CERAMIKI PRZEZROCZYSTE

Transkrypt

1 prof. ICiMB dr hab. inż. Adam Witek CERAMIKI PRZEZROCZYSTE Projekt współfinansowany z Europejskiego Funduszu Społecznego i Budżetu Państwa

2 PO CO NAM PRZEZROCZYSTE CERAMIKI? Pręty laserowe dla laserów ciała stałego Elementy modulujące dobroć wnęki rezonatorów optycznych-q switch Osłony czujników pocisków samonaprowadzających tzw. RADOMES Osłony balistyczne wizjerów pojazdów opancerzonych 2

3 Korzyści technologii ceramicznej w porównaniu do technologii monokrystalizacji Pojedynczy Ceramika kryształ Czas wytwarzania Tygodnie Dni Produkcja masowa Trudna Łatwa Domieszkowanie Niejednorodne Wysoka jednorodność Wielkość pojedynczego produktu Wielkość monokryształu Wielkość komory pieca Koszt wytwarzania Wysoki Niski 3

4 RECEPTA JAK ZROBIĆ PRZEZROCZYSTĄ CERAMIKĘ Materiał nie powinien być optycznie dwójłomny, choć i to da się obejść tworząc nanoceramikę Najlepsze są materiały o symetrii regularnej, takie jak granat itrowo-glinowy lub spinel magnezowo-glinowy Szczególnie niebezpiecznymi centrami rozpraszającymi są puste pory międzykrystaliczne Poziom porowatości powinien być poniżej 100 ppm objętościowo Remedium: Hot Isostatic Pressing HIP 4

5 KIEDY CERAMIKA MOŻE BYĆ PRZEZROCZYSTA? T = ( 1 R ) exp( µ a) s T a Rozpraszanie Rayleigha Odbicie Fresnela 2 R R s = 1 + R n 1 R = n + 1 µ = N0σ gdzie: σ przekrój na rozpraszanie N 0 koncentracja rozpraszających centrów 2 5

6 1.granice ziarnowe, 2.pory wewnątrz ziarnowe, 3. wydzielenia na granicach ziaren, 4. podwójne załamanie, 5. wtrącenia, 6. chropowatość powierzchni zewnętrznej. Akio Ikesue, Yan Ling Aung, Ceramic laser materials, Nature-photonics, vol.2, Dec.2008,

7 Istotą technologii przezroczystej ceramiki jest eliminacja z mikrostruktury przejściowych faz, porów, domieszek, wydzieleń tak aby pozostały tylko ziarna jednofazowe, możliwie izometryczne o rozkładzie jednomodalnym oraz o czystych granicach ziarnowych (bez zanieczyszczeń i wydzieleń). Osiągnięcie takiej mikrostruktury jest warunkiem koniecznym, ale niedostatecznym aby uzyskać transmisję i współczynniki absorpcji na poziomie monokryształu. Konieczne jest uzyskanie granic międzyziarnowych o grubości bliskiej 1 nm. 7

8 Remedium: Hot Isostatic Pressing HIP W procesie spiekania ziaren ceramicznych o energii powierzchniowej E s pojawia się ciśnienie kapilarne p na styku ziaren, które można w przybliżeniu powiązać z promieniem ziarna wzorem: Jeżeli przyjąć typowe wartości E s = 1 J/m 2 i rozmiar ziarna r=0,5 μm, to ciśnienie p powodujące zamykanie się porów w czasie spiekania wynosi 4 MPa. Ze względu na wzajemną zwilżalność ziaren ciśnienie to ma zawsze charakter ściskający. Hot Isostatic Press wspomaga to naturalne ciśnienie spiekania poprzez dodanie składowej izostatycznej o wartości do 300 MPa, co przekracza kilkadziesiąt razy naturalne parametry związane ze spiekaniem swobodnym. W efekcie otrzymujemy ceramiki bez porów i defektów przestrzennych o znacznie większej odporności na szoki termiczne i mechaniczne. 8

9 Kwonand Messingformuła dynamiki d ρ dt ρ exp σ Ω 1 G ( / ) b 0 a 3 = AδD C β c ρkt gdzie : A -stała geometryczna, Δ- grubość fazy ciekłej, D b -współczynnik dyfuzji powierzchniowej na granicach ziaren, C 0 - rozpuszczalność w fazie ciekłej przy zerowym ciśnieniu, β c -ułamkowy współczynnik styku materiałów, σ a -ciśnienie przyłożone, Ω - objętość molekularna, G - rozmiar ziaren spiekanego materiału H. Kwon and G.L Messing, A theoretical Analysis of Solution-Precipitation Controlled Densification During Liquid Phase Sintering Acta Metal. Mater., 39[9], pp , (1991) β c 9

10 CO UDAŁO SIĘ ZROBIĆ - spinel magnezowo-glinowy VIII Konferencja Polskiego Towarzystwa Ceramicznego, Zakopane, września

11 PRZYGOTOWANIE PRÓBEK PRASOWANIE JEDNOOSIOWE P=100 MPa DOGĘSZCZANIE IZOSTATYCZNE P=200 MPa USUWANIE PLASTYFIKATORA T=950 o C SPIEKANIE W ATRMOSFERZE POWIETRZA T=1700 o C, t=1h DOGĘSZCZANIE IZOSTATYCZNE NA GORĄCO HIP w atmosferze ARGONU 11

12 DOGĘSZCZANIE IZOSTATYCZNE NA GORĄCO HIP 15/2011 T max = 1950 o C P max = 200 MPa Zależność czasowa ciśnienia i temperatury 12

13 Najlepsze z punktu widzenia własności transmisji optycznej próbki spinelu otrzymano w sekwencji spiekania: a) spiekanie swobodne w atmosferze normalnej w temperaturze nie mniejszej niż 1700 o C i w czasie nie krótszymniż1h(zalecana1h) b) proces spiekania w warunkach wysokiej temperatury i ciśnienia powinien przebiegać w temperaturze 1950 o C i ciśnieniu około 210 MPa przez pierwsze 10 minut, a następnie po zredukowaniu temperatury do 1800 o C, winienbyćprowadzonyprzez2hwciśnieniu200mpa. 13

14 PRZYGOTOWANIE PRÓBEK SPIEKANIE W ATRMOSFERZE POWIETRZA T=1700 o C, t=1h DOGĘSZCZANIE IZOSTATYCZNE NA GORĄCO HIP 15/2011 w atmosferze ARGONU OBRÓBKA MECHANICZNA DEKOLORYZACJA 14

15 CO UDAŁO SIĘ ZROBIĆ - granat itrowo-glinowy 15

16 Wstępnie spieczona kopułka z granatu itrowo-glinowego, przygotowana do procesu izostatycznego prasowania na gorąco (HIP) kopułkę umieszczono nad światłem latarki 16

17 DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