01 What is Ceramics _ Introduction

620211 Introduction to Ceramic Science (pre-requisite 611 211 Engineering Materials )

3(3-0-6) บรรยาย 3 คาบ/ สัปดาห์ เรียนรู้ด้วยตนเอง 6 คาบต่อสัปดาห์ อาจารย์ผู้สอน อ.ดร.ณัฏฐิตา ชวนเกริกกุล (สัปดาห์ที่ 9-15) อาจารย์ สังกัดสถาบันวิจัยโลหะและวัสดุจุฬาลงกรณมหาวิทยาลัย

อ.สิทธิโชค ชัยวรรณ (สัปดาห์ที่ 1-8) อาจารย์ ภาควิชาเครื่องเคลือบดินเผา คณะมัณฑนศิลป์ Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

1

Objectives • knowledge : bulk characteristic, properties of raw materials, mixtures, green bodies or preforms, and sintered products • Formulation: body and glaze for ceramics • Processes: forming, drying, firing and sintering and basic machinery used in material preparation for ceramic synthesis or manufacturing.

• Update: Ceramics& glass industry in Thailand and Recent literatures Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

2

Evaluation Activity Midterm Final Total Nov 2010

Percentage 50 50 100

schaiwan@su.ac.th

3

First 8-Week Lecture Outline • เซรามิกคืออะไร • เซรามิกมีการแยกประเภท 2 ประเภท : • traditional ceramics and technical ceramics • สมบัตขิ องเซรามิกมีอะไรบ้าง • ส่วนประกอบ (วัตถุดิบ) หลักๆของเซรามิกมีอะไรบ้าง แหล่งแร่ โครงสร้างของวัสดุ การเตรียมวัตถุดิบ การวิเคราะห์ทางเคมีและ การทดสอบ • กระบวนการทําเซรามิก Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

4

First 8-Week Lecture Outline

(ต่อ)

• ลักษณะเนื้อดินแบบต่างๆ และทดสอบคุณภาพ • เคลือบเซรามิก การผสมเคลือบ สูตรเคลือบ (UMF) ปัญหา/ตําหนิ และการแก้ปัญหา

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

5

ถามว่า.. ในโลกอนาคต วัสดุอะไรบ้างที่นํามาใช้

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

6

Advanced materials Batteries Biomaterials Biomedical applications Biomedicine Biomimetics block copolymers Carbon Carbon nanotubes Ceramics Characterization Coatings Composites Conferences Conjugated Polymers drug delivery Electronics fuel cells Graphene hydrogels kinetics Metals Nanocomposites Nanomaterials Nanoparticles Nanostructures Nanostructuring Nanotechnology nanotubes Nanowires Organic electronics Photonics Photovoltaics

Polymers radical polymerization

Self-assembly Semiconductors Sensors Silicon Solar cells Surfaces Synthesis Theory Thin Films Tissue engineering Transistors Zinc oxide

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

7

ต้นกําเนิด คํา “Keramos” • มีความเกี่ยวข้องกับศัพท์คําว่าการเผาใน“สันสกฤต” • Keramos (กรีก) = Pottery เครื่องถ้วย ไห หม้อ ภาชนะที่ สามารถกักเก็บอาหารหรือของเหลวได้ ทําจากดินเผา • เมืองโบราณชื่อ Ceramus หรือ Keramos ตั้งอยู่บนฝั่ง ทะเล Aegean ปัจจุบันอยู่ในแถบประเทศตุรกี

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

8

เซรามิก : คืออะไร • สารประกอบ Inorganic Compounds ที่จับตัวกันด้วยพันธะ Covalent และ Ionic, NON-metallic and Refractory • The American Society for Testing and Materials (ASTM) ให้นิยามกับวัสถุ เซรามิกว่า “an article having a glazed or unglazed body of crystalline or partly crystalline structure, or of glass, which body is produced from essentially inorganic, non-metallic substances and either is formed from a molten mass which solidifies on cooling, or is formed and simultaneously or subsequently matured by the action of the heat.”

