2 Si 4 O 10 (OH) 2
2 Si 4 O 10 (OH) 2
2 Si 4 O 10 (OH) 2
You also want an ePaper? Increase the reach of your titles
YUMPU automatically turns print PDFs into web optimized ePapers that Google loves.
~1990<br />
~1970<br />
~1950<br />
~1930<br />
~3000 př.n.l.<br />
~8000 př.n.l.<br />
INTELIGENTNÍ<br />
NANOMATERIÁLY<br />
(SMART) MATERIÁLY<br />
KOMPOZITNÍ MATERIÁLY ( 1 + 1 >> 2 )<br />
1935 Carothers DuPont<br />
NYLON<br />
KOVY<br />
Doba bronzová<br />
železná<br />
POLYMERY<br />
KERAMIKA<br />
mezolit, neolit
Udělejte si srovnání vlastností materiálů základní triády s<br />
ohledem na jejich přednosti a slabiny, zhodnoťte:<br />
•Měrná<br />
• bod tání<br />
hmotnost (hustota)<br />
•typ vazeb, které<br />
(varu), použitelnost při vysokých a nízkých teplotách<br />
se uplatňují<br />
•Odolnost vůči prostředí<br />
–<br />
v materiálu<br />
chemická<br />
reaktivita<br />
•Mechanické vlastnosti (koef. tepelné roztažnosti, tvrdost,<br />
křehkost, ….)<br />
•Elektrické<br />
•Ekologické<br />
•Cena vs<br />
•……….<br />
a termické<br />
užitné<br />
zhodnocení<br />
vlastnosti (vodivosti, dielektrika,…)<br />
–<br />
vlastnosti<br />
možnosti likvidace, vliv na ŽP
KOVY<br />
•Bod tání široké meze ( olovo 327OC, hliník 659OC, železo<br />
1529OC, wolfram 3 4<strong>10</strong>OC) •Hustota široké meze (olovo 11 300, hliník a dural 2 700, hořčík<br />
1 750, železo 7 870, wolfram 19 300 kg.m-3 )<br />
•Kovová<br />
•Chemická<br />
vazba<br />
odolnost většinou nevalná<br />
•Elektrická a tepelná vodivost většinou velmi dobrá (srv. typ<br />
vazby!!)<br />
•…….
KERAMIKA<br />
•Bod tání vyšší až vysoký ( cihly kolem 900OC , žáromateriályšamot<br />
nad 1580OC, silikon karbid 2 650OC za rozkladu, nitrid<br />
bóru téměř 3 000OC, grafitová vlákna 3 650O C)<br />
•Tvrdost –<br />
•Kovalentní<br />
•Chemická<br />
vyšší<br />
až<br />
či iontová<br />
extrémně<br />
vazba<br />
vysoká!!<br />
odolnost většinou dobrá<br />
až<br />
vynikající<br />
•Elektrická a tepelná vodivost malá - izolanty (srv. typ vazby!!)<br />
ale keramické supravodiče!!<br />
•…….
26 000 let př.n.l.<br />
KERAMIKA<br />
Pralidé objevili, že směs mamutího tuku<br />
smísenou s kostním popelem a sprašem lze<br />
tvarovat a sušit na slunci za vzniku křehkého a<br />
tepelně odolného materiálu. Tak začíná období<br />
keramiky.<br />
6 000 let př.n.l.<br />
Ve Starém Řecku se poprvé pálí keramika.<br />
Rozvíjí se zejména hrnčířská výroba a<br />
produkty se používají pro skladování, pohřební<br />
účely a jako umělecké předměty.
4 000 let př.n.l.<br />
Ve Starověkém Egyptě bylo objeveno sklo.<br />
Primitivní sklo bylo složeno v křemenného<br />
povlaku (glazury) na slinutém podkladu z<br />
křemene a nejprve se používalo jako součást<br />
šperků. Keramické povlaky se od té doby<br />
používají téměř všude.<br />
50 let př.n.l.-<br />
r. 50<br />
V Římě se začíná s výrobou optického skla<br />
(čoček, zrcadel), skleněných tabulek a<br />
vyfukovaných skleněných předmětů. S Říší<br />
římskou se dostává do světa.
Kolem r. 600<br />
Porcelán, první keramický kompozitní<br />
materiál, se vyrábí v Číně. Tento trvanlivý<br />
materiál se vyrábí z jílu, živce a křemene.<br />
Porcelánový střep se využívá na mnoho<br />
výrobků od elektroizolátorů až po stolní<br />
nádobí.<br />
Kolem roku 1870<br />
Během průmyslové revoluce se objevují první<br />
žárovzdorné materiály schopné odolat vysoké<br />
teplotě. Materiály na bázi vápna a MgO se<br />
používají jak pro obyčejné stavební cihly , tak<br />
i žárovzdorné vyzdívky vysokých pecí.
1877<br />
T.A. Edison řídí výzkumný tým zabývající se<br />
poprvé high-tech materiály. Edison testuje<br />
spoustu keramických materiálů z hlediska<br />
jejich odporu pro použití v jeho nově<br />
objeveném uhlíkovém mikrofonu<br />
1889<br />
Založena Americká keramická společnost<br />
materiály s primárním cílem odkrývat záhady<br />
high-tech (vysokoužitkové, speciální)<br />
keramiky
1960<br />
S objevem laseru a pozorováním, že se světlo<br />
dobře šíří sklem, vzniká nový obor zvaný<br />
vláknová optika.Optický světelný kabel<br />
dovoluje, aby světelné pulsy přenášely<br />
obrovské množství informací s minimální<br />
ztrátou energie<br />
1965<br />
Vývoj fotovoltaických článků převádějících<br />
světlo na elektrický proud otevřel nové cesty k<br />
využití sluneční energie.
