2 Si 4 O 10 (OH) 2

ateam.zcu.cz

2 Si 4 O 10 (OH) 2

~1990

~1970

~1950

~1930

~3000 př.n.l.

~8000 př.n.l.

INTELIGENTNÍ

NANOMATERIÁLY

(SMART) MATERIÁLY

KOMPOZITNÍ MATERIÁLY ( 1 + 1 >> 2 )

1935 Carothers DuPont

NYLON

KOVY

Doba bronzová

železná

POLYMERY

KERAMIKA

mezolit, neolit


Udělejte si srovnání vlastností materiálů základní triády s

ohledem na jejich přednosti a slabiny, zhodnoťte:

•Měrná

• bod tání

hmotnost (hustota)

•typ vazeb, které

(varu), použitelnost při vysokých a nízkých teplotách

se uplatňují

•Odolnost vůči prostředí


v materiálu

chemická

reaktivita

•Mechanické vlastnosti (koef. tepelné roztažnosti, tvrdost,

křehkost, ….)

•Elektrické

•Ekologické

•Cena vs

•……….

a termické

užitné

zhodnocení

vlastnosti (vodivosti, dielektrika,…)


vlastnosti

možnosti likvidace, vliv na ŽP


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

•Chemická

vazba

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 –

•Kovalentní

•Chemická

vyšší


či iontová

extrémně

vazba

vysoká!!

odolnost většinou dobrá


vynikající

•Elektrická a tepelná vodivost malá - izolanty (srv. typ vazby!!)

ale keramické supravodiče!!

•…….


26 000 let př.n.l.

KERAMIKA

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


•Příprava pracovní

•Tvarování

•Sušení

keramiky

Proces výroby keramiky

hmoty

a vypálení keramiky


Příprava pracovní hmoty

b) ROZPRACHOVÉ SUŠENÍ


•Lisováním (z granulátu –

•Litím do forem (z keramické

Tvarování keramiky

•Tažením z plastického těsta (cihly, kameninové roury,…)

prášku)

břečky)


•Sušení


•Výpal keramiky –

Sušení a vypálení keramiky

nutnost odstranění

nejdůležitější

povrchové

a kapilární

fáze výroby.

vlhkosti

Výrobek získává pevnost – vysokoteplotními reakcemi vznikají nové minerální fáze,

např. mullit 3Al2O3 . 2SiO2, dochází k přeměně krystalických modifikací.


Suroviny přírodní

a syntetické

SiO 2

, Al2O3 KERAMIKA

(zejména pro klasickou keramiku)

(zejména pro technickou –

, ZrO 2

high

Kaolin (alumosilikát)

tech

keramiku)

, TiO2, C , nitridy (BN, Si3N4), karbidy, …


Rozdělení

Oxidická

Neoxidická

: oxidická

KERAMIKA

a neoxidická

: báze SiO2, , Al2O3, ZrO2, TiO2, MgO, CaO,

ferity MeO.Fe2O3, směsné

struktury (Me

: karbidy, nitridy, boridy, silicidy, ….

= kov)

Příklady : CrB, TiB2, ZrC, Ti5Si3, TaN, WSe,…

Obecně jsou keramické materiály součástí silikátových soustav, kam

dále patří:

•Sklo

(základní

báze SiO 2

–R2O –

RO; např. SiO 2

–Na2O –

CaO)

•Maltoviny – stavební hmoty ( vápno - výroba viz skripta!!, cement,

sádra,..)


•Základní

•Polymorfní

stavební

(objemové

Oxid křemičitý SiO 2

materiál keramiky (spolu s Al2O3) změny modifikací!!), žárovzdorný

•V kaolinu, jílech (plastické suroviny), křemencích, píscích

apod. (neplastické suroviny).

•Čistota surovin –

Tetraedry SiO 4

např. písky, kaolin - úpravnictví


KORUND !

•Základní stavební

žárovzdornost)

•Žárovzdorný, polymorfní

•V kaolinu, jílech (plastické

Al(OH )3.

