MODELOWANIE CERAMIKI TECHNICZNEJ

Transkrypt

1 MODELOWANIE CERAMIKI TECHNICZNEJ Dr Cecylia Dziubak Mgr. Inż. Andrzej Łosiewicz Instytutu C i Materiałów Budowlanych C Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa

2 C MODELOWANIE CERAMIKI TECHNICZNEJ Dr Cecylia Dziubak Mgr inż. Andrzej Łosiewicz C

3 Plan Charakterystyka tworzyw ceramicznych Proces wytwarzania 1. Przygotowanie masy ceramicznej 2. Sposoby formowania 3. Wypalanie Metody badawcze Podsumowanie

4 Wstęp Określenie ceramika wywodzi się z greckiego słowa keramos i w wielu językach ma podobne brzmienie. Odnosi się do określenia przedmiotów i procesów związanych z wytwarzaniem wyrobów i przetwarzaniem surowców mineralnych w procesach termicznych. Odpowiednio do ilościowo-jakościowego udziału składników uczestniczących w procesie występują różne odmiany wyrobów ceramicznych wykorzystywanych w zależności od charakteryzujących je właściwości. Ceramika należy do najstarszych tworzyw mineralnych wyrabianych przez człowieka (około 5000 lat p. n. e.)

5 Mezopotamia 5500 p.n.e. Egipt 1300 p.n.e. Chiny 4500 p.n.e. Fajans Szkło Źródło: Pw. Zespół C Specjalnej

6

7 Podział c technicznej Ceramika funkcjonalna Elektroceramika Magnetoceramika Optoceramika Al 2 O 3 MgO Ferryty Y 2 O 3 -ThO 2 Nukleoceramika Chemoceramika UO 2, UO 2 -PuO 2 katalizatory Ceramika konstrukcyjna Bioceramika Mechanoceramika Implanty Al 2 O 3 SiC Termoceramika ZrO 2 TiO 2 Źródło: Kazimierz E. Oczoś Kształtowanie ceramicznych materiałów technicznych Rzeszów 1996

8 Funkcjonalność c technicznej

9 Właściwości użytkowe c technicznej: izolacyjność elektryczna, wysoka temperatura topnienia, wytrzymałość mechaniczna w wysokiej temperaturze, odporność na ścieranie, odporność na korozję, trwałość kształtu, odporność na pełzanie, korzystny stosunek ciężar/objętość, duża twardość, zdefiniowana względna przenikalność dielektryczna, zdefiniowana piezoelektryczność, duża przenikalność magnetyczna, optyczna przezroczystość, duża odporność radiacyjna, termiczna izolacja.

10 Właściwości mechaniczne wybranych, nowoczesnych materiałów ceramicznych Materiał Gęstość, g m -3 Moduł Younga, GPa Wytrzymałość na zginanie, MPa Wytrzymałość na ściskanie MPa Odporność na pękanie, K IC, MPa m 1/2 Odporność na szok cieplny, ΔT, K Al 2 O 3 3, AlN 3, b.d. B 4 C 2, b.d. SiC 3, Si 3 N 4 3, Sialon 3, TiB 2 4, b.d. ZrO 2 częściowo stabilizowany 5, b.d. Porcelana 2,30 2, Szkło sodowowapniowe Szkło kwarcowe 2, ,7 84 2, b.d. b.d 2500

11

12 Surowce stosowane w ceramice

13 PROCES WYTWARZANIA CERAMIKI KIEROWNICTWO: dr Cecylia Dziubak Kierownik u mgr inż. Andrzej Łosiewicz Z-ca Kierownika u, Kierownik Produkcji, KADRA NAUKOWO- TECHNICZNA: dr inż. Wojciech Łukasik mgr inż. Tadeusz Jakubiuk mgr inż. Piotr Taźbierski TECHNICY: Elżbieta Mielnicka Piotr Buczek Henryk Kulmaczewski Tomasz Krawczyk *)ewentualna obróbka mechaniczna nadawanie wyrobom dokładności wymiarowo kształtowej i jakości powierzchni.

