Előadás 10 Nemfémes anyagok

Kerámiák

Csoportosítás

• Hagyományos szilikátkerámiák

• Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb

• Üvegek,

• Fémoxidok, nitridek, boridok stb.

• Mesterségesen előállított szilárd, nemfémes, szervetlen (műszaki) anyagok.

• Technológiájukban közös;

nyers formázás  hőkezelés (kivétel: üveg)

A kerámiák szerkezete

Polikristályos anyagok

1. Kristályos fázisok: különböző

összetétel, méret, kristályszerkezet  mechanikai és villamos tulajdonságok 2. Üveges fázis:  szilárdság, ridegség,

átütési szilárdság

3. Gáz fázis:  rugalmasság, hőszigetelés

A fázisok egymáshoz való viszonya szabályozható az összetétellel és a

technológiával

Technológia

1. Homogenizálás

Nyersanyagok + víz + kötőanyagok

2. Formázás

• Korongolás (kézi, gépi)

• Sajtolás (izosztatikus, forró)

• Extrudálás

• Fröccsöntés 3. Hőkezelés

• Szárítás

• Égetés

– az op (K) 80 – 90%-án – Nedvesség, kötőanyag

eltávozása

– Polimorf átalakulás – Átkristályosodás

– Olvadék keletkezése

– Szilárd fázisú reakciók, hőbomlás, diffúzió

– Tömörödés, zsugorodás 4. Mechanikai utómunkák

Tulajdonságok

• Nagy mechanikai szilárdság,

nyomószilárdság, kopásállóság

• Ideálisan rugalmas

• Jó hőállóság

• Általában jó hőszigetelés

• Jó villamos szigetelés

Kerámia típusok

• Porcelán:

kaolin – kvarc – földpát

x(NaK)₂O – yAl₂O₃ – zSiO₂ közepes szigetelőanyag

• Szteatit

MgO

-

– alkálimentes, jobb

villamos tulajdonságok – Ellenállás-hordozók,

kondenzátorok, hálózati szigetelők

Alumínium-oxid - Korund

-Nagyon jó szigetelő:

 



 

-Készítenek: 90%, 99%, 99,9%-os tisztaságút

-Égetés: 1600 – 2000°C -Finomszemcsés, ~ 100%

tömör. Gázfázis nincs, üvegfázis 0 – 1% között.

-Hordozó,(IC, MCM) Na-lámpa kisülőcső

Egyéb különleges kerámiák

• Si₃N₄, AlN: jobb

hővezetők, nagy alkatrész–

sűrűségű IC hordozó

• Szupravezető kerámiák:

YBa₂Cu₃O_7-x MgB₂

• Kondenzátorok:

I típus: TiO₂ MgTiO₃

• II. típus: BaTiO₃ ferroelektromos

Csoport Jell. képviselő Tulajdonság, jellemző Felhasználás Szilikátok: Porcelán (kaolin, földpát, kvarc

alkáli-alumínium-szilikát)

hagyományos dísz és ipari kerámia, hálózati szigetelő Szteatit (magnézium-szilikát) nagyfrekv. szigetelő, ellenállás-

hordozó Oxid-

kerámiák^:

Korund: Al₂O₃ jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, szövetbarát

MCM hordozó, nagyfrekv.

szigetelő, implantátum BeO: jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó

hővezető

nagyfrekv. szigetelő, ák. hordozó

ZrO₂ Hőálló, ionvezető tűzálló anyag, oxigén szenzor

Titanátok: TiO₂ magas dielektromos állandó I. tip. kondenzátor BaTiO₃ nagyon magas dielektromos állandó,

ferroelektromos, piezoelektromos

II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek Nitridek: Si₃N₄, AlN,

BN

jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető, jó mechanikai tul.

nagyfrekv. szigetelő, hordozó, gyémánt helyettesítés

Karbidok: SiC, jó mechanikai tul., félvezető, hőálló varisztor, kék LED, fűtőellenállás WC

B₄C

jó mechanikai tul^.

atomreaktor

Ferritek lágy és kemény mágnesek

Szupra- vezetők

YBa₂Cu₃O_7-x MgB₂

T_c  100K

Üvegek

1. Anyagtípus

2. Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése

Üvegalkotó: SiO₂, (Ge, B, P-oxidok)

Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív

paraméterek folytonosan

változnak, de Tg környékén a meredekség változik.

