«Επιστήμη ΚεραμικώνΥλικών» ΧΕΙΜΕΡΙΝO ΕΞAΜΗΝΟ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΟY ΈΤΟΥΣ 2017-2018 ΤΜΗΜΑ ΕΠΙΣΤΗΜΗΣ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣΥΛΙΚΩΝ, ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΚΡΗΤΗΣ
ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ
ΔΙΔΑΚΤΕΑ ΥΛΗ Εισαγωγή στα Κεραμικά Υλικά. Δεσμοί σε Κεραμικά Υλικά. Δομές σε Κεραμικά Υλικά. Επίδραση χημικών δυνάμεων και δομής στις φυσικές ιδιότητες. Θερμοδυναμική και κινητική. Ατέλειες σε Κεραμικά Υλικά. Διάχυση και ηλεκτρική αγωγιμότητα. Πυροσυσσωμάτωση και ανάπτυξη μικροδομής. Μηχανικές, Θερμικές, Διηλεκτρικές, και Οπτικές ιδιότητες.
Κεραμικά υλικά Χαρακτηρίζονταιτα στερεά υλικά που έχουν υποστεί θερμική κατεργασία σε υψηλές θερμοκρασίες (συχνά>1000 ο C) είτε κατά το στάδιο της επεξεργασίας του είτε κατά το στάδιο της εφαρμογής τους, και αποτελούνται από δύο ή περισσότερα στοιχεία, όπου το ένα από αυτά είναι μη μέταλλο ή μη μεταλλικό στοιχειακό στερεό
Μεταλλικά στοιχεία: στερεά στην θερμοκρασία δωματίου (RT) και καλοί αγωγοί του ηλεκτρικού ρεύματος και τηςθερμότητας. Παραδείγματα Αλκαλικά: Li, Na, K Αλκαλικές γαίες: Ca, Sr Μετάπτωσης: Fe, Ni, Cu Μη μεταλλικά στοιχεία: ομοιοπολικά στερεά που είναι μονωτές ή ημιαγωγοί στην (RT) Παραδείγματα Μονωτές: C, B, P Ημιαγωγοί: Si,Te και αέρια στην (RT) όπως Ν, Ο,He
Παραδείγματα κεραμικών υλικών Οξείδιο του Mg, MgO: μέταλλο (Μg) και μη μέταλλο (Ο 2 ). Σίλικα (Quartz glass) SiO 2 : μη μεταλλικό στερεό (Si) και μη μέταλλο (Ο 2 ). Αλουμίνα Al 2 O 3 : μέταλλο (Al) και μη μέταλλο(ο 2 ). Συνδυασμός των παραπάνω στοιχείων στο υαλοκεραμικό ΜgO-Al 2 O 3 -SiO 2. Καθώς και ενώσεις καρβιδίων (SiC), νιτριδίων (Si 3 N 4 ), άργιλοι κ.α.
ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕ ΜΕΤΑΛΛΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΠΙΝΑΚΑΣ 1: Πλεονεκτήµατα και µειονεκτήµατα κεραµικών υλικών ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Σχετικά χαµηλή πυκνότητα (πιο ελαφριά). Υψηλό σηµείο τήξης (µεγαλύτερο εύρος εφαρµογών υψηλής θερµοκρασίας). Υψηλό µέτρο ελαστικότητας (πιο στιβαρά). Χαµηλή θερµική και ηλεκτρική αγωγιµότητα (µονωτές). Καλή αντίσταση σε θλίψη (πιο ανθεκτικά). Πολύ υψηλή σκληρότητα (πιο ανθεκτικά σε φθορά). Ανώτερη πυρίµαχη, αντιδιαβρωτική και αντιτριβική συµπεριφορά ως συνδυασµός των ανωτέρω ιδιοτήτων. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μικρή αντίσταση σε εφελκυσµό (ψαθυρή συµπεριφορά). Ευθραυστότητα. Εύκολη διάδοση ρωγµών. Μικρή αντοχή σε κόπωση, λυγισµό και κρούση. Μεγάλη επίδραση µικροδοµής και πορώδους στις µηχανικές και φυσικές τους ιδιότητες. Συνήθως υψηλό κόστος παραγωγής.
