CERAMIKA FUNKCJONALNA Prof. dr hab. M.Szafran

Zastosowanie ceramiki funkcjonalnej Około 70% obrotów rynku ceramicznego skupia się wokół wyrobów spełniających głównie funkcje elektryczne (ceramika elektroniczna) Do najważniejszych wyrobów z zakresu elektroceramiki zalicza się: kondensatory, filtry, przetworniki, termistory, warystory, izolatory, podłoża do układów scalonych, świece zapłonowe. optoceramika – materiały laserowe, okienka optyczne, przetworniki elektrooptyczne

Funkcje termiczne izolacje termiczne promienniki IR Funkcje mechaniczne wirniki komory spalania łożyska dysze palników narzędzia skrawające Funkcje biologiczne sztuczne korzenie zębów endoprotezy kości i stawy sztuczne zastawki serca nośniki katalizatorów katalizatory elektrody nośniki enzymów czujniki gazów detektory węglowodorów układy alarmowe przecieku gazu Funkcje chemiczne Funkcje nuklearne paliwa nuklearne materiały na osłony i ekrany Funkcje optyczne świetlówki wysokociśnieniowe lampy sodowe lasery Funkcje magnetyczne głowice magnetofonowe rdzenie pamięci magnesy silniki miniaturowe Funkcje elektryczne kondensatory podłoża elektroniczne elementy czujników temperatury ogniwa słoneczne Funkcje tworzyw ceramicznych

Efekt piroelektryczny w turmalinie (klasa 3m, [3PL 3 p ]. Na przeciwległych zwrotach biegunowej osi symetrii trójkrotnej powstają podczas szybkiej zmiany temperatury przeciwne ładunki elektryczne.

Struktura perowskitu Perowskit CaTiO 3 A (Ca 2+, Ba 2+, Sr 2+ ) B (Ti 4+, Zr 4+ )

Mechanizmy transportu elektrycznego w perowskitach:

Zapalnik piezoceramiczny Materiały piezoelektryczne typu PZTPbZr x Ti 1-x O 3 dodatki: SrO, BaO, Nb 2 O 5, La 2 O 3, Sb 2 O 3, CaO, HfO 2, Cr 2 O 3 i in. typuPb x Ba 1-x Nb 2 O 6

Ceramiczne materiały piezoelektryczne o największym znaczeniu to: --tytanian baru (BaTiO3) - jest materiałem ferromagnetycznym o temperaturze Curie wynoszącej stopni Celsjusza. Moduł piezoelektryczny d33 wynosi, a współczynnik sprzężenia elektromechanicznego około 0,5. -- tytanian ołowiu (PbTiO3) - posiada właściwości ferroelektryczne w temperaturach niższych od Tc = 490 stopni Celsjusza. Przemiana ferroelektryczna wywołuje odkształcenia prowadzące do pękania materiału. W celu zmniejszenia tego zjawiska stosuje się domieszkowanie Ca, Sr, Ba, Sn i W. - - cyrkonian - tytanian ołowiu (PZT) jest roztworem stałym PbZrO 3 i PbTiO 3. Domieszkowania ceramika PZT znana jest jako twarda (domieszkowana K+ i Na+ w pozycji A lub Fe3+, Al3+, Mn3+ w pozycji B) lub miękka (La3+ w pozycji A lub Nb5+ lub Sn5+ w pozycji B). -- nioban ołowiu i magnezu - PMN (PbMg1/3Nb2/3O3)

Typowe zastosowania ceramiki piezoelektrycznej Wykorzystane zjawisko Zakres zastosowań Efekt piezoelektryczny prostyOdbiorniki dźwięku, mikrofony, hydrofony, generatory energii elektrycznej, generatory iskry, sensory (ciśnienia akustycznego, drgań) Efekt piezoelektryczny odwrotnyNadajniki dźwięku, silniki piezoelektryczne, piezoelektryczne transformatory, serwomechanizmy, aktuatory Rezonans piezoelektrycznyRezonansowe stabilizatory częstotliwości, rezonansowe sensory ciśnienia, wilgoci i temperatury, filtry piezoelektryczne ElektrostrykcjaFiltry piezoelektryczne, wzmacniacze

silnik piezoelektryczny do implantowanych do organizmu pomp dozujących leki pozwala na realizowanie funkcji zbliżania i autoogniskowania w telefonach komórkowych wyposażonych w kamery.

