Pokročilé keramické materiály:
Úvod
Pavol Šajgalík a Dušan Galusek
Čo je materiál
Materiál: látka alebo surovina, z ktorej sa niečo vyrába
Rozdelenie materiálov:
Prírodné materiály
Materiály z prírodných surovín
Syntetické materiály
Prírodné materiály
Materiály, ktoré nachádzame v prírode a môžeme ich využívať priamo,
bez predchádzajúcej zmeny ich chemickej povahy
Drevo
Kameň
Stavebný kameň
Výroba nástrojov (pazúrik,
rohovec, pieskovec)
Drahé a šperkárske kamene
(diamant, korund, zirkón ...)
Niektoré kovy, ktoré sa
nachádzajú v rýdzom stave
(Au, Cu, Pt ...)
Prírodné sklá (obsidián,
tektity - vltavíny)
Materiály z prírodných surovín
Materiály, ktoré sa pripravujú z prírodných surovín zmenou ich
chemickej povahy
Suroviny
Procesy chemickej
premeny
Materiály
Rudy
• (Praženie) redukcia
Kovy a zliatiny
Ílové minerály
• Dehydratácia, reakcie v
tuhej fáze, spekanie
Tradičná keramika
Iné minerálne
suroviny
(uhličitany,
sírany...)
• termický rozklad, reakcie
v tuhej fáze
Cement, vápno
• termický rozklad, reakcie
v tuhej fáze, tavenie
sklo
• Krakovanie,
polymerizačné reakcie
polyméry
Prírodné
uhľovodíky (ropa,
zemný plyn)
Syntetické materiály
Materiály, ktoré sa pripravujú z vysoko čistých, často syntetických,
prekurzorov presne definovaným procesom.
U mnohých neexistuje prírodný ekvivalent.
High-tech polyméry (PAN, PEEK, UHMWPE, PET atď.)
Pokročilé keramické materiály
 Oxidové (Al2O3, ZTA, PSZ, TZP, syntetické perovskity, spinely,
granáty)
 Neoxidové (nitridy, boridy, karbidy, silicidy)
Materiály na báze uhlíka (uhlíkové vlákna, CNT, CNF,
grafény, fullerény)
Kovové sklá
Superzliatiny (Inconel)
Rôzne kompozity
Nanoštruktúrne materiály
Monokryštály
• Štruktúra (usporiadanie stavebných jednotiek látky na dlhú vzdialenosť)
• Vlastnosti monokryštálov
Diamant:
Grafit:
tvrdý
oteruvzdorný
diamant
mäkký
tuhé mazadlo
grafit
Vlastnosti monokryštálov sú diktované
štruktúrou (kryštálovou a elektrónovou)
Monokryštály
• Vlastnosti monokryštálov sú dané:
- kryštálovou a elektrónovou štruktúrou
- typom väzby – všetky väzby sú elektrónového
pôvodu, rozdiel spočíva v
distribúcii elektrónov
v okolí rôznych častíc
kT
ue 
RT
uF
fluórapatit
Príspevok elektrónov
k vnútornej energii
VLASTNOSTI
uF 
h  3N 


