Badania ceramicznych materiałów gęstych do zastosowań specjalnych

Transkrypt

1 POLITECHNIKA WARSZAWSKA WYDZIAŁ CHEMICZNY KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ Badania ceramicznych materiałów gęstych do zastosowań specjalnych Instrukcja do zajęć laboratoryjnych dla studentów semestru VI Laboratorium Metod badania materiałów Prowadzący ćwiczenie: dr inż. Paweł Falkowski mgr inż. Agnieszka Antosik mgr inż. Małgorzata Głuszek 1

2 1. Wstęp Ceramika to tworzywo nieorganiczne i niemetaliczne wytworzone z surowców naturalnych (ceramika tradycyjna) i syntetycznych (ceramika zaawansowana wyroby nowoczesne o wysokich właściwościach). W okresie rewolucji przemysłowej (XVIII XX w.) miał miejsce gwałtowny rozwój przemysłu i wynalazków. Odnotowano nowe potrzeby i wciąż rosnące wymagania ludzi. Wszechobecny konsumpcjonizm spowodował rozwój nowych dziedzin tworzyw ceramicznych wytwarzanych metodą spiekania tj. ceramika ogniotrwała, sanitarna, elektrotechniczna, nowej generacji ceramika budowlana, materiały ścierne itd. W drugiej połowie XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój zaawansowanych tworzyw ceramicznych, a materiały takie jak tlenki, azotki, węgliki czy borki w zasadniczy sposób wpłynęły na rozwój elektroniki, informatyki, telekomunikacji czy przemysłu lotniczego (zwłaszcza samoloty wojskowe), kosmicznego (np. wahadłowce) oraz zbrojeniowego (pancerze). W obecnym świecie, gdyby nie nowoczesne materiały ceramiczne trudno wyobrazić sobie życie bez telefonów komórkowych, komputerów, światłowodów (telewizja cyfrowa, internet), nowych źródeł energii (baterie, ogniwa paliwowe) czy współczesnej medycyny (implanty i protezy, stomatologia) itd. Obecnie technologia ceramiki wkroczyła w następny etap: nanotechnologii. Na Rysunku 1 przedstawiono etapy otrzymywania tworzyw ceramicznych. Rysunek 1 Etapy otrzymywania tworzyw ceramicznych. 2. Formowanie materiałów gęstych Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów ceramicznych, w którym nieskonsolidowany ceramiczny materiał wyjściowy zostaje przekształcony w zwarty, zagęszczony półprodukt o określonej geometrii i mikrostrukturze. 2

3 Wyrób ten może być uzyskany za pomoc różnych technik tj. przez prasowanie, odlewanie czy formowanie plastyczne (Rysunek 2). Rysunek 2 Główne metody formowania tworzyw ceramicznych. Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów wytwarzania wyrobów ceramicznych i zależy ono od wielu czynników tj. rodzaj materiału i wyrobu, kształt i wielkość wyrobu, wilgotność masy ceramicznej, aspekty ekonomiczne itp. Do najpowszechniej stosowanych metod formowania zaliczamy prasowanie. Formowanie przez prasowanie Formowanie przez prasowanie można zdefiniować jako zagęszczanie ziarnistego granulatu, proszku lub innego materiału ceramicznego, bladź metalicznego za pomocą działania jednokierunkowych lub wielokierunkowych sił zewnętrznych w sztywnych formach, najczęściej stalowych. Metoda ta pozwala na uzyskanie stopnia zagęszczenia kształtek (z reguły do 60% gęstości teoretycznej), charakteryzujących się dokładnymi wymiarami i symetrycznymi kształtami przy odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej w stanie surowym. Ponadto jest to metoda ekonomiczna ze względu na dużą wydajność i stosunkowo niewielką ilość odpadów w trakcie realizacji procesu. Podczas prasowania występuje wiele zjawisk fizykochemicznych, których mechanizmy nie są jeszcze w pełni poznane, a które w zależności od warunków prowadzenia 3

