WZMACNIANIE CERAMIKI Ceramika wypalana i szkło z natury są kruche, posiadają stosunkowo niską wytrzymałość na zginanie i kruche pękanie. Czy można te.

Prezentacja na temat: "WZMACNIANIE CERAMIKI Ceramika wypalana i szkło z natury są kruche, posiadają stosunkowo niską wytrzymałość na zginanie i kruche pękanie. Czy można te."— Zapis prezentacji:

1 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?

2 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

3 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)

4 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;

5 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)

6 Hartowanie szkła Wprowadzenie do szkła naprężeń trwałych
Specjalna obróbka termiczna: nagrzanie szkła do temperatury bliskiej mięknięcia szybkie ochłodzenie za pomocą wymuszonej konwekcji ciepła

7 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

8 Hartowanie szkła Efekt wzmocnienia szkła hartowanego
charakterystyczny rozkładu naprężeń termicznych: warstwy wewnętrzne - stanowią strefę naprężeń rozciągających warstwy zewnętrzne – strefę naprężeń ściskających

9 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

10 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= K) specyficzny sposób pękania – rozprysk na drobne, nieostre kawałki)

11 Hartowanie szkła

12 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

13 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).

14 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);

15 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!

16 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

17 Realizacja procesu wymiany jonowej kąpiel w solach potasu, litu – najczęściej azotany!

18 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/( ) Na2O-Al2O3-SiO2 KNO3/ oC K+↔ Na+ 0,035 65/( ) KNO3 K+↔Li+ 0,055 95%Li2SO4 + 5%Na2SO4 800oC/0,08h -eukryptyt Krystalizacja powierzchniowa 638 800oC/0,25h 700