2. Badania ceramicznych materiałów gęstych do

POLITECHNIKA WARSZAWSKA
WYDZIAŁ CHEMICZNY
KATEDRA TECHNOLOGII CHEMICZNEJ
Badania ceramicznych materiałów
gęstych do zastosowań specjalnych
Instrukcja do zajęć laboratoryjnych dla studentów semestru VI
Laboratorium „Metod badania materiałów”
Prowadzący ćwiczenie: dr inż. Paweł Falkowski
mgr inż. Agnieszka Antosik
mgr inż. Małgorzata Głuszek
1
1. Wstęp
Ceramika to tworzywo nieorganiczne i niemetaliczne wytworzone z surowców
naturalnych (ceramika tradycyjna) i syntetycznych (ceramika zaawansowana – wyroby
nowoczesne o „wysokich” właściwościach).
W okresie rewolucji przemysłowej (XVIII – XX w.) miał miejsce gwałtowny rozwój
przemysłu i wynalazków. Odnotowano nowe potrzeby i wciąż rosnące wymagania ludzi.
Wszechobecny konsumpcjonizm spowodował rozwój nowych dziedzin tworzyw
ceramicznych wytwarzanych metodą spiekania tj. ceramika ogniotrwała, sanitarna,
elektrotechniczna, nowej generacji ceramika budowlana, materiały ścierne itd. W drugiej
połowie XX wieku nastąpił gwałtowny rozwój zaawansowanych tworzyw ceramicznych,
a materiały takie jak tlenki, azotki, węgliki czy borki w zasadniczy sposób wpłynęły na
rozwój elektroniki, informatyki, telekomunikacji czy przemysłu lotniczego (zwłaszcza
samoloty wojskowe), kosmicznego (np. wahadłowce) oraz zbrojeniowego (pancerze).
W obecnym świecie, gdyby nie nowoczesne materiały ceramiczne trudno wyobrazić sobie
życie bez telefonów komórkowych, komputerów, światłowodów (telewizja cyfrowa, internet),
nowych źródeł energii (baterie, ogniwa paliwowe) czy współczesnej medycyny (implanty
i protezy, stomatologia) itd. Obecnie technologia ceramiki wkroczyła w następny etap:
nanotechnologii.
Na Rysunku 1 przedstawiono etapy otrzymywania tworzyw ceramicznych.
Rysunek 1 Etapy otrzymywania tworzyw ceramicznych.
2. Formowanie materiałów gęstych
Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów procesu wytwarzania wyrobów
ceramicznych, w którym nieskonsolidowany ceramiczny materiał wyjściowy zostaje
przekształcony w zwarty, zagęszczony półprodukt o określonej geometrii i mikrostrukturze.
2
Wyrób ten może być uzyskany za pomoc różnych technik tj. przez prasowanie, odlewanie
czy formowanie plastyczne (Rysunek 2).
Rysunek 2 Główne metody formowania tworzyw ceramicznych.
Formowanie jest jednym z najważniejszych etapów wytwarzania wyrobów
ceramicznych i zależy ono od wielu czynników tj. rodzaj materiału i wyrobu, kształt
i wielkość wyrobu, wilgotność masy ceramicznej, aspekty ekonomiczne itp. Do
najpowszechniej stosowanych metod formowania zaliczamy prasowanie.
Formowanie przez prasowanie
Formowanie przez prasowanie można zdefiniować jako zagęszczanie ziarnistego
granulatu, proszku lub innego materiału ceramicznego, bladź metalicznego za pomocą
działania jednokierunkowych lub wielokierunkowych sił zewnętrznych w sztywnych
formach, najczęściej stalowych. Metoda ta pozwala na uzyskanie stopnia zagęszczenia
kształtek (z reguły do 60% gęstości teoretycznej), charakteryzujących się dokładnymi
wymiarami i symetrycznymi kształtami przy odpowiedniej wytrzymałości mechanicznej
w stanie surowym. Ponadto jest to metoda ekonomiczna ze względu na dużą wydajność
i stosunkowo niewielką ilość odpadów w trakcie realizacji procesu.
