Nr.11-Keramiske materialer - Materialteknologi - Høgskolen i Gjøvik

Kompendium / Høgskolen i Gjøvik, 2012 nr. 11Keramiske materialerHenning JohansenGjøvik 2012ISSN: 1503‐3708

Keramiske materialerHenning Johansen

Keramiske materialerCeramicsINNHOLDFORORD1 INNLEDNING2 STRUKTUR3 EGENSKAPER4 UNDERGRUPPER AV KERAMER4.1 Leirematerialer4.2 Glass4.3 Høy-ytelses keramer4.4 Glasskeramer4.5 Sement og betong5 PRODUKSJON AV KERAMKOMPONENTER6 TEKNISKE BELEGG7 DESIGN OG KONSTRUKS JONSPRINSIPPER8 FORDELER OG ULEMPER9 EKSEMPLER PÅ ANVENDELSE9.1 Bilindustrien9.2 Metallbearbeiding9.3 Pumper og armaturer9.4 Kulelager9.5 Tekstilindustrien9.6 Elektroteknikk og elektronikk9.7 Biokeramer, implantater9.8 En kort oversikt over anvendelse av tekniske keramer10 REFERANSER11 VEDLEGG11.1 Vedlegg 1 Strukturerside:333356667101010131314151516171718181920222323Copyright © 2012 Henning JohansenSist revidert 14.06.2012© 2012 Henning Johansen side 2

Keramiske materialerCeramicsFORORDDette kompendium er beregnet på personer som er fortrolig med grunnleggende materiallæreog som ønsker å få en grunnleggende innføring i keramiske materialer. Det er skrevet ut i fraen serie med forelesninger for bachelorstudenter i Materiallære ved Høgskolen i Gjøvik. Deter lagt stor vekt på gode illustrasjoner og kortfattet tekst.Som mål har dette kompendium å gi en kort innføring om keramiske materialer. Vi ser påhvordan vi kan dele inn keramer i undergrupper, hvordan strukturen er bygd opp og hvilkeegenskaper vi kan ha i disse materialene. Vi ser på hvordan keramiske materialer produseresog litt om hvordan vi kan benytte de som belegg på andre materialer. Vi ser også på viktigedesign- og konstruksjonsprinsipper og hva som er fordelene og ulempene ved å benytte dissematerialene. Til slutt er det vist noen eksempler på bruk av keramiske materialer.Forfattereren var tidligere ansatt som bl.a. seksjonsleder ved Teknologisk Institutt, avd. formaterialteknologi i Oslo, og er nå førsteamanuensis i materialteknologi ved Høgskolen iGjøvik.1 INNLEDNINGKeramikk (av gresk keramos, leire) er fellesbetegnelsen for produkter fremstilt av masser sominneholder leirer eller leirlignende materialer. De blir holdbare ved sintring (brenning).Keramer er per definisjon ikke-organiske, ikke-metalliske materialer som formes til produkterfør eller under høytemperaturreaksjoner (over 500 0 C).Keramene består av forbindelser mellom metallatomer og ikke metallatomer.Betegnelsen keramer dekker en stor familie, og omfatter flere av de eldste materialene sommenneskene har tatt i brukt. Eksempler er stein, krustøy, glass, murstein og betong.I forhold til de andre materialgruppene, utgjør bruken av de tekniske keramer (høy-ytelseskeramer) en nokså liten andel. Denne forventes å øke, og i første omgang er det fly-, romfartsogbilindustrien, som er pådrivere i denne utviklingen.Keramer er av interesse når en skal vurdere alternativer ut fra at produktene må væretemperaturbestandige, korrosjonsbestandige, slitasjebestandige og/eller ha lavt vekt.© 2012 Henning Johansen side 3

Keramiske materialerCeramicsFigur 1.1 under, viser de tekniske keramene.Figur 1.1Undergrupper av keramer. (1)2 STRUKTURBindingstypene i keramene er enten ioniske eller kovalente, og dette innebærer at atomenesitter godt fast i bestemte posisjoner i et visst forhold til hverandre. Flyting hos keramene kanikke skje på samme måte som hos metallene. Det er heller ikke molekyler som beveger segfor å ta opp lastpåvirkninger, slik som i polymerene.Keramene er derfor sterkere og hardere enn metallene, og de har også høyere smeltepunkt ogelastisitetsmodul, lavere termisk utvidelse og lavere reaktivitet.Atomenes motstand mot å flytte på seg under lastpåvirkning viser seg som materialets styrke.Når lastpåvirkningen øker, kan ikke strukturen gi etter uten at de faste bindingene brytes.Dette gjenspeiler seg som sprøhet i keramene.Mens de «klassiske» keramene er fremstilt av råmaterialer som kaolin, kvarts, feltspat osv. ogderfor hører til silikatkeramikken, så omfatter industrikeramikken for det meste materialerbasert på syntetisk fremstilte oksider, karbider, nitrider osv. Aluminiumsoksid, sinkoksid,silisiumkarbid og silisiumnitrid er noen eksempler.På samme måte som for polymerene, finner vi både krystallinske og ikke-kystallinskekeramer.Det finnes også noen produkter som har en struktur som er en kombinasjon av disse. Glass ogZirkonia er henholdsvis eksempler på ikke-krystallinsk og krystallinsk keram.© 2012 Henning Johansen side 4

