general properties and applications of ceramicseng.sut.ac.th/ceramic/old/images_news/54.pdf ·...

02/08/52 ceramic properties/ S.T.Rattanachan 1

General properties and applications of ceramics


General properties of Ceramics

Mechanical PropertiesThermal Properties Electrical PropertiesMagnetical, dielectrical PropertiesBiomedical Properties


Mechanical properties of ceramicsBrittle but high hardnessHigh strength, no yield strength, no plastically deformBetter compressive strength than tensile strength

30 max25 maxCan be 100%40 maxFair100 maxPoorpoor

300 max250 maxUp to 50%400 maxPoor to excellent900 maxGoodGood to excellent

100 maxDoes not yield0600 maxPoorCan be 2600ExcellentOK in compressive

Tensile strengthYield strengthElongationCompressive strengthImpactHardnessCreep strengthFatigue strength

PlasticsMetalsCeramicProperty


Strength, hardness and the lattice resistance


Dislocation motion in structure

Pure metal: easy

Covalent solid: difficult due to the interatomic bonds must be broken and reformed.

Ionic crystal: easy on some planes, but hard on others.


Fracture strength of ceramics


Cracks and flawsPores in the sintered ceramicThermal cracksCorrosion

m

CTS a

Kπ

σ =

www.buildinggreen.com/features/flyash/mehta.cfm

σTS = tensile strengthKC = fracture toughnessam= critical crack length


Tension and compressive strength

a) In tension, the largest flaw propagates unstably

b) In compression, many flaws propagates stably to givegeneral crushing

TSC σσ 15≈


Transformation toughening of partially sterilized zirconia (PSZ)

Tetragonal monoclinic under stressing

ZrO2 + CaO, MgO, Y2O3 PSZ (tetragonal + monoclinic phase)


Creep of ceramics

Creep becomes a problem when the temperature is greater than about 1/3Tm


Fatigue failure of ceramics

mechse.illinois.edu/.../hsia/ceramics/index.html

Intergranular crack growth under static loading at 1000°C in alumina


Fatigue cracks


Thermal properties of ceramics

Heat capacityThermal conductivityThermal expansion

http://www.substech.com/dokuwiki/doku.php?id=hardness_tests_of_ceramics&DokuWiki=d99751440a3300b461e0fc9eb51c4d39


Heat capacity

Energy required to raise the temperature of a material one degree.Unit: cal/ºC or cal/g.ºC (metric system), Btu/ºF (english system)Specific heat: the ratio of the heat capacity of material to that of water at 15ºC.Less hear energy is required to raise the temperature of porous ceramic than dense ceramics.

• water has a specific heat capacity of 1 cal/g ºC, ethyl alcohol have a specific heat of 0.58 cal/g ºC.


Thermal conductivity of ceramicsHeat flow through a materialUnit: cal/sec.cm3.ºC หรือ W/m.KMetal: high conductivity (free electrons)Most organic materials มีการนําความรอนไดไมดี เนื่องจากเปนพันธะโคเวเลนท มีโมเลกุลขนาดใหญและไมเปนผลึก

Ceramics: มีชวงการนําความรอนไดกวาง ขึ้นอยูกับชนิดของพันธะและโครงสรางผลึก ถาเปนผลึกเดี่ยวๆ จะนําความรอนไดดี


Thermal expansion

การเปลี่ยนแปลงขนาดของวตัถุเมื่อมีการเปลี่ยนแปลงอณุหภูมิ บอกคาในรูปของ Linear thermal expansion coefficient (α)หนวย: in./in./ºF, cm/cm/ºC

12

210

10

0

TT turein tempera change T and Tbetween )l-(llength in change

T ureat tempertlength

/

−=Δ=Δ

=

ΔΔ

=

Tl

lwhere

Tllα


Example

The percent expansion of Al2O3 between 0 and 1000ºC is approximately 0.86%, estimate the average linear coefficient of expansion of Al2O3 between 0-1000ºC

CxTll

°==Δ

Δ= − /106.8

10000086.0/ 60α


Thermal expansion of ceramics

วัสดุที่มีพันธะอิออนิกจะมีคา thermal expansion สูงเหมือนโลหะความแข็งแรงระหวางพันธะนอยจะมีคา thermal expansion สูง ความแข็งแรงของพันธะสูง มี % covalent มาก จะมีคา thermal expansion ต่าํการขยายตัวเนื่องจากความรอนของวัสดุที่เปน close-packed with cubic symmetry จะมีคาเทากันทุกทิศทาง (isotropic)วัสดุที่มีโครงสรางแบบไมสมมาตรจะมีการขยายตัวในแตละทิศทางไมเทากัน (anisotropic) วัสดุที่มีคา thermal expansion ต่าํ จะมีคา thermal shock resistance ดีดวย


Electrical properties of ceramics

Electrical conductivityInsulatorSemiconductorSuperconductor


Electrical conductivity

จํานวนของตัวนําไฟฟา (n)ประจุของตัวนํา (q)การเคลื่อนที่ของตัวนํา (μ)