2m  8V 
2
2
3
Fermiho energia
Vlastnosti monokryštálov sú materiálové konštanty
DEFEKTY V MONOKRYŠTÁLOCH OVPLYVŃUJÚ ICH VLASTNOSTI
Polykryštalické materiály
Vlastnosti polykryštálov
5 mm
Monokryštály a-Si3N4
MIKROŠTRUKTÚRA
Mechanické vlastnosti polykryštálov
sú definované vlastnosťami monokryštálov,
vlastnosťami hraníc a iných minoritných
zložiek tvoriacich polykryštalický materiál
Keramické materiály
Definície keramiky:
Materiály skladajúce sa z nekovových anorganických
látok, ktorými sú zvyčajne oxidy, ale aj nitridy, karbidy,
alebo silicidy, a obsahujú najmenej 30 % kryštalických
fáz. (Deutsche Keramische Geselschaft)
Všetky anorganické nekovové materiály, ktoré
sú pripravované tepelným spracovaním.
(American Ceramic Society)
Táto definícia zahŕňa medzi keramické materiály
aj sklá, smalty, cementy, sadru.
Keramika je nekovový anorganický
polykryštalický materiál pripravený spekaním
Keramika je najstarší syntetický
materiál v histórii
26000 rokov:
Věstonická Venuše
7000 rokov: prvé
hrnčiarske výrobky
Rozdelenie keramických materiálov
Pripravené z prírodných surovín:
 Najmä ílové minerály
 Tradičná keramika
 Stavebná keramika (tehly, tvarovky, strešná krytina, obklady,
dlažby)
 Sanitárna keramika (umývadlá, WC keramika)
 Hrnčiarska keramika (porcelán, poloporcelán, terakota,
majolika, fajansa)
 Niektoré druhy elektrokeramiky (elektrické izolátory, poistky)
Syntetické keramické materiály
Nanomateriály
Syntetické keramické materiály
Podľa zloženia hlavnej zložky:
 oxidová
 neoxidová
Podľa použitia:
Funkčná
Piezo senzor
Bio
Bedrový kĺb
Konštrukčná
Rezné doštičky
Oxidová a neoxidová keramika
Oxidové materiály
Majoritná fáza:
Al2O3:





sss-Al2O3
lps-Al2O3
ZTA (Al2O3-ZrO2)
Al2O3-SiCp, SiCw
Iné kompozity (prídavok CNT,
TiC....)
ZrO2
 PSZ: čiastočne stabilizovaný ZrO2
– prídavky Y, Ce, Mg, Ca
 TZP: t-ZrO2 s prídavkom Y, Ce
MgO
ZnO
TiO2
Ternárne oxidy:
 Spinely (kubický AIIBIII2O4)


Pervoskity (kubický AIIBIVO3)
Granáty (kubický (XII3Y2(SiO4)3)
Neoxidové materiály
Hlavné skupiny:
Nitridy (NIII-)
 Si3N4
 SiAlON (α, β)
 Nitridy prechodných kovov (TiN,
VN, ZrN, NbN, HfN, TaN)
 c-BN, h-BN
 GaN
 C3N4 - kurizoita
Karbidy (CIV-)




