Použitie keramických
materiálov
Dušan Galusek
Obsah
• Konštrukčné materiály:
– keramika pre strojárske aplikácie (ložiská, časti strojov, panciere, rezné
nástroje)
• Biokeramika:
– Zubné náhrady, kostné náhrady
– náhrady mäkkých tkanív (kompozity keramia – biopolyméry)
• Elektrokeramika:
– Materiály pre elektroniku, SOFC, iónovo vodivá keramika
• Transparentná keramika:
– Panciere, IČ transparentné materiály
• Vysokoteplotné aplikácie:
– Spaľovacie motory, plynové turbíny, tepelné štíty, thermal barrier
coatings
•
keramika s vysokou tepelnou vodivosťou pre elektroniku
Pokročilá (inžinierska) keramika
Podľa zloženia: oxidová a neoxidová
Podľa použitia:
Funkčná
Piezo senzor
Bio
Bedrový kĺb
Konštrukčná
Vodovodná batéria
Konštrukčná keramika: Prečo?
+ Tvrdosť
+ VT mechanické
+
+
+
-
vlastnosti
Oteruvzdornosť
Použiteľné bez
lubrikantov
Nízka hustota v
porovnaní s kovmi
Krehkosť
Nízka spoľahlivosť
Automobily
Mnoho elektrických dielov
Motor
Motor
Vložky
valcov a
piestové
krúžky
Ventily
Výfuková klapka
Výhody keramických ventilov
Mercedes-Benz S500
Vojenská technika
Keramické panciere
Rotory pre plynové
turbíny
Vojenská technika
Pancierovanie sedadiel vrtuľníkov
Nepriestrelné vesty
Nepriestrelné vesty
Strojársky priemysel
Nástroje pre obrábanie kovov
Vysoká tvrdosť aj pri zvýšenej teplote
Použiteľnosť do 1200 °C
Príklady výrobkov z BN
h-BN
c-BN
Biokeramika
Náhrady tvrdých tkanív:
Zubné náhrady: korunky, môstiky
Kostné náhrady:
Bedrové kĺby
Kolenné a iné kĺby
Kostné štepy
Náhrady mäkkých tkanív:
kompozity keramika – biopolyméry
Šľachy, chrupavky, koža
Medicínske aplikácie
Biomateriály
Alternatíva ku kovovým zliatinám pre kolenné a bedrové implantáty
Kov/
UVMPE
Al2O3/
UVMPE
Al2O3/ Al2O3
Hlavica
femuru
1
0.25-0.30
~0
Koleno
1
0.1
-
Od roku 1970 vo svete implantované:
2.5 mil. hlavíc femuru
100 000 kĺbových lôžok
Od roku 1987 sa testuje viac ako 3000
implantov keramika-keramika
BIOLOX® CeramTec AG
+ Odstránenie problémov s delamináciou PE
+ Takmer nulový oter
+ Vhodné pre mladých a aktívnych pacientov a
pacientov s citlivosťou na Ni
- Na povrchu sa niekedy vytvára nepriľnavá
vláknitá vrstva
Elektrokeramika
Široká škála rôznych materiálov:
 Materiály pre elektroniku
 SOFC
 Iónovo vodivá keramika
 LTCC
 Iné...
Materiály využívané v elektrotechnickom
priemysle pre iné vlastnosti ako elektrické:
 Keramika s vysokou tepelnou vodivosťou
 Fotoluminiscenčné materiály
Pokročilá keramika – funkčné materiály
“Srdcom” každého mobilného
telefónu je kúsok
elektrokeramiky
 Poistky
 Zapaľovacie sviečky
 Izolačné materiály
 Substráty pre počítačové čipy
 Materiály so samodetekčnou
schopnosťou
Transparentná keramika
Mierové aplikácie: vysokotlaké halogénové výbojky  úspora energie
Vojenské aplikácie: transparentné panciere:
Priezory
Ochranné štíty
Nepriestrelné sklá
AlON = aluminum oxynitride
(5 mol AlN + 9 mol Al2O3
T = 1850C
LiAlON: nižšia teplota syntézy
Optické, mechanické a fyzikálne vlastnosti podobné zafíru; lacnejšia príprava.
