MIKROSTRUKTURA KERAMIKY

Prezentace na téma: "MIKROSTRUKTURA KERAMIKY"— Transkript prezentace:

1 MIKROSTRUKTURA KERAMIKY

2 Mikrostruktura užitkového porcelánu

3 Mikrostruktura korundové keramiky - velikost krystalů 1 – 50 μm

4

5 Stabilizace ZrO2 přídavkem Y2O3

6 Transformačně zpevněná keramika (od mikro struktury k nanostruktuře) PSZ TZP ZTA

7 Typy transformačně zpevněné keramiky

8 Mikrostruktura ZTC Mg-PSZ Y-TZP ZTA

9 Příprava nanokeramiky
Prekurzory: - nanočástice- nanoclustery ( 1 – 100 nm) - roztoky anorganických solí - roztoky organokovových sloučenin Příprava startovacích nanoprášků Metoda „bottom up“- syntéza z atomů, molekul chemickou cestou (sol-gel,CVD, redukce a srážení..) Metoda „top down“ desintegrace větších částic vnějšími silami (pyrolýza CO2 laserem, vysokoteplotní plasmatický rozklad, mikrovlnný rozklad…) Tvarování výrobků –lisování, slip-casting, gel-casting, injection moulding, žárové, tlakové slinování (Sušení) Výpal – chem.reakce , slinování , růst zrn

10 Příprava nanokompozitů v systému ZrO2- Al2O3
Sequence dílčích procesů submikronové prášky + voda nanoprášky nebo sol ↓ mokré mletí v planetárním kulovém mlýně vymrazovací sušárna lisování výpal

11 Příprava nanokompozitů v systému ZrO2 (nano) - Al2O3 (matrice) a viceversa
Výchozí látky Submikronové prášky pro matrici kompozitu: Částečně stabilizovaný ZrO2 (3%Y2O3) S = 8 m2/g, ~ 500 nm Oxid hlinitý S = 16 m2/g, ~ 300 nm Nanoprášky Oxid zirkoničitý S = 35 m2/g, 30 nm Oxid hlinitý S = 99 m2/g, 20 nm Soly Koloidní roztok oxychloridu zirkoničitého nm Aluminium sec.butoxid [C2H5CH(CH3)O]3 Al nm

12 Nanokompozit ZrO2(nano) / Al2O3 (matrice) výchozí látka sol, T = C , hustota = %, nanočástice ZrO2 v kompozitu ( nm) potlačují růst krystalů korundu

13 Nanokompozit ZrO2(nano) / Al2O3 (matrice) výchozí nanočástice ZrO nm , T = C, velikost nanočástic ZrO2 v korundové matrici lokalizovaných na rozhraní mezi zrny korundu cca nm

14 Kompozit Al2O3 (nano) / ZrO2 (matrice) výchozí látka sol, T = C , hustota = % SEM image of the composite (l) and yttrium stabilised ZrO2 (r) nanočástice korundu ( nm) neovlivňují růst zrn ZrO submikro-kompozit čistý ZrO2

15 Kompozit Al2O3 (nano) / ZrO2 (matrice) SEM image of agglomerated korundum powder (l) and surface microstructure of the composite (r) Velikost částic korundu v matrici ZrO2 cca 1 μm, materiál má charakter submikro-kompozitu

16 Současné poznatky o přípravě a vlastnostech nanokompozitů na bázi Al2O3 – ZrO2
Téměř 100% relativní hustoty lze dosáhnout slinováním již při teplotě C Transformační teplotu ZrO2(tetra) → ZrO2 (mono) lze snížit až o několik set stupňů Celsia Nanokompozity vykazují zvýšenou pevnost, lomovou houževnatost a tvrdost Lze připravit průhlednou nanokrystalickou keramiku Snížení velikosti částic do oblasti nano vede k vyšší elektrické vodivosti

17 AlON transparentní keramika

18 Nanostruktura AlON transparentní keramiky

19 Příprava transparentní keramiky

20 Typy a použití transparentní keramiky

21 Sol-gel nanomateriály na bázi oxidů

22

23 Reakce při vzniku produktů na bázi SiO2

24 Kondenzace v kyselém a v alkalickém prostředí pH < 7 pH > 7

25

26 ORMOCERY, ORMOSILY

27 Příprava nanovrstev metodou sol-gel
příprava solu ↓ nanášení na substrát sušení výpal

28 Nanášení vrstev - metoda spin- coating

29

30

31

32 Nanovrstvy na bázi SiO2 a TiO2
typ vrstvy složení vrstev 1. Jednosložkové vrstvy SiO2 , vrstvy TiO2 2. Vícesložkové na bázi SiO binární, složené z SiO2 a TiO2 SiO2 s polydimethylsiloxanem SiO2 s oxidy přechodných kovů SiO2 vrstvy dopované Ag,Au,Cu 3. Vícesložkové na bázi TiO TiO2 vrstvy s oxidy Mn a V TiO2 vrstvy dopované Ag, Au, Cu

