ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΨΗΛΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ

ΕΚΕΦΕ «ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ» ΙΝΣΤΙΤΟΥΤΟ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΥΛΙΚΩΝ Εργαστήριο προηγµένων Κεραµικών Υλικών ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΨΗΛΗΣ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ρ Γεώργιος Βεκίνης

ΕΞΕΛΙΞΗ ΥΛΙΚΩΝ ΣΤΟΝ ΧΡΟΝΟ

ΚΙΝΗΤΡΑ ΕΞΕΛΙΞΗΣ ΥΛΙΚΩΝ 1. Ανταπόκριση σε τεχνολογική ανάγκη: µηχανική αντοχή, φθορά, διάβρωση, θερµοκρασία χρήσης κ.α. 2. Μείωση κόστους παραγωγής και χρήσης 3. Μείωση περιβαλλοντικών επιπτώσεων 4. Αύξηση προστασίας και ασφάλειας 5. Αύξηση απόδοσης 6. Αντικατάσταση άλλων, σπανίων υλικών

Οι θερµοκρασίες που αναπτύσσονται στο εξωτερικό του Space- Shuttle δεν επιτρέπουν τη χρήση µεταλλικών υλικών, αλλά µόνο σύνθετων κεραµικών SiC/SiC ή C/C κ.α. SPACE - SHUTTLE

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΑΡΑ ΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ (κυρίως οµοιοπολικοί δεσµοί) Αργιλο-πυριτικοί πηλοί Αργιλο-πυριτικά πυρίµαχα Γυαλιά Τσιµέντα Πετρώµατα Άλλα φυσικά κεραµικά ΤΥΠΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ: Χαµηλή µηχανική αντοχή Χαµηλή αντοχή σε σύνθλιψη Χαµηλή δυσθραυστότητα Χαµηλό Μέτρο Ελαστικότητας Μέτρια θερµοκρασία χρήσης <1100 o C Μέτρια αντοχή σε διάβρωση και µηχανική φθορά Χαµηλό κόστος ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ (ιοντικοί και οµοιοπολικοί δεσµοί) Οξείδια: Al 2 O 3, ZrO 2, SiO 2, Si 2 ALON 3 Καρβίδια: WC, SiC, VC, B 4 C Νιτρίδια: Si 3 N 4, BN, AlN Ενισχυµένα (σύνθετα): ινώδη, µε εγκλείσµατα.. SiC f /SiC, WC-Co, Al 2 O 3 /Co, C f /C ιαµάντι Ειδικά προηγµένα Πυρίµαχα ΤΥΠΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ: Υψηλή µηχανική αντοχή και αντοχή σε σύνθλιψη Χαµηλή-µέτρια δυσθραυστότητα Υψηλό Μέτρο Ελαστικότητας Υψηλή θερµοκρασία χρήσης >3000 ο C Υψηλή αντοχή σε δάβρωση και µηχανική φθορά Μέτριο έως υψηλό κόστος

ΜΕΓΕΘΟΣ ΑΓΟΡΑΣ ΠΑΡΑ ΟΣΙΑΚΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΟ ΚΑΤΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ (US$/τόνο) ΚΑΤΑ ΠΡΟΣΕΓΓΙΣΗ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ (Τόνοι) ΚΥΡΙΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Πηλοί (τούβλα, πλακίδια κλπ) 30-100 > 300 εκατοµ. τόνοι οµικές, πυρίµαχα, έργα τέχνης, πήλινα Ύαλοι 1000-1600 > 50 εκατοµ. τόνοι Παράθυρα, µπουκάλια, οικιακά είδη κλπ Πορσελάνες 300-1500 > 20 εκατοµ. τόνοι Μονωτές, οικιακά είδη, έργα τέχνης, πλακίδια Τσιµέντα 70-80 > 1000 εκατοµ. τόνοι οµικές, καλούπια, µπετόν κλπ

