Στοιχεία Επιστήµης Κεραµικών

HTML
DOWNLOAD

Μέγεθος: px

Εμφάνιση ξεκινά από τη σελίδα:

Download "Στοιχεία Επιστήµης Κεραµικών"

Ἐλισάβετ Βυζάντιος
9 χρόνια πριν
Προβολές:

1 Στοιχεία Επιστήµης Κεραµικών ιδάσκων : ρ Ειρήνη Θεοφανίδου eirini@iesl.forth.gr eirini_th@yahoo.com Τηλ: :

2 Ώρες διδασκαλίας: Τρίτη 11:00-14:00 14:00, Αίθουσα Β2 Χηµικού Εισαγωγή 2 ιαλέξεις 10 x 3 Tutorials 2 x 2 Σύνολο 36 Σηµειώσεις Μαθήµατος: Εύη Παπαδοπούλου

3 Προτεινόµενα βιβλία: Fundamentals of Ceramics Author: M W Barsoum published in 2003 by Taylor & Francis group Επιστήµη και Τεχνική των Κεραµικών Χ. Π. Φτίκος, Πανεπιστηµιακές Εκδόσεις Ε.Μ.Π.,., 2005

Francis group Επιστήµη και Τεχνική των Κεραµικών

4 Προγραµµα Μαθηµατων ιδακτεα Υλη εσµοί σε κεραµικά υλικά οµές κεραµικών υλικών Eπίδραση χηµικών δυνάµεων και δοµής στις φυσικές ιδιότητες Θερµοδυναµική και κινητική Aτέλειες σε κεραµικά υλικά ιάχυση και ηλεκτρική αγωγιµότητα Πυροσυσσωµάτωση και ανάπτυξη µικροδοµής Iσορροπία φάσεων Mηχανικές, Θερµικές, ιηλεκτρικές και Οπτικές ιδιότητες

κινητική Aτέλειες σε κεραµικά υλικά ιάχυση και ηλεκτρική αγωγιµότητα

5 Στοιχεία Κεραµικών Υλικών Περιοδικός Πίνακας: ~100 στοιχεία Το κάθε στοιχείο έχει συγκεκριµένη ηλεκτρονιακή διευθέτηση: - ατοµικό αριθµό Ζ - χωρική κατανοµή ηλεκτρονίων - ενέργειες ηλεκτρονίων -> κβαντοµηχανική! Γραµµές: αυξανόµενος ατοµικός αριθµός Ζ Στήλες ή Οµάδες: παρόµοιες χηµικές ιδιότητες π.χ. Οµάδα VII A: τα αλογόνα (F, Cl, Br, I) διατοµικά αέρια, µε µεγάλη δραστικότητα π.χ. Οµάδα VIII: τα ευγενή αέρια (He, Ne, Ar, Kr, Xe) µονοατοµικά αέρια, χηµικά αδρανή

Γραµµές: αυξανόµενος ατοµικός αριθµός Ζ Στήλες ή Οµάδες: παρόµοιες χη

7 Μέταλλα: πολλά από τα στοιχεία του Περιοδικού Πίνακα είναι στερεά στην θερµοκρασία δωµατίου (RT), είναι ελατά, γυαλιστερά και είναι καλοί αγωγοί του ηλεκτρισµού και της θερµότητας. Κάποια στοιχεία είναι αέρια στην RT. π.χ. N, O, H, τα αλογόνα, τα ευγενή αέρια Τα υπόλοιπα στοιχεία είναι οµοιοπολικά στερεά και στην RT είναι µονωτές (Β, P, S, C) ή ηµιαγωγοί (Si, Ge). Μή Μεταλλικά Στοιχειακά Στερεά (ΜΜΣΣ) Συνήθως χρησιµοποιούµε κράµατα των στοιχείων. Έτσι παίρνουµε: µέταλλα, πολυµερή, ηµιαγωγούς, κεραµικά υλικά Υλικά µε διαφορετικές ιδιότητες διαφορετικοί δεσµοί!!

8 Μέταλλα: µεταλλικές ιδιότητες (ολκιµότητα, θερµική / ηλεκτρική αγωγιµότητα, αντανακλαστικότητα κ.α.) λόγω του µεταλλικού δεσµού. Πολυµερή: αποτελούνται από µακριές αλυσίδες άνθρακα (C) όπου είναι προσκολληµένα άλλα οργανικά άτοµα / µόρια (όπως C, H, N, Cl, F). Οι δεσµοί εντός της αλυσίδας είναι οµοιοπολικοί, δυνατοί και κατευθυντικοί. Οι δεσµοί µεταξύ των αλυσιδών είναι ασθενείς. ηλ. τα πολυµερή χαρακτηρίζονται από τους ασθενέστερους δεσµούς χαµηλότερα σηµεία τήξεως, υψηλότεροι συντελεστές θερµικής διαστολής, πιο όλκιµα από τα κεραµικά υλικά ή τα µέταλλα. Ηµιαγωγοί: οµοιοπολικά στερεά ισχυροί δεσµοί. ηλ. οι ηµιαγωγοί έχουν παρόµοιες ιδιότητες µε τα κεραµικά υλικά (σκληροί και εύθραυστοι). Πώς ορίζεται ένα κεραµικό υλικό;

Οι δεσµοί εντός της αλυσίδας είναι οµοιοπολικοί, δυνατοί και κατευθυντικοί. Οι δεσµοί µεταξύ των αλυσιδών είναι ασθενείς. ηλ.