Podczas prasowania występuje wiele zjawisk fizykochemicznych, których
mechanizmy nie są jeszcze w pełni poznane, a które w zależności od warunków prowadzenia
3
procesu wpływają na stopień zagęszczenia wyprasek. Jednym z tych powszechnie
występujących zjawisk są znaczne siły tarcia wpływające na małe zagęszczenie kształtek.
Dlatego też w celu zminimalizowania występowania tarcia w układzie, zwiększenia gęstości
i wytrzymałości mechanicznej wyprasek niezbędne jest zastosowanie odpowiednich
rozwiązań. Aby uzyskać dużą gęstość wyrobu po procesie spiekania, konieczne jest dobranie
odpowiedniego cienienia prasowania, zapewniającego stosunkowo jednorodny rozkład
gęstości w całej objętości kształtki. Należy zwrócić uwagę na rozkład porów w wyprasce,
który powinien być rozkładem jednomodalnym z niewielkim rozrzutem wielkości porów.
Proszki ceramiczne są przeważnie aglomeratami i bardzo często obserwuje się rozkład
bimodalny. Dlatego też, aby zmienić niekorzystny rozkład dwumodalny stosuje się duże
ciśnienia, które powodują niszczenie aglomeratów.
Prasowaniu poddaje się masy ziarniste, których wilgotność z reguły nie przekracza
15%, w związku z tym można dokonać podziału na prasowanie na „sucho” oraz prasowanie
na „mokro”. W przypadku prasowania na „sucho” stosuje się proszki, których zawartość
wilgoci jest nie większa niż 8%, dlatego niezbędne jest dokładne dozowanie granulatu.
W technice tej występują stosunkowo duże siły tarcia, dlatego stosuje się ciśnienia
prasowania większe niż 30 MPa i może być ono realizowane jednostronnie, dwustronnie lub
izostatycznie (ciśnienie wywierane jest na granulat ze wszystkich stron jednocześnie). Z kolei
w prasowaniu na „mokro” wilgotność masy ceramicznej waha się w przedziale 8 - 15%, przez
co metoda ta jest w pewnym sensie jedną z technik formowania plastycznego. Ponieważ
występujące w układzie siły tarcia są na ogół mniejsze niż w przypadku prasowania na
„sucho” stosuje się mniejsze ciśnienia prasowania uwarunkowane między innymi
wilgotnością masy. W tym przypadku przeważnie stosuje się prasowanie jednostronne.
Prasowanie jednoosiowe odbywa się w sztywnych formach składających się
z matrycy i stempli, które wywierają nacisk na granulat przekształcając go w kształtkę.
W zależności od sposobu przykładania siły można rozróżnić prasowanie jednostronne (gdy
siła prasująca przykładana jest z jednej strony) i dwustronne (nacisk odbywa się z obu stron).
W przypadku prasowania jednoosiowego stosuje się ciśnienia nie przekraczające 350 MPa.
Zjawisko występowania gradientu gęstości wzdłuż wyprasowanej kształtki związane jest ze
zjawiskiem tarcia występującym pomiędzy ściankami matrycy, a ziarnami proszku. Im dalej
od powierzchni prasowania tym gęstość wypraski jest mniejsza. Dlatego też prasowanie
dwustronne jest metodą bardziej efektywną. Porównanie rozkładu gęstości dla metod
prasowania jedno- i dwustronnego przedstawiono na Rysunku 3.
Niedoskonałości prasowania można zredukować poprzez dobór odpowiednich materiałów
na formy do prasowania (zapewniających dużą gładkość ścianek wewnętrznych),
zastosowanie odpowiednich parametrów prasowania (ciśnienie prasowania, szybkość
prasowania, itd.) oraz poprzez optymalizację właściwości reologicznych formowanych
proszków ceramicznych. Zmianę właściwości reologicznych proszków granulatów
ceramicznych można osiągnąć przez zastosowanie środków poślizgowych (np. stearynian
cynku), które dodawane są w oddzielnym etapie technologicznym, co wydłuża czas trwania
procesu. Inną metodą jest zastosowanie spoiw polimerowych o ściśle określonej budowie
chemicznej [tj. dyspersje poli(akrylowo-styrenowe), poliuretanowe itd.].
