Επιχειρησιακό Πρόγραμμα «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» Επικαιροποίηση γνώσεων αποφοίτων Α.Ε.Ι. ΠΕΓΑ_ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΚΑΙ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΗ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΥΛΙΚΩΝ ΔΙΔΑΚΤΙΚΗ ΕΝΟΤΗΤΑ 3.1. Διεργασίες υαλοποίησης από βιομηχανικά απόβλητα και παραγωγή Δρ. Συμεών Αγαθόπουλος, Αναπληρωτής Καθηγητής Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ «Κατασκευή δοκιμίων από αλούμινα και μετρήσεις μηχανικών ιδιοτήτων»

Ελατά Όλκιμα Εύθραυστα (ψαθυρά) Τσιμέντο Γύψος ΠαραδοσιακάΠροηγμένα Τούβλα Πλακίδια δαπέδου Είδη υγιεινής Είδη εστίασης Οξείδια Νιτρίδια Βορίδια Καρβίδια Al 2 O 3 Δεν μορφοποιούνται (machining, machineability) Έλαση-σφυρηλάτηση, ολκιμότητα, χρήση τόρνου και φρέζας) ΥΛΙΚΑΣύνθεταΒιολογικά υλικάΠολυμερήΚεραμικάΜέταλλαΚεραμικάΎαλοιΣυνδετικά Κεραμίδια Πλακίδια τοίχου

Δεν μορφοποιούνται (machining, machineability) Έλαση-σφυρηλάτηση, ολκιμότητα, χρήση τόρνου και φρέζας) ? ΣΧΗΜΑ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ πρέπει να γίνει πριν φτάσουμε στο τελικό προϊόν ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ ΧΥΤΕΥΣΗ πυρομεταλλουργικά ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΟΝΕΩΝ (powder technology) κονιομεταλλουργικά Σε τι φούρνο θα τήξουμε Al 2 O 3 ; (T m = 2323 K) Σε τι χωνευτήριο θα τήξουμε Al2O 3 ; Πυροσυσσωμάτωση (sintering) Τ s  0.7 Τ m Έψηση (firing)

Γραμμή Παραγωγής Κεραμικών Υλικών Πρώτες Ύλες Άλεση Ανάμιξη Μορφοποίηση Ξήρανση Έψηση Επιφανειακό φινίρισμα Ποιοτικός έλεγχος Ορυχείο Χημική σύνθεση Ανακύκλωση Κονιορτοποίηση Κοκκομετρία (1-5 μm) Υάλωση (glazing) Επισμάλτωση (enameling) Μηχανικές ιδιότητες Ξηρές μέθοδοι Συμπίεση (pressing) Υγρές μέθοδοι Αιώρημα (suspension) ΟΧΙ διάλυμα Πλαστικές μέθοδοι Διαξονική Bi-axial pressing Μονοαξονική Uniaxial pressing Ισοστατική Isostatic Εξώθηση Extrusion Ισοστατική συμπίεση εν θερμώ Hot isostatic pressing (HIP) Παραδοσιακά κεραμικά Εν ψυχρώ Εν θερμώ Moulding Injection moulding Χύτευση (casting) Χύτευση αιωρήματος (slip casting) Χύτευση ταινίας (tape casting) Πυροσυσσωμάτωση (sintering) Green sample

+ λιπαντικό (lubricant) Συμπίεση σκόνης Διαξονική Μονοαξονική Ισοστατική Συνδέτης Εν θερμώ

Η σημασία της κοκκομετρίας

Πυροσυσσωμάτωση (sintering) T s ~0.80T m Συνδέτης (binder) Υαλώδης φάση Συνδέτης (binder) Al 2 Ο 3 + MgO  ευτηκτικό   T s 70% πορώδες 3-5% πορώδες  Συρρίκνωση κλείνουν οι πόροι

