέρυθρη ακτινοβολία εκπέμπουν όλα τα υλικά, λόγω της θερμικής κίνησης των μορίων τους. Η κίνηση αυτή αυξάνει με την αύξηση της θερμοκρασίας του υλικού και μειώνεται με τη μείωσή της. Αφού όλα τα μόρια α- ποτελούνται από ηλεκτρικά φορτία, οι ταλαντώσεις των μορίων δημιουργούν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ένταση, η συχνότητα και το μήκος κύματος της υπέρυθρης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ελέγχεται βασικά από τη θερμοκρασία, το μέγεθος της πηγής και από την ικανότητα εκπομπής του υλικού Ανάκλαση, Διαπερατότητα και Απορρόφηση Όταν η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η οποία εκπέμπεται από μία πηγή συναντήσει ένα υλικό, μέρος αυτής το διαπερνά, ανακλάται ή απορροφάται από το υλικό. Εάν όλη η ακτινοβολία πέσει επάνω στο υλικό, τότε ι- σχύει η σχέση: τ + ρ + α = 1 όπου τ, ρ και α είναι αντίστοιχα η διαπερατότητα, η ανάκλαση και η απορρόφηση του υλικού. Η πιο βασική αρχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας είναι γνωστή ως Νόμος του Kirchoff, ο οποίος είναι αποτέλεσμα του ότι κατά την θερμική ισορροπία η ισχύς της ακτινοβολίας ενός υλικού πρέπει να είναι ίση με την ισχύ της απορροφητικής του ικανότητας. Καθώς η απορροφητικότητα μιας επιφάνειας δεν μπορεί να ξεπεράσει την τιμή της μονάδας, η εκπεμπόμενη ισχύς είναι η μέγιστη για ένα ιδανικό απορροφητικό μέσο. Για λιγότερο απορροφητικά υλικά, η εκπομπή είναι αντίστοιχα χαμηλότερη και μπορεί να εκφραστεί από το Νόμο του Kirchoff, σύμφωνα με τη σχέση : a = e όπου το e παίρνει τιμές από 0 έως 1 και εκφράζει τη χαρακτηριστική εκπομπή κάθε επιφάνειας και ονομάζεται συντελεστής εκπομπής. Ο νόμος αυτός ισχύει για κάθε υλικό, και μπορεί να εφαρμοστεί για κάθε μήκος κύματος. 1.2 Εφαρμογές Θερμογραφίας Υπέρυθρου Η Θερμογραφία Υπέρυθρου είναι μία τεχνική κατά την οποία καταγράφεται και μετρείται η θερμική ακτινοβολία που εκπέμπεται από ένα υλικό έμψυχο ή άψυχο στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Το αποτέλεσμα τέτοιων μετρήσεων είναι το θερμογράφημα, μία θερμική εικόνα της εξεταζόμενης επιφάνειας η οποία μπορεί να παρουσιαστεί είτε σε έγχρωμη είτε σε ασπρόμαυρη μορφή. Η τεχνική της Θερμογραφίας Υπερύθρου χρησιμοποιείται για να ληφθούν πληροφορίες όπως η συμβατότητα υλικών, ανίχνευση υγρασίας, εντοπισμός φθοράς των υλικών, θερμικές απώλειες σε κατασκευές, έλεγχος βιομηχανικών εγκαταστάσεων κ.λπ. 11

14 Η ανίχνευση και η καταγραφή της υπέρυθρης ακτινοβολίας, καθώς και η δυνατότητα οπτικοποίησής της από τα υπέρυθρα θερμογραφικά συστήματα, έτσι ώστε να είναι κατανοητή από τον άνθρωπο, αποτελούν ένα σημαντικό εργαλείο για τον άμεσο, γρήγορο και αξιόπιστο έλεγχο υλικών και κατασκευών. Η εκπεμπόμενη θερμική ακτινοβολία, όπως αναφέρθηκε παραπάνω, εξαρτάται βασικά από τη θερμοκρασία της επιφάνειας και την ικανότητα εκπομπής του υλικού. Υπάρχουν και άλλες παράμετροι που μπορούν να επηρεάσουν την αξιοπιστία των μετρήσεων, όπως η απόσταση του αντικειμένου από τη συσκευή μέτρησης, η γωνία με την οποία γίνεται η θερμογράφηση ή η εστίαση της κάμερας από το υπό εξέταση αντικείμενο. Οι δύο βασικές προσεγγίσεις μεθοδολογίες θερμογραφικού ελέγχου είναι οι εξής: Καταγραφή της εκπεμπόμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας (παθητική προσέγγιση). Καταγραφή της ανακλώμενης υπέρυθρης ακτινοβολίας μετά από εκπομπή υπερύθρου ακτινοβολίας πάνω στο εξεταζόμενο σώμα (ενεργητική προσέγγιση). Η κλασσική θερμογραφία υπερύθρου βασίζεται στην πρώτη δυνατότητα καταγραφής. Κατά τη μέθοδο αυτή καταγράφεται η εκπεμπόμενη από το σώμα υπέρυθρη ακτινοβολία χωρίς την εφαρμογή κάποιας εξωτερικής πηγής θερμικής διέγερσης. Ο παθητικός θερμογραφικός έλεγχος πραγματοποιείται κατά βάση σε υλικά, εγκαταστάσεις ή κατασκευές που βρίσκονται σε διαφορετική θερμοκρασιακή κλίμακα από το περιβάλλον (συνήθως υψηλότερη). Τυχόν εσωτερικές φθορές, προβληματικές περιοχές, ατέλειες κ.