4
Rysunek 3 Schemat prasowania wraz z uwzględnieniem ciśnienia i gęstości względnej: (A) jednostronnego i
(B)dwustronnego.
W przemyśle często stosuje się oba rozwiązania, co powoduje zwiększenie ilości
substancji organicznych w masie, wzrost kosztów procesu i wydzielanie się stosunkowo
dużych ilości gazów podczas spiekania, co może spowodować występowanie defektów
w gotowych wyrobach.
Stopień zagęszczenia wyprasek zależy ponadto od stosunku ich wysokości (h) do
średnicy (Φ). Dlatego zarówno w prasowaniu jedno- jak i dwustronnym stosunek h/
jest mniejsza niż 3, a kształtki jednorodne uzyskujemy, gdy h/ < 0,8; co jest sporym
ograniczeniem tej metody.
Wyrób przed procesem spiekania ma kształt odpowiadający kształtowi, jaki powinien
mieć wyrób końcowy jest jednak od niego na ogół proporcjonalnie większy (wyjątkiem jest
tzw. spiekanie reakcyjne gdzie materiał ulega spiekaniu bez skurczu). Ponadto jest
on stosunkowo słaby mechanicznie i może ulec zniszczeniu wskutek transportu, działania
cieczy czy wilgotnej atmosfery.
3. Spiekanie
Spiekanie jest procesem technologicznym polegającym na przemianie materiału
sproszkowanego w ciało polikrystaliczne o pewnej porowatości i odpowiedniej
wytrzymałości mechanicznej.
Otrzymanie gotowego, spieczonego materiału jest efektem przyczynowo – skutkowym
przygotowania kształtki oraz czynników procesu spiekania. Spiekanie jest procesem, na który
wpływa wiele czynników ilościowych i jakościowych i wynika to przede wszystkim ze
złożoności i wielokierunkowości procesów jakie mogą zachodzić w toku spiekania.
Rzeczywiste makro- i mikroskopowe zachowanie się każdego spiekanego układu tzn.
temperatura początku spiekania, charakter, prędkość i czas zagęszczania jak również
osiągnięta końcowa gęstość i mikrostruktura, a co za tym idzie i cechy wyrobu, zależy od
5
wielu czynników zarówno związanych z właściwościami fizyko-chemicznymi układu jak
i zewnętrznymi parametrami procesu. Spiekanie jest złożonym, aktywowanym termicznie
procesem fizycznym i chemicznym, który zachodzi w podwyższonej temperaturze. Jego
kinetykę kontrolują warunki procesu, z których podstawowymi są temperatura, czas
i atmosfera.
Czas spiekania
W większości przypadków spiekania, proszek poddaje się stopniowemu ogrzewaniu
ze stałą szybkością wzrostu temperatury aż do temperatury spiekania. Następnie materiał
przetrzymuje się w tej temperaturze przez określony czas – jest to czas spiekania – a po
zakończeniu procesu wyrób schładza się do temperatury otoczenia z kontrolowaną
szybkością, która powinna być tak dobrana, aby wyeliminować pękanie wyrobu wskutek
występowania naprężeń cieplnych.
Temperatura spiekania
Stosowana maksymalna temperatura spiekania powinna zapewnić zakończenie
procesów zagęszczania i uzyskiwania przez wyrób wymaganych właściwości użytkowych
w ekonomicznie uzasadnionym czasie. Przyjmuje się, że czasy spiekania w maksymalnej
temperaturze nie powinny przekraczać 1-2 godzin. Temperatura spiekania jest parametrem
ściśle zależnym od właściwości fizykochemicznych spiekanego proszku i powinna być na tyle
wysoka, aby w procesach zagęszczania dominowały mechanizmy dyfuzyjne, powodujące
skurcz układu, a więc dyfuzja objętościową, dyfuzja po granicach ziaren czy płynięcie
lepkościowe w fazie ciekłej.
