Rozdział 1 WPROWADZENIE
1.1. Współczesna ceramika
Nowe materiały stanowią jeden z zasadniczych kierunków rozwoju współczesnej techniki -obok takich dziedzin, jak: informatyka, elektronika, biotechnologie, energetyka. Spośród trzech wielkich grup materiałów: metali, polimerów organicznych i ceramiki, ta ostatnia grupa obejmuje szczególnie szeroki i różnorodny wachlarz surowców, półproduktów i wyrobów. Do przemysłu ceramicznego zaliczamy zatem zarówno tradycyjne wyroby, a więc materiały oparte na dość łatwo dostępnych surowcach i towarzyszące cywilizacji ludzkiej od początków neolitu (naczynia ceramiczne, materiały budowlane, szkło), jak i nowoczesne elementy specjalistycznych urządzeń o niezwykłej precyzji technologicznej - takie jak tworzywa elektroniczne. Grupa pierwsza charakteryzuje się masowym przerobem, wyrażającym się w niektórych działach ceramiki milionami ton rocznie, a grupa druga - produkcją liczoną niekiedy zaledwie w kilogramach, ale o tak wysokiej cenie materiału, że staje się ona wartościowo porównywalna z obrotami przemysłu wielkotonażo-wego. Warto tu przytoczyć ocenę, że pod koniec lat 80. największym producentem ceramicznym (w sensie samej sprzedaży) był prawdopodobnie koncern elektroniczny IBM.
Lista rozwijanych współcześnie tworzyw ceramicznych rozszerza się nieustannie i nowe rodzaje materiałów, a nawet dziedziny ceramiki, rodzą się na naszych oczach. Są to: nadprzewodniki tlenkowe o strukturze perowskitu, ceramika nuklearna i kosmiczna, bioceramika, produkcja monokryształów, światłowodów, podłoży do układów scalonych, materiałów super twardych, detektorów gazu, elementów silników do wyższych temperatur roboczych, warstw osadzanych z fazy gazowej i in. Z drugiej strony nauka odnajduje wciąż nowe związki pomiędzy branżami ceramicznymi uważanymi za odległe i zaskakuje nas często „przerzucaniem mostów"pomiędzy nimi w kierunkach dość nieoczekiwanych (z punktu widzenia tradycyjnych, odgrodzonych od siebie dyscyplin technologicznych). Te „obszary pograniczne"różnych technologii są zresztą, jak to się przyznaje od dawna, najbardziej płodnym terenem odkryć. W ten sposób np. powstały tzw. tworzywa szklano-krystaliczne (dewitryfikaty), których istota zdaje się zaprzeczać temu, co przyzwyczailiśmy się myśleć o naturze i własnościach szkieł. Ciśnieniowe formowanie, wykorzystywane od dawna w technologii tlenkowych materiałów ogniotrwałych i niektórych tworzyw specjalnych, a nawet bardzo specjalistyczne spiekanie ciśnieniowe, wkraczają stopniowo w świat ceramiki opartej na surowcach ilastych, dla której rezerwowano dotąd wyłącznie metody nadawania kształtu wykorzystującego plastyczność mas zarabianych dużą ilością wody. Procesy spiekania się ziaren (badane dawniej głównie w aspekcie technologii proszków metali) oraz procesy witryfikacji doczekały się uogólnionych ujęć, adekwatnych do wszystkich rodzajów materiałów ceramicznych. Metoda tzw. „samorozwijającej się syntezy"(SHS), stanowiąca znaczącą nowość w dziedzinie ceramiki specjalnej, przenika stopniowo do
Tytuł: WSTEP DO PROJEKTOWANIA TECHNOLOGII CERAMICZNYCH
Autor: Nadachowski, Jonas, Ptak
Wydawnictwo i rok wydania: AGH 1999
Stan: średni - widoczne pofalowanie u gory stron, slad lekkiego podmoczenia, cena obniżona
Oprawa: miekka
Ilość stron i format: 304 str
16,5x24 cm
Ilustracje: posiada
Spis treści:
Spis treści
Rozdział 1
WPROWADZENIE 11
Współczesna ceramika 11
Istota technologii ceramiki 13
Projektowanie technologii 15
