NANOMATERIAŁY CERAMICZNE – WYKŁAD 4
Przy produkcji cegieł po uformowaniu i spiekaniu otrzymuje się gotowy fazowy produkt, charakteryzujący się dużymi rozmiarami ziaren. W jego skład wchodzi mulit (Al2O3 * SiO2) i SiO2. W temp spiekania (1000st.C) mulit wytrąca się w postaci drobnych kryształów w osnowie bezpostaciowej krzemionki.
Konsekwencją zróżnicowania rozmiaru ziaren w ceramice tradycyjnej i inżynierskiej są różnice w wytrzymałości na zginanie .
W przypadku materiałów 3-wymiarowych termin ziarno nie jest pojęciem wystarczająco dobrym. Stosuje się wtedy pojęcie krystalitu. Jest to obszar koherentnie(spójnie) rozpraszający promieniowanie rentgenowskie. Świadczy to o wysokim stopniu uporządkowania ziaren krystalitu w obrębie krystalitu. Kilka krystalitów zrośniętych w nieporowaty zespół to aglomerat. Wytrzymałość aglomeratu:
PC = 9/8 * (1 – Vp)*Vp * Fk * d^2 , Vp - udział objętościowy porów, d – rozmiar ziarna
Metody badania mikro- i nanostruktury:
Kluczowa rola badań mikrostruktury i morfologii powierzchni
Mikroskopia optyczna
Dyfrakcja promieni rentgenowskich
Dyfrakcja neutronów
TEM (transmisyjna mikroskopia elektronowa)
SEM
AFM
Na początku XX w. poznano zjawiska oddziaływania elektronów z materią i dzięki temu zbudowano TEM, mikroskopy elektronowe i SEM. Ich rozdzielczość jest ograniczona długością fali elektromagnetycznej. Uzyskują one rozdzielczości TEM – 0,5 um SEM – 2 um (mikrometry).
Mikroskopy elektronowe dostarczają informacji o składzie chemicznym powierzchni, wykorzystując zjawiska oddziaływania elektronów z powierzchnią (X-ray dyfrakcja, katodo luminescencję). W IBM powstał pierwszy AFM.
Wady strukturalne ceramiki:
Pory (przeciętnie ok. 20%) – działają jak koncentratory naprężeń, osłabiając całą strukturę. Redukcję poziomu naprężeń można osiągnąć przez ograniczenie liczby porów i ich zaokrąglenie. Ze względu na dużą wrażliwość cieplną w mikrostrukturze powstają mikropęknięcia na granicy ziaren. Powstają one w trakcie procesu technologicznego lub eksploatacji na skutek różnicy rozszerzalności cieplnej i (lub) różnicy modułów sprężystości pomiędzy krystalitami różnych faz.
Mikrostruktura amorficzno-krystaliczna jest zbudowana z krystalitów otoczonych fazą amorficzną (szkło). Udział objętościowy fazy amorficznej decyduje o wytrzymałości gotowego wyrobu. Gdy fazy szklistej jest za mało, to spojenie jest słabe. Natomiast, gdy jest jej za dużo – deformacja wyrobu lub całkowite jego stopienie. Ceramika o postaci amorficznej czy nieuporządkowanej jest często nazywana szkłem. Powstaje przy szybkim chłodzeniu cieczy (przyjmuje kształt naczynia). Podczas szybkiego chłodzenia ze szkła nie wydziela się ciepło krystalizacji, dlatego jego energia jest wyższa od stanu krystalicznego. W trakcie podgrzewania i wygrewania może następować częściowa lub całkowita krystalizacja układu. Połączonie dwóch różnych rodzajów lub faz ceramiki (tej samej) powoduje otrzymanie kompozytu, który może przybierać różną mikrostrukturę, której fazy są ułożone warstwowo (jedna w osnowie drugiej, lub krystality różnych faz są rozmieszczone w sposób przypadkowy).