1987<br />
Byly objeveny keramické supravodiče s kritickou<br />
teplotou 92K, tedy překonaly staré<br />
supravodiče o celých 60K!! Možných aplikací<br />
je celá řada, mimo jiné IO v nových rychlých<br />
počítačích.<br />
1992<br />
Objevují se nové inteligentní (chytré, smart)<br />
materiály. Tyto materiály vnímají změnu povrchových<br />
podmínek a reagují na ně – podobně<br />
jako lidský organismus. Např. airbag je<br />
spuštěn „chytrým“ senzorem, který registruje<br />
tlakovou změnu po nárazu a transformuje ji na<br />
elektrický impuls
Rozdělení keramiky versus velikost částic surovin
•Příprava pracovní<br />
•Tvarování<br />
•Sušení<br />
keramiky<br />
Proces výroby keramiky<br />
hmoty<br />
a vypálení keramiky
Příprava pracovní hmoty<br />
b) ROZPRACHOVÉ SUŠENÍ
•Lisováním (z granulátu –<br />
•Litím do forem (z keramické<br />
Tvarování keramiky<br />
•Tažením z plastického těsta (cihly, kameninové roury,…)<br />
prášku)<br />
břečky)
•Sušení<br />
–<br />
•Výpal keramiky –<br />
Sušení a vypálení keramiky<br />
nutnost odstranění<br />
nejdůležitější<br />
povrchové<br />
a kapilární<br />
fáze výroby.<br />
vlhkosti<br />
Výrobek získává pevnost – vysokoteplotními reakcemi vznikají nové minerální fáze,<br />
např. mullit 3Al2O3 . 2<strong>Si</strong>O2, dochází k přeměně krystalických modifikací.
Suroviny přírodní<br />
a syntetické<br />
<strong>Si</strong>O 2<br />
, Al2O3 KERAMIKA<br />
(zejména pro klasickou keramiku)<br />
(zejména pro technickou –<br />
, ZrO 2<br />
high<br />
Kaolin (alumosilikát)<br />
tech<br />
keramiku)<br />
, TiO2, C , nitridy (BN, <strong>Si</strong>3N4), karbidy, …
Rozdělení<br />
Oxidická<br />
Neoxidická<br />
: oxidická<br />
KERAMIKA<br />
a neoxidická<br />
: báze <strong>Si</strong>O2, , Al2O3, ZrO2, TiO2, MgO, CaO,<br />
ferity MeO.Fe2O3, směsné<br />
struktury (Me<br />
: karbidy, nitridy, boridy, silicidy, ….<br />
= kov)<br />
Příklady : CrB, TiB2, ZrC, Ti5<strong>Si</strong>3, TaN, WSe,…<br />
Obecně jsou keramické materiály součástí silikátových soustav, kam<br />
dále patří:<br />
•Sklo<br />
(základní<br />
báze <strong>Si</strong>O 2<br />
–R2O –<br />
RO; např. <strong>Si</strong>O 2<br />
–Na2O –<br />
CaO)<br />
•Maltoviny – stavební hmoty ( vápno - výroba viz skripta!!, cement,<br />
sádra,..)
•Základní<br />
•Polymorfní<br />
stavební<br />
(objemové<br />
Oxid křemičitý <strong>Si</strong>O 2<br />
materiál keramiky (spolu s Al2O3) změny modifikací!!), žárovzdorný<br />
•V kaolinu, jílech (plastické suroviny), křemencích, píscích<br />
apod. (neplastické suroviny).<br />
•Čistota surovin –<br />
Tetraedry <strong>Si</strong>O 4<br />
např. písky, kaolin - úpravnictví
KORUND !<br />
•Základní stavební<br />
žárovzdornost)<br />
•Žárovzdorný, polymorfní<br />
•V kaolinu, jílech (plastické<br />
Al(<strong>OH</strong> )3.<br />
Oxid hlinitý Al2O3 materiál keramiky (spolu s <strong>Si</strong>O2, ale vyšší<br />
suroviny) a synteticky vyrobený z
Soustava <strong>Si</strong>O 2<br />
-Al2O3
Material<br />
Aluminum<br />
metal<br />
Melting Temp ·<br />
(Teplota tání -<br />
°C)<br />
Heat<br />
Capacity<br />
(J/kg · K)<br />
Coefficient of<br />
Linear<br />
Expansion 1/ °<br />
Cx<strong>10</strong> -6<br />
Thermal<br />
Conductivity<br />
(W/m K)<br />
660 900 23.6 247<br />
Copper metal <strong>10</strong>63 386 16.5 398<br />
Alumina<br />
Fused<br />
<strong>Si</strong>O 2<br />
Al2O3 2050 775 8.8 30.1<br />
silica<br />
Soda-lime<br />
glass (sklo)<br />
Srovnání<br />
tepelných vlastností<br />
různých typů materiálů<br />
1650 740 0.5 2.0<br />
700 840 9.0 1.7<br />
Polyethylene 120 2<strong>10</strong>0 60-220 0.38<br />
Polystyrene 65-75 1360 50-85 0.13
Srovnání<br />
bodů<br />
Ceramic Compound<br />
tání<br />
a % iontovosti vazeb keramických materiálů<br />
Melting Point °<br />
(Bod tání<br />
o C)<br />
% Covalent character<br />
% kovalentního char.<br />
% Ionic character<br />
% iontového char.<br />
Magnesium Oxide 2798° 27% 73%<br />
Aluminum Oxide 2050° 37% 63%<br />
<strong>Si</strong>licon Dioxide 1715° 49% 51%<br />
<strong>Si</strong>licon Nitride 1900° 70% 30%<br />
<strong>Si</strong>licon Carbide 2500° 89% 11%
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Keramika <strong>Si</strong>O 2<br />
křemen - přírodní forma oxidu křemičitého <strong>Si</strong>O2 nejčistější forma křemene - křišťál<br />
tavený křemen je <strong>Si</strong>O2 v amorfním stavu -vyroben drcením<br />
a tavením přírodních krystalů, nebo tavením křemenných<br />
písků - zrnitá mikrostruktura<br />
syntetický tavený křemen je též amorfní <strong>Si</strong>O2 - vytvořen<br />