Keramiske materialerCeramicsFigur 2.1 viser keramenes strukturoppbygning.Figur 2.lKeramenes strukturoppbygning. (1)De krystallinske keramene har kornstruktur, og den kan endres med forskjellige tilsatser.Keramlegeringene har flere forskjellige faser. Disse forhold og fremstillingsprosessenpåvirker materialets egenskaper. Keramene kan altså tilpasses til mange ulike anvendelser.© 2012 Henning Johansen side 5

Keramiske materialerCeramics3 EGENSKAPERI tabell 3.1 er det vist noen veiledende data og noen typiske egenskaper for høy-ytelseskeramer. Når vi studerer denne tabellen, må vi være klar over at egenskapene til kerameneikke referer til bestemte standarder og spesifikasjoner i samme grad som for metallene.Når vi refererer til f.eks. «Alumina», må vi være klar over at dette ikke er ett materiale, menen gruppe hvor tilsetninger, materialblandinger, tetthet og varmebehandling gir utslag påegenskapene.typehøy-ytelseskeramerPrisEgenvektElastisitetsmodulBøyefasthetWeibullmodulusTrykkfasthetBruddseighetparameterSmelte/mykningtemp.TermiskkonduktivitetTermiskutvidelseTermisksjokkmotstand[kr/tonn] [g/cm 3 ] [GPa] [MPa] [MPa][MPam l/2 ] [ 0 C] [Wm -1 K -1 ] [m/K]Diamant 4 x 10 6 3,52 1050 5000 - - - 70 1,2 1000[K]Alurnina 60 3,9 380 3000 300-400Silisiumkarbid150 3,2 410 2000 200-500Silisiumkarbid3,5-10 3.2 310 1200 300-850Zirkonia * ) 300 5,6 200 2000 200-500Sialon - 3,2 300 2000 500-830* ) Delvis stabilisert 5% Ca010 3-5 2050 25,6 8,5 150(l 200)10 - 2840 84 4,3 300- 4 1900 17 3,2 50010-21 4-12 2570 1,5 8 50015 5 - 20-25 3,2 510Tabell 3.1Veiledende egenskaper for noen høy-ytelses keramer. (1)Ved hjelp av tabellen kan vi plukke ut noen av de mest karakteristiske egenskaper forkeramene:- Densiteten er lav, rundt 2 - 3 g/cm 3 .- Flytestyrken er lav, de fleste har R e under 170MPa.- Trykkfastheten er 3 - 5 ganger større enn strekkfastheten- Stivheten er høy, E-modulen ligger rundt 300 - 400GPa.- Hardheten er høy, mellom 1 000 - 3 000Vickers (HV).De termiske egenskapene er spesielle:- Noen av de tekniske keramene har smeltepunkt opptil og over 2 000 0 C. Det er høyere ennhos de fleste metaller. Sigemotstanden er en funksjon av smeltepunktstemperaturen. Ogsåkeramene er utsatt for siging når temperaturen nærmer seg smeltetemperaturen.- Termisk utvidelse for keramene varierer nokså mye. For «fused-silica» (en form forsammensmeltet silisiumoksid) er den veldig lav, og disse brukes derfor ofte tilmåletekniske formål. For andre keramer kan den termiske utvidelsen tilpasses demetalliske materialers utvidelser. Dette er viktig ved keramiske belegg på metaller.- Den termisk sjokkmotstanden for vanlig glass er relativt lav. Det er nok flere som haropplevd at bunnen har falt ut når en har prøvd å fylle kaldt vann på en varm glassflaske,eller varmt syltetøy på et kaldt glass. For høy-ytelses keramene er den termiskesjokkmotstanden vesentlig bedre, og mange kan tåle bråkjøling på flere hundre grader.- Den termiske konduktiviteten varierer mye. Noen egner seg som isolasjonsmateriale, andrehar svært god varmeledningsevne.© 2012 Henning Johansen side 6

