Download - 1. Kerámiák
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