chemickou vazbou mezi křemíkem a kyslíkem<br />
- má vyšší čistotu a kvalitu v porovnání s taveným<br />
křemenem
Vlastnosti:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
téměř<br />
výjimečně<br />
nulový koeficient tepelné<br />
dobrá<br />
odolnost proti poškrábání<br />
nízká<br />
tepelná<br />
velmi dobrá<br />
roztažnosti<br />
odolnost proti tepelným rázům<br />
vodivost<br />
chemická<br />
netečnost<br />
může být leštěný do hladkých povrchů<br />
vynikající<br />
optické<br />
širokého spektra<br />
-<br />
vlastnosti, propustnost<br />
zvláště<br />
UV propustnost
Parametr Hodnota
Optické<br />
•<br />
•<br />
vlastnosti:<br />
tavený křemen umožňuje propouštění<br />
ultrafialových paprsků<br />
propustnost je ovlivněna způsobem výroby<br />
a obsahem nečistot – kolísání propustnosti
Al O 2 3<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Patří<br />
-<br />
základní<br />
mezi oxidovou keramiku<br />
Obsah Al2O3 Nízký podíl skelné<br />
charakteristika<br />
se pohybuje od 80 do víc jak 99%<br />
fáze<br />
Nejdůležitější materiál technické oxidové keramiky s<br />
nejširším uplatněním
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Výroba<br />
Ze syntetického práškového oxidu požadovaných vlastností<br />
Příprava směsi<br />
Tvarování<br />
Slinování<br />
� suché mletí<br />
� mokré mletí<br />
� suchým lisováním<br />
� litím do sádrových forem<br />
� horkým litím pod tlakem<br />
� injekčním vstřikováním<br />
� obvykle při více jak 1500°C<br />
� např. použitím metod HP a HIP
•<br />
Příměsi<br />
Výroba<br />
Směsi s nižším obsahem oxidu hlinitého mají ve vsázce plavený<br />
kaolin či vysoce kaolinitický jíl, mastek nebo uhličitany<br />
alkalických zemi např. CaCO3,MgCO3 a pod.<br />
Směsy s<br />
vysokým obsahem oxidu hlinitého nad 99 hmotn. %<br />
se slinují s obsahem 0,1 až 0,5% MgO, který zabraňuje růstu<br />
velkých krystalů na úkor malých
•<br />
Elektrické<br />
Podskupina<br />
podle<br />
IEC 672<br />
C 780 Alumina<br />
80%<br />
C 786 Alumina<br />
86%<br />
C 795 Alumina<br />
95%<br />
C 799 Alumina<br />
99%<br />
vlastnosti<br />
Název Ztrátový<br />
činitel<br />
při 20ºC<br />
48 až 62Hz<br />
tanδ [<strong>10</strong>-3 ]<br />
Vlastnosti<br />
Permitivita<br />
48 až 62Hz<br />
ε<br />
Průrazné<br />
napětí(min)<br />
E d [kV*mm -1 ]<br />
Měrný<br />
odpor<br />
ρ 20 [Ωm]<br />
1 8 <strong>10</strong> <strong>10</strong> 12<br />
0,5 9 15 <strong>10</strong> 12<br />
0,5 9 15 <strong>10</strong> 12<br />
0,2 9 17 <strong>10</strong> 12
•<br />
Mechanické<br />
Vlastnosti<br />
vlastnosti<br />
Označení Název Pórovito<br />
st<br />
C 780<br />
C 786<br />
C 795<br />
C 799<br />
Alumina<br />
80%<br />
Alumina<br />
86%<br />
Alumina<br />
95%<br />
Alumina<br />
99%<br />
max.<br />
Vol.%<br />
Husto<br />
ta<br />
[gcm -<br />
3 ]<br />
Pevnos<br />
t v<br />
ohybu<br />
[Nmm- 2 ]<br />
Younův<br />
modul<br />
pružnos<br />
ti<br />
E<br />
[GPa]<br />
Tvrdost<br />
podle<br />
Vickers<br />
[<strong>10</strong> 3 Nmm<br />
-2 ]<br />
Vrubová<br />
houževn<br />
atost<br />
K IC<br />
[MPam]<br />
0 3,2 200 200 12-15 3,5-4,5<br />
0 3,4 250 220 12-15 4-4,2<br />
0 3,5 280<br />
0 3,7 300<br />
220-<br />
350<br />
300-<br />
380<br />
12-20 4-4,2<br />
17-23 4-5,5
•<br />
Tepelné<br />
vlastnosti<br />
Vlastnosti<br />
Označení Název Lineární koeficient<br />
roztažnosti<br />
AI 2 O 3<br />
AI 2 O 3<br />
AI 2 O 3<br />
AI 2 O 3<br />
Alumina 80<br />
%<br />
Alumina 86<br />
%<br />
Alumina 95<br />
%<br />
Alumina<br />
>99 %<br />
30 - <strong>10</strong>0°C<br />
[<strong>10</strong> -6 K -1 ]<br />
30 - 600°C<br />
[<strong>10</strong> -6 K -1 ]<br />
Součinitel<br />
tepelné<br />
vodivosti<br />
[Wm -1 K -1 ]<br />
Maximální<br />
teplota<br />
použití<br />
[°C]<br />
5 - 7 6 - 8 <strong>10</strong> - 16 1400 - 1500<br />
5,5 - 7,5 6 - 8 14 - 24 1400 - 1500<br />
5 - 7 6 - 8 16 - 28 1400 - 1500<br />
5 - 7 7 - 8 19 - 30 1400 - 1700
•<br />
HCl<br />
(ř)<br />
+<br />
(*)<br />
Chemická<br />
HCl<br />
(k)<br />
+<br />
(*)<br />
HNO 2<br />
(ř)<br />
Vlastnosti<br />
odolnost<br />
HNO 2<br />
(k)<br />
+ +<br />
(*)<br />
H 2 SO 3<br />
(ř)<br />
H 2 SO 3<br />
(k)<br />
+ +<br />
(*)<br />
H 3 PO 4 HF Na<strong>OH</strong><br />
+<br />
(20ºC)<br />
+ odolné (až do teploty)<br />
(*) var<br />
- koroduje 0 proběhne reakce<br />
(r)<br />
- 0<br />
(*)<br />
K<strong>OH</strong><br />
(r)<br />
+<br />
(*)<br />
NaCl KCl CuCl 2<br />
+<br />
(*)<br />
+ (*)
•<br />
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Díky dobrému poměru cena/výkon a celkově užitných<br />