9 Κεραµικά Υλικά: Ορολογία προερχόµενη από την αρχαιο-ελληνική λέξη κέραµος (πήλινα αγγεία). Στερεά υλικά που σχηµατίζονται µε εφαρµογή θερµότητας (ή θερµότητας και πίεσης), και αποτελούνται τουλάχιστον από δύο στοιχεία, δεδοµένου ότι το ένα από αυτά είναι µη µέταλλο ή µη µεταλλικό στοιχειακό στερεό. Το άλλο (ή άλλα) στοιχείο µπορεί να είναι είτε µέταλλο, είτε µη µεταλλικό στοιχειακό στερεό. Παραδείγµατα Κερµικών Υλικών: 1) MgO (µαγνησία) : µέταλλο (Mg) µη µέταλλο (Ο 2 ) 2) SiO 2 (σίλικα): µη µεταλλικό στοιχειακό στερεό (Si) µη µέταλλο (Ο 2 ) 3) SiC: 2 µη µεταλλικά στειχειακά στερεά 4) BaTiO 3, YBa 2 Cu 3 O 3 κ.α. Επίσης: οξείδια, καρβίδια, νιτρίδια, πυριτικά άλατα, πυρίτιοι λίθοι δηλ. τούβλα, βράχια, σκόνη, πηλός, άµµος κ.α. Κεραµικός Κόσµος!

µεταλλικό στοιχειακό στερεό. Το άλλο (ή άλλα) στοιχείο µπορεί να είναι είτε µέταλλο, είτε µη µεταλλικό στοιχειακό στερεό.

10 Κρυσταλλικά και Άµορφα Στερεά Τα στερεά (άρα και τα κεραµικά) παρουσιάζουν: - τάξη µεγάλης κλίµακας (long range order) - τάξη µικρής κλίµακας (short range order) - συνδυασµό και των δύο Τα κρυσταλλικά στερεά παρουσιάζουν τάξη µεγάλης κλίµακας (a) (περιοδικότητα πολύ µεγαλύτερη από το µήκος του δεσµού) Τα άµορφα / γυαλιά / µη κρυσταλλικά στερεά παρουσιάζουν τάξη µικρής κλίµακας(b) (περιοδικότητα γύρω από τους πλησιέστερους γείτονες)

παρουσιάζουν τάξη µεγάλης κλίµακας (a) (περιοδικότητα πολύ µεγαλύτερη από το µήκος του δεσµού) Τα άµορφα /

11 (a) Κρυσταλλικό στερεό (b) Άµορφο στερεό

12 Στοιχειώδης Κρυσταλλογραφία µικρή επανάληψη Μοναδιαία κυψελίδα: ο µικρότερος όγκος στο χώρο, που επαναλαµβανόµενος παράγει ολόκληρο τον κρύσταλλο. Υπάρχουν 4 είδη µοναδιαίας κυψελίδας Κρυσταλλικό σύστηµα: υπάρχουν µόνο 7 γεωµετρικά σχήµατα της µοναδιαίας κυψελιδας (Bravais) Σταθερές πλέγµατος: τα µήκη των πλευρών των µοναδιαίων κυψελίδων και οι µεταξύ τους γωνίες. Πλέγµα Bravais: κάθε πλεγµατικό σηµείο έχει το ίδιο περιβάλλον µε οποιοδήποτε άλλο σηµείο. 14 πλέγµατα σε 3D. Συµµετρία πλέγµατος: διαδικασία που αφήνει το πλέγµα αµετάβλητο. Πλέγµα + Βάση Κρυσταλλική οµή

Υπάρχουν 4 είδη µοναδιαίας κυψελίδας Κρυσταλλικό σύστηµα: υπάρχουν µόνο 7 γεωµετρικά σχήµατα της µοναδιαίας κυψελιδας (Bravais) Σταθερές

14 Κεραµικές µικροδοµές Μονοκρύσταλλοι: τέλεια περιοδικότητα που µεταφέρεται σε ολόκληρο το πλέγµα. Πολυκρυσταλλικά στερεά: αποτελούνται από µονοκρυσταλλίτες («κόκκους») που χωρίζονται από τα όρια κόκκων, δηλ. περιοχές αταξίας ανάµεσα στους κόκκους. Πολυκρυσταλλικό δείγµα Τυπική µικροδοµή οπως φαίνεται σε οπτικό µικροσκόπιο Μέγεθος κόκκων: ~50µm Μικροδοµή: η διάταξη, το µέγεθος, το σχήµα των κόκκων, η ύπαρξη δεύτερων φάσεων, η παρουσία πόρων κτλ