4 procesu wpływają na stopień zagęszczenia wyprasek. Jednym z tych powszechnie występujących zjawisk są znaczne siły tarcia wpływające na małe zagęszczenie kształtek. Dlatego też w celu zminimalizowania występowania tarcia w układzie, zwiększenia gęstości i wytrzymałości mechanicznej wyprasek niezbędne jest zastosowanie odpowiednich rozwiązań. Aby uzyskać dużą gęstość wyrobu po procesie spiekania, konieczne jest dobranie odpowiedniego cienienia prasowania, zapewniającego stosunkowo jednorodny rozkład gęstości w całej objętości kształtki. Należy zwrócić uwagę na rozkład porów w wyprasce, który powinien być rozkładem jednomodalnym z niewielkim rozrzutem wielkości porów. Proszki ceramiczne są przeważnie aglomeratami i bardzo często obserwuje się rozkład bimodalny. Dlatego też, aby zmienić niekorzystny rozkład dwumodalny stosuje się duże ciśnienia, które powodują niszczenie aglomeratów. Prasowaniu poddaje się masy ziarniste, których wilgotność z reguły nie przekracza 15%, w związku z tym można dokonać podziału na prasowanie na sucho oraz prasowanie na mokro. W przypadku prasowania na sucho stosuje się proszki, których zawartość wilgoci jest nie większa niż 8%, dlatego niezbędne jest dokładne dozowanie granulatu. W technice tej występują stosunkowo duże siły tarcia, dlatego stosuje się ciśnienia prasowania większe niż 30 MPa i może być ono realizowane jednostronnie, dwustronnie lub izostatycznie (ciśnienie wywierane jest na granulat ze wszystkich stron jednocześnie). Z kolei w prasowaniu na mokro wilgotność masy ceramicznej waha się w przedziale 8-15%, przez co metoda ta jest w pewnym sensie jedną z technik formowania plastycznego. Ponieważ występujące w układzie siły tarcia są na ogół mniejsze niż w przypadku prasowania na sucho stosuje się mniejsze ciśnienia prasowania uwarunkowane między innymi wilgotnością masy. W tym przypadku przeważnie stosuje się prasowanie jednostronne. Prasowanie jednoosiowe odbywa się w sztywnych formach składających się z matrycy i stempli, które wywierają nacisk na granulat przekształcając go w kształtkę. W zależności od sposobu przykładania siły można rozróżnić prasowanie jednostronne (gdy siła prasująca przykładana jest z jednej strony) i dwustronne (nacisk odbywa się z obu stron). W przypadku prasowania jednoosiowego stosuje się ciśnienia nie przekraczające 350 MPa. Zjawisko występowania gradientu gęstości wzdłuż wyprasowanej kształtki związane jest ze zjawiskiem tarcia występującym pomiędzy ściankami matrycy, a ziarnami proszku. Im dalej od powierzchni prasowania tym gęstość wypraski jest mniejsza. Dlatego też prasowanie dwustronne jest metodą bardziej efektywną. Porównanie rozkładu gęstości dla metod prasowania jedno- i dwustronnego przedstawiono na Rysunku 3. Niedoskonałości prasowania można zredukować poprzez dobór odpowiednich materiałów na formy do prasowania (zapewniających dużą gładkość ścianek wewnętrznych), zastosowanie odpowiednich parametrów prasowania (ciśnienie prasowania, szybkość prasowania, itd.) oraz poprzez optymalizację właściwości reologicznych formowanych proszków ceramicznych. Zmianę właściwości reologicznych proszków granulatów ceramicznych można osiągnąć przez zastosowanie środków poślizgowych (np. stearynian cynku), które dodawane są w oddzielnym etapie technologicznym, co wydłuża czas trwania procesu. Inną metodą jest zastosowanie spoiw polimerowych o ściśle określonej budowie chemicznej [tj. dyspersje poli(akrylowo-styrenowe), poliuretanowe itd.]. 4

