Eπιστήµη Yλικών: Kεραµικά Yλικά

Transcript

1 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 1 Eπιστήµη Yλικών: Kεραµικά Yλικά Σηµείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιµέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειµένων σύµφωνα µε τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστηµονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραµ- µάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδηµαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.

2 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 2 Σηµείωση: Οι εικόνες οι οποίες έχουν περιληφθεί στον παρόντα τόµο χρησιµοποιούνται για καθαρά εκπαιδευτικούς σκοπούς και υποκαθιστούν την προβολή εικαστικού υλικού στο πλαίσιο µιας διάλεξης. Παρατίθενται µόνο για προσωπική χρήση των φοιτητών του ΕΑΠ και συνοδεύονται από αναφορά της πηγής ή/και του δηµιουργού τους. Οι εικόνες έχουν αναπαραχθεί σε τέτοιο µέγεθος ώστε αυτό να επαρκεί για την κατανόηση του τρόπου χρήσης των λέξεων, των συµβόλων και γενικά του περιεχοµένου τους. Απαγορεύεται η ανατύπωση και κάθε µορφής αναπαραγωγή του παρόντος τόµου, ο οποίος προορίζεται αποκλειστικά για τη διδασκαλία και τις εξετάσεις των φοιτητών του ΕΑΠ. ιανέµεται δωρεάν µόνο στους δηµιουργούς του διδακτικού υλικού, στους εγγεγραµµένους φοιτητές του ΕΑΠ και στο αντίστοιχο διδακτικό προσωπικό και δεν διατίθεται προς πώληση.

3 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 3 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΠPOXΩPHMENEΣ ΣΠOY EΣ ΣTH ΦYΣIKH Θεµατική Ενότητα EΠIΣTHMH YΛIKΩN KAI IATAΞEΩN Τόµος E' Mέρος A' Eπιστήµη Yλικών: Kεραµικά Yλικά XPHΣTOΣ AΓPAΦIΩTHΣ Eρευνητής Γ', ρ Xηµικός Mηχανικός Eθνικό Kέντρο Έρευνας και Tεχνολογικής Aνάπτυξης Iνστιτούτο Tεχνικής Xηµικών ιεργασιών (EKETA / ITXH ) ΠATPA 2003

4 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 4 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΠPOXΩPHMENEΣ ΣΠOY EΣ ΣTH ΦYΣIKH Θεµατική Ενότητα EΠIΣTHMH YΛIKΩN KAI IATAΞEΩN Τόµος E' Mέρος A' Eπιστήµη Yλικών: Kεραµικά Yλικά Συγγραφή XPHΣTOΣ AΓPAΦIΩTHΣ Eρευνητής Γ', ρ Xηµικός Mηχανικός Eθνικό Kέντρο Έρευνας και Tεχνολογικής Aνάπτυξης Iνστιτούτο Tεχνικής Xηµικών ιεργασιών (EKETA / ITXH ) Ακαδηµαϊκός Υπεύθυνος για την επιστηµονική επιµέλεια του τόµου APIΣTEI HΣ Z ETΣHΣ Καθηγητής Tµήµατος Φυσικής Πανεπιστηµίου Πατρών Επιµέλεια στη µέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση IΩANNHΣ ΠAPΘENIOΣ Γλωσσική Επιµέλεια ΛOYIZA MΠANTH Συντονισµός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιµέλεια των εκδόσεων ΟΜΑ Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / ISBN: Kωδικός Έκδοσης: ΠΣΦ 62/5 1 Copyright 2003 για την Ελλάδα και όλο τον κόσµο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, Πάτρα Τηλ: , Φαξ: Σύµφωνα µε το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασµατική αναδηµοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του µε οποιοδήποτε µέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.