Viszkozitás

• Meghatározza a

technológiát, hőkezelést, feszültségeket

Technológia

• Alapanyagok: kvarchomok, módosítók: Na₂O, K₂O

stabilizálók: CaO, MgO, B₂O₃ Al₂O₃

színezők, színtelenítők, egyéb speciális adalékok

• Olvasztás: ~ 1500°C

• Táblahúzás, csőhúzás, öblösüveg fújás

• Temperálás

Lágy üveg:

adott

viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el

Kemény üveg: ~

Feszültségek

• Okok:

– rossz hővezető

– nagy a hőtágulása

– T_g alatt nincs képlékeny alakváltozás

• Veszélyes,

– kicsi a húzószilárdság – nincs krisztallithatár 

a mikrorepedés akadály nélkül terjedhet

Típusok:

• Maradandó: kötési

– Üveg – üveg – Fém – üveg

– Kerámia – üveg

• Temperálható:

– Hűlési

• Ideiglenes

– Mechanikai

– T_g alatti hőmérséklet- különbség

Üvegtípusok

• Lágy

Na, Ca, Mg – oxid, Σ 30%

• Kemény

alkáliszegény/mentes B₂O₃, Al₂O₃

Laboratóriumi, háztartási hőálló üveg, IC hordozó, fényforrás

• Kvarc

Tiszta SiO₂, legjobb mechanikai, villamos, optikai, termikus tul

• Vitrokerámia, üvegkerámia

Feldolgozás üvegként, utána kristályosító

hőkezelés

Egy vagy több kristályfajta kiválik

Tulajdonságok:

– Kerámia: szilárdság, hőállóság

– Üveg: tömörség, felületi simaság

– Elérhető negatív vagy 0 hőtágulás

LTTC (Low Temperature Cofired Ceramic) üvegkerámia szerkezet

kialakulása (Multichip modul hordozó)

Villamos tulajdonságok

• Ált: jó szigetelő

• : 10¹³ - 10¹⁷cm

– csekély ionos vezetés, (Na⁺), – keményü, kvarcü. jobb

szigetelő

– Hőmérsékletfüggés

exponenciális, T_K100 = az a T, ahol  = 100Mcm

• Felületi ellenállás: nagyon függ a páratartalomtól és a felület

állapotától

• Átütési szilárdság nagy: kb. 30 – 60 kV/ cm

romolhat:

– nagy alkáli tartalmú üvegekben

– Hibás, buborékos üvegben

• Dielektromos tulajdonságok:

– _rel: 3 - 10

– tg: 10^-4 (kvarc) – 10^-1 lágy üveg

 A

Név, neptun kód

http://www.youtube.com/wat ch?v=TfvbJLEn26U

B

Név, neptun kód

A  B

A anyag fajlagos vezetőképessége 10 µS, B anyagé 30 µS. Rajzolja le vázlatosan egy grafikonon, hogy változna az ötvözeteik

vezetőképessége….

B:) ha szilárd fázisban korlátlanul képesek

elegykristályt képezni A:) ha szilárd fázisban

csak részlegesen

oldódnak egymásban

(kb 10%-ig)

A B

• Rajzolja le a Fermi-

Dirac statisztika szerinti betöltési valószínűségi függvényt! T > 0K

• Jelöljön minden fontosat az ábrán!

• Két fém fázisdiagramja látszik az ábrán. Rajzolja le, hogy

változik az ötvözet fajlagos ellenállása az összetétel

függvényében!

(ρ_A = 10μΩcm, ρ_B = 5μΩcm)

A

• Milyen fázis(ok) vannak

az A területen, a G területen?

• Milyen lesz a kiváló szilárd

fázis összetétele, ha az E pontból hűl az olvadék? Indoklás kell!

• B

B

Milyen fázis(ok) vannak

a H területen, a B területen?

• Lehet-e olyan összetételű a kivált szilárd fázis, amilyenre az F nyíl mutat? Indoklás kell!

G

H

Polimerek

Alapfogalmak

Természetes polimerek:

• Poliszacharidok (keményítő, cellulóz)

• Polipeptidek, fehérjék

• Kaucsuk, gumi

• Mesterséges polimerek, műanyagok

• Monomer: építőegység

• Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal

Alapstruktúra:

Szabad rotáció

Csoportosítás

Láncalkotók (monomerek) szerint

• Szénlánc:

• Heterolánc

Poliéter: - R – O – R – O – Poliészter:

- R – O – CO – R’ – Poliamid:

- R – CO – NH – R –

Poliuretán, poliszulfid, stb.

