Τεχνολογία Υλικών Κεραμικά Υλικά Τεχνολογία Υλικών Κεραμικά Υλικά Θωμάς Μπενέτος Γενικό Τμήμα Θετικών Επιστημών Τ.Ε.Ι. Κρήτης

Γενικά Ορισμός: Ανόργανα, μη μεταλλικά, ανθεκτικά σε ψηλές θερμοκρασίες υλικά. Η ονομασία τους προέρχεται από τη λέξη «κέραμος» που σημαίνει «οπτή άργιλος». Περιέχουν μεταλλικά και μη μεταλλικά στοιχεία και χαρακτηρίζονται από ιοντικό όσο και ομοιοπολικό δεσμό. Η δομή τους είναι ετερογενής. (Κρυσταλλική και άμορφη) Κρύσταλλοι που περιβάλλονται από άμορφη (υαλώδη) μάζα. Οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες τους καλύπτουν ενα ευρύ πεδίο τιμών και εξαρτώνται από το είδος των ατόμων, το είδος του δεσμού, το ποσοστό της κρυσταλλικής ή άμορφης δομής, τη μέθοδο και τις συνθήκες παραγωγής.

Πλεονεκτήματα - Μειονεκτήματα Σχετικά χαμηλή πυκνότητα Υψηλό σημείο τήξης Υψηλό μέτρο ελαστικότητας Χαμηλή θερμική και ηλεκτρική αγωγιμότητα Καλή αντοχή σε θλίψη Πολυ υψηλή σκληρότητα Καλή αντοχή στη διάβρωση και την τριβή Καλή αντοχή στη φωτιά Μειονεκτήματα Ευκολία θραύσης Χαμηλή αντοχή σ΄εφελκυσμό και κάμψη Μικρή αντοχή σε κόπωση και κρούση Εύκολη διάδοση των ρωγμών Το υψηλό κόστος παραγωγής ορισμένων

Παραδοσιακά (traditional) Προηγμένα ή νεότερα (advanced) Κατηγορίες Παραδοσιακά (traditional) προϊόντα αργίλου, γυαλί, τσιμέντο,.. Προηγμένα ή νεότερα (advanced) οξείδια,καρβίδια, νιτρίδια, βορίδια, ...

Σύγκριση σημείων τήξης κεραμικών και μετάλλων

Βασικά Χαρακτηριστικά Υψηλή θερμοχωρητικότητα. Χαμηλή θερμική αγωγιμότητα. Μονωτές, ημιαγωγιμα ή κάτω από οριμένες συνθήκες υπεραγώγιμα. Μαγνητικά ή μη μαγνητικά. Σκληρά και ανθεκτικά. Ψαθυρά.

Εφαρμογές Κεραμικών Υλικών Συνήθεις χρήσεις γυάλινα σκεύη, κεραμικά πλακίδια, οπτόπλινθοι, κεραμίδια, μαγνήτες... Ιατρική Βιοκεραμικά εμφυτεύματα, οδοντιατρική αποκατάσταση... Τηλεπικοινωνίες οπτικές ίνες, μικρόφωνα, ... Αυτοκινητοβιομηχανία μπουζί, καταλύτες, ... Αεροδιαστημική Κεραμικές επικαλύψεις, παράθυρα υψηλής αντοχής στη θερμοκρασία, συσσωρευτές.. Ηλεκτρονική Μονωτές, πυκνωτές, υπεραγωγοί, ηλεκτρονικά εξαρτήματα...

Πρώτες ύλες παραγωγής παραδοσιακών κεραμικών Άργιλοι (clay) Ένυδρες αργιλοπυριτικές ενώσεις, προϊόν αποσάθρωσης των αστρίων. Κύριο συστατικό τους ο καολινίτης. ( Al2O3 . 2 SiO2 . 2H2O ) Άστριοι (feldspar) Αργιλοπυριτικά άλατα του Νατρίου, Καλίου ή Ασβεστίου. ( R2O . 2 SiO2 . 2H2O ) όπου R: Να, Κ, Ca. Απαραίτητο στοιχείο της παραγωγικής διαδικασίας επειδή τήκονται ευκολότερα. Άμμος (flint) Χαλαζιακή άμμος. (SiO2) Πρόσθετα (additives) Βόρακας, σόδα, φθορίτης, Ζιρκονία, διοξείδιο τιτανίου, άσβεστος, ανθρακοπυρίτιο, Χρώματα ...