vlastností je korundová keramika užívána v:<br />
�elektrotechnice<br />
�elektronice<br />
�konstruování strojů<br />
�chemickém průmyslu<br />
�medicíně<br />
�vysokoteplotních aplikací
Použití<br />
Elektrotechnika:<br />
� Nízkonapěťová<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Díky svým výborným izolačním vlastnostem se využívá např.<br />
na:<br />
� Vysokonapěťová<br />
� Objímky pojistek<br />
� Objímky žárovek<br />
� V topných spirálách<br />
Je zde vyžadovaná vysoká elektrická a mechanická, pevnost<br />
odolnost proti korozi a svodovým proudům<br />
� Izolační kryty<br />
� Tyčové izolátory<br />
� Vrchní kabelová izolace
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Těla rezistorů
•<br />
•<br />
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Elektronika:<br />
�nosný podklad<br />
�komponenty velkých izolátorů<br />
�obal tyristoru<br />
Piezo keramika<br />
Výjimečnou charakteristickou vlastností je přeměna<br />
tlaková síla elektrický impuls a to změnou<br />
elektrického pole<br />
Využití:<br />
�elektroakustický snímač<br />
�průtokoměr<br />
�frekvenční filtr
Použití<br />
Substráty z korundové keramiky<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Různé piezo-keramické části
Konstruování<br />
Textilní<br />
Použití:<br />
Použití<br />
průmysl -<br />
korundové<br />
keramiky<br />
strojů:<br />
� otěruvzdornost<br />
zde se využívá<br />
� dostatečná hladkost povrchu<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
ouška jehel<br />
háky<br />
válce<br />
vedení nití<br />
vlastností<br />
jako je:<br />
Nářadí – nástroje z technické keramiky se často využívají pro<br />
tváření kovů<br />
(dovoluje např. zvýšení řezné rychlosti)
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
části pro obložení
Použití<br />
Chemický průmysl:<br />
korundové<br />
keramiky<br />
díky své kombinaci vlastností je keramika v tomto odvětví<br />
nenahraditelnou (vynikající korozivzdornost, žárupevnost,<br />
odolnost vůči některým chemikáliím)<br />
Příklady použití:<br />
�tavící kelímky<br />
�těsnící kroužky<br />
�katalyzátory<br />
�filtry<br />
�části pro řízení plynu(trysky,..)<br />
�vyzdívky
Medicína:<br />
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Technická keramika je zde využívána pro svoji<br />
kompatibilitu s tkání a odolnosti proti opotřebení<br />
Použití:<br />
�sluchová kůstka<br />
�stomatologický štěp<br />
�endoprotéza kyčelního kloubu<br />
�ramenní kloub
BIOLOX ® forte ball heads<br />
Features of<br />
BIOLOX ® forte ball<br />
heads<br />
•28 mm to 54 mm ball head diameter<br />
(other sizes available upon request)<br />
•Various<br />
•Various<br />
neck length options<br />
taper<br />
types<br />
•BIOLOX ® forte can<br />
be used in<br />
combination with cup inserts made of<br />
BIOLOX ® forte, BIOLOX ® delt as well<br />
as polyethylene and highly cross-linked<br />
polyethylene.
BIOLOX ® forte Cup<br />
Inserts<br />
Long term secure fixation of the cup insert in<br />
the metal acetabular shell is achieved by<br />
means of the CeraLock® fixation concept. This<br />
fixation concept relies upon the correct<br />
positioning by the surgeon of two speciallydesigned<br />
conical tapers, one on the outer<br />
surface of the cup insert and one on the inner<br />
surface of the metal acetabular shell. This<br />
concept allows not only for fixation, but also for<br />
interoperative interchangeability. Such<br />
interchangeability allows the surgeon to<br />
optimise the system being implanted.<br />
CeraLock
Vysokoteplotní<br />
Použití<br />
průmysl:<br />
korundové<br />
keramiky<br />
� vysokoteplotní procesy – procesy nad <strong>10</strong>00˚C<br />
� potřeba otěruvzdorných a korozivzdorných materiálů i za vyšších<br />
teplot<br />
� zvýšení efektivity a snížení nákladů<br />
Příklady využití:<br />
� nosné válce<br />
� žárnice(žárová trubka)
Použití<br />
korundové<br />
keramiky<br />
Vybavení pecí(stojany a nosníky)
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Závěrečné<br />
Dobrý poměr cena/výkon<br />
Výborná<br />
shrnutí<br />
–<br />
kombinace užitných vlastností<br />
V mnoha oblastech nahrazuje kovy<br />
Možnost vytváření<br />
nových kompozitů<br />
Budoucnost nejen technického odvětví<br />
Al O 2 3
•<br />
•<br />
•<br />
Keramika na bázi ZrO 2<br />
Oxidová keramika – materiály tvořené<br />
úplně nebo převážně jediným<br />
žárovzdorným oxidem<br />
Al2O3 (ve formě α, zvané korund), BeO,<br />
MgO, ZrO2, ThO2, UO2 aj.<br />
Nejvyšších pevností se dosahuje u slinutého<br />
Al2O3, následuje BeO a stabilizovaný ZrO2.