Keramiske materialerCeramicsTabell 3.2 under, sammenligner egenskaper til keramer med metaller generelt.EGENSKAPER KERAMER METALLERTERMISK UTVIDELSE DUKTILITET TETTHET (SPESIFIK VEKT) TERM. KONDUKTIVITET ELEKTRISK KONDKTVTET HØYTEMPERATURFASTHET KORROSJONSRESISTENS SLITASJERESISTENS HARDHET = TENDENS MOT HØYERE VERDIER= TENDENS MOT LAVERE VERDIERTabell 3.2Sammenligning av egenskapene til keramer og metaller.Mens de fysiske og kjemiske egenskapene er avhengig av bindingstypen, så er de mekaniskeegenskapene avhengig av strukturen. (2)4 UNDERGRUPPER AV KERAMER4.1 LeirematerialerDisse omfatter tradisjonelt kjøkkentøy, fliser, murstein, takstein, drensrør og baderomsmøbler.De anvendes i store mengder. Produksjonsprosessen er nesten den samme som for2000år siden.4.2 GlassGlassene er amorfe materialer basert på silika (SiO 2 ). De er blandet med alkalisk oksid ogforskjellige tilsetninger for å påvirke mykningspunkt, farge, lys og andre egenskaper. Detfinnes over 50 000 glassoppskrifter fordelt på flere glassfamilier. Karakteristiske egenskaperer gjennomsiktighet, hardhet og stivhet ved romtemperatur, med evne til plastisk bearbeidingved høyere temperatur.4.3 Høy-ytelses keramerDisse keramene har de mest ettertraktede egenskapene innenfor varme-, slitasje- ogkorrosjonsmotstandighet, og optiske, elektriske og magnetiske egenskaper.© 2012 Henning Johansen side 7

Keramiske materialerCeramicsDet er materialer fra denne gruppen som forsiktig er på vei inn i b1.a. bilmotorer, flymotorerog varmevekslere. Prisen er ennå nokså høy, og de første bruksområdene er derfor i småkomponenter. Det kan være som belegg på turbolader-rotorer, stempelringer og sylinderinnlegg.Større deler og mer omfattende bruk finnes på prototyper og på forsøksstadiet hosflere bilprodusenter. Figur 4.1 viser potensielle bruksområder for keramer i motoren.Figur 4.1Potensielle anvendelsesområder for keramer i turbo-dieselmotoren. (1)Disse materialene betegnes også som «avanserte keramer». Den viktigste forbedringensammenlignet med de andre keramene, er at sprøheten er begrenset eller kontrollert.For å se hva dette betyr i praksis, skal vi se på hvorfor keramene er sprø. Keramene er sprø avnatur, fordi atombindingene ikke gir mulighet til at atomene kan flytte på seg uten atbindingene brytes. Hvis det befinner seg sprekker eller andre defekter i materialet, er det storsannsynlighet for brudd som følge av at spenningene blir sterkt konsentrert rundt defektene.Selv små defekter i keramiske komponenter, utsatt for relative lave belastninger, kan føre tillokale spenninger som overskrider det som atombindingene tåler. I metaller kan vi aksepteremye større defekter fordi strukturen flyter før sprekkene begynner å vokse.Tradisjonelle keramer som stentøy og porselensvarer, er vanligvis fulle av porer og defekterfra tilvirknings- og fremstillingsprosessene. Defektene varierer mye i størrelse, slik at det kanvære vanskelig å forutsi hvor stor belastning enhver komponent vil tåle.© 2012 Henning Johansen side 8

Keramiske materialerCeramicsHvis vi skal lage tekniske komponenter av keramer med egenskaper som en kan forutsi, må viha en bedre kontroll med defektene i materialet. Det krever en nøye kvalitetskontroll fraråmaterialet til det ferdige produkt.På datablad for keramer har vi oppgitt en egenskapsparameter kalt «Weibull modulus».Denne statistiske parameter uttrykker sansynnligheten for at en prøvekomponent tåler enbestemt last pr. materialvolum enhet. Jo lavere verdien for «Weibull modulus» er, jo størresannsynlighet er det for å finne defekter i materialet. De beste keramene har «Weibullmodulus»-verdier i området 20 - 30. Vanlig stentøy har en verdi på rundt 5, og metalleneligger på rundt 50.Sannsynligheten for å finne en større defekt i en komponent øker i forhold til volumet avmaterialet. En stor komponent er mer utsatt for brudd enn en mindre. Det er såledesnødvendig å ta hensyn til både «Weibull modulus» og volum av materialet i komponenten nårvi skal vurdere påliteligheten.Selv om «Weibull modulus» kan være nyttig ved materialvalget, må vi være forsiktig med åsammenligne verdier fra ulike kilder inntil det foreligger internasjonale standarder ogprøvemetoder.Under er det vist noen eksempler på høy-ytelses keramer.AluminaAlumina er trolig den mest velutviklede høy-ytelses keram i dag. Den er tilgjengelig under etutvalg av forskjellige handelsnavn. Keram-materialet inneholder ca. 85 - 90 % A1 2 0 3 . Restener SiO 2 , Mg0 og tilsetninger som påvirker formbarhet og sintring. Styrken og varmebestandighetenøker med økende Al 2 O 3 innhold, mens formbarheten avtar. Bruken kan værebegrenset av den termiske sjokkmotstanden, men materialet velges på grunn av dets høyehardhet og tilhørende slitasjebestandighet.ZirkoniaZirkonia (ZrO 2 ) har et smeltepunkt på rundt 2680 0 C. Det er allotropisk. Det vil si at detmellom romtemperatur og smeltetemperatur normalt vil gjennomgå to endringer ikrystallstrukturen. Det er monoklint til ca. 1170 0 C, tetragonalt mellom 1170 0 C og 2370 0 C,og kubisk over 2370 0 C.Disse egenskapene danner grunnlaget for å lage «seige» keramer:- Det er mulig å undertrykke omvandlinger ved legeringsteknikk- Det er 3 - 4% volumforskjell mellom tetragonal og monoklin strukturVed tilsetting av 3,0 - 3,5% magnesia (MgO) og en passende varmebehandling, kan detfremstilles delvis stablisert zirkonia. Dette forutsetter at strukturen består av en grunnmassemed kubisk krystallstruktur, med en jevn fordeling av små utfellinger med tetragonalkrystallstruktur. Dette er en ustabil (metastabil) struktur, og når temperaturen er under 1000 0 Cvil utfellingenes stabile form være monoklin istedenfor tetragonal.Når en sprekk dannes i denne strukturen og treffer en av utfellingene, vil spenningen gi nokdrivkraft til at utfellingen går over til en monoklin struktur. Dette medfører en volumøkningved sprekkspissen som bremser og vanskeliggjør videre vekst.© 2012 Henning Johansen side 9

