Bruk og prosessering av keramer

Transkript

1 Bruk og prosessering av keramer Klassifisering av keramer Noen applikasjoner av keramer Prosessing av keramer 1

2 Klassifisering av keramer Glass Leirprodukter Ildfaste materialer Slipemidler Sement Avanserte keramer Glass Glasskeramer Hvitevarer Porselen Flis. Fireclay Silika Basiske Spesial Sandpapir Skjæring Polering Kompositt Strukturelle Motor Rotor Ventiler Lager 2 Egenskaper: -- Tm for glass er moderat, men høy for øvrige keramer. -- Lav seighet, duktilitet; høy modul & sigingsmotstand. Applikasjoner: -- Høy T, slitebestandighet, billige Tilvirkning -- noen glass er lette å forme -- andre keramer kan ikke formes eller støpes Sensorer

3 Glasskeramer Krystallisasjon av glass Varmebehandling Finkornet krystallint material Varmebestandig, seigt Eksempel: ovnstopp 3

4 Ildfaste materialer Material for bruk i høytemperaturovner. Systemet Silika (SiO 2 ) - Alumina (Al 2 O 3 ). Fasediagram mullitt, alumina, og kristobalitt er kandidater. 4 Ildfaste leirer (fireclays) 25-45% alumina Ovnskonstruksjon Ildfaste silika materialer Stålfremstilling Ildfaste basiske materialer Stålfremstilling Spesial ildfaste materialer Mullitt, BeO, ZrO 2, karbon 2200 T( C) crystobalite + L Liquid (L) mullite mullite + L mullite + crystobalite 3Al 2 O 3-2SiO 2 alumina + L alumina + mullite Composition (wt% alumina)

5 Slipemidler Verktøy: -- Sliping glass, wolfram-, karbid, keramer -- skjæring Si wafers -- for oljeboring oil drill bits blades coated single crystal diamonds 5 polycrystalline diamonds in a resin matrix. Photos courtesy Martin Deakins, GE Superabrasives, Worthington, OH. Used with permission.

6 Sement Sement, Gips, Kalk Blande med vann myk masse setting og herding - romtemperatur Sement Portland sement Mørtel eller blandet med sand: betong (kompositt) Blande leire og kalk Oppvarming til 1400 C: kalsinering Blande med gips Setting og herdning ved tilsetning av vann 6

7 Avanserte keramer Mems Mikromekaniske systemer Optiske fibrer Høyrent silika glass Sensorer Funksjonelle egenskaper, elektriske, optiske Strukturelle Kulelager 7

8 Prosessering av keramer GLASS- FORMING Pressing: form glass Blåsing: emne Pressingsoperasjon PARTIKKEL- FORMING Komprimert luft SEMENTERING plater, billig glass --stålform med grafittbelegg Fibertrekking: 8 form spolning

9 Forming av glassplater Alternativt, flyte glass på smeltet tinn 9

10 Struktur hos glass Baseenhet: 4- Si04 tetraeder Si 4+ O 2- Kvarts er krystallinsk SiO2: Glass er amorft Amorf struktur Tilsetning av forurensninger (nettverksmodifiserer, Na +,Mg 2+,Ca 2+, Al 3+ ) Forurensninger: Hindrer dannelse av krystallstruktur. Na + Si 4+ O 2- (soda glass) 10

11 Egenskaper hos glass Spesifikk volum (1/r) vs Temperatur (T): Specific volume Supercooled Liquid Liquid (disordered) Krystallinske materialer: -- Krystalliserer ved smeltepunktet, Tm -- brå forandring i spes. vol. ved Tm Glass (amorphous solid) Crystalline (i.e., ordered) T g T m solid T Glass: -- krystalliserer ikke -- helling i spes. vol. kurven endres ved glassomvandlingstemperatur, Tg -- transparent - ingen krystaller som kan spre lys Adapted from Fig. 13.6, Callister, 7e. 11

12 Glassegenskaper - viskositet Viskositet, h: -- relaterer skjærspenning og hastighetsgradient: t t glass dy dv dv dy velocity gradient t dv = h dy h har enhet (Pa-s) 12

