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
C MODELOWANIE CERAMIKI TECHNICZNEJ Dr Cecylia Dziubak Mgr inż. Andrzej Łosiewicz C
Plan Charakterystyka tworzyw ceramicznych Proces wytwarzania 1. Przygotowanie masy ceramicznej 2. Sposoby formowania 3. Wypalanie Metody badawcze Podsumowanie
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.)
Mezopotamia 5500 p.n.e. Egipt 1300 p.n.e. Chiny 4500 p.n.e. Fajans Szkło Źródło: Pw. Zespół C Specjalnej
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
Funkcjonalność c technicznej
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.
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 3,96 100 380 2800 5 150 AlN 3,26 310 350 2100 3 b.d. B 4 C 2,51 450 400 2400 4 b.d. SiC 3,21 440 450 2900 4 300 Si 3 N 4 3,20 310 1000 3400 4 500 Sialon 3,24 310 950 3500 7 510 TiB 2 4,48 540 350 4900 - b.d. ZrO 2 częściowo stabilizowany 5,75 200 800 1800 10 b.d. Porcelana 2,30 2,50 70 45 350 1 220 Szkło sodowowapniowe Szkło kwarcowe 2,50 74 50 1000 0,7 84 2,90 72 107 b.d. b.d 2500
Surowce stosowane w ceramice
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.
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
PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Młyny wibracyjne Rys. 6. Schemat młyna wibracyjnego źródło: www.prodoreko.pl Rys. 7. Wnętrze produkcyjnego młyna wibracyjnego Rys. 5. Młyna wibracyjnego boulton
PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Mieszadła śmigłowe Rys. 8. Mieszadło śmigłowe - bełtacz Rys. 9. Mieszadło śmigłowe - bełtacz
PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT PRZYGOTOWANIE MASY MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Mieszadła łopatkowe Rys. 10. Mieszadło łopatkowe planetarne Rys. 11. Mieszadło łopatkowe do mas lejnych
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
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
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
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
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
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
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)
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)
FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Formowanie wtryskowe Rys. 34. Kształtka uzyskana metodą wtrysku Rys. 33. Wtryskarki do produkcji elementów ceramicznych
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.
FORMOWANIE PROSZEK, PROSZEK, GRANULAT MASA PLASTYCZNA GĘSTWA, ZAWIESINA Odlewanie gęstwy Rys. 39. Odlewanie gęstwy ceramicznej: a- kształtka pełna, b- kształtka pusta
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
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
PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec elektryczny komorowy Piec Nabartherm Typ n650/hdb Max. temp 1300 Pojemność komory 650 l Elektryczny Moc 102 kw
PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec elektryczny z wysuwnym trzonem Piec PKWT Max. temp 1200ºC Pojemność komory 3,2 m 3 Elektryczny Moc 90 kw
PROSZEK, GRANULAT WYPALANIE Piec gazowy Piec PKWT-3,2 Max. temp 1700 ºC Pojemność komory 3,2 m 3
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
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
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
Metody badawcze c Urządzenie do pomiaru modułu Younga Pn-EN 843-2 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
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
Metody badawcze c Analiza sitowa PN-ISO 2591-1:2000 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
Porównanie wybranych właściwości tworzyw
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
Dziękuje za uwagę