1

2109101Engineering Materials

Ceramic MaterialsComposites Materials

2

วัสดุเซรามิก

วัสดุเซรามิกคืออะไร

ประเภทของเซรามิก/ สมบัติโดยสังเขป

เซรามิกดั้งเดิมและเซรามิกทางวิศวกรรม

กระบวนการผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

3

นิยาม: เซรามิก คือ อะไร?

วัสดุอนินทรีย (Inorganic Materials)ประกอบดวยธาตุโลหะและอโลหะมารวมตัวกัน(ยกเวน แกรไฟต = C, และซิลิคอน = Si)จับตัวกันดวยพันธะไอออนิก/โควาเลนต

ความแข็งสูง จุดหลอมเหลวสูง

มักนําไฟฟาไดไมดี

4

ประเภทของเซรามิก

แบงเปนเซรามิกดั้งเดิม (Traditional Ceramics)

ดินเหนียว (Clay), ซิลิกา (Silica), เฟลดสปาร (Feldspar-แรฟนมา)

เซรามิกทางวิศวกรรม (Engineering Ceramics/ Advance Ceramics)

Al2O3, SiC, Si3N4

5

He -

Ne -

Ar -

Kr -

Xe -

Rn -

Cl 3.0Br

2.8I

2.5At

2.2

Li 1.0Na 0.9K

0.8Rb 0.8Cs 0.7Fr

0.7

H 2.1

Be 1.5Mg 1.2

Sr 1.0Ba 0.9Ra 0.9

Ti 1.5

Cr 1.6

Fe 1.8

Ni 1.8

Zn 1.8

As 2.0

C 2.5Si

1.8

F 4.0

Ca 1.0

Table of Electronegativities

CaF 2: largeSiC: small

Adapted from Fig. 2.7, Callister 6e. (Fig. 2.7 is adapted from Linus Pauling, The Nature of the Chemical Bond, 3rd edition, Copyright 1939 and 1940, 3rd edition. Copyright 1960 byCornell University.

• Large vs small ionic bond character:

พันธะเคมีในวัสดุเซรามิกเปนพันธะไอออนิก/โควาเลนต ขึ้นกับผลตางของอิเลกโตรเนกาติวิตี้

6

Glasses Clay products

Refractories Abrasives Cements Advanced ceramics

-optical -composite reinforce -containers/ -household

-whiteware -bricks

-bricks for high T (furnaces)

-sandpaper -cutting -polishing

-composites -structural

engine -rotors -valves -bearings

-sensors

(Adapted from Fig. 13.1 and discussion in Section 13.2-6, Callister 6e.)

TAXONOMY OF CERAMICS

สมบัติเดนของเซรามิก: จุดหลอมเหลวสูง (ยกเวน แกวจุดหลอมเหลวสูงปานกลาง) แข็ง เปราะ มอดุลัสความยืดหยุนสูง ทนตอ Creep ไดดีการใชงาน: ทนความรอนสูง ทนการสึกกรอน และงานเฉพาะอื่น ๆ เชน ทางไฟฟา

แกว ดินเหนียว วัสดุทนไฟ วัสดุขัดสี

7

เซรามิกทนความรอน- วัสดุทนไฟ

1. fireclay: temp. < 1587 oC ชิ้นสวนโครงสรางเตา2. Silica or acid refractory.: temp. < 1650 oC3. Basic refractory: MgO สูง4. Special refractory: alumina, silica, magnesia, zirconia

(ZrO2), mullite(3Al2O3-2SiO2), graphite, SiC.

8

เซรามิกที่เปนสารขัดสี

ใชตัดหรือขัดสีวัสดุอื่น ๆ

มี ๓ รูปแบบ: 1.bonded to grinding wheel (glass ceramic, resin, and metal bond) 2. coated abrasive 3. loose grains.