Keramiske materialerCeramicsResultatet er et keramisk materiale som er mindre følsomt overfor defekter. Fenomenetbetegnes «Transformation Toughening», og zirkonia som er styrket på denne måten betegnesPSZ «Partially Stabilised Zirkonia». «Weibull modulus» er oppgitt til nærmere 30, ogbruddseigheten 12 - 15MPam 1/2 . PSZ e r halvparten så hardt som alumina og silisiumkarbid.PSZ anvendes til en rekke produkter som pumpe- og ventildeler, knusere, tann- oghofteproteser.Selv om PSZ synes å være det mest vellykkede materiale med «Transformation toughening»i dag, kan vi forvente at metoden anvendes i andre keramer i fremtiden.Tabell 4.1 under, sammenligner noen fysikalske egenskaper for Zirkonia med grått støpejernog aluminium.Grått støpejern AluminiumMaterialer → Zirconia↓ Fysikalske egenskaperZrO 2 AlDensitet (g/cm3) 5,8 7.25 2,7Young's modulus (GPa) 200 120 70Varmeledningsevne (W/mK) 2,5 58 220Utvidelseskoeffisient (1/K·lO 6 ) 10 10,5 23,8Bøyefasthet (MPa) 500 250-600 100-600 1)1) StrekkfasthetTabell 4.1Fysikalske egenskaper til Zr0 2 , Grått støpejern og Al. (1)SilisiumnitridVi finner ofte silisiumnitrid (Si 3 N 4 ) omtalt som «porøst» eller «tett». Porøsitet er et resultat avhvilken fremstillingsprosess som er brukt. Styrken er lavere i den porøse formen. En fordeler at den krymper lite under produksjonen, noe som muliggjør en høyere dimensjonsnøyaktighet.Anvendelsesområder er dyser og trakter i forbindelse med metallsmelting.I «tett» silisiumnitrid benyttes et bindemiddel som hjelper til ved sintringen. Dette gir bådehøyere tetthet og styrke. Ulempene er dårlig dimensjonskontroll og at den øvre brukstemperaturenkan være begrenset av bindemiddelet. Sammen med silisiumkarbid, prøves nå«tett» silisiumnitrid til ulike anvendelser i bilmotorer og i gassturbindeler.SialonerEn legering av alumina (A1 2 0 3 ) i silisiumnitrid (Si 3 N 4 ) betegnes sialon. Fordelen som oppnåsi disse materialene er en god kombinasjon av hardhet, slitasjebestandighet og varmebestandighet.Typiske anvendelsesområder er i skjærende verktøy og i enkelte motor- ogturbindeler.Det er åpenbart at sprøheten hos keramene er en av de vesentligste hindringer for økt bruk avderes ellers nyttige egenskaper i flere produkter.I nye såkalte seig-keramer er det søkt å vanskeliggjøre sprekkveksten ved hjelp av tilsetningeri grunnmaterialet. Disse fordeler spenningene vekk fra sprekkfronten. Virkemåten kansammenlignes med å prøve å knekke sjokolade tilsatt rosiner.På lengre sikt ventes det utviklet keramer med bedret seighet. De første kommersiellematerialene blir trolig heller «keram-baserte kompositter» enn «rene» keramer.© 2012 Henning Johansen side 10