Atmosfera spiekania
W toku spiekania atmosfera może być obojętna lub aktywna. Ze względów
technicznych spiekanie można prowadzić w komorze pieca: otwartej (w powietrzu),
zamkniętej (napełnionej odpowiednim gazem lub w warunkach przepływu gazu).
W większości realizowanych procesów spiekania stosuje się atmosferę obojętną, nie
wpływającą w istotny sposób na przebieg procesów zagęszczania a zwłaszcza, aby nie
wchodziła w reakcję ze spiekanym materiałem. Dla większości spiekanych proszków
tlenkowych atmosferą taką jest powietrze. Dla proszków nietlenkowych stosuje się atmosfery
ochronne (azot, argon, hel).
W toku spiekania proszków metalicznych często stosuje się aktywną atmosferę
redukcyjną, którą może stanowić wodór, mieszaniny wodoru z argonem, zdysocjowany
amoniak itp. Stosowanie takiej atmosfery ma za zadanie redukcję zawartych w spiekanym
proszku tlenków, które mogą utrudnić proces spiekania.
Ogniotrwałość
Ogniotrwałość jest ważnym parametrem zastępującym dla materiałów ceramicznych
temperaturę topnienia. Wprowadzono ten parametr, ponieważ masa ceramiczna jest układem
wielofazowym i każda z faz posiada własne, specyficzne temperatury topnienia, a tworzywa
ceramiczne miękną w szerokim zakresie temperatur. Ponadto, często podczas spiekania
powstaje faza ciekła o znacznej lepkości i oznaczenie jej temperatury topnienia jest
niemożliwe. Dlatego, dla materiałów ceramicznych stosuje się pojęcie ogniotrwałości
zwykłej, odpowiadające temperaturze przy której ogrzewany materiał osiąga lepkość
wystarczającą do deformacji kształtki wzorcowej, wykonanej z tego materiału. Innymi słowy
ogniotrwałość zwykła to temperatura, gdy tzw. stożek pirometryczny (sP) dotknie swoim
wierzchołkiem podstawy, jednocześnie ze stożkiem wzorcowym. Na Rysunku 4
ogniotrwałość zwykła wynosi 900°C. (środkowy stożek (sP 90)).
6
Rysunek 4 Zasada określania ogniotrwałości zwykłej
Mikroskopowy obraz spiekania
Wyjściowy układ do spiekania występuje w postaci wstępnie zagęszczonego proszku.
Ziarna proszku kontaktują się ze swoimi sąsiadami. Analizując układ pod dużym
powiększeniem, łatwo zauważyć, że w mikroobszarach układ nie jest jednorodny: ziarna
posiadają zróżnicowane wielkości i kształty, posiadają różną ilość sąsiednich ziaren.
Zróżnicowaną wielkość i kształt posiadają również obszary pomiędzy ziarnami – pory.
W niskich temperaturach wygrzewania, po ewentualnym usunięciu części lotnych, nie
obserwuje się istotnych zmian mikrostruktury układu. Do temperatury początku spiekania nie
zachodzą istotne zmiany gęstości i porowatości materiału. Jednak gdy temperatura jest już
wysoka, jeszcze przed zapoczątkowaniem skurczu, w obrazie proszku obserwujemy zmiany
kształtu i wielkości ziaren. Ziarna ulegają częściowemu zaokrągleniu, rośnie także ich
wielkość oraz w widoczny sposób wzrastają połączenia między ziarnami – szyjki. Przejawem
takich zmian mikrostruktury jest obniżenie powierzchni właściwej układu (przypadającej na
jednostkę masy proszku).
Po osiągnięciu temperatury początku spiekania rozpoczyna się skurcz całego układu
czemu towarzyszy zwiększenie się gęstości i stopniowa eliminacja porowatości całkowitej.
W mikrostrukturze następuje wyraźny wzrost gęstości upakowania ziaren, wzrost ilości
kontaktów między poszczególnymi ziarnami oraz stopniowy rozrost ziaren. Ulega
zmniejszeniu ilość i wielkość porów a pojedyncze ziarna stopniowo tworzą ciągły szkielet.