Wtryskiwacz piezoelektryczny do silników wysokoprężnych 07_08_07/technika%20silniki.pdf

Głowice ultradźwiękowe

Przyciski piezoelektryczne

Piezoelektryczne kadridże w drukarkach atramentowych

Diamagnetyki –każdy atom ma zerowy moment magnetyczny (np. Cu) Paramagnetyki –momenty magnetyczne są zorientowane przypadkowo i się znoszą (np. Cr) Ferromagnetyki–momenty magnetyczne są uporządkowane wewnątrz każdej domeny (np. Fe) Ferrimagnetyki–istnieją podstruktury posiadające zorientowane jednakowo i zróżnicowane momenty magnetyczne (np. spinele) Materiały magnetyczne

Ruch magnesu ferrytowego Ferryty materiały tlenkowe zawierające jony Fe +3 posiadające właściwości ferrimagnetyków Typy struktur: -Spinelu –MeFe 2 O 4 (reg.) izomorficzne z minerałem spinelem (MgAl 2 O 4 ) np. Fe II Fe 2 O 4, MnFe 2 O 4, NiFe 2 O 4, ZnFe 2 O 4, MgFe 2 O 4 -Granatu – np. 3YFeO 3 ·5Fe 2 O 3 -MagnetoplumbituMeO·6Fe 2 O 3 (heksag.) Pb(Fe,Mn,Ti,Al) 12 O 10 np. BaO·6Fe 2 O 3 BaFe 12 O 19 SrO·6Fe 2 O 3 SrFe 12 O 19 Materiały magnetyczne

FERRYTY MIĘKKIE: Ściany domenowe łatwo się przemieszczają, dlatego pętla histerezy jest wąska, a straty małe. Stosowane tam, gdzie potrzebna jest szybka reakcja na zmianę pola zewnętrznego. FERRYTY TWARDE: Ściany domenowe nie są ruchliwe, przez co pętla jest szeroka. małe wartości µ rp i wysokie wartości H C wysokie wartości µ rp i małe wartości H C PORÓWNANIE PĘTLI HISTEREZY FERRYTÓW TWARDYCH i MIĘKKICH

FERRYTY MIĘKKIE MANGANOWO - CYNKOWE Roztwory stałe niemagnetycznego ferrytu cynku i magnetycznego ferrytu manganu. Sieć krystaliczna typu spinelu. Posiadają rezystywność ok.1m (najmniejsza spośród wszystkich tworzyw ferrytowych) Wymagają bardzo subtelnych warunków technologicznych Stanowią materiały na rdzenie cewek o dużej dobroci stosowanych w obwodach rezonansowych i w filtrach telekomunikacyjnych. Mogą być stosowane w zakresie częstotliwości do 2MHz. Duża µ rp <40000 Duża B s (do 600mT) Małe straty magnetyczne w zakresie stosowanych częstotliwości. S. Gąsiorek, R. Wadas Ferryty, zarys własności i technologii

Ferryt Pb nie jest w praktyce stosowany, ponieważ własności jego są podobne do ferrytu Ba, który jest tańszy i technologicznie łatwiejszy. Ferryt Ba i Sr krystalizują w układzie heksagonalnym. Wielkość: charakteryzuje jakość materiału magnetycznie twardego, zależy od B r i w dużej mierze od H c. Indukcja remanencji zależy od zagęszczenia materiału i osiąga swą wartość maksymalną przy gęstości pozornej równej teoretycznej gęstości materiału Pole koercji zależy od energii anizotropii ferrytu (dla ferrytu Sr jest znacznie większa niż dla ferrytu Ba) oraz od struktury polikrystalicznej materiału (musi się składać z ziaren jednodomenowych, co osiąga się dla wymiarów ziaren mniejszych od wielkości krytycznej). FERRYTY TWARDE BARU I STRONTU

MAGNESY FERRYTOWE Magnesy anizotropowe – w procesie wytwarzania przed spiekaniem są prasowane w polu magnetycznym orientującym ziarna. Posiadają znacznie wyższe wartości parametrów magnetycznych – energii i remanencji B r. Magnesy izotropowe – podczas prasowania nie stosuje się zewnętrznego pola, niższe wartości parametrów magnetycznych.

ZASTOSOWANIE FERRYTÓW Radiotechnika Technika wysokich częstotliwości Technika ultradźwięków Technika prowadzenia mikrofal w falowodach Ferryty o prostokątnej pętli histerezy jako elementy magnetycznej pamięci cyfrowej Jako rdzenie cewek, dławików, transformatorów, anten magnetycznych Ferryty magnetyczne twarde do budowy magnesów twardych.

