KURZUS: Anyagismeret

MODUL: Szerkezeti anyagok

24. lecke: Nem fémes szerkezeti anyagok, kerámiák

|  | A kerámia fogalma A kerámiák általános tulajdonságai A kerámiák csoportosítása Alkotók Gyártás Szerkezet Eredet Tisztaság szerint Az egyatomos kerámiák fajtái, jellemzőik, felhasználási lehetőségeik Az oxidmentes vegyületkerámiák tulajdonságai, felhasználási lehetőségeik Az oxidkerámiák tulajdonságai, felhasználási lehetőségeik Műszaki kerámiák gyártása, jellemzőik Az üveg fajtái, jellemzői, a felhasználás lehetőségei Különleges üvegek, üvegkerámiák
|  | A tartalom feldolgozása a következő követelmények teljesítését segíti:
|  | megadni a kerámiák, gyémánt, grafit, üveg jellemző tulajdonságait definiálni a karát fogalmát kiválasztani az alkalmazási területnek megfelelő nem fémes szerkezeti anyagot, kerámiát
|  | Kerámia
|  | Kerámiának nevezünk, minden ember által készített szervetlen anyagot, amely nem fém és nem szerves. A fémektől a kerámiák elsősorban abban különböznek, hogy a részecskék között kovalens vagy ionos kötés van.
|  | A kerámiák általános tulajdonságai
|  | kis sűrűség nagy olvadáspont nagy keménység és kopásállóság nagy nyomószilárdság ridegség, törékenység nagy melegszilárdság és korrózióállóság nagy kémiai stabilitás nagy villamos ellenállás (szigetelők) a villamos vezetőképesség nő vagy speciálisan változik a hőmérséklettel kis hősokk állóság, de pl. a SiN kivétel magas ár
|  | Kerámia anyagok csoportosítása
|  | Alkotók szerint: Oxidkerámiák (pl. Al2O3) Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) Egyatomos kerámiák (pl. szén - gyémánt) Gyártás szerint Olvasztás (üveggyártás) Hidrát kötés (cement) Nedves formázás (agyag árúk) Porkohászat (műszaki kerámiák) Szerkezet szerint: Amorf (pl. üveg) Kristályos (pl. bórnitrid) Vegyes Eredet szerint: Természetes anyagok (pl. kő) Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid) Tisztaság szerint: Hagyományos kerámia tömegáru (téglától a fajanszig) Jellemző: mérsékleten érzékeny a szennyezésre Finomkerámiák (porcelánok, szigetelők, speciális üvegek) Jellemző: fokozott tisztasági igények Műszaki kerámiák pl.szerszámok, chip gyártás, Előírás: igen nagy tisztaság nagy tisztaságban előállított elemekből, alkotókból gyártják mivel ridegek nagyon érzékenyek a belső hibákra
1. ábra. Hagyományos kerámia
2. ábra. Porcelán
3. ábra. Kerámia szerszámok
|  | A kerámiákat porkohászati úton állítják elő és munkálják meg.
4. ábra. Kerámia szerszám gyártása
|  | A nagytisztaságú port az adalékanyagokkal nagyon gondosan keverik, majd pontos kimérés után zárt szerszámban krétaszerű szilárdságúra sajtolják. Ezt követi egy hőkezelés, mely során diffúziós folyamatok hatására vagy bizonyos esetekben kis mennyiségben adagolt a hőkezelés során megolvadó "kötőanyag" (pl. a keményfémek esetében a kobalt) hatására létrejön a kapcsolat a részecskék között.
5. ábra. Hőálló kerámia burkolat az űrsikló felületén
|  | A kerámiák fajtái és tulajdonságaik, felhasználási lehetőségeik
|  | Egyatomos kerámiák
|  | Karbonkerámiák
|  | A természetes gyémánt erősen anizotróp, kristálytani síkjai szerint megcsiszolva csodálatos drágakő ill. ékszer. Karáttal mérik, ami nem azonos az aranyötvözetek koncentrációját jellemző karáttal, hanem 0,2 g tömegegységet jelent.
|  | Ipari felhasználásra a mesterségesen (1400 C° hőmérsékleten lökéshullámokkal előidézett 4 GPa feletti nyomáson) előállított polikristályos gyémántot használják, mint szerszámanyagot illetve csiszoló-, polírozó poranyagot.
