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

tűzálló anyagok

Korszerű műszaki kerámiák: megfelelő angol elnevezés:

• advanced technical ceramics

• structural ceramics

• high performance ceramics

úgynevezett tradicionális kerámiák

A kerámiák és fémek tulajdonságainak összevetése

TulajdonságKorszerű kerámia

FémKerámia: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

Hővezető-képesség

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 üzemanyag-fogyasztás 10-15%-kal

csökken

ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3, Al2TiO5

Nagyteljesítményű adiabatikus dízelmotorok

A fajlagos üzemanyag-fogyasztás 20%-kal

csökken

ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3, Al2TiO5

Kisteljesítményű gázturbinák autókhoz

A fajlagos üzemanyag-fogyasztás 27%-kal

csökkenSi3N4, SiC, Li-Al-szilikátok

Rúdkovácsoló kemencék rekuperálása

Fajlagos energia-felhasználás 41%-kal

csökkenSiC

Szürke nyersvas megmunkálása

A termelékenység 220%-kal nő

Si3N4, SIALON

RézdróthúzásA termelékenység 200%-

kal nőZrO2

A korszerű műszaki kerámiák piaci helyzete

Alkalmazási területForgalom

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

Összesen 12550 64890

Felhasználási területek Anyag megnevezése

1. Szerkezeti kerámiák

1.1 A fémfeldolgozás vágó- és alakítószerszámai pl. vágólapkák, szálhúzógyűrűk, terelőgörgők, hengerek

Szilícium-nitridTitán-karbidTitán-nitridTitán-borid

1.2 Motorkerámiák:pl. dízel izzítógyertyák, dízel előégetőkamrák, turbótöltők, szelepek

Szilícium-nitridSzilícium-karbid

1.3 Kohászat és gyártástechnológia elemei:pl. tégelyek, elpárologtatók, golyósmalmok, hőcserélők

Szilícium-nitridSzilícium-karbidAlumínuim-nitridBór-nitridTitán-borid

1.4 Kopó alkatrészek:pl. szivattyútömítések, forgórészek, homokszóró, fúvókák, golyóálló mellények

Szilícium-nitridSzilícium-karbidBór-karbidTitán-boridTitán-karbid

Nem oxidos, nagy teljesítményű különleges kerámiák alapanyagai

Felhasználási területek Anyag megnevezése

1.5 Precíziós gépalkatrészek:pl. golyóscsapágyak, turbinalapátok, géporsók, idomszerek

Szilícium-nitridSzilícium-karbid

2. Elektrokerámiák

2.1 Szubsztrátok integrált áramkörökhöz Alumínium-nitridAlumínium-karbid

2.2 Mágnesfejek Szilícium-nitridTitán-karbid

2.3 Szenzorok, gyújtók Cirkon-boridTitán-nitridAlumínium-nitridSzilícium-karbid

2.4 Ellenállások Titán-nitridKróm-nitridAlumínium-nitridLantán-hexaborid

3. Különleges tűzálló anyagokpl. kádbélések, csapolónyílások, befúvatólándzsák porlasztói

4. Élkerámiák

Bór-karbidSzilícium-karbidBór-nitridSzilícium-nitridTitán-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