Μηχανικές Ιδιότητες Ψαθυρή θραύση: σχηματισμός και διάδοση ρωγμών σε μια διατομή του υλικού με διεύθυνση κάθετη προς το εφαρμοζόμενο φορτίο, λόγω τάσεων εφελκισμού ή θλιπτικών (κύρια αιτία η ύπαρξη μικροατελειών) Στατική κόπωση ή καθυστεριμένη θραύση: αργή διάδοση ρωγμών (επηρεάζεται από τις συνθήκες του περιβάλλοντος ιδιαίτερα από την ύπαρξη υγρασίας) Δυσθραυστότητα : αντίσταση στη θραύση Συχνότητα θραύσης Si 3 N 4
Μηχανικές Ιδιότητες Σε θερμοκρασία δωματίου τα κεραμικά υλικά που υποβάλλονται σε εφελκισμό σχεδόν πάντοτε θραύονται πριν συμβεί οποιαδήποτε ελαστική παραμόρφωση.
Αντοχή σε κάμψη Εγκάρσια Δοκιμή
ΕΛΑΣΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ Τυπική συμπεριφορά τάσης παραμόρφοσης μέχρι θραύσης για το οξείδιο του αλουμινίου και το γυαλί ΠΛΑΣΤΙΚΗ ΠΑΡΑΜΟΡΦΩΣΗ Κρυσταλλικά κεραμικά Μέσω κίνησης διαταραχής Μη κρυσταλλικά κεραμικά Μέσω της ιξώδους ροής
Διάφορα Μηχανικά ζητήματα Επίδραση του πορώδους Ερπυσμός Στην ελαστικότητα του Al 2 O 3 Στην αντοχή σε καμψη του Al 2 O 3 Mε τον όρο «ερπυσµός» δηλώνεται η προοδευτική µε την πάροδο του χρόνου παραμόρφωση (συστολή) του κεραμικού όταν υπόκειται σε σταθερή θλιπτική τάση. Οφείλεται κυρίως στη µετακίνηση των µορίων νερού στους πόρους του από θέσεις υψηλής πίεσης προς θέσεις µικρότερης πίεσης.
ΤΑΞΙΝΟΜΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ Υφίστανται οι ακόλουθες κατηγορίες κεραµικών υλικών: Παραδοσιακά κεραµικά Προηγµένα κεραµικά Γυαλιά Ορυκτά κεραµικά Τσιµέντο.
Α.ΠΑΡΑ ΟΣΙΑΚΑ KΕΡΑΜΙΚΑ (TRADITIONAL CERAMICS) O όρος «παραδοσιακό» δηλώνει κάτι σχετικά συµβατικό, σε αφθονία, εύκολη και φτηνη επεξεργασια, ευρείας χρήσης στην καθηµερινή ζωή για πολλά χρόνια. Υπάρχουν δύο κλάδοι της βιοµηχανίας παραδοσιακών κεραµικών: Ο πρώτος κλάδος χρησιµοποιεί αργιλικά ορυκτά χωρίς άλλες προσθήκες για την παραγωγή δοµικών υλικών (τούβλα, πλακίδια, σωλήνες, κλπ.) σε µεγάλη έκταση παραγωγής. Ο δεύτερος κλάδος αφορά σε κεραµικά αργιλοπυριτικής βάσης, τα οποία παράγονται από πρώτες ύλες που περιέχουν 20% αργιλικά ορυκτά (china clay, ball clay, calcined flind, fendspar). To µίγµα που προκύπτει περιέχει 50-60% άργιλο, υπόκειται σε έψηση σε υψηλή θερµοκρασία (της τάξης των 850-1200 ο C) και προκύπτει υλικό µικροπορώδες φάση µε µικτή δοµή, όπου διακρίνεται κρυσταλλική και υαλώδης φάση. Για τον έλεγχο του πορώδους προστίθεται συνήθως ευτηκτικό υλικό (άστριοι-feldspar) µέχρι ποσοστού ~50%. Το τελικό προϊόν είναι διάφορα είδη πορσελάνης.
Κατηγορίες εφαρµογών και ειδικών χρήσεων παραδοσιακών κεραµικών ΠΙΝΑΚΑΣ 2: Κατηγορίες εφαρµογών και ειδικών χρήσεων παραδοσιακών κεραµικών Κατηγορία Χρήσεις Λειαντικά προϊόντα Πήλινα αντικείµενα Οικοδοµική Υαλουργία Πυρίµαχα προϊόντα Πορσελάνες Τροχοί λείανσης, γυαλόχαρτα, σµυριδόπανα, ακροφύσια αµµοβολής, κλπ. Τούβλα, αγγεία, αγωγοί αποχέτευσης, κλπ. Οικοδοµικά τούβλα, κεραµίδια, σκυρόδεµα, πλακάκια, γύψος, κλπ. Φιάλες, σκεύη εργαστηρίου, τζάµια, κλπ. Πυρίµαχα τούβλα, χωνευτήρια, καλούπια, τσιµέντο, κλπ. Πιατικά, πλακάκια, αγωγοί ύδρευσης, επισµαλτώσεις, κλπ.
