Bruk og prosessering av keramer Klassifisering av keramer Noen applikasjoner av keramer Prosessing av keramer 1
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
Glasskeramer Krystallisasjon av glass Varmebehandling Finkornet krystallint material Varmebestandig, seigt Eksempel: ovnstopp 3
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) 2000 1800 crystobalite + L 1600 1400 0 Liquid (L) mullite mullite + L mullite + crystobalite 3Al 2 O 3-2SiO 2 alumina + L alumina + mullite 20 40 60 80 100 Composition (wt% alumina)
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.
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
Avanserte keramer Mems Mikromekaniske systemer Optiske fibrer Høyrent silika glass Sensorer Funksjonelle egenskaper, elektriske, optiske Strukturelle Kulelager 7
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
Forming av glassplater Alternativt, flyte glass på smeltet tinn 9
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
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
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
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 2 10 14 10 10 Tøyningspunkt Varmebehandling 10 6 10 2 1 T melt 200 600 1000 1400 1800 T( C) Tdeform : Tilstrekkelig myk For bearbeiding 13
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 Glasskeramer
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
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
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
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 (900-1400 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
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. 20 15 mm
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. 13.16, Callister 7e. Varmpressing - trykk + varme 21
Båndstøping (Tape casting) Tynne keramiske myke grønne bånd For bruk i integrerte kretser Støpt fra flytende slikker (keram + organisk løsningsmiddel) 22 Adapted from Fig. 13.18, Callister 7e.
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
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