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

9

- - - เซรามิก - - • ฉะนั้น โดยทั่วไป เกือบทั่งหมดของสารประกอบ carbides, borides, oxides และ nitrides เป็นเซรามิก Carbides: SiC, WC etc Oxides: SiO2, Al2O3, MgO etc Nitrides: Si3N4, TiN etc Borides: TiB2, MgB2, MgB4 etc

Ceramics Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

10

- - - เซรามิก - - • (เซรามิก) = สารประกอบออกไซด์มีการเรียงตัวของผลึก รวมถึงแก้ว (สารประกอบออกไซด์ไม่มีผลึก) แก้ว-เซรามิก (แก้วที่มีการตกผลึก) อีนาเมล (enamel) glassy coating ปูนซีเมนต์ ปูนปลาสเตอร์ สารประกอบ CaAlSi

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

11

What do we know about ceramics?

• • • • • • • •

Clay/ Non-Clay based material / Appealing Appearance Heat stabilised / Good heat dissipation Wear resistant Radio Frequency (RF) transparent Light weight Corrosion resistant Extremely high Hardness / Strength / some are Tough

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

12

ตัวอย่างวัสดุเซรามิก • • • • •

ดั้งเดิม ตุ๊กตา หม้อ ชาม ไห เห็นทั่วไป อิฐ หลังคา กระเบื้อง ปูน แก้ว กระจก งานศิลปะ งานออกแบบ ประติมากรรม โคมไฟโปร่งแสง เทคนิค ท่อ ลูกบด แผ่นเชวฟ อิฐทนไฟ มีดเซรามิก แม่เหล็ก เรือนนาฬิกา เทคนิคมากขึ้น ชิ้นส่วนเครื่องยนต์เซรามิก เกราะ ball bearings เส้นใยเซรามิก carbon nanotube, catalytic filter, electronic substrate, thin film, ฉนวน ความร้อน, aerogel • วัสดุผสม composite (metal/ceramic, polymer/ceramic), brake pad, grinding wheel

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

13

ภาชนะเครื่องใช้

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

14

ฉนวนไฟฟ้า

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

15

ลูกบอล / ทรงกลม

Silicon Nitride / Zirconia Alumina / Partially Stabilized Zirconia SiAlON Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

16

ท่อ / แผ่น / ทรงเหลี่ยม

Alumina, Silica, Partially (MgO) Stabilized Zirconia Mullite, Wollastonite, Cordierite Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

17

Ball bearings

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

18

Ballistic Armour

Ceramic Foam Filters

Injection-molded parts Nov 2010

Electronic Substrate schaiwan@su.ac.th

19

Simulation of the outside of the Space Shuttle as it heats up to over 1,500 째C (2,730 째F) during re-entry into the Earth's atmosphere Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

20

เซรามิกยังมีส่วนช่วยในกระบวนการหลากแขนง • ช่วยกระบวนการเคลือบผิว Al บนผิวถุงขนมขบเคี้ยว Al2O3

• อุตสาหกรรมผลิตกระดาษ – Si3N4 • หลอมเหล็ก+โลหะ MgO – Furnace Lining Brick • เครื่องสําอาง Boron Nitride – soft skin • ขุดเจาะน้ํามันและก๊าซ ใต้ผิวดิน Si3N4 • บรรจุกากกัมมันตภาพรังสี Boron Carbide (B4C) – Neutron Absorber (with Al composite) • Windmill – Si3N4 ball bearing ช่วยให้อายุการทํางานนานขึ้น • Solar Panel – Fused Silica เป็นเบ้าหลอม SiO2 ทํา SolarCell Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

21

Classification of Ceramics Traditional Ceramics New Ceramics

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

22

Traditional Ceramics • เรียกอีกชื่อหนึ่งว่า Pottery = ส่วนใหญ่ทําเป็นภาชนะ • เป็นวัสดุเซรามิกที่เกิดจากการผสมกันของวัสดุที่เกิดขึ้นตาม ธรรมชาติเช่น แร่ดินและทราย เกิดขึ้นมาพร้อมๆกับประวัติศาสต์ ของมนุษย์ • แบ่งออกได้เป็น 2 ลักษณะใหญ่ๆ Porous Pottery และ Dense Pottery Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