ΜΕΓΕΘΟΣ ΑΓΟΡΑΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΟ ΠΑΡΑΓΩΓΙΚΟ ΚΟΣΤΟΣ ΣΤΗΝ ΕΥΡΩΠΗ (US$/τόνο) ΠΑΓΚΟΣΜΙΑ ΕΤΗΣΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ (Τόνοι) ΚΥΡΙΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Οξείδιο του αλουµινίου (αλουµίνα, Al 2 O 3 ) 30000-80000 > 100 000 τόνοι Εργαλεία, ηλεκτρικά και ηλεκτρονικά υποστρώµατα, επιφάνειες αντι-διάβρωσης, φθορά και τριβή, ιατρικά εµφυτεύµατα, υδραυλικά, θωρακίσεις, χηµικές εφαρµογές Οξείδιο το µαγνησίου (µαγνησία, MgO) 5000-60000 >10 000 τόνοι Πυρίµαχα, κατασκευές κλιβάνων, εργαλεία κλιβάνων, ηλεκτρικές και ηλεκτρονικές εφαρµογές Οξείδιο του ζιρκονίου (ζιρκονία, ZrO 2 ) 40000-150000 > 1 000 τόνοι Πυρίµαχα, εξαρτήµατα µηχανών, ηλεκτρικά εξαρτήµατα, µπαταρίες, κλίβανοι πολύ υψηλών θερµοκρασιών Οξείδιο του πυριτίου (πυριτία, χαλαζίας, SiO 2 ) 2000-30000 > 5 000 τόνοι Πυρίµαχα, ηλεκτρονικές, ηλεκτρικές και χηµικές εφαρµογές, προστασία από διάβρωση και φθορά Νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ) 40000-180000 > 1 000 τόνοι Εξαρτήµατα µηχανών και τουρµπίνων, θωρακίσεις Καρβίδιο του πυριτίου, SiC 5000-180000 > 10 000 τόνοι Λειαντικά, θωρακίσεις, αντιστάσεις κλιβάνων, εξαρτήµατα προστασίας από φθορά και διάβρωση ιαµάντι, C 10000-600 εκατοµ. > 100 τόνοι Λειαντικά, εργαλεία, ηλεκτρονικά Σύνθετα κεραµικά (WC- Co, SiC f /SiC, C f /C κλπ) 30000-300000 > 100000 Τόνοι για WC-Co, > 1000 τόνοι άλλα Εργαλεία, εξαρτήµατα µηχανών και τουρµπίνων, ειδικές κατασκευές, θωρακίσεις

ΚΑΤΑΝΟΜΗ ΑΓΟΡΑΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -1

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -2

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -3

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -4

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -5

ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΥΛΙΚΩΝ -6

DESIGN ΥΛΙΚΩΝ Τα Προηγµένα Κεραµικά είναι τεχνητά Υλικά µε συγκεκριµένο design

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ - Ατοµική οµή -1

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ - Ατοµική οµή -2

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ - Ατοµική οµή -3 Θερµοκρασία τήξης σε συνάρτηση µε τό είδος ατοµικού δεσµού Ceramic Compound Melting Point % Covalent character % Ionic character Magnesium Oxide 2798 27% 73% Aluminum Oxide 2050 37% 63% Silicon Dioxide 1715 49% 51% Silicon Nitride 1900 70% 30% Silicon Carbide 2500 89% 11%

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ - Ατοµική οµή -4 οµή Spinel Al-Mg-O οµή κρυσταλλικής πυριτίας (αριστερά) και άµορφης (δεξιά) οµές πλέγµατος σειράς πυριτιακών κεραµικών από SiO4 µέχρι SiO2

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Ατέλειες πλέγµατος Ατέλειες τύπου Frenkel Η ηλεκτρική αντίσταση εξαρτάται από ατοµικές ατέλειες και επιτρέπει την χρήση κεραµικών ως αισθητήρες, καταλύτες, κ.α. Ατέλειες τύπου Schottky Αισθητήρες οξυγόνου για οχήµατα

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ιαγράµµατα Φάσης Το Τριαδικό διάγραµµα Al 2 O 3 MgO SiO 2 Παρουσιάζονται οι βιοµηχανικά σηµαντικές ενώσεις: Μουλιτης, Σπινέλιος, Φοστερίτης, Τάλκης κ.α.

ΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ - Μικροδοµή Μονολιθική Ζιρκονία για θερµικές εφαρµογές Θραυσιγενής επιφάνεια Αλουµίνας Σπινέλιος Al- Mg-O για καταλυτικές εφαρµογές Ενισχυµένο σύνθετο WC-Co για κοπτικά εργαλεία και παραγωγή διαµαντιών Ενισχυµένο σύνθετο SiC/SiC για ακραίες εφαρµογές αεροναυπηγικής

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΠΑΡΑ ΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΕΞΟΡΥΞΗ ΚΑΙ ΜΕΤΑΦΟΡΑ ΠΗΛΩΝ ΚΑΙ ΑΛΛΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΤΗΣ ΜΑΖΑΣ Λείανση, ανάµειξη µε νερόκαι πλαστικοποιητές ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΕΞΟΡΥΞΗ ΚΑΙ ΕΞΑΓΩΓΗ ΜΕΤΑΛΛΕΥΜΑΤΩΝ ΕΞΕΥΓΕΝΙΣΜΟΣ ΚΑΙ ΚΟΝΙΟΡΤΟΠΟΙΗΣΗ ΧΗΜΙΚΗ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΟΝΕΩΝ ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ Ανάµειξη µε πρόσθετα, λείανση ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΤΟ ΧΕΡΙ (καλούπια, τροχός ) Έργα τέχνης, πήλινα ΑΥΤΟΜΑΤΗ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ (συµπίεση, εξώθηση ) Τούβλα, πλακίδια ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ (έγχυση, εξώθηση, συµπίεση, καλούπια ακριβείας ) ΞΗΡΑΝΣΗ (θερµός αέρας, 110 o C, 48 ώρες) ΕΨΗΣΗ (µέχρι 1350 o C για µέχρι 48 ώρες) Καµίνια, σήραγγες, ράουλα, θάλαµοι (κάρβουνο, µαζούτ, αέριο) ΞΗΡΑΝΣΗ (θερµός αέρας, 110 o C, 48 ώρες) ΕΨΗΣΗ (µέχρι 1800 o C για µέχρι 48 ώρες) Σήραγγες, ράουλα, θάλαµοι (ηλεκτρικό, αέριο)