|  | A grafit hexagonális szerkezetű, a hatszög lapokon kovalens kötés van a lapok között pedig a fémes kötéshez hasonló kötés. Ez az oka annak, hogy a gyémánttal ellentétben a grafit elektromos vezetőként használható még nagy hőmérsékleten is pl. Fémkohászati elektródák, tégelyanyagok.
|  | A karbonnak további módosulatai a zárt gömbkosaras (belül üreges "kalitkás") molekulájú fullérek. Ilyen háromdimenziós, gömb alakú, páros atomszámú "karbonmolekulák" egész családja létezik C20-C300-ig. A legismertebb a C60 és C70. A C60 egy futball-labdához hasonlít. A fullérek és származékaik nagy lehetőséget jelentenek katalizátorok, félvezetők, fotódiódák, foto-galvánelemek, akusztikus érzékelők, molekuláris membránok, szintetikus gyémántok, szilárd kenőanyagok ("nano golyóscsapágyak") előállítására.
|  | Félvezető kerámiák
Pl. míg a 486-os számítógépek processzoraiban csak 1,2 millió tranzisztort helyeztek el, addig a Pentium IV-ben már 42 millió van. Forrás: Dr. Bagyinszki - Dr. Kovács: Anyagismeret. |  | A tiszta szilícium gyémántrácsban kristályosodó, fontos félvezető, a mikroelektronika alapanyaga. Gyakorlati felhasználhatóságát az akceptor (elektron befogadó) vagy donor(elektron adományozó) atomokkal való szennyezések teszik lehetővé, minek révén p (pozitív) típusú vagy n (negatív) tipusú félvezető jön létre. Két különböző, n és p típusú "összeillesztett félvezetőanyagból (p-n átmenet) a diódában 1, a tranzisztorban 2, a tirisztorban 3-4, míg az integrált áramkörbe (IC= Integrated Circiut) )nagyon sok van. Előállításuk ún. fotolitográfiás eljárással történik Si egykristály lapkákon.
|  | Vegyület kerámiák
|  | A kerámiák zöme valamilyen vegyületből áll.
|  | Oxidmentes vegyületkerámiák
|  | Tulajdonságaik:
|  | nagy keménység nagyon magas az olvadáspontjuk. Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják.
|  | Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is.
|  | Felhasználás:
|  | szerszámanyagokként pl. vágóélek bevonatokat is készítenek belőlük
|  | Nitrid és karbidkerámiák
|  | titánnitrid (felületi bevonat), köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. szilícium nitridek Si3N4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokk álló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégető-, ill. örvénykamra anyaga lehet.
Szilícium nitrid autóipari alkalmazása
6. ábra | 1/2
|  | Nitrid és karbidkerámiák
|  | SIALON (pl. Si3Al3O3N5) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. A szilíciumkarbid (SiC) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.
|  | Oxidkerámiák
|  | Az oxidkerámiák alapanyaga alumíniumoxid, cirkóniumoxid, titánoxid, magnéziumoxid és berilliumoxid. Alkalmazási területük a tűzálló anyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelő anyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.
8. ábra. Tűzálló anyag
|  | Műszaki oxidkerámiák
|  | A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók:
|  | Alumíniumoxid vagy műkorund (Al2O3). Nagy keménységű forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó Cirkóna vagy cirkóniumoxid (ZrO2). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló. magnézium oxid MgO (2800 C°) Az Al2O3-hoz 2050 C° és a ZrO2-hoz (2690 C°) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), a MgO a ZrO2-hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a ZrO2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást. A fémoxid (MeO) tartalmú mágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségű lágymágneses ferritek (MeO.Fe2O3, Me = Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd) ill. keménymágneses ferritek (MeO.6[Fe2O3], Me= Ba, Sr, Co).
|  | Üveg
|  | Az üveggyártás alapanyaga a földkéreg 25%-át adó SiO2 (pl. homok). A tiszta, kristályos SiO2 1700 °C-on olvad. Jellegzetessége, hogy már mérsékelt lehűlési sebesség esetén sem kristályosodik, hanem amorf szerkezetűvé dermed (kvarcüveg).
|  | Az üvegek nem kristályos kerámiák. Az üvegek üvegképzőkből pl. kvarchomok, folyósító anyagokból pl. nátriumoxid és stabilizátorokból pl. alkáliföldfémkarbonátok vagy oxidok állnak. A keverék könnyen olvad, önthetővé válik és belőle a felhasználási célnak megfelelő üveg állítható elő.
|  | Fő fajtái a nátronüveg, ez a használati üveg, csekély a sűrűsége, az infravörösig fényáteresztő az ólomüveg, sűrűsége nagyobb, nagy a fénytörése, csiszolt üvegáruk alapanyaga, és a bórszilikátüveg, kémiailag és termikusan állékony, laboratóriumi üvegek anyaga "hőálló edény".
|  | Az üveg szilárdsága nagymértékben függ a felületi hibáktól.
