Keramika

Keramika
Technická univerzita v Liberci
Nekovové materiály, 5. MI
© Doc. Ing. K. Daďourek
2008
Tuhost a váha materiálů
• Keramika má
největší tuhost z
technických
materiálů
• Keramika je
lehčí než kovy,
ale těžší než
kompozity
Děje při změně teploty
• Výroba z taveniny
pomalým ochlazováním –
krystalizace - kovy
• Výroba z taveniny
rychlým ochlazením až
pod teplotu zeskelnění –
skla
• Výroba bez roztavení, jen
ohřátím do oblasti pod
teplotu tání – slinování keramika
Základní vlastnosti keramiky
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Vysoký bod tání, netaje při jedné teplotě
Vysoká chemická odolnost- především oxidy
Vysoká žáruvzdornost –určí ji teplota výpalu
Tepelný a často i elektrický izolátor
Vysoká odolnost opotřebení – tvrdost
Vysoká pevnost, především v tlaku
Malá odolnost rázům – mechanickým i tepelným
Značná křehkost, minimální trvalá deformace
Vysoká odolnost tečení
Porovnání mineralografické a
technické tvrdosti
Ocel má tvrdost 200 až 1000 HV
Vliv velikosti krystalů na jejich
pevnost
• Pevnost roste
s klesající
velikostí
krystalků
• Tento růst je
velmi silný –
až řádový
Závislost pevnosti na teplotě
• Keramika si udržuje
svou pevnost do
vyšších teplot než
kovy
• Tento fakt obzvlášť
vynikne při
porovnání s teplotou
výroby materiálu
Vliv pórovitosti a velikosti částic
keramiky na pevnost
• Zpočátku převládá růst
pevnosti v tlaku s
klesajícím rozměrem
krystalků
• Následuje prudký
pokles pevnosti díky
rostoucí pórovitosti
• Vliv je největší při
nízké teplotě
• Optimální je asi 3 %
pórů
Fázový diagram SiO2
Příklad látky s velmi proměnnou strukturou
Základní přeměny v SiO2
Porovnání pro kysličník křemičitý
– SiO2
• Teplota tuhnutí je 1713 oC
• Extrémně pomalým ochlazováním vznikají krystalické fáze :
krystobalit, tridymit, křemen
• Zrychleným ochlazováním se dá tavenina snadno podchladit až
pod teplotu zeskelnění 600 oC, tím vznikne křemenné sklo
• Dlouhodobým ohřevem křemenného skla nad teplotu 1050 oC
dojde k jeho krystalizaci – odskelnění
• Spékáním drobných krystalků křemenného písku při 1400 oC
(300 K pod teplotou tání) vznikne keramika – zpravidla
označovaná jako dinasová
Rozdělení keramiky
Podle složení :
• Kysličníková - oxidová
• Neoxidová
• Podle čistoty :
- Směsná – z přírodních surovin
- Čistá – stálé vlastnosti, drahá
- Podle účelu:
- užitková
- konstrukční (HiTech, Advanced)
Keramická výroba –
principy tradiční výroby
• Z malých nerozpustných částic vzniká ve vodě lehko
tvarovatelná suspenze
• Malé částice zahřáté na 60 až 90 % teploty tání tvoří
mezi sebou difuzní můstky- spékání, vypalování
• Struktura je po vypálení složena z krystalků, mezi nimiž
jsou difuzní můstky a póry
• Při vyšší teplotě vypalování může vznikat skelná fáze
Postup tradiční výroby keramiky
•
•
•
•
Příprava prášku – mletí suroviny
Příprava břečky – suspenze prášku ve vodě
Tvarování výrobku – ruční, strojní
Sušení výrobku – až na kritickou vlhkost, při níž se částice
již dotýkají- hlavní smrštění
• Vypalování – desítky hodin při 1000 až 1400 oC – vznik
difuzních můstků v místech dotyku
Nejčastější směsná keramika
Keramické suroviny - živec
• Tvoří až 60 % Zemské
kůry.