Oxid hlinitý Al2O3 materiál keramiky (spolu s SiO2, ale vyšší

suroviny) a synteticky vyrobený z


Soustava SiO 2

-Al2O3


Material

Aluminum

metal

Melting Temp ·

(Teplota tání -

°C)

Heat

Capacity

(J/kg · K)

Coefficient of

Linear

Expansion 1/ °

Cx10 -6

Thermal

Conductivity

(W/m K)

660 900 23.6 247

Copper metal 1063 386 16.5 398

Alumina

Fused

SiO 2

Al2O3 2050 775 8.8 30.1

silica

Soda-lime

glass (sklo)

Srovnání

tepelných vlastností

různých typů materiálů

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


Srovnání

bodů

Ceramic Compound

tání

a % iontovosti vazeb keramických materiálů

Melting Point °

(Bod tání

o C)

% 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 SiO 2

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

výjimečně

nulový koeficient tepelné

dobrá

odolnost proti poškrábání

nízká

tepelná

velmi dobrá

roztažnosti

odolnost proti tepelným rázům

vodivost

chemická

netečnost

může být leštěný do hladkých povrchů

vynikající

optické

širokého spektra

-

vlastnosti, propustnost

zvláště

UV propustnost


Parametr Hodnota


Optické



vlastnosti:

tavený křemen umožňuje propouštění

ultrafialových paprsků

propustnost je ovlivněna způsobem výroby

a obsahem nečistot – kolísání propustnosti


Al O 2 3





Patří

-

základní

mezi oxidovou keramiku

Obsah Al2O3 Nízký podíl skelné

charakteristika

se pohybuje od 80 do víc jak 99%

fáze

Nejdůležitější materiál technické oxidové keramiky s

nejširším uplatněním






Výroba

Ze syntetického práškového oxidu požadovaných vlastností

Příprava směsi

Tvarování

Slinování

� suché mletí

� mokré mletí

� suchým lisováním

� litím do sádrových forem

� horkým litím pod tlakem

� injekčním vstřikováním

� obvykle při více jak 1500°C

� např. použitím metod HP a HIP



Příměsi

Výroba

Směsi s nižším obsahem oxidu hlinitého mají ve vsázce plavený

kaolin či vysoce kaolinitický jíl, mastek nebo uhličitany

alkalických zemi 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



Elektrické

Podskupina

podle

IEC 672

C 780 Alumina

80%

C 786 Alumina

86%

C 795 Alumina

95%

C 799 Alumina

99%

vlastnosti

Název Ztrátový

činitel

při 20ºC

48 až 62Hz

tanδ [10-3 ]

Vlastnosti

Permitivita

48 až 62Hz

ε

Průrazné

napětí(min)

E d [kV*mm -1 ]

Měrný

odpor

ρ 20 [Ωm]

1 8 10 10 12

0,5 9 15 10 12

0,5 9 15 10 12

0,2 9 17 10 12



Mechanické

Vlastnosti

vlastnosti

Označení Název Pórovito

st

C 780

C 786

C 795

C 799

Alumina

80%

Alumina

86%

Alumina

95%

Alumina

99%

max.

Vol.%

Husto

ta

[gcm -

3 ]

Pevnos

t v

ohybu

[Nmm- 2 ]

Younův

modul

pružnos

ti

E

[GPa]

Tvrdost

podle

Vickers

[10 3 Nmm

-2 ]

Vrubová

houževn

atost

K IC

[MPam]

0 3,2 200 200 12-15 3,5-4,5

0 3,4 250 220 12-15 4-4,2

0 3,5 280

0 3,7 300

220-

350

300-

380

12-20 4-4,2

17-23 4-5,5



Tepelné

vlastnosti

Vlastnosti

Označení Název Lineární koeficient

roztažnosti

AI 2 O 3

AI 2 O 3

AI 2 O 3

AI 2 O 3

Alumina 80

%

Alumina 86

%

Alumina 95

%

Alumina

>99 %

30 - 100°C

[10 -6 K -1 ]