Keramiske materialerCeramics4.4 GlasskeramerFormbarheten til glass er god, og det kan oppnås fine dimensjonstoleranser. Ved å tilsettetitanoksid (TiO 2 ) som kimdanner og utsette «glass»-komponenten for passendevarmebehandling, kan vi oppnå en krystallinitetsgrad opp mot 95%. Resultatet er etglasskeram, med rimelig gode egenskaper som kan skreddersys til ulike formål. Den termiskeutvidelsen for disse keramene kan tilpasses metallene. Brukseksempler er komfyrtopper ograkettradomer.4. 5 Sement og betongSement er finpulverisert og blandet kalk, stein, leire, skifer, sandstein, kvarts og feltspat.Sammen med vann herdner det til en hard masse.Betong er en blanding av sement, sand, vann og stein. Bindemiddelet i betong er altså sement.Betong kan motstå meget stort trykk, mens strekkfastheten er lav. Det er ca. 20 gangervanskeligere å presse sammen et betongstykke enn å brekke det i stykker.For å øke strekkstyrken armeres betong med stål. Betong og jern utvider seg like mye vedoppvarming, og det er ikke noe problem med sprekkdannelse. De kjemiske egenskaper tilbetong gjør at det beskytter mot korrosjon på stålet.Betong har i det siste århundre vært bygningsmaterialet fremfor noe. Typiske anvendelser eri bygninger, rør, broer, veier, damanlegg og understell til offshoreplattformer.Betong er enkelt å fremstille, og har etterhvert opptatt konkurransen med metallene ogplastene til bruk i mindre gjenstander. I Storbritannia og Frankrike ser vi nå nyeanvendelsesområder for betong. Skilt på bussholdeplasser, portaler, lyktestolper og veiskiltblir laget av betong.5 PRODUKSJON AV KERAMKOMPONENTERKomponenttilvirkningen gjøres i to hovedtrinn. Først et «sandkake-stadium» hvorråmaterialene presses til ønsket form (såkalt «grønn» tilstand). Deretter foregår det enbrenning til et endelig keramisk produkt. Etter brenningen er videre bearbeiding begrenset tilsliping med diamant.Råstoffene er meget lett tilgjengelige, men produksjonsprosessen setter begrensninger medhensyn til produktets utforming, mest for å forhindre at det faller sammen i «grønn» tilstand.© 2012 Henning Johansen side 11

Keramiske materialerCeramicsFigur 5.1 viser hovedproduksjonsprinsippene for keramene.Figur 5,1Hovedproduksjonsprinsippene for tekniske keramer. (1)Utgangspunktet er pulver hvor ingrediensene med kontrollert partikkelstørrelse blandes i etønsket forhold sammen med et binde-/smøremiddel. Blandingen formes enten ved pressing ien form (noe tilsvarende sprøytestøping), eller ved ekstrudering. Tettheten kan påvirkes vedstyring av presseprosessen. En eventuell bearbeiding bør gjøres i dette stadiet, mensegenskapene ennå kan påvirkes. De egenskapene som produktet da har, kan sammenlignesmed egenskapene til sandkaker, eller egenskapene til keramikk på dreieskivestadiet.© 2012 Henning Johansen side 12

Keramiske materialerCeramicsEn alternativ metode for å nå dette stadium, er å bruke en velling. Vellingen helles i en(gips)form, som trekker ut vannet. Det overflødige (flytende) materiale helles ut, og et lag av«grønt» produkt ligger igjen inne i formen. Baderomsmøbler, som b1.a. toiletter og vasker,fremstilles på denne måten.Det «grønne» produktet må deretter brennes i ovnen ved relativt høy temperatur (1000 -2000 0 C). Binde- og smøremidlene fordrives, og pulverpartiklene bindes/smeltes sammenved sintring, som er en diffusjonsprosess. Et typisk problem ved denne prosessen er denrelativt store krympingen, opptil 20%, ved brenning. Det kan også være vanskelig å holdedimensjonstoleransene.Figur 5.2Fremstillingsprosessen for keramiske produkter. (2)© 2012 Henning Johansen side 13