• Draselný živec :
KAlSi3O8
• Má jednu monoklinickou
a dvě triklinické
krystalické modifikace
Keramické suroviny - kaolin
• Zvětralý minerál kaolinit
• Chemické složení :
Al4(OH)8Si4O10
• Krystalizuje v triklinické
soustavě
• Vzniká hydrolyzou živce :
4 KAlSi3O8 + 6 H2O
→ Al4(OH)8Si4O10 + 8 SiO2 + 4
KOH
Užitková keramika
Děje při vypalování
směs živec + křemen + kaolin
Směsná elektrokeramika
Vysokoteplotní keramika
Keramika s nízkou
tepelnou roztažností
Li2O má záporný koeficient teplotní roztažnosti
Diagram vpravo pro keramiky na červené čáře
Směsná stavební keramika
Vliv čistoty materiálu
• Čím čistší je základní
surovina, tím je pevnost
vyšší a méně klesá s
teplotou
• Zde pro korund – Al2O3
• Kromě toho jsou všechny
vlastnosti
reprodukovatelnější
Speciální metody přípravy
• CIP – izostatické lisování za studena
• HIP – izostatické lisování za tepla
• Reakční slinování :
C v parách Si dá SiC,
Si v dusíku dá Si3N4
Zr na vzduchu při 1200 oC dá ZrO2
• Důvod : potlačení pórovitosti
Oxidová keramika
• Korundová – Al2O3
• Zirkoniová – ZrO2
• Rutilová – TiO2
• Ferity – kysličníky železa
• Pokud chceme používat i pro vyšší teploty, v oblasti
použitelnosti by neměl být fázový přechod
Korundová keramika
Je to alfa fáze Al2O3, bod tání 2044 oC
Hustota 4 g/cm3
Youngův modul 360 GPa – velký, 1,7 násobek oceli
Pevnost 3000 MPa v tlaku, 400 MPa v ohybu, 150 MPa v tahu
Tvrdost nad 2000 HV, vysoká otěruvzdornost
Elektrický izolátor
Žáruvzdorná, použitelná do 2000 oC
Vysoká tepelná vodivost 1720 W/mK dává vysokou odolnost
tepelným šokům ( hliník má 240 W/mK)
• Malá lomová houževnatost 2 MPam1/2 - křehký
• Vysoká chemická odolnost
• Užití : brusný materiál, biokeramika, řezná keramika
•
•
•
•
•
•
•
•
Zirkoniová keramika
Alfa fáze ZrO2, teplota tání 2680 oC
Hustota 6 g/cm3
Youngův modul 180 GPa – malý
Pevnost v ohybu až 500 MPa
Tvrdost 1300 HV
Elektricky vodivá nad 1000 oC
Nízká tepelná vodivost 2 W/mK – tepelný izolátor, neodolává
tepelným šokům
• Střední lomová houževnatost 8 MPam1/2, dá se zvýšit částečnou
stabilizací – PSZ. Houževnatá keramika
• Základní typ konstrukční keramiky, ale :
• Užití komplikuje jeho polymorfizmus
•
•
•
•
•
•
•
Fázové přeměny zirkoniové
keramiky
• Alfa fáze má o 5 % větší
objem než beta fáze
• Kysličníky MgO, CaO
stabilizují vysokoteplotní
fáze i při nižší teplotě
• 5 – 15 % MgO – stabilizace
krychlové fáze - SZ
• Užití do 2400 oC při
stabilizaci CaO – pak až do
pokojové teploty kubická
gama fáze, jinak použitelný
jen do 1000 oC
Mechanismus
zpevnění
PSZ keramiky
-Partially Stabilized Zirconia
– 3 – 5 % MgO,
bez napětí je beta fáze – má menší objem
- Pod vlivem elastické energie dojde k překrystalizaci na alfa
fázi – větší objem
• A – iniciace trhliny
• B – šíření trhliny
Kroužky bílé – beta
fáze
Kroužky černé – alfa
fáze
Šipky – tlaková napětí
zavírající trhlinu
Vlastnosti PSZ keramiky
• Zvýšení ohybové pevnosti z 500 na 1000 MPa.
• Použití do 2300 oC.
• Na keramiku vysoká lomová houževnatost – nad 10 MPam1/2 .