W tym etapie szybkości zagęszczenia układu mierzone przez zmiany skurczu, gęstości,
porowatości czy powierzchni właściwej są największe. Regularnym zmianom gęstości
i porowatości nie zawsze odpowiadają jednak identyczne zmiany w poszczególnych
mikroobszarach materiału. Niejednorodności zagęszczenia ujawniają się w początkowych
i pośrednich etapach spiekania, gdzie obserwuje się np. nienaturalny rozrost dużych porów
i eliminację najmniejszych.
Końcowe etapy spiekania charakteryzują się znacznym obniżeniem szybkości
zagęszczenia. W mikrostrukturze można zaobserwować zmiany mikrostruktury, które oprócz
eliminacji porów i zmianie ich kształtów w kierunku bardziej kulistym. Końcowym
rezultatem spiekania jest gęsty polikryształ. Zmiany zachodzące w toku procesów
w podwyższonych temperaturach są zmianami nieodwracalnymi.
Podczas zagęszczania proszku ciągłej zmianie ulegają także i inne parametry układu
zależne od gęstości: moduł Younga, wytrzymałość, przewodnictwo cieplne, opór elektryczny
itp. Mierząc te wielkości możemy w wielu wypadkach także śledzić i identyfikować procesy
spiekania. Obserwacje makroskopowe i mikroskopowe pozwalają stwierdzić, że
charakterystycznym objawem spiekania jest przekształcenie się materiału z postaci
zagęszczonego proszku do polikryształu, czemu towarzyszy:
7
1. Skurcz objętościowy materiału przy zachowaniu kształtu będący rezultatem eliminacji
porów,
2. Zmiany właściwości materiału (głównie fizyczne tj. gęstość, porowatość, twardość,
wytrzymałość, przewodnictwo cieplne, często barwa, a także inne jak przenikalność
dielektryczna itp.)
4. CERAMIKA WARYSTOROWA
Rozpatrywanym przypadkiem ceramiki specjalnej jest ceramika warystorowa.
Warystory są to rezystory o nieliniowej charakterystyce napięciowo-prądowej, polegającej na
nagłym wzroście gęstości prądu po osiągnięciu określonej wielkości pola elektrycznego.
Służą miedzy innymi jako odgromniki zaworowe, zabezpieczające izolację napowietrznych
linii elektrycznych oraz urządzeń elektrycznych przed skutkami przepięć pochodzenia
atmosferycznego i łączeniowego. Wytwarzane są metodą spiekania sprasowanych proszków
tlenków cynku i bizmutu Uzyskanie nieliniowego przewodnictwa ceramiki cynkitowej jest
ściśle związane z mikrostrukturą tworzywa. Pod pojęciem mikrostruktury rozumie się
zarówno skład fazowy, rozmieszczenie poszczególnych faz jak również układ kryształów
widziany pod mikroskopem.
Uważa się, że nieliniowość warystorów związana jest głównie ze strukturą granic
ziaren ZnO, powstającą wskutek odpowiedniego rozmieszczenia domieszek w obszarach
przygranicznych. Możliwe jest więc sterowanie właściwościami ceramiki poprzez dobór
składu oraz parametrów technologicznych wytwarzania, takich jak np. temperatura i czas
spiekania.
Innym zastosowaniem polikrystalicznej ceramiki z tlenku cynku są czujniki
wilgotności powietrza (gazu) wykonane z mieszaniny ZnO z LiCoSbO4 pracujące stabilnie
w szerokim zakresie wilgotności, a także czujniki CO, stosowane w urządzeniach
alarmowych w kopalniach i czujniki ciśnienia. W przemyśle chemicznym spieki ZnO
z domieszką innych tlenków są wartościowym katalizatorem w syntezie metanolu.
Podejmowane były również próby nad zastosowaniem tlenku cynku nanoszonego w postaci
cienkiej warstwy na szkle do konstrukcji filtrów z falą powierzchniową. Tlenek cynku jest
cennym składnikiem barwników i szkliw ceramicznych, stanowiącym między innymi
składnik utrwalający barwę.