Keramiske materialerCeramics6 TEKNISKE BELEGGEt område hvor keramene har et stort potensiale, er som belegg på andre materialer. Ved åpåføre et duktilt materiale et keramisk belegg, kan vi oppnå en hard og slitesterk overflate.Forøvrig oppnås det en bedret bestandighet mot varme og kjemikalier.Belegget kan påføres enten ved plasmasprøyting, som er en høytemperatur flammesprøyting,eller ved en kjemisk pådampingsprosess. Plasmasprøyting er trolig mest aktuelt. Metodenbrukes typisk til påføring av slitebelegg av alumina (A1 2 0 3 ) og zirkoniumoksid (ZrO 2 ).Alternative harde belegg er silisiumkarbid og silsiumnitrid. Tykkelsen på et plasmasprøytetbelegg kan variere fra noen mikrometer til flere centimeter.Ved valg av belegg må vi også ta hensyn til det underliggende materiale. Den termiskutvidelsen må være tilpasset materialet, og overflaten må være forbehandlet slik at den er runok til at belegget sitter. Komponenten må være stiv nok i bruk til å unngå deformasjoner somkan gi sprekkdannelser i belegget. Vi bør unngå skarpe utvendige kanter og konstruktiveløsninger hvor belegget kan bli utsatt for strekkbelastninger, med sprøbrudd til følge.7 DESIGN OG KONSTRUKS JONSPRINSIPPERSprøhet i keramer er knyttet til fordelingen av små sprekker i materialet. Sprekken vokser nårdet er strekkspenninger foran sprekkspissen. De farligste sprekker er de som befinner seg i enfri overflate.Keramenes styrke bestemmes av:Struktur:Spenninger:Defekter:- Densitet (variasjoner)- Homogenitet (porøsitet, grovkorn)- Isotropi (anistropi i råmaterialet, eller ved bearbeiding)- Restspenninger (fra fremstillingen, ofte ved inhomogeniteter)- Belastningsspenninger (temperaturgradienter, mekaniske belastninger )- Overflatefeil (sprekker, porer, inneslutninger)- Volumfeil (sprekker, porer, inneslutninger, krympelunker)Bruddseigheten sier noe om hvor mye last materialet tåler før en sprekk av en gitt lengdevokser. Sannsynligheten for at det finnes overflatesprekker av farlig lengde er også et uttrykkfor materialets styrke.Bilindustrien er et viktig marked for keramer, både som termisk barriere (belegg påstempeltopp, utblåsningsrør) og som sliteflate. Keramisk belegging av hele brennkammeretgir den såkalte «adiabatiske» motor.Minst tre årsaker hemmer utviklingen av avanserte keramer:- Undervurdering av vanskelighetsgraden- Overvurdering av fordelene- Vanskelig dialog mellom keramleverandør og bruker, spesielt p.g.a. mangel på standarder.© 2012 Henning Johansen side 14

Keramiske materialerCeramicsFor konstruktøren er nøkkelen til vellykket bruk av keramer:- Hold overflaten i trykk- Unngå skarpe eller tynne kanter- Unngå spor, riss eller andre ujevnheter som kan gi spenningskonsentrasjoner- Sikre glatte overflater- Unngå mekanisk og termisk overbelastning- Kvalitetskontroll i alle prosesstrinnDette er gjenspeilet i aktuelle mekaniske konstruksjonsdata for keramene:- Strekkfasthet/bøyefasthet : måles fra bjelkeprøve- Trykkfasthet : oppgis- Termisk sjokk : oppgis, DT- Weibull modulus : beregnesLangsom sprekkvekst kan forekomme ved reaksjon med miljøet. Særlig er oksider utsatt vedromtemperatur, mens karbider og nitrider (SiC og SiN) er utsatt ved anvendelse i høytemperaturområdet.Med hensyn til praktiske produksjonsmuligheter for komponenter med høye ytelseskrav, erdetaljstørrelsen foreløpig noe begrenset, og det er nødvendig med god forståelse avdimensjonsmessige endringer ved brenning. Nøye kvalitetskontroll er påkrevd.Etterbearbeidingen kan skje ved sliping, honing, lepping, ultralyd og oppdelende metoder somgnisterosjon og laser.Som oppsummering, kan vi si at ved design og konstruksjon av detaljer i keramiskkematerialer gjelder disse reglene:- Ingen skarpe kanter og overganger- Strekkspenninger må unngås eller holdes lave- Unngå strekkbelastninger ved for eksempel forspenning, eller lag en konstruksjon somgir trykkspenning i stedet for strekkspenning- Termisk utvidelse må ikke hindres- Unngå sterke temperaturgradienter i konstruksjonsdelen8 FORDELER OG ULEMPERKeramiske materialer er teknisk-industrielt sett særlig attraktive av flere grunner:- De tåler høye temperaturer (opp til 1400 0 C)- De har høy styrke, veldig stor hardhet og høy E-modul (stivhet)- De har lav tetthet (30-40% av metallenes)- De har stor resistens (motstand) mot slitasje og korrosjon- Alt etter materialtype kan de ha fra lav til høy elektrisk og termisk konduktivitet(ledningsevne)- De har lav friksjon© 2012 Henning Johansen side 15

Keramiske materialerCeramicsTreghetsmomentet blir lavere, og det gjør at turboen kan reagere raskere og bilensakselerasjonsevne økes. Keramiske turbinløpehjul (rotorer) er kjørt med en periferihastighetpå 285m/s og en gasstemperatur på 1250K.Ved at vi keramikkbeleggerden delen av sylinderhodetsom vender inn motforbrennings-rommet, synkertemperaturen blant annet på detkritiske partiet mellomventilene. I den øvre delen avsylinderen får vi størst slitasje.Ved å belegge denne delenmed et keramisk belegg blirslitasjen vesentlig mindre.Figur 9.2Keramikkbelegg på stempeltopp, avgassrør og ventiler isylinder gir bedre energiutbytte. (2)9.2 MetallbearbeidingI den sponende tilvirkningen er skjærekeramikk tatt i bruk i økt omfang både til grovdreiingog findreiing. Moderne skjæreverktøy av aluniiniumoksid (A1 2 0 3 ), silisiumnitrid (Si 3 N 4 ),silisiumkarbid (SiC), borkarbid (BC) og sialon eller silisiumnitrid/sialon (Si 3 N 4 /SiAION) eruovertruffet når det gjelder varmefasthet, slitasjeresistens og kjemikalieresistens.Sialon blir fremstilt ved innlegering hovedsakelig av aluminiumoksid i silisiumnitrid. Det harlignende egenskaper som gjør at sialonkeram blir brukt som skjæreverktøy ved høyhastighetsmetallbearbeiding.Av andre komposittkeramer som tilvirkes er AI 2 O 3 /TiC, aluminiumoksid med innsintrettitankarbidpartikler. Den har større hardhet og slitestyrke enn ren A1 2 0 3 . Denne typendispersjonskeramikk blir utelukkende brukt til vendeskjærplater for dreiing og fresing avstøpejern og stål.© 2012 Henning Johansen side 17