5 Rysunek 3 Schemat prasowania wraz z uwzględnieniem ciśnienia i gęstości względnej: (A) jednostronnego i (B)dwustronnego. W przemyśle często stosuje się oba rozwiązania, co powoduje zwiększenie ilości substancji organicznych w masie, wzrost kosztów procesu i wydzielanie się stosunkowo dużych ilości gazów podczas spiekania, co może spowodować występowanie defektów w gotowych wyrobach. Stopień zagęszczenia wyprasek zależy ponadto od stosunku ich wysokości (h) do średnicy (Φ). Dlatego zarówno w prasowaniu jedno- jak i dwustronnym stosunek h/ jest mniejsza niż 3, a kształtki jednorodne uzyskujemy, gdy h/ < 0,8; co jest sporym ograniczeniem tej metody. Wyrób przed procesem spiekania ma kształt odpowiadający kształtowi, jaki powinien mieć wyrób końcowy jest jednak od niego na ogół proporcjonalnie większy (wyjątkiem jest tzw. spiekanie reakcyjne gdzie materiał ulega spiekaniu bez skurczu). Ponadto jest on stosunkowo słaby mechanicznie i może ulec zniszczeniu wskutek transportu, działania cieczy czy wilgotnej atmosfery. 3. Spiekanie Spiekanie jest procesem technologicznym polegającym na przemianie materiału sproszkowanego w ciało polikrystaliczne o pewnej porowatości i odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej. Otrzymanie gotowego, spieczonego materiału jest efektem przyczynowo skutkowym przygotowania kształtki oraz czynników procesu spiekania. Spiekanie jest procesem, na który wpływa wiele czynników ilościowych i jakościowych i wynika to przede wszystkim ze złożoności i wielokierunkowości procesów jakie mogą zachodzić w toku spiekania. Rzeczywiste makro- i mikroskopowe zachowanie się każdego spiekanego układu tzn. temperatura początku spiekania, charakter, prędkość i czas zagęszczania jak również osiągnięta końcowa gęstość i mikrostruktura, a co za tym idzie i cechy wyrobu, zależy od 5

6 wielu czynników zarówno związanych z właściwościami fizyko-chemicznymi układu jak i zewnętrznymi parametrami procesu. Spiekanie jest złożonym, aktywowanym termicznie procesem fizycznym i chemicznym, który zachodzi w podwyższonej temperaturze. Jego kinetykę kontrolują warunki procesu, z których podstawowymi są temperatura, czas i atmosfera. Czas spiekania W większości przypadków spiekania, proszek poddaje się stopniowemu ogrzewaniu ze stałą szybkością wzrostu temperatury aż do temperatury spiekania. Następnie materiał przetrzymuje się w tej temperaturze przez określony czas jest to czas spiekania a po zakończeniu procesu wyrób schładza się do temperatury otoczenia z kontrolowaną szybkością, która powinna być tak dobrana, aby wyeliminować pękanie wyrobu wskutek występowania naprężeń cieplnych. Temperatura spiekania Stosowana maksymalna temperatura spiekania powinna zapewnić zakończenie procesów zagęszczania i uzyskiwania przez wyrób wymaganych właściwości użytkowych w ekonomicznie uzasadnionym czasie. Przyjmuje się, że czasy spiekania w maksymalnej temperaturze nie powinny przekraczać 1-2 godzin. Temperatura spiekania jest parametrem ściśle zależnym od właściwości fizykochemicznych spiekanego proszku i powinna być na tyle wysoka, aby w procesach zagęszczania dominowały mechanizmy dyfuzyjne, powodujące skurcz układu, a więc dyfuzja objętościową, dyfuzja po granicach ziaren czy płynięcie lepkościowe w fazie ciekłej. Atmosfera spiekania W toku spiekania atmosfera może być obojętna lub aktywna. Ze względów technicznych spiekanie można prowadzić w komorze pieca: otwartej (w powietrzu), zamkniętej (napełnionej odpowiednim gazem lub w warunkach przepływu gazu). W większości realizowanych procesów spiekania stosuje się atmosferę obojętną, nie wpływającą w istotny sposób na przebieg procesów zagęszczania a zwłaszcza, aby nie wchodziła w reakcję ze spiekanym materiałem. Dla większości spiekanych proszków tlenkowych atmosferą taką jest powietrze. Dla proszków nietlenkowych stosuje się atmosfery ochronne (azot, argon, hel). W toku spiekania proszków metalicznych często stosuje się aktywną atmosferę redukcyjną, którą może stanowić wodór, mieszaniny wodoru z argonem, zdysocjowany amoniak itp. Stosowanie takiej atmosfery ma za zadanie redukcję zawartych w spiekanym proszku tlenków, które mogą utrudnić proces spiekania. Ogniotrwałość Ogniotrwałość jest ważnym parametrem zastępującym dla materiałów ceramicznych temperaturę topnienia. Wprowadzono ten parametr, ponieważ masa ceramiczna jest układem wielofazowym i każda z faz posiada własne, specyficzne temperatury topnienia, a tworzywa ceramiczne miękną w szerokim zakresie temperatur. Ponadto, często podczas spiekania powstaje faza ciekła o znacznej lepkości i oznaczenie jej temperatury topnienia jest niemożliwe. Dlatego, dla materiałów ceramicznych stosuje się pojęcie ogniotrwałości zwykłej, odpowiadające temperaturze przy której ogrzewany materiał osiąga lepkość wystarczającą do deformacji kształtki wzorcowej, wykonanej z tego materiału. Innymi słowy ogniotrwałość zwykła to temperatura, gdy tzw. stożek pirometryczny (sp) dotknie swoim wierzchołkiem podstawy, jednocześnie ze stożkiem wzorcowym. Na Rysunku 4 ogniotrwałość zwykła wynosi 900 C. (środkowy stożek (sp 90)). 6

