WZMACNIANIE CERAMIKI Ceramika wypalana i szkło z natury są kruche, posiadają stosunkowo niską wytrzymałość na zginanie i kruche pękanie. Czy można te tworzywa wzmocnić nadając im wyższe parametry wytrzmałościowe?

WZMACNIANIE CERAMIKI

Ceramika wypalana i szkło z natury są kruche, posiadają stosunkowo niską wytrzymałość na zginanie i kruche pękanie.

Czy można te tworzywa wzmocnić nadając im wyższe parametry

wytrzmałościowe?

CERAMIKA WYPALANA

• Wytrzymałą mechanicznie ceramikę

możemy uzyskać poprzez odpowiednio zaprojektowany skład chemiczny oraz

uzyskanie odpowiedniej tekstury produktu – drobnoziarnistość, brak porowatości,

wysoki stopień zagęszczenia

CERAMIKA WYPALANA

CERAMIKA WYPALANA

Wzmacnianie poprzez odpowiedni skład chemiczny i fazowy:

• obecność związków o przewadze wiązania kowalencyjnego ()węglik krzemu, azotki boru, krzemu i inn.)

• Mulityzacja

Sterowanie teksturą:

• frakcja drobno- a nawet nano-ziarnowa

• prasowanie na gorąco (hot-pressing)

METODY PODWYŻSZANIA MECHANICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI SZKIEŁ TLENKOWYCH

• Modyfikacja powierzchni szkła:Modyfikacja powierzchni szkła:

- Metody chemiczne (trawienie): usuwanie uszkodzeń (defektów) powierzchniowych;

- Wzmacnianie termiczne („hartowanie” d 2 mm;  45x10^-7oC^-1): w warstwie powierzchniowej „zamrożona” mniej ustabilizowana

struktura^, strefa naprężeń ściskających;

- Wzmacnianie chemiczne (wymiana jonów alkalicznych z warstwy powierzchniowej na mniejsze lub większe): generowanie naprężeń ściskających w warstwie powierzchniowej;

- Powierzchniowa krystalizacja: tworzenie powierzchniowej warstwy krystalicznej o niskim współczynniku rozszerzalności: generowanie naprężeń ściskających w warstwie powierzchniowej;

METODY PODWYŻSZANIA MECHANICZNYCH WŁAŚCIWOŚCI SZKIEŁ TLENKOWYCH

• Modyfikacja szkła w objętości:

- Krystalizacja objętościowa;

- Wzmocnienie objętościowe poprzez:

rozproszenie odpowiednich cząstek, wywołanie

przemian fazowych (ZrO2), wzmacnianie włóknami,

„wiskersami”, tworzenie struktur warstwowych (laminaty)

Hartowanie szkła

Wprowadzenie do szkła naprężeń trwałych

Specjalna obróbka termiczna:

nagrzanie szkła do temperatury bliskiej mięknięcia

szybkie ochłodzenie za pomocą wymuszonej konwekcji ciepła

Hartowanie szkła

Teorie hartowania:

Zakres transformacji t_d – t_g (lg 14,5-13)

powyżej temperatury transformacji t_g szkło jest plastyczne i wewnętrzne naprężenia

zanikają natychmiast

poniżej temperatury t_d szkło jest sprężyste i naprężenia wewnętrzne nie ulegają relaksacji

naprężenia trwałe powstają w zakresie t_d-t_g i w tym też zakresie mogą ulegać relaksacji

Hartowanie szkła

Efekt wzmocnienia szkła hartowanego

charakterystyczny rozkładu naprężeń termicznych:

warstwy wewnętrzne - stanowią strefę naprężeń rozciągających

warstwy zewnętrzne – strefę naprężeń ściskających

Hartowanie szkła

Rozkład naprężeń w szkle płaskim podczas obustronnego ochładzania szkła

Stopień zahartowania szkła  (różnica dróg optycznych nm/cm lub rzędów/cm Rz/cm;

1Rz=540nm) w środkowej warstwie płyty dla x = 0

Hartowanie szkła

Właściwości szkła po zahartowaniu:



wytrzymałości mechanicznej( wytrzymałość na rozciąganie: szkło niehartowne 100MPa;

szkło hartowane termicznie: 210MPa)





Hartowanie szkła

Zastosowanie szkła hartowanego

• Budownictwo – szkło na fasady budynków – szklenie strukturalne, drzwi i ściany szklane, balustrady,

przeszklenia dachów, świetlików, ogrodów zimowych, ekrany akustyczne, obiekty użyteczności publicznej szkoły, szpitale itp.

• Sprzęt AGD – szkło do lodówek, kuchenek, piekarników.

• Przemysł meblowy – przeszklenia mebli, regały, półki, blaty stołów

• Motoryzacja – szyby do samochodów, tramwajów, pociągów, ciągników

Procesy wymiany jonowej w warstwie powierzchniowej – chemiczne sposoby

wzmacniania wyrobów szklanych

Cel procesu – wprowadzenie do warstwy powierzchniowej równomiernie

rozłożonych naprężeń ściskających w bardzo cienkiej warstwie

powierzchniowej (ok. 50 m).

Procesy wymiany jonowej w warstwie powierzchniowej

wymianę jonów sodu Na na większe jony potasu K (wymiana niskotemperaturowa poniżej Tg ok. 400^oC –

„wciśnięcie się” w strukturę większych jonów bez

możliwości relaksacji naprężeń wywołuje w warstwie powierzchniowej naprężenia ściskające)

wymiana jonów sodu Na na mniejsze jony litu Li

(wymiana wysokotemperaturowa w temperaturze nieco powyżej T_g – na skutek wbudowania się jonów litu

powstaje mikro-warstewka powierzchniowa o niższym współczynniku rozszerzalności; warstwy wewnętrzne, kurcząc się silniej, wywołują na powierzchni naprężenia ściskające);

Procesy wymiany jonowej w warstwie powierzchniowej

proces wymiany jonowej

wysokotemperaturowej może doprowadzić do krystalizacji na powierzchni mikro-

warstwy spodumenu lub eukryptytu (glino- krzemiany) o bardzo niskim

współczynniku rozszerzalności – bardzo efektywne wzmacnianie szkła!

Przykłady

Przed wymianą jonową

Po wymianie jonowej szkło

sól

Rozkład naprężeń w tafli szklanej:

1. Wzmacnianie termiczne;

2. Wzmacnianie chemiczne;

_R –naprężenia rozciągające

_S –naprężenia ściskające

Realizacja procesu wymiany jonowej

kąpiel w solach potasu, litu –

najczęściej azotany!

Realizacja procesu wymiany jonowej

Układ Kąpiel w soli: Mechanizm Różnica promieni

jonowych (nm)

Wytrzymałość na zginanie przed/po MPa Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ NaNO₃/400^oC Na⁺↔Li⁺ 0,020 74/(309-731) Na₂O-Al₂O₃-

SiO₂

KNO₃/350-500^oC K⁺↔ Na⁺ 0,035 65/(200-700) Li₂O-Al₂O₃-SiO₂ KNO₃ K⁺↔Li⁺ 0,055

Na₂O-Al₂O₃- SiO₂

95%Li₂SO₄ + 5%Na₂SO₄ 800^oC/0,08h

-eukryptyt

Krystalizacja powierzchniowa

638

Na₂O-Al₂O₃- SiO₂

95%Li₂SO₄ + 5%Na₂SO₄ 800^oC/0,25h

-eukryptyt

Krystalizacja powierzchniowa

700