Pokročilé keramické materiály: Úvod. Pavol Šajgalík a Dušan Galusek

Transcript

1 Pokročilé keramické materiály: Úvod Pavol Šajgalík a Dušan Galusek

2 Čo je materiál Materiál: látka alebo surovina, z ktorej sa niečo vyrába Rozdelenie materiálov: Prírodné materiály Materiály z prírodných surovín Syntetické materiály

3 Prírodné materiály Materiály, ktoré nachádzame v prírode a môžeme ich využívať priamo, bez predchádzajúcej zmeny ich chemickej povahy Drevo Kameň Stavebný kameň Výroba nástrojov (pazúrik, rohovec, pieskovec) Drahé a šperkárske kamene (diamant, korund, zirkón...) Niektoré kovy, ktoré sa nachádzajú v rýdzom stave (Au, Cu, Pt...) Prírodné sklá (obsidián, tektity - vltavíny)

4 Materiály z prírodných surovín Materiály, ktoré sa pripravujú z prírodných surovín zmenou ich chemickej povahy Rudy Suroviny Ílové minerály Iné minerálne suroviny (uhličitany, sírany...) Prírodné uhľovodíky (ropa, zemný plyn) Procesy chemickej premeny (Praženie) redukcia Dehydratácia, reakcie v tuhej fáze, spekanie termický rozklad, reakcie v tuhej fáze termický rozklad, reakcie v tuhej fáze, tavenie Krakovanie, polymerizačné reakcie Materiály Kovy a zliatiny Tradičná keramika Cement, vápno sklo polyméry

5 Syntetické materiály Materiály, ktoré sa pripravujú z vysoko čistých, často syntetických, prekurzorov presne definovaným procesom. U mnohých neexistuje prírodný ekvivalent. High-tech polyméry (PAN, PEEK, UHMWPE, PET atď.) Pokročilé keramické materiály Oxidové (Al 2 O 3, ZTA, PSZ, TZP, syntetické perovskity, spinely, granáty) Neoxidové (nitridy, boridy, karbidy, silicidy) Materiály na báze uhlíka (uhlíkové vlákna, CNT, CNF, grafény, fullerény) Kovové sklá Superzliatiny (Inconel) Rôzne kompozity Nanoštruktúrne materiály

6 Monokryštály Štruktúra (usporiadanie stavebných jednotiek látky na dlhú vzdialenosť) Vlastnosti monokryštálov Diamant: tvrdý oteruvzdorný diamant Grafit: mäkký tuhé mazadlo Vlastnosti monokryštálov sú diktované štruktúrou (kryštálovou a elektrónovou) grafit

7 Monokryštály Vlastnosti monokryštálov sú dané: - kryštálovou a elektrónovou štruktúrou - typom väzby všetky väzby sú elektrónového pôvodu, rozdiel spočíva v distribúcii elektrónov v okolí rôznych častíc u u F e kt u F 2 h 2m RT 3N 8 V 2 3 Príspevok elektrónov k vnútornej energii Fermiho energia fluórapatit VLASTNOSTI Vlastnosti monokryštálov sú materiálové konštanty DEFEKTY V MONOKRYŠTÁLOCH OVPLYVŃUJÚ ICH VLASTNOSTI

8 Polykryštalické materiály Vlastnosti polykryštálov 5 mm Monokryštály a-si 3 N 4 MIKROŠTRUKTÚRA

9 Mechanické vlastnosti polykryštálov sú definované vlastnosťami monokryštálov, vlastnosťami hraníc a iných minoritných zložiek tvoriacich polykryštalický materiál

10 Keramické materiály Definície keramiky: Materiály skladajúce sa z nekovových anorganických látok, ktorými sú zvyčajne oxidy, ale aj nitridy, karbidy, alebo silicidy, a obsahujú najmenej 30 % kryštalických fáz. (Deutsche Keramische Geselschaft) Všetky anorganické nekovové materiály, ktoré sú pripravované tepelným spracovaním. (American Ceramic Society) Táto definícia zahŕňa medzi keramické materiály aj sklá, smalty, cementy, sadru.

11 Keramika je nekovový anorganický polykryštalický materiál pripravený spekaním

12 Keramika je najstarší syntetický materiál v histórii rokov: Věstonická Venuše 7000 rokov: prvé hrnčiarske výrobky

13 Rozdelenie keramických materiálov Pripravené z prírodných surovín: Najmä ílové minerály Tradičná keramika Stavebná keramika (tehly, tvarovky, strešná krytina, obklady, dlažby) Sanitárna keramika (umývadlá, WC keramika) Hrnčiarska keramika (porcelán, poloporcelán, terakota, majolika, fajansa) Niektoré druhy elektrokeramiky (elektrické izolátory, poistky) Syntetické keramické materiály Nanomateriály

14 Syntetické keramické materiály Podľa zloženia hlavnej zložky: oxidová neoxidová Podľa použitia: Funkčná Bio Konštrukčná Piezo senzor Bedrový kĺb Rezné doštičky