Większość z wymienionych zastosowań wymaga materiału o wysokim stopniu
zagęszczenia, bowiem jedynie taki materiał gwarantuje stabilność i powtarzalność
parametrów wykonanych z niego elementów.
Właściwości tlenku cynku (ZnO)
Tlenek cynku jest związkiem niestechiometrycznym. Odstępstwo od składu
stechiometrycznego jest spowodowane nadmiarem metalu wynikającym z obecności
kationów międzywęzłowych, przy całkowitym obsadzeniu wszystkich węzłów. Tworzenie się
zdefektowania sieci krystalicznej ZnO można wyobrazić sobie następująco: jeśli idealny
(ściśle stechiometryczny) kryształ ZnO znajdzie się w temperaturze wyższej niż 0K, to staje
się on termodynamicznie nietrwały i ulega częściowemu rozkładowi na metaliczny Zn
i gazowy O2. Proces ten przebiega na powierzchni kryształu. W dostatecznie wysokiej
temperaturze atomy metalicznego Zn, tworzące się na powierzchni kryształu „rozpuszczają”
się w sieci zajmując położenia międzywęzłowe. Równocześnie może zachodzić jonizacja tych
atomów z wytworzeniem kationów jednododatnich lub dwudodatnich. Tworzące się w tym
8
procesie wolne elektrony noszą nazwę elektronów quazi-swobodnych. Mimo odstępstwa od
stanu stechiometrycznego, warunek elektroobojętności zostaje zachowany. Proces tworzenia
się zdefektowanego ZnO można przedstawić następująco:
ZnO  Zn ś 1/2O2 (g)
Zn  Zni . + eZni.  Zni .. + eGdzie: Zni. – jednowartościowy kation, Zni.. – dwuwartościowy kation
Głównymi defektami punktowymi w niestechiometrycznym ZnO są międzywęzłowe
atomy lub jony. Nadmiarowy metal lokuje się w oktaedrycznych międzywęzłach.
Stwierdzony jest wpływ niestechiometrii związku na właściwości parametrów sieciowych.
Parametry sieci zależą od rodzaju obróbki badanych proszków i monokryształów tlenku.
W przypadku monokryształów ze wzrostem niestechiometrii zaobserwowano zwiększenie
parametrów a i c. Nie jest wykluczone, że podczas prasowania w tlenku powstaje pewna
nierównowagowa struktura zanikająca w wyniku spiekania w temperaturze ok. 1100oC.
Zjawisko to może mieć wpływ na właściwości ZnO.
9
Literatura
Instrukcja powstała w oparciu o pozycje:
1. S. Gąsiorek: „Makroskopowe przejawy procesu zagęszczania i scalania proszków
ferrytowych przez prasowanie i spiekanie”, Ceramika z. 40, Wyd. AGH, Kraków
1979.
2. P. Izak, J. Lis, S. Serkowski: „Model zagęszczania granulowanych proszków
ceramicznych”, Szkło i Ceramika 5/2005.
3. J. Lis, R. Pampuch: „Spiekanie”, Wyd. AGH, Kraków 2000.
4. J. Raabe, E. Bobryk: „Ceramika funkcjonalna”, Oficyna Wydawnicza
Politechniki Warszawskiej, Warszawa 1997.
5. M. Szafran, G. Rokicki. P. Wiśniewski: „Wodorozcieńczalne spoiwa
polimerowe w procesie prasowania proszków ceramicznych”, Ceramika z. 60,
Wyd. AGH, Kraków, 2000.
6. M. Szafran, P. Wiśniewski, G. Rokicki, L. Ł ukasik: “Copolymers of vinyl acetate
and allyl ethers in die pressing of alumina”, Journal of Thermal Analysis And
Calorimetry, vol 66, 2001.
7. P. Wiśniewski, M. Szafran, G. Rokicki, M. Molak, D. Jach: „Badania nad
zastosowaniem nowych dyspersji akrylowo-allilowych w prasowania Al2O3”,
Ceramika z. 80, Wyd. AGH, Kraków 2003.