5 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 5 ÂÚÈÂ fiìâó Πρόλογος... 9 K º π 1 OÚÈÛÌfi, I ÈfiÙËÙÂ Î È EÊ ÚÌÔÁ ÙˆÓ KÂÚ ÌÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις Oρισµός των κεραµικών υλικών Άλλες κατηγορίες υλικών Iδιότητες κεραµικών Σύγκριση µε άλλες οµάδες υλικών Iστορική ανασκόπηση Σηµερινές εφαρµογές H σύγχρονη βιοµηχανία κεραµικών Σύνοψη Kεφαλαίου K º π 2 AÙÔÌÈÎ ÔÌ Î È AÙÔÌÈÎ È Ù ÍË ÙˆÓ KÂÚ ÌÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις Eπίπεδα δοµής Aτοµική δοµή Eίδη δεσµών Eπίδραση της φύσης των δεσµών στις ιδιότητες των υλικών Aτοµική διάταξη Kρυσταλλικά και άµορφα στερεά Kρυσταλλικές δοµές Πλεγµατικές θέσεις παρεµβολής Aντιπροσωπευτικές δοµές κεραµικών υλικών Iοντικά κεραµικά Συστήµατα δύο στοιχείων Συστήµατα περισσοτέρων στοιχείων Oµοιοπολικά κεραµικά Aτέλειες στην ατοµική διάταξη των κεραµικών υλικών Σηµειακές ατέλειες Γραµµικές ατέλειες Eπίπεδες ατέλειες Σύνοψη κεφαλαίου... 51

6 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 6 6 E π ª Y π ø : K ƒ ªπ Y π K º π 3 MË ÓÈÎ I ÈfiÙËÙÂ ÙˆÓ KÂÚ ÌÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις Ψαθυρή θραύση Mέτρο ελαστικότητας Aντοχή σε κάµψη Σκληρότητα υσθραυστότητα Mηχανισµοί ενίσχυσης της δυσθραυστότητας Eρπυσµός Στατιστική προσέγγιση της θραύσης Aξιοπιστία Παράγοντες που επηρεάζουν τις µηχανικές ιδιότητες των κεραµικών Σύνοψη κεφαλαίου K º π 4 ÂÚÌÈÎ I ÈfiÙËÙÂ ÙˆÓ KÂÚ ÌÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις Σηµείο τήξης Θερµοχωρητικότητα Θερµική αγωγιµότητα Συντελεστής θερµικής διαστολής Θερµικές τάσεις Aντοχή σε θερµικούς αιφνιδιασµούς Σύνοψη κεφαλαίου K º π 5 HÏÂÎÙÚÈÎ I ÈfiÙËÙÂ ÙˆÓ KÂÚ ÌÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις Hλεκτρική αγωγιµότητα Hλεκτρικοί µονωτές Hλεκτρονικά υποστρώµατα Στερεοί ηλεκτρολύτες Kεραµικοί υπεραγωγοί

7 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 7 EPIEXOMENA ιηλεκτρικά Σιδηροηλεκτρικά Πιεζοηλεκτρικά Σύνοψη κεφαλαίου K º π 6 Ú ÁˆÁ KÂÚ ÌÈÎÒÓ AÓÙÈÎÂÈÌ ÓˆÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Tα στάδια παραγωγής των κεραµικών αντικειµένων Oρυκτές πρώτες ύλες Σύνθεση κεραµικών κόνεων µε χηµικές µεθόδους Mείωση µεγέθους κόκκων Aνάµιξη Oµογενοποίηση Mέθοδοι µορφοποίησης Ξήρανση Σύνοψη κεφαλαίου K º π 7 ÚÔÛ ÛÛˆÌ ÙˆÛË Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Πυροσυσσωµάτωση Πυροσυσσωµάτωση στη στερεά κατάσταση Mεγέθυνση κόκκων Πυκνοποίηση Mεταβολή της µικρο δοµής Πυροσυσσωµάτωση µέσω υγρής φάσης Παράγοντες που επηρεάζουν την πυροσυσσωµάτωση Σύνοψη κεφαλαίου Aπαντήσεις Aσκήσεων Aυτοαξιολόγησης Bιβλιογραφία Eυρετήριο όρων Πηγές εικόνων

