Co to jest ceramika? Ceramiczne produkty

Transkrypt

1 Co to jest ceramika? Sztuka i nauka dotycząca wytwarzania oraz używania przedmiotów stałych zbudowanych głównie z nieorganicznych i niemetalicznych materiałów. Introduction to Ceramics, W. David Kingery Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytwarzanych zwykle w procesach wysokotemperaturowych. Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo, Leszek A. Dobrzański Ceramiczne produkty materiały strukturalne (np. cegły); biała ceramika, tzn. porcelana stołowa, sanitarna i inna; ceramika wysokotemperaturowa; szkło; materiały ścierne; cement; narzędzia tnące; 1

2 Ceramiczne produkty Elektroceramika: ceramiczne dielektryki, magnetyki, przewodniki i nadprzewodniki, przewodniki jonów, itd. ; Paliwa jądrowe bazujące na tlenku uranu (UO 2 ); Bioceramiki; Nanoceramiki. Trzy główne grupy ceramiki Tradycyjna ceramika bazująca na glinie Zaawansowana ceramika bazująca na tlenkach, węglikach, azotkach, Szkła 2

3 Wczesna ceramika Rysunki naskalne (28000 p.n.e.) malowane ceramicznymi barwnikami. W czeskiej miejscowości Dolni Vestonice odnaleziono 2300 fragmentów wyrobów ceramicznych. Pochodzą one z lat p.n.e. Wczesna ceramika Ceramika stała się jeszcze cenniejsza wraz z odkryciem metalurgii brązu i żelaza (4000 p.n.e): ceramika to jedyny ówczesny materiał, który wytrzymywał wysokie temperatury potrzebne do wytopu metali. Dzięki temu rozwój technologii ceramiki przyspieszył. Dzięki lepszej konstrukcji pieców osiągano wyższe temperatury (piec dwukomorowy) i lepszą jakość ceramiki. 3

4 Wczesna ceramika: kolejne odkrycia Szkliwo (1500 p.n.e.); Koło garncarskie (2000 p.n.e., Mezopotamia i Egipt): Inne typy ceramiki: kafle Pierwsze ozdobne płytki ceramiczne pochodzą z p.n.e. (Egipt). Płytki robiono każdą osobno, ręcznie. Wzory były albo wycinane, albo wyciskane gdy glina była jeszcze mokra. 4

5 Inne typy ceramiki: cement lat temu reakcje pomiędzy skałami wapiennymi a skałami bitumicznymi podczas spontanicznego spalania (na terenie Izraela) spowodowały powstanie naturalnych złóż związków cementu Niektóre rzymskie budowle są zbudowane z cementu Rzymianie mieszali popiół wulkaniczny z wapieniem. Twardnienie zachodziło w reakcji z CO 2 z atmosfery Do budowy reprezentacyjnych budowli używano bardziej skomplikowanych składników. Zagadka twardnienia najlepszych rzymskich cementów nie jest rozwiązana. 5

6 Inne typy ceramiki: cegły Muł z Nilu mieszany z trzciną, suszony na słońcu stanowił główny budulec w Starożytnym Egipcie. Ceglana ściana w Dolinie Królów Teraźniejszość i przyszłość ceramiki 6

7 Ceramika tradycyjna Surowce w ceramice tradycyjnej to kwarc i glina. Głównym składnikiem gliny jest kaolinit: (Al 2 Si 2 O 5 (OH) 4 ). Również tlenek glinu (korund lub otrzymywany z boksytu). Nowa, zaawansowana ceramika Ceramika tlenkowa: najważniejszą ceramiką jest Al 2 O 3. Jest twarda, wytrzymuje wysokie temperatury i jest stosunkowo tania. Węgliki: SiC, WC, TiC, TaC, Cr 3 C 2 Są twarde, odporne na zmęczenie, w połączeniu z metalem tworzą bardzo dobry produkt. Azotki Si 3 N 4,, BN i TiN Są twarde, kruche, o wysokiej temperaturze topnienia; 7

