400°C

Transkript

400°C

~1990
NANOMATERIÁLY
~1970
INTELIGENTNÍ (SMART) MATERIÁLY
~1950
KOMPOZITNÍ MATERIÁLY ( 1 + 1 >> 2 )
~1930
~3000 př.n.l.
1935 Carothers DuPont
NYLON
KOVY
POLYMERY
Doba bronzová
železná
~8000 př.n.l.
KERAMIKA
mezolit, neolit
Udělejte si srovnání vlastností materiálů základní triády s
ohledem na jejich přednosti a slabiny, zhodnoťte:
•Měrná hmotnost (hustota)
• bod tání (varu), použitelnost při vysokých a nízkých teplotách
•typ vazeb, které se uplatňují v materiálu
•Odolnost vůči prostředí – chemická reaktivita
•Mechanické vlastnosti (koef. tepelné roztažnosti, tvrdost,
křehkost, ….)
•Elektrické a termické vlastnosti (vodivosti, dielektrika,…)
•Ekologické zhodnocení – možnosti likvidace, vliv na ŽP
•Cena vs užitné vlastnosti
•……….
KOVY
•Bod tání široké meze ( olovo 327OC, hliník 659OC, železo
1529OC, wolfram 3 410OC)
•Hustota široké meze (olovo 11 300, hliník a dural 2 700, hořčík
1 750, železo 7 870, wolfram 19 300 kg.m-3 )
•Kovová vazba
•Chemická odolnost většinou nevalná
•Elektrická a tepelná vodivost většinou velmi dobrá (srv. typ
vazby!!)
•…….
KERAMIKA
•Bod tání vyšší až vysoký ( cihly kolem 900OC , žáromateriályšamot nad 1580OC, silikon karbid 2 650OC za rozkladu, nitrid
bóru téměř 3 000OC, grafitová vlákna 3 650O C)
•Tvrdost – vyšší až extrémně vysoká!!
•Kovalentní či iontová vazba
•Chemická odolnost většinou dobrá až vynikající
•Elektrická a tepelná vodivost malá - izolanty (srv. typ vazby!!)
ale keramické supravodiče!!
•…….
KERAMIKA
26 000 let př.n.l.
Pralidé objevili, že směs mamutího tuku
smísenou s kostním popelem a sprašem lze
tvarovat a sušit na slunci za vzniku křehkého a
tepelně odolného materiálu. Tak začíná období
keramiky.
6 000 let př.n.l.
Ve Starém Řecku se poprvé pálí keramika.
Rozvíjí se zejména hrnčířská výroba a
produkty se používají pro skladování, pohřební
účely a jako umělecké předměty.
4 000 let př.n.l.
Ve Starověkém Egyptě bylo objeveno sklo.
Primitivní sklo bylo složeno v křemenného
povlaku (glazury) na slinutém podkladu z
křemene a nejprve se používalo jako součást
šperků. Keramické povlaky se od té doby
používají téměř všude.
50 let př.n.l.- r. 50
V Římě se začíná s výrobou optického skla
(čoček, zrcadel), skleněných tabulek a
vyfukovaných skleněných předmětů. S Říší
římskou se dostává do světa.
Kolem r. 600
Porcelán, první keramický kompozitní
materiál, se vyrábí v Číně. Tento trvanlivý
materiál se vyrábí z jílu, živce a křemene.
Porcelánový střep se využívá na mnoho
výrobků od elektroizolátorů až po stolní
nádobí.
Kolem roku 1870
Během průmyslové revoluce se objevují první
žárovzdorné materiály schopné odolat vysoké
teplotě. Materiály na bázi vápna a MgO se
používají jak pro obyčejné stavební cihly , tak
i žárovzdorné vyzdívky vysokých pecí.
1877
T.A. Edison řídí výzkumný tým zabývající se
poprvé high-tech materiály. Edison testuje
spoustu keramických materiálů z hlediska
jejich odporu pro použití v jeho nově
objeveném uhlíkovém mikrofonu
1889
Založena Americká keramická společnost
materiály s primárním cílem odkrývat záhady
high-tech (vysokoužitkové, speciální)
keramiky
1960
S objevem laseru a pozorováním, že se světlo
dobře šíří sklem, vzniká nový obor zvaný
vláknová optika.Optický světelný kabel
dovoluje, aby světelné pulsy přenášely
obrovské množství informací s minimální
ztrátou energie
1965
Vývoj fotovoltaických článků převádějících
světlo na elektrický proud otevřel nové cesty k
využití sluneční energie.