α. εκδηλώνονται με επιφανειακές θερμοκρασιακές μεταβολές που ανιχνεύονται και καταγράφονται από τη θερμοκάμερα. Το θερμογράφημα δείχνει την θερμότητα που ακτινοβολείται από την επιφάνεια του υπό εξέταση σώματος και για να μετατραπεί το σήμα της ακτινοβολίας σε δεδομένα θερμοκρασίας, πρέπει πρώτα να λάβουμε υπ' όψιν τον συντελεστή εκπομπής της επιφάνειας. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος (20 C) η διακριτική ικανότητα του ανιχνευτή υπερύθρου είναι περίπου 0.2 C. Ο δεύτερος τρόπος καταγραφής της υπέρυθρης ακτινοβολίας αποτελεί την ενεργητική μέθοδο θερμογραφικού ελέγχου ή οποία είναι γνωστή και ως ανακλαστογραφία υπερύθρου. Κατά την εφαρμογή του ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου χρησιμοποιείται εξωτερική πηγή θερμικής διέγερσης των υπό εξέταση υλικών και ο τρόπος αυτός ελέγχου είναι ανεξάρτητος τόσο από την θερμοκρασία της επιφάνειας του υλικού όσο και από τα θερμοκρασιακά διαφορικά που αναπτύσσονται σ' αυτήν. Με τη βοήθεια της εξωτερικής πηγής διέγερσης το υπό εξέταση υλικό δέχεται ένα θερμικό παλμό. Η θερμοκρασία του υλικού μεταβάλλεται απότομα μετά την εφαρμογή του θερμικού παλμού, λόγω φαινομένων διάχυσης της ακτινοβολίας κάτω από την επιφάνεια και απωλειών λόγω φαινομένων μεταφοράς με συναγωγή και ακτινοβολία. Η παρουσία ενός άλλου υλικού ή κενού μειώνει το ρυθμό διάχυσης έτσι παρατηρώντας τη θερμοκρασία στην επιφάνεια, η ανομοιογένεια του υλικού φαίνεται σαν περιοχή με διαφορετική θερμοκρασία (διαφορετικό χρώμα) σε σχέση με τη γύρω «υγιή» ομοιογενή περιοχή. Κατά την εφαρμογή της μεθόδου αυτής, η θέση του ανιχνευτή πρέπει να είναι τέτοια, ώστε να προσλαμβάνει την ανακλώμενη ακτινοβολία. Η Θερμογραφία Υπερύθρου με την πρώτη ή την δεύτερη εκδοχή της χρησιμεύει στην ανίχνευση εσωτερικής φθοράς και ατελειών σε υλικά, κατασκευές και αρχιτεκτονικές επιφάνειες. Μια τρίτη τεχνική η οποία βρίσκει εφαρμογή στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος είναι αυτή της ανακλαστογραφίας υπερύθρου μικρού μήκους κύματος. Η μέθοδος αυτή βασίζεται στην καταγραφή της ανακλώμενης (μη θερμικής) ακτινοβολίας στο κοντινό υπέρυθρο (περίπου μm) από το υπό εξέταση υλικό κατά την εκπομπή υπέρυθρης ακτινοβολίας από μια εξωτερική πηγή διέγερσης σε αυτό. Η πειραματική διάταξη και η εφαρμογή της τεχνικής αυτής είναι παρόμοια με αυτή του ενεργητικού θερμογραφικού ελέγχου με τη μόνη διαφορά ότι σε αυτή την περίπτωση χρησιμοποιείται πηγή υπέρυθρης ακτινοβολίας η οποία ακτινοβολεί το σώμα σε αντίθεση με τη θερμική πηγή διέγερσης που απαιτείται κατά τον ενεργητικό θερμογραφικό έλεγχο. Η τεχνική αυτή βασίζεται στην ιδιότητα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας να διεισδύει σε λεπτές στοιβάδες, όπως αυτές των χρωματικών στρωμάτων, των βερνικιών και συναφών επικαλύψεων και βρίσκει ευρεία εφαρμογή στην εξέταση έργων τέχνης και ζωγραφικών πινάκων παρέχοντας πληροφορίες για την γνησιότητα του έργου ή τα προσχέδια αυτού. Όσον αφορά τη Θερμογραφία Υπερύθρου, αυτή βρίσκει χρήση σε πολλές εφαρμογές. Μερικές από τις εφαρμογές της τεχνικής αυτής είναι οι εξής: Στην ενεργειακή επιθεώρηση κτηρίων εντοπίζοντας θερμικές γέφυρες, ύπαρξη κακής, ελλιπούς ή κατεστραμμένης μόνωσης. Επιθεώρηση λεβήτων, συστημάτων θέρμανσης και κλιματισμού. Εντοπισμός ανερχόμενης ή παραμένουσας υγρασίας σε τοιχοποιίες και αρχιτεκτονικές επιφάνειες. Επιφανειακή φθορά τοιχοποιιών, αρχιτεκτονικών επιφανειών κλπ. Ανίχνευση διαστρωμάτωσης δομικών υλικών σε τοιχοποιίες και κατασκευές. Αποφλοίωση χρωμάτων και επικαλύψεων σε γέφυρες, τοίχους, βιομηχανικές εγκαταστάσεις, δίκτυα κλπ. Ρωγμές σε υλικά και κατασκευές. Εντοπισμός διαρροών σε σωληνώσεις, δίκτυα και θερμαινόμενα δάπεδα. 12