15 Παραδοσιακά και Μοντέρνα Κεραµικά Κέραµος: καµένο υλικό ή πήλινο σκεύος (ο όρος αναφέρεται σε ψηµένο υλικό) Παραδοσιακά: 1500 π.χ. Μινωικό Πλαστικές ιδιότητες των αργίλων και των πυριτίων και τα αποτελέσµατα του ψησίµατός τους ανακαλύφθηκαν από πολύ νωρίς κεραµική, αγγειοπλαστική (ανάγκη φύλαξης τροφών-υγρών) Ακόµα και από την νεολιθική εποχή (8000 π.χ.) έχουν βρεθεί κεραµικά αγγεία. Πολύπλοκες ενώσεις: οξείδια,καρβίδια,περοβσκίτες κτλ προηγµένη τεχνολογία Μοντέρνα: Integrated ceramic micro fuel cell system for portable applications.

αγγειοπλαστική (ανάγκη φύλαξης τροφών-υγρών) Ακόµα και από την νεολιθική εποχή (8000 π.χ.) έχουν βρεθεί κεραµικά αγγεία.

16 Γενικά χαρακτηριστικά των κεραµικών Γενικά, τα κεραµικά είναι: σκληρά, εύθραυστα, επιρρεπή στο θερµικό σοκ, ηλεκτρικοί και θερµικοί µονωτές, διαφανή (ενδογενώς), µη µαγνητικά, χηµικά σταθερά και δεν οξειδώνονται εύκολα. Υπάρχουν βέβαια και οι εξαιρέσεις: κάποια κεραµικά είναι µαγνητικά, κάποια είναι υπεραγώγιµα, κάποια είναι αγωγοί του ηλεκτρισµού ή της θερµότητας

18 Εφαρµογές Στην καθηµερινή µας ζωή όπως π.χ. Είδη υγειινής, γυαλικά, πορσελάνες κτλ. Στην τεχνολογία σε κεραµικές µηχανές στις οπτικές επικοινωνίες, ηλεκτρο-οπτικές εφαρµογές στα υλικά για λέιζερ, σε υποστρώµατα σε ηλεκτρονικά κυκλώµατα, ηλεκτρόδια κ.α. Ιστορικά τα κεραµικά χρησιµοποιούνταν για τις µονωτικές τους ιδιότητες π.χ. τα οξείδια του αλουµινίου και οι πορσελάνες Σήµερα υπάρχουν τα λεγόµενα ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά κεραµικά, τα οποία είναι: ηλεκτρικοί µονωτές, είναι θερµικά σταθερά και έχουν µικρές απώλειες χρησιµοποιούνται ως υποστρώµατα στα ηλεκτρονικά. Π.χ. οι περοβσκίτες (CaTiO 3, LaMnO 3 κ.α.) είναι στερεά µε πολύ µεγάλες διηλεκτρικές σταθερές και χρησιµοποιούνται ευρέως στους πυκνωτές. Π.χ. πιεζοηλεκτρικά κεραµικά χρησιµοποιούνται σε ανιχνευτές

χ. τα οξείδια του αλουµινίου και οι πορσελάνες Σήµερα υπάρχουν τα λεγόµενα ηλεκτρικά ή ηλεκτρονικά κεραµικά, τα οποία είναι: ηλεκτρικοί µονωτές, είναι θερµικά σταθερά και έχουν µικρές

19 Μηχανικές εφαρµογές: Σε θερµοκρασία δωµατίου τα κεραµικά είναι συνήθως σκληρά και ανθεκτικά στην διάβρωση και στην φθορά κοπτικά εργαλεία, βαλβίδες κ.α. σε διαβρωτικά περιβάλλοντα Επίσης, ιδιότητες που µας ενδιαφέρουν πολύ είναι η αντανακλαστικότητα, η χαµηλή πυκνότητα, η ικανότητα να διατηρούν µεγάλα φορτία σε υψηλές θερµοκρασίες κεραµικές µηχανές για την µεταφορά ενέργειας και τουρµπίνες για την παραγωγή ενέργειας, Κεραµικές µηχανές: µικρότερο βάρος, υψηλότερες θερµοκρασίες λειτουργίας δηλ. υψηλότερη αποδοτικότητα, µικρότερη ρύπανση κ.α. thus making ceramics a stone age material with space age qualities.

φορτία σε υψηλές θερµοκρασίες κεραµικές µηχανές για την µεταφορά ενέργειας και τουρµπίνες για την παραγωγή ενέργειας, Κεραµικές µηχανές: µικρότερο βάρος,

Σχετικά έγγραφα

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ

ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΟΝ ΚΑΙ ΜΕΛΛΟΝ Ι 2 Κατηγορίες Υλικών ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΛΙΚΩΝ Παραδείγματα Το πεντάγωνο των υλικών Κατηγορίες υλικών 1 Ορυκτά Μέταλλα Φυσικές πηγές Υλικάπουβγαίνουναπότηγημεεξόρυξηήσκάψιμοή