Nauka o materiałach - wyklad 5

Nauka o Materiałach Wykład V Polikryształy II Jerzy Lis Nauka o Materiałach   Treść wykładu: Podstawowe metody otrzymywania polikryształów -  krystalizacja ze stopów  -  krystalizacja szkieł - materiały szkło-krystalicze - spiekanie proszków (jednofazowych, z fazą ciekłą, witryfikacja) - wiązanie chemiczne i  hydratacja Nauka o Materiałach Krystalizacja ze stopu   Podstawową metodą otrzymywania polikryształów jest  otrzymywanie drogą krystalizacji ze stopów Metodą ta otrzymuje się większość tworzyw metalicznych Polikryształy ze stopu otrzymuje się w warunkach  sprzyjających krystalizacji wielozarodkowej Krystalizacja we wlewku                 COS Nauka o materiałach Krystalizacja w fazie stałej Tworzywa szkłokrystaliczne   *  Szk ł o  w  zwyk ł ych  warunkach  jest  termodynamicznie  metatrwa ł e. Procesy krystalizacji s ą  bardzo wolne ze wzgl ę du na  wysok ą  lepko ść . * Sztucznie wywo ł ywana krystalizacja (katalityczna) ma na celu  otrzymanie  tworzywa  posiadaj ą cego  wy ż sz ą odporno ść mechaniczn ą * Tworzywa takie nazywamy szk ł o - ceramicznymi (dewitryfikaty,  pyroceram). Otrzymane w 1960 r. w USA - PYROCERAM Nauka o Materiałach KRYSTALIZACJA SZKŁA   Do  szk ł a  wprowadza  si ę  zarodki  heterogeniczne  powoduj ą ce  powstawanie centrów krystalizacji a) cz ą stki metali (Ag, Au, Pt, Pd) lub fluorki (0.01 - 0.15 %) b) zarodki drugiej fazy szklistej  powsta ł e wskutek likwacji Nauka o Materiałach KRYSTALIZACJA SZKŁA   II.  Obróbka cieplna najcz ęś ciej dwustopniowa dla wytworzenia zarodków  i wzrostu krystalitów Nauka o Materiałach BUDOWA TWORZYW SZKŁOKRYSTALICZNYCH - polikryszta ł y  SZKŁO-KRYSTALICZNE - faza krystaliczna - 5 do 95 % wielko ść  ziar e n 0.02 - 2 µm (nieprze ź roczyste) - porowato ść  0 % Mikrostruktura tworzywa szkłokrystalicznego Nauka o Materiałach   WŁAŚCIWOŚCI TWORZYW SZKŁOKRYSTALICZNYCH Przyk ł ady sk ł adów; SiO 2 - Al2O3 - LiO2 - z metalami szlachetnymi SiO 2 - Al2O3 - MgO z metalami lub TiO2 typu miki (o wygl ą dzie porcelany) ; 58 %SiO 2 -16% Al2O3 -12% CaO Właściwości : -Wysoka wytrzymałość, -Wyższa niż szkło odporność na pękanie -Odporność na szoki cieplne -Nieprzeźroczystość -Możliwość formowania metodami szklarskimi Podstawy teorii spiekania Nauka o Materiałach Spiekanie to podstawowy proces w technologiach otrzymywania  materiałów ceramicznych i w metalurgii proszków zachodzące podczas  operacji wypalania Spiekanie jest procesem w którym zbiór drobnych ziaren (proszek)  przekształca się w sposób trwały w lity polikryształ. Proces zachodzi w temperaturze niższej od temperatury topienia 

(…)

… ze zróżnicowania wartości potencjału
chemicznego
Zróżnicowanie to wynika głównie z różnic krzywizn powierzchni ziaren w
miejscu kontakty
Nauka o Materiałach
Podstawy teorii spiekania
Ziarno 1
Ziarno 2
Układ naprężeń w szyjce między ziarnami
Nauka o Materiałach
Podstawy teorii spiekania
Przyczyną ukształtowania się w porowatym zbiorze ziaren stanu
odpowiadającego hydrostatycznemu ściskaniu są występujące
wewnątrz tego zbioru naprężenia spiekania, których źródłem są
zakrzywione granice rozdziału: ciało stałe - gaz (por).
Modelowy układ naprężeń
spiekania – 3 ziarna
Nauka o Materiałach
Podstawy teorii spiekania
Hydrostatyczny
układ naprężeń w
spiekanym
proszku
Nauka o Materiałach
Podstawy teorii spiekania
1.
Różnice potencjału chemicznego atomów w obszarach ściskanych i
rozciąganych
∆µ= - 2γΩ/r stad dyfuzja objętościowa i po granicach ziaren
2. Różnice potencjału chemicznego atomów na powierzchni wypukłej i płaskiej
∆µ= - γΩ/r
stąd - dyfuzja po powierzchni
3. Różnice prężności par nad powierzchnią zakrzywioną i płaską
ln(p/ po) = γΩ/(kTr)
stąd - transport masy typu parowanie-kondensacja
3. Różnice aktywności chemicznej ziarn o różnej krzywiźnie w kontakcie z fazą
ciekłą
ln (a/ao) = Kγ/kTr
stąd rozpuszczanie…
…
wiązania chemicznego w temperaturach pokojowych.
Ważną grupę zajmują tworzywa otrzymywane wykorzystując
reakcje hydratacji cementu z wodą.
Przykład. Hydratacja cementu portlandzkiego.
Podstawowe składniki klinkieru cementu portlandzkiego:
Krzemian trójwapniowy 3 CaO SiO2 (C3 S) - alit (60%)
Krzemian dwuwapniowy C2S
- belit
Glinian dwuwapniowy
C3 A
Faza ferrytowa
Nauka o Materiałach
Polikryształy…
… ma charakter płynięcia lepkościowego (jak dla szkła)
przeważnie z zachodzącymi w fazie ciekłej procesami rozpuszczania i
krystalizacji.
Proces taki nosi nazwę witryfikacji (zeszklenia)
Przykład witryfikacji - otrzymywanie porcelany
Skład surowców wyjściowych:
kaolinit Al2 O3 2 SiO2 2HO
rzędu 50 %
kwarc SiO2
25 %
skalenie K2 O Al2 O3 6 SiO2
25 %
Przemiany surowców w toku wypalania porcelany
kaolin
mulit (3 Al2…
... zobacz całą notatkę