• Tvrdost 1700 HV
• Základní typ konstrukční keramiky
Příklady použití čisté keramiky
Feritová keramika
•
•
•
•
Je to elektrický izolátor
Má ferimagnetické vlastnosti – podobné feromagnetickým
Základem je kysličník železitý.
Magneticky měkké ferity – na anteny a transformátory – MgOMnO-Fe2O3
• Magneticky tvrdé ferity – na trvalé magnety – BaO-Fe2O3, CoOFe2O3
Speciální biokeramika
• Biodegradovatelná bakteriemi
– CaO-Al2O3
• Umělé kosti – CaHPO4 – kyselý fosfát vápníku – srůstá
s kostí
• Na kloubní protézy se dnes začíná používat korund.
Neoxidová keramika
• Má nižší chemickou odolnost, především proti oxidaci
• Většinou ji nelze roztavit, při vysoké teplotě dochází k
jejímu rozkladu)
• Spékání při její výrobě musí většinou probíhat v
atmosféře bez kyslíku
• Zpravidla není elektrický izolátor, buď má polovodivé
chování, nebo je vodivá jako kovy
• Ve většině případů jde o karbidy nebo nitridy kovů
• Vazba kovalentní až kovová.
Karborundová keramika
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Karbid křemíku SiC
Výroba redukcí SiO2 koksem
Čistý je šedivý, méně čistý zelený
Bod rozkladu na Si a C je 2700 oC
Na vzduchu oxiduje od 1000 oC, maximální použitelnost 1600 oC
Hustota 3,1 g/cm3
Youngův modul 450 GPa – vysoký, více než dvojnásobek oceli
Pevnost v ohybu 550 MPa
Tvrdost 2400 HV – více než korund
Elektricky vodivý – s přebytkem Si silitové topné tyče
Tepelná vodivost 100 W/mK – dost vysoká – asi jako ocel –
velká odolnost teplotním šokům
• Lomová houževnatost 3 MPam1/2 – nízká
• Užití : brusný materiál, topné elementy
Keramika nitridu křemíku
Fáze Si3N4, rozklad při 1900 oC, oxidace od 1200 oC
Pro lepší odolnost kyslíku přídavek Al2O3 - SIALON
Hustota 3,3 g/cm3
Youngův modul 300 GPa – střední
Pevnost v ohybu až 1000 MPa
Tvrdost 1500 HV
Tepelná vodivost 40 W/mK – středně vysoká, poloviční proti
oceli,
odolává menším tepelným šokům
• Lomová houževnatost nad 8 MPam1/2 – má vláknitou strukturu,
odolává lomu. Houževnatá keramika
• Základní typ konstrukční keramiky
•
•
•
•
•
•
•
Boronitridová keramika
• Nitrid boru BN odolává oxidaci do 1000 oC, rozkládá se
při 3000 oC.
• Existuje ve dvou krystalických modifikacích se zcela
odlišnými vlastnostmi :
• Hexagonální forma – je částečně tvárná, dobře odolává
teplotním šokům, slouží na vysokoteplotní součástky –
kelímky a p.
• Kubická forma – extrémně tvrdá a křehká, jediný
materiál, který se svou tvrdostí vyrovná diamantu.
Vyrobitelný zatím jen jako prášek (nejde slinovat)
Příklady použití keramiky Si3N4
Turbinová kola z keramiky Si3N4
Písty z keramiky Si3N4
Žhavé potrubí z keramiky Si3N4 –
o
teplota nad 1200 C
Ventily spalovacích motorů –
kombinace keramik
ZrO2 – Si3N4
Keramický spalovací motor
Mosil keramika
•
•
•
•
Také obchodní název Superkantal
Intermetalická sloučenina MoSi2
Vyráběná spékáním prášku
Použitelná do 1650 oC, při vyšší teplotě na povrchu oxidace na
SiO2
• Použitelná jako topná tělesa pro vysoké teploty
Vznik sklokeramiky (vitrokeramika)
Vlastně přechod ke kompozitům
Nejznámější konstrukční keramika vlastně kompozit z křemene
– tepelný štít raketoplánu
Spodní strana
– nepoškozený štít
Vrchní strana
- poškozený štít
Raketoplán Endeavour, srpen 2007