Παραγωγή Παραδοσιακών Κεραμικών Υλικών άργιλος άμμος άστριοι πρόσθετα Άλεση πρώτων υλών Ανάμειξη Πρώτων υλών νερό Μορφοποίηση Ξήρανση Όπτηση

Όπτηση παραδοσιακών κεραμικών υλικών Όπτηση παραδοσιακών κεραμικών υλικών 100 οC. Ξήρανση. Απομάκρυνση ελεύθερου νερού. 150 - 200 οC. Απομάκρυνση χημικά δεσμευμένου νερού. 400 - 700 οC. Διάσπαση αργιλοπυριτικών συστατικών. Σχηματισμός μη κρυσταλλικού υλικού, μείγμα αλουμίνας και σίλικας. Al2O3 . 2 SiO2 . 2H2O ---> Al2O3 + 2 SiO2 + 2H2O 900 οC και πάνω. Εξυάλωση. Σχηματισμός κρυσταλλικής αλουμίνας, σίλικας και άλλων συστατικών. 3(Al2O3 . 2 SiO2 . 2H2O) ---> 3Al2O3 . 2 SiO2 + 4SiO2 + 6H2O καολινίτης μουλλίτης χριστοβαλλίτης

Ιδιότητες των Κεραμικών Υλικών Ιδιότητες των Κεραμικών Υλικών Οι φυσικές και μηχανικές ιδιότητες των κεραμικών υλικών εξαρτώνται από τον ατομικό δεσμό και την κρυσταλλική δομή. Δύο τύποι δεσμών συναντώνται στα κεραμικά υλικά: Ιοντικός Ομοιοπολικός. Συχνά οι δύο τύποι δεσμών συνυπάρχουν στο ίδιο υλικό. Συνήθως ο ιοντικός δεσμός συναντάται όταν τα άτομα έχουν μεγάλες διαφορές στην ηλεκτραρνητικότητα.Τα υλικά αυτά χαρακτηρίζονται συνήθως από υψηλό σημείο τήξης. Τα υλικά που έχουν το ένα είδος δεσμού παρουσιάζουν ως επι το πλείστον ψηλότερα σημεία τήξης. Συγκριτικός πίνακας ιοντικού και ομοιοπολικού χαρακτήρα με σημείο τήξης

Θερμικές ιδιότητες Ηλεκτρικές ιδιότητες Τα κεραμικά υλικά παρουσιάζουν υψηλή θερμοχωρητικότητα*, χαμηλή θερμική αγωγιμότητα και χαμηλό συντελεστή θερμικής διαστολής. Οι ιδιότητες αυτές οφείλονται στο γεγονός ότι τα κεραμικά υλικά παρουσιάζουν ισχυρούς δεσμούς έχοντας ελαφρά άτομα. Ηλεκτρικές ιδιότητες Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των κεραμικών ποικίλουν. Αν και τα κεραμικά υλικά θεωρούνται ως εξαιρετικά μονωτικά υλικά, όρισμένα από αυτά κάτω από ορισμένες συνθήκες (Τ<Τc) παρουσιάζουν υπεραγωγιμότητα. * Θερμοχωρητικότητα: Η ικανότητα ενός υλικού να απορροφά ενέργεια από το περιβάλλον. Θερμική αγωγιμότητα: Η ιδιότητα ενός υλικού να επιτρέπει τη μεταφορά θερμικής ενέργειας (θερμότητας) μέσα από τη μάζα του. Συντελεστής θερμικής διαστολής: Εκφράζει την ικανότητα ενός υλικού να διαστέλεται όταν θερμανθεί.

Θεωρία του Griffith Τα κεραμικά υλικά είναι τυπικά ψαθυρά υλικά. Η παρουσία μιας ρωγμής έχει ως αποτέλεσμα τη συσσώρευση των τάσεων στο σημείο αυτό, τη γρήγορη διάδοση της ρωγμής και την αστοχία του υλικού.

Τυπικά διαγράμματα τάσης παραμόρφωσης υλικών Διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης πλαστικού υλικού Διάγραμμα τάσης- παραμόρφωσης ψαθυρού υλικού

Προηγμένα Κεραμικά Advanced Ceramics Τα προηγμένα κεραμικά παρουσιάζουν μοναδικό συνδιασμό φυσικών, θερμικών, μηχανικών και ηλεκτρικών ιδιοτήτων. Χρησιμοποιούνται με τη μορφή επικαλύψεων ή συνθέτων υλικών ή και από μόνα τους για εφαρμογές που περιλαμβάνουν υψηλής ταχύτητας εργαλεία, χειρουργικά μοσχεύματα μέχρι ηλεκτρονικά εξαρτήματα. Η ανάπτυξη και ο έλεγχος των ιδιοτήτων τους εξαρτάται από τη δομή, τη μέθοδο παραγωγής και τις μεθόδους επεξεργασία τους. Τα κυριότερα προηγμένα κεραμικά είναι οξείδια, νιτρίδια, καρβίδια και βορίδια μετάλλων. Η δομή τους είναι πλήρων κρυσταλλική, παρουσιάζουν εξαιρετική σκληρότητα και αντέχουν σε υψηλές θερμοκρασίες.

Βιβλιογραφία Metals Ceramics and Polymers, Wyatt & Dew-Hughes, Cambridge University Press, 1974. Introduction of Materials Science for Engineers, J.F. Shackelford, Prentice Hall (1997). The science and Engineering of materials, Donald Askeland, Chapman & Hall,1996. Δομικά υλικά, Θανάση Τριανταφύλλου, Πάτρα, 1997. Structural materials, ed.George Weidman,P.Lewis, N.Reid, Buttrworth-Heinemann,1994. Μη Μεταλλικά Τεχνικά Υλικά, Δημήτρη Παντέλη , Παπασωτηρίου, 1996.