Keramika na bázi ZrO 2<br />
�Nejdůležitější surovinou pro přípravu ZrO 2<br />
je minerál zirkon, což je křemičitan<br />
zirkoničitý Zr<strong>Si</strong>O 4<br />
�Používá se 75 – 99 % ZrO 2 .<br />
�Lokality: Austrálie, USA, Brazílie a v Indie<br />
�Dalším zdrojem ZrO 2 je minerál baddeleyit<br />
ZrO 2 , který se těží v ojedinělém nalezišti<br />
v Jižní Africe (v ČR: ZrO 2 + Hf + U)
Keramika na bázi ZrO 2<br />
2700 °C 2370 °C 950 °C<br />
tav. kubická<br />
(c-<br />
ZrO2) (t-<br />
tetragonální<br />
ZrO2) 1175 °C (m-<br />
monoklinická<br />
ZrO2) ZrO2 modifikace hustota ρ<br />
(g . cm-3 )<br />
Oblast<br />
stálosti (°C)<br />
kubická 6,27 2300-2700<br />
c-ZrO2 t- ZrO2 m- ZrO2 monoklinická 5,68 do 1<strong>10</strong>0<br />
tetragonální 6,<strong>10</strong> 1<strong>10</strong>0-2300
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Keramika na bázi ZrO 2<br />
Na teplotu přeměny má vliv mnoho faktorů, např. způsob přípravy,<br />
příměsi, tepelná historie aj<br />
Za normální teploty a tlaku je stabilní monoklinická modifikace, která<br />
se silně smršťuje a přechází v tetragonální modifikaci při přibližně<br />
1<strong>10</strong>0°C a při ochlazování naopak objem roste<br />
Největší praktický význam má přeměna tetragonální modifikace ZrO2 na monoklinickou - tato přeměna je nazývaná také přeměnou<br />
martenzitickou, protože se velmi podobá přeměně martenzitu v ocelích<br />
Změna objemu zrn činí 3 až 5 %, teoreticky až 8 %. Tak veliká změna<br />
objemu zrn v keramickém materiálu vede ke vzniku trhlin.
•<br />
•<br />
•<br />
Stabilizace ZrO 2<br />
Při přípravě zirkoničité keramiky je třeba vyrušit<br />
nepříznivý účinek martenzitické přeměny. Toho je možné<br />
docílit stabilizací vysokoteplotní modifikace ZrO2. stabilizace kubické modifikace c-ZrO2 přídavky oxidů<br />
ytritého Y2O3, vápenatého CaO a hořečnatého MgO<br />
v množství 5 až 15 hmotn. %.<br />
další oxidy La2 MnO.<br />
O 3<br />
, Nd 2<br />
O 3<br />
, Se 2<br />
O 3<br />
, ThO2, TiO2, UO2, CeO2,
Výhody:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Vysoká<br />
Keramika na bázi ZrO 2<br />
žáruvzdornost<br />
Chemická odolnost vůči korozi a erozi při styku se<br />
struskou a tavidly<br />
Vysoká<br />
Vysoká<br />
elektrická<br />
vodivost při vysokých teplotách<br />
pevnost a houževnatost<br />
Odolnost proti opotřebení<br />
Obrobitelnost
Nevýhody:<br />
•<br />
•<br />
Keramika na bázi ZrO 2<br />
Přeměna m-ZrO2 na t- ZrO2 za značné<br />
změny (z 5,68 na 6,<strong>10</strong> g.cm-3 )<br />
Plně stabilizovaná keramika se špatně<br />
přídavek plaveného kaolinu<br />
objemové<br />
slinuje ⇒
Použití:<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
•<br />
Keramika na bázi ZrO 2<br />
Chirurgické<br />
Elektronická<br />
Keramické<br />
Břitové<br />
implantáty<br />
čidla<br />
topné<br />
destičky<br />
články<br />
Polotovary pro výrobu přístrojových ložisek a<br />
měřících přístrojů
Břitové<br />
destičky
Polotovary pro měřící<br />
přístroje
•<br />
•<br />
Ti(IV)O 2<br />
–<br />
Krystalová<br />
1.<br />
2.<br />
3.<br />
rutil<br />
anatas<br />
brookit<br />
(vyšší<br />
TiO 2<br />
oxid titaničitý<br />
struktura:<br />
(nižší<br />
teploty)<br />
(přírodní<br />
teploty)<br />
minerály)
•<br />
•<br />
•<br />
Mechanické<br />
dobré mechanické<br />
vlastnosti<br />
velká teplotní stabilita<br />
= 1585°C )<br />
(T tání<br />
elektrická vodivost při<br />
pokojové teplotě<br />
vlastnosti<br />
hustota 4 gcm -3<br />
porovost 0%<br />
pevnost v lomu 140MPa<br />
pevnost v tlaku 680MPa<br />
lomova houzevnatost 3.2 Mpa.m -1/2<br />
modul pruznosti ve smyku 90GPa<br />
modul elasticity 230GPa<br />
mikrotvrdost (HV0.5) 880<br />
resistivita (25°C) <strong>10</strong> 12 ohm.cm<br />
resistivita (700°C) 2.5x<strong>10</strong> 4 ohm.cm<br />
relativni permitivita (1MHz) 85<br />
dielektricka pevnost 4 kVmm -1<br />
teplotni roztaznost (RT-<strong>10</strong>00°C) 9 x <strong>10</strong> -6<br />
tepelna vodivost (25°C) 11.7 WmK -1
•<br />
Vynikající<br />
1.<br />
2.<br />
Optické<br />
optické<br />
vlastnosti<br />
vlastnosti<br />
velký index lomu (n = 2,9) !!!!<br />
Fotoaktivita<br />
–<br />
obrovské<br />
možnosti využití
TiO 2<br />
–<br />
bílý pigment<br />
• světově nejrozšířenější bílý pigment<br />
(přes 3 miliony tun)<br />
• rutil – index lomu až 2,9 � převažuje nad<br />
anatasem<br />
• rudné suroviny – příměsi � nutné chemické<br />
zpracování<br />
• � dva různé procesy<br />
1.<br />
2.<br />
sulfátový-56%<br />
chloridový-44%
NEOXIDOVÁ<br />
KERAMIKA -<br />
Naše firma je dceřinnou společností německé firmy<br />
CeramTec AG, světové špičky v oblasti technické keramiky a<br />
speciálních materiálů. Exportujeme do celého světa produkty<br />
pro odvětví stavby strojů, přístrojů a zařízení, chemie,<br />
ochrany životního prostředí, energetiky, automobilového<br />
průmyslu a dalších.<br />
<strong>Si</strong>C<br />
Závod v Šumperku je specializován na<br />
výrobu součástí ze sintrovaného (S<strong>Si</strong>C) a<br />
infiltrovaného (<strong>Si</strong><strong>Si</strong>C) karbidu křemíku a<br />
opracování těsnících destiček z Al2O3.