• Szilikonok:

Poli-etilén, PE Poli-propilén, PP

Poli-vinilklorid,

PVC Poli-sztirol, PS

Polimer lánc alakja szerint

• Lineáris, fonal

• Elágazó fonal

• Térhálós

Kissé térhálós:

elasztikus

• Termikus viselkedés szerint

• Hőre lágyuló

• Hőre nem lágyuló

• Hidegen keményedő

Mikroszerkezet

• Amorf: üvegszerű,

összegabalyodott láncmolekulák általában átlátszó (PMMA, PS)

• Kristályos: részben rendezett tartományok.

jell.: kristályosság foka: 50 – 90%

általában átlátszatlan (PE, PP) Feltétel:

– Nem elágazó láncok

– Közel azonos lánchossz

– Esetleg H-híd a láncok között (pl: nylon)

Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok:

• Monomertől, technológiától, katalizátortól függ

Termikus tulajdonságok

Hőállóság

tartományok:

• T_g: transzformációs hőm

• T_f: lágyulási hőm

• T_D: degradálódási hőm

Amorf

polimerek termo-

mechanikai görbéi

Használható tartomány:

• Leggyakoribb T_g és T_f (ill. T_m) között

• T_g alatt törékeny  fagyállóság határa

• (T_m : a kristályos fázis olvadáspontja)

Részben kristályos polimerek termo-

mechanikai görbéi

Mechanikai tulajdonságok

• Minden tulajdonság nagyon függ:

–Kémiai összetételtől (monomer)

–Polimer molekula mérete alakja

–Adalékok

–Szál, fólia erősebb, mint a tömb

–Hőmérséklet: T_g alatt / fölött

• Gyakorlatilag tetszőleges mechanikai tulajdonságok előállíthatók

Polietilén és polisztirol nyújtási diagramja

Kémiai tulajdonságok

• Általában jó vegyszer- állóság

• Savaknak, lúgoknak ellenáll

• Oldószerekben néha duzzad, ritkán oldódik (de PVA

vízben oldódik)

• Korrózió: csekély, de

feszültségkorrózió: mech feszültség + oldószer / felületaktív anyag

• Öregedés, lassú oxidálódás, bomlás

Optikai tulajdonságok

• Üveg helyettesítés:

PMMA, PC

• Amorf: átlátszó

• Kristályos: matt

• Mindegyik színezhető

• UV érzékenység: bomlás, elszíneződés

• Kettőstörés:

– Mechanikai feszültségektől – Láncmolekulák

rendeződésétől

Villamos tulajdonságok

• Szigetelők:

villamosiparban: PE, PP

– PVC: ált. szigetelő (kábel) – PS: fóliakondenzátor

– Teflon, szilikon: különleges célokra, nagy , kis tg

– NYHL: (üvegszálas) epoxi Átütési csatorna PP-ben

Vezető polimerek

• OLED sávszerkezete

• Egyszerű OLED működése

Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó

elektród Hordozó

Emittált fény

+-

Kopolimerek, adalékok

• Kopolimer:

polimerizálva több

monomer  láncon belüli keveredés

• Pl: PE – PP

SAN (stirol – akrilnitril), ABS (akrilnitril – butadién – stirol)

• Adalékok

• Lágyító

• Stabilizátor, öregedésgátló

• UV stabilizátor

• Öregedés gyorsító

• Lánggátló

• Színező

• Antisztatizáló

• Habosító

Típusok

• Rövid ismertetés a jegyzet

Polimerek c. fejezetében • Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele

Kompozitok

• Társított anyag a tulajdonságok tervszerű alakítására

• Töbfázisú, összetett rendszer:

– Erősítő, ~ szálerősítő. Nagy szilárdság, nagy rugalmasági modulus (E)

– Befoglaló, mátrix. Kisebb szilárdság, nagy szívósság

– Jó kapcsolat a kettő között

• Cél: egynemű anyagban együtt el nem érhető tulajdonság-kombinációk megvalósítása.

Eredetileg: hagyományos fémes szerkezeti anyagok mechanikai jellemzői és kisebb sűrűség, esetleg

korrózióállóság, villamos szigetelés.

