Στοιχεία Θερµικών/Μηχανικών Επεξεργασιών και δοµής των Κεραµικών, Γυαλιών

Transcript

1 Στοιχεία Θερµικών/Μηχανικών Επεξεργασιών και δοµής των Κεραµικών, Γυαλιών Βασισµένοστο Norman E. Dowling, Mechanical Behavior of Materials, Third Edition, Pearson Education,

2 Κεραµικάκαιγυαλιά Τα κεραµικά και γυαλιά δεν είναι ούτε µεταλλικά, ούτε οργανικά υλικά. Είναι ανόργανα µη µεταλλικά υλικά, το οποία έχουν υποστείθερµικήκατεργασίασευψηλέςθερµοκρασίες (>1000 ο C) είτεκατάτοστάδιοτηςεπεξεργασίαςτουςείτεκατάτοστάδιοτης εφαρµογής τους. Τακεραµικάτωνµηχανολογικώνεφαρµογών (engineering ceramics) είναι συνήθως ενώσεις µετάλλων ή µεταλλοειδών όπως τοπυρίτιοκαιτοβόριοµεµηµεταλλικάστοιχείαόπωςτοοξυγόνο, ο άνθρακας και το άζωτο. Ο άνθρακας στη µορφή γραφίτη και διαµάντι θεωρείται κεραµικό. Τακεραµικάείναικυρίωςκρυσταλλικά, ενώταγυαλιάείναιάµορφα. Οι ισχυροί οµοιοπολικοί ή µεικτού χαρακτήρα (ιοντικόςοµοιοπολικός) δεσµοί είναι υπεύθυνοι για τις ιδιαίτερες µηχανικές και θερµικέςιδιότητέςτους. 2

3 Παράδειγµακρυσταλλικούκεραµικού: Αλουµίνα (Al 2 O 3 ): (αριστερά) είναιορατάταόριατωνκόκκων, (δεξιά) µετάαπόλείανσηταόρια των κόκκων δεν διακρίνονται αλλά φαίνονται πόροι (σκούρες περιοχές) 3

4 Πλεονεκτήµατα Σχετικά χαµηλή πυκνότητα (πιο ελαφριά). Υψηλό σηµείο τήξης (µεγαλύτερο εύρος εφαρµογών υψηλής θερµοκρασίας). Υψηλό µέτρο ελαστικότητας (πιο στιβαρά). Χαµηλή θερµική και ηλεκτρική αγωγιµό- τητα (µονωτές). Πολύ υψηλή σκληρότητα (πιο ανθεκτικά σε φθορά). Ανθεκτικά σε διάβρωση. 4

5 Μειονεκτήµατα Μικρή αντίσταση σε εφελκυσµό λόγω της εύκολη διάδοσης ρωγµών (ψαθυρή συµπεριφορά, ευθραυστότητα). Μικρή αντοχή σε κόπωση, λυγισµό και κρούση. Το κόστος παραγωγής ποικίλει. 5

6 Πηλός (Άργιλος, Clay) Αποτελούνται από διάφορα πυριτικά άλατα-ορυκτά όπωςοκαολινίτης, Al 2 O 3 2SiO 2 2H 2 O Κατά την κατεργασία ο πηλός αναµιγνύεται αρχικά µε νερό στην πυκνότητα/συνεκτικότητα µιας παχύρευστης αλοιφήςκαιµετάµορφώνεταισεφλιτζάνια, πιάτα, τούβλα ή άλλο χρήσιµο σχήµα κλπ. Ακολουθεί ψήσιµο ( o C) πουεξατµίζειτονερόκαιλιώνεικάποιο απότο SiO 2 γιανασχηµατίσειγυαλίπουθαδεσµεύσει το Al 2 O 3 καιτοεναποµένων SiO 2 σεέναστερεόσώµα. 6

7 Φυσική πέτρα (Natural stone) Ασβεστόλιθος, limestone, κυρίωςκρυσταλλικό CaCO 3 Μάρµαρο, marble, τοίδιοορυκτό (CaCO 3 ) αλλά ανακρυσταλλοµένο υπό πίεση και υψηλή θερµοκρασία Αµµόπετρα, Sandstone, σωµατίδια πυριτικής άµµου (SiO 2 )ενωµέναµεεπιπρόσθετο SiO 2 ή CaCO 3. Πυριγενέςπέτρωµα, igneous rock,όπωςπ.χ. γρανίτης, είναι πολυφασικά κράµατα διαφόρων κρυσταλλικών ορυκτών. 7