Keramiske materialerCeramics9.3 Pumper og armaturerI pumpeindustrien blir det brukt abrasivogkorrosjonsresistente maskinelementerav oksidkeramikk. Eksempler er lager forvarme-omløpspumper og slitefrieministempler i pumper for høyttrykkrensing og doseringspumper. Høyrentaluminiumoksid brukes også til glidelagerog pakninger i for eksempelkjølevannspumper i bilindustrien. De kanbearbeides til en svært fin overflate somgir minimal friksjon, og garanterer derfortetningsevnen over lengre tid. Den storehardheten gjør at kranpakninger av A1 2 0 3ikke blir skadd av sand, rust eller kalksom følger med vannet.Figur 9.3Ettgrepsarmatur med tetningsskiver ialuminiumoksid. Keramikkmaterialet erkorrosjonsresistent og vedlikeholdsfritt. (2)9.4 KulelagerFigur 9.4Kulelager har silisiumnitrid og en meget finoverflate som gir lav friksjon. Det har høytrykkfasthet og høyere bæreforhold ennmetallageret. (2)Kuler og kulelager kan tilvirkes avsilisiumnitrid. De kan slipes og poleresslik at de får en svært fin overflate.Presisjonskuler i SiN kan tilvirkes med enoverflateruhet helt ned til Ra = 0,01μm.Den store hardheten gjør at kulen kan hamindre diameter enn en stålkule vedsamme belastning. Mindre diameter girmindre friksjon, mindre varmeutviklingog mindre roterende masser. De har godenødløps-egenskaper, dersomlagersmøringen skulle svikte. Den lavetettheten, den svært høye trykkfasthetenog hardheten tillater et høyerebæreforhold (belastninger) enn formetalliske kulelagre.© 2012 Henning Johansen side 18

Keramiske materialerCeramics9.5 TekstilindustrienDen enorme produksjonsøkningen på området syntesetråd og utviklingen av tekstilmaskinersom stadig blir raskere og sikrere, har ført til økt bruk av keramer i trådføringsorganene. Tildisse er aluminiumoksid mest brukt. For høyhastighetstilvirkning av syntesefibrer er detutviklet en spesiell type keramer på basis at titanoksid.9.6 Elektroteknikk og elektronikkElektrokeramer spenner over et stortområde. På grunn av sine gode mekaniske,termiske og elektriske egenskaper eraluminiumoksid et svært mye bruktmateriale i isolasjons-teknikken, blant annettil tennplugger.I gitterstyrte høyfrekvensrør for fjernsynssendereog radarapparater anses keramersom det ideelle materialet, blant annet fordidet er høyvakuumtett, har et gunstigdielektrisk forhold og har en effektivvarmebortledning.Figur 9.5Aluminiumoksid anvendes som substrat(underlag) i integrerte kretser. (2)Høyren, transparent aluminiumoksidkeramikkblir brukt i spesielle lysrør.De oppfyller de ekstreme kravene tiltemperatur opp til 1800K, en garantertbrukstid på 10 000 timer og et høyereenergiutbytte enn konvensjonelle lamper.Aluminiumoksid blir også brukt som substrat (underlag, fundament) i integrerte kretser,tynnfilmproduksjon og metallisert keramikk for høyintegrerte halvledere, «byggesteiner», og ioverflatemonteringsteknikk.I magnetkeramikken skiller vi mellom bløtmagnetiske materialer (for temporære magneter)og hardmagnetiske materialer (for permanente magneter). Sammenlignet med metalliskemagneter har keramikkmagneter den fordelen at de har betydelig lavere elektriskkonduktivitet og derfor mindre virvelstrømstap.Keramiske superledere har siden effekten ble oppdaget i 1986, hatt en rask utvikling. Dekeramiske massivmaterialene står i dag foran innføring på mange aktuelle bruksområder.Superledning (superkonduktivitet) kaller vi det fenomenet at den elektriske resistensen hos defleste metaller og legeringer plutselig faller mot null ved en temperatur som er karakteristiskfor materialet. Denne overgangstemperaturen, T c , også kalt spangtemperaturen, ligger i etsvært snevert temperaturområde. Forsøk med en rekke keramiske materialer førte i 1987 til atT c ble hevet fra litt over 0K til 92K med yttrium-barium-kobber-oksid. Dette har ført til at detkan benyttes flytende nitrogen i stedet for flytende helium. Det gir en betydelig kostnadsreduksjon.© 2012 Henning Johansen side 19