8 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 8

9 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ 9 ÚfiÏÔÁÔ Το βιβλίο αυτό µε τίτλο «ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ» αποτελεί το πρώτο µέρος της ενότητας µε τίτλο «ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΤΩΝ ΥΛΙΚΩΝ», η οποία περιλαµβάνει δύο ακόµα υπο ενότητες, τους «Υπεραγωγούς» και τα «Μαγνητικά Υλικά». Λόγω της συνολικής έκτασης της ενότητας, κάθε µέρος υπόκειται αναγκαστικά σε περιορισµούς ως προς την έκτασή του, πράγµα που έχει επακόλουθες συνέπειες στην επιλογή και την έκταση της ύλης που πρόκειται να καλυφθεί. Με δεδοµένο αυτόν τον περιορισµό στην έκταση, είναι φυσικό η παρουσίαση κάποιων θεµάτων να µην είναι τόσο εκτενής. Παρόλα αυτά, ο αναγνώστης δεν πρόκειται να µείνει µε κενά, καθώς τα θέµατα που καλύπτονται λιγότερο εκτενώς σ αυτή την ενότητα αποτελούν το αντικείµενο άλλων υπο ενοτήτων του κύκλου σπουδών. Χαρακτηριστικό είναι το κεφάλαιο σχετικά µε τις ηλεκτρικές ιδιότητες των κεραµικών, όπου έγινε προσπάθεια για µια παρουσίαση «σε πλάτος» του αντικειµένου, καθώς οι αναγνώστες µπορούν να εµβαθύνουν σε περισσότερες λεπτοµέρειες µέσα από τις δύο άλλες υπο ενότητες (Υπεραγωγοί Μαγνητικά Υλικά). Η φιλοσοφία της διάρθρωσης του βιβλίου είναι να προσεγγίσει τα κεραµικά υλικά ακολουθώντας την πορεία ενός Μηχανικού Υλικών, ο οποίος καλείται να βρει µια συγκεκριµένη λύση για µια τεχνολογική εφαρµογή χρησιµοποιώντας ένα υλικό µε τις κατάλληλες ιδιότητες, που να µπορεί να αντεπεξέλθει στις απαιτούµενες συνθήκες λειτουργίας. Στην πορεία αυτής της αναζήτησης θα καταδειχθούν οι χαρακτηριστικές ιδιότητες των κεραµικών υλικών και οι τεχνολογικές λύσεις που αυτά τα υλικά µπορούν να παρέξουν. Έτσι, στο πρώτο κεφάλαιο δίνεται ο ορισµός των κεραµικών υλικών, επιχειρείται µια γενική σύγκριση των χαρακτηριστικών ιδιοτήτων τους µε αυτές άλλων οµάδων τεχνολογικών υλικών των µετάλλων και των πολυµερών και, τέλος, αναφέρονται χαρακτηριστικές εφαρµογές των κεραµικών στην καθηµερινή µας ζωή. Η βασική φιλοσοφία της Επιστήµης των Υλικών είναι ότι, για να κατανοήσουµε τις µακροσκοπικές ιδιότητες κάποιων υλικών, δηλαδή αυτές που µπορούµε να παρατηρήσουµε στην καθηµερινή µας εµπειρία και που µας ενδιαφέρουν για συγκεκρι- µένες χρήσεις (όπως σηµείο τήξης, µηχανική αντοχή, ηλεκτρική και θερµική αγωγιµότητα κτλ.), είναι απαραίτητο πρώτα να κατανοήσουµε τη δοµή των υλικών σε µικροσκοπικό επίπεδο. Αφού κατανοήσουµε αυτή τη δοµή, µπορούµε κατόπιν να την ελέγξουµε και να τη ρυθµίσουµε έτσι, ώστε να την κάνουµε χρήσιµη για την εφαρµογή που θέλουµε. Έτσι, η σύνθεση νέων υλικών και διαδικασιών µετατρέπεται από τυχαία ανακάλυψη και «ευτυχής συγκυρία» σε προϊόν κατευθυ-