9. ábra. Hengerelt színezett üveg
|  | Különleges üvegek
|  | Biztonsági üvegek előállításkor nagy belső feszültséget, töréskor nem képződik szilánk. Ragasztott üveg több réteg összeragasztásával
10. ábra. Szélvédő üveg
|  | Matt üveg Ca foszfát, kriolit vagy cinkdioxid adagolással optikai üvegek hibamentes, speciális tulajdonságokkal pl. előírt törésmutató, áteresztési, elnyelési és visszaverődési tényezö Üvegszálak Folyékony nyersüvegből kis átmérőjű fúvókákon átfúvással vagy centrifugálással állítják elő
Az üvegszálak fonhatók, szőhetők. Hő és hangszigetelési célokat is szolgálhat pl. üveggyapot |  |
11. ábra. Üvegszálak
kb. 6000 párhuzamos telefonvezeték optikai szálanként 0,2 dB/km-nél kisebb csillapítással. |  |
12. ábra. Üvegszál optika (endoszkóp)
|  | Optikai kábel
13. ábra. Az optikai kábel szerkezete
|  | Az optikai kábel a fényt totálreflexióval vezeti és a széles sávú információ továbbításban használatos.
|  | Üvegkerámiák
Felhasználható az űrtechnikában, csillagászatban, de a háztartásokban is pl. kerámia tűzhelyek. |  | Részben polikristályos anyagok, amelyeket amorf üvegmátrix hőkezelésével állítanak elő. A hőkezelés a nagyhőmérsékleten olvadó csiraképzőkkel (pl. TiO2 és ZrO2) adalékolt anyag lehűtés utáni megeresztése. Ilyenkor az üvegmátrixba ágyazott kristályok képződnek, amelyek különleges optikai és elektromos tulajdonságokat, csekély hőtágulást, ill. hőingadozás állóságot eredményeznek. A kristályos rész 50-95% lehet.

|  | Ellenőrző kérdések
| 1. Jelölje be a kerámiákra jellemző tulajdonságokat!
| Alacsony olvadáspont
| Ionos vagy kovalens kötés
| Nagy keménység
| Húzó igénybevételel szembeni nagy ellenállás
| Magas olvadáspont
| Ridegség
| Kopásállóság
| Hőállóság
| Hősokk állóság
| Nagy sűrűség
| Alacsony ár
| Jelölje be az egy helyes megoldást!
| 2. Mit fejez ki a karát a gyémánt esetében?
| tisztaságot
| csiszolás módját
| 0,2 g tömegegységet
| árat
| 3. Mivel magyarázható a grafit kenő anyagként használhatósága?
| Hexagonális szerkezetű, a hatszög lapokon erős kovalens kötés van, közötte ionos így a lapok egymáson el tudnak csúszni.
| Hexagonális szerkezetű, a hatszög lapokon erős kovalens kötés van, közötte "fémes", így a lapok egymáson el tudnak csúszni.
| Hexagonális szerkezetű, az atomok között erős kovalens kötés van, így a lapok egymáson el tudnak csúszni.
| Hexagonális szerkezetű, a hatszög lapokon ionos kötés van, közötte kovalens így a lapok egymáson el tudnak csúszni.
| 4. Milyen módszerrel állítják elő a műszaki kerámiákat?
| Öntéssel.
| Porból sajtolással majd szinterelő hőkezeléssel.
| Porból sajtolással.
| Porból öntéssel.
| 5. Milyen típusú kerámiát választana tűzálló anyagnak?
| oxidkerámiát
| nitridkerámiát
| karbidkerámiát
| cirkóniát
| 6. Milyen típusú kerámiákat hasznának elsősorban a járműiparban?
| karbid
| szilíciumnitrid
| köbös bórnitrid
| titánnitrid
| 7. Hogyan lehet elérni, hogy az üveg golyóálló legyen?
| A megfelelő alapanyag választásával.
| Hőkezeléssel.
| Több réteg összeragasztásával.
| Felületi bevonattal.