Keramiske materialerCeramics9.7 Biokeramer, implantaterEt sosialt aspekt oppfyller keramene imedisin-teknikken, bioteknologien.Kunstige tenner av keramikk har vi hattlenge. Nyere er tannimplantater somtannrotkomponenter.Mange områder i menneskeknoklene erutsatt for slitasje. Derfor er det utvikletkeramiske materialer somknokkelsubstitutt. De keramiskematerialene har vist seg særlig godt egnetfordi de ved siden av å ha høy mekaniskstyrke og hardhet, er absolutt formstabil,har høy kjemikalieresistens, og i stor gradgodtas av kroppsvevet. Høyrentaluminiumoksid har i lang tid vært bruktblant annet i hofteleddsproteser. Det erogså utviklet hånd-, fot- ogkneleddsproteser. En nyutvikling er ogsåkeramiske hjerteklaffer.Figur 9.6Hofreleddproteser. Over 100 000 menneskerhar fått implantert proteser for hofteleddet.Bildet viser proteser i finkornet, rentaluminiumoksid. Skaftet er i en titanlegering.(2)© 2012 Henning Johansen side 20

Keramiske materialerCeramics9.8 En kort oversikt over anvendelse av tekniske keramerEn oversikt over fagområder med anvendelsesområder for tekniske keramer og hvorfor, ervist i tabell 9.1under.Fagområde Anvendelsesområde Hvorfor keramikkProsessteknikkMaterialbearbeidingHøytemperaturteknikkMotorproduksjonElektroteknikkElektronikkOptikkEnergiteknikkMedisinsk teknikkKjemiapparaturGlideringerArmaturdelerTrådfGringerTrådtrekk-konerSkjæreverktøySlipeskiverSandblåsingsdyserBrennereSveisemunnstykkedyserVarmevekslerDiglerHeteledereVarmeisolasjonVentilseterTurboladerotorGassturbinerKatalysator for bilerTennpluggerSubstrater for integrertekretserIsolasjonsdelerKondensatorerSensorerNatriumdamplampeLasermaterialerMagneterKjernebrennstoffFaststoffelektrolyttHofteleddBenerstatningVevakseptKorrosjonsresistentSlitasjestyrkeSlitasjestyrkeHardhetTemperaturresistentKorrosjonsresistensVarmeledningsevneTemperaturresistentKorrosjonsresistentVarmeledningsevneLav tetthetsesifikke elektriskeegenskaperSpesielle elektriske ogmagnetiske egenskaperStråleresistentloneledningsevneMekanisk styrkeOverflatefinhetTabell 9.1Oversikt overeksempler anvendesområder for tekniske keramer. (2)© 2012 Henning Johansen side 21

Keramiske materialerCeramics10 REFERANSER1 Teknologibedriftenes Landsforening TBL (1988). Materialteknisk håndbok forVerkstedindustrien. ISBN 82-91073-00-72 R G Corneliussen (1993). Materialteknikk - Ikke-metalliske materiale..ISBN 82-00-41022-63 M F Ashby & D R H Jones (1988). Engineering Materials 2. ISBN 0-08-032531-9© 2012 Henning Johansen side 22

Keramiske materialerCeramics11 VEDLEGG11.1 Vedlegg 1 StrukturerKeramer, har som metaller struktur på atomnivå. De har krystallstruktur (som krystall) elleramorf struktur (som glass).Simple ionic ceramicsFigure 11.1Ionic ceramics (3)(a) The rocksalt, or NaCI, structure.(b) Magnesia, MgO, has the rocksalt structure. It can be thought of as an f.c.c. packing withMg ions in the octahedral holes.(c) Cubic zirconia ZrO 2 : an f.c.c. packing of Zr with O in the tetrahedral holes.(d) Alumina, AI 2 O 3 : a c.p.h. packing of oxygen with Al in two-thirds of the octahedral holes.© 2012 Henning Johansen side 23

Keramiske materialerCeramicsSimple covalent ceramicsFigure 11.2Covalent cerarnics (3)(a) The diamond-cubic structure; each atom bonds to four neighbours.(b) Silicon carbide: the diamond cubic structure with half the atoms replaced by silicon.(c) Cubic silica: the diamond cubic structure with an SiO 4 tetrahedron on each atom site.© 2012 Henning Johansen side 24

Keramiske materialerCeramicsSilicate glassesmple covalent ceramicsFigure 11.3Glass formation (3)A 3-co-ordinated crystalline network is shown at (a).But the bonding requirements are still satisfied if a random (or glassy) network forms. asshown at (b).The network is broken up by adding network modifiers, like Na 2 O, which interrupt thenetwork as shown at (c).© 2012 Henning Johansen side 25