15 Έλεγχος μηχανολογικού εξοπλισμού για τυχόν υπερθερμάνσεις κινητήρων και καταπονήσεις. Ποιοτικός έλεγχος βιομηχανικών εγκαταστάσεων Έλεγχος αεροσκαφών κατά τα στάδια παραγωγής ή συντήρησής τους (έλεγχος πτερυγίων, κινητήρων, κέλυφος του αεροσκάφους κλπ.). Επιθεώρηση ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων Εντοπισμός φθορών ή ελαττωματικών περιοχών σε φωτοβολταϊκά πάνελ. Αξιολόγηση επεμβάσεων συντήρησης σε μνημεία και ιστορικά σύνολα όπως επεμβάσεις καθαρισμού, επεμβάσεις στερέωσης και έλεγχος της φυσικοχημικής συμβατότητας υλικών σε επεμβάσεις αποκατάστασης. Γενικά κατά τη λήψη του θερμογραφήματος πρέπει να επικρατούν μόνιμες συνθήκες, ωστόσο είναι εφικτό να εξαχθούν σωστά συμπεράσματα κάτω από μη μόνιμες συνθήκες εάν υπάρχει εμπειρία της μεθόδου και αρκετά δεδομένα για το υλικό. Πρέπει να σημειωθεί ότι διαφορετικές εξωτερικές συνθήκες μπορούν να οδηγήσουν σε διαφορετικά συμπεράσματα. Για παράδειγμα ο τοίχος ενός κτιρίου που εκτίθεται άμεσα στην ηλιακή ακτινοβολία, θα εμφανίσει μια θερμή εξωτερική επιφάνεια και μια ψυχρή εσωτερική επιφάνεια κατά τη θερμογράφησή του από το εσωτερικό του κτιρίου. Στην περίπτωση του ελέγχου της υγρασίας, της μόνωσης και γενικότερα διαφόρων επεμβάσεων σε κατασκευές, η ερμηνεία των θερμογραφικών δεδομένων είναι μια διαδικασία που συνίσταται στη σύγκριση των θερμικών εικόνων (θερμογραφημάτων) της κατασκευής, με θερμογραφήματα που είναι χαρακτηριστικά διαφόρων τύπων θερμικών ανωμαλιών. Στις βιομηχανικές εγκαταστάσεις, για τον έλεγχο των ηλεκτρικών συστημάτων, την παραγωγή ρευστών, δεξαμενών, αγωγών κλπ. π.χ. στα ηλεκτρικά στοιχεία που διαβρώνονται ή γηράσκουν, οι ηλεκτρικές ιδιότητες μεταβάλλονται κατά κύριο λόγο όσο αφορά την ηλεκτρική αντίστασή τους. Οι μεταβολές αυτές εκδηλώνονται με την αύξηση της θερμοκρασίας σε ορισμένα σημεία. Πολλά στοιχεία καταστρέφονται περιοδικά. Έτσι με το θερμογραφικό έλεγχο, ο οποίος μπορεί να γίνεται κατά διαστήματα, μπορούμε να γνωρίζουμε και βασικά να ελέγχουμε την κατάσταση της εγκατάστασης. Η μελέτη του θερμού σώματος που εκπέμπει στην περιοχή της υπέρυθρης ακτινοβολίας, γίνεται με μια συσκευή που βρίσκεται σε θερμοκρασία πολύ χαμηλότερη από αυτή του εξεταζόμενου σώματος. Τέτοιες συσκευές ονομάζονται ανιχνευτές υπέρυθρου. 2. ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΉ ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ 2.1 Περιγραφή Θερμογραφικού Συστήματος Το θερμογραφικό σύστημα του εργαστηρίου μετρά τις θερμοκρασίες των αντικειμένων που βρίσκονται στο χώρο (άψυχα και έμψυχα). Τα αποτελέσματα των μετρήσεων απεικονίζονται σε οθόνη υγρών κρυστάλλων (LCD Monitor), υπό μορφή θερμογραφήματος.τα κύρια συγκροτήματα των θερμογραφικών συστημάτων είναι ο imager (κάμερα) και ο επεξεργαστής. Η καρδιά του imager είναι ο ανιχνευτής υπέρυθρου ο οποίος είναι ευαίσθητος στην απορρόφηση υπέρυθρης ακτινοβολίας. Ένας ανιχνευτής υπερύθρου μετατρέπει την υπέρυθρη ακτινοβολία σε ηλεκτρικό σήμα. Σήμερα επικρατούν δύο τύποι ανιχνευτών οι θερμικοί (thermal directors) και οι ανιχνευτές φωτονίων. Ο επεξεργαστής λαμβάνει αυτό το σήμα, το αποθηκεύει στη μνήμη, το επεξεργάζεται βάση ενός ειδικού software και το εμφανίζει στην οθόνη υπό μορφή θερμογραφήματος. Οι θερμικοί ανιχνευτές είναι κατασκευασμένοι έτσι ώστε να είναι ευαίσθητοι στις θερμοκρασιακές μεταβολές, οι οποίες παρατηρούνται πάνω στο δέκτη απορρόφησης της ακτινοβολίας. Έτσι απορροφώντας ακτινοβολία αυξάνεται η θερμοκρασία του ανιχνευτή και παράγεται ένα ηλεκτρικό σήμα που είναι ανάλογο της απορροφούμενης ενέργειας. Το θερμογραφικό σύστημα του εργαστηρίου αποτελείται από θερμικό ανιχνευτή μη ψυχόμενης μικρο-βολομετρικής τεχνολογίας (uncooled microbolometer).to σύστημα αυτό παρέχει τη δυνατότητα για μετρήσεις και σε εξωτερικούς χώρους (όπου υπάρχουν έντονες ανακλάσεις ηλιακού φωτός), στην υπέρυθρη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος από μm και μπορεί να απεικονίσει θερμοκρασίες αντικειμένων από - 40 ο C έως ο C. Στα θερμογραφικά συστήματα νέας τεχνολογίας, η κάμερα (imager) και ο επεξεργαστής δεν αποτελούν δύο ξεχωριστά συγκροτήματα αλλά βρίσκονται ενσωματωμένα πάνω στην κάμερα (εικόνα 1) παρέχοντας ευκολία κατά την πραγματοποίηση θερμογραφικών ελέγχων. 13