9

Engineering ceramics เซรามิกทางวิศวกรรม

Alumina (Al2O3): วัสดุทนไฟ, ทอหรือปูพื้นสําหรับงานเคมี, เบา, หัวเทียน, ฉนวน

Silicon nitride(Si3N4): สมบัติดีทั้งดานการทนความรอน ความแข็งและความแกรง ใชทําอุปกรณตัด ลูกกลิ้งแบบลดแรงเสียดทาน บอลแบริ่ง อุปกรณหัวจุด ชิ้นสวนเครื่องยนต

10

Engineering ceramics เซรามิกทางวิศวกรรม (2)

Silicon Carbide (SiC): ความแข็งสูง เฉื่อยตอปฏิกิริยาเคมีและทนความคืบสูงแตคอนขางเปราะ ในใชงานเคมี หัวฉีด งานทนตอการสึกกรอน งานทนตอความรอน (และความคืบ) เชน ทอ เตาที่ใชอุณหภูมิสูง

Zirconia (ZrO2) : ทําอุปกรณตัดที่ตองการการสึกหรอต่ํา การขยายตัวเนื่องจากอุณหภูมิสูง เหมาะสําหรับเคลือบบนผิวโลหะ

11

Electronic ceramicsเซรามิกในงานไฟฟาฉนวน: Electrical porcelain (~ 50%clay, 25% silica, 25% feldspar), steatite (~90% talc, 10% clay), fosterite(Mg2SiO4), alumina.ตัวเก็บประจุ: Barium titanate (BaTiO3) มีคาdielectric constant สูงถึง 1200-1500.สารกึ่งตัวนํา: silicon, SiC, GaAs.วัสดุพวก Piezoelectrics

12

สมบัติไดอิเล็กตริกตัวเก็บประจุ C = q/V หนวย C/V=F (Coulomb/volt = Farad)รูปขางลาง แสดงตัวเก็บประจุจากแผนโลหะขนานสองแผนในสุญญากาศ

lAC 0ε=

Permittivity ของสุญญากาศ=8.854×10-12 F/m

13

สมบัติไดอิเล็กตริก

เมื่อมีวัสดุอื่นอยูระหวางแผนโลหะ

lAC 0κε=

คาคงที่ไดอิเล็กตริกของวัสดุนั้น

14

สมบัติไดอิเล็กตริก

คาคงที่ไดอิเล็กตริกสูง--- เปนตัวเก็บประจุที่ดี(ถาต่ํา --- เปนฉนวนไฟฟา)

Dielectric Strength ความตางศักยสูงสุดที่วัสดุยังคงความเปนฉนวนไวได (คือไมยอมใหไฟฟาไหลผาน)

V/mil, kV/mm

15

สมบัติไพอิโซอิเล็กตริก

พบในวัสดุพวกแบเรียมไททาเนต (BaTiO3)วัสดุสามารถเปลี่ยนพลังงานไฟฟาเปนพลังงานกล(เกิดความเครียดขึ้นภายในสนามไฟฟา) และกลับกัน (สรางความตางศักยภายใน เมื่อเกิดความเครียด)

16

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

17

• Quartz is crystallineSiO2:

Si4+Na +

O2-

• Basic Unit:

Si0 4 tetrahedron4-

Si4+

O2-

• Glass is amorphous• Amorphous structure

occurs by adding impurities(Na+,Mg2+,Ca2+, Al3+)

• Impurities:interfere with formation ofcrystalline structure.

(soda glass)Adapted from Fig. 12.11, Callister, 6e.

GLASS STRUCTURE

18

Glass (amorphous solid)

T

Specific volume

Liquid (disordered)Supercooled

Liquid

Crystalline (i.e., ordered) solid

TmTg

• Specific volume (1/ρ) vs Temperature (T):

• Glasses: --do not crystallize--spec. vol. varies smoothly with T--Glass transition temp, Tg

• Crystalline materials: --crystallize at melting temp, Tm--have abrupt change in spec.

vol. at Tm

• Viscosity: --relates shear stress &

velocity gradient:--has units of (Pa-s)

τ = ηdvdy

velocity gradient

dvdy

τ

τglass dv

dy

Adapted from Fig. 13.5, Callister, 6e.