1987
Byly objeveny keramické supravodiče s kritickou teplotou 92K, tedy překonaly staré
supravodiče o celých 60K!! Možných aplikací
je celá řada, mimo jiné IO v nových rychlých
počítačích.
1992
Objevují se nové inteligentní (chytré, smart)
materiály. Tyto materiály vnímají změnu povrchových podmínek a reagují na ně – podobně
jako lidský organismus. Např. airbag je
spuštěn „chytrým“ senzorem, který registruje
tlakovou změnu po nárazu a transformuje ji na
elektrický impuls
Rozdělení keramiky versus velikost částic surovin
Proces výroby keramiky
•Příprava pracovní hmoty
•Tvarování keramiky
•Sušení a vypálení keramiky
Příprava pracovní hmoty
b) ROZPRACHOVÉ SUŠENÍ
Tvarování keramiky
•Tažením z plastického těsta (cihly, kameninové roury,…)
•Lisováním (z granulátu – prášku)
•Litím do forem (z keramické břečky)
Sušení a vypálení keramiky
•Sušení – nutnost odstranění povrchové a kapilární vlhkosti
•Výpal keramiky – nejdůležitější fáze výroby.
Výrobek získává pevnost – vysokoteplotními reakcemi vznikají nové minerální fáze,
např. mullit 3Al2O3 . 2SiO2, dochází k přeměně krystalických modifikací.
KERAMIKA
Suroviny přírodní (zejména pro klasickou keramiku)
a syntetické (zejména pro technickou – high tech keramiku)
Kaolin (alumosilikát)
SiO2 , Al2O3 , ZrO2 , TiO2, C , nitridy (BN, Si3N4), karbidy, …
KERAMIKA
Rozdělení : oxidická a neoxidická
Oxidická : báze SiO2,, Al2O3, ZrO2, TiO2, MgO, CaO,
ferity MeO.Fe2O3, směsné struktury (Me = kov)
Neoxidická : karbidy, nitridy, boridy, silicidy, ….
Příklady : CrB, TiB2, ZrC, Ti5Si3, TaN, WSe,…
Obecně jsou keramické materiály součástí silikátových soustav, kam
dále patří :
•Sklo (základní báze SiO2 – R2O – RO; např. SiO2 – Na2O – CaO)
•Maltoviny – stavební hmoty ( vápno - výroba viz skripta!!, cement,
sádra,..)
Oxid křemičitý SiO2
•Základní stavební materiál keramiky (spolu s Al2O3)
•Polymorfní (objemové změny modifikací!!), žárovzdorný
•V kaolinu, jílech (plastické suroviny), křemencích, píscích
apod. (neplastické suroviny).
Tetraedry SiO4
•Čistota surovin – např. písky, kaolin - úpravnictví
Oxid hlinitý Al2O3
KORUND !
•Základní stavební materiál keramiky (spolu s SiO2, ale vyšší
žárovzdornost)
•Žárovzdorný, polymorfní
•V kaolinu, jílech (plastické suroviny) a synteticky vyrobený z
Al(OH)3.
Soustava SiO2 - Al2O3
Srovnání tepelných vlastností různých typů materiálů
Material
Melting Temp ·
(Teplota tání °C)
Heat
Capacity
(J/kg · K)
Coefficient of
Linear
Expansion 1/ °
Cx10-6
Thermal
Conductivity
(W/m K)
Aluminum
metal
660
900
23.6
247
Copper metal
1063
386
16.5
398
Alumina Al2O3
2050
775
8.8
30.1
1650
740
0.5
2.0
700
840
9.0
1.7
Polyethylene
120
2100
60-220
0.38
Polystyrene
65-75
1360
50-85
0.13
Fused silica
SiO2
Soda-lime
glass (sklo)
Srovnání bodů tání a % iontovosti vazeb keramických materiálů
Ceramic Compound
Melting Point °
(Bod tání oC)
% Covalent character
% kovalentního char.
% Ionic character
% iontového char.
