Anorganické nekovové materiály Keramika Keramika



Yüklə 445 b.
tarix29.05.2018
ölçüsü445 b.
#46498


Anorganické nekovové materiály


Keramika

  • Keramika

  • Sklo

  • Stavební pojiva – vápno

  • beton

  • sádra

  • (asfalt)

  • Geopolymery



Keramika



Keramika

  • Kdy - 9000 let př. n. l. – mladší doba kamenná (neolit).

  • Kde - oblast Blízkého východu.

  • Co - nádoby z jílu, které byly po vysušení vytvrzeny v ohni.

  • K čemu – k uskladňování úrody.



Keramika

  • Ve střední Evropě první neolitická sídliště asi 6000 let př.n.l. – typickým znakem je lineární keramika.

  • Samotné slovo keramika pochází z řeckého slova keramos = hrnčířská hlína, zboží.



Keramika

  • Časem mnohá zlepšení technologie (vypalované cihly, porcelán).

  • Základní „mokrý“ pracovní postup se zachoval dodnes.

  • Formováním za mokra se vyrábí také keramika pro různé průmyslové aplikace (teplotně odolné vyzdívky pecí, vysokonapěťové izolátory).

  • V posledních 30- ti letech keramika zažívá nový vzestup, změna výrobních technologií.



Keramika

  • Na rozdíl od užitkové, kuchyňské a umělecké keramiky se vyrábí progresivní technická keramika lisováním prášku za vysoké teploty – sintrování (spékání).

  • Důležitá je příprava výchozích materiálů spolu s technologií (jemné prášky, dokonalé promísení hmoty, optimalizace podmínek – teplota, tlak).

  • Částice se propojí vzájemnou difúzí atomů v místech dotyku částic.



Keramika

  • Nová keramika vyniká:

  • Vysokou tvrdostí

  • Oděruvzdorností

  • Pevností v tlaku



Keramika

  • Kluzné prvky a ventily v automobilových motorech a v turbínách

  • Jaderné a chemické reaktory

  • Počítače a jejich přídavná zařízení

  • Solární kolektory

  • Raketoplány, vesmírné projekty

  • Náhrada lidských kostí, kloubů a zubů



Keramika

  • Z chemického hlediska lze keramické materiály rozdělit na:

  • Oxidy

  • Karbidy

  • Nitridy

  • Boridy

  • Titanáty

  • Niobáty



Keramika

  • Mezi oxidy patří:

  • Al2O3

  • Cr2O3

  • MgO

  • ZrO2

  • LiAl2SiO6

  • Tyto oxidy jsou podstatou tzv. sklokeramiky.



Keramika

  • Sklokeramika se připravuje řízenou krystalizací z taveniny.

  • Zvláštním teplotním režimem se sklovitá tavenina převede do krystalického stavu.

  • Vzniklé krystaly jsou tak drobné, že nerozptylují viditelné světlo a proto je sklokeramika poměrně dobře průhledná a také teplotně velmi odolná.



Keramika

  • Z karbidů jsou prakticky významné:

  • ZrC – karbid zirkonia

  • TiC – karbid titanu

  • SiC – karbid křemíku

  • WC – karbid wolframu

  • Většinou jde o velmi tvrdé materiály. Jsou vhodné na řezné a brusné nástroje a trysky odolávající oděru a vysokým teplotám.



Keramika

  • Mezi nitridy patří:

  • SIALON – slitina křemíku, hliníku, kyslíku a dusíku

  • TiN – nitrid titanu

  • Tyto materiály jsou využívány na řezné nástroje, lopatky plynových turbín, slévárenské kelímky a licí trysky.

  • Boridy stejně jako nitridy se používají v elektrotechnice.



Keramika

  • Funkční keramika:

  • Čidla na měření různých fyzikálních veličin.

  • Keramické polovodiče (v základním stavu se chovají jako izolátory, jsou-li excitovány, dovolují průchod elektronů).

  • Varistory (odporové součástky jejichž elektrický odpor se mění s velikostí protékajícího proudu).



Keramika

  • Piezoelektrická keramika (vyvolává vybuzení elektrickým polem mechanickou deformaci nebo změnu krystalové modifikace a naopak, mechanická deformace vyvolá na protilehlých ploškách keramické destičky elektrický náboj).