Oblasti využití vyspělé keramiky z karbidu křemíku :<br />
Těsnící kroužky<br />
Díky výborným kluzným vlastnostem, vysoké tvrdosti,<br />
otěruvzdornosti, chemické odolnosti jsou materiály <strong>Si</strong><strong>Si</strong>C a<br />
S<strong>Si</strong>C výborným řešením pro kluzné kroužky v mechanických<br />
ucpávkách. Životností násobně překonávají materiály na bázi<br />
grafitu a výborně odolávají působení chemických médií. Jistou<br />
nevýhodou <strong>Si</strong>C materiálů v této aplikaci je nízká výdrž při<br />
výpadku mazání. Díky jedinečné technologii je možné dodávat<br />
kluzné kroužky až do průměru 850 mm z jednoho kusu.
Trysky<br />
Díky vysoké odolnosti vůči otěru, erozi a chemické<br />
odolnosti, jsou keramické trysky stále časteji nasazovány<br />
tam, kde ostatní materiály vykazují nízkou životnost.<br />
Typickým případem jsou rozprašovací trysky užívané v<br />
chemickém průmyslu nebo v odsiřovacích jednotkách<br />
uhelných energetických zdrojů.
Hořáky<br />
Vysoká teplotní odolnost (1350 resp. 1500 st.) umožňuje aplikaci<br />
vyspělé keramiky do hořáků - jako koncovky.<br />
Kluzná ložiska<br />
Díky výborným tribologickým vlastnostem jsou <strong>Si</strong>C materiály<br />
velmi vhodné pro kluzná ložiska.<br />
Třídící a mlecí technika<br />
Třídící kola zatížená abrazí, díky vlastnostem karbidu křemíku,<br />
dosahují výborných výsledků.
Armatury<br />
Do náročných podmínek chemické výroby, energetiky,<br />
zpracování rud, papírenské výroby jsou dodávány keramické<br />
kulové ventily, části potrubí, vložky do namáhaných<br />
potrubních částí<br />
Pracovní části čerpadel<br />
vřetena, lopatková kola<br />
Speciální výrobky<br />
Ve všech strojírenských oblastech je možné výhodně aplikovat<br />
keramické prvky, které zvýší životnost zařízení, případně zcela nahradí<br />
klasické materiály v náročných podmínkách s kombinací zátěže (teplota,<br />
koroze, otěr, eroze ..).
Vlastnosti materiálů S<strong>Si</strong>C a <strong>Si</strong><strong>Si</strong>C<br />
CeramTec Šumperk vyrábí dvě základní materiálové modifikace z karbidu<br />
křemíku (<strong>Si</strong>C) :<br />
- infiltrovaný (reaction-bonded) karbid křemíku - <strong>Si</strong><strong>Si</strong>C hrubozrnný (Rocar<br />
<strong>Si</strong>G),<br />
jemnozrnný (Rocar <strong>Si</strong>F)<br />
- slinovaný (sintered) karbid křemíku - S<strong>Si</strong>C (Rocar S1)<br />
Oba materiály vynikají vysokou teplotní odolností, velmi nízkým koeficientem<br />
teplotní roztažnosti, velmi vysokou tvrdostí, otěruvzdorností, vysokou korozní<br />
odolností, nízkou měrnou hustotou, nepropustností pro plyny a kapaliny,<br />
výbornou tepelnou vodivostí, výbornými kluznými vlastnostmi a mezi<br />
keramickými materiály vysokou odolností vůči teplotním šokům.<br />
<strong>Si</strong><strong>Si</strong>C hrubozrnný - Rocar <strong>Si</strong>G<br />
<strong>Si</strong><strong>Si</strong>C jemnozrnný - Rocar <strong>Si</strong>F<br />
S<strong>Si</strong>C - Rocar S1
Rozdíly :<br />
- <strong>Si</strong><strong>Si</strong>C je klasickým materiálem s širokým spektrem uplatnění v aplikacích, kde<br />
nevyhoví levnější vyspělé materiály (kompozity, grafit, Al2O3- korund apod.). Chemická<br />
odolnost je omezena do <strong>10</strong> pH. Drsnost neobrobeného materiálu je pod Ra 6,3.<br />
- S<strong>Si</strong>C materiál má vyšší užitnou hodnotu, díky vyšší teplotní a chemické<br />
odolnosti (v celém rozsahu pH - dle chemické odolnosti).<br />
- Výrobní náklady jsou vyšší než u <strong>Si</strong><strong>Si</strong>C, proto nalezne uplatnění v<br />
nejnáročnějších aplikacích materiálů z karbidu křemíku. Drsnost neobrobeného<br />
materiálu je Ra 0,8-1,6.<br />
Výhody materiálů <strong>Si</strong>C :<br />
-při vhodné aplikaci násobně vyšší životnost než klasické kovové materiály<br />
- podstatné prodloužení servisních intervalů<br />
- úspora nákladů na údržbu<br />
- vysoká odolnost proti otěru<br />
- trysky, ventily, čerpadla v chemickém průmyslu pro abrazivní suspenze<br />
-umožnění konstrukčních řešení, která bez těchto materiálů nejsou možná<br />
-nízkáměrná hmotnost (přibližně odpovídající duralu)<br />
- odlehčení částí strojů<br />