ΜΕΛΕΤΗ ΒΑΣΙΚΩΝ ΣΥΣΤΑΤΙΚΩΝ ΑΡΓΙΛΟΠΥΡΙΚΟΥ ΜΙΓΜΑΤΟΣ 1. Άργιλος (Clay) Προστίθεται στο µίγµα µε τη µορφή λεπτών κόκκων, διαµέτρου ~1µm. Είναι ένυδρο πυριτικό αργίλιο (τριµερές σύστηµα): Al 2 O 3, SiO 2 και Η 2 Ο. Μίγµα της µε νερό δίνει εύπλαστη µάζα που διαµορφώνεται εύκολα και διατηρεί το σχήµα της µετά από ξήρανση ή έψηση. Το χρώµα του τελικού προϊόντος εξαρτάται από την περιεκτικότητα της αργίλου σε ακαθαρσίες (οξείδια). Μορφές αργίλου: (α) Καολινίτης (Al 2 O 3 2SiO 2 2Η 2 Ο): Έχει δοµή φυλλιδίων και χρησιµοποιείται στην κατασκευή πορσελάνης, (β) Montmorrilonite (Al5(Na,Mg)(Si2O5)6(OH)4).
2. Πυριτική άµµος (Quartz sand / Flint ) Αποτελείται από µικροσκοπικούς κόκκους άνυδρου SiO 2 (flint). Προστίθεται στην άργιλο, προκειµένου να της αυξήσει τη δυστηκτότητα και να διατηρήσει την πλαστικότητα του τελικού προϊόντος.
3. Προστιθέµενα ευτηκτικά οξείδια (Feldspar) Είναι ενώσεις χαµηλού σηµείου τήξης. Συνήθως χρησιµοποιούνται Κ 2 Ο Αl 2 O 3 6SiO 2 ή Na 2 O Al 2 O 3 6H 2 O. Στο αρχικό µίγµα (υγρή κατάσταση) διαβρέχουν τα σωµατίδια αργίλου και άµµου και ελαττώνουν το πορώδες. Στο τελικό προϊόν αποτελούν την υαλώδη φάση. Στην παρασκευή πορσελάνης χρησιµοποιούνται άστριοι (βλ. και ανωτέρω), οι οποίοι είναι άνυδρα αργιλοπυριτικά ορυκτά που περιέχουν ιόντα K, Na ή Ca. Ανάλογα µε τα σχετικά ποσοστά καολινίτη / χαλαζία / αστρίων προκύπτουν οι διάφοροι τύποι πορσελάνης.
Τύποι πορσελάνης ΠΙΝΑΚΑΣ 3: Τύποι πορσελάνης Τύπος πορσελάνης Καολινίτης Χαλαζίας Feldspar Σκληρή 35-60 20-40 15-25 Ηλεκτροτεχνικών εφαρµογών 37.5 37.5 25 Οικιακών σκευών 49 29 22 Μαλακή 25-35 20-45 30-40 Οδοντιατρική 5 15-35 60-80
Το τριγωνικό διάγραµµα της τριαδικής πορσελάνης (triaxial porcelain) ( ιακρίνονται οι συστασιακές περιοχές για διάφορες εφαρµογές)
Εφαρμογές κεραμικών υλικών από τα παραδοσιακά αργιλοπυριτικά κεραμικά υλικά
Εφαρμογές κεραμικών υλικών στα μοντέρνα κεραμικά υλικά προηγμένης τεχνολογίας
Γενική ταξινόµηση των Εφαρµογών των Προηγµένων Κεραµικών Πίν. 4 Γενική ταξινόµηση των Εφαρµογών των Προηγµένων Κεραµικών. ΧΡΗΣΕΙΣ Ι ΙΟΤΗΤΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ Θερµικές Πυριµαχικότητα, αντοχή σε θερµι- κούς αιφνιδιασµούς, κατάλληλη θερµική αγωγιµότητα (υψηλή ή χαµηλή) Στοιχεία υψηλών θερµοκρασιών, στόµια καυστήρων, θερµαντικά στοιχεία εναλλα- κτών θερµότητας, θερµοµονωτές, υποδοχείς