7 Rysunek 4 Zasada określania ogniotrwałości zwykłej Mikroskopowy obraz spiekania Wyjściowy układ do spiekania występuje w postaci wstępnie zagęszczonego proszku. Ziarna proszku kontaktują się ze swoimi sąsiadami. Analizując układ pod dużym powiększeniem, łatwo zauważyć, że w mikroobszarach układ nie jest jednorodny: ziarna posiadają zróżnicowane wielkości i kształty, posiadają różną ilość sąsiednich ziaren. Zróżnicowaną wielkość i kształt posiadają również obszary pomiędzy ziarnami pory. W niskich temperaturach wygrzewania, po ewentualnym usunięciu części lotnych, nie obserwuje się istotnych zmian mikrostruktury układu. Do temperatury początku spiekania nie zachodzą istotne zmiany gęstości i porowatości materiału. Jednak gdy temperatura jest już wysoka, jeszcze przed zapoczątkowaniem skurczu, w obrazie proszku obserwujemy zmiany kształtu i wielkości ziaren. Ziarna ulegają częściowemu zaokrągleniu, rośnie także ich wielkość oraz w widoczny sposób wzrastają połączenia między ziarnami szyjki. Przejawem takich zmian mikrostruktury jest obniżenie powierzchni właściwej układu (przypadającej na jednostkę masy proszku). Po osiągnięciu temperatury początku spiekania rozpoczyna się skurcz całego układu czemu towarzyszy zwiększenie się gęstości i stopniowa eliminacja porowatości całkowitej. W mikrostrukturze następuje wyraźny wzrost gęstości upakowania ziaren, wzrost ilości kontaktów między poszczególnymi ziarnami oraz stopniowy rozrost ziaren. Ulega zmniejszeniu ilość i wielkość porów a pojedyncze ziarna stopniowo tworzą ciągły szkielet. W tym etapie szybkości zagęszczenia układu mierzone przez zmiany skurczu, gęstości, porowatości czy powierzchni właściwej są największe. Regularnym zmianom gęstości i porowatości nie zawsze odpowiadają jednak identyczne zmiany w poszczególnych mikroobszarach materiału. Niejednorodności zagęszczenia ujawniają się w początkowych i pośrednich etapach spiekania, gdzie obserwuje się np. nienaturalny rozrost dużych porów i eliminację najmniejszych. Końcowe etapy spiekania charakteryzują się znacznym obniżeniem szybkości zagęszczenia. W mikrostrukturze można zaobserwować zmiany mikrostruktury, które oprócz eliminacji porów i zmianie ich kształtów w kierunku bardziej kulistym. Końcowym rezultatem spiekania jest gęsty polikryształ. Zmiany zachodzące w toku procesów w podwyższonych temperaturach są zmianami nieodwracalnymi. Podczas zagęszczania proszku ciągłej zmianie ulegają także i inne parametry układu zależne od gęstości: moduł Younga, wytrzymałość, przewodnictwo cieplne, opór elektryczny itp. Mierząc te wielkości możemy w wielu wypadkach także śledzić i identyfikować procesy spiekania. Obserwacje makroskopowe i mikroskopowe pozwalają stwierdzić, że charakterystycznym objawem spiekania jest przekształcenie się materiału z postaci zagęszczonego proszku do polikryształu, czemu towarzyszy: 7