8 Dodatkowo, pojawiła się cała masa nowych zastosowań i nowych materiałów Ceramiki zaawansowane i ich zastosowania będą dominującym tematem zajęć (ale nie jedynym). Nowoczesne technologie: synteza proszkowa Synteza proszkowa jest metodą pozwalającą produkować masowo ceramiki. Dlatego ważnym elementem brakującym do przyspieszenia rozwoju technologii było opracowanie metody wytwarzania wielkich ilości proszków ceramicznych. Początek: Bayer 1888 rok. Proszek stosowany do wytwarzania ceramiki: 10 nm nm 8

9 Nowoczesne technologie: synteza proszkowa Prawie suche składniki umieszcza się pomiędzy metalowymi płytami, ściska a następnie wypala (bez suszenia). Skutek: masowa produkcja. Nowoczesne technologie: wygrzewanie pod ciśnieniem (np. Al 2 O 3 ) 9

10 Nowoczesne technologie: wylewanie w formach materiału w postaci zawiesiny np. przedmioty z ZrO 2 Substratem jest komercyjny proszek TZ 3Y czyli tetragonalny ZrO 2 stabilizowany 3% Y 2 O 3. Właściwości ceramiki twarda (może też być bardzo miękka); izolator (może też przewodzić i nadprzewodzić); krucha; odporna na wysoką temperaturę; chemicznie stabilna, odporna na utlenianie; niemagnetyczna (może być też ferromagnetykiem); 10

11 Charakter wiązań w ceramikach: Inny aspekt struktury krystalicznej: przemiany fazowe. Wiele ceramik wykazuje polimorfizm: w zależności od temperatury (i ciśnienia) mogą występować w więcej niż jednej strukturze krystalicznej. W niektórych przypadkach ma to bardzo duży wpływ na właściwości (np. mechaniczne lub dielektryczne). 11

12 Umocnienie z wykorzystaniem przemiany fazowej; Klasyczny przykład: ceramika ZrO 2 lub dodatek ZrO 2 do innych tlenkowych ceramik. W wysokiej temperaturze stabilna jest tetragonalna postać (t-zro 2 ), w niskiej jednoskośna (m-zro 2 ). Materiał, w którym pewna ilość materiału ma strukturę tetragonalną jest bardziej odporny na pękanie. Defekty W ceramikach kowalencyjnych możliwe są wszystkie rodzaje znanych defektów, bez żadnych szczególnych ograniczeń. W ceramikach jonowych, natomiast, aby powstał defekt, musi być spełniony warunek obojętności elektrycznej kryształu. Powstają zatem pary defektów takie jak defekty Frenkla lub Shottky ego. Dyslokacje są mało ruchliwe. 12

13 Mikrostruktura ceramik Ceramiki są najczęściej polikrystaliczne. Właściwości mechaniczne ceramik Duży moduł Younga; Duża twardość ; Mała wytrzymałość na zginanie; Praktycznie nie ma odkształcenia plastycznego; Kruchość; 13

14 Twardość ceramik. Nie wszystkie ceramiki są twarde, ale to właśnie ceramiki są najtwardszymi materiałami świata. Przykłady Diament monokrystaliczny Diament polikrystaliczny BN (regularny) Węglik boru TiC SiC Al 2 O 3 ZrO 2 SiO 2 Szkło boro-krzemianowe kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm kg/mm 2 14

15 Jak wykorzystuje się różnorodne właściwości ceramiki? Ceramiczne izolatory, dielektryki, ferroelektryki... 15

16 Przenikalności dielektryczne różnych materiałów Materiał Min. Max. Materiał Min. Max. Powietrze 1 1 Krzem Bursztyn Papier Tytanian baru Tlenek tytanu 100 Szkło Pleksi Pyrex Destylowana woda Kwarc 5 5 Polietylen Kevlar Poliamid Mika 4 9 Polistyren Celluloid 4 4 Porcelana Parafina 2 3 Drewno suche Wartości pojemności CERAMIC FILM CERAMIC FILM TANTALUM ALUMINUM 1.0pF 0.10uF 10uF 1000uF 16