  • Takové chování vykazuje např. nerost perovskit – CaTiO3.



Keramika

  • Jednou z aplikací piezoelektrické keramiky jsou kanálky tryskových tiskáren k počítačům – elektrickými signály se s vysokou frekvencí otevírají a zase uzavírají a tak se podle povelů počítače řídí průchod tiskové barvy.



Keramika

  • Keramické snímače citlivě registrují mechanické kmity – používají se např. pro snímání akustické emise v průběhu namáhání materiálů – lze získat včas informaci o místních lomových procesech, vzniku a růstu trhliny.

  • Titanáty zirkonia a lanthanu reagují elektrickým signálem na dopadající světlo – využití v optoelektronice.



Keramika

  • Konstrukční keramika:

  • Zahrnuje nitridy, karbidy, oxidy.

  • Hlavní předností oproti kovům je podstatně vyšší teplotní odolnost, nižší teplotní roztažnost, vysoká odolnost proti korozi a oděru.

  • Mechanické vlastnosti jsou uspokojivé i nad teplotou 1000oC, hustota je přibližně poloviční než u kovů (snížení hmotnosti, úspora paliva – dopravní technika).



Keramika

  • Nevýhody keramiky:

  • 1) velmi křehká (má nízkou houževnatost)

  • 2) špatná reprodukovatelnost vlastností (mnohem větší rozptyl pevnostních vlastností než u odpovídajících kovových strojních součástí)



Keramika

  • Příčinou obou nedostatků je struktura.

  • Struktura je tvořená vzájemně propojenými drobnými částečkami s množstvím slabých míst, defektů a pórů.

  • Keramika se porušuje křehkou trhlinou, která se šíří vždy podél rozhraní mezi zrny.

  • Pro zvýšení houževnatosti se používá tzv. transformačního zpevnění, při kterém se využívá specifického chování oxidu zirkoničitého.



Keramika

  • ZrO2 přechází do rovnovážné a stabilní krystalové struktury, pokud je vystaven velké elastické deformaci (jde o tzv. martenzitický strukturní přechod, při kterém krystalky skokem zvětší svůj objem).

  • Oxid zirkoničitý v nestabilní formě se může používat dvěma způsoby:



Keramika

  • 1) Jemné částice se rovnoměrně rozptýlí v jiném keramickém materiálu – např. Al2O3.

  • Když se v základním keramickém materiálu vytvoří trhlina, částice ZrO2 v okolí jejího vrcholu expandují a vzniklý tlak trhlinu opět uzavírá a brání jí v růstu.

  • Výsledkem je vyšší houževnatost.



Keramika

  • 2) Přísně řízeným teplotním režimem se vydělí nestabilní částice ZrO2 v matrici ze stabilní formy téže látky. Velikost a podíl nestabilních částic lze poměrně dobře nastavit.

  • Z takové houževnaté zirkoničité keramiky se vyrábějí např. nemagnetické nože a nůžky.



Keramika

  • Keramické kompozitní materiály:

  • keramická vlákna + keramická matrice = > materiál

  • s typickou tvrdostí keramiky

  • s teplotní odolností keramiky

  • s odolností proti teplotním šokům

  • s odolností proti deformaci při extrémně vysokých teplotách

  • s vyšší pevností oproti samotné keramické matrici



Keramika

  • Smyslem výroby keramických kompozitních materiálů oproti kompozitům s polymerní matricí je zvýšení houževnatosti (u polymerních zvýšení pevnosti).

  • Vyztužení vlákny nebo mikroskopickými destičkami může celou strukturu lépe propojit a zpevnit a zlepšit její chování.

  • Kompozity využívají i uhlíkové nanotrubičky.



Keramika



Keramika

  • Aplikace:

  • Keramické nástroje

  • Biokeramika

  • Keramický motor

  • Keramika ve vesmíru



Keramika

  • Keramické nástroje

  • Keramické řezné nástroje

  • Ložiska

  • Keramické povlaky kovových řezných nástrojů



Keramika

  • Biokeramika – překonává plasty i kovy.

  • Je lehká, biologicky snášenlivá, nekoroduje. Může být připravena s řízenou pórovitostí, takže kostní tkáň do keramické protézy postupně vrůstá.

  • Náhrady zubů, kostí, částí kloubů.



Keramika

  • Keramický motor

  • V Japonsku bylo již ověřováno – motor však zatím neschopen běžného provozu.

  • Z termodynamických zákonů vyplývá, že účinnost tepelných strojů roste s provozní teplotou.

  • Keramický motor by mohl pracovat při vyšší teplotě při snížené spotřebě paliva.

  • Schůdnější cesta – dílčí náhrady exponovaných dílů nebo keramické povlaky.



Keramika

  • Keramika ve vesmíru

  • Keramické destičky vyvinuté pro tepelnou ochranu při přistávání raketoplánu – teplota při přistávání 1400o až 1500oC – přesahuje teplotu tání oceli.

  • Strukturu destiček tvoří velmi jemná křemenná vlákna pokrytá keramickým povlakem. Asi 95% objemu destiček zaujímá prázdný prostor – nízká hustota.



Sklo



Sklo

  • Z fyzikálního hlediska je sklo každý amorfní, homogenní a tuhý materiál.

  • Vzniká nejčastěji ochlazením taveniny takovým způsobem, že nezkrystalizuje a přitom dosáhne tak vysoké viskozity, že se chová jako pevná látka.

  • Materiál ve sklovitém stavu lze získat také za stálé teploty (např. tavenina selenu) při dostatečně vysokém tlaku.



Sklo

  • Sklovité materiály nemají ostrý bod tání,

  • v taveninu přecházejí postupně v určitém teplotním rozmezí.

  • V nižší teplotní oblasti vykazují další přechodovou teplotu – teplota skelného přechodu (transformační) – výrazně se mění

  • - tuhost amorfního materiálu

  • - koeficient teplotní roztažnosti

  • - teprve pod touto teplotou se materiál skutečně chová jako sklo



Sklo

  • Křemenné sklo – 1330oC

  • Křemičitá skla – 400 – 550oC

  • Plexisklo – 105oC

  • Silikonový kaučuk – -120oC

  • Schopnost „zamrznutí“ neuspořádané kapaliny do sklovitého stavu záleží na :

  • - chemické struktuře dané látky

  • - rychlosti chlazení

  • - tloušťce ochlazované vrstvy



Sklo

  • Kritická rychlost chlazení [oC/s]

  • SiO2 – 2.10-4

  • GeO2 – 7. 10-2

  • Ag – 10 10



Sklo

  • Křemenné sklo

  • Vyrábí se ze samotného roztaveného křemene – křemenného písku (1720 – 2000oC) – energie a technologie!

  • Vynikající fyzikální a chemické vlastnosti.

  • Bod tání křemene lze podstatně snížit přidáním tavících přísad (tavidel = soda).



Sklo



Sklo

  • Křemičitá skla

  • Sodné sklo – obsahuje 25% Na2O, taví se při 850oC, příměsí je soda Na2CO3

  • Mnohem snáze se tvaruje za horka.

  • Použití sody – výrobní tajemství starověkých sklářů.



Sklo



Sklo

  • Přírodní sklo – vltavíny (moldavity)

  • Jde s největší pravděpodobností o ztuhlé kapičky roztavených hornin, které byly nejprve vymrštěny do stratosféry po dopadu meteoritu v Bavorsku.

  • Při zpětném průletu vzdušným obalem Země se roztavily a jako horký skelný déšť dopadly do míst dnešních nalezišť, kde do nich kyselé písky za miliony let vyleptaly jemný reliéf.



Sklo

  • Nejstarší doklady o uměle vyrobeném skle – 5000 let před Kristem archeologická naleziště v Sýrii.

  • Egypt –1000 let před Kristem vynalezena sklářská píšťala.

  • Staří Římané – tvarování skla do forem nebo do volného prostoru, zdobení.



Sklo

  • 13. století

  • – na byzantskou tradici navázali skláři v Benátkách – ostrov Murano (požáry), křišťálové sklo.



Sklo

  • České sklárny – 17. století, Jablonecko, Železnobrodsko (Nový Amsterodam).

  • Středověk i doba renesance – vzácný a drahý materiál, průsvitnost a průhlednost skla důležitá pro jeho aplikace.

  • 15.století – Nizozemí – skleněné čočky – brýle, dalekohledy, mikroskopy (1606).

  • Dnes celosvětová výroba skla dosahuje ¼ objemu výroby železa.



Sklo

  • Sklenice

  • Láhve

  • Umělecké předměty

  • Stavebnictví

  • Chemické aparatury



Sklo

  • Optické prvky

  • Solární články

  • Světlovodná vlákna

  • Skelné tkaniny



Sklo

  • Pro každý typ skleněných výrobků byla vyvinuta nejvhodnější technologie.

  • Všechny výrobní technologie využívají skutečnosti, že viskozita skloviny se s teplotou plynule mění.

  • Tažení – ploché sklo – svislé tažení (v Čechách po 80 letech výroba ukončena)

  • Lití – novější technologie FLOAT – lití skloviny na vodorovnou hladinu roztaveného kovu

  • Lisování

  • Foukání



Sklo

  • Pozvolné chlazení každého výrobku – zabránění vzniku vnitřního pnutí.

  • Kompaktní sklo neobsahuje žádné vnitřní rozhraní ani vyztužující elementy – ideální prostředí pro šíření trhlin – sklo je křehké – má malou houževnatost.

  • Lom nastává v nejslabším místě struktury materiálu.



Sklo

  • Rm v tahu běžných skleněných předmětů je cca 100 MPa.

  • Tenká skleněná vlákna – i několik GPa.

  • Zvýšení pevnosti:

  • Pro zvýšení pevnosti se odleptává povrchová vrstva (HF) – na určitou dobu se odstraní povrchové vady.



Sklo

  • Další úpravy vedoucí ke zvýšení pevnosti:

  • Do povrchové vrstvy výrobku ze sodného skla mohou být iontovou difúzí vpraveny atomy draslíku. Protože K má rozměrnější atomy než Si, vznikne v povrchové vrstvě tlakové pnutí, které zabrání rozběhnutí trhliny.

  • Prudké zakalení výrobku vytvoří na povrchu tlakové pnutí kompenzované tahovým napětím v hlubších vrstvách, což vede k vyšší pevnosti.



Sklo

  • Po rozbití vzniknou místo velkých střepů drobné úlomky.

  • Částečné nahrazení atomů kyslíku v běžném skle atomy dusíku. Mezi Si a N vzniknou kovalentní vazby, sklo je pevnější v celém průřezu.

  • Kompozity – sklovitá matrice vyztužená drátky nebo kovovou síťkou.



Sklo

  • Výroba skla:

  • Směs surovin =„ sklářský kmen“

  • Hlavní součástí je křemenný písek cca 70 %

  • + Na2CO3 – soda, K2CO3 – potaš, CaCO3 – vápenec.

  • Další přísady: oxidy boru, fosforu, hliníku, hořčíku, barya, olova.

  • Případně střepy z recyklací – „sklářská vsádka“.

  • Liší se chemické složení – liší se i vlastnosti skel.



Sklo

  • Křemenné sklo – čirý sklovitý SiO2

  • Vysoká teplotní odolnost (do1200oC)

  • Nízký koeficient roztažnosti

  • Odolné vůči teplotním rázům

  • Vysoký elektrický odpor i při zvýšené teplotě

  • Mimořádně odolné vůči kyselinám



Sklo

  • Ploché sklo FLOAT

  • 73% SiO2 + 14% Na2O + 4% MgO + další příměsi

  • Podobné složení má lahvové sklo.

  • Zelené nebo hnědé zabarvení je způsobeno příměsí cca 0,4%Fe2O3 a oxidačně redukčními podmínkami.



Sklo

  • Tepelně odolná skla

  • SIMAX nebo PYREX

  • 80% SiO2 + 13% B2O + 3% Na2O + 1% K2O



Sklo

  • Křišťálové sklo

  • Složení je voleno tak, aby bylo dosaženo co nejvyššího indexu lomu.

  • K2O – CaO – SiO2 český křišťál

  • K2O – PbO – SiO2 olovnatý = anglický křišťál

  • Pravý olovnatý křišťál – 24% PbO.

  • Dekorativní vlastnosti olovnatého křišťálu jsou v jeho vysokém indexu lomu a výrazné závislosti indexu lomu na vlnové délce světla.



Sklo

  • Skleněná světlovodná vlákna.

  • Princip světlovodného vlákna s vnitřní vrstvou s vyšším indexem lomu.

  • Úplným odrazem na rozhraní mezi vnitřní a vnější vrstvou se světelný paprsek udržuje podél osy vlákna.



Sklo

  • Skleněná vlákna pro kompozity

  • E – sklo neobsahuje alkálie – koroze!

  • Vlákna pružná, ohebná, velmi pevná, při výrobě povrchová úprava podle předpokládané aplikace.

  • Z materiálového hlediska důležitá pevnost

  • v kombinaci s hustotou.

  • d = 0,1 mm – Rm = 300 MPa strukturní vady!

  • d = 1 µm – Rm =10 GPa



Sklo

  • Vlákna, tkaniny, rohože, kombinace s uhlíkovými vlákny.



Stavební pojiva - maltoviny



Stavební pojiva - maltoviny

  • Egypt – 4000 let před Kristem – vápenosádrové malty.

  • Maltoviny se vyrábějí z nerostných surovin, před zpracováním jsou sypké, zrnité či práškovité.

  • Po přidání vody získávají pastovitou konzistenci a poté se mění v kompaktní tvrdý materiál.

  • V průběhu zpevňování maltovin se rozlišují

  • 2 etapy – 1. tuhnutí – roste viskozita maltoviny

  • 2. tvrdnutí – maltovina je v pevném stavu, dále roste její pevnost a tvrdost.



Vápno



Vápno

  • Je nejstarší ze všech stavebních pojiv.

  • V současnosti - 19% stavebnictví

  • 80% jako průmyslová chemikálie v metalurgii ocelí, neželezných kovů, výroba papíru, skla.

  • „nehašené vápno“ = CaO s příměsí oxidů (MgO)

  • Příprava: tepelný rozklad přírodního vápence při teplotě větší než 800oC

  • CaCO3 + teplo –> CaO + CO2 „pálení vápna“ ve vápenkách



Vápno

  • Vápenec + koks 1:10, 20 – 32 hodin => vzdušné vápno – tuhne na vzduchu

  • Hydraulické vápno – tuhne i pod vodou

  • Před použitím do malty nebo omítky se musí nehašené vápno „hasit“.

  • CaO + H2O –> Ca(OH)2 + teplo

  • Nedostatečně vyhašené vápno je příčinou materiálových vad.

  • (vápno se spálí nebo utopí)



Vápno

  • Z hašeného vápna, písku a vody se připravují vápenné malty na zdění a omítání.

  • Při postupném tuhnutí a tvrdnutí na vzduchu probíhá reakce:

  • Ca(OH)2 + CO2 –> CaCO3 + H2O

  • Kruh chemických rovnic se tak uzavírá a konečným produktem je opět tvrdý materiál jako na začátku s rozdílem, že pevně spojuje stavební prvky.



Vápno

  • Písek se na chemické reakci přímo nepodílí, ale přispívá k pórovitosti výsledného materiálu.

  • Póry usnadňují pronikání CO2 dovnitř a H2O ven.



Beton



Beton

  • Znali už Římané – římský Pantheon postaven v letech 115 – 125 jako válcová betonová stavba zevně obložená cihlami a překrytá betonovou kupolí s průměrem 43,2 m – nebylo překonáno dalších 1300 let.

  • Podstatou tuhnutí betonu je celá řada chemických reakcí cementu s vodou.

  • Cement (v současnosti portlandský cement)

  • - je práškovitá směs řady anorganických látek, jejichž poměr se může značně lišit.



Beton

  • Rozlišují se 3 složky cementu:

  • alit – 3CaO . SiO2

  • belit – 2CaO . SiO2

  • celit – spojovací hmota s vysokým podílem železa a s krystalickým brownmilleritem

  • 4CaO . Al2O3 . Fe2O3

  • Směs těchto minerálních látek vzniká v cementárně vypálením vápence CaCO3 společně s hlínami a jíly v rotační peci při teplotě cca 1450oC.



Beton

  • Vzniklý „slínek“ se pak rozemele na jemný prášek, ke kterému se poté přidává ještě sádrovec CaSO4 .2H2O, popř. rozemletá vysokopecní struska.

  • Složky cementu reagují s vodou za vzniku tepla.

  • Reakce mohou být poměrně složité, dohromady se označují jako hydratace.

  • Po 28 dnech se beton považuje za uspokojivě tvrdý, ve skutečnosti tvrdnutí a zpevňování probíhá celá léta a vlastně nikdy nekončí.



Beton

  • Vlastní beton se připraví smícháním cementu s vodou a pískem, popř. hrubým kamenivem.

  • Optimální množství vody:

  • málo – nízká pevnost betonu,

  • mnoho – pevnost klesá, smršťování betonu,

  • optimální množství vody je cca 0,45 – 0,55

  • Beton obsahuje i určité množství vzduchu – pórovitost.



Beton

  • Parametry:

  • Vysoká pevnost v tlaku.

  • Malá pevnost v tahu.

  • Vyztužování ocelovými tyčemi, dráty, rohožemi, v současnosti i polymerní vlákna.

  • Předepjatý beton – výztuž se napne do rámu ještě před ztuhnutím betonové směsi a po dokončení ztuhnutí se opět uvolní.



Sádra



Sádra

  • Sádrová pojiva se připravují částečnou nebo úplnou dehydratací sádrovce CaSO4 . 2H2O.

  • Při teplotě 95 – 130oC přechází nerost sádrovec na polohydrát CaSO4 . ½ H2O.

  • Při 150 – 300oC na anhydrit CaSO4, který je rozpustný ve vodě.

  • Podstatou sádry je polohydrát s malým podílem anhydritu.



Sádra

  • S vhodným množstvím vody přechází sádra zpět na sádrovec, tuhne a tvrdne.

  • Výchozí krystalky hemihydrátu se rozpustí ve vodě, poté se začnou vytvářet krystalky dihydrátu, které mají oproti výchozímu nižší rozpustnost ve vodě.

  • Výsledkem je poměrně pevná struktura tvořená vzájemně propletenými krystalky.

  • Tuhnutí sádry lze zpomalit – malířský klih, mléko.

  • Urychlit – kuchyňská sůl, síran sodný.



Sádra

  • Uplatnění:

  • Stavebnictví

  • Umělecké předměty

  • Odsiřování elektráren – sádrovec – sádrokartonové desky (kompozit s vrstevnatou strukturou – kombinace papírové hmoty a sádry)



Asfalt



Asfalt

  • Všechny přírodní tuhé a tekuté uhlovodíky se zahrnují pod obecný termín „živice“.

  • Asfalt je za normální teploty tuhý, zahříváním kapalní.

  • Těží se přímo ze země – asfaltové jezero na ostrově Trinidad – přírodní asfalt.

  • Ropný asfalt – zbytek po destilaci ropy.

  • Podstatou asfaltu je směs uhlovodíků s vysokou molekulovou hmotností.



Asfalt

  • Pro vlastnosti asfaltu používaného na povrchy vozovek je důležitý poměr kameniva a pojiva.

  • Ideální struktura obsahuje hranaté částice různé velikosti propojené stejnoměrnou vrstvou asfaltového pojiva (5 – 10%), póry (2 – 5%) – důležité – při tlakovém namáhání asfalt vyplňuje póry místo aby byl vytlačován z prostoru mezi částicemi.



Asfalt

  • Novinka – asfalt plněný drcenými skleněnými střepy – využití odpadu z nevratných lahví.

  • Modifikace asfaltu odpady z PE – zvýšení pružnosti a odolnosti praskání za nízkých teplot – využití v místech vyššího dynamického namáhání – např. mostní vozovky.



Asfalt – Zikkurat v Uru – původní asfalt



Geopolymery



Co jsou geopolymery?

  • Amorfní trojrozměrné aluminosilikátové materiály s vlastnostmi podobnými keramice.

  • Jsou syntetizovány

  • a vytvrzovány při pokojové teplotě

  • a atmosférickém tlaku.



Schéma syntézy



Chemická struktura a aplikace



Aplikace

  • Nová generace materiálů, které mohou být použité čisté, s plnivy nebo vyztužujícími vlákny pro různé aplikace.

  • Automobilový a letecký průmysl, formy pro odlévání kovů, zapouzdření odpadů, dekorace, opravy budov.



Aplikace



Děkuji za pozornost.




Yüklə 445 b.

Dostları ilə paylaş:




Verilənlər bazası müəlliflik hüququ ilə müdafiə olunur ©genderi.org 2022
rəhbərliyinə müraciət

    Ana səhifə