8 1. Skurcz objętościowy materiału przy zachowaniu kształtu będący rezultatem eliminacji porów, 2. Zmiany właściwości materiału (głównie fizyczne tj. gęstość, porowatość, twardość, wytrzymałość, przewodnictwo cieplne, często barwa, a także inne jak przenikalność dielektryczna itp.) 4. CERAMIKA WARYSTOROWA Rozpatrywanym przypadkiem ceramiki specjalnej jest ceramika warystorowa. Warystory są to rezystory o nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej, polegającej na nagłym wzroście gęstości prądu po osiągnięciu określonej wielkości pola elektrycznego. Służą miedzy innymi jako odgromniki zaworowe, zabezpieczające izolację napowietrznych linii elektrycznych oraz urządzeń elektrycznych przed skutkami przepięć pochodzenia atmosferycznego i łączeniowego. Wytwarzane są metodą spiekania sprasowanych proszków tlenków cynku i bizmutu Uzyskanie nieliniowego przewodnictwa ceramiki cynkitowej jest ściśle związane z mikrostrukturą tworzywa. Pod pojęciem mikrostruktury rozumie się zarówno skład fazowy, rozmieszczenie poszczególnych faz jak również układ kryształów widziany pod mikroskopem. Uważa się, że nieliniowość warystorów związana jest głównie ze strukturą granic ziaren ZnO, powstającą wskutek odpowiedniego rozmieszczenia domieszek w obszarach przygranicznych. Możliwe jest więc sterowanie właściwościami ceramiki poprzez dobór składu oraz parametrów technologicznych wytwarzania, takich jak np. temperatura i czas spiekania. Innym zastosowaniem polikrystalicznej ceramiki z tlenku cynku są czujniki wilgotności powietrza (gazu) wykonane z mieszaniny ZnO z LiCoSbO 4 pracujące stabilnie w szerokim zakresie wilgotności, a także czujniki CO, stosowane w urządzeniach alarmowych w kopalniach i czujniki ciśnienia. W przemyśle chemicznym spieki ZnO z domieszką innych tlenków są wartościowym katalizatorem w syntezie metanolu. Podejmowane były również próby nad zastosowaniem tlenku cynku nanoszonego w postaci cienkiej warstwy na szkle do konstrukcji filtrów z falą powierzchniową. Tlenek cynku jest cennym składnikiem barwników i szkliw ceramicznych, stanowiącym między innymi składnik utrwalający barwę. Większość z wymienionych zastosowań wymaga materiału o wysokim stopniu zagęszczenia, bowiem jedynie taki materiał gwarantuje stabilność i powtarzalność parametrów wykonanych z niego elementów. Właściwości tlenku cynku (ZnO) Tlenek cynku jest związkiem niestechiometrycznym. Odstępstwo od składu stechiometrycznego jest spowodowane nadmiarem metalu wynikającym z obecności kationów międzywęzłowych, przy całkowitym obsadzeniu wszystkich węzłów. Tworzenie się zdefektowania sieci krystalicznej ZnO można wyobrazić sobie następująco: jeśli idealny (ściśle stechiometryczny) kryształ ZnO znajdzie się w temperaturze wyższej niż 0K, to staje się on termodynamicznie nietrwały i ulega częściowemu rozkładowi na metaliczny Zn i gazowy O 2. Proces ten przebiega na powierzchni kryształu. W dostatecznie wysokiej temperaturze atomy metalicznego Zn, tworzące się na powierzchni kryształu rozpuszczają się w sieci zajmując położenia międzywęzłowe. Równocześnie może zachodzić jonizacja tych atomów z wytworzeniem kationów jednododatnich lub dwudodatnich. Tworzące się w tym 8

9 procesie wolne elektrony noszą nazwę elektronów quazi-swobodnych. Mimo odstępstwa od stanu stechiometrycznego, warunek elektroobojętności zostaje zachowany. Proces tworzenia się zdefektowanego ZnO można przedstawić następująco: ZnO Zn ś 1 / 2 O 2 (g) Zn Zn i. + e - Zn i. Zn i.. + e - Gdzie: Zn i. jednowartościowy kation, Zn i.. dwuwartościowy kation Głównymi defektami punktowymi w niestechiometrycznym ZnO są międzywęzłowe atomy lub jony. Nadmiarowy metal lokuje się w oktaedrycznych międzywęzłach. Stwierdzony jest wpływ niestechiometrii związku na właściwości parametrów sieciowych. Parametry sieci zależą od rodzaju obróbki badanych proszków i monokryształów tlenku. W przypadku monokryształów ze wzrostem niestechiometrii zaobserwowano zwiększenie parametrów a i c. Nie jest wykluczone, że podczas prasowania w tlenku powstaje pewna nierównowagowa struktura zanikająca w wyniku spiekania w temperaturze ok o C. Zjawisko to może mieć wpływ na właściwości ZnO. 9