Strela:
kaliber: 7,62 x 51 mm
Typ: AP8 (WC jadro)
Výrobca: NAMMO, Švédsko
Rýchlosť: 930  20 m/s
Vrstvený pancier s jediným zafírovým pásom a lamelárnym
systémom po testovaní na viacnásobný zásah: pohľad
spredu a zozadu
Okno 500x500 mm
viacnásobný zásah
7,62 x 54R B-32 API
7,62x51 AP8 (WC core)
Hrúbka [mm]
Ceba [EUR]
Hrúbka [mm]
Cena
[EUR]
Vrstvené sklo
85
1 250
125
2 000
Zafír / sklo
40
8 000
60
31 000
Zafírové pás / sklo
40
2 500
60
5 500
Kozmický výskum
Vysoká tepelná odolnosť
Thermal barrier coatings
Funkcia:
 Ochranná
 Senzorická
Vrstvy:
 Keramická vrchná vrstva
(najčastejšie YSZ)
 Tepelne nanášaná oxidová vrstva
 Kovový spojivový povlak
 Kovový substrát (superzliatina)
Odolnosť:




Teplotné cyklovanie
Oxidácia
Korózia za horúca
Odolnosť voči nataveným
usadeninám (V2O5)
Materiály:
 YSZ
 Zirkoničitany kovov vzácnych
zemín:
 Vynikajúce termické
vlastnosti > 1200 oC
 Nízka lomová húževnatosť
TBC – použitie
Automobilový
priemysel:
 „Exhaust heat
management“
 Zníženie strát tepla z
výfukového systému
Letecký priemysel:
 Ochrana lopatiek turbín leteckých
motorov
 Zvyšovanie účinnosti a bezpečnosti
Teplo disipujúce keramické substráty
HB-LED – ako funguje?
20 % elektriny sa mení na svetlo, zvyšok teplo
Teoretická svetelná účinnosť 350 lm/W
Skutočná v r. 2008 100 lm/W
Vážny problém  disipácia tepla:
Výkonová hustota ~ 100 W/cm2  viac ako procesor Pentium
Bez vhodného chladenia zlyháva v priebehu minút
Použiteľné materiály
Požiadavky:
V súčasnosti používané:
Vysoká štruktúrna stabilita
Kovové jadro v polymérnom
substráte
Vysoká tepelná vodivosť
Elektricky nevodivé  žiadne
kovy!
Potenciálne nové materiály:
Material
20
BeO
~ 300
Si3N4
SiC
Celková TC nízka (3 - 5 W/mK )
TC / W/mK Note
Al2O3
AlN
Kombinácia Al (TC 200 W/mK) s
epoxidovou živicou (TC 0.5 W/mK)
Lacný, nízka TC
Silne jedovatý
max. 200 Nízka pevnosť a húževnatosť, cena
>100
110
Nízka pevnosť a húževnatosť, cena
Cena, relatívne vysoká elektrická vodivosť
More intra
Keramika s vysokou odolnosťou voči
vysokoteplotej deformácii
1400°C
1350°C
1300°C
Rýchlosti creepu:
1250°C
1300°C/100MPa
K3La
K3La = 2,10x10-8
R3La = 2,29x10-8
R3La
-1 -1
rate [s (s] )
Creep
Rýchlosť
deformácie
1E-7
R3Lu = 4,02x10-9
K3Lu = 6,34x10-10
1E-8
1350°C/100MPa
K3Lu
R3Lu
K3La = 4,71x10-8
More
inter
R3La = 6,03x10
1E-9
-8
R3Lu = 9,56x10-9
7,0
7,2
7,4
7,6
1/RT*10
7,8
-5
8,0
8,2
K3Lu = 1,58x10-9
A späť do domácnosti...
Orange Cutter
Špecialitky
Download

Materiály