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%
Keramika SiO2
• křemen - přírodní forma oxidu křemičitého SiO2
• nejčistější forma křemene - křišťál
• tavený křemen je SiO2 v amorfním stavu -vyroben drcením
a tavením přírodních krystalů, nebo tavením křemenných
písků - zrnitá mikrostruktura
• syntetický tavený křemen je též amorfní SiO2 - vytvořen
chemickou vazbou mezi křemíkem a kyslíkem
- má vyšší čistotu a kvalitu v porovnání s taveným
křemenem
Vlastnosti:
•
•
•
•
•
•
•
téměř nulový koeficient tepelné roztažnosti
výjimečně dobrá odolnost proti tepelným rázům
odolnost proti poškrábání
nízká tepelná vodivost
velmi dobrá chemická netečnost
může být leštěný do hladkých povrchů
vynikající optické vlastnosti, propustnost
širokého spektra - zvláště UV propustnost
Parametr
Hodnota
Optické vlastnosti:
• tavený křemen umožňuje propouštění
ultrafialových paprsků
• propustnost je ovlivněna způsobem výroby
a obsahem nečistot – kolísání propustnosti
Al2O3 - základní charakteristika
• Patří mezi oxidovou keramiku
• Obsah Al2O3 se pohybuje od 80 do víc jak 99%
• Nízký podíl skelné fáze
• Nejdůležitější materiál technické oxidové keramiky s
nejširším uplatněním
Výroba
•
Ze syntetického práškového oxidu požadovaných vlastností
•
Příprava směsi
suché mletí
mokré mletí
•
Tvarování

•
Slinování
obvykle při více jak 1500°C
např. použitím metod HP a HIP
suchým lisováním
litím do sádrových forem
horkým litím pod tlakem
injekčním vstřikováním
Výroba
• Příměsi
Směsi s nižším obsahem oxidu hlinitého mají ve vsázce plavený
kaolin či vysoce kaolinitický jíl, mastek nebo uhličitany
alkalických zemin např. CaCO3,MgCO3 a pod.
Směsy s vysokým obsahem oxidu hlinitého nad 99 hmotn. %
se slinují s obsahem 0,1 až 0,5% MgO, který zabraňuje růstu
velkých krystalů na úkor malých
Vlastnosti
• Elektrické vlastnosti
Podskupina
podle
IEC 672
Název
Ztrátový
činitel
při 20ºC
48 až 62Hz
tanδ [10-3]
Permitivita
48 až 62Hz
ε
Průrazné
napětí(min)
Ed [kV*mm-1]
Měrný
odpor
ρ20[Ωm]
C 780
Alumina
80%
1
8
10
1012
C 786
Alumina
86%
0,5
9
15
1012
C 795
Alumina
95%
0,5
9
15
1012
C 799
Alumina
99%
0,2
9
17
1012
Vlastnosti
• Mechanické vlastnosti
Označení
Název
Pórovito
st
Husto
ta
Pevnos
tv
ohybu
Younův
modul
pružnos
ti
Tvrdost
podle
Vickers
Vrubová
houževn
atost
max.
Vol.%
[gcm3]
[Nmm2]
E
[GPa]
[103Nmm
-2]
KIC
[MPam]
C 780
Alumina
80%
0
3,2
200
200
12-15
3,5-4,5
C 786
Alumina
86%
0
3,4
250
220
12-15
4-4,2
C 795
Alumina
95%
0
3,5
280
220350
12-20
4-4,2
C 799
Alumina
99%
0
3,7
300
300380
17-23
4-5,5
Vlastnosti
• Tepelné vlastnosti
Označení
Název
Lineární koeficient
roztažnosti
30 - 100°C
[10-6K-1]
30 - 600°C
[10-6K-1]
Součinitel
tepelné
vodivosti
Maximální
teplota
použití
[Wm-1K-1]
[°C]
AI2O3
Alumina 80
%
5-7
6-8
10 - 16
1400 - 1500
AI2O3
Alumina 86
%
5,5 - 7,5
6-8
14 - 24
1400 - 1500
AI2O3
Alumina 95
%
5-7
6-8
16 - 28
1400 - 1500
AI2O3
Alumina
>99 %
5-7
7-8
19 - 30
1400 - 1700
Vlastnosti
• Chemická odolnost
HCl
HCl
HNO2
HNO2
H2SO3
H2SO3
(ř)
(k)
(ř)
(k)
(ř)
(k)
+
(*)
+
(*)
+
+
(*)
+
+
(*)
+ odolné (až do teploty)
- koroduje
H3PO4
+
(20ºC)
HF
-
NaOH
KOH
(r)
(r)
0
(*)
+
(*)
NaCl
KCl
CuCl2
+
(*)
+
(*)
(*) var
0 proběhne reakce
Použití korundové
keramiky
• Díky dobrému poměru cena/výkon a celkově užitných
vlastností je korundová keramika užívána v:
¾elektrotechnice
¾elektronice
¾konstruování strojů
¾chemickém průmyslu
¾medicíně
¾vysokoteplotních aplikací
keramiky
Elektrotechnika:
Nízkonapěťová
Díky svým výborným izolačním vlastnostem se využívá např.