10 AÁÚ ÊÈÒÙË (168ÛÂÏ.) :23 ÂÏ E π ª Y π ø : K ƒ ªπ Y π νόµενης έρευνας. Το δεύτερο κεφάλαιο του βιβλίου περιγράφει ακριβώς αυτή τη µικροσκοπική δοµή των κεραµικών υλικών, ενώ το τρίτο, τέταρτο και πέµπτο περιγράφουν τις µηχανικές, τις θερµικές και τις ηλεκτρικές ιδιότητες των κεραµικών, αντίστοιχα. Έµφαση έχει δοθεί ακριβώς στο συσχετισµό δοµής ιδιοτήτων εφαρ- µογών και στις ηθεληµένες παρεµβάσεις στη δοµή των κεραµικών υλικών, ώστε να επιτύχουµε τις κάθε φορά επιθυµητές ιδιότητες. Αρκετές από αυτές τις ιδιότητες (όπως π.χ. το σηµείο τήξης) είναι ανεξάρτητες από τη µέθοδο κατασκευής του υλικού. Πάρα πολλές άλλες όµως εξαρτώνται από τη µικρο δοµή του υλικού, η οποία µε τη σειρά της «ρυθµίζεται» από την κάθε φορά συγκεκριµένη τεχνολογία παραγωγής των υλικών που θα επιλέξουµε. Έτσι σύµφωνα και µε τον ορισµό των κεραµικών που θα δούµε παρακάτω αν δεν είναι δυνατή η κατασκευή αντικειµένων µε συγκεκριµένες διαστάσεις για συγκεκρι- µένες χρήσεις, τότε δεν έχει πρακτικό αποτέλεσµα η ύπαρξη πρώτων υλών που παρουσιάζουν εξαιρετικές ιδιότητες. Πολλές φορές όµως αυτό το δεύτερο µέρος η τεχνολογία υποβαθµίζεται σηµαντικά σε σχέση µε το πρώτο, µε αποτέλεσµα, ενώ στην καθηµερινή µας ζωή να κατακλυζόµαστε κυριολεκτικά από νέα υλικά, να έχουµε ελλιπή πληροφόρηση για το πώς ακριβώς κατασκευάζονται αυτά τα αντικείµενα και τι προκλήσεις έχει να αντιµετωπίσει η κατασκευαστική τεχνολογία. Έτσι, στο έκτο και το έβδοµο κεφάλαιο του βιβλίου δίνεται έµφαση στις τεχνολογίες παραγωγής κεραµικών αντικειµένων, όπου βλέπουµε το πώς οι πρώτες ύλες µε επιθυµητές ιδιότητες µετουσιώνονται σε χρήσιµα και αξιόπιστα αντικείµενα τόσο για καθη- µερινή χρήση όσο και χρήσεις της λεγόµενης «υψηλής» τεχνολογίας. Κλείνοντας, θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τη ρ. Μηχανικό Μεταλλείων Μεταλλουργό κ. Πανδώρα Ψυλλάκη και την Επ. Καθηγήτρια του Τµήµατος Μηχανικών Ορυκτών Πόρων του Πολυτεχνείου Κρήτης κ. Αθηνά Τσετσέκου για τη βοήθειά τους, τα σχόλια και τις παρατηρήσεις τους κατά το στάδιο της συγγραφής του βιβλίου, καθώς και τον Κριτικό Αναγνώστη Καθ. κ. Αριστείδη Ζδέτση, του οποίου οι επισηµάνσεις συνετέλεσαν στη βελτίωση και στην αρτιότερη παρουσίαση του αρχικού κειµένου. Είναι ευνόητο ακόµη ότι, όπως σε κάθε πρώτη έκδοση βιβλίου, θα υπάρχουν αβλεψίες και παραλείψεις, η ευθύνη των οποίων βαρύνει τον συγγραφέα, ενώ η επισήµανσή τους θα βοηθήσει στη βελτίωση της όλης προσπάθειας σε τυχόν µεταγενέστερες εκδόσεις. Χρήστος Κ. Αγραφιώτης Ιωάννινα, Νοέµβριος 2000