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

−

=

cmvoltscm

carriescoulombs

cmcarries

cmohmunits

nq

/sec/1: 3

μσ

Electrical conductivity ขึ้นกับชนิดของพันธะและโครงสรางผลึกวัสดุที่มีคาการนําไฟฟาดี เรยีกวา ตัวนําไฟฟา (electrical conductor: metal,some ceramics and some organics)วัสดุที่มีคาการนําไฟฟาต่ํา เรียกวา ฉนวนไฟฟา (electrical insulator: ceramics and organics)วัสดุที่มีคาการนําไฟฟาปานกลาง เรียกวา สารกึ่งตัวนํา (semiconductor: covalent ceramics)การนําไฟฟาของวัสดุขึ้นกับอุณหภูมิดวย


Ceramics: Ionic conductivity

Defects in ceramicPositive ionsNegative ions

Point defect:

Schottky Frenkel

vacancyinterstitial

Energy barrier


Applications of zirconia oxygen ion conductive ceramics

Oxygen sensors : ZrO2+CaO/Y2O3

ใชงานที่อุณหภมูิ > 600ºC


Applications of zirconia oxygen ion conductive ceramics

Solid oxide fuel cells (SOFC)ใชงานที่ 900-1000ºcออกซิเจนความดันสูงอยูดานที่เปนอากาศ สวนออกซิเจนความดันต่ําจะอยูดานเชื้อเพลงิ

โมเลกลุของออกซิเจนรับอิเล็คตรอนจาก air electrode ไดเปน oxygen ions ซึง่แพรผานชั้นบางๆของ zirconia ไปที่ fuel electrode Oxygen ions ใหอิเล็คตรอนกลายเปน molecule และรวมกับไฮโดรเจนไดเปนน้ํา เกิดกระแสไฟฟาไหลและไมมีเสยีงดังจากการจุดระเบิด มีเพียงน้ําและความรอนเทานั้น

2 H2+ O

2=> 2 H

2OOverall Cell Reaction:

O2+ 4 e- => 2 O2-Cathode Reaction:

2 H2+ 2 O2- => 2 H

2O + 4 e-Anode Reaction:


Solid oxide fuel cells

46% electrical efficiency in producing 109 kW of electricity and 64 kW of hot water (Netherlands 1998-2001)


Electrical insulator

No overlap of electron energy bands and no low-energy mechanisms for electron conduction.The resistivity decreased as the temperature increasesThe resistivity decreased as the amount of impurities increase

Energy bands in an insulator (courtesy: ASM International)


Applications of electrical insulators

SiO2, Al2O3, BeO, MgO, mullite, silicon nitride, aluminium nitride

Integrated circuit chip carriers

Substrates for printed circuits

Spark plug insulator


Semiconductors

มีenergy gap ที่เต็มและวางซึ่งการนําไฟฟาจะเกิดขึ้นไดเมื่อมี

พลังงานความรอนหรอืไฟฟาเพยีงพอ

Intrinsic semiconductorExtrinsic semiconductor: p-type and n-type


n-type and p-type silicon

N-type: TiO2, Nb2O5, CdS, BaTiO3, BaOP-type: Ag2O, CoO, Cu2O, Te, Se


Applications of ceramic semiconductors

Rectifier: เครือ่งไฟฟาที่ใหกระแสไฟฟาผานไดทิศทางเดียวและสามารถแปลงจากกระแสสลับเปนกระแสตรง

Thermistor: ควบคุมความตานทานไฟฟา (ตามอุณหภูมิ) ใชใน temperature sensor, heater systemVaristor: เครือ่งมือที่มีคาความตานทานไฟฟาเปลี่ยนแปลงตามคาความตางศักย โดยมีความตานทานสูงที่ความตางศักยต่ําและความตานทานต่ําเมื่อความตางศักยสูง

Electrode, heating element, Igniters


Superconductivity

Meissner effecthttp://www.youtube.com/watch?v=Z4XEQVnIFmQ

http://www.youtube.com/watch?v=4VGACLNfZ8s


Progress in the discovery of superconductive materials with increased Tc

From Clarke, D.R. 1987


Dielectric, Magnetic and optical behavior

Dielectric propertiesPolarization DielectricCapacitancePiezoelectricityPyroelectricity

Magnetic propertiesOptical properties

Absorption and transparencyColorPhosphorescenceLasersRefractionElectro-optics and integrated optic devices


Dielectric properties

Good electrical insulatorElectric dipole dielectric


Polarization

Electronic polarizationOrientation (dipole) polarization,Space charge polarizationAtomic or ionic polarization


Dielectric constant

Relative dielectric constant (k’) = the degree of polarizability or charge storage capability of a materialLow dielectric constant insulatorHigh dielectric constant capacitorDielectric constant is affected by temperature

ASM international

8.85 x 10 -14 farads/cm


Capacitance

Store electric chargeวัสดุที่มี polarizability มากจะมีคา relative dielectric constant และเก็บประจุไดมากดวย

vaccumofty permittivi Edielectric theof thicknesst electrodes theof area totalA

0

0

===

′=

tAKEC


Functions of a capacitor

Energy storageBlockingCouplingBypassingfiltering


High dielectric constantBaTiO3Perovskite above 120°CCurie temperature: cubic to tetragonal, spontaneous random polarization ->permanent dipole domains


CapacitorsSingle-layer capacitorMultilayer capacitor


PiezoelectricityQuartzBaTiO3

Pb(Zr,Ti)O3

TItanates, niobates with perovskite structure


Application of Piezoelectricity


Pyroelectricity

เมื่อใหความรอน วัสดุจะมีการขยายตัว เนื่องมาจากการ polarization Hexagonal ZnS, tourmaline, BaTiO3, etc.