na:
¾ Objímky pojistek
¾ Objímky žárovek
¾ V topných spirálách
Vysokonapěťová
Je zde vyžadovaná vysoká elektrická a mechanická, pevnost
odolnost proti korozi a svodovým proudům
¾ Izolační kryty
¾ Tyčové izolátory
¾ Vrchní kabelová izolace
keramiky
Těla rezistorů
keramiky
• Elektronika:
¾ nosný podklad
¾ komponenty velkých izolátorů
¾ obal tyristoru
• Piezo keramika
Výjimečnou charakteristickou vlastností je přeměna
tlaková síla
elektrický impuls
a to změnou
elektrického pole
Využití:
¾ elektroakustický snímač
¾ průtokoměr
¾ frekvenční filtr
keramiky
Substráty z korundové keramiky
Různé piezo-keramické části
keramiky
Konstruování strojů:
Textilní průmysl - zde se využívá vlastností jako je:
¾ otěruvzdornost
¾ dostatečná hladkost povrchu
Použití:
•
•
•
•
ouška jehel
háky
válce
vedení nití
Nářadí – nástroje z technické keramiky se často využívají pro
tváření kovů
(dovoluje např. zvýšení řezné rychlosti)
keramiky
části pro obložení
keramiky
Chemický průmysl:
díky své kombinaci vlastností je keramika v tomto odvětví
nenahraditelnou (vynikající korozivzdornost, žárupevnost,
odolnost vůči některým chemikáliím)
Příklady použití:
¾ tavící kelímky
¾ těsnící kroužky
¾ katalyzátory
¾ filtry
¾ části pro řízení plynu(trysky,..)
¾ vyzdívky
keramiky
Medicína:
Technická keramika je zde využívána pro svoji
kompatibilitu s tkání a odolnosti proti opotřebení
Použití:
¾sluchová kůstka
¾stomatologický štěp
¾endoprotéza kyčelního kloubu
¾ramenní kloub
BIOLOX®forte ball heads
Features of BIOLOX®forte ball heads
•28 mm to 54 mm ball head diameter
(other sizes available upon request)
•Various neck length options
•Various taper types
•BIOLOX®forte can be used in
combination with cup inserts made of
BIOLOX®forte, BIOLOX®delta as well
as polyethylene and highly cross-linked
polyethylene.
BIOLOX®forte Cup Inserts CeraLock
Long term secure fixation of the cup insert in
the metal acetabular shell is achieved by
means of the CeraLock® fixation concept. This
fixation concept relies upon the correct
positioning by the surgeon of two speciallydesigned conical tapers, one on the outer
surface of the cup insert and one on the inner
surface of the metal acetabular shell. This
concept allows not only for fixation, but also for
interoperative interchangeability. Such
interchangeability allows the surgeon to
optimise the system being implanted.
keramiky
Vysokoteplotní průmysl:
vysokoteplotní procesy – procesy nad 1000˚C
potřeba otěruvzdorných a korozivzdorných materiálů i za vyšších
teplot
zvýšení efektivity a snížení nákladů
Příklady využití:
¾ nosné válce
¾ žárnice(žárová trubka)
keramiky
Vybavení pecí(stojany a nosníky)
Závěrečné shrnutí – Al2O3
• Dobrý poměr cena/výkon
• Výborná kombinace užitných vlastností
• V mnoha oblastech nahrazuje kovy
• Možnost vytváření nových kompozitů
• Budoucnost nejen technického odvětví
Keramika na bázi ZrO2
• Oxidová keramika – materiály tvořené
úplně nebo převážně jediným
žárovzdorným oxidem
• Al2O3 (ve formě α, zvané korund), BeO,
MgO, ZrO2, ThO2, UO2 aj.
• Nejvyšších pevností se dosahuje u slinutého
Al2O3, následuje BeO a stabilizovaný ZrO2.
Nejdůležitější surovinou pro přípravu ZrO2
je minerál zirkon, což je křemičitan
zirkoničitý ZrSiO4
Používá se 75 – 99 % ZrO2.
Lokality: Austrálie, USA, Brazílie a v Indie
Dalším zdrojem ZrO2 je minerál baddeleyit
ZrO2, který se těží v ojedinělém nalezišti
v Jižní Africe (v ČR: ZrO2 + Hf + U)
2700 °C
tav.