Erősítő

• Alapvetően szálas, mert a terhelés legtöbbször irányfüggő

• d ~ 10 µm

•A vékony szál általában hibátlanabb szerkezetű, jobb mechanikai

tulajdonságok, mint a tömb anyagban. (polimer láncok párhuzamosan rendeződnek, üvegszálban hibátlanabb a felület)

Száltípus ^Sűrűség_g/cm³

Szakító- szilárdság

(GPa)

Rugalmassági modulusz

(GPa)

Szakadási nyúlás (%)

Fajlagos szakadási hossz (km)

Üvegszál (E) 2.6 2,5 72 4,8 96

Aramid

(Kevlar) 1,45 3,3 75 3,6 230

Polietilén

(UHMWPE) 0,97 3,3 99 3,7 340

Acél 7,8 0,4 – 1,2 210 1,1 50

Szénszál(HS) 1,8 3,4 240 1,4 190

Erősítőanyagok fő mechanikai tulajdonságai

Erősítőanyagok

• Üvegszál: „E-üveg”:

alkáliszegény boroszilikát

– C-üveg: kémiai ellenállás jobb – R, S, T: javított mech. tul.

• Aramid (kevlár): (aromás poliamid)

• Szénszál: PAN szál

hevítésével. Jó mechanikai tul. mellett kémiai ellenállás

(HS: nagy szilárdság, IM: közepes modulus)

• Bór: C vagy W szálra

gőzölve hőálló, alk: repülő

Polietilén: ^ultranagy

molekulatömeg, párhuzamos polimer láncok

Kvarcüveg, kerámia, Természetes szálak

Rövidszálas erősítés

• Előnyös hőre lágyuló mátrixban, mert a hagyományos műanyag formázás használható

• Szálirány áramlás közben rendeződhet

• Erősítő fajlagos felülete nagy legyen  elegendő tapadás

• Kritikus szálhossz függ a tapadási nyírófeszültségtől,

pl. üveg/epoxi esetén 0,25  0,03mm

Szövött erősítő

• Felületek kialakítására

• Különböző mintázattal

Lökhárító:

PP és részben irányított

üvegszál

Mátrix anyagok

• Szerep:

– az erősítő (szálak) elválasztása,

– a terhelés továbbítása, elosztása,

– kémiai védelem

– önálló mechanikai, villamos, termikus tulajdonságok

• Hőre lágyuló polimerek

• Térhálós polimerek:

epoxi, poliészter

• Üveg

• Kerámiák, fémek

A mátrix és az erősítő közötti kötés

• Megfelelő erős kötés a szál és a mátrix között (ha túl erős, rideggé válik a

kapcsolat, a repedés nem áll meg)

• A mátrix zsugorodása belső feszültséget

okozhat. Poliésztereknél

~8%

Az üveg – epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre

Szója alapú biokompozit törésfelülete

Kompozit tulajdonságok

Lehet:

– csak az erősítő,

– csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy

– eredő

• Hőállóság: mátrix

• Vill.tul: eredő

Technológia

• Anyagpárosítástól, alaktól függően egyedi, sok kézi munkával

• Rövidszálú erősítő + hőre lágyuló mátrix: szokásos polimer technológiák

(fröccsöntés, sajtolás, extrudálás, stb.)

• Hosszú szálú erősítő + hőre nem lágyuló mátrix:

Szál, szövet előállítása külön folyamatban

Rövid szál + hőre nem lágyuló mátrix felvitele szórással

Laminálás

• Több réteg, szövött erősítő

• Döntő a térhálósodás teljes végbemenetele. Monomer ne maradjon. Lehet:

– Hőre térhálósodó – Hidegen keményedő

(exoterm, rossz hővezető!)

• Prepreg: szövet bevonva részben térhálósított

gyantával

Kézi laminálás

Alkalmazások

• Közlekedés:

súlycsökkenés,

korrózióálló, vízálló,

• Sporteszközök

• Villamosipar:

NYHL,

villanyoszlop, szélkerék

Vonat vezetőfülke

Szénszál-kompozitos kerékpár

Különleges kompozitok

• Folyadékkristályos polimerek (LCP):

– Pálcika vagy lemez alakú molekulák

– Molekuláris méretű erősítő, jó kapcsolat a mátrixszal – Orientáció el. térrel szabályozható

– A mezomorf állapot a mátrix op-je fölött – Újraformázás, recycling megoldható

• Önerősítő kompozitok:

– Ugyanaz a polimer az erősítő, mint a mátrix, csak szállá húzott, nagyobb móltömegű vagy kristályos – PE, PP

• Nanokompozitok

– Molekuláris kapcsolat a mátrix és az erősítő között

– Nanoméretű anyag lehet szinte hibátlan szerkezetű, jobb szilárdságú

– Pontosan tervezhető tulajdonságok

– Erősítő: CNT, csillám, tű-, lemez alakú szervetlen kristályok

Dendrimer szerkezet Au atomokkal