Powiązanie procesów technologicznych i elementów ekonomiki w projekcie 15
Kształtowanie się mikrostruktury tworzywa w toku obróbki ogniowej 18
Podstawowe elementy wyboru w projektowaniu technologii i układ skryptu 21
Rozdział 2
TERMODYNAMICZNE ASPEKTY
PROCESÓW WYSOKOTEMPERATUROWYCH
W TECHNOLOGII CERAMIKI 25
Uwagi ogólne 25
Podział i charakterystyka reakcji ceramicznych
w aspekcie zmian funkcji termodynamicznych 28
Klasyfikacja 28
Reakcje egzotermiczne przebiegające ze wzrostem entropii 29
Reakcje egzotermiczne pomiędzy ciałami stałymi 30
Reakcje egzotermiczne przebiegające ze zmniejszeniem się entropii 31
Reakcje endotermiczne 32
2.3. Przykłady przewidywania kierunku przebiegu reakcji
wysokotemperaturowych w oparciu o dane termodynamiczne 34
2.3.1. Usuwanie węgla z miedziowych elementów grubowarstwowych
w układach mikroelektronicznych 34
Zachowanie się chlorku wapniowego w wypalonym tworzywie ceramicznym 36
Synteza i rozkład cyrkonu (ZrSi04) 40
2.3.4. Metalizacja grubowarstwowa podłoży z azotku glinu dla mikroelektroniki 42
L.3.5. Synteza celzjanu 44
2.3.6. Reakcje MgO z węglem w strefach roboczych obmurzy
konwertorów tlenowych 45
2.3.7. Rozkład mulitu na korund i SiO 47
2.4. Refleksje o zmianach entropii towarzyszących działalności człowieka
(pojęcie „ektropii"w ujęciu E. Górlicha) 48
2.5. Uzupełniająca interpretacja technologiczna 50
Rozdział 3
UKŁADY FAZOWE 53
3.1. Fazy w materiałach ceramicznych 53
Uwagi ogólne 53
Fazy skondensowane 54
Rola fazy gazowej w procesach ogniowych 55
3.2. Niektóre aspekty interpretacji diagramów fazowych 58
Układy jedno-i dwuskładnikowe 58
Układy trójskładnikowe 62
Układy wieloskładnikowe 65
3.3. Skład fazowy tworzyw z surowców ilastych (glinokrzemianowych) 66
Ocena roli domieszek 66
Zmiany składu fazowego ze wzrostem temperatury i ich interpretacja 68
Wyznaczenie skumulowanej zawartości fazy ciekłej i mulitu 71
3.4. Przykłady rozwiązywania problemów technologicznych w oparciu
o trójkąty współtrwałości w układach trójskładnikowych , 75
Wolne wapno w tworzywach ceramicznych 75
Synteza ogniowa minerałów o niskim współczynniku rozszerzalności
cieplnej 78
3.4.3. Skład fazowy spieków samorozpadowych w produkcji tlenku glinu
i cementu z surowców nieboksytowych 79
3.4.4. Fazy powstające w toku wysokotemperaturowej reakcji piasku
cyrkonowego z wapnem 80
3.5. Przykłady rozwiązywania problemów technologicznych w oparciu
o charakterystykę fazy ciekłej w układach dwu- i trójskładnikowych 82
Topnik ołowiowo-sodowy w składzie emalii oraz żużle ołowiowe 82
Faza szklista w tworzywach typu porcelany 83
Skład fazowy ogniotrwałych wyrobów glinokrzemianowych 85
Skład fazowy i łatwotopliwe eutektyki w zasadowych materiałach ogniotrwałych 86
4
3.5.5. Korozja ogniotrwałych tworzyw glinokrzemianowych pod działaniem
szkła sodowo-wapniowego 91
3.6. Uzupełniająca interpretacja technologiczna 92
Rozdział 4
KINETYCZNE ASPEKTY PRZEMIAN
WYSOKOTEMPERATUROWYCH W CERAMICE 94
4.1. Uwagi ogólne o zastosowaniu danych kinetycznych w technologii ceramiki 94
Specyfika reakcji w tworzywach ceramicznych 94
Zależność stałej szybkości reakcji od temperatury , 96
Kinetyka liniowa 98
Kinetyka reakcji kontrolowanych przez dyfuzją w fazie stałej
i w obecności fazy ciekłej 99
Kinetyka reakcji pierwszego rzędu i rzędów ułamkowych 101
Kinetyka reakcji kontrolowanych przez zarodkowanie 101
Dobór przykładów . 103
4.2. Kinetyka i mechanizm niektórych reakcji pomiędzy fazami stałymi i gazowymi 104
Mechanizm utleniania się grafitu 104