30 - 600°C

[10 -6 K -1 ]

Součinitel

tepelné

vodivosti

[Wm -1 K -1 ]

Maximální

teplota

použití

[°C]

5 - 7 6 - 8 10 - 16 1400 - 1500

5,5 - 7,5 6 - 8 14 - 24 1400 - 1500

5 - 7 6 - 8 16 - 28 1400 - 1500

5 - 7 7 - 8 19 - 30 1400 - 1700



HCl

(ř)

+

(*)

Chemická

HCl

(k)

+

(*)

HNO 2

(ř)

Vlastnosti

odolnost

HNO 2

(k)

+ +

(*)

H 2 SO 3

(ř)

H 2 SO 3

(k)

+ +

(*)

H 3 PO 4 HF NaOH

+

(20ºC)

+ odolné (až do teploty)

(*) var

- koroduje 0 proběhne reakce

(r)

- 0

(*)

KOH

(r)

+

(*)

NaCl KCl CuCl 2

+

(*)

+ (*)



Použití

korundové

keramiky

Díky dobrému poměru cena/výkon a celkově užitných

vlastností je korundová keramika užívána v:

�elektrotechnice

�elektronice

�konstruování strojů

�chemickém průmyslu

�medicíně

�vysokoteplotních aplikací


Použití

Elektrotechnika:

� Nízkonapěťová

korundové

keramiky

Díky svým výborným izolačním vlastnostem se využívá např.

na:

� Vysokonapěťová

� Objímky pojistek

� Objímky žárovek

� V topných spirálách

Je zde vyžadovaná vysoká elektrická a mechanická, pevnost

odolnost proti korozi a svodovým proudům

� Izolační kryty

� Tyčové izolátory

� Vrchní kabelová izolace


Použití

korundové

keramiky

Těla rezistorů




Použití

korundové

keramiky

Elektronika:

�nosný podklad

�komponenty velkých izolátorů

�obal tyristoru

Piezo keramika

Výjimečnou charakteristickou vlastností je přeměna

tlaková síla elektrický impuls a to změnou

elektrického pole

Využití:

�elektroakustický snímač

�průtokoměr

�frekvenční filtr


Použití

Substráty z korundové keramiky

korundové

keramiky

Různé piezo-keramické části


Konstruování

Textilní

Použití:

Použití

průmysl -

korundové

keramiky

strojů:

� otěruvzdornost

zde se využívá

� dostatečná hladkost povrchu





ouška jehel

háky

válce

vedení nití

vlastností

jako je:

Nářadí – nástroje z technické keramiky se často využívají pro

tváření kovů

(dovoluje např. zvýšení řezné rychlosti)


Použití

korundové

keramiky

části pro obložení


Použití

Chemický průmysl:

korundové

keramiky

díky své kombinaci vlastností je keramika v tomto odvětví

nenahraditelnou (vynikající korozivzdornost, žárupevnost,

odolnost vůči některým chemikáliím)

Příklady použití:

�tavící kelímky

�těsnící kroužky

�katalyzátory

�filtry

�části pro řízení plynu(trysky,..)

�vyzdívky


Medicína:

Použití

korundové

keramiky

Technická keramika je zde využívána pro svoji

kompatibilitu s tkání a odolnosti proti opotřebení

Použití:

�sluchová kůstka

�stomatologický štěp

�endoprotéza kyčelního kloubu

�ramenní 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

•Various

neck length options

taper

types

•BIOLOX ® forte can

be used in

combination with cup inserts made of

BIOLOX ® forte, BIOLOX ® delt as well

as polyethylene and highly cross-linked

polyethylene.


BIOLOX ® forte Cup

Inserts

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.