23

=> terracotta

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

24

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

25

Traditional Ceramics • Clay-based Ceramic • เนื้อดินที่แตกต่างกันใช้งานต่างกัน • การเผาผนึก (sintering) จะมี Feldspar เป้นส่วนประกอบกําหนดว่าจะมีปริมาณ Liquid Phase มากขนาดไหน • Feldspar ช่วยให้อุณหภูมิการหลอมตัว (สุก ตัว) ของเนื้อเซรามิกต่ําลง และทําให้โปร่ง แสงมากขึ้น • ยิ่งมีส่วนประกอบของดิน (Clay) มากขึ้นก็ทํา ให้ดินเกาะตัวได้ง่ายขึ้น และมี Green Body Strength มากขึ้น Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

26

Earthenware • เผาไฟต่ํา (950-1050°C ขึ้นอยู่กับส่วนผสม) ทึบแสง และไม่มีลักษณะของผิวแก้ว มีรูพรุนมาก สามารถดูด ซึมน้ําได้ ส่วนใหญ่มสี ีแดงส้ม (มีส่วนผสมของเหล็ก ออกไซด์) หรือสีครีม (Off-white) • ทําภาชนะและสิ่งของตกแต่ง • เนื้อดินแตกต่างกันไปแล้วแต่ผู้ผลิต ส่วนใหญ่ ประกอบด้วย ดินเหนียว 25% ดินขาว 28% ทราย 32% และแร่ฟนั ม้า (Feldspar) 15% • เผาที่ไฟสูงทําให้เนื้อดินมีตําหนิ บวมเป็นฟอง (Bloating) Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

27

Earthenware • สามารถผลิตให้มีความบางเหมือน เซรามิกเนื้อ Bone China หรือ Porcelain ได้ แต่จะมีความ เปราะบางมากกว่า และยังคงทึบแสง • ราคาค่อนข้างถูกกว่าเนื่องจากไม่ ยุ่งยากในการผลิต • ต้องเผาเคลือบถ้าต้องการให้อุ้มน้ําได้ Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

28

Stoneware • เป็นเนื้อดินที่มีส่วนของส่วนประกอบแก้ว (glassy phase) บ้าง เนื้อละเอียด ทําจาก ดินขาวผสม • หนาแน่น ไม่รั่ว แข็งพอที่จะทนการขีดข่วน ของเหล็กได้ แต่ไม่เหมือน porcelain เนื่องจากไม่โปร่งแสง ราคาไม่แพง • เคลือบได้ด้วยสารประกอบ Feldspar ก่อน เผา – ได้ผิวด้านหรือมันวาว (แล้วแต่สัดส่วน ของวัตถุดิบ) Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

29

Stoneware • มีเทา ครีม หรือสีน้ําตาล (มีส่วนประกอบของเหล็ก ออกไซด์) • มีส่วนประกอบของ Feldspar มากกว่า Earthenware • ทําเป็นชุดจานชามบนโต๊ะ แจกัน ภาชนะชั้นดี ทํา เป็น Electrical insulator (ลูกถ้วยฉนวนไฟฟ้า) • เมื่อเติมส่วนผสมของ Boron ช่วยเพิ่ม Thermal Shock resistant Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

30

Porcelain (Fine China) • เชื่อว่าถือกําเนิดจากเมืองจีน (ที่มาของคําว่า China) โดยฝรั่งพบที่เมืองจีนแล้วศึกษานํามาผลิตแถบยุโรป • เนื้อขาว โปร่งแสง (ส่วนผสมของแก้วและแร่ mullite) แข็งแรง เคาะแล้วมีเสียงกังวาล เงางาม เผาทีอ่ ุณหภูมิ ประมาณ 1200-1400°C • ถือได้ว่า เป็นเนือ้ เซรามิกที่เผาสุก โดยไม่มีการซึมน้ํา ต่อไป (หรือว่าน้อยยยยมาก) • ส่วนประกอบของ kaolin (ดินขาว) เป็นส่วนสําคัญ แร่ หินฟันม้า และทราย Quartz ละเอียดตามลําดับ • ทําเป็นภาชนะ ของตกแต่ง หรือไม่ก็เป็นกระเบื้องปู ผนัง/พื้น Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