10 Literatura Instrukcja powstała w oparciu o pozycje: 1. S. Gąsiorek: Makroskopowe przejawy procesu zagęszczania i scalania proszków ferrytowych przez prasowanie i spiekanie, Ceramika z. 40, Wyd. AGH, Kraków P. Izak, J. Lis, S. Serkowski: Model zagęszczania granulowanych proszków ceramicznych, Szkło i Ceramika 5/ J. Lis, R. Pampuch: Spiekanie, Wyd. AGH, Kraków J. Raabe, E. Bobryk: Ceramika funkcjonalna, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa M. Szafran, G. Rokicki. P. Wiśniewski: Wodorozcieńczalne spoiwa polimerowe w procesie prasowania proszków ceramicznych, Ceramika z. 60, Wyd. AGH, Kraków, M. Szafran, P. Wiśniewski, G. Rokicki, L. Ł ukasik: Copolymers of vinyl acetate and allyl ethers in die pressing of alumina, Journal of Thermal Analysis And Calorimetry, vol 66, P. Wiśniewski, M. Szafran, G. Rokicki, M. Molak, D. Jach: Badania nad zastosowaniem nowych dyspersji akrylowo-allilowych w prasowania Al2O3, Ceramika z. 80, Wyd. AGH, Kraków L. Kucharska, Reologiczne i fizykochemiczne podstawy procesów ceramicznych, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław P. Wiśniewski, M. Szafran: Prasowanie proszków ceramicznych, Szkło i Ceramika 5/ R.. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek: Nauka o procesach ceramicznych, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa R. Wyrwicki, Analiza termograwimetryczna skał ilastych, Wydawnictwo Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa P. Wiśniewski, M. Szafran, Z. Gontarz: Badania nad zastosowaniem NaH2PO4 do wiązania kaolinu, Szkło i Ceramika 2/ M. Kordek: Technologia ceramiki cz.1, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa P. Bednarek., Badania nad zastosowaniem wybranych pochodnych sacharydów w procesie formowania proszków ceramicznych metodą odlewania żelowego, Praca dyplomowa na stopień doktora, Politechnika Warszawska,

11 Metody Badania Materiałów Semestr VI Temat: Badania ceramicznych materiałów gęstych do zastosowań specjalnych Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem formowania i spiekania tlenkowej ceramiki z mikroproszku tlenku cynku oraz wpływu domieszek na właściwości kształtek po spiekaniu w różnych temperaturach. Materiał do badań: tlenek cynku czysty (mikroproszek) tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Co 2 O 3 (nadmiarowo) tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Bi 2 O 3 (nadmiarowo) tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Fe 2 O 3 (nadmiarowo) tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Cr 2 O 3 (nadmiarowo) tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. MnO 2 (nadmiarowo) Wykonanie ćwiczenia 1. Przygotowanie kształtek do badań: Próbki w kształcie beleczek o wymiarach 30x10x5 mm (po 18 z każdej masy) należy uformować metodą prasowania jednoosiowego z dodatkiem spoiwa (5-7% wag. poli(alkoholu winylowego) [10%]) w formach stalowych pod ciśnieniem 50 MPa. Na wykonanych beleczkach należy oznaczyć wymiary liniowe i masę. 2. Spiekanie przygotowanych kształtek w temperaturach 900 C, 1100 C 3. Oznaczanie na spieczonych kształtkach następujących parametrów: a. skurczliwości liniowej i objętościowej wypalania; b. gęstości pozornej, gęstości względnej, porowatości otwartej i nasiąkliwości wodnej; c. wytrzymałości mechanicznej na zginanie (metodą trójpunktową) 4. Wyznaczenie charakterystyki napięciowo - prądowej kształtek z ZnO i ZnO domieszkowanego innymi tlenkami spiekanych w dwóch temperaturach. Sprawozdanie powinno zawierać: - tytuł ćwiczenia, numer grupy oraz imiona i nazwiska osób je wykonywujących - zestawienie otrzymanych wartości i wyników w oparciu o podane zależności (również wartości średnie) - wykonanie wykresów charakterystyki napięciowo-prądowej - obserwacje i wnioski z przeprowadzonych badań. Zaliczenie ćwiczenia odbywa się na podstawie obecności i aktywnego uczestnictwa w ćwiczeniu, wykonaniu i pozytywnym ocenieniu sprawozdania oraz oceny z wejściówki 11