2370 °C
kubická
(c- ZrO2)
950 °C
tetragonální
monoklinická
(t- ZrO2)
1175 °C (m- ZrO2)
ZrO2
modifikace
c-ZrO2
t- ZrO2
m- ZrO2
kubická
hustota ρ Oblast
(g . cm-3) stálosti (°C)
6,27
2300-2700
tetragonální
6,10
monoklinická 5,68
1100-2300
do 1100
•
Na teplotu přeměny má vliv mnoho faktorů, např. způsob přípravy,
příměsi, tepelná historie aj
• Za normální teploty a tlaku je stabilní monoklinická modifikace, která
se silně smršťuje a přechází v tetragonální modifikaci při přibližně
1100°C a při ochlazování naopak objem roste
• Největší praktický význam má přeměna tetragonální modifikace ZrO2
na monoklinickou - tato přeměna je nazývaná také přeměnou
martenzitickou, protože se velmi podobá přeměně martenzitu v ocelích
• Změna objemu zrn činí 3 až 5 %, teoreticky až 8 %. Tak veliká změna
objemu zrn v keramickém materiálu vede ke vzniku trhlin.
Stabilizace ZrO2
• Při přípravě zirkoničité keramiky je třeba vyrušit
nepříznivý účinek martenzitické přeměny. Toho je možné
docílit stabilizací vysokoteplotní modifikace ZrO2.
• stabilizace kubické modifikace c-ZrO2 přídavky oxidů
ytritého Y2O3, vápenatého CaO a hořečnatého MgO
v množství 5 až 15 hmotn. %.
• další oxidy La2O3, Nd2O3, Se2O3, ThO2, TiO2, UO2, CeO2,
MnO.
Výhody:
• Vysoká žáruvzdornost
• Chemická odolnost vůči korozi a erozi při styku se
struskou a tavidly
• Vysoká elektrická vodivost při vysokých teplotách
• Vysoká pevnost a houževnatost
• Odolnost proti opotřebení
• Obrobitelnost
Nevýhody:
• Přeměna m-ZrO2 na t- ZrO2 za značné objemové
změny (z 5,68 na 6,10 g.cm-3)
• Plně stabilizovaná keramika se špatně slinuje ⇒
přídavek plaveného kaolinu
Použití:
•
•
•
•
•
Chirurgické implantáty
Elektronická čidla
Keramické topné články
Břitové destičky
Polotovary pro výrobu přístrojových ložisek a
měřících přístrojů
Břitové destičky
Polotovary pro měřící přístroje
TiO2
•
•
Ti(IV)O2 – oxid titaničitý
Krystalová struktura:
1. rutil (vyšší teploty)
2. anatas (nižší teploty)
3. brookit (přírodní minerály)
Mechanické vlastnosti
• dobré mechanické
vlastnosti
• velká teplotní stabilita
(Ttání = 1585°C )
• elektrická vodivost při
pokojové teplotě
hustota
porovost
4 gcm-3
0%
pevnost v lomu
140MPa
pevnost v tlaku
680MPa
lomova houzevnatost
modul pruznosti ve smyku
modul elasticity
mikrotvrdost (HV0.5)
resistivita (25°C )
resistivita (700°C )
relativni permitivita (1MHz)
dielektricka pevnost
teplotni roztaznost (RT-1000°C )
tepelna vodivost (25°C )
3.2 Mpa.m-1/2
90GPa
230GPa
880
1012 ohm.cm
2.5x104 ohm.cm
85
4 kVmm-1
9 x 10-6
11.7 WmK-1
Optické vlastnosti
•
Vynikající optické vlastnosti
1. velký index lomu (n = 2,9) !!!!
2. Fotoaktivita – obrovské možnosti využití
TiO2 – bílý pigment
•
•
•
•
světově nejrozšířenější bílý pigment
(přes 3 miliony tun)
rutil – index lomu až 2,9 Î převažuje nad
anatasem
rudné suroviny – příměsi Î nutné chemické
zpracování
Î dva různé procesy
1. sulfátový-56%
2. chloridový-44%
NEOXIDOVÁ KERAMIKA - SiC
Naše firma je dceřinnou společností německé firmy
CeramTec AG, světové špičky v oblasti technické keramiky a
speciálních materiálů. Exportujeme do celého světa produkty
pro odvětví stavby strojů, přístrojů a zařízení, chemie,
ochrany životního prostředí, energetiky, automobilového
průmyslu a dalších.