31

Bone China • เป็นเนื้อ Porcelain ชนิดหนึ่ง โดยมีส่วนผสมของเถ้ากระดูกของ สัตว์ (Calcium Phosphate อย่างน้อย 30%) และสารประกอบ แร่ฟันม้ามากเป็นพิเศษ • ขาวและโปร่งแสงมากเป็นพิเศษ

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

32

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

33

Comparison - micrograph earthenware

Nov 2010

Vitreous china

schaiwan@su.ac.th

34

เค้าทําโถสุขภัณฑ์อย่างไร?

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

35

Glass

แก้ว

• เปราะและโปร่งใส(โดยทั่วไป) • เป็นชื่อเรียกสถานะของสะสาร เป็นของแข็งที่ไม่มีผลึก (amorphous) ในขณะที่เซรามิกส่วนใหญ่จะมีการก่อผลึก ในขณะเย็นตัว • ส่วนประกอบแก้วเกิดจากไม่มีเวลาพอที่สะสารเหลวจะเกิด ผลึกระหว่างการเย็นตัว • ประกอบด้วย SiO2 (75%) และส่วนประกอบของแร่ฟันม้า (Na2O, CaO) ทําหน้าที่เป็น flux • หลอมที่ 1500°C (ที่ 2300°C ถ้าไม่ผสม flux) Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

36

ส่วนประกอบอื่นในแก้ว (Na2O), (CaO), (Al2O3), (MgO), (K2O), (PbO), and (B2O3) • ส่วนประกอบเหล่านี้ทําหน้าที่เป็น flux (ตัวช่วยหลอมละลาย) ระหว่างการเย็นตัว • ช่วยการไหลตัวของแก้วเหลวในระหว่างการผลิต (ลดความหนืด) • เพิ่มประสิทธิภาพในการต้านการกัดกร่อนจากกรด ด่าง หรือน้ํา • สามารถเพิ่มสีสันโดยการเพิม่ oxide • ปรับเปลี่ยน index of refraction ได้เพื่อใช้ในเรื่อง optical Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

37

ผลิตภัณฑ์แก้ว • • • • •

กระจกหน้าต่าง บรรจุภัณฑ์ แก้ว โถ ขวด หลอดไฟฟ้า ใส้ใยกลาสไฟเบอร์ (insulator) ออฟติคอลเลนส์ / ไฟเบอร์ออฟติค

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

38

ซีเมนต์ • เป็นผลิตภัณฑ์ที่ได้จากการเผาหินปูน (Calcium Oxide), ซิลิกา, อะลูมินา และเหล็กอ๊อกไซด์ มีลักษณะเป็นผงละเอียดที่สามารถก่อตัวเป็นตัวยึด เกาะได้ • ส่วนประกอบหลักในการผลิตซีเมนต์คือ - หินปูน (Limestone, CaCO3) Å (แหล่งที่มา) หินปูน สามารถใช้เปลือกหอยทดแทนได้ - ซิลิกา (Silica, SiO2) Å (แหล่งที่มา) หินทราย, ทรายแก้ว - อะลูมิน่า (Alumina, Al2O3) Å (แหล่งที่มา) หินทราย หินดินดาน - เหล็กอ๊อกไซด์ (Iron Oxide, Fe2O3) Å แร่เหล็กหรือในดิน Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