- minimalizace teplotních vlivů na přesnost optických či měřících zařízení
Nevýhody :<br />
-křehký materiál<br />
- vyšší cena<br />
- částečná vodivost<br />
Konstrukční doporučení pro optimální využití <strong>Si</strong>C keramiky :<br />
- v návrhu využít namáhání v tlaku<br />
- eliminovat bodové zatížení a mechanické rázy<br />
- minimalizovat tahová napětí<br />
- eliminovat napěťové koncentrace<br />
- zaoblit hrany<br />
- náchylnost k tvorbě odštipků<br />
- usilovat o jednoduché geometrie s pokud možno konstantní sílou stěny<br />
při zabudování keramického dílu do kovových součástí zohlednit rozdílné teplotní<br />
roztažnosti kovů a keramiky (riziko destrukce keramického dílu)<br />
- optimalizovat tolerance a drsnost povrchu dílu tak, aby se minimalizovalo broušení<br />
keramiky jen na funkční plochy a rozměry - výrazný vliv na cenu výrobku
Klíčové faktory ovlivňující cenu výrobku z <strong>Si</strong>C:<br />
- volba materiálové varianty (<strong>Si</strong><strong>Si</strong>C nebo S<strong>Si</strong>C)<br />
-přesná definice provozních podmínek<br />
-složitost tvaru<br />
- tolerance (zejména nefunkčních rozměrů)<br />
-požadavky na všeobecnou drsnost<br />
- velikost série (kusová výroba 1-5 ks, malosériová 5-500 ks, sériová ca.500 ks a<br />
více)
Přehled materiálů užívaných pro výrobu těsnících kroužků v mechanických ucpávkách :<br />
- kovy - snadná výroba, nízké užitné vlastnosti<br />
- grafit - výborné kluzné vlastnosti (samomazný), odolný vůči korozi, není odolný vůči<br />
abrazi<br />
- wolfram karbid - houževnatý, tuhý, odolný vůči abrazi, nízká odolnost vůči korozi<br />
- Al2O3 (alumina, korund) - odolný vůči abrazi, tuhý, nízká odolnost na teplotní šok<br />
- karbid křemíku - odolný vůči abrazi, tuhý, odolný vůči korozi, vysoký výkon (vysoký P-V<br />
faktor - oběhová rychlost, tlak), křehký<br />
- povlaky - výhodná aplikace, tendence k oddělování vrstvy od nosiče, díky omezené<br />
tloušťce vrstvy dochází rychle k prodření
New concepts for metal/ceramics composites<br />
Especially in automotive construction, the spectrum of applications for light-metal<br />
components is growing more and more: at the same time, however, these components are<br />
having to work under ever more punishing conditions. The solution is to reinforce the<br />
lightweight components with high-performance ceramics at exactly those high-stress<br />
locations.<br />
For composites from metal and ceramics (Metal Matrix Composites, MMC or Ceramic Matrix<br />
Composites, CMC), a metallic substrate with ceramic hardened particles is used as<br />
reinforcement. The low weight of the metal can thus be combined with the resistance of<br />
ceramics under tribological, mechanical and thermal loads.<br />
Highly porous preforms are infiltrated by the light metal during the casting process and thus<br />
assure a seamless transition between metal and ceramic material.<br />
Application potential<br />
By locally reinforcing the cylinder<br />
sleeves in the engine block of the<br />
Porsche Boxster and 911,<br />
CeramTec AG has not only proven<br />
the proper functioning and<br />
efficiency of MMC preforms on a<br />
series-production scale, but also<br />
created a completely new class of<br />
composites. This taps a range of<br />
applications hitherto inaccessible<br />
to ceramics.
Seal rings in high-performance ceramics live longer Wherever fluids are pumped,<br />
compressed or stirred, it is the<br />
bearings and face seal rings that<br />
concern design engineers in<br />
particular. The type of material used<br />
for these parts has a vast impact on<br />
operational reliability and durability,<br />
especially when critical media are<br />
involved.<br />
Due to their outstanding chemical<br />
and physical properties as well as<br />
their homogeneous microstructure,<br />
our high-performance ceramics have<br />
in many instances displaced<br />
conventional materials. Their<br />
functional reliability is the outcome of<br />
such factors as:<br />
•high<br />
wear<br />
resistance<br />
•corrosion resistance<br />
•ability to withstand high<br />
temperatures and<br />
•imperviousness to sudden<br />
fluctuations in temperature.