Συνδέτης (binder) Υαλώδης φάση

Πλακίδια ΞήρανσηΈψηση

Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Διασκορπιστής (dispersant ) Συνδέτης (binder) Πλαστικοποιητής (plasticizer) ΣΤΟΧΟΣ: μεγιστοποίηση φόρτωσης αιωρήματος (loading of the suspension) 40%  60% - 70% ? Συσσωματώματα (aggregations) Αντιθρομβωτικά (defloculants) Αντικροκιδωτικά

Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Διασκορπιστής (dispersant ) Συνδέτης (binder) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Γύψος Slip casting Απαέρωση Φιλτράρισμα

Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Διασκορπιστής (dispersant ) Συνδέτης (binder) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Slip casting

Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Διασκορπιστής (dispersant ) Συνδέτης (binder) Πλαστικοποιητής (plasticizer)

Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Διασκορπιστής (dispersant ) Συνδέτης (binder) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Κεραμική ταινία Tape casting

Solid Oxide Fuel Cells (SOFC)

Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης

Extrusion Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης

Extrusion Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης

Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών

Η θραύση των κεραμικών ξεκινάει από το πιο αδύνατο σημείο τους που είναι τυχαία διεσπαρμένο μέσα στο δοκίμιο

Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών 3 σημείων 4 σημείων συμμετρική 4 σημείων ασύμμετρη notch

Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών notch

W=4 mm H=3 mm L=35 mm F Force (N) Deflection (mm) 60 N 0 N 0 mm 0.03 mm Flexural Strength = = = 87.5 N/mm 2 = 87.5 MPa 3FL 2WH 2 3 x 60 x 35 2 x 4 x 3 2 Ε (Al 2 O 3 ) ~400 GPa Σκληρότητα (Al 2 O 3 ) ~ 1500 HV Διαμάντι Ε ≈ 1000 Gpa Μέταλλα Ε ≈ 100 Gpa Πολυμερή Ε ≈ 3 Gpa (Οι τιμές εξαρτώνται από τη θερμοκρασία) Μετατόπιση κεφαλής (παραμόρφωση) 40 mm Al 2 O 3 Αντοχή σε θλίψη: MPa Αντοχή σε κάμψη: MPa Αντοχή σε εφελκυσμό: MPa

h w L F Η δοκιμή σε εφελκυσμό με τη δοκιμή σε κάμψη (τριών ή τεσσάρων σημείων) είναι δυο διαφορετικά πράγματα. Η αντοχή σε εφελκυσμό έχει άλλη τιμή από την αντοχή σε κάμψη. Απλά, στην κάμψη, οι κάτω «ίνες» του δοκιμίου βρίσκονται σε εφελκυσμό. Το «κλειδί» είναι η ροπή, δηλ. το δοκίμιο σπάει κάτω από μέγιστη ροπή. Αν αλλάξουμε τις διαστάσεις του δοκιμίου ή τη διατομή του, θα χρειαστούμε μεγαλύτερη ή μικρότερη δύναμη, αλλά η μέγιστη ροπή θα παραμένει ίδια, άρα και η τάση (δηλ. η αντοχή). Συνεπώς, καμία μηχανική ιδιότητα του υλικού δεν εξαρτάται από τη συσκευή ή το μέγεθος του δοκιμίου (βέβαια υπάρχουν standard (πρότυπες) διαστάσεις, γιατί μπορεί να υπάρχει κάποια επίδραση). Διάγραμμα ελεύθερου σώματος Διατμητικές δυνάμεις Διάγραμμα ροπής κάμψης M = ½ FL/2 = FL / 4 Καμπτική τάση Αντοχή σε κάμψη (σ) σ = (Μ / Ι) Υ max σ = [(FL/ 4) / (wh 3 /12)] (h/2) σ = 3FL / (2wh 2 ) (σε μονάδες πίεσης, π.χ. MPa) F L + - Q + M Ροπή αδράνειας (για δοκίμιο ορθογώνιας διατομής = Ι = w h 3 / 12 (είναι ανεξάρτητο από το τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και εξαρτάται μόνο από τις διαστάσεις του, δηλ. τη διατομή του). εφελκυσμός θλίψη L/2 θλίψη εφελκυσμός Υ max = h/2 άξονας