Kémia | Anyagtudomány » Menyhárd-Szépvölgyi - Korszerű műszaki kerámiák

Korszerű műszaki kerámiák 1. Bevezetés Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék amenyhard@mail.bmehu Iroda: H épület 1. emelet; Tel: 463-3477 Vázlat  Bevezetés     Tantárgy adatok (számonkérés, részletek) Célok Csoportosítás, piaci helyzet, történet Hagyományos kerámiák     Alapanyagok Termékek, példák Szerkezet Gyártástechnológiák 2 A tantárgy részletei  VBK Műanyag- textil és Anyagtudományi szakirány (Anyagtudományi alszakirány)       Kód: BMEVEFAA601 Tantermi előadás Szerda 10-12 óra H. épület fszt Kreditpont: 2 Számonkérés  Szóbeli vizsga 3 A tantárgy vázlata  1. előadás       Porok feldolgozása és formázása 6. előadás   Szinterelés, zsugorítás Szerkezeti kerámiák 11. előadás   Funkcionális kerámiák 10. előadás   Tönkremenetel 9.

előadás   Felületi rétegek és filmek kialakítása 8. előadás  Alapanyagok és élőállítás 5. előadás   Anyagtudományi alapok 4. előadás 7. előadás  Korszerű kerámiák 3. előadás   Bevezetés, hagyományos kerámiák 2. előadás   Társított kerámia rendszerek 12. előadás  Kerámia termékek tervezése és anyagválasztás 4 Bevezetés  Az anyagválasztás problémája 5 Anyagválasztás szempontjai  Tulajdonságok       Fizikai (sűrűség) Kémiai (kémiai stabilitás) Mechanikai (szilárdság, keménység, törési ellenállás) Termikus (hővezetés, hőtágulás) Elektromos, mágneses (ellenállás, dielektromos állandó, permeabilitás) Esztétika (textúra, szín, érzés)  Költségek     Gyártási költségek (alapanyag, technológia, minőség) Beszerezhetőség (ár, piaci helyzet) Újbóli feldolgozhatóság Egyéb tényezők  

Várható élettartam (kopás, oxidáció, korrózió) Társadalmi vonatkozások (divat) 6 Melyiket válasszam??? 7 A tantárgy célja  A fenti négy tényező közötti kapcsolatrendszer bemutatása korszerű műszaki kerámiák esetében 8 A szó jelentése és eredete  Keramos  Égetett - Keramos agyagból készült tárgy - Kerameia (fazekasság)  Kerámiák  Kerameia 9 Kerámiák csoportosítása  Az alkotóelemek fajtái szerint 10 Kerámiák csoportosítása Tulajdonságok és felhasználási területek szerint   Hagyományos (klasszikus) kerámiák 11  Korszerű műszaki kerámiák Kerámiák piaci helyzete   Évi világforgalom ~ 1011 USD Értékesítési arányok       55% üvegárúk 17% korszerű műszaki kerámiák 10% fehérárúk 9% mázas porcelán 7% tűzálló anyagok 2% tégla cserép Üvegárúk Korszerű műszaki kerámiák Fehérárúk Mázas porcelán Tűzálló anyagok

Tégla, cserép 12 Korszerű műszaki kerámiák piaca   Évi világforgalom ~ 1,711 USD Értékesítési arányok       36% kondenzátorok/hordozók/burkolatok 23% egyéb elektronikai kerámiák 13% egyéb termékek 12% elektrotechnikai porcelánok 8% műszaki kerámiák 8% optikai szálak Kondenzátorok Egyéb elektronikai kerámiák Egyéb termékek Elektrotechnikai porcelánok 13 Történet, a Vestonciei Vénusz  Csehország (i.e 25000-29000)  A legrégebbi ismert kerámia tárgyak egyike   111 mm magas és 43 mm széles Relatív alacsony hőmérsékletű kiégetés  Tipikus Vénusz szobor 14 Kína és Mezopotámia   Agyagedények, tárolóedények (mezőgazdaság) I.e 3000 15 Kína    Kínai agyaghadsereg (i.e 500) Csin dinasztia, egyedi arcvonások, több mint 1500 katona Modern sorozatgyártási technika 16 Görögország  Tárolóedények, vázák (i.e 350) 17 Amerika  Inka