Warystory Warystor (ang. VARiable resISTOR) – inaczej VDR (ang. Voltage Dependent Resistor) to półprzewodnikowy opornik, którego rezystancja zależy od wartości i polaryzacji napięcia elektrycznego.

Warystory są stosowane przede wszystkim jako ograniczniki napięcia (w układach zabezpieczających przed przepięciami lub do zabezpieczania styków), jako elementy stabilizujące napięcie, w filtrach, w układach przetworników częstotliwości. Warystory

Iskiernikowy zaworowy Ogranicznik przepięć klasy A typu OZI Stosowany do ochrony od przepięć piorunowych urządzeń elektroenergetycznych niskiego napięcia prądu przemiennego o częstotliwości od 48 do 60 Hz szczególnie w izolowanych samonośnych sieciach napowietrznych z przewodami gołymi. Ogranicznik jest zbudowany z iskiernika z warystorem ZnO w szczelnej obudowie ceramicznej. Warystory

Typy światłowodów

Kable optotelekomunikacyjne -podstawowe właściwości światłowodów Parametry geometryczne światłowodów Parametry transmisyjne światłowodów wielomodowych

R.Pampuch Typowe sensory

Typowe aktywatory R.Pampuch

Linie rozwoju materiałów R.Pampuch

ProcesProdukt Rozdzielczość najmniejszych elementów produktu [ m] Sitodruk2D100 Wyciskanie zawiesin proszku przez dyszę 3D Nanoszenie zawiesin za pomocą drukarki atramentowej 3D70 Laserowe spiekanie proszku2D/3D200 Niskotemperaturowe spiekanie wielowarstwowej ceramiki (LTCC-ML) 3D Mikroformowanie2D/3D Litografia niskoenergetyczna2D/3D1-5 Samoorganizacja atomów/cząstek koloidalnych 2D< 1 Niektóre metody mikrofabrykacji

a)Sposób działania atramentowej piezoelektrycznej drukarki dla nanoszenia zawiesin proszków ceramicznych na podłoże celem utworzenia na nim wzoru 2D lub 3D b)Przykładowy produkt naniesienia zawiesiny zawierającej 14%obj. ZrO 2 – trójwymiarowy wzór z ZrO 2 M.Heule et al., Advanced Materials, 15,2003, 1237

Przykłady układów mikroeletromechanicznych na podłożu Si

ZASADA DZIAŁANIA OGNIWA Z WYKORZYSTANIEM STOPIONYCH WĘGLANÓW ANODA MATRYCA + ELEKTROLIT KATODA GAZY RESZTKOWEPOWIETRZE + CO 2 H 2 + CO e-e- e-e- CO 3 = H 2 +CO 3 H 2 O+CO 2 +2e CO+H 2 O CO 2 +H 2 ½O 2 +CO 2 +2e CO 3 2- PRZEPŁYW PRĄDUPRZEPŁYW PRĄDU SUMARYCZNE REAKCJE ZACHODZĄCE W OGNIWIE H 2 + ½O 2 H 2 O CO + ½O 2 CO 2

Zastosowanie ceramicznych tworzyw porowatych (CTP) Nośniki leków Aeracja cieczy i materiałów proszkowych ozonowanie wody pitnej drobnopęcherzykowe napowietrzanie ścieków Ekrany zabezpieczające przed skutkami nieprzewidzianych eksplozji Elementy aktywne i matryca elektrolityczna ogniw paliwowych Nośniki katalizatorów

Magnes lewitujący nad nadprzewodnikiem – demonstracja efektu Meissnera Nadprzewodniki ceramiczne Zerowa rezystancja (całkowity zanik oporu stałoprądowego)

Powiększenie × Nadprzewodniki ceramiczne = Nadprzewodniki wysokotemperaturowe ang. High – Temperature Superconductors (HTS) T c > 30 K

Nadprzewodniki ceramiczne Lewitujące pociągi - MAGLEV Silne magnesy Zastosowanie w elektronice: –Pomiary słabych pól magnetycznych (efekt Josephsona) –Przyspieszanie sygnału w układach scalonych (efekt tunelowy) Lewitujące magnesy –Wyznaczenie położenia magnetycznego MRI - Magnetyczny Rezonans Jądrowy Akcelerator