17 Kondensatory ceramiczne Radial Leaded Mono Axial Leaded Mono Radial Leaded Ceramic Disc Monolithic Multi-layer Ceramic (MLC) Packaged on tape for auto insertion Jednowarstwowe, okrągłe kondensatory Ceramiczny dysk Srebrne elektrody po obu stronach Kontakty elektryczne Y5F 102K 1KV Warstwa ochronna 17

18 Kondensatory ceramiczne Aby dielektryk mógł być stosowany w kondensatorach powinien mieć dużą przenikalność elektryczną ε. Bardzo dobry jest na przykład BaTiO 3 : Ferroelektryki Ferroelektryk jest to materiał, który wykazuje spontaniczną polaryzację elektryczną (nawet bez pola elektrycznego). Nazwa zjawiska została zapożyczona od ferromagnetyzmu (jest to mylące, gdyż ferroelektryki raczej nie zawierają atomów Fe). 18

19 Przykłady ferroelektryków KH 2 PO 4 (123K) KD 2 PO 4 (213K) RbH 2 PO 4 (147K) GeTe (670K) Siarczan triglicyny (NH 2 CH 2 COOH) 3.H 2 SO 4 (32 2K) Selenian triglicyny (295K) BaTiO 3 (408K) KNbO 3 (708K) PbTiO 3 (765K) LiTaO 3 (938K) LiNbO 3 (1480K) PZT Perowskity Temperatura Curie i przemiany fazowe: Spontaniczna polaryzacja pojawia się zazwyczaj poniżej pewnej temperatury. Temperatura krytyczna nosi nazwę temperatury Curie. W ceramikach ferroelektrycznych spontaniczna polaryzacja wiąże się ze strukturalnymi przemianami fazowymi ( w innych materiałach ferroelektrycznych może to być też przemiana typu porządeknieporządek). 19

20 Możliwe przemiany fazowe: T>T c T=T c T<T c Możliwe własności w polu elektrycznym: E=0 T<T c E Ferroelektryk Piroelektryk Antyferroelektryk

21 Klasyczny przypadek ferroelektryka: BaTiO 3 Struktura regularna (powyżej 120 ºC). Wiązania Ti-O są naprężone, > 2.0 Å. W temperaturze 120 ºC zachodzi przemiana fazowa, w której Ti przemieszcza się ze środka sześcianu w stronę jednego z tlenów. Struktura tetragonalna W rzeczywistości BaTiO 3 przechodzi trzy przemiany fazowe: 21

22 W rzeczywistości BaTiO 3 przechodzi trzy przemiany fazowe: romboedryczny jednoskośny tetragonalny Domeny ferroelektryczne. Kryształy ferroelektryczne składają się z tzw. domen ferroelektrycznych. 22

23 Domeny ferroelektryczne Polarization (C/m 2 ) Electric Field (kv/cm) PZT-PSM PZT-PSM-Ce PZT-PSM-Eu PZT-PSM-Yb Wielkość pętli histerezy zależy od pracy potrzebnej do przesunięcia ścian domenowych. Piezoelektryki Efekt piezoelektryczny (prosty): zdolność niektórych kryształów do wytwarzania pola elektrycznego wskutek działania siły zewnętrznej. Kryształy piezoelektryczne wskutek umieszczenia ich w polu elektrycznym deformują się (odwrotny efekt piezoelektryczny). 23

24 Piezoelektryki Polaryzacja zależy od działającej siły Piezoelektryki Istnieje zatem sprzężenie pomiędzy: naprężeniem a polaryzacją lub między rozmiarem kryształu a polaryzacją. 24

25 Zastosowania kryształów piezoelektrycznych: Konwersja energii mechanicznej na elektryczną: Mikrofony; Czujniki drgań, mierniki ciśnienia; Różne urządzenia mierzące i kontrolujące położenie; Zapalniki gazu; Bezpieczniki. Zastosowania kryształów piezoelektrycznych: Konwersja energii elektrycznej na mechaniczną: Zawory; Mikropompy; Słuchawki i głośniki; Płuczki ultradźwoiękowe, rozmaite urządzenia do mieszania i robienia emulsji; Wszelkie źródła ultradźwięków; Tłumienie drgań. 25