14 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Młyny kulowe Rys. 2. Młyny kulowe: a)obrotowe, b)toczne Rys. 1. Zasada działania młyna kulowego Rys. 3. Młyn kulowe Rys. 4. Młyn kulowe

15 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Młyny wibracyjne Rys. 6. Schemat młyna wibracyjnego źródło: Rys. 7. Wnętrze produkcyjnego młyna wibracyjnego Rys. 5. Młyna wibracyjnego boulton

16 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Mieszadła śmigłowe Rys. 8. Mieszadło śmigłowe - bełtacz Rys. 9. Mieszadło śmigłowe - bełtacz

17 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Mieszadła łopatkowe Rys. 10. Mieszadło łopatkowe planetarne Rys. 11. Mieszadło łopatkowe do mas lejnych

18 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Prasa filtracyjna Rys.13. Prasa filtracyjna ramowa 1-rama, 2-płyty czołowe, 2a-stojak prasy, 3-urządzenie hydrauliczne(tłok, cylinder, silnik,łożyska) Rys. 14. Wypraski placki po prasowaniu filtracyjnym Rys. 12 Szczegół ramy prasy filtracyjnej: 1-przelot, 2-blacha perforowana, 3-kanaliki, 4-płótno filtracyjne, 5- komora, 6- odpływ wody Rys. 15. Produkcyjna prasa filtracyjna

19 PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Prasa odpowietrzająca- tłoczarka pasmowa Rys. 17. Wypraski po odpowietrzeniu masy ceramicznej Rys. 16. Ślimakowa prasa próżniowa do pasmowego wytłaczania masy ceramicznej

20 PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Suszarnia rozpyłowa Rys. 18. Obraz SEM granulatu Rys. 19. Suszarnia rozpyłowa firmy Dorst Rys. 20. Schemat suszarni rozpyłowej

21 PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Mieszadła: talerzowe, zetowe Rys. 21. Granulat z mieszadła talerzowego Rys.23. Łopatki mieszadła zetowego (Wernera) Rys.22. Schemat techniki granulowania na mieszadle talerzowym: a) ciecz, b)proszek, c) granulat

22 FORMOWANIE PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA PROSZEK, GĘSTWA, ZAWIESINA GRANULAT Prasowanie jednoosiowe Rys. 24. Zasada wytwarzania katalizatorów w formie tabletek Rys. 25. Katalizator Rys. 26. Prasa mechaniczna

23 FORMOWANIE PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA PROSZEK, GĘSTWA, ZAWIESINA GRANULAT Walcowanie Rys. 27. Metody walcowania proszków: a- w układzie pionowym, b- w układzie poziomym, c- ze śrubowym podajnikiem proszku 1- lejek zasypowy proszku, 2- walce, 3- proszek Rys. 28. Zasada prasowania walcowego płaskich elementów ceramicznych z wewnętrznymi otworami profilowymi

24 FORMOWANIE PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA PROSZEK, GĘSTWA, ZAWIESINA GRANULAT Prasowanie izostatyczne Rys. 30. Schemat prasy izostatycznej firmy Carbox (nacisk 5500 ton, wytrzymałość zbiornika około 5000kG/cm 2 ) Rys. 29. Izostatyczne prasowanie na zimno: a) w mokrej matrycy (forma swobodna), b) w suchej matrycy (forma stała)

25 FORMOWANIE PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA PROSZEK, GĘSTWA, ZAWIESINA GRANULAT Prasowanie na gorąco Rys. 31. Hot Izostatic Press HIP Rys. 32. Schemat urządzenia do prasowania na gorąco: a podgrzewanie ciepłem Joule a, b matryca stanowi element grzejny, c prasowanie w piecu (1- stalowa tuleja wzmacniająca, 2- matryca z materiału izolacyjnego, 3- tłoki przewodzące prąd, 4- matryca grafitowa, 5- elektrody miedziane chłodzone wodą, 6- matryca stalowa, 7- elementy grzewcze pieca)

26 FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Formowanie wtryskowe Rys. 34. Kształtka uzyskana metodą wtrysku Rys. 33. Wtryskarki do produkcji elementów ceramicznych

27 FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Wytłaczanie wytłoczki Rys.36. Wylotnik formujący Rys. 35. Zasada działania wytłaczarki ślimakowej (produkcja wytłoczek) Rys. 37. Kształtki wytworzone z masy plastycznej Rys. 38. Wytłaczarka tłokowa WT-100 z zamontowanym wylotnikiem.

