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 - Keramos  Égetett agyagból készült tárgy  Kerameia - Kerameia (fazekasság)  Kerámiák 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 geológiai- kémiai 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 Forrás: Wienerberger.hu  Égetett tetőfedő elemek (cserép)  Égetett agyag födémelemek 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  Csempék, burkolólapok, szaniterárúk  Háztartási kerámiák  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 Porlasztva szárított  Hagyományos szárítás 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 Előkészítés Szén fogadás Szén tárolás Pihentetés Nyers gyártás Szárítás Égeté s Agyag kitermelés Tárolás Gőz termelés Rakodá s Víz 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