fej (12. század) 18 Európa  Malagai váza (14. század) 19 Európa  Dísztárgyak, rokokó csésze (19. század) 20 Magyarország, Olaszország   Gubbió, Zsolna (19. század) Eozinmáz      Eredetileg a gubbioi porcelán titka de Wartha Vince és Zsolnai Vilmos rekonstruálta a folyamatot a Zsolnay üzemben Türkizkék, átlátszó ólommentes máz Színes- és nemesfémeket tartalmazó sűrű máz felvitele, majd kiégetés (reduktív közegben) A massza lemosása Nagyon vékony színréteg, vékonyréteg interferencia (szappanbuborék) 21 Zsolnay  Budapest: Iparművészeti Múzeum Kecskemét: Cifra palota  Pécs: Postapalota 22 Magyarország  Herend (20. század közepe)  Kézi festés  Modern gyártási technológia  Sablongyártás 23 Modern alkalmazások  Téglaépület, tetőcserép, szaniterek (21. századtól) 24 Hagyományos kerámiák  Agyagásványból álló kőzetek

 Vízzel összekeverve formázhatók 25 Agyagásványok I.   Elsődleges üledékes kőzetek, pl. földpátok geológiaikémiai öregedése során alakulnak ki Földpátok: vízmentes alkáli-, vagy mész-alumíniumszilikát      Nátronföldpát, kalciumföldpát, káliföldpát Ritkán fordulnak elő tiszta formában többnyire izomorf elegykristályos formában léteznek NaAlSi3O8-KAlSi3O8-CaAl2Si2O8 A legfontosabb ásványcsoport, mert a földkéreg 60-65%-át ez a csoport alkotja. Nagy mennyiségben áll rendelkezésre 26 Agyagásványok II.  Alumínium-hidroxi-szilikát    xAl2O3· ySiO2· zH2O Kristályos, rétegrács szerkezetű anyagok Fém szennyezőkkel tiszta kristályokat alkot  Tanzanit: Ca2Al3(SiO4)(Si2O7)O(OH) 27 Agyagásványok típusai  Egydimenziós agyagásványok  Láncszerkezetűek  Kétdimenziós agyagásványok  Atomkötegekből kialakuló rétegkomplexumok   1:1, 2:1, 2:2

típusok Amorf agyagásványok 28 Rétegkomplexumok típusai 29 Kötéstípusok jellemzői 30 Agyagásványok, példák  Kaolinit (Gaoling – nagy domb, Kína)  Al2O3· 2SiO2· H2O 31 Kaolinit szerkezet   SiO4 tetraéderek Koordinációs szám 4 32 Kaolinit kristályszerkezete  A tetraéderek kapcsolódása: atomkötegek 33 Kaolinit kristályszerkezete   AlO6 oktaéderek Koordinációs szám: 6 34 Kaolinit kristályszerkezete  1:1 típusú rétegszilikát 35 Pirofillit   2:1 típusú rétegszilikát Al2O3· 4SiO2· H2O 36 Hagyományos kerámiatermékek  Tégla- és cserépipari termékek  Tűzálló ipari termékek  Finomkerámia ipar termékei 37 Tégla és cserépipar     Égetett agyag falazóelemek (tégla) Keménytéglát Égetett tetőfedő elemek (cserép) Égetett agyag födémelemek Forrás: Wienerberger.hu 38 Tűzállóanyag ipar  Alkalmazás szerint

   Kazánok, hőkezelő kemencék bélései Égetési segédanyagok Öntészeti eszközök  Tűzállóság szerint    Tűzálló (1500-1770 °C) Nagy tűzállóságú elemek (1771-2000 °C) Igen nagy tűzállóságú elemek (>2000 °C) 39 Finomkerámia ipar termékei  Építési kerámiák   Háztartási kerámiák   Csempék, burkolólapok, szaniterárúk Porcelán dísztárgy, porcelán edény, majolika Műszaki kerámiák  Porcelán szigetelők, őrlőtestek, ellenállástestek, csiszolószerszámok, elektronikai kerámiák 40 Hagyományos kerámiák  Gyártástechnológiák 41 Anyag előkészítés   Kitermelés Aprítás  Homogenizálás, feltárás segítése, szennyezők eltávolítása, a technológiai igényeknek megfelelő morfológia (szemcseméret, alak) biztosítása  Osztályozás, szárítás  Homogenizálás, massza készítése 42 Aprítás  Két fokozat   

