ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Κρυσταλλικά κεραμικά πλακίδια θερμικής προστασίας

Κεραμικές ύαλοι (άμορφα υλικά) κοινής χρήσης

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ

Ο όρος κεραμικό προέρχεται από την αρχαία Ελληνική γλώσσα, όπου σήμαινε

την «εψημμένη γη». Δηλαδή με τον όρο αυτό εννοούνταν προϊόντα που

προέκυπταν από την επίδραση υψηλής θερμοκρασίας (φωτιάς) πάνω σε

πρώτες ύλες που καταρχήν λαμβάνονταν από την επιφάνεια της γης (χώμα)

και κατόπιν μορφοποιούνταν έτσι ώστε να πάρουν το σχήμα κάποιου

αντικειμένου.

Τέτοιο ειδικό χώμα είναι η άργιλος και η κατάλληλη ιδιότητα είναι η

«πλαστικότητα», δηλαδή η ικανότητά της όταν αναμιχθεί στην κατάλληλη

αναλογία με νερό, να σχηματίσει μια πλαστική μάζα (πηλό) η οποία να μπορεί

να δουλευτεί (με εργαλεία είτε ακόμη και με τα χέρια) και να πάρει το

επιθυμητό σχήμα του αντικειμένου προς κατασκευή.

Το αντικείμενο αυτό με το ψήσιμο αφυδατώνεται και «σκληραίνει», γίνεται

δηλαδή συνεκτικό και συμπαγές.

Δεν είναι όμως οποιοδήποτε χώμα κατάλληλο για μορφοποίηση : χρειάζεται

«ειδικό χώμα» με κατάλληλες ιδιότητες.

Τα κεραμικά μπορούν να ορισθούν σαν ανόργανα, μη-μεταλλικά στερεά υλικά που παράγονται με θερμική κατεργασία και που αποτελούνται από τουλάχιστον ένα μέταλλο και ένα μη-μεταλλικό στερεό στοιχείο ή ένα αμέταλλο, ή από συνδυασμό τουλάχιστον δύο μη-μεταλλικών στερεών στοιχείων, ή από συνδυασμό τουλάχιστον δύο μη-μεταλλικών στερεών στοιχείων και ενός αμετάλλου.

«ΟΡΙΣΜΟΣ» ΤΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

ΑΤΟΜΙΚΟΙ ΔΕΣΜΟΙ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ (μικτοί ετεροπολικοί - ομοιοπολικοί δεσμοί)

Μοριακός δεσμός (άθροισμα αντιθέτως δρώντων μεγεθών): • Ηλεκτραρνητικότητα, δηλ. δύναμη έλξης ηλεκτρονίων από τον πυρήνα • Ικανότητα «μοιράσματος» ηλεκτρονίων σθένους

Ιοντικός χαρακτήρας (Ρ): P = 16 (XA – XB) + 3.5 (XA-XB)2

ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Άμορφα κεραμικά Ύαλοι

Κρυσταλλικά κεραμικά

ΜΙΚΡΟΔΟΜΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ

Ελεγχόμενη κρυστάλλωση υάλων

Υαλοκεραμικά υλικά

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΦΑΣΕΩΝ

ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ ΙΣΟΡΡΟΠΙΑΣ ΦΑΣΕΩΝ

«Παραδοσιακά» Κεραμικά : Χρησιμοποιούνται σε «παραδοσιακές» χρήσεις Χρησιμοποιούν φυσικές (ορυκτές) πρώτες ύλες

ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ

«Ορισμός» (1993 Versailles Project on Advanced Materials and Standards (VAMAS)) : “An Advanced Ceramic is an inorganic, non-metallic basically crystalline material of rigorously controlled composition and manufactured with detailed regulation from highly refined and/or characterized raw materials giving precisely specified attributes”

•Σύμφωνα με τα παραπάνω τα Προηγμένα Κεραμικά : •Είναι «βασικά» κρυσταλλικά

•Η μικρο-δομή τους (μέγεθος κόκκων, πόροι, είδος και κατανομή φάσεων κλπ.) είναι σε υψηλό βαθμό «σχεδιασμένη» (engineered)