Utlenianie się domieszek organicznych w wyrobach z surowców ilastych 105
Obróbka termiczna miedziowych elementów grubowarstwowych:
aspekt kinetyczny i bilansu masy 110
Utlenianie się prętów grzejnych z dwukrzemku molibdenu 113
Utlenianie się wyrobów z węglika krzemu 116
Azotowanie krzemu wysokiej czystości 119
4.3. Kinetyka i mechanizm oddziaływań obejmujących krystalizację produktu
reakcji z fazy gazowej 122
4.3.1. Otrzymywanie warstw metodą chemicznego osadzania
z fazy gazowej (CVD) 122
4.3.2. Wysokotemperaturowe reakcje MgO + C i wytrącanie się
zwartej warstwy peryklazu 127
4.4. Kinetyka i mechanizm niektórych przemian wysokotemperaturowych
i syntez minerałów tlenkowych 129
Faza przejściowa w przemianie polimorficznej kwarc-krystobalit 129
Przemiana gamma-alfa AI2O3 l3^
Wysokotemperaturowe przeobrażenia bezwodnych krzemianów glinu 133
Synteza ortokrzemianu cyrkonu 135
Synteza cyrkonianu wapnia , 137
5
4.4.6. Synteza alitu w mieszaninach o uproszczonym składzie cementu
portlandzkiego 139
4.5. Kinetyka i mechanizm niektórych procesów przebiegających na styku
stopionych faz szklistych i faz starych 144
Rozpuszczanie się krzemionki z zestawu szklarskiego w stopach alkaliczno-krzemianowych 144
Dewitryfikacja szkieł krzemionkowych 147
Specyfika kinetyki procesów korozji materiałów ogniotrwałych
przez stopione szkło 151
4.6. Uzupełniająca interpretacja technologiczna 152
4.6.1. Możliwości kształtowania kinetyki procesu poprzez wybór temperatury
i czasu obróbki ogniowej (krzywej wypalania) 152
Rodzaj przebiegu i mechanizmu procesu a praktyka obróbki cieplnej 154
Możliwości kształtowania kinetyki procesu poprzez dobór właściwości
masy przeznaczonej do wypalania, i/lub składu reagentów gazowych 155
4.6.4. Uwagi o reakcjach technologicznie niepożądanych 158
Rozdział 5
PROCESY KSZTAŁTOWANIA SIĘ MIKROSTRUKTURY
TWORZYW CERAMICZNYCH ROZPATRYWANE
W UJĘCIU DYNAMICZNYM 159
Wstęp 159
Reakcje przejściowe i spontaniczne przemiany składu fazowego 160
5.2.1. Typowe fazy konstytucyjne występujące w różnych stadiach
kształtowania się mikrostruktury 160
5.2.2. Mulityzacja tworzyw z surowców ilastych 162
Przemiany kaolinitu w początkowym okresie ogrzewania 162
Mechanizm i kinetyka formowania się fazy mulitowej 164
Ewolucja mikrostruktury podczas ogrzewania
do wyższych temperatur 169
5.2.2.4. Równowagi metatrwałe w układzie AI2O3 - S1O2 171
Topienie i homogenizacja szkła sodowo-wapiennego i rola siarczanu sodowego jako składnika zestawu 171
Synteza tytanianu baru z substratów proszkowych 173
5.3. Efekty związane z przeobrażeniami systemu porów 176
5.3.1.,Uwagi ogólne 176
6
5.3.2. Prasowanie na gorąco 178
Wstęp 178
Wykorzystanie efektu Hedvalla do prasowania na gorąco
surowców ilastych 179
5.3.2.3. Prasowanie na gorąco cegieł licowych z łupków ilastych 181
5.3.3. Zmiany porowatości i spoistości tworzywa wynikające z wzajemnego
oddziaływania składników mas 182
Wpływ składu i rodzaju surowców na mikrostrukturę cegieł budowlanych 182
Niektóre aspekty szybkościowego wypalania wyrobów
ceramiki szlachetnej 185
5.3.4. Pęcherzyki gazowe w tworzywach ceramicznych 188
Narastanie warstw przejściowych na powierzchniach roboczych obmurzy elementów ogniotrwałych 191
Uwagi o zachowaniu się niektórych materiałów ceramicznych w czasie eksploatacji w warunkach otoczenia i w temperaturach podwyższonych 194
Uzupełniająca interpretacja technologiczna 196
Rozdział 6
STRUKTURALNE ASPEKTY REAKCJI
WYSOKOTEMPERATUROWYCH I KOMPLEKSOWA
CHARAKTERYSTYKA PROCESÓW SPIEKANIA 198