Törés (cm-mm) Őrlés (mm-μm) Energia bevitel   Egymáshoz képest elmozduló őrlőszerszámok (pofás-, kúpos-, hengeres törők, golyósmalmok) Aprítandó test mozgási energiája (kalapácsos és röpítő törő, röpítő malom, sugármalom, vibrációs malom) 43 Aprítás  Őrlés    Száraz Nedves (szárítást igényel) Őrlőberendezések összevetése   Forgódobos őrlés Vibrációs őrlés 44 Bázikus téglasajtoló massza szemcsemérete 45 Mn-Zn ferrit szuszpenzió szárítása  Porlasztó szárító por  Hagyományos szárítás Porlasztva szárított 46 Tűzálló anyagok kombinált előkészítése  Soklépéses folyamat  Nagy berendezéseket igényel 47 Formázási eljárások  Fajták 48 Egytengelyű száraz sajtolás  Az összenyomott szemcsére ható erők  Technológiai fázisok 49 Egytengelyű száraz sajtolás  A tömörséget a kiindulási por

szemcsemérete határozza meg 50 Egytengelyű száraz sajtolás  Következmények   Egyenlőtlen sűrűség, mikroszerkezet Helyfüggő tulajdonságok 51 Izosztaikus sajtolás      Az alappor betöltése (a) Forma lezárása (b) Forma behelyezése (c) Sajtolás Tömör test kiemelése 52 Szalagöntés: doctor-lap eljárás  Többrétegű lapok is önthetők 53 Finomkerámiai termékek gyártása  Alapanyag előkészítés és formázás 54 Szárítás  Agyagból formázott idomok térfogatváltozása szárításkor 55 Égetés  Magas hőmérséklet (600-1200 °C)   Atmoszféra szerint lehet redukáló vagy oxidáló A kiégetett kerámia színe nagymértékben befolyásolható   Oxidáló égetés – vörös szín Redukáló égetés – fekete, szürke, barna vagy sárga  Fizikai, kémiai és mikroszerkezeti változások  A végső tulajdonságok kialakítása  A végső forma

rögzítése 56 Kétalkotós fázisdiagram felvétele  Fázisdiagram Hűlési görbék 57 Kétalkotós elegy fázisdiagramja Eutektikus pont 58 Kétalkotós elegy fázisdiagramja  A valóság: krisztoballit (SiO2) – mullit (3Al2O3· 2SiO2) – korund (α-Al2O3) 59 Kétalkotós fázisdiagram modellezése 60 Háromalkotós elegy fázisdiagramja 61 Háromalkotós elegy fázisdiagramja       Krisztoballit – SiO2 Tridimit – SiO2 Wollasztonit – CaO· SiO2 Mullit – 3Al2O3· 2SiO2 Anortit – CaO· Al2O3· 2SiO2 Gehlenit – 2CaO· Al2O3· SiO2 62 Égetőkemencék  Aknakemence  Korszerű alagútkemence 63 Téglaégető alagútkemence    Előmelegítő zóna (A) Égetőzóna (B) Hűtőzóna (C)      1. kocsi 2. zsilipkamra 3. füstgázelszívó 4. füstgáz keringtető 5. füstgázelszívás vezetéke    6. égetőnyílások 7. hűtőlevegő elszívó 8. hűtőlevegő

befúvó 64 Fajlagos hőfogyasztások  * 1 kg víz eltávolításának energiaigénye 65 Porleválasztás  A különböző méretű szemcsék elválasztási technikái 66 Tégla- és cserépgyártás folyamatábrája  Sematikus diagram Agyag kitermelés Előkészítés Pihentetés Nyers gyártás Szárítás Égeté s Gőz termelés Rakodá s Víz Szén tárolás Tárolás Szén fogadás 67 Finomkerámia termékek gyártása Formázás Szárítás Rakodá s Víz Massza készítés Tárolás Tüzelőanyag (gáz) Előkészítés Égeté s Nyersanyag fogadása Agyag Kaolin Kvarc Földpát 68 Burkolólap készítése  Bonyolult ipari folyamatok 69