Optical sensors Gas-flow measurement


Magnetic behavior

Ferromagnetic Antiferromagnetic(No net magnetization)

Ferrimagnetic(Net magnetization results)


Application of magnetic ceramics

Soft ferrite: easily magnetized or demagnetized Hard ferrite: Permanent magnetization


Optical behavior

AdsorptionTransparency, Index of refractionColorphosphoresence

Adapted from Kreidl, N.J. 1972


Spectral colors and complementary colors

Lemon-yellowYellowOrangeRedPurpleVioletIndigoBlueBlue-green

VioletIndigoBlueBlue-greenGreenLemon-yellowYellowOrangeRed

410430480500530560580610680

Complementary colorSpectral colorλ (nm)


Phosphoresence

The emission of light resulting from the excitation of the material by the appropriate energy source.Fluorescent lightOscilloscope screenTV screenPhotocopy lampsCa5(PO4)3(Cl,F) or Sr5(PO4)3(Cl,F) doped with Sb and Mn


โรคกระดูกพรุน โรคมะเร็งกระดูก

Biomedical properties of ceramics


เนื้อกระดูกบาง เปราะ แตกงายกระดูกสนัหลังงอ หมอนรองกระดูกเสื่อม

ขอเขาเสื่อม ขอสะโพกเสื่อม

อายุขัย ความชรา


อุบัติเหตุ

กระดูกแตก ราวกระดูกหัก


Bioceramic application

A. Cranial repair. B. Eye lens. C. Ear implants. D. Facial reconstruction. E. Dental implants. F. Jaw augmentation. G. Periodontal pockets. H. Percutaneous devices. I. Spinal surgery. J. Iliac crest repair. K. Space fillers. L Orthopedic support purposes. M. Orthopedic fillers N. Artificial tendons. 0. Joints.

www.madehow.com/Volume-5/Bioceramics.html


รูจักวัสดุเซรามิกทางชีวภาพ

Incompatible materialsวัสดุทีเ่มื่อนําไปฝงในรางกายแลวทาํใหมีการสลายตัวและ

กอใหเกิดความเปนพิษ หรือมีสิ่งบงชี้วาสามารถทําใหเกิดการระคายเคืองตอเซลลและมีการตอตานของรางกาย


Biocompatible materialsวัสดุที่เมื่อนําไปฝงในรางกายแลว มีการสลายตัวแตไมกอใหเกิดความเปนพิษ และอาจนําไปสูการตอเกิดเปนเนื้อเยื่อใหม บางครั้งเรียกวา Biotolerant ไดแก austenitic stainless steels หรือ ซีเมนตเชื่อมกระดูกประเภท polymethylmethacrylate(PMMA)

รูจักเซรามิกทางชีวภาพ


Bioinert materialsวัสดุที่เมื่อฝงในรางกายแลวไมสลายตัวใหสารที่กอใหเกิดพิษ และไมแสดงการกอใหเกิดเนื้อเยื่อกระดูกใหมดวย โดยไมมีการยึดเกาะกับเนื้อเยื่ออื่นๆ วัสดุเหลานี้ไดแก titanium alloys, alumina, zirconia, titania และ carbon



Bioactive materialsวัสดุที่เมื่อฝงในรางกายจะแสดงปฏิกิริยาในกอเกิดเนื้อเยื่อกระดูกใหม ซึ่งจะเติบโตเปนกระดูกในอนาคต โดยมีการยึดเกาะกับกระดูกได โดยแรงภายนอกที่กระทําสามารถสงผานผิวสัมผัสของกระดูกและวัสดุ

นี้ได (bony in-growth) ไดแก Calcium phosphates and bioglasses



สมบัติทางกลของ Bioceramic


Hip joint replacements


คุณสมบัติของ Ceramic femoral ball heads


Bone

การเสียหายของกระดูก และการรักษา

http://video.about.com/orthopedics/Fractures-2.htmhttp://video.about.com/orthopedics/Hip-Replacement.htm


Calcium phosphate cement

http://www.openradiology.org/zosirws/survey/vertebroplasty/cementsreview/calciumphosphate


รากฟนและฟนเทียม (ฟนชุดที่สาม)

www.thonburihospital.com/th/clinic_detail.asp.

ZirconiaHard Porcelain

general properties and applications of ceramicseng.sut.ac.th/ceramic/old/images_news/54.pdf ·...

Documents