Bruk og prosessering av keramer

Bruk og prosessering av keramer
• Klassifisering av keramer
• Noen applikasjoner av keramer
• Prosessing av keramer
1
Klassifisering av keramer
Glass
Glass
Glasskeramer
LeirSlipemidler
Ildfaste
produkter materialer
Hvitevarer
Porselen
Flis
.
Fireclay
Silika
Basiske
Spesial
Sandpapir
Skjæring
Polering
Sement
Avanserte
keramer
Kompositt
Motor
Strukturelle Rotor
Ventiler
Lager
Sensorer
• 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
2
Glasskeramer
• Krystallisasjon av glass
– Varmebehandling
• Finkornet krystallint material
• Varmebestandig, seigt
• Eksempel: ovnstopp
3
Ildfaste materialer
• Material for bruk i høytemperaturovner.
• Systemet Silika (SiO2) - Alumina (Al2O3).
• Fasediagram
mullitt, alumina, og kristobalitt er kandidater .
Ildfaste leirer (fireclays)
25-45% alumina
Ovnskonstruksjon
Ildfaste silika materialer
Stålfremstilling
3Al2O3-2SiO2
2000
Liquid
(L)
1800
Stålfremstilling
Spesial ildfaste materialer
Mullitt, BeO, ZrO2, karbon
mullite
alumina + L
mullite
+L
crystobalite
+L
Ildfaste basiske materialer
4
2200
T(°C)
1600
1400
mullite
+ crystobalite
0
20
alumina
+
mullite
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
polycrystalline
diamonds in a resin
matrix.
Photos courtesy Martin Deakins,
GE Superabrasives, Worthington,
OH. Used with permission.
5
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
•
•
Optiske fibrer
•
•
Høyrent silika glass
Sensorer
•
•
Mikromekaniske systemer
Funksjonelle egenskaper, elektriske, optiske
Strukturelle
Kulelager
7
Prosessering av keramer
GLASSFORMING
PARTIKKELFORMING
SEMENTERING
• Pressing:
Pressingsoperasjon
glass
plater, billig glass
--stålform med grafittbelegg
form
• Fibertrekking:
Komprimert
luft
• Blåsing:
emne
8
form
spolning
Forming av glassplater
Alternativt, flyte glass på smeltet tinn
9
Struktur hos glass
• Baseenhet:
• Glass er amorft
• Amorf struktur
4Si0 4 tetraeder
Si 4+
O2-
• Kvarts er krystallinsk
SiO2:
Tilsetning av forurensninger
(nettverksmodifiserer, Na+,Mg2+,Ca2+,
Al3+)
• Forurensninger:
Hindrer dannelse av krystallstruktur.
Na +
Si 4+
O2-
(soda glass)
10
Egenskaper hos glass
• Spesifikk volum (1/r) vs Temperatur (T):
• Krystallinske materialer:
Specific volume
-- Krystalliserer ved smeltepunktet, Tm
-- brå forandring i spes. vol. ved Tm
Liquid
(disordered)
Supercooled
Liquid
• Glass:
Glass
(amorphous solid)
Crystalline
(i.e., ordered)
Tg
Tm
Adapted from Fig. 13.6, Callister, 7e.
11
solid
T
-- krystalliserer ikke
-- helling i spes. vol. kurven endres ved
glassomvandlingstemperatur, Tg
-- transparent
- ingen krystaller som kan spre lys
Glassegenskaper - viskositet
• Viskositet, h:
-- relaterer skjærspenning og hastighetsgradient:
t
dy
glass
t
dv
dv
dy
t=h
dv
dy
velocity gradient
h har enhet (Pa-s)
12
Viskositet
s]
Viscosity [Pa ×
• Viskositet minker med T
• Forurensninger senker Tdeform
• fused silica: > 99.5 wt% SiO2
10 14
13
• soda-lime glass: 70% SiO2
balanserer Na2O (soda) & CaO (lime)
• borosilicate (Pyrex):
13% B2O3, 3.5% Na2O, 2.5% Al2O3
• Vycor: 96% SiO2, 4% B2O3
Tøyningspunkt
Varmebehandling
10 10
10 6
10 2
1
200
Tdeform : Tilstrekkelig myk
For bearbeiding
Tmelt
600 1000 1400 1800 T(°C)
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
14
Fortsatt kjøling
compression
tension
compression
Glasskeramer
15
Prosessering av keramer
GLASS
FORMING
PARTIKKELFORMING
CEMENTATION
• Maling og sortering: ønsket partikkelstørrelse
• Blanding partikler og vann: “slikker"
Ao
• ”Grønnkropp”
container
--Hydroplastisk forming:
force
ekstrudering (f eks til rør)
--Slikkerstøping:
pour slip
into mold
absorb water
into mold
“green
ceramic”
solid component
16
ram
billet
container
pour slip
into mold
drain
mold
hollow component
• Tørke og brenning av komponent
die holder
extrusion
die
“green
ceramic”
Ad
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
Shear
• Leire er billig
• Tilsetning av vann
charge
neutral
-- tillater skjærdeformasjon
langs van der Waals bindning
-- ekstrudering
-- slikkerstøping
• Struktur hos
Kaolinittleire:
18
weak van
der Waals
bonding
4+
charge
neutral
Si
3+
Al
OH
2O
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.
Si02 particle
(quartz)
micrograph of
porcelain
19
glass formed
around
the particle
70mm
Prosessering av keramer
GLASS
PARTIKKELCEMENTATION
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
Varmpressing - trykk + varme
21
Adapted from Fig. 13.16, Callister 7e.
Båndstøping (Tape casting)
Tynne keramiske myke grønne bånd
For bruk i integrerte kretser
Støpt fra flytende slikker (keram + organisk løsningsmiddel)
Adapted from Fig. 13.18, Callister 7e.
22
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