1. Kerámiák Kerámiák szerepe és perspektívái a mérnöki gyakorlatban A földkéregben előforduló elemek egy részének kémiai állapota olyan, hogy mint vegyületek, kerámiának minősülnek. Kerámia: kristályos, szervetlen nemfémes jellegű anyag. A mérnöki gyakorlat által felhasznált műszaki kerámiák azonban nagymértékben átalakított anyagok.

Kerámiák Kerámia: a szó eredete: keramos  fazekasföld fazekas ősi foglalkozás: agyagedények, kőedények a későbbiekben: porcelántárgyak üvegedények, építőanyagok tűzálló anyagok Korszerű műszaki kerámiák: megfelelő angol elnevezés: advanced technical ceramics structural ceramics high performance ceramics úgynevezett tradicionális kerámiák

Kerámia:fém tulajdonságarány A kerámiák és fémek tulajdonságainak összevetése Tulajdonság Korszerű kerámia Fém Kerámia:fém tulajdonságarány Alakíthatóság Nagyon kicsi Nagy (0,001-0,01):1 Sűrűség Kicsi 0,5:1 Törési szívósság (0,0-0,1):1 Keménység (3-10):1 Hőtágulás (0,1-0,3):1 Hővezető-képesség (0,05-0,2):1 Elektromos ellenállás (100-1000):1

Néhány példa kerámia alkatrészek felhasználásából származó előnyökre Alkalmazás Előny Kerámiai anyagok Hűtés nélküli, kis teljesítményű dízelmotor A fajlagos üzemanyag-fogyasztás 10-15%-kal csökken ZrO2, Si3N4, SiC, Al2O3, Al2TiO5 Nagyteljesítményű adiabatikus dízelmotorok A fajlagos üzemanyag-fogyasztás 20%-kal csökken Kisteljesítményű gázturbinák autókhoz A fajlagos üzemanyag-fogyasztás 27%-kal csökken Si3N4, SiC, Li-Al-szilikátok Rúdkovácsoló kemencék rekuperálása Fajlagos energia-felhasználás 41%-kal csökken SiC Szürke nyersvas megmunkálása A termelékenység 220%-kal nő Si3N4, SIALON Rézdróthúzás A termelékenység 200%-kal nő ZrO2

A korszerű műszaki kerámiák piaci helyzete Alkalmazási terület Forgalom 1987 (106 USD) Forgalom 2000 (106 USD) Elektromángenes eszközök (nyomtatott áramköri elemek, termisztorok, varisztorok, félvezetők, mágneses anyagok, kondenzátorok, gyújtógyertyák, stb.) 8170 31720 Szerszámok, mechanikai eszközök (szerszámok, szuperkemény alkatrészek, kopásálló anyagok, stb.) 1110 5540 Hőtechnikai eszközök (magas hőmérsékleten kopásálló és korrózióálló anyagok, stb.) 450 4170 Vegyipari eszközök és biokerámiák (érzékelők, katalizátorok, biokerámiák, stb.) 680 4970 Optikai eszközök (optikai szálak, egyéb optikai eszközök) 1020 7890 Egyéb alkalmazások (szupravezetők, stb.) 220 5120 Mesterséges gyémánt 900 5480 Összesen 12550 64890

Nem oxidos, nagy teljesítményű különleges kerámiák alapanyagai Felhasználási területek Anyag megnevezése 1. Szerkezeti kerámiák 1.1 A fémfeldolgozás vágó- és alakítószerszámai pl. vágólapkák, szálhúzógyűrűk, terelőgörgők, hengerek Szilícium-nitrid Titán-karbid Titán-nitrid Titán-borid 1.2 Motorkerámiák: pl. dízel izzítógyertyák, dízel előégetőkamrák, turbótöltők, szelepek Szilícium-karbid 1.3 Kohászat és gyártástechnológia elemei: pl. tégelyek, elpárologtatók, golyósmalmok, hőcserélők Alumínuim-nitrid Bór-nitrid 1.4 Kopó alkatrészek: pl. szivattyútömítések, forgórészek, homokszóró, fúvókák, golyóálló mellények Bór-karbid

Felhasználási területek Anyag megnevezése 1.5 Precíziós gépalkatrészek: pl. golyóscsapágyak, turbinalapátok, géporsók, idomszerek Szilícium-nitrid Szilícium-karbid 2. Elektrokerámiák 2.1 Szubsztrátok integrált áramkörökhöz Alumínium-nitrid Alumínium-karbid 2.2 Mágnesfejek Titán-karbid 2.3 Szenzorok, gyújtók Cirkon-borid Titán-nitrid 2.4 Ellenállások Króm-nitrid Lantán-hexaborid 3. Különleges tűzálló anyagok pl. kádbélések, csapolónyílások, befúvatólándzsák porlasztói 4. Élkerámiák Bór-karbid Bór-nitrid Titán-nitrid, gyémánt

Kovalens kötés - elektronpárok létesítik a kötést (XA, XB ~ ≥ 2,1), - kohéziós energia nagy (pl.: C, Si, Ge), - irányított jelleg (pl. C-H4).

A kötések nem tisztán ionos, kovalens vagy fémes, hanem kevert jellegűek is lehetnek:

A kerámiákban előforduló kötéstípusok: ionos kötés kovalens kötés A kerámiákban előforduló alapvető kristályszerkezetek:

Rácshibák:

Diszlokációk:

A mikroszerkezet

Kerámiák termikus stabilitása

A kerámiák mechanikai tulajdonságai

A kerámiák mechanikai tulajdonságai

A kerámiák optikai tulajdonságai Mivel dielektrikumok, az elektromágneses hullámokat a látható fény tartományában általában nem abszorbeálják, ezért optikai felhasználásuk jelentős (lencsék, szűrők, prizmák, ablaküvegek). Az abszorpciós tényező frekvenciafüggése különböző anyagokban: abszorpció kis hullámhosszú tartományban: az elektronok átgerjesztése másik (vezető) sávba abszorpció nagy hullámhosszú tartományban: rácsvibráció

A kerámiák elektromos vezetőképessége Az elektromos vezetés mechanizmusa különböző anyagokban: fémek, félvezetők, szigetelők:

A kerámiák elektromos ellenállása