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Závislost pevnosti v ohybu na hustotě
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Závislost tvrdosti na modulu pružnosti
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Závislost pevnosti v ohybu na tvrdosti HV<strong>10</strong>
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Závislost pevnosti v ohybu na tepelné vodivosti
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Koeficient roztažnosti v závislosti na tepelné vodivosti
Srovnání<br />
některých vlastností<br />
Závislost pevnosti v ohybu na součiniteli roztažnosti
Bentonit –<br />
• ↑hodnota výměny kationtů<br />
• bobtnání<br />
• ↑plastičnost<br />
Využití<br />
- Slévárenství<br />
- Stavebnictví<br />
- Chemický průmysl<br />
v mnoha oborech:<br />
- Čištění odpadních vod<br />
jílová<br />
hornina<br />
3/24
Montmorillonit<br />
(MMT)<br />
(1/2Ca,Na) 0,25–0,6(Al,Mg)<br />
2<strong>Si</strong>4O<strong>10</strong>(<strong>OH</strong>)<br />
2<br />
·<br />
nH2O •destičkový tvar částic<br />
•velký měrný povrch<br />
4/24
Schématický průběh změn<br />
ve struktuře<br />
při modifikaci organickými barvivy<br />
základní<br />
seskupení jílu<br />
Interkalovaný<br />
jíl Exfoliovaný<br />
jíl<br />
↓ ↓<br />
Došlo k rozdružení Jíl nabobtná natolik,<br />
jednotlivých vrstev že vrstvení přestává<br />
jílu<br />
být organizované<br />
7/24
PŘÍPRAVA ANORGANICKO-ORGANICKÝCH<br />
HYBRIDŮ<br />
MMT lze modifikovat organickými látkami díky vyměnitelnosti kladně<br />
nabitých iontů v mezivrstvé mezeře.<br />
Obr. 5<br />
8/19
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Supravodiče I. typu<br />
� Kovové a nekovové prvky<br />
� Vodivé za normální teploty<br />
� Splňují podmínku BCS teorie<br />
� Vyžadují nižší teploty<br />
� Vykazují ostrý přechod<br />
� Diamagnetismus (M-O efekt)<br />
Olovo<br />
Lanthan<br />
Rtuť<br />
Cín<br />
Zinek<br />
Zirkon<br />
Titan<br />
Uran<br />
Tc = 7,19 K<br />
Tc = 4,88 K<br />
Tc = 4,15 K<br />
Tc = 3,72 K<br />
Tc = 0,85 K<br />
Tc = 0,61 K<br />
Tc = 0,40 K<br />
Tc = 0,25 K<br />
Supravodiče II. typu<br />
� Kovy, slitiny, intermetalické<br />
sloučeniny, keramika na bázi<br />
perovskitů<br />
� Vyšší kritické teploty<br />
� Vyšší kritická magnetická pole<br />
Uhlík, Niob<br />
NbTi, Nb3Sn MgB 2<br />
Tc Tc Tc 20<br />
= 9,25 – 15 K<br />
= 9,80 – 19 K<br />
= 39 K<br />
Vysokoteplotní (HTS) keramika:<br />
(La1.85Ba0.15)CuO4 Tc = 30 K<br />
LaCaCu2O6+ Tc = 45 K<br />
YBa2Cu3O7 Tc = 93 K<br />
TlBa2Ca3Cu4O11 Tc = 118 K
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Příprava supravodiče typu YBa Cu O 2 3 7<br />
� Supravodivost: vrstvy kyslíku a mědi v krystalové mřížce<br />
Struktura YBCO 1-2-3 + šupinková<br />
struktura O 7<br />
16
ZČU v Plzni –<br />
Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Využití<br />
� Přenos elektřiny:<br />
rozvodné sítě, generátory,omezovač chyb<br />
akumulační systémy D-SMES<br />
� MRI: SQUID<br />
� Urychlovače částic<br />
� Vojenství:<br />
SQUID, dráty a antény, E-bomby,<br />
elektrické motory<br />
� Rychlé elektronické přepínače:<br />
Josephsonovy supravodivé spoje<br />
� Magnetická levitace: MAGLEV<br />
18
1.<br />
Y2O3 BaCO3 CuO<br />
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Využití<br />
Promíchání<br />
11,29 g<br />
39,47 g<br />
23,86 g<br />
Použitý postup<br />
metody Shake<br />
and<br />
Bake<br />
chemických sloučenin<br />
(Protřepat a vypálit)<br />
15
2.<br />
a)<br />
b)<br />
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Kalcinace: počáteční<br />
Použitý postup<br />
vypálení<br />
(Odstranění<br />
CO2) Výdrž na teplotě 925 – 950°C (940°C) 18 – 24 hodin (22 hod.)<br />
„Rychlé“ chlazení<br />
YBa2Cu3O6,5 -<br />
černé<br />
14<br />
barvy
3.<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
d)<br />
e)<br />
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Střední<br />
vypálení<br />
Použitý postup<br />
(Odstranění<br />
CO2, H2O, sycení<br />
O2) Drcení<br />
Výdrž na teplotě 925 – 975°C (950°C) 18 hodin (18 hod.)<br />
Při 500°C slabé proudění kyslíku<br />
Ochlazování <strong>10</strong>0 – 250°C / 1hod (150°C / 1 hod = 5,5 hod)<br />
Odpojení kyslíku při 400°C<br />
13
4.<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
d)<br />
e)<br />
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Konečné<br />
kyslíkové<br />
Použitý postup<br />
žíhání<br />
(sycení<br />
O2) Drcení (černý vzorek)<br />
Výdrž na teplotě 950 – <strong>10</strong>00°C (970°C) 18 hodin (18 hod.)<br />
Při 400°C silné proudění kyslíku<br />
Ochlazování pod <strong>10</strong>0°C / 1hod (90°C / 1hod = <strong>10</strong>,8 hod)<br />
Odpojení kyslíku při 400°C<br />
Miska z Al2O3 se<br />
vzorkem při 970°C<br />
Vzorek 1<br />
12
1.<br />
2.<br />
3.<br />
a)<br />
b)<br />
c)<br />
d)<br />
e)<br />
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Metoda Shake<br />
Použitý postup<br />
and<br />
Bake<br />
–<br />
zrychlený postup<br />
Promíchání chemických sloučenin<br />
Kalcinace: počáteční vypálení (Odstranění<br />
Konečné vypálení (sycení )<br />
O 2<br />
Drcení (černý vzorek)<br />
Výdrž na teplotě 950°C – 22 hodin<br />
Při 500°C silné proudění kyslíku<br />
Ochlazování pod 94°C / 1 hod<br />
Odpojení kyslíku při 400°C<br />
Vzorek 2<br />
CO2) 11
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Dosažené<br />
výsledky<br />
Meissner-Ochsenfeldův<br />
efekt<br />
<strong>10</strong>
ZČU v Plzni – Pokus o přípravu keramického supravodiče na bázi perovskitu<br />
Dosažené<br />
výsledky<br />
Meissner-Ochsenfeldův<br />
efekt<br />
9
Díky za pozornost!!
![Zdroj : [2] - ateam.zcu.cz](https://img.yumpu.com/36610235/1/190x143/zdroj-2-ateamzcucz.jpg?quality=85)
Change language