12 Zależności do obliczeń Skurczliwość liniowa S l i objętościowa S v : S l = (l 0 l 1 )/l 0 100% S v = (V 0 -V 1 )/V 0 100% Gdzie: l 0 długość kształtki przed spiekaniem l 1 - długość kształtki po spiekaniu V 0 objętość kształtki przed spiekaniem V 1 objętość kształtki po spiekaniu Gęstość pozorna d v [g/cm 3 ] i względna d w [%]: d v = m s /(m w -m ww ) d w d w = d v /d Gdzie: m s masa kształtki po wypaleniu m w masa kształtki nasączonej wodą ważonej na powietrzu m ww - masa kształtki nasączonej wodą ważonej w wodzie d w gęstość wody d gęstość rzeczywista proszku ceramicznego g/cm 3 d ZnO 5,61 g/cm 3 d Bi2O3 8,93 g/cm 3 d Fe2O3 5,24 g/cm 3 d Cr2O3 5,22 g/cm 3 d CoO 6,44 g/cm 3 d MnO2 5,03 g/cm 3 Nasiąkliwość wodna N: N = (m w -m s )/m s 100% Porowatość otwarta P o : P o = (m w -m s )/(m w -m ww ) 100% Wytrzymałość mechaniczna na zginanie W zg [MPa] dla beleczek : W zg = 3Pl/2bh 2 Gdzie: P siła powodująca zniszczenie kształtki [N] l odległość pomiędzy podporami formy (1,5 cm) b szerokość kształtki h wysokość kształtki 12

13 Wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej spieczonych kształtek z ZnO domieszkowanego innymi tlenkami Celem pomiaru jest wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej (I = f(u)) otrzymanych elementów ceramicznych z tlenku cynku domieszkowanego innymi tlenkami. Układ do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej przedstawiono poniżej. Gdzie: V A pomiar napięcia multimetrem A V B pomiar napięcia multimetrem B P- badana próbka (warystor) R 1 opornik 100 Pomiar natężenia prądu odbywa się przez pomiar napięcia, dlatego by wyznaczyć natężenie prądu należy skorzystać z prawa Ohma o proporcjonalności napięcia U mierzonego na końcach przewodnika o oporze R do natężenia prądu I płynącego przez ten przewodnik. U= R*I W przypadku zastosowanego układu pomiarowego oporność elementu wynosi 100. Zasady bezpieczeństwa 1) Zmiany badanych próbek lub inne czynności, poza samym pomiarem, należy wykonywać gdy układ jest odłączony od prądu 2) Wszelkie zmiany i ingerencje w układ pomiarowy są zabronione 3) Pomiar może być wykonany jedynie za wiedzą i zgodą prowadzącego ćwiczenia 4) W czasie pomiaru nie dotykamy elementów układu pomiarowego 5) Pomiary wykonuje jedna bądź dwie osoby wyznaczone przez prowadzącego zajęcia 13

14 Wykonane pomiarów 1) Odłącz układ od źródła prądu 2) Upewnij się, że układ nie jest podłączony do prądu, a suwak transformatora ustawiony jest na 0 3) Zdejmij krokodylki doprowadzające prąd do badanej próbki 4) Wymień element badany 5) Załóż krokodylki doprowadzające prąd do badanej próbki 6) Upewnij się, że krokodylki się nie stykają ze sobą, co może spowodować zwarcie układu 7) Zabezpiecz układ tak, by nie można go było dotknąć w trakcie pomiaru 8) Włącz multimetry UWAGA!!!! Pomiar dokonywany jest w układzie prądu stałego (symbol ). Nie wolno ustawiać multimetrów w inny sposób niż podany poniżej, bo grozi to ich uszkodzeniem. a. Multimetr A mierzący napięcie w układzie ustaw na zakres 1000V dla prądu stałego (DC) b. Multimetr B mierzący natężenie prądu poprzez pomiar napięcia w układzie ustaw na zakres 200mV dla prądu stałego (DC) 9) Podłącz układ do prądu 10) Powoli zmieniaj napięcie w układzie przesuwając suwakiem na transformatorze 11) Zmiany napięcia dokonuj a. W zakresie 0 250V co 25V b. Od 250V co 10V 12) Po skończonym pomiarze zmniejsz napięcie do 0 przesuwając suwak na transformatorze do pozycji wyjściowej (na zero) 13) Poczekaj aż multimetry pokażą 0 14) Wyłącz multimetry 15) Odłącz układ pomiarowy od źródła prądu 14