16 Εικόνα 1: Θερμική κάμερα με ενσωματωμένο επεξεργαστή Επίσης, ο ενεργητικός θερμογραφικός έλεγχος είναι δυνατό να γίνει με τη χρήση ολοκληρωμένων θερμογραφικών συστημάτων στα οποία η διάρκεια και η ένταση της θερμικής διέγερσης του υπό εξέταση υλικού, η λήψη δεδομένων και η επεξεργασία αυτών ελέγχονται μέσω ενός ειδικού λογισμικού από μια υπολογιστική μονάδα. Τέτοια συστήματα παρέχουν τη δυνατότητα αυτοματοποιημένων θερμογραφικών ελέγχων σε υλικά και κατασκευές αφού η διαδικασία ελέγχεται μέσω ενός υπολογιστή. Έτσι είναι δυνατό να επιτευχθεί η επαναληψημότητα μιας μέτρησης με αξιόπιστα και ακριβή αποτελέσματα. Δυνατότητες του επεξεργαστή Με ειδικούς χειρισμούς στο πληκτρολόγιο του επεξεργαστή, μπορούμε να πάρουμε αρκετές πληροφορίες, ε- πεξεργαζόμενοι τα διάφορα θερμογραφήματα, τα οποία μπορούν να αποθηκευθούν είτε σε κάρτες μνήμης ενσωματωμένες στο σύστημα είτε απευθείας σε υπολογιστή για περεταίρω ανάλυση και επεξεργασία με βοήθεια ειδικών λογισμικών που παρέχονται με το θερμογραφικό σύστημα. Με το πληκτρολόγιο του επεξεργαστή μπορούμε : 1) να προσδιορίσουμε τη μέση θερμοκρασία του εξεταζόμενου θερμογραφήματος 2)να αυξήσουμε ή να μειώσουμε την ευαισθησία του ανιχνευτή ανάλογα με τις ανάγκες μας 3) να σημειώσουμε σε συγκεκριμένα σημεία του θερμογραφήματος την ακριβή θερμοκρασία 4) να βελτιώσουμε την εικόνα του θερμογραφήματος 5) να απεικονίσουμε τις περιοχές χαμηλών μέσων και υψηλών θερμοκρασιών στο θερμογράφημα 6) να μεγεθύνουμε ένα συγκεκριμένο σημείο της εικόνας που μας ενδιαφέρει 7) να αποτυπώσουμε τη θερμοκρασιακή κατανομή με τη μορφή καμπύλης κατά μήκος μιας γραμμής της εικόνας (θερμικό προφίλ) 8) να απεικονίσουμε τις διάφορες θερμοκρασίες ή τη μεταβολή της θερμοκρασίας έναντι μιας θερμοκρασίας αναφοράς 9) να γράψουμε πάνω στην εικόνα διάφορα ενδεικτικά στοιχεία που μας ενδιαφέρουν 10) να πάρουμε ιστόγραμμα που δίνει την κατανομή θερμοκρασιών στο ορθογώνιο, εντός του ήδη αναπτυχθέντος θερμογραφήματος κ.α. 11) να απεικονίσουμε το θερμογράφημα χρησιμοποιώντας διαφορετικές χρωματικές παλέτες για την ανίχνευση προβληματικών περιοχών ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 1. Ποία είναι η αρχή της μεθόδου της υπέρυθρης θερμογραφίας; 2. Τι είναι ο συντελεστής εκπομπής ενός υλικού, πως μπορεί να προσδιοριστεί, σε ποίες τιμές κυμαίνεται, και ποία είναι η χρησιμότητα του κατά την διαδικασία μετρήσεων με την τεχνική της υπέρυθρης θερμογραφίας; 3. Αναφέρατε τις περιοχές «παράθυρα» του υπέρυθρου ηλεκτρομαγνητικού φάσματος που κάνει χρήση η υπέρυθρη θερμογραφία. Ποία είδη θερμογραφικού ελέγχου υπάρχουν; 4. Ποία είναι τα πεδία εφαρμογής της υπέρυθρης θερμογραφίας; Ποίο πεδίο κατά τη γνώμη σας θεωρείτε σημαντικότερο και γιατί ; 5. Ποίους παράγοντες πρέπει να λάβετε υπόψη για τη σωστή λήψη ενός θερμογραφήματος (σε εσωτερικούς και εξωτερικούς χώρους) ; 14

17 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. X.P.V. Maldague, Theory and Practice of Infrared Thermography for Non Destructive Testing, John-Wiley & Sons Publication, New York, G. Gaussorgues, Infrared Thermography, Chapman & Hall Publication, London, X.P.V. Maldague, Nondestructive evaluation of materials by infrared thermography, Springer Verlag Publication, New York, Handbook of infrared radiation measurement, Barnes Eng. Co A. Moropoulou, N.P. Avdelidis, M. Koui, I. Tzevelekos, Determination of emissivity for building materials using infrared thermography, Thermology International, 10, No 3, pp , A. Moropoulou, N.P. Avdelidis, M. Koui, K. Kakaras, Principles of Thermography for detecting delaminations in airport pavements, J. NDT & E International, Vol. 34, Issue 5, pp , Ν. Π. Αβδελίδης, Εφαρμογές της Υπέρυθρης Θερμογραφίας για τον Έλεγχο Δομικών Υλικών σε