Závod v Šumperku je specializován na
výrobu součástí ze sintrovaného (SSiC) a
infiltrovaného (SiSiC) karbidu křemíku a
opracování těsnících destiček z Al2O3.
Oblasti využití vyspělé keramiky z karbidu křemíku :
Těsnící kroužky
Díky výborným kluzným vlastnostem, vysoké tvrdosti,
otěruvzdornosti, chemické odolnosti jsou materiály SiSiC a
SSiC výborným řešením pro kluzné kroužky v mechanických
ucpávkách. Životností násobně překonávají materiály na bázi
grafitu a výborně odolávají působení chemických médií. Jistou
nevýhodou SiC materiálů v této aplikaci je nízká výdrž při
výpadku mazání. Díky jedinečné technologii je možné dodávat
kluzné kroužky až do průměru 850 mm z jednoho kusu.
Trysky
Díky vysoké odolnosti vůči otěru, erozi a chemické
odolnosti, jsou keramické trysky stále časteji nasazovány
tam, kde ostatní materiály vykazují nízkou životnost.
Typickým případem jsou rozprašovací trysky užívané v
chemickém průmyslu nebo v odsiřovacích jednotkách
uhelných energetických zdrojů.
Hořáky
Vysoká teplotní odolnost (1350 resp. 1500 st.) umožňuje aplikaci
vyspělé keramiky do hořáků - jako koncovky.
Kluzná ložiska
Díky výborným tribologickým vlastnostem jsou SiC materiály
velmi vhodné pro kluzná ložiska.
Třídící a mlecí technika
Třídící kola zatížená abrazí, díky vlastnostem karbidu křemíku,
dosahují výborných výsledků.
Armatury
Do náročných podmínek chemické výroby, energetiky,
zpracování rud, papírenské výroby jsou dodávány keramické
kulové ventily, části potrubí, vložky do namáhaných
potrubních částí
Pracovní části čerpadel
vřetena, lopatková kola
Speciální výrobky
Ve všech strojírenských oblastech je možné výhodně aplikovat
keramické prvky, které zvýší životnost zařízení, případně zcela nahradí
klasické materiály v náročných podmínkách s kombinací zátěže (teplota,
koroze, otěr, eroze ..).
Vlastnosti materiálů SSiC a SiSiC
CeramTec Šumperk vyrábí dvě základní materiálové modifikace z karbidu
křemíku (SiC) :
- infiltrovaný (reaction-bonded) karbid křemíku - SiSiC hrubozrnný (Rocar
SiG),
jemnozrnný (Rocar SiF)
- slinovaný (sintered) karbid křemíku - SSiC (Rocar S1)
Oba materiály vynikají vysokou teplotní odolností, velmi nízkým koeficientem
teplotní roztažnosti, velmi vysokou tvrdostí, otěruvzdorností, vysokou korozní
odolností, nízkou měrnou hustotou, nepropustností pro plyny a kapaliny,
výbornou tepelnou vodivostí, výbornými kluznými vlastnostmi a mezi
keramickými materiály vysokou odolností vůči teplotním šokům.
SiSiC hrubozrnný - Rocar SiG
SiSiC jemnozrnný - Rocar SiF
SSiC - Rocar S1
Rozdíly :
- SiSiC je klasickým materiálem s širokým spektrem uplatnění v aplikacích, kde
nevyhoví levnější vyspělé materiály (kompozity, grafit, Al2O3- korund apod.). Chemická
odolnost je omezena do 10 pH. Drsnost neobrobeného materiálu je pod Ra 6,3.
- SSiC materiál má vyšší užitnou hodnotu, díky vyšší teplotní a chemické
odolnosti (v celém rozsahu pH - dle chemické odolnosti).
- Výrobní náklady jsou vyšší než u SiSiC, proto nalezne uplatnění v
nejnáročnějších aplikacích materiálů z karbidu křemíku. Drsnost neobrobeného
materiálu je Ra 0,8-1,6.
