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
© Copyright 2024