Wstęp 198
Przykłady wpływu przemian struktur sieci na efekty technologiczne 199
Stabilizacja przemiany polimorficznej Ca2Si04 199
Wysokotemperaturowe reakcje ZrSi04 z CaO i rola fazy bagdadytowej 201
Ogólna charakterystyka reakcji 201
Model strefy reakcji 203
Założenia badań strukturalnych 208
Fazy powstające w betonach ogniotrwałych układu MgO - AI2O3 - Si02 209
Rola fazy potrójnej Si-C - O w procesie utleniania się SiC 210
6.3. Charakterystyka procesów spiekania 213
6.3.1. Samorzutność procesu 213
6.3.1.1. Spadek entalpii swobodnej w spiekaniu w fazie stałej 214
6.3.2. Procesy przenoszenia masy w spiekaniu w fazie stałej ¦•- 216
Przegrupowanie ziarn ¦ 216
Dyfuzja objętościowa i dyfuzja po granicach międzyziarnowych 218
7
6.3.2.3. Dyfuzja po swobodnych powierzchniach
i dyfuzja przez fazę gazową 219
6.3.2.4. Inne mechanizmy 221
6.3.3. Rozrost ziarn podczas spiekania w fazie stałej 221
Aspekt termodynamiczny 222
Mechanizm i kinetyka rozrostu ziarn 224
6.3.4. Przebieg spiekania w fazie stałej w ujęciu modelowym
(Model Coble'a-Kuczynskiego) 228
6.3.5. Kinetyka spiekania w fazie stałej 231
Miary postępu spiekania 231
Kinetyka spiekania w fazie stałej dla modelu ziarn kulistych 236
Kinetyka spiekania-podejście fenomenologiczne 238
Efekty kinetyczne w procesie spiekania 239
Spiekanie w fazie stałej proszków ceramicznych 243
Spiekanie z udziałem fazy ciekłej - spiekanie właściwe 246
Wstęp 246
Zwilżanie 247
Ilość i lepkość cieczy 250
Spiekanie w przypadku doskonałej zwilżalności ciała stałego
przez fazę ciekłą 250
Wpływ ilości cieczy na mikrostrukturę 251
Spiekanie z udziałem śladów fazy ciekłej 254
Spiekanie z małą do umiarkowanej ilości fazy ciekłej 254
Spiekanie w obecności dużej ilości lepkiej fazy ciekłej („witryfikacja") 258
Rozrost ziarn i rekrystalizacja 259
6.3.7.5. Spiekanie w obecności fazy ciekłej niedoskonale
lub źle zwilżającej ciało stałe 261
6.3.8. Spiekanie chemiczne 264
6.4. Uzupełniająca interpretacja technologiczna 265
Rozdział 7
PRZYKŁADY PROJEKTOWANIA INNOWACJI
W TECHNOLOGII CERAMIKI 268
Wstęp 268
Przykłady innowacji o zasięgu ogólnym , 269
7.2.1. Niskocementowe betony ogniotrwałe 269
8
7 2.2. Kształtki ogniotrwałe magnezjowo-grafitowe 271
7 2.3. Samorozwijająca się synteza wysokotemperaturowa 275
7 2.4. Podłoża dla mikroelektroniki oparte na azotku glinu 276
7 2.5. Warstwy krystaliczne osadzane z fazy gazowej. Metoda chemicznego
osadzania z fazy gazowej 280
7 3. Przykłady innowacji o zasięgu regionalnym i/lub specjalistycznym 284
Odporne na korozje spoiwa żużlowo-alkaliczne 284
Kompleksowa przeróbka surowców glinonośnych na tlenek glinu
i cement (metoda J. Grzymka) 286
7.3.3. Wapienne materiały ogniotrwałe otrzymywane metodą
„konsolidacji półogniowej"287
Immobilizacja odpadów nuklearnych przy użyciu tworzyw ceramicznych.... 289
Bioceramika hydroksyapatytowa 290
Przeróbka łusek ryżu na węglik i azotki krzemu 293
Nowe rozwiązania w dziedzinie inżynierii materiałów żaroodpornych 295
Kompozyty na osnowie polikrystalicznego tetragonalnego
dwutlenku cyrkonu (TZP) z dodatkiem ziarnistego węglika wolframu 298
Literatura 301
Uwaga! Na zdjęciach wokół liter możliwe charakterystyczne zniekształcenia - wynikają z konieczności kompresji zdjęć. W rzeczywistości zniekształcenia nie występują. (Czasami przy cz-b zdjęciach możliwe artefakty powodowane przez skaner - charakterystyczne pasy.) Możliwe też błędy w zapisie - z powodu niedoskonałości odczytu OCR, za co przepraszam i licze na wyrozumiałość.