13 Viscosity [Pa s] Viskositet Viskositet minker med T Forurensninger senker Tdeform soda-lime glass: 70% SiO 2 balanserer Na 2 O (soda) & CaO (lime) borosilicate (Pyrex): 13% B 2 O 3, 3.5% Na 2 O, 2.5% Al 2 O 3 Vycor: 96% SiO 2, 4% B 2 O 3 fused silica: > 99.5 wt% SiO Tøyningspunkt Varmebehandling T melt T( C) Tdeform : Tilstrekkelig myk For bearbeiding 13

14 Varmebehandling av glass Annealing (avspenning): --fjerner indre spenninger på grunn av ujevn kjøling Tempering (adusering): -glassets overflate trykkspenning --forhindrer brudd på grunn av sprekk og riper. Før kjøling hot Kjøling av overflate cooler hot cooler --Overflatesprekk vil ikke vokse Fortsatt kjøling compression tension compression 14

15 15 Glasskeramer

16 Prosessering av keramer GLASS FORMING Maling og sortering: ønsket partikkelstørrelse Blanding partikler og vann: slikker" Grønnkropp Ao container --Hydroplastisk forming: force ram billet ekstrudering (f eks til rør) container --Slikkerstøping: pour slip into mold absorb water into mold green ceramic PARTIKKEL- FORMING pour slip into mold drain mold CEMENTATION die holder extrusion die green ceramic Ad 16 solid component hollow component Tørke og brenning av komponent

17 Leire Blanding av komponenter (50%) 1. Leire (25%) 2. Fyllmasse e.g. kvarts (fint malt) (25%) 3. Fluks (Feltspat) binder sammen aluminosilikater + K +, Na +, Ca + 17

18 Mekanismer for glidning Leire er billig Tilsetning av vann -- tillater skjærdeformasjon langs van der Waals bindning -- ekstrudering -- slikkerstøping Shear charge neutral Struktur hos Kaolinittleire: charge neutral weak van der Waals bonding Si 4+ Al 3+ - OH O 2-18 Shear

19 Tørkning og brenning Tørking: sjiktenes størrelse og avstand minker. Våt slikker Delvis tørket grønn kropp Altfor hurtig tørkning gir bøying og sprekk på grunn av ujevn krymping Brenning: --T ( C) --vitrification (forglassing): smeltet glass dannes fra leire og flyter mellom SiO2 partikler. Fluks smelter ved lavere T. micrograph of porcelain Si0 2 particle (quartz) glass formed around the particle 19 70mm

20 Prosessering av keramer GLASS PARTIKKEL- CEMENTATION FORMING FORMING Sintring: brukes for leire og andre sammensetninger. Prosedyre -- produsere keramiske- og/eller glasspartikler gjennom maling -- Partikler i pressverktøy -- press ved høy T for å redusere porestørrelse. Aluminiumoksid pulver: -- sintret ved 1700 C I 6 minutter mm

21 Pulverpressing Sintring pulver i kontakt danner halser som blir tykkere Tilsetninger fremmer dannelse og forgroving av halser Liten eller ingen plastisk deformasjon Enakset pressing - Kompaktering i en retning Isostatisk (hydrostatisk) pressing - trykk overføres med veske pulver i gummibeholdere Adapted from Fig , Callister 7e. Varmpressing - trykk + varme 21

22 Båndstøping (Tape casting) Tynne keramiske myke grønne bånd For bruk i integrerte kretser Støpt fra flytende slikker (keram + organisk løsningsmiddel) 22 Adapted from Fig , Callister 7e.

23 Prosessering av keramer GLASS PARTIKKEL SEMENTERING FORMING FORMING Produsert i svært store kvantiteter Portland sement: -- blandning av leire og kalk -- Kalsinering (oppvarming til 1400 C) Tilsetning av vann -- myk masse som herder -- herding på grunn av hydrering (kjemiske reaksjoner med vann). Forming: like etter hydrering starter. 23

24 Oppsummering Inndeling i grupper: -- glass -- leirprodukter -- ildfaste materialer -- sement -- avanserte keramer Produksjonsteknikker: -- glassforming (forurensninger/tilsatser påviker formingstemperatur). -- partikkelforming (bedre duktilitet) -- sementering (stor volum, rom-t prosess) Varmebehandling -- minker/fjerner restspenninger etter kjøling -- gir bedre styrke overflate i kompresjon. 24