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ -1 Συµπίεση κόνεων σε υψηλές θερµοκρασίες Ισοστατική συµπίεση κόνεων σε υψηλές θερµοκρασίες (HIP) Προσοµοίωση HIP Έγχηση υδαρών µειγµάτων κεραµικών κόνεων (slip casting) Εξώθηση κεραµικών κόνεων σε µείγµα πολυµερών για καταλύτες

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ -2 Αρχές Πυροσυσσωµάτωσης κόνεων ιαδροµές διάχυσης κατά την πυρ/ωση κόνεων Θερµικές παραστάσεις συντελεστών διάχυσης τύπου Arhenius για διάφορα κεραµικά

ΠΑΡΑΣΚΕΥΗ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ -3 Σύνθεση κεραµικών µε στερεά καύση κόνεων (SHS) Εξώθερµη καύσησεπολύυψηλέςt Μετασταθείς φάσεις µε πολλές ατέλειες Πολύ γρήγορη ολοκλήρωση καύσης Σύνθεση καταλυτών, πυριµάχων, µαγνητών, υπεραγώγιµων, κ.α. Χαµηλή κατανάλωση ενέργειας Μετασταθείς φάσεις προσφέρουν πολύ υψηλές καταλυτικές ιδιότητες Έναυση Ολοκλήρωση

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Θραύση και Ενεργειακή απορρόφηση -1 Τα µέταλλα παραµορφώνονται πλαστικά, τα κεραµικά µόνο ελαστικά Ηαντοχή κεραµικών σε θλίψη είναι >15 φορές αυτής σε εφελκυσµό ή κάµψη Επίδραση ατελειών στην αντοχή κεραµικών Χαµηλή υσθραυστότητα Κ

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Θραύση και Ενεργειακή απορρόφηση -2 Αύξηση δυσθραυστότητας (toughening) κεραµικών επιτυγχάνεται µε τηχρήση δευτερογενών φάσεων: ίνες, µεταλλικά και κεραµικά εγκλείσµατα Ινώδη σύνθετα κεραµικά (CMC) SiC f /SiC Η απορρόφηση ενέργειας θραύσης αποδίδει στα CMC εξαιρετική µηχανική συµπεριφορά

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Θραύση και Ενεργειακή απορρόφηση -3 Σύνθετα κεραµικά µε µεταλλικά εγκλείσµατα Al 2 O 3 /Ni

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Θραύση και Ενεργειακή απορρόφηση -4 Απορρόφηση ενέργειας θραύσης µε µετασχηµατισµό Ζιρκονίας ZrO 2 /Y 2 O 3

ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ Θραύση και Ενεργειακή απορρόφηση -5 Aύξηση της κατανάλωσης ενέργειας θραύσης κατά την επιµήκυνση ρωγµών R-curve Behaviour

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Ηλεκτρικές και Ηλεκτρονικές εφαρµογές Υποστρώµατα για ηλεκτρονικά κυκλώµατα Υπεραγώγιµα κεραµικά YBCO Ηλεκτρικές ιδιότητες κεραµικών Material Dielectric constant at 1 MHz Dielectric strength (kv/cm) Air 1.00059 30 ιάφορα ηλεκτρονικά κεραµικά Polystyrene 2.54-2.56 240 Μαγνητικοί φερρίτες Glass (Pyrex) Alumina Porcelain 5.6 4.5-8.4 6.0-8.0 142 16-63 16-157 Titanium dioxide 14-110 39-83

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Ακραίες Θερµικές και Μηχανικές Εφαρµογές -1 Κινητήρες οχηµάτων για υψηλή απόδοση Τουρµπίνες πετρελαιοµηχανών κ.α. Θερµοπροστατευτικά αεροναυπηγικής

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Ακραίες Θερµικές και Μηχανικές Εφαρµογές 2 Θωρακίσεις υψηλής ενέργειας Κεραµικές και κεραµο-σύνθετες θωρακίσεις φθείρουν και σταµατούν τα βλήµατα Κεραµοσύνθετες Θωρακίσεις σώµατος

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ Εσωτερική επίστρωση του Αντιδραστήρα Σύντηξης Επίστρωση θαλάµου περιορισµού Πλάσµατος SiCf/SiC

ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΚΕΡΑΜΟ-ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΟΙ ΑΙΣΘΗΤΗΡΕΣ ΣΤΟ ΜΕΛΛΟΝ Μικροηλεκτροµηχανικές µικρο-συσκευές (MEMs) για οχήµατα και ιατρικές εφαρµογές Βιο-ιατρικές εφαρµογές τεχνητά οστά, δόντια και όργανα Αισθητήρες στον ιαστηµικό σταθµό