Κατασκευές, Διδακτορική Διατριβή, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών, ΕΜΠ, Αθήνα, C. Meola, G.M. Carlomagno, L. Giorleo, The use of infrared thermography for materials characterisation, Journal of Materials Processing Technology, Vol , pp , N.P. Avdelidis, M. Koui, C. Ibarra-Castanedo, X. Maldague, Thermographic studies of plastered mosaics, J. Infrared Physics & Technology, Issue 3, (SPEC. ISS.), pp , M. Κουή, E. Χειλάκου, Π. Θεοδωρακέας, Δ. Σιδερής, Γ. Μπουλούσης, Εφαρμογή Ενεργητικού Θερμογραφικού ελέγχου για τη διερεύνηση επικαλυμμένων υλικών, Πρακτικά 6 ου Πανελλήνιου Επιστημονικού Συνεδρίου Χημικής Μηχανικής, σελ , Αθήνα, N.P. Avdelidis, C. Ibarra-Castanedo, P. Theodorakeas, A. Bendada, E. Saarimaki, T. Kauppinen, M. Koui, X.P.V. Maldague, NDT characterisation of carbon-fibre and glass-fibre composites using noninvasive imaging techniques, In proc. the 10 th Quantitative Infrared Thermography Conference (QIRT), Quebec, Canada, pp , P. Theodorakeas, N.P. Avdelidis, M. Koui, C. Ibarra Castanedo, E. Cheilakou, A. Bendada, K. Ftikou, X.P.V. Maldague. Active thermographic NDT approaches for the assessment of plastered mosaics. In Proc. of the 8th International Symposium on the Conservation of Monuments in the Mediterranean Basin- MONUBASIN8, Patras, Greece, Vol. 2, pp , N.P. Avdelidis. Y.P. Markopoulos, I.A. Katsis, M. Koui, A thermographic survey for evaluating in situ the performance of photovoltaic panels, In proc. of SPIE Thermosense XXXIII, Vol. 8013,pp K-10, P. Theodorakeas, N.P. Avdelidis, K. Hrissagis, C. Ibarra-Castanedo, M. Koui, X. Maldague, Automated transient thermography for the inspection of CFRP structures: experimental results and developed procedures, In proc. of SPIE Thermosense XXXIII, Vol. 8013,pp W-11, P. Theodorakeas, S. Sfarra, C. Ibarra-Castanedo, N.P. Avdelidis, M. Koui, X.P.V. Maldague, D. Ambrosini, D. Paoletti, The use of Pulsed Thermography for the investigation of art and cultural heritage objects. In Proc. of the 5th International Conference on NDT of HSNT- IC MINDT 2013, Athens, Greece, art. no. P.2.5, CD ROM, Π. Θεοδωρακέας, Quantitative analysis and defect assessment using infrared thermographic approaches, Διδακτορική Διατριβή, Σχολή Χημικών Μηχανικών, Τομέας Επιστήμης και Τεχνικής των Υλικών, ΕΜΠ, Αθήνα, P. Theodorakeas, N.P. Avdelidis, C. Ibarra-Castanedo, M. Koui, X. Maldague, Pulsed thermographic inspection of CFRP structures: experimental results and image analysis tools, In Proc. of SPIE: Smart Sensor Phenomena, Technology, Networks, and Systems Integration 2014, Vol. 9062, pp F1-14,

18 ΠΑΡΑΡΤΗΜΑ: ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΥΠΕΡΥΘΡΟΥ 1. Έλεγχος δομικών κατασκευών Θερμική εικόνα κατά την επιθεώρηση σιδηροδρομικού τούνελ. Από την παραπάνω θερμική εικόνα που λήφθηκε κατά το θερμογραφικό έλεγχο σιδηροδρομικού τούνελ, εντοπίστηκε η ανίχνευση υγρασίας στα πλευρικά τοιχώματα του τούνελ (σκούρα περιοχή) ενώ σε κάποιο σημείο είναι εμφανές το φαινόμενο της τριχοειδούς αναρρίχησης. Λόγω του ότι ένα υλικό το οποίο περιέχει υγρασία παρουσιάζει διαφοροποιήσεις εκπομπής ακτινοβολίας, η ανίχνευση της υγρασίας σε τοιχοποιίες και δομικές κατασκευές γενικότερα, είναι δυνατή με χρήση της Θερμογραφίας Υπερύθρου. Η μελέτη και η ερμηνεία μιας θερμικής εικόνας μπορεί να δώσει πληροφορίες σχετικά με τη μεταφορά και δράση της υγρασίας καθώς επίσης και την παρακολούθηση του φαινομένου της τριχοειδούς αναρρίχησης αυτής. 2. Εξέταση ποιότητας οδοστρωμάτων αεροδρομίου Χαρακτηριστικό θερμογράφημα με το αντίστοιχο ιστόγραμμα του εξεταζόμενου τμήματος του οδοστρώματος Στο παραπάνω σχήμα, απεικονίζονται με «θερμά» χρώματα (τα πιο φωτεινά) τα ελαττωματικά σημεία του εξεταζόμενου οδοστρώματος. Η φθορά των σημείων αυτών, οφείλεται στην γήρανση του οδοστρώματος, 16