Výhody materiálů SiC :
- při vhodné aplikaci násobně vyšší životnost než klasické kovové materiály
- podstatné prodloužení servisních intervalů
- úspora nákladů na údržbu
- vysoká odolnost proti otěru
- trysky, ventily, čerpadla v chemickém průmyslu pro abrazivní suspenze
- umožnění konstrukčních řešení, která bez těchto materiálů nejsou možná
- nízká měrná hmotnost (přibližně odpovídající duralu)
- odlehčení částí strojů
- minimalizace teplotních vlivů na přesnost optických či měřících zařízení
Nevýhody :
- křehký materiál
- vyšší cena
- částečná vodivost
Konstrukční doporučení pro optimální využití SiC keramiky :
- v návrhu využít namáhání v tlaku
- eliminovat bodové zatížení a mechanické rázy
- minimalizovat tahová napětí
- eliminovat napěťové koncentrace
- zaoblit hrany
- náchylnost k tvorbě odštipků
- usilovat o jednoduché geometrie s pokud možno konstantní sílou stěny
při zabudování keramického dílu do kovových součástí zohlednit rozdílné teplotní
roztažnosti kovů a keramiky (riziko destrukce keramického dílu)
- optimalizovat tolerance a drsnost povrchu dílu tak, aby se minimalizovalo broušení
keramiky jen na funkční plochy a rozměry - výrazný vliv na cenu výrobku
Klíčové faktory ovlivňující cenu výrobku z SiC:
- volba materiálové varianty (SiSiC nebo SSiC)
- přesná definice provozních podmínek
- složitost tvaru
- tolerance (zejména nefunkčních rozměrů)
- požadavky na všeobecnou drsnost
- velikost série (kusová výroba 1-5 ks, malosériová 5-500 ks, sériová ca.500 ks a
více)
Přehled materiálů užívaných pro výrobu těsnících kroužků v mechanických ucpávkách :
- kovy - snadná výroba, nízké užitné vlastnosti
- grafit - výborné kluzné vlastnosti (samomazný), odolný vůči korozi, není odolný vůči
abrazi
- wolfram karbid - houževnatý, tuhý, odolný vůči abrazi, nízká odolnost vůči korozi
- Al2O3 (alumina, korund) - odolný vůči abrazi, tuhý, nízká odolnost na teplotní šok
- karbid křemíku - odolný vůči abrazi, tuhý, odolný vůči korozi, vysoký výkon (vysoký P-V
faktor - oběhová rychlost, tlak), křehký
- povlaky - výhodná aplikace, tendence k oddělování vrstvy od nosiče, díky omezené
tloušťce vrstvy dochází rychle k prodření
New concepts for metal/ceramics composites
Especially in automotive construction, the spectrum of applications for light-metal
components is growing more and more: at the same time, however, these components are
having to work under ever more punishing conditions. The solution is to reinforce the
lightweight components with high-performance ceramics at exactly those high-stress
locations.
For composites from metal and ceramics (Metal Matrix Composites, MMC or Ceramic Matrix
Composites, CMC), a metallic substrate with ceramic hardened particles is used as
reinforcement. The low weight of the metal can thus be combined with the resistance of
ceramics under tribological, mechanical and thermal loads.
Highly porous preforms are infiltrated by the light metal during the casting process and thus
assure a seamless transition between metal and ceramic material.
Application potential
By locally reinforcing the cylinder
sleeves in the engine block of the
Porsche Boxster and 911,
CeramTec AG has not only proven
the proper functioning and
efficiency of MMC preforms on a
series-production scale, but also
created a completely new class of
composites. This taps a range of
applications hitherto inaccessible
to ceramics.
Seal rings in high-performance ceramics live longer
Wherever fluids are pumped,
compressed or stirred, it is the
bearings and face seal rings that
concern design engineers in
particular. The type of material used
for these parts has a vast impact on
operational reliability and durability,
especially when critical media are
involved.
Due to their outstanding chemical
and physical properties as well as
their homogeneous microstructure,
our high-performance ceramics have
in many instances displaced
conventional materials. Their
functional reliability is the outcome of
such factors as:
•high wear resistance
•corrosion resistance
•ability to withstand high
temperatures and
•imperviousness to sudden
fluctuations in temperature.
Srovnání některých vlastností
Závislost pevnosti v ohybu na hustotě
Závislost tvrdosti na modulu pružnosti
Závislost pevnosti v ohybu na tvrdosti HV10
Závislost pevnosti v ohybu na tepelné vodivosti
Koeficient roztažnosti v závislosti na tepelné vodivosti
Závislost pevnosti v ohybu na součiniteli roztažnosti
Bentonit – jílová hornina
• ↑hodnota výměny kationtů
• bobtnání
• ↑plastičnost
Využití v mnoha oborech:
- Slévárenství
- Stavebnictví
- Chemický průmysl
- Čištění odpadních vod
3/24
Montmorillonit (MMT)
(1/2Ca,Na)0,25–0,6(Al,Mg)2Si4O10(OH)2 · nH2O
•destičkový tvar částic
•velký měrný povrch
4/24
Schématický průběh změn
ve struktuře
při modifikaci organickými barvivy
základní
Interkalovaný jíl Exfoliovaný jíl
↓
↓
seskupení jílu
Došlo k rozdružení
jednotlivých vrstev
jílu
Jíl nabobtná natolik,
že vrstvení přestává
být organizované
7/24
PŘÍPRAVA ANORGANICKO-ORGANICKÝCH
HYBRIDŮ
MMT lze modifikovat organickými látkami díky vyměnitelnosti kladně
nabitých iontů v mezivrstvé mezeře.
