Transcript Keramiak_tulajdonsagai - BME

1. Kerámiák
Kerámiák szerepe és perspektívái a mérnöki gyakorlatban
A földkéregben előforduló
elemek egy részének kémiai
állapota olyan, hogy mint
vegyületek, kerámiának
minősülnek. Kerámia:
kristályos, szervetlen
nemfémes jellegű anyag. A
mérnöki gyakorlat által
felhasznált műszaki
kerámiák azonban
nagymértékben átalakított
anyagok.
Kerámiák
Kerámia: a szó eredete: keramos  fazekasföld
fazekas ősi foglalkozás: agyagedények, kőedények
a későbbiekben: porcelántárgyak
üvegedények, építőanyagok
úgynevezett
tradicionális
kerámiák
tűzálló anyagok
Korszerű műszaki kerámiák: megfelelő angol elnevezés:
• advanced technical ceramics
• structural ceramics
• high performance ceramics
A kerámiák és fémek tulajdonságainak összevetése
Tulajdonság
Korszerű
kerámia
Fém
Kerámia:fém
tulajdonságarány
Alakíthatóság
Nagyon kicsi
Nagy
(0,001-0,01):1
Sűrűség
Kicsi
Nagy
0,5:1
Törési szívósság
Kicsi
Nagy
(0,0-0,1):1
Keménység
Nagy
Kicsi
(3-10):1
Hőtágulás
Kicsi
Nagy
(0,1-0,3):1
Hővezetőképesség
Kicsi
Nagy
(0,05-0,2):1
Elektromos
ellenállás
Nagy
Kicsi
(100-1000):1
Néhány példa kerámia alkatrészek felhasználásából származó
előnyökre
Alkalmazás
Előny
Kerámiai anyagok
Hűtés nélküli, kis
teljesítményű dízelmotor
A fajlagos üzemanyagfogyasztás 10-15%-kal
csökken
ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3,
Al2TiO5
Nagyteljesítményű
adiabatikus dízelmotorok
A fajlagos üzemanyagfogyasztás 20%-kal
csökken
ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3,
Al2TiO5
Kisteljesítményű
gázturbinák autókhoz
A fajlagos üzemanyagfogyasztás 27%-kal
csökken
Si3N4, SiC, Li-Al-szilikátok
Rúdkovácsoló kemencék
rekuperálása
Fajlagos energiafelhasználás 41%-kal
csökken
SiC
Szürke nyersvas
megmunkálása
A termelékenység 220%kal nő
Si3N4, SIALON
Rézdróthúzás
A termelékenység 200%kal nő
ZrO2
A korszerű műszaki kerámiák piaci helyzete
Forgalom
1987
(106 USD)
Forgalom
2000
(106 USD)
Elektromángenes eszközök (nyomtatott áramköri
elemek, termisztorok, varisztorok, félvezetők,
mágneses anyagok, kondenzátorok, gyújtógyertyák,
stb.)
8170
31720
Szerszámok, mechanikai eszközök (szerszámok,
szuperkemény alkatrészek, kopásálló anyagok, stb.)
1110
5540
Hőtechnikai eszközök (magas hőmérsékleten kopásálló
és korrózióálló anyagok, stb.)
450
4170
Vegyipari eszközök és biokerámiák (érzékelők,
katalizátorok, biokerámiák, stb.)
680
4970
Optikai eszközök (optikai szálak, egyéb optikai
eszközök)
1020
7890
Egyéb alkalmazások (szupravezetők, stb.)
220
5120
Mesterséges gyémánt
900
5480
12550
64890
Alkalmazási terület
Összesen
Nem oxidos, nagy teljesítményű különleges kerámiák
alapanyagai
Felhasználási területek
Anyag megnevezése
1. Szerkezeti kerámiák
1.1 A fémfeldolgozás vágó- és alakítószerszámai pl.
vágólapkák, szálhúzógyűrűk, terelőgörgők, hengerek
Szilícium-nitrid
Titán-karbid
Titán-nitrid
Titán-borid
1.2 Motorkerámiák:
pl. dízel izzítógyertyák, dízel előégetőkamrák,
turbótöltők, szelepek
Szilícium-nitrid
Szilícium-karbid
1.3 Kohászat és gyártástechnológia elemei:
pl. tégelyek, elpárologtatók, golyósmalmok,
hőcserélők
Szilícium-nitrid
Szilícium-karbid
Alumínuim-nitrid
Bór-nitrid
Titán-borid
1.4 Kopó alkatrészek:
pl. szivattyútömítések, forgórészek, homokszóró,
fúvókák, golyóálló mellények
Szilícium-nitrid
Szilícium-karbid
Bór-karbid
Titán-borid
Titán-karbid
Felhasználási területek
Anyag megnevezése
1.5 Precíziós gépalkatrészek:
pl. golyóscsapágyak, turbinalapátok, géporsók,
idomszerek
Szilícium-nitrid
Szilícium-karbid
2. Elektrokerámiák
2.1 Szubsztrátok integrált áramkörökhöz
Alumínium-nitrid
Alumínium-karbid
2.2 Mágnesfejek
Szilícium-nitrid
Titán-karbid
2.3 Szenzorok, gyújtók
Cirkon-borid
Titán-nitrid
Alumínium-nitrid
Szilícium-karbid
2.4 Ellenállások
Titán-nitrid
Króm-nitrid
Alumínium-nitrid
Lantán-hexaborid
3. Különleges tűzálló anyagok
pl. kádbélések, csapolónyílások, befúvatólándzsák
porlasztói
4. Élkerámiák
Bór-karbid
Szilícium-karbid
Bór-nitrid
Szilícium-nitrid
Titán-nitrid, gyémánt
Kovalens kötés
- elektronpárok létesítik a
kötést (XA, XB ~ ≥ 2,1),
- kohéziós energia nagy (pl.: C,
Si, Ge),
- irányított jelleg (pl. C-H4).
A kötések nem tisztán ionos, kovalens vagy fémes, hanem kevert jellegűek
is lehetnek:
A kerámiákban előforduló kötéstípusok:
• ionos kötés
• kovalens kötés
A kerámiákban előforduló alapvető kristályszerkezetek:
Rácshibák:
Diszlokációk:
A mikroszerkezet
Kerámiák termikus
stabilitása
A kerámiák mechanikai tulajdonságai
A kerámiák mechanikai tulajdonságai
A kerámiák optikai tulajdonságai
Mivel dielektrikumok, az elektromágneses hullámokat a látható fény
tartományában általában nem abszorbeálják, ezért optikai felhasználásuk
jelentős (lencsék, szűrők, prizmák, ablaküvegek).
Az abszorpciós tényező frekvenciafüggése különböző anyagokban:
abszorpció kis hullámhosszú tartományban: az elektronok átgerjesztése
másik (vezető) sávba
abszorpció nagy hullámhosszú tartományban: rácsvibráció
A kerámiák elektromos vezetőképessége
Az elektromos vezetés mechanizmusa különböző anyagokban: fémek,
félvezetők, szigetelők:
A kerámiák elektromos ellenállása