28 FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Odlewanie gęstwy Rys. 39. Odlewanie gęstwy ceramicznej: a- kształtka pełna, b- kształtka pusta

29 FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Odlewanie foli Rys. 40. Urządzenie do odlewania foli: a) ogólny schemat urządzenia, b) układ dwóch ostrzy do regulowania grubości folii

30 PROSZEK, GRANULAT SUSZENIE Suszarnia HFT firmy Hedinair Ovens Ltd. Suszarnia SEM -2 Temp. Pracy max 250ºC wymiary komory: 1600x1450x1600 mm Moc 27 kw Temp. pracy max - 220ºC Wymiary komory: 900x1250x900 mm Moc 20,2 kw

31 PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec elektryczny komorowy Piec Nabartherm Typ n650/hdb Max. temp 1300 Pojemność komory 650 l Elektryczny Moc 102 kw

32 PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec elektryczny z wysuwnym trzonem Piec PKWT Max. temp 1200ºC Pojemność komory 3,2 m 3 Elektryczny Moc 90 kw

33 PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec gazowy Piec PKWT-3,2 Max. temp 1700 ºC Pojemność komory 3,2 m 3

34 Metody badawcze c Dla wyrobu gotowego w zależności od przeznaczenia prowadzone są badania jakościowe. Do najczęściej wykonywanych badań należą: gęstość właściwa (pozorna) nasiąkliwość, porowatość wytrzymałość na zginanie, ściskanie moduł Younga twardość Vickersa odporność na pękanie odporność na szok cieplny

35 Metody badawcze c Oznaczenie wytrzymałości na zginanie lub ściskanie PN-EN 843-1:2007 część 1: Oznaczanie wytrzymałości na zginanie. gdzie: F siła łamiąca l rozstaw podpór b szerokość próbki badawczej h wysokość próbki badawczej Rys. 41. Maszyna wytrzymałościowa TINIUS OLSEN Rys. 42. Schemat uchwytu z próbka do trójpunktowego zginania

36 Metody badawcze c Twardościomierz Vickersa PN-EN 843-4:2007 część 4: Twardość powierzchniowa według Vickersa, Knoopa i Rockwella gdzie: F przyłożona siła d średnia długość przekątnych odcisku Rys. 43. Twardościomierz Vickersa 430SVD Rys. 44. Schemat wgłębnika Vickersa

37 Metody badawcze c Urządzenie do pomiaru modułu Younga Pn-EN część 2: Oznaczanie modułu Younga, modułu sprężystości poprzecznej i współczynnika Poissona Rys. 45. Stanowisko pomiaru modułu Younga gdzie: E dynamiczny moduł Younga ʋ współczynnik Poissona ρ gęstość pozorna V l szybkość podłużnej fali akustycznej, V t - szybkość poprzecznej fali akustycznej

38 Metody badawcze c pomiar gęstości właściwej i porowatości PN-EN 623-2:2001 część 2: Oznaczanie gęstości i porowatości Rys. 46. Zestaw do wyznaczania gęstości Rys. 47. Stanowisko pomiaru gęstości gdzie: ρ- gęstość P- porowatość m s -masa sucha próbki m m -masa mokra próbki m z - masa próbki zanurzonej w wodzie

39 Metody badawcze c Analiza sitowa PN-ISO :2000 Analiza sitowa Dostępne wymiary sit: 2mm 1mm 0,25mm 0,125mm 0,063mm 0,040mm Rys. 48. Sito laboratoryjne Rys. 49. Wstrząsarka laboratoryjna wraz z sitami

40 Porównanie wybranych właściwości tworzyw

41 Podsumowanie wyroby ceramiczne nadal są wykorzystywane aby zaspokajać określone potrzeby człowieka Obecnie wiedza o tworzywach ceramicznych klasyfikuje je według cech strukturalnych i właściwości użytkowych nie ma uniwersalnych pod względem zastosowania tworzyw ceramicznych, zazwyczaj jedna cecha jest dominująca, decydująca o możliwości wykorzystania

42 Dziękuje za uwagę