19 λόγω της αραιής χρήσης του συγκεκριμένου τμήματος. Παράλληλα, εξετάζοντας το ιστόγραμμα του παραπάνω θερμογραφήματος, μπορούν να υπολογιστούν τα ελαττωματικά αυτά σημεία, τα οποία αντιστοιχούν σε ένα ποσοστό της τάξεως του 27% της συνολικής εικόνας. Χαρακτηριστικά θερμογραφήματα του εξεταζόμενου τμήματος του οδοστρώματος Εξετάζοντας τα παραπάνω θερμογραφήματα, παρατηρούμε ότι στο θερμογράφημα a, απεικονίζεται με «θερμά» χρώματα η φθορά του εξεταζόμενου τμήματος του οδοστρώματος, η οποία οφείλεται στην παρουσία κηλίδων από υπολείμματα καυσίμου και λιπαντικών. Όσον αφορά στο θερμογράφημα b, έχουμε την απεικόνιση των ραφών με «θερμά» χρώματα. Επιπλέον, διακρίνονται ελαττωματικά σημεία (απεικόνιση με πιο φωτεινό χρώμα) και το υγιές τμήμα της επιφάνειας (απεικόνιση με πιο σκούρο χρώμα). Η εικόνα αυτή παρουσιάζει θερμοκρασιακή ανομοιογένεια, που οφείλεται στη γήρανση του εξεταζόμενου τμήματος. 3.Εξέταση Ψηφιδωτών Μία ακόμα εφαρμογή, χρησιμοποιώντας και τις δύο προσεγγίσεις του θερμογραφικού ελέγχου (παθητικός και ενεργητικός έλεγχος), για την ανίχνευση επιχρισμένων ψηφιδωτών, δίνοντας ικανοποιητικά αποτελέσματα. Λόγω της διαφορετικής απορρόφησης που παρουσιάζει κάθε υλικό και κατά συνέπεια και της διαφορετικής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας, ο εντοπισμός διαφορετικών υλικών μέσω της καταγραφής τους από μία θερμική κάμερα είναι εφικτός. Στην περίπτωση όμως που χρειάζεται να γίνει ανίχνευση ενός επικαλυμμένου υλικού, όπως στη συγκεκριμένη περίπτωση, η χρήση της ενεργητικής προσέγγισης του θερμογραφικού ελέγχου, δίνει καλλίτερα αποτελέσματα, καθώς πραγματοποιείται ταυτόχρονη θερμική διέγερση της εξεταζόμενης επιφάνειας του υλικού, και συνεπώς άμεση απορρόφηση ακτινοβολίας και εκπομπής από το εξεταζόμενο υλικό. 17

20 Θερμική εικόνα επιχρισμένου ψηφιδωτού 4. Επιθεώρηση Αεροσκαφών Η θερμογραφία υπερύθρου επιτρέπει την γρήγορη επιθεώρηση μεγάλων επιφανειών. Τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιείται ευρέως λόγω των αξιοσημείωτων πλεονεκτημάτων που μπορεί να παρέχει σε ένα φάσμα εφαρμογών της αεροδιαστημικής βιομηχανίας και ειδικότερα στον έλεγχο των σύνθετων υλικών. Τα συγκεκριμένα υλικά παρουσιάζουν βασικά πλεονεκτήματα όπως η αναλογία αντοχής/ βάρους και η ανθεκτικότητά τους στην φθορά. Tα υλικά αυτά έχουν την ικανότητα να αντικαταστήσουν ένα μεγάλο ποσοστό των παραδοσιακά χρησιμοποιούμενων υλικών στον τομέα της αεροναυπηγικής βιομηχανίας. Βέβαια, παρά τις ικανοποιητικές ιδιότητες που παρουσιάζουν τα υλικά αυτά είναι σύνηθες, εξαιτίας των πολύπλοκων διαδικασιών κατασκευής τους, να παρουσιάζουν αστοχίες όπως π.χ. η μη ικανοποιητική πορώδης υφή, κενά, αποκολλήσεις κ.λπ. οι οποίες ποικίλλουν σημαντικά σε σχέση με τα συνήθη χρησιμοποιούμενα υλικά. Επιπρόσθετα, ο θερμογραφικός έλεγχος χρησιμεύει στην ανίχνευση και τον εντοπισμό σημείων εισροής νερού ή αέρα στην καμπίνα του αεροσκάφους καθώς και πιθανών ρωγμών, διαβρώσεων και αποκολλήσεων στην εσωτερική και εξωτερική επιφάνειά του. Χρησιμοποιείται, επίσης, στην επιθεώρηση της μηχανής, των φρένων και των άλλων μηχανολογικών και ηλεκτρονικών τμημάτων ενός αεροσκάφους. 18

21 Θερμική Εικόνα από την επιθεώρηση αεροσκάφους 5. Ποιοτικός έλεγχος βιομηχανικών εγκαταστάσεων - διυλιστηρίων Η ασυνήθιστη άνοδος της θερμοκρασίας σε σημεία μιας επιφάνειας, εκτός των προβλεπόμενων ορίων, αποτελεί σαφή ένδειξη δυσλειτουργίας/προβλήματος που υφίσταται την παρούσα χρονική στιγμή ή πρόκειται να παρουσιαστεί στο εγγύς μέλλον. Τα «ψυχρά- θερμά σημεία» ή οι θερμοκρασίες επιφάνειας πέρα από τα αναμενόμενα επίπεδα θα μπορούσαν να είναι ενδείξεις προβλημάτων στη λειτουργία βιομηχανικών εγκαταστάσεων. Ο περιοδικός ποιοτικός έλεγχος μηχανολογικού- ηλεκτρολογικού εξοπλισμού στη βιομηχανία με τη χρήση της θερμογραφίας υπερύθρου μπορεί να εντοπίσει ακριβώς τα πιθανά ή υπάρχοντα προβλήματα επιτρέποντας τη γρήγορη διενέργεια με τις απαραίτητες προσαρμογές. Πιο συγκεκριμένα η Θερμογραφία Υπερύθρου μπορεί να παρέχει πληροφορίες για τυχόν διαρροές σε δίκτυα σωληνώσεων, για τον εντοπισμό επικαθίσεων σε δεξαμενές (π.χ. δεξαμενές καυσίμων), έλεγχο συγκολλήσεων, υπερθερμάνσεις σε μηχανολογικό εξοπλισμό, γήρανση και διαρροές ηλεκτρολογικών εγκαταστάσεων κλπ. Θερμική εικόνα από τον ποιοτικό έλεγχο διυλιστηρίου 19