8. L. Kucharska, „Reologiczne i fizykochemiczne podstawy procesów ceramicznych”,
Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1976.
9. P. Wiśniewski, M. Szafran: „Prasowanie proszków ceramicznych”, Szkło i
Ceramika 5/2006
10. R.. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek: „Nauka o procesach ceramicznych“,
Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 1992.
11. R. Wyrwicki, „Analiza termograwimetryczna skał ilastych”, Wydawnictwo
Uniwersytetu Warszawskiego, Warszawa 1988.
12. P. Wiśniewski, M. Szafran, Z. Gontarz: „Badania nad zastosowaniem
NaH2PO4 do wiązania kaolinu”, Szkło i Ceramika 2/2006.
13. M. Kordek: „Technologia ceramiki cz.1”, Wydawnictwa Szkolne i
Pedagogiczne, Warszawa 1986.
14. P. Bednarek., Badania nad zastosowaniem wybranych pochodnych sacharydów w
procesie formowania proszków ceramicznych metodą odlewania żelowego, Praca
dyplomowa na stopień doktora, Politechnika Warszawska, 2010.
10
Metody Badania Materiałów
Semestr VI
Temat: Badania ceramicznych materiałów gęstych do zastosowań specjalnych
Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z procesem formowania i spiekania tlenkowej
ceramiki z mikroproszku tlenku cynku oraz wpływu domieszek na właściwości kształtek po
spiekaniu w różnych temperaturach.
Materiał do badań:






tlenek cynku czysty (mikroproszek)
tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Co2O3 (nadmiarowo)
tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Bi2O3 (nadmiarowo)
tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Fe2O3 (nadmiarowo)
tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. Cr2O3 (nadmiarowo)
tlenek cynku (mikroproszek) domieszkowany 5% wag. MnO2 (nadmiarowo)
Wykonanie ćwiczenia
1. Przygotowanie kształtek do badań:
Próbki w kształcie beleczek o wymiarach 30x10x5 mm (po 18 z każdej masy) należy
uformować metodą prasowania jednoosiowego z dodatkiem spoiwa (5 - 7% wag.
poli(alkoholu winylowego) [10%]) w formach stalowych pod ciśnieniem 50 MPa.
Na wykonanych beleczkach należy oznaczyć wymiary liniowe i masę.
2. Spiekanie przygotowanych kształtek w temperaturach 900°C, 1100°C
3. Oznaczanie na spieczonych kształtkach następujących parametrów:
a. skurczliwości liniowej i objętościowej wypalania;
b. gęstości pozornej, gęstości względnej, porowatości otwartej i nasiąkliwości wodnej;
c. wytrzymałości mechanicznej na zginanie (metodą trójpunktową)
4. Wyznaczenie charakterystyki napięciowo - prądowej kształtek z ZnO i ZnO
domieszkowanego innymi tlenkami spiekanych w dwóch temperaturach.
Sprawozdanie powinno zawierać:
- tytuł ćwiczenia, numer grupy oraz imiona i nazwiska osób je wykonywujących
- zestawienie otrzymanych wartości i wyników w oparciu o podane zależności (również
wartości średnie)
- wykonanie wykresów charakterystyki napięciowo-prądowej
- obserwacje i wnioski z przeprowadzonych badań.