CeraLock


Vysokoteplotní

Použití

průmysl:

korundové

keramiky

� vysokoteplotní procesy – procesy nad 1000˚C

� potřeba otěruvzdorných a korozivzdorných materiálů i za vyšších

teplot

� zvýšení efektivity a snížení nákladů

Příklady využití:

� nosné válce

� žárnice(žárová trubka)


Použití

korundové

keramiky

Vybavení pecí(stojany a nosníky)







Závěrečné

Dobrý poměr cena/výkon

Výborná

shrnutí


kombinace užitných vlastností

V mnoha oblastech nahrazuje kovy

Možnost vytváření

nových kompozitů

Budoucnost nejen technického odvětví

Al O 2 3





Keramika na bázi ZrO 2

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.


Keramika na bázi ZrO 2

�Nejdůležitější surovinou pro přípravu ZrO 2

je minerál zirkon, což je křemičitan

zirkoničitý ZrSiO 4

�Používá se 75 – 99 % ZrO 2 .

�Lokality: Austrálie, USA, Brazílie a v Indie

�Dalším zdrojem ZrO 2 je minerál baddeleyit

ZrO 2 , který se těží v ojedinělém nalezišti

v Jižní Africe (v ČR: ZrO 2 + Hf + U)


Keramika na bázi ZrO 2

2700 °C 2370 °C 950 °C

tav. kubická

(c-

ZrO2) (t-

tetragonální

ZrO2) 1175 °C (m-

monoklinická

ZrO2) ZrO2 modifikace hustota ρ

(g . cm-3 )

Oblast

stálosti (°C)

kubická 6,27 2300-2700

c-ZrO2 t- ZrO2 m- ZrO2 monoklinická 5,68 do 1100

tetragonální 6,10 1100-2300






Keramika na bázi ZrO 2

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 ZrO 2

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 La2 MnO.

O 3

, Nd 2

O 3

, Se 2

O 3

, ThO2, TiO2, UO2, CeO2,


Výhody:







Vysoká

Keramika na bázi ZrO 2

žáruvzdornost

Chemická odolnost vůči korozi a erozi při styku se

struskou a tavidly

Vysoká

Vysoká

elektrická

vodivost při vysokých teplotách

pevnost a houževnatost

Odolnost proti opotřebení

Obrobitelnost


Nevýhody:



Keramika na bázi ZrO 2

Přeměna m-ZrO2 na t- ZrO2 za značné

změny (z 5,68 na 6,10 g.cm-3 )

Plně stabilizovaná keramika se špatně

přídavek plaveného kaolinu

objemové

slinuje ⇒


Použití:






Keramika na bázi ZrO 2

Chirurgické

Elektronická

Keramické

Břitové

implantáty

čidla

topné

destičky

články

Polotovary pro výrobu přístrojových ložisek a

měřících přístrojů


Břitové

destičky


Polotovary pro měřící

přístroje




Ti(IV)O 2


Krystalová

1.

2.

3.

rutil

anatas

brookit

(vyšší

TiO 2

oxid titaničitý

struktura:

(nižší

teploty)

(přírodní

teploty)

minerály)





Mechanické

dobré mechanické

vlastnosti

velká teplotní stabilita

= 1585°C )

(T tání

elektrická vodivost při

pokojové teplotě

vlastnosti

hustota 4 gcm -3

porovost 0%

pevnost v lomu 140MPa

pevnost v tlaku 680MPa

lomova houzevnatost 3.2 Mpa.m -1/2

modul pruznosti ve smyku 90GPa

modul elasticity 230GPa

mikrotvrdost (HV0.5) 880

resistivita (25°C) 10 12 ohm.cm

resistivita (700°C) 2.5x10 4 ohm.cm

relativni permitivita (1MHz) 85

dielektricka pevnost 4 kVmm -1

teplotni roztaznost (RT-1000°C) 9 x 10 -6

tepelna vodivost (25°C) 11.7 WmK -1



Vynikající

1.

2.

Optické

optické

vlastnosti

vlastnosti

velký index lomu (n = 2,9) !!!!