15 Oxidová a neoxidová keramika Oxidové materiály Majoritná fáza: Al 2 O 3 : sss-al 2 O 3 lps-al 2 O 3 ZTA (Al 2 O 3 -ZrO 2 ) Al 2 O 3 -SiCp, SiCw Iné kompozity (prídavok CNT, TiC...) ZrO 2 PSZ: čiastočne stabilizovaný ZrO 2 prídavky Y, Ce, Mg, Ca TZP: t-zro 2 s prídavkom Y, Ce MgO ZnO TiO 2 Ternárne oxidy: Spinely (kubický A II B III 2O 4 ) Pervoskity (kubický A II B IV O 3 ) Granáty (kubický (X II 3Y 2 (SiO 4 ) 3 ) Neoxidové materiály Hlavné skupiny: Nitridy (N III- ) Si 3 N 4 SiAlON (α, β) Nitridy prechodných kovov (TiN, VN, ZrN, NbN, HfN, TaN) c-bn, h-bn GaN C 3 N 4 - kurizoita Karbidy (C IV- ) TiC SiC B 4 C WC Boridy (B III- ) TiB 2 ZrB 2 Silicidy (Si IV- ) MoSi 2

16 Keramika podľa použitia Funkčná keramika Dôležité vlastnosti: Elektrické Magnetické Termické Optické Chemické (Mechanické) Biokeramika Bioinertné Biaktívne Bioresorbovateľné Dôležité vlastnosti: Biologické Chemické Mechanické Konštrukčná keramika Dôležité vlastnosti: Najmä mechanické Tvrdosť Pevnosť K IC Elastický modul Oteruvzdornosť

17 Mikroštruktúra The structure of an organism or object as revealed through microscopic examination Drobnohľadná stavba pletiva živého organizmu alebo pevných látok, dôležitá pre ich celkové vlastnosti Zloženie, tvar a usporiadanie základných stavebných kameňov výrobku alebo materiálu

18 Mikroštruktúra prírodných materiálov Vo väčšine prípadov nie je presne definovaná Mnohofázová Vysoké obsahy nečistôt Horšia reprodukovateľnosť vlastností

19 Mikroštruktúra keramiky Priestorové, tvarové a objemové zastúpenie fáz tvoriacich polykryštalický materiál Komponenty mikroštruktúry Majoritné a minoritné kryštalické fázy Sklená fáza v priestoroch medzi kryštalickými fázami Trojné body Hranice zŕn Póry a defekty U polykryštalických materiálov je väčšina vlastností výrazne ovplyvnená mikroštruktúrou: Veľkosťou a vzájomnou orientáciou zŕn majoritných a minoritných kryštalických fáz Prítomnosťou, veľkosťou a distribúciou defektov Obsahom zvyškovej pórovitosti Prítomnosťou a zložením sklenej fázy

20 Mikroštruktúra vs. vlastnosti Majoritná fáza Minoritná fáza Vhodnou kombináciou majoritných a minoritných fáz sa dajú pripravovať materiály s definovanými VLASTNOSŤAMI (Si 3 N 4 zrno) Je definovaná: (sklo na hraniciach zŕn majoritnej fázy, iné fázy a defekty) - počtom a identifikáciou prítomných fáz (vrátane pórov) - relatívnym množstvom prítomných fáz (majoritná minoritná) - charakterom každej fázy (chem. zloženie, veľkosť, tvar a iné)

21 Mikroštruktúra syntetických materiálov Výsledok dôsledne riadeného procesu prípravy Dobre definovaná Obvykle malý počet fáz, ktorých funkcia je známa Nízky obsah nečistôt Al bronze CuAl x Si 3 N 4 SiC Al 2 O 3

22 Mikroštruktúra - príklady

23 Príklady mikroštruktúry syntetických materiálov Al 2 O 3 Spekanie 1300 o C/60 Žiarové lisovanie 1700 o C/60 Žiarové lisovanie 1700 o C/60 + žíhanie 1750 o C/600 10CaO.SiO 2 2CaO.SiO 2 CaO.1,3SiO 2 CaO.5SiO 2

24 Uvedomelé ovplyvňovanie mikroštruktúry Príprava keramických materiálov cielené ovplyvňovanie mikroštruktúry modifikácia vlastností Výslednú mikroštruktúru materiálu je možné ovplyvniť prakticky vo všetkých štádiách prípravy: Výber keramického prášku: na výslednú mikroštruktúru má vplyv: Čistota Fázové zloženie Morfológia Granulometria Proces tvarovania ovplyvňuje: Hustotu a homogenitu surového kompaktu Veľkosť a tvar pórov Prítomnosť procesných defektov Spekanie (teplota a čas izotermickej výdrže pecná atmosféra) ovplyvňuje: Obsah zvyškovej pórovitosti Veľkosť a rozdelenie veľkostí zŕn vo výslednom materiáli Fázové zloženie: Obsah majoritných a minoritných kryštalických fáz Prítomnosť a zloženie sklenej fázy Prítomnosť, resp. veľkosť reziduálnych napätí

25 Vzťah medzi mikroštruktúrou a vlastnosťami keramických materiálov Minimalizácia podielu defektov vedie k vysokým hodnotám pevnosti 520 MPa 980 MPa

26 Vzťah medzi mikroštruktúrou a vlastnosťami keramických materiálov Zmena chemického zloženia hraníc zŕn vedie k zvýšeniu lomovej húževnatosti

27 Strain [%] Vzťah medzi mikroštruktúrou a vlastnosťami keramických materiálov Zmena chemického zloženia hraníc zŕn vedie k zvýšeniu odolnosti voči vysokoteplotnej deformácii (creep) 1350 C / 100 MPa Nízka viskozita GB fáz Deformácia [%] 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 R 3 La 1350 C/100MPa K 3 La 1350 C/100MPa R 3 Lu 1350 C/100MPa K 3 Lu 1350 C/100MPa cavitation Čas [hod] Time [hod]

28 Vzťah medzi mikroštruktúrou a vlastnosťami keramických materiálov Aplikácia nanoinklúzií ďalšej minoritnej fázy vedie k zvýšeniu tvrdosti