GLASS PROPERTIES

19

Various Points in Glasses

20

Various Points in Glasses

21

การผลิตแกว

Pressing

Blowing

22

การผลิตแกว

23

• Annealing:--ลดความเคนภายในอันเกิดจากการเย็นตัวที่ไมสม่ําเสมอ--อบถึง Annealing Point แลวใหเย็นตัวชา ๆ จนถึงอุณหภูมิหอง

• Tempering:--ทําใหผิวแกวอยูในสภาวะความเคนอัด--จะชวยปดไมใหรอยราวที่ผิวขยายตัวออกไป

--ผลของการ temper แกว- รอยราวที่ผิวถูกบีบปดไว แกวทนแรงไดสูงขึ้น

further cooledbefore cooling surface cooling

tensioncompression

compressionhot hot

cooler

cooler

HEAT TREATING GLASS

24

Tempered Glass

25

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

26

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

การเตรียมวัสดุผงวัสดุ, สารยึดเหนี่ยว (Binder), สารหลอลื่น(Lubricant)

การขึ้นรูปกรรมวิธีทางความรอนการอบแหงและกําจัดสารยึดเหนี่ยวSintering (Firing)Vitrification

27

ram billet

container

containerforce die holder

die

Ao

Adextrusion

• บดและคัดขนาดใหไดขนาดอนุภาคที่ตองการ

• ผสมอนุภาคกับน้ํา ไดเปน สลิป (slip)

--Hydroplastic forming:extrude the slip (e.g., into a pipe)

• ขึ้นรูปเปน "green" component

ชิ้นงานกลวง

pour slip into mold

absorb water into mold “green

ceramic”

pour slip into mold

drain mold

“green ceramic”

• Dry and Fire the component

--Slip casting:

ชิ้นงานตัน

Adapted from Fig. 11.7, Callister 6e.

Adapted from Fig. 13.10, Callister 6e.(Fig. 13.10 is from W.D. Kingery, Introduction to Ceramics, John Wiley and Sons, Inc., 1960.)

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

28

• ดินเหนียวเปนวัสดุราคาถูก• เมื่อผสมน้ําเขาไปในดินเหนียว

--ทําใหเนื้อวัสดุเฉือนออกจากกันไดงายตามระนาบที่ ดูดกันดวยแรงออน ๆ ของวันเดอรวาล

--ทําใหขึ้นรูปดวยวิธี extrusion ได--ทําใหขึ้นรูปดวยวิธี slip casting

• Structure ofKaolinite Clay:

Adapted from Fig. 12.14, Callister 6e.(Fig. 12.14 is adapted from W.E. Hauth, "Crystal Chemistry of Ceramics", American Ceramic Society Bulletin, Vol. 30 (4), 1951, p. 140.)

SLIP

weak van der Waals bonding

charge neutral

charge neutral

Si 4+

Al 3+-OH

O2-

Shear

Shear

29

30

31

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

การขึ้นรูปโดยกระบวนการอัด (Pressing)Cold Pressing/ Hot PressingIsostatic PressingUniaxial Pressing

32

33

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

Advanced Ceramics/Engineering Ceramics Traditional Ceramics

34

Si0 2 particle (quartz)

glass formed around the particle

micrograph of porcelain

70 µm

wet slip partially dry “green ” ceramic• Firing:

--T raised to (900-1400 C)--vitrification: glass forms from clay and flows between

SiO2 particles.

• Drying: layer size and spacing decrease.Adapted from Fig. 13.11, Callister 6e.(Fig. 13.11 is from W.D. Kingery, Introduction to Ceramics, John Wiley and Sons, Inc., 1960.)

Adapted from Fig. 13.12, Callister 6e.(Fig. 13.12 is courtesy H.G. Brinkies, Swinburne University of Technology, Hawthorn Campus, Hawthorn, Victoria, Australia.)

DRYING AND FIRING

35

• Firing/Sintering: ลดขนาดของรูพรุน (Pore Size)ทําใหความหนาแนนเพิ่มขึ้นความแข็งแรงสูงขึ้นกระบวนการในสภาพของแข็ง (Solid-state process)

• Aluminium oxide powder:--sintered at 1700°C

for 6 minutes.