Zaliczenie ćwiczenia odbywa się na podstawie obecności i aktywnego uczestnictwa
w ćwiczeniu, wykonaniu i pozytywnym ocenieniu sprawozdania oraz oceny z wejściówki
11
Zależności do obliczeń
Skurczliwość liniowa Sl i objętościowa Sv:
Sl = (l0 – l1)/l0 ·100%
Sv = (V0-V1)/V0 ·100%
Gdzie: l0 – długość kształtki przed spiekaniem
l1 - długość kształtki po spiekaniu
V0 – objętość kształtki przed spiekaniem
V1 – objętość kształtki po spiekaniu
Gęstość pozorna dv [g/cm3] i względna dw [%]:
dv = ms/(mw-mww) ∙ dw
dw = dv/d
Gdzie: ms – masa kształtki po wypaleniu
mw – masa kształtki nasączonej wodą ważonej na powietrzu
mww - masa kształtki nasączonej wodą ważonej w wodzie
dw – gęstość wody
d – gęstość rzeczywista proszku ceramicznego g/cm3
dZnO – 5,61 g/cm3
dBi2O3 – 8,93 g/cm3
dFe2O3 – 5,24 g/cm3
dCr2O3 – 5,22 g/cm3
dCoO – 6,44 g/cm3
dMnO2 – 5,03 g/cm3
Nasiąkliwość wodna N:
N = (mw-ms)/ms ·100%
Porowatość otwarta Po:
Po = (mw-ms)/(mw-mww) ·100%
Wytrzymałość mechaniczna na zginanie Wzg [MPa] dla „beleczek”:
2
Wzg = 3Pl/2bh
Gdzie: P – siła powodująca zniszczenie kształtki [N]
l – odległość pomiędzy podporami formy (1,5 cm)
b – szerokość kształtki
h – wysokość kształtki
12
Wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej
kształtek z ZnO domieszkowanego innymi tlenkami
spieczonych
Celem pomiaru jest wyznaczenie charakterystyki prądowo napięciowej (I = f(U))
otrzymanych elementów ceramicznych z tlenku cynku domieszkowanego innymi tlenkami.
Układ do pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej przedstawiono poniżej.
Gdzie:
VA – pomiar napięcia multimetrem A
VB – pomiar napięcia multimetrem B
P- badana próbka (warystor)
R1 – opornik 100
Pomiar natężenia prądu odbywa się przez pomiar napięcia, dlatego by wyznaczyć
natężenie prądu należy skorzystać z prawa Ohma o proporcjonalności napięcia U mierzonego
na końcach przewodnika o oporze R do natężenia prądu I płynącego przez ten przewodnik.
U= R*I
W przypadku zastosowanego układu pomiarowego oporność elementu wynosi 100 .
Zasady bezpieczeństwa
1) Zmiany badanych próbek lub inne czynności, poza samym pomiarem, należy
wykonywać gdy układ jest odłączony od prądu
2) Wszelkie zmiany i ingerencje w układ pomiarowy są zabronione
3) Pomiar może być wykonany jedynie za wiedzą i zgodą prowadzącego ćwiczenia
4) W czasie pomiaru nie dotykamy elementów układu pomiarowego
5) Pomiary wykonuje jedna bądź dwie osoby wyznaczone przez prowadzącego zajęcia
13
Wykonane pomiarów
1) Odłącz układ od źródła prądu
2) Upewnij się, że układ nie jest podłączony do prądu, a suwak transformatora
ustawiony jest na 0
3) Zdejmij krokodylki doprowadzające prąd do badanej próbki
4) Wymień element badany
5) Załóż krokodylki doprowadzające prąd do badanej próbki
6) Upewnij się, że krokodylki się nie stykają ze sobą, co może spowodować zwarcie
układu
7) Zabezpiecz układ tak, by nie można go było dotknąć w trakcie pomiaru
8) Włącz multimetry
UWAGA!!!!
Pomiar
dokonywany
jest
w
układzie
prądu
stałego
(symbol
).
Nie wolno ustawiać multimetrów w inny sposób niż podany
poniżej, bo grozi to ich uszkodzeniem.
a. Multimetr A mierzący napięcie w układzie ustaw na zakres 1000V dla
prądu stałego (DC)
b. Multimetr B mierzący natężenie prądu poprzez pomiar napięcia w układzie
ustaw na zakres 200mV dla prądu stałego (DC)
9) Podłącz układ do prądu
10) Powoli zmieniaj napięcie w układzie przesuwając suwakiem na transformatorze
11) Zmiany napięcia dokonuj
a. W zakresie 0 – 250V co 25V
b. Od 250V co 10V
12) Po skończonym pomiarze zmniejsz napięcie do 0 przesuwając suwak na
transformatorze do pozycji wyjściowej (na zero)
13) Poczekaj aż multimetry pokażą 0
14) Wyłącz multimetry
15) Odłącz układ pomiarowy od źródła prądu
14