Obr. 5
8/19
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu
Supravodiče I. typu
Kovové a nekovové prvky
Vodivé za normální teploty
Splňují podmínku BCS teorie
Vyžadují nižší teploty
Vykazují ostrý přechod
Diamagnetismus (M-O efekt)

Olovo
Lanthan
Rtuť
Cín
Zinek
Zirkon
Titan
Uran
Tc = 7,19 K
Tc = 4,88 K
Tc = 4,15 K
Tc = 3,72 K
Tc = 0,85 K
Tc = 0,61 K
Tc = 0,40 K
Tc = 0,25 K
20
Supravodiče II. typu
Kovy, slitiny, intermetalické
sloučeniny, keramika na bázi
perovskitů
Vyšší kritické teploty
Vyšší kritická magnetická pole

Uhlík, Niob Tc = 9,25 – 15 K
NbTi, Nb3Sn Tc = 9,80 – 19 K
Tc = 39 K
MgB2
Vysokoteplotní (HTS) keramika:
(La1.85Ba0.15)CuO4 Tc = 30 K
LaCaCu2O6+
Tc = 45 K
Tc = 93 K
YBa2Cu3O7
TlBa2Ca3Cu4O11
Tc = 118 K
16
Příprava supravodiče typu YBa2Cu3O7

Supravodivost: vrstvy kyslíku a mědi v krystalové mřížce
Struktura YBCO 1-2-3 + šupinková
struktura O7
Využití

Přenos elektřiny:
rozvodné sítě, generátory,omezovač chyb
akumulační systémy D-SMES

MRI: SQUID

Urychlovače částic

Vojenství:
SQUID, dráty a antény, E-bomby,
elektrické motory

Rychlé elektronické přepínače:
Josephsonovy supravodivé spoje

Magnetická levitace: MAGLEV
18
Použitý postup
Využití metody Shake and Bake (Protřepat a vypálit)
1. Promíchání chemických sloučenin
11,29 g
Y 2O 3
BaCO3 39,47 g
CuO
23,86 g
15
14
Použitý postup
2. Kalcinace: počáteční vypálení (Odstranění CO2)
a) Výdrž na teplotě 925 – 950°C (940°C) 18 – 24 hodin (22 hod.)
b) „Rychlé“ chlazení
YBa2Cu3O6,5 - černé barvy
13
Použitý postup
3. Střední vypálení (Odstranění CO2, H2O, sycení O2)
a)
b)
c)
d)
e)
Drcení
Výdrž na teplotě 925 – 975°C (950°C) 18 hodin (18 hod.)
Při 500°C slabé proudění kyslíku
Ochlazování 100 – 250°C / 1hod (150°C / 1 hod = 5,5 hod)
Odpojení kyslíku při 400°C
12
Použitý postup
4. Konečné kyslíkové žíhání (sycení O2)
a)
b)
c)
d)
e)
Drcení (černý vzorek)
Výdrž na teplotě 950 – 1000°C (970°C) 18 hodin (18 hod.)
Při 400°C silné proudění kyslíku
Ochlazování pod 100°C / 1hod (90°C / 1hod = 10,8 hod)
Miska z Al2O3 se
vzorkem při 970°C
Vzorek 1
Použitý postup
Metoda Shake and Bake – zrychlený postup
1. Promíchání chemických sloučenin
2. Kalcinace: počáteční vypálení (Odstranění CO2)
3. Konečné vypálení (sycení O2)
a)
b)
c)
d)
e)
Drcení (černý vzorek)
Výdrž na teplotě 950°C – 22 hodin
Při 500°C silné proudění kyslíku
Ochlazování pod 94°C / 1 hod
Vzorek 2
11
Dosažené výsledky
Meissner-Ochsenfeldův efekt
10
Dosažené výsledky
Meissner-Ochsenfeldův efekt
9
Díky za pozornost!!