•Χαρακτηρίζονται από μοναδικές και εξαιρετικές ιδιότητες

ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ

Προηγμένα Κεραμικά : Κατασκευάζονται με αυστηρές προδιαγραφές από πρώτες ύλες υψηλής καθαρότητας που συντίθενται τεχνητά, οι οποίες και τους προσδίδουν ειδικές ιδιότητες. Χρησιμοποιούνται σε εξειδικευμένες χρήσεις

ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ ΚΕΡΑΜΙΚΑ

Οξείδια : Al2O3, ZrO2, BaTiO3, YBa2Cu3O7, 2SiO2×3Al2O3 κλπ. Καρβίδια : SiC, TiC, TaC, WC, B4C κλπ. Νιτρίδια : Si3N4, AlN, TiN, TaN, ΒΝ κλπ. Βορίδια, σουλφίδια, πυριτίδια :TiB2, MoSi2 κλπ. Σύνθετα Κεραμικά : …...κλπ.

ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΕΣ «ΟΙΚΟΓΕΝΕΙΕΣ» ΠΡΟΗΓΜΕΝΩΝ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ

Σε αντίθεση με τα μέταλλα και τα πλαστικά που συνήθως τήκονται και κατόπιν χυτεύονται στα επιθυμητά σχήματα, η παραγωγή κεραμικών αντικειμένων έχει να αντιμετωπίσει δύο μεγάλα εγγενή προβλήματα των κεραμικών :

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ

το πολύ υψηλό σημείο τήξεώς τους

Με την εξαίρεση των γυαλιών, ελάχιστα κεραμικά μορφοποιούνται από το αντίστοιχο τήγμα τους – οι απαιτούμενες θερμοκρασίες είναι απαγορευτικά υψηλές

την ευθραυστότητά τους

ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΤΗΞΗΣ / ΥΑΛΩΔΟΥΣ ΜΕΤΑΠΤΩΣΗΣ

ΓΕΝΙΚΟ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑ ΡΟΗΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ

ΟΡΥΚΤΕΣ ΠΡΩΤΕΣ ΥΛΕΣ

ΑΛΕΣΗ

ΑΝΑΜΙΞΗ

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ

ΞΗΡΑΝΣΗ

ΕΨΗΣΗ

ΦΙΝΙΡΙΣΜΑ

ΣΥΜΠΑΓΕΣ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ

ΤΕΛΙΚΟ ΠΡΟΙΟΝ

ΣΥΝΘΕΣΗ ΠΡΩΤΩΝ ΥΛΩΝ

ΑΛΕΣΗ

ΑΝΑΜΙΞΗ

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ

ΞΗΡΑΝΣΗ

ΕΨΗΣΗ

ΦΙΝΙΡΙΣΜΑ

«ΠΑΡΑΔΟΣΙΑΚΑ»ΚΕΡΑΜΙΚΑ «ΠΡΟΗΓΜΕΝΑ» ΚΕΡΑΜΙΚΑ

«ΩΜΟ» ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΟ

Οι κόνεις καταρχήν υπόκεινται σε άλεση (μείωση μεγέθους) και ανάμιξη

Tο σημείο εκκίνησης είναι συνήθως λεπτές κόνεις (φυσικές ή τεχνητές)

Το «ωμό» κομμάτι υπόκειται καταρχήν σε ξήρανση και κατόπιν σε έψηση για να μετατραπεί στο τελικό, πυκνό και συμπαγές αντικείμενο.

Στη συνέχεια οι κόνεις μορφοποιούνται σε διάφορα σχήματα. Από το στάδιο της μορφοποίησης δημιουργείται το λεγόμενο «ωμό» κομμάτι (green body), δηλαδή ένα αντικείμενο με το σχήμα του τελικού, συνήθως μεγαλύτερων διαστάσεων καθώς λαμβάνεται υπόψη η αναμενόμενη συρρίκνωση κατά την έψηση)

ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΑΝΤΙΚΕΙΜΕΝΩΝ

Οποιεσδήποτε ατέλειες εμφανισθούν στο «ωμό» αντικείμενο (μικρο-ρωγμές, ανομοιογένειες, υπερβολικά μεγάλοι κόκκοι κλπ.) θα ενισχυθούν κατά το επακόλουθο στάδιο της έψησης υποβαθμίζοντας την ποιότητα του τελικού αντικειμένου.