22 4. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΜΕ ΤΗΝ ΤΕΧΝΙΚΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΗΣ ΣΥΜΠΙΕΣΗΣ Υπεύθυνος άσκησης: Λ. Ζουμπουλάκης 1. Σκοπός Η άσκηση στοχεύει στην κατασκευή κεραμικών υλικών με τη μέθοδο της θερμής συμπίεσης. Ειδικότερα η άσκηση στοχεύει αφ ενός μεν στην εκμάθηση των κριτηρίων επιλογής της κατάλληλης μεθόδου ανάλογα με το σχήμα και τις επιθυμητές ιδιότητες του προς κατασκευή αντικειμένου, αφ ετέρου δε να γίνουν κατανοητά τα τεχνικά προβλήματα που προκύπτουν και οι αντίστοιχες λύσεις που υπάρχουν. Μετά την πραγματοποίηση της άσκησης θα πρέπει να είναι δυνατή : 1. Η επιλογή της κατάλληλης μεθόδου μορφοποίησης για το δεδομένο επιθυμητό σχήμα κεραμικού αντικειμένου. 2. Η επιλογή της κατάλληλης μορφής της πρώτης ύλης (ξηρή σκόνη, αιώρημα, πλαστική μάζα, κ.τ.λ.) καθώς επίσης και των κατάλληλων προσθέτων για κάθε μέθοδο μορφοποίησης αντίστοιχα. 3. Η εξέταση των παραγόντων από τους οποίους εξαρτάται ο απαιτούμενος χρόνος για τη μορφοποίηση και την ξήρανση. 2. Θεωρητική Επισκόπηση 2.1. Η σημασία των κεραμικών υλικών Η ιστορία των κεραμικών υλικών Η παραγωγή πήλινων αντικειμένων αποτέλεσε την αρχαιότερη ίσως βιομηχανία. Είναι γνωστό σήμερα ότι από το 1500 π.χ. κατασκευάζονταν ψημένα αντικείμενα από άργιλλο, τεχνική η οποία βελτιώθηκε αργότερα το 500 π.χ. από τους Αιγύπτιους. Οι απαιτήσεις υψηλότερης ποιότητας υλικών δημιούργησαν στη συνέχεια ένα όλο και διευρυνόμενο φάσμα νέων υλικών. Στην παραγωγή αυτών των νέων κεραμικών υλικών, σημαντικό ρόλο έπαιξε η ανάπτυξη του αυτοματισμού γεγονός που χαρακτηρίζει τις σύγχρονες μεθόδους παραγωγής. Στις μέρες μας έχουν αναπτυχθεί νέες μέθοδοι, που χρησιμοποιούν βιομηχανικά ανόργανα απόβλητα, όπως π.χ. την ιπτάμενη τέφρα των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, τις σκωρίες μεταλλουργικών καμίνων, την άμμο που προέρχεται από χυτήρια κ.τ.λ. Αποτέλεσμα των παραπάνω είναι η ανάπτυξη κεραμικών υλικών με χαρακτηριστικές ιδιότητες. Επίσης, σύνθετα υλικά όπως κεραμικά με μέταλλο ή κεραμικά που περιλαμβάνουν οργανική ύλη, συχνά ονομάζονται «κεραμικά υλικά» Βασικές Πρώτες Ύλες Για την παραγωγή κεραμικών υλικών συνήθως χρησιμοποιούνται οι εξής πρώτες ύλες : μία άργιλλος, ένας άστριος που να περιέχει κάλιο και άμμος ή πυρόλιθος. Η άργιλλος (καολινίτης) που χρησιμοπιείται έχει συνήθως τον χημικό τύπο Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O και είναι ένα πλαστικό υλικό με υψηλό σημείο τήξεως (1785 o C) το οποίο παρουσιάζει κατά την έψηση πολύ μεγάλη συρρίκνωση. Ο άστριος είναι ένα ορυκτό με χημικό τύπο K 2 O Al 2 O 3 6SiO 2 (σε ορισμένες περιπτώσεις χρησιμοποιούνται άστριοι που περιέχουν νάτριο ή ασβέστιο αντί του καλίου) που χαρακτηρίζεται από μη πλαστική συμπεριφορά, ενώ αντίθετα με την άργιλλο τήκεται εύκολα (σημείο τήξεως 1150 o C). Κατά την έψηση, αυτή η πρώτη ύλη διαχέεται σε όλη τη μάζα του τελικού προϊόντος. Η άμμος (πυρόλιθος) είναι στην ουσία καθαρό SiO 2 που επίσης χαρακτηρίζεται από μη πλαστική συμπεριφορά. Αντίθετα με τον άστριο η άμμος εμφανίζει υψηλό σημείο τήξεως (1710 o C). Σε αντίθεση με τις δύο παραπάνω πρώτες ύλες η άμμος δεν παρουσιάζει φαινόμενα συρρίκνωσης. Προκειμένου το όλο μίγμα να παρουσιάζει χαμηλό σημείο τήξεως χρησιμοποιείται και ένας μεγάλος αριθμός ευτηκτικών μέσων ως πρόσθετα (νιτρικό νάτριο, οξείδια σιδήρου, οξείδια μολύβδου κ.τ.λ.). επίσης χρησιμοποιείται μεγάλος αριθμός συστατικών για την παραγωγή ειδικών πυριμάχων κεραμικών υλικών (ανθρακοπυρίτιο, ζιρκονία, τάλκης, άσβεστος, ανθρακικό ασβέστιο κ.τ.λ.) Κατηγορίες Κεραμικών Υλικών Γενικά 20