33 Látky pro přípravu solů
Složky solů použité chemikálie Prekurzory tetraethoxysilan, tetra-n-butylorthotitanát Rozpouštědla C2H5OH, isopropanol, benzoylaceton, acetylaceton, n-butanol, ethylenglykol Hydrolytická destil.voda, HCl, HNO3, kyselina octová a kondenzační činidla a trichloroctová Aditiva dusičnany Ag,Mn,Cr,Cu, chloridy Au,Cu,Fe polydimethylsiloxan, komerční detergent Triton X 100

34 Sušení a výpal vrstev SUŠENÍ 60 – 80 0C , 30 min – 1 h VÝPAL
atmosféra : vzduch za normálního tlaku Teplota, čas, atmosféra výpalu má rozhodující vliv na vlastnosti

35 Fázové složení vrstev Vrstvy TiO2 Vrstvy SiO2 skla
skla + nanokrystalické fáze Calcinations temperature (°C) Crystalline size (nm) Anatase Rutile 400 9.6 500 16.1 600 16.8 700 18.6 800 24.5 900 29.1 1000 38.2 42.1 1100 43.8

36 Nanostruktura vrstev TiO2
Výpal na různé teploty poskytuje nanovrstvy s polykrystalickou nanostrukturou

37 Vertikální řez vrstvou TiO2
Vrstva připravená trojnásobným potažením 550 0 C, tloušťka cca 200 nm

38 II. Vlastnosti vrstev OBECNÉ :
homogenita, adheze, chemická odolnost, porosita SPECIÁLNÍ : SiO2 vrstvy : index lomu (antireflexe), hydrofobita, absorbce, polovodivost, baktericidní vlastnosti TiO2 vrstvy : index lomu (reflexe), absorbce fotoaktivita, polovodivost, hydrofilita

39 Refractive index of SiO2- TiO2 films (λ = 550 nm)

40 Refractive index and porosity of pure TiO2 layers as a function of temperature treatment

41 Fotodegradační schopnost vrstev TiO2

42 Úprava smáčivosti povrchu skla původní povrch povrch s vrstvou TiO2

43 Smáčivost nanovrstev Superhydrofobita
γ ≥ , hybridní vrstvy SiO2 + org. polymery (např. resiny na bázi formaldehydu) Superhydrofilita γ → 0 , vrstvy na bázi TiO2

44 Ochrana povrchu skla proti korozi v kyselém prostředí nanovrstvami SiO2 a TiO2

45 Ochrana povrchu skla nanovrstvami SiO2 a TiO2 proti korozi v alkalickém prostředí

46 Závislost koncentrace přeživších bakterií na době inkubace (vrstva SiO2+ nanočástice Ag)

47 Funkčně gradientní fotosenzitivní vrstvy na skle (teplota výpalu 400 0C) Ag + (nanočástice halogenidů) + Cu ↔ Ag 0 + Cu 2+

48 Sol pro antireflexní vrstvy pro PC monitory

49 Fyzikální a fyz.-chem. metody nanášení vrstev
Naprašování Vakuové napařování Iontová implantace substrát Kov, keramika,sklo, plasty Kov, keramika, sklo Kov, polovodič, izolátor druh vrstvy Kovy, keramika, sklo, plasty Kovy, keramika,sklo Kovy,sloučeniny depoziční rychlost (μm.min -1) 0,01

50 CdTe filmy pro solární články připravené vakuovým napařováním (účinné jsou filmy připravené za teplot nad 450 0C- potlačen vznik textury s orientací 111)

51 Bioaktivní nanovrstvy Skelné, skelně-krystalické a keramické vrstvy schopné reagovat se složkami živé tkáně a postupně s nimi vytvářet pevné spojení, nebo se v nich rozpouštět. a-bioinertní, b-bioaktivní vrstva hydroxyapatitu Ca10(PO4)6(OH)2 na kovovém implantátu, c-povrchově aktivní biosklo, d-resorbovatelný Ca3(PO4)2

52 Amorphous Ca/P layer growth HAP, CHAp crystallisation
Princip bioaktivity Bioactive glass Na+, Ca2+ H+, H3O + Glass Si - OH Si-O-Si + H2O Si-OH + HO-Si Exchange of moveable ions Amorphous Ca/P layer growth Ca2+ PO43- CaO-P2O5 Si - OH Glass HAP, CHAp crystallisation OH- CO32- Si - OH Glass HCA

53 Úprava povrchu Ti hydroxidem sodným a interakce s SBF
gel TiO2+Na+ HCl NaOH Inert.atm Ca2+ (CO3)2- (PO4)3- Ca2+ Na+ Ca2+ (CO3)2- (PO4)3- recryst. Body fluid CaO-P2O5

54 Povrch Ti před a po úpravě hydroxidem sodným gel TiO2 nárůst drsnosti a spec.povrchu

55 Chem.upravený a v SCS prekalcifikovaný povrch slitiny Ti po 28 dnech v SBF souvislá vrstva HA krystal oktakalcium fosfátu

56 Chemické složení SCS a SBD
SCS : 4,0 Na+, 5,0 Ca2+, 10,0 Cl-, 2,5 H2PO4-, 1,5 HCO3- (mmol.l -1) SBF : Na+ K+ Ca2+ Mg2+ Cl- HCO3- HPO42- SO42- 142.0 5.0 2.5 1.0 126.0 10.0

57 Tvorba apatitu na různých substrátech s gelovitým povrchem