8 Σκυρόδεµα, µπετόν (αγγλ. concrete, γαλλ. beton) Συνδιασµός θρυµµατισµένης πέτρας, άµµου, και µιας συγκολλητικής αλοιφώδουςουσίαςτοτσιµέντο. Τοτσιµέντοτύπου Portland παρασκευάζεται από µείγµα ασβεστόλιθου και πηλού που ψήνεται στους 1500 ο C, καιµετάκονιορτοποιείταιγιαναδώσειτηγνωστή τσιµεντοκονία της οποίας τα λεπτά σωµατίδια αποτελούνται από άσβεστο (CaO), πυριτία (SiO 2 ) καιαλουµίνα (Al 2 O 3 ) στηµορφήτων 3CaO- SiO 2, 2CaO- SiO 2 και 3CaO-Al 2 O 3. Όταν προστίθεται νερό, γίνονται αντιδράσεις ενυδάτωσης και σχηµατίζονται αλληλοσυνδεόµενες βελονοειδείς κρυσταλλικές δοµές και που ενώνουν/δένουν τα σωµατίδια του τσιµέντου µεταξύ τους και στην θρυµµατισµένη πέτρας και άµµο. Η αντίδραση είναι γρήγορηστηναρχήκαιαργότεραγίνεταιαργή. 8

9 Μηχανικέςιδιότητες-χρήσεις Ταπροϊόνταπυλού, ηφυσικήπέτρακαιτο σκυρόδεµα χρησιµοποιούνται σε µεγάλες ποσότητεςσεγνωστέςεφαρµογές: κτίρια, γέφυρες, µεγάλες κατασκευές. Είναι γενικά εύθραυστα υλικά και έχουν µικρή αντοχή σε εφελκυσµό αλλά σχετικά καλή αντοχή σε συµπίεση. Το σκυρόδεµα είναι πολύ οικονοµικό και µπορεί να χυθεί ως παχύρευστο υγρό (slurry) σε καλούπια και να στερεοποιηθεί σε σύνθετα σχήµατα. 9

10 ΜηχανολογικάΚεραµικά ΠολλάόπωςηΑλουµίνα Al 2 O 3 καιζιρκονία (ΖrO 2 ) παράγονται από ορυκτά ΆλλαόπωςτοΚΑΡΒΙ ΙΟΤΟΥΠΥΡΙΤΙΟΥ (SiC), ΚΑΡΒΙ ΙΟ ΤΟΥ BOΛΦΡΑΜΙΟΥ (WC), ΝΙΤΡΙ ΙΟ ΤΟΥ ΠΥΡΙΤΙΟΥ (Si 3 N 4 )παρασκευάζονταιαπόχηµικές αντιδράσεις. Αλέθονται σε σκόνη και συµπυκνώνονται σε χρήσιµασχήµατα/µορφέςµεψυχρήήθερµήσυµπίεση. Μετά ακολουθεί sintering (πυροσυσσωµάτωση, θέρµανση στο ~0.7Τ m σεσυµπαγήµάζαχωρίςρευστοποίηση) και συµπίεση για την εξάλειψη των πόρων. Υψηλή ελαστικότητα, χαµηλό βάρος, µεγάλη αντοχή στη συµπίεση, υψηλή σκληρότητα. 10

11 Σύνθετα κεραµικά υλικά. (cermets, cemented carbides) πυροσυσσωµάτωση σκόνης κεραµικού και µετάλλου. Το µέταλλο περιβάλει τα κεραµικά σωµατίδια που δίνουν στο υλικό υψήλή σκληρότητα και αντίσταση στη φθορά. WC µε 3-25% κοβάλτιο Άλλακαρβίδιαόπως TiC, TaC, Cr 3 C 2 σε συνδιασµό µε WC µε κοβάλτιο, νικέλιο ή και χάλυβα. 11

12 Γυαλιά Είναι συνήθως άµορφα στερεά και έχουν ως βασική µονάδατηνπυριτία 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. Ηκαθαρήπυριτία SiO 2 έχειθερµοκρασίακατεργασίαςτα 1800 o Cπουείναιυψηλή. Μπορείόµωςναµειωθείµετην πρόσθεσηάλλωνοξειδίωνµετάλλωνόπωςτονάτριο, κάλιο και ασβέστιο, που επίσης µειώνουν την ψαθυρότητα. 12

13 Πυριτία SiO 2 στηκρυσταλλικήµορφή χαλαζία, quartz 13

14 Απλουστευµένες διδιάστατες δοµές πυριτίας (a) χαλαζία, (b) γυαλί, (c) γυαλί µετροποποιητήπλέγµατοςπουµειώνειτηθερµοκρασίακατεργασίας. 14