26 Przykłady: tłumienie drgań. Piezoelektryk nie tylko może drgania wytwarzać. Może je również tłumić. Wykorzystuje się je w taki sposób w stołach do precyzyjnej fotolitografii. W każdej nodze stołu są dwa zestawy piezoelektryczne. Jeden służy do detekcji drgań, drugi do wytwarzania siły tłumiącej te drgania (siła aż do 5000N); Narty piezoelektryk zaczyna drgać, a ponieważ jest podłączony do obwodu o dużym oporze energia elektryczna jest zamieniana na ciepło. Ceramiczne materiały magnetyczne: ferryty Era magnesów ceramicznych zaczęła się w 1946 roku. J.L. Snoeck z Philips Laboratory w Holandii zsyntezował pierwszy silny magnes ferrytowy. 26

27 Ferryty: ceramiczne magnesy. Większość ferrytów są to spinele, odwrotne spinele lub częściowo odwrotne spinele. Struktura spinelu i odwrotnego spinelu spinel: AB 2 O 4, odwrotny spinel: B(A 0.5 A 0.5 ) 2 O 4 8 atomów A w położeniach tetraedrycznych, 16 atomów B w położeniach oktaedrycznych, 32 atomy tlenu 27

28 Spinele Odwrotne spinele MgO.Al 2 O 3 = MgAl 2 O 4 MgO.Fe 2 O 3 = FeMgFeO 4 ZnO.Fe 2 O 3 = ZnFe 2 O 4 NiO. Fe 2 O 3 = FeNiFeO 4 FeO.Al 2 O 3 = FeAl 2 O 4 CoO. Fe 2 O 3 = FeCoFeO 4 CoO.Al 2 O 3 = CoAl 2 O 4 FeO. Fe 2 O 3 = FeFeFeO 4 = Fe 3 O 4 MnO.Al 2 O 3 = MnAl 2 O 4 Fe 3 O 4 = Fe 3+ (Fe 2+ Fe 3+ )O 4 Skąd się bierze moment magnetyczny ferrytów? Na przykładzie Fe 3 O 4 W komórce elementarnej: położenie tetraedryczne jest zajęte przez Fe +3, położenie oktaedryczne przez Fe +3 oraz Fe +2. T O 28

29 Skąd się bierze moment magnetyczny ferrytów? Uporządkowanie magnetyczne zależy od oddziaływania nadwymiany pomiędzy sąsiednimi atomami Fe. To, z kolei zależy od stopnia nakładania się orbitali Fe3d i O2p oraz od kąta wiązań Fe-O-Fe. Możliwe oddziaływania: tet-tet, okt-tet, okt-okt. Ferryty Ferryty są dobrymi materiałami magnetycznymi dzięki ich dużemu momentowi magnetycznemu M i dużemu oporowi elektrycznemu R. Ferryt kobaltowy CoO.Fe 2 O 3 ma oporność 10 7 Wcm, podczas gdy żelazo metaliczne ma oporność 10-5 Wcm. To oznacza, że przy tym samym napięciu indukowanym przez pole magnetyczne prądy wirowe przy tym samym napięciu indukowanym przez zmiany pola magnetycznego będą 12 rzędów mniejsze w ferrycie niż w żelazie. 29

30 Ceramiczne magnesy Ceramiczne magnesy wytwarza się tak jak ceramiki w ogóle: przez spiekanie proszków. Otrzymuje się w ten sposób materiał polikrystaliczny. Lepsze właściwości magnetyczne mają materiały bardziej uporządkowane niż polikryształ teksturowanie Teksturowana ceramika T1 T2 Początkowa mikrostruktura składa się z dużych krystalitów umieszczonych w polikrystalicznym proszku. Kryształy stopniowo rosną (w wymuszonym początkowo kierunku). W rezultacie otrzymujemy prawie monokryształ Sr 0.53 Ba 0.47 Nb 2 O 6 50 µm Al 2 O 3 20 µm 30