TiC
SiC
B4C
WC
Boridy (BIII-)
 TiB2
 ZrB2
Silicidy (SiIV-)
 MoSi2
Keramika podľa použitia
Funkčná keramika Biokeramika
Dôležité vlastnosti:
Bioinertné
Elektrické
Biaktívne
Magnetické
Bioresorbovateľné
Termické
Dôležité vlastnosti:
Optické
Biologické
Chemické
Chemické
(Mechanické)
Mechanické
Konštrukčná
keramika
Dôležité vlastnosti:
Najmä mechanické
Tvrdosť
Pevnosť
KIC
Elastický modul
Oteruvzdornosť
Mikroštruktúra
The structure of an organism or object as revealed
through microscopic examination
Drobnohľadná stavba pletiva živého organizmu
alebo pevných látok, dôležitá pre ich celkové
vlastnosti
Zloženie, tvar a usporiadanie základných
stavebných kameňov výrobku alebo materiálu
Mikroštruktúra prírodných materiálov
Vo väčšine
prípadov nie je
presne
definovaná
Mnohofázová
Vysoké obsahy
nečistôt
Horšia
reprodukovateľnosť vlastností
Mikroštruktúra keramiky
Priestorové, tvarové a objemové zastúpenie fáz tvoriacich polykryštalický materiál
Komponenty mikroštruktúry
 Majoritné a minoritné kryštalické fázy
 Sklená fáza v priestoroch medzi kryštalickými fázami
 Trojné body
 Hranice zŕn
 Póry a defekty
U polykryštalických materiálov je väčšina vlastností výrazne
ovplyvnená mikroštruktúrou:
 Veľkosťou a vzájomnou orientáciou zŕn majoritných a minoritných
kryštalických fáz
 Prítomnosťou, veľkosťou a distribúciou defektov
 Obsahom zvyškovej pórovitosti
 Prítomnosťou a zložením sklenej fázy
Mikroštruktúra vs. vlastnosti
Majoritná fáza
Minoritná fáza
Vhodnou kombináciou majoritných a minoritných fáz
sa dajú pripravovať materiály s definovanými VLASTNOSŤAMI
(Si3N4 zrno)
Je definovaná:
(sklo na hraniciach zŕn majoritnej fázy, iné fázy a defekty)
- počtom a identifikáciou prítomných fáz (vrátane pórov)
- relatívnym množstvom prítomných fáz (majoritná – minoritná)
- charakterom každej fázy (chem. zloženie, veľkosť, tvar a iné)
Mikroštruktúra syntetických materiálov
Výsledok dôsledne
riadeného procesu prípravy
Dobre definovaná
Obvykle malý počet fáz,
ktorých funkcia je známa
Nízky obsah nečistôt
Si3N4
SiC
Al bronze CuAl20 500 x
Al2O3
Mikroštruktúra - príklady
Príklady mikroštruktúry syntetických
materiálov – Al2O3
Spekanie 1300oC/60’
10CaO.SiO2
Žiarové lisovanie 1700oC/60’ Žiarové lisovanie 1700oC/60’
+ žíhanie 1750oC/600’
2CaO.SiO2
CaO.1,3SiO2
CaO.5SiO2
Uvedomelé ovplyvňovanie mikroštruktúry
Príprava keramických materiálov  cielené ovplyvňovanie mikroštruktúry
 modifikácia vlastností
Výslednú mikroštruktúru materiálu je možné ovplyvniť prakticky vo
všetkých štádiách prípravy:
Výber keramického prášku: na výslednú mikroštruktúru má vplyv:




Čistota
Fázové zloženie
Morfológia
Granulometria
Proces tvarovania ovplyvňuje:
 Hustotu a homogenitu surového kompaktu
 Veľkosť a tvar pórov
 Prítomnosť procesných defektov
Spekanie (teplota a čas izotermickej výdrže pecná atmosféra) ovplyvňuje:
 Obsah zvyškovej pórovitosti
 Veľkosť a rozdelenie veľkostí zŕn vo výslednom materiáli
 Fázové zloženie:
• Obsah majoritných a minoritných kryštalických fáz
• Prítomnosť a zloženie sklenej fázy
 Prítomnosť, resp. veľkosť reziduálnych napätí
Vzťah medzi mikroštruktúrou
a vlastnosťami keramických materiálov
Minimalizácia podielu defektov vedie k vysokým hodnotám pevnosti
520 MPa
980 MPa
Vzťah medzi mikroštruktúrou
a vlastnosťami keramických materiálov
Zmena chemického zloženia hraníc zŕn vedie
k zvýšeniu lomovej húževnatosti
Vzťah medzi mikroštruktúrou
a vlastnosťami keramických materiálov
Zmena chemického zloženia hraníc zŕn vedie
k zvýšeniu odolnosti voči vysokoteplotnej deformácii (creep)
1350 °C / 100 MPa
Nízka viskozita GB fáz
2,0
cavitation
R3La 1350°C/100MPa
K3La 1350°C/100MPa
Strain [%]
Deformácia
[%]
1,5
R3Lu 1350°C/100MPa
K3Lu 1350°C/100MPa
1,0
0,5
0,0
0
20
40
60
80
100
Time
[hod]
Čas [hod]
120
140
160
Vzťah medzi mikroštruktúrou
a vlastnosťami keramických materiálov
Aplikácia nanoinklúzií ďalšej minoritnej fázy vedie k zvýšeniu tvrdosti
Download

Pokročilé keramické materiály: Úvod