39

ขั้นตอนการผลิตซีเมนต์ • แบ่งเป็น 3 ขั้นตอนใหญ่ๆคือ – บดวัตถุดิบเพื่อเตรียมนําเข้าเตาเผา: อัตราการเกิดปฏิกิริยาขึ้นอยู่กับ ขนาดของผงวัตถุดิบและการผสมให้เข้ากัน – การเผา (Calcining) เพื่อทําให้เกิดปฏิกิริยาเคมี จากวัตถุดิบ เป็น Clinker (หมายถึงเม็ดปูนที่ถูกเผาแล้ว) เม็ดปูนที่ได้จะมีลักษณะเม็ด เล็กๆสีเทา Clinker จะผ่านเตาเผาที่อุณหภูมิ 1450°C – การบด Clinker เพื่อนํามาบรรจุถุง Æ นําไปใช้ Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

40

เกิดอะไรในเตาเผา อุณหภูมิ

ปฏิกิริยาที่เกิด

100°C

น้ําอิสระเริ่มระเหยออกไป

500°C และ สูงกว่า ดินเริ่มเกิดการสลายตัว น้ําที่เป็นส่วนประกอบของดิน (ระดับโมเลกุล) จะถูกขับ ออก 900°C และสูงกว่า

ส่วนประกอบของดินที่สลายไปข้างต้น จะเกิดการตกผลึก ในขณะเดียวกัน จะ เกิดก๊าซ CO2 จากการสลายของ CaCO3

900-1200°C

ปฏิกิริยาระหว่าง CaO และส่วนประกอบของดินเกิดขึ้น

1250-1280°C

เริ่มการหลอมเหลว

มากกว่า 1280°C

การหลอมเหลวต่อเนื่อง และตอนนี้เองที่สารประกอบปูน ซีเมนต์ (Clinker) ได้ ก่อตัวขึ้น

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

41

Clinker (ก้อนปูนสุกเทาๆ) • Clinker มีสารประกอบอยู่มากมาย แต่ละชนิดนั้นมีส่วนประกอบพื้นฐาน อยู่ 4 ส่วนหลักๆ นั่นคือ CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 นอกจากนี้ยังมี สารประกอบอื่นๆอีกเช่น MgO, K2O, Na2O, SO3 ซึง่ เป็นสารปะปนที่มา กับวัตถุดิบ สารประกอบ พื้นฐานของ Clinker ที่มักจะพบก็มีเช่น • CaO •Al2O3 monocalcium-aluminate ย่อว่า CA • 2CaO • SiO2 dicalcium-silicate ย่อว่า C2S • 3CaO • SiO2 tricalcium-silicate ย่อว่า C3S • 4CaO • Al2O3 • Fe2O3 tetracalsuim ferro aluminate ย่อว่า C4AF Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

42

hydration process รูปภาพแสดงถึงขั้นตอนโดยรวมในการ แข็งตัวของพอร์ตแลนด์ซีเมนต์ (a) การกระจายตัวของผงปูน (Clinker) ในน้ํา (b) หลังจากนั้นสอง สามนาที ผงปูนจะทําปฏิกิริยากับน้ํา คล้ายๆวุ้นปูน แล้วค่อยๆแผ่กระจาย (c) หลังจากนั้นประมาณ 2-3 ชั่วโมง วุ้นที่เกิดจากปฏิกิริยา เม็ดปูนจะ เชื่อมต่อกันโดยวุ้นปูน เริ่มก่อตัว (Setting) (d) ปฏิกิริยากับน้ําจะ ดําเนินต่อไปอีก 2-3 วัน เนื้อปูนจะ แข็งตัวมากยิ่งขึ้น (Hardening) Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

43

ชนิดและคุณสมบัติของซีเมนต์ 1. ซีเมนต์ธรรมชาติ (Natural Cement) เผาหินซีเมนต์ธรรมชาติ (Cement Rock) แล้วนํามาบด

2. พอร์ทแลนด์ซีเมนต์ (Portland Cement) มีความนิยมในปัจจุบัน ความแข็งแรงในการรับน้ําหนัก

3. สแลกซีเมนต์ (Slag Cement) ตะกรันจากการเผาโลหะเหลว (Slag) ผสมกับ ปูนขาวประมาณ 20%

4. ไฮ