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 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 prasowanie na gorąco (hot-pressing) 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: - 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 td – tg (lg 14,5-13) powyżej temperatury transformacji tg szkło jest plastyczne i wewnętrzne naprężenia zanikają natychmiast poniżej temperatury td szkło jest sprężyste i naprężenia wewnętrzne nie ulegają relaksacji naprężenia trwałe powstają w zakresie td-tg 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: co najmniej 2-krotny wzrost wytrzymałości mechanicznej( wytrzymałość na rozciąganie: szkło niehartowne 100MPa; szkło hartowane termicznie: 210MPa) około 3-krotny wzrost odporności na szoki termiczne (t= 270-300K) specyficzny sposób pękania – rozprysk na drobne, nieostre kawałki)

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. 400oC – „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 Tg – 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 Rozkład naprężeń w tafli szklanej: 1. Wzmacnianie termiczne; 2. Wzmacnianie chemiczne; R –naprężenia rozciągające S –naprężenia ściskające Przed wymianą jonową Po wymianie jonowej szkło sól

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 NaNO3/400oC Na+↔Li+ 0,020 74/(309-731) Na2O-Al2O3-SiO2 KNO3/350-500oC K+↔ Na+ 0,035 65/(200-700) KNO3 K+↔Li+ 0,055 95%Li2SO4 + 5%Na2SO4 800oC/0,08h -eukryptyt Krystalizacja powierzchniowa 638 800oC/0,25h 700