Adapted from Fig. 13.15, Callister 6e.(Fig. 13.15 is from W.D. Kingery, H.K. Bowen, and D.R. Uhlmann, Introduction to Ceramics, 2nd ed., John Wiley and Sons, Inc., 1976, p. 483.)

15 µm

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

36

ปรากฏการณที่เกิดในการเผาผนึก

37

สมบัติทางกลของเซรามิก

ขึ้นกับปริมาณและขนาดของรูพรุนเปนสําคัญ (กระบวนการเผาผนึก) รองลงไปคือ ขนาดเกรน ปริมาณและขนาดของสิ่งเจือปน สวนผสม สิ่งแวดลอม ฯลฯโดยทั่วไปเปนวัสดุเปราะ และมีคามอดุลัสความยืดหยุนสูงมากทดสอบทางกลดวยการทดสอบแรงอัด หรือ แรงดัดสามจุด (Three-point Bending)

38

สมบัติทางกลของเซรามิก

การทดสอบ Three-point Bending

39

วัสดุเปราะ (Brittle Materials)วัสดุเหนียว (Ductile Materials)

40

วัสดุเปราะ (Brittle Materials)วัสดุเหนียว (Ductile Materials)

41

การผลิตผลิตภัณฑเซรามิก

4216

Cementation

• กระบวนการเหมาะสําหรับผลิตคราวละมาก ๆ (การผลิตเชิงมวล)• ตัวอยาง- ปูนซีเมนตพอรตแลนด (Portland cement):

• mix clay and lime bearing materials• calcinate (heat to 1400°C)• สวนผสมหลัก:

• tri-calcium silicate• di-calcium silicate

• เวลาใชงาน- ผสมน้ํา• เกิดเปนของผสมเปยก (Paste) ซึ่งนําไปเท กอ เปนรูปรางได กอนที่มันจะแข็งตัว

• การแข็งตัวเกิดจากปฏิกิริยา hydration (chemical reactions with the water)

4317

SUMMARYBasic categories of ceramics:

glassesclay productsrefractoriescementsadvanced ceramics

Fabrication Techniques:glass forming (impurities affect forming temp).particulate forming (needed if ductility is limited)cementation (large volume, room T process)

Heat treating in Glasses: Used toalleviate residual stress from cooling,produce fracture resistant components by putting surface into compression.

44

วัสดุผสมComposite Materials

45

นิยามและประเภทของวัสดุผสมวัสดุผสม

ประกอบขึ้นจากวัสดุหลายชนิด

มีสัดสวนแนนอน

คุณสมบัติขึ้นกับวัสดุตั้งตน

ไมเกิดปฏิกิริยาเคมี/หลอม/ละลาย

ผสมในระดับมหภาค หรือ จุลภาค

ประกอบดวย วัสดุพื้น (Matrix) และวัสดุเสริม (Dispersed Phase)

woven fibers

cross section view

0.5 mm

0.5 mmReprinted with permission fromD. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.

46

นิยามและประเภทของวัสดุผสม

วัสดุพื้น (เมทริกซ)เนื้อวัสดุมีความตอเนื่อง

มีหนาที่ถายทอดแรงกระทําไปยังเฟสอื่น

ปกปองเฟสอื่นจากสิ่งแวดลอม

ประเภทMMC, CMC, PMC

Metal-matrix Composite

Ceramic-matrix Composite

Polymer-matrix Composite

47

นิยามและประเภทของวัสดุผสม

วัสดุเสริมเพิ่ม/เสริมคุณสมบัติใหแกเมทริกซMMC เพิ่ม YS, TS, Creep Resist.CMC เพิ่ม KCPMC เพิ่ม E, YS, TS, Creep Resist.

ประเภทParticle, Fiber, Structuralอนุภาค, เสนใย, โครงสราง

48

วัสดุผสมชนิดเสริมดวยอนุภาค

49

วัสดุผสมชนิดเสริมดวยอนุภาค

50

วัสดุผสมชนิดเสริมเสนใย

51

วัสดุผสมชนิดโครงสราง• Sandwich panels แผงแซนดวิช

-- ความหนาแนนต่ํา, แกนกลางเปนโครงสรางรังผึ้ง-- ขอดี: เบา, ความตานการโกงสูง