23 Σήμερα χρησιμοποιούνται οι όροι «νέα κεραμικά» ή «προηγμένης τεχνολογία κεραμικά» σε αντιδιαστολή με τον όρο «παραδοσιακά κεραμικά». Βασικό στοιχείο με το οποίο διακρίνονται αυτού του είδους οι όροι είναι η ομοιογένεια και η μικροδομή των τελικών προϊόντων. Ως παραδοσιακά κεραμικά θεωρούμε τα προϊόντα που έχουν επικρατήσει στην καθημερινή μας ζωή για πολλά χρόνια και τα οποία περιέχουν % άργιλλο στο αρχικό τους μίγμα. Τα προηγμένης τεχνολογίας κεραμικά διακρίνονται στις παρακάτω κατηγορίες : (α) Τα «υαλοκεραμικά» υλικά, τα οποία αρχικά ήταν σε υαλώδη κατάσταση και σε κάποιο στάδιο της παραγωγής τους κρυσταλλώνονται με την προσθήκη κατάλληλων αντιδραστηρίων. Έτσι, το υλικό που προκύπτει περιέχει πολλούς μικρούς κρυστάλλους. (β) Τα πυρίμαχα κεραμικά οξείδια, υλικά που χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι μπορούν να αντισταθούν στις υψηλές θερμοκρασίες και στη διαβρωτική δράση στερεών, υγρών και αερίων αντιδραστηρίων. (γ) Τα κεραμικά με ηλεκτρικές ιδιότητες, υλικά τα οποία περιέχουν οξείδια που χαρακτηρίζονται ως μεικτοί αγωγοί διότι η μεταφορά φορτίου μέσα σε ένα ηλεκτρικό πεδίο οφείλεται στην ταυτόχρονη κίνηση ιοντικών και ηλεκτρονικών φορέων Εφαρμογές Κεραμικών Υλικών Τα παραδοσιακά χρησιμοποιούνται ακόμη σε μία ποικιλία εφαρμογών, κυρίως ως διακοσμητικά ή αντικείμενα οικιακής χρήσης. Όμως με την εξέλιξη της τεχνολογίας παράγονται πλέον νέα κεραμικά υλικά, τα οποία παρουσιάζουν βελτιωμένες ιδιότητες σε σχέση με τα μέχρι τώρα γνωστά υλικά. Έτσι, λοιπόν, τα πυρίμαχα κεραμικά παρουσιάζουν μειωμένη ευθραυστότητα, με αποτέλεσμα να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συνήθεις εφαρμογές (πιάτα, ποτήρια κ.τ.λ.) και επίσης ως δομικά υλικά υψηλών αντοχών. Ακόμη υλικά αυτής της κατηγορίας χρησιμοποιούνται στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Είναι γνωστό επίσης, ότι τα κεραμικά υλικά χρησιμοποιούνταν από παλιά ως μονωτές του ηλεκτρισμού. Σήμερα, όμως, χρησιμοποιούνται και για άλλες ιδιότητές τους, ηλεκτρικές και μαγνητικές (π.χ. πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο, ημιαγωγοί). Τέλος, μία κατηγορία κεραμικών υλικών χρησιμοποιείται στα οπτικά είδη. Υπάρχουν τεχνικές στα κεραμικά με τις οποίες χρωματίζονται τα υλικά με κοινές μπογιές ή με πολυμερή. Ένα τέτοιο κεραμικό παρουσιάζει μεγάλη αντοχή σε χημικές προσβολές και μεγάλη διάρκεια ζωής. Στην κατηγορία αυτή ανήκει ένα διαφανές κεραμικό (συνήθως τα κεραμικά είναι αδιαφανή) με την εμπορική ονομασία Yttalox που αντέχει σε πολύ υψηλές θερμοκρασίες Κατασκευαστικές Μέθοδοι Κεραμικών Υλικών Στάδια Παραγωγής Η παραγωγή ενός κεραμικού υλικού ακολουθεί συνήθως τα παρακάτω στάδια : Παραγωγή πρώτης ύλης : Κατά το στάδιο αυτό παράγονται οι πρώτες ύλες, οι οποίες συνήθως είναι λεπτές κόνεις φυσικές ή τεχνητές. Άλεση πρώτης ύλης : Όπου οι πρώτες ύλες υπόκεινται σε άλεση, δηλαδή σε μείωση του μεγέθους των κόκκων τους με τη χρήση κατάλληλων μηχανών (σφαιρόμυλοι, υγρή λειοτρίβιση κ.τ.λ.). Ανάμιξη πρώτων υλών : Οι αλεσμένες πρώτες ύλες αναμιγνύονται σε ειδικούς αναμεικτήρες προκειμένου να αποκτήσουν την απαραίτητη ομοιογένεια. Μορφοποίηση : Για τη μορφοποίηση ακολουθούνται διάφορες μέθοδοι που διακρίνονται στις ξηρές, στις πλαστικές και στις υγρές. Ξήρανση : Σε ορισμένες περιπτώσεις πριν από τη διαδικασία της έψησης απαιτείται η απομάκρυνση του νερού που περιέχεται στις πρώτες ύλες με τη χρήση ειδικών ξηραντήρων. Έψηση : Το στάδιο αυτό συμπεριλαμβάνει το θερμοκρασιακό πρόγραμμα (διαδικασία θέρμανσης ψύξης) που πρέπει να ακολουθηθεί προκειμένου να ληφθεί το τελικό αντικείμενο. Κατά τη διαδικασία της έψησης πραγματοποιείται τήξη των πρώτων υλών, πλαστικές παραμορφώσεις, δημιουργία πυκνότερης δομής και τέλος διάλυση μικρών στερεών τεμαχίων (πυροσυσσωμάτωση). Φινίρισμα : Κατά το στάδιο αυτό επιδιορθώνονται τυχόν ατέλειες του τελικού προϊόντος Άλεση 21