Fotoaktivita


obrovské

možnosti využití


TiO 2


bílý pigment

• světově nejrozšířenější bílý pigment

(přes 3 miliony tun)

• rutil – index lomu až 2,9 � převažuje nad

anatasem

• rudné suroviny – příměsi � nutné chemické

zpracování

• � dva různé procesy

1.

2.

sulfátový-56%

chloridový-44%


NEOXIDOVÁ

KERAMIKA -

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.

SiC

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

-nízkáměrná 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


Srovnání

některých vlastností

Závislost tvrdosti na modulu pružnosti


Srovnání

některých vlastností

Závislost pevnosti v ohybu na tvrdosti HV10


Srovnání

některých vlastností

Závislost pevnosti v ohybu na tepelné vodivosti


Srovnání

některých vlastností

Koeficient roztažnosti v závislosti na tepelné vodivosti


Srovnání

některých vlastností

Závislost pevnosti v ohybu na součiniteli roztažnosti


Bentonit –

• ↑hodnota výměny kationtů

• bobtnání

• ↑plastičnost

Využití

- Slévárenství

- Stavebnictví

- Chemický průmysl

v mnoha oborech:

- Čištění odpadních vod

jílová

hornina

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

seskupení jílu

Interkalovaný

jíl Exfoliovaný

jíl

↓ ↓

Došlo k rozdružení Jíl nabobtná natolik,

jednotlivých vrstev že vrstvení přestává

jílu

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

Supravodiče II. typu

� Kovy, slitiny, intermetalické

sloučeniny, keramika na bázi

perovskitů

� Vyšší kritické teploty

� Vyšší kritická magnetická pole

Uhlík, Niob

NbTi, Nb3Sn MgB 2

Tc Tc Tc 20

= 9,25 – 15 K

= 9,80 – 19 K

= 39 K

Vysokoteplotní (HTS) keramika:

(La1.85Ba0.15)CuO4 Tc = 30 K

LaCaCu2O6+ Tc = 45 K

YBa2Cu3O7 Tc = 93 K

TlBa2Ca3Cu4O11 Tc = 118 K


ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Příprava supravodiče typu YBa Cu O 2 3 7

� Supravodivost: vrstvy kyslíku a mědi v krystalové mřížce

Struktura YBCO 1-2-3 + šupinková

struktura O 7

16


ZČU v Plzni –

Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

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


1.

Y2O3 BaCO3 CuO

ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Využití

Promíchání

11,29 g

39,47 g

23,86 g

Použitý postup

metody Shake

and

Bake

chemických sloučenin

(Protřepat a vypálit)

15


2.

a)

b)

ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Kalcinace: počáteční

Použitý postup

vypálení

(Odstranění

CO2) Výdrž na teplotě 925 – 950°C (940°C) 18 – 24 hodin (22 hod.)

„Rychlé“ chlazení

YBa2Cu3O6,5 -

černé

14

barvy


3.

a)

b)

c)

d)

e)

ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Střední

vypálení

Použitý postup

(Odstranění

CO2, H2O, sycení

O2) 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

13


4.

a)

b)

c)

d)

e)

ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Konečné

kyslíkové

Použitý postup

žíhání

(sycení

O2) 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)

Odpojení kyslíku při 400°C

Miska z Al2O3 se

vzorkem při 970°C

Vzorek 1

12


1.

2.

3.

a)

b)

c)

d)

e)

ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Metoda Shake

Použitý postup

and

Bake


zrychlený postup

Promíchání chemických sloučenin

Kalcinace: počáteční vypálení (Odstranění

Konečné vypálení (sycení )

O 2

Drcení (černý vzorek)

Výdrž na teplotě 950°C – 22 hodin

Při 500°C silné proudění kyslíku

Ochlazování pod 94°C / 1 hod

Odpojení kyslíku při 400°C

Vzorek 2

CO2) 11


ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Dosažené

výsledky

Meissner-Ochsenfeldův

efekt

10


ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu

Dosažené

výsledky

Meissner-Ochsenfeldův

efekt

9


Díky za pozornost!!

More magazines by this user
Similar magazines