τηγµένων µετάλλων. Μηχανικές Χηµικές / Βιολογικές Ηλεκτρικές / Μαγνητικές Μακρόχρονη αντοχή σε κόπωση, θερµικό αιφνιδιασµό, αντοχή σε τριβή υπό υψηλές θερµοκρασίες Αντοχή σε διάβρωση, βιοσυµβατότητα Κατάλληλη ηλεκτρική αγωγιµότητα (υψηλή ή χαµηλή), διηλεκτρικές, πιεζοηλεκτρικές, ηµιαγώγιµες ιδιό- τητες, κλπ. Αντιτριβικά µέρη, κοπτικά εργαλεία, µέρη µηχανών κινητήρων και τουρµπίνων. Αντιδιαβρωτικά µέρη, καταλυτικοί φορείς, περιβαλλοντική προστασία, αισθητήρες, ιατρικά εµφυτεύµατα. Θερµαντικά στοιχεία, µονωτές, µαγνήτες, υποστρώµατα, ηλεκτρονικά πακέτα, στερεοί ηλεκτρολύτες, υπεραγωγοί. Οπτικές Χαµηλή απορροφητικότητα Λάµπες, οπτικές ίνες, οπτικά παράθυρα.
Γενική ταξινόµηση των Εφαρµογών των Προηγµένων Κεραµικών Ταξινοµήση σε τέσσερις µεγάλες κατηγορίες: Προηγµένα δοµικά κεραµικά. Ηλεκτρονικά κεραµικά Κεραµικές επικαλύψεις Σύνθετα κεραµικά υλικά Με κριτήριο το μη μεταλλικό στοιχείο των ενώσεων τους (O, C, N, Β, Si, F), κατατάσσονται στις ακόλουθες κύριες κατηγορίες: Οξείδια (Al 2 O 3, ZrO 2, UO 2, πυριτικά γυαλιά). Καρβίδια (SiC, B4C, WC, TiC). Νιτρίδια (Si3N4, TiN, AlN, GaN, BN). Βορίδια (ZrB2, TiB2). Πυριτίδια (MoSi2, TiSi2). Φθορίδια (CaF2, LiF).
1. Αλουµίνα (Al 2 O 3 ) Αντιπροσωπεύει το 25% περίπου του στερεού φλοιού της γης, αλλά δεν απαντάται συνήθως µε την ελεύθερη µορφή της. Συνηθέστερες πηγές απ όπου λαµβάνεται η αλουµίνα είναι: ο υδραργιλί- της ή γυψίτης (Al(OH) 3 ), o βωξίτης (Al 2 O(OH) 4 ή Al 2 O 3 2H 2 O) και ο διάσπορος (Al 2 O(OH) ή Al 2 O 3 H 2 O). Μέθοδοι παρασκευής αλουµίνας (α) ΙΕΡΓΑΣΙΑ BAYER (β) ΠΥΡΟΓΕΝΕΤΙΚΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ (γ) ΜΕΘΟ ΟΣ PENIAKOFF (δ) ΜΕΘΟ ΟΣ ΑΡΓΙΛΩΝ (ε) ΧΗΜΙΚΗ ΙΕΡΓΑΣΙΑ
2. Ζιρκονία (ΖrO2) Κρυσταλικές δοµές ζιρκονίας
Γενικά χαρακτηριστικά Κεραμικών Πολύ λεπτή και καλά ελεγχόµενη µικροδοµή. Μεγάλη χηµική καθαρότητα και µικρός αριθµός φάσεων. Υψηλή σκληρότητα. Αντοχή σε υψηλές θερµοκρασίες. Υψηλή αντοχή σε φθορά και διάβρωση. Καλές µηχανικές, ηλεκτροµαγνητικές και οπτικές ιδιότητες, σχετικά µικρή πυκνότητα. Ψαθυρή συµπεριφορά έναντι καταπόνησης και αστοχίας.
Σκοπός μελέτης κεραμικών υλικών Η μελέτη των κεραμικών υλικών αποσκοπεί στην διερεύνηση της δομής και των ιδιοτήτων τους, με απώτερο στόχο την παρασκευή υλικών με βελτιωμένες εφαρμογές και μεγαλύτερη τεχνολογική αξιοποίηση.