Ετσι το «ωμό» αντικείμενο πρέπει να έχει ομοιογένεια και μηχανική αντοχή ώστε να μην ρωγματώνεται η θρυμματίζεται με την παραμικρή καταπόνηση.

ΠΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ

Όλη η παραδοσιακή κεραμική βιομηχανία στηρίζεται στην ιδιότητα ορισμένων ορυκτών πρώτων υλών να παρουσιάζουν "πλαστικότητα"

Όταν κατόπιν η μάζα ξηρανθεί η ικανότητά της για παραμόρφωση χάνεται και το αντικείμενο γίνεται σκληρό και εύθραυστο.

"Πλαστικότητα" σημαίνει πρακτικά ότι με την προσθήκη κατάλληλης ποσότητας νερού μπορεί η μάζα του υλικού όταν εφαρμόσουμε κάποια πίεση να παραμορφωθεί χωρίς να σπάσει. Όταν πάψει η πίεση η μάζα διατηρεί το νέο της σχήμα.

Το αντικείμενο αυτό με το ψήσιμο αφυδατώνεται και «σκληραίνει», γίνεται δηλαδή συνεκτικό και συμπαγές.

ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ

ΕΨΗΣΗ

ΞΗΡΑΝΣΗ

ΘΕΡΜΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

k = k0(1-P)

ΗΛΕΚΤΡΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ

Γενικά: κακοί αγωγοί της θερμότητας, αλλά:

• Τα καρβίδια, νιτρίδια και βορίδια των: W, V, Nb, Cr, Co

ΚΑΛΟΙ ΑΓΩΓΟΙ

• Μεταπήδηση ηλεκτρονίων μεταξύ ενεργειακών

σταθμών ενέργειας AsGe, SiC ΥΠΕΡΑΓΩΓΙΚΟΤΗΤΑ

• Ορισμένα έχουν πιεζοηλεκτρικές ιδιότητες ή

φερροηλεκτρική συμπεριφορά

• Από τις αλλοτροπικές μορφές του άνθρακα: γραφίτης

αγωγός/ διαμάντι μονωτής

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

1. ΣΚΛΗΡΟΤΗΤΑ

Ορίζεται με διαφορετικό τρόπο απ’ ό,τι στα μεταλλικά υλικά, λόγω ελαστικής μηχανικής συμπεριφοράς (και όχι ελαστοπλαστικής)

Γενικά, υψηλή σκληρότητα, υψηλό μέτρο ελαστικότητας, χαμηλή δυσθραυστότητα, λόγω των ισχυρών ομοιοπολικών/ ετεροπολικών ατομικών δεσμών

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

2. ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ – ΣΤΙΒΑΡΟΤΗΤΑ

Μέτρο ελαστικότητας κεραμικών >> μέτρου ελαστικότητας μετάλλων

Μέτρο ελαστικότητας κεραμικών ανεξάρτητο του χρόνου φόρτισης, όπως συμβαίνει στα πολυμερή

Μέτρο ελαστικότητας κεραμικών επηρεαζόμενο ισχυρά από το πορώδες (Ρ) του υλικού:

Ε = Ε0 1 − 1,9Ρ + 0,9Ρ2

Μηχανική αντοχή των κεραμικών επηρεαζόμενη ισχυρά από το πορώδες (Ρ) του υλικού:

𝜎𝑟 = 𝜎𝑡ℎ 0𝑒−𝑛𝑃

n: από 4 έως 7

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

3. ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΕΦΕΛΚΥΣΜΟ - ΘΛΙΨΗ

Παράδειγμα: τσιμέντο

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

4. ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑ / ANTOXH - ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

5. ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

Υπερτερούν των υπολοίπων υλικών (ενίσχυση κεραμικών ινών), λόγω του συνδυασμού υψηλού μέτρου ελαστικότητας και χαμηλής πυκνότητας

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

6. ΕΙΔΙΚΟ ΜΕΤΡΟ ΕΛΑΣΤΙΚΟΤΗΤΑΣ

Υπερτερούν των υπολοίπων υλικών (ενίσχυση κεραμικών ινών), λόγω του συνδυασμού υψηλού μέτρου ελαστικότητας και χαμηλής πυκνότητας

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

8. ΘΡΑΥΣΗ

Θραύση: Ο διαχωρισμός ενός αντικειμένου σε περισσότερα τεμάχια, ως αποτέλεσμα της εφαρμογής μηχανικής φόρτισης (: επιβολής εφελκυστικών, θλιπτικών, διατμητικών τάσεων ή/ και στρεπτικών φορτίων)

Σταθερή διάδοση προϋπαρχουσών ρωγμών, που οδηγεί σε μείωση της ολικής ενέργειας του συστήματος (θερμοδυναμική προσέγγιση)

Ψαθυρή θραύση τύπου Ι: μηδενική πλαστική παραμόρφωση του υλικού

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

8. ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ – ΘΕΩΡΙΑ GRIFFITH (1921)

Θραύση στερεού: μείωση ολικής ελεύθερης ενέργειας του συστήματος

Ανάπτυξη ρωγμής κατά dα:

• Αύξηση επιφανειακής ενέργειας ανά μονάδα μήκους υλικού, λόγω

δημιουργίας νέων επιφανειών Us = 4αγ (επιβράδυνση διάδοσης της ρωγμής)

• Αύξηση ελαστικής ενέργειας ανά μονάδα μήκους υλικού, λόγω χαλάρωσης

ατομικών δεσμών πέριξ του επιπέδου θραύσης

(επιτάχυνση διάδοσης της ρωγμής)

22elU

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

8. ΘΡΑΥΣΤΟΜΗΧΑΝΙΚΗ – ΘΕΩΡΙΑ GRIFFITH (1921)

Συνολική μεταβολή ελεύθερης ενέργειας συστήματος:

Utot = Us - Uel = 4αγ -

22

Κρίσιμο μήκος ρωγμής α* Αυθόρμητη διάδοση ως τη θραύση

Τάση θραύσης: σημείο μέγιστης τιμής της μεταβολής της ελεύθερης ενέργειας

2

0

)4(

0

22

Ftot

d

d

d

dUΕξίσωση Griffith

Δυσθραυστότητα υλικού: Gc = 2γ (από εξίσωση Griffith) ή Gc = σρε (από την καμπύλη σ-ε του υλικού)

Κρίσιμος συντελεστής έντασης τάσης: Κc = * Fc YEG

Όπου: Υ, ο συντελεστής γεωμετρίας δοκιμίου & α*: κρίσιμο μήκος ρωγμής

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

9. ΔΥΣΘΡΑΥΣΤΟΤΗΤΑ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ – ΔΟΚΙΜΗ VICKERS

Συντελεστής έντασης τάσης στα κεραμικά:

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

10. ΑΝΤΟΧΗ ΣΕ ΘΕΡΜΙΚΟΥΣ ΑΙΦΝΙΔΙΑΣΜΟΥΣ

Μέγιστη διαφορά θερμοκρασίας που μπορεί να επιβληθεί στο υλικό, χωρίς αυτό να αστοχήσει

𝜎𝑚𝑎𝑥 =𝐸𝛼ΔΤ

1 − 𝑣

Αν σmax < μηχανικής αντοχής, δεν έχουμε θραύση

ΔΤc=𝜎𝑠𝑡𝑟(1−𝑣)

𝐸𝑎

Αλουμίνα

ΚΕΡΑΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ – ΜΗΧΑΝΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΚΑΙ ΣΥΜΠΕΡΙΦΟΡΑ

11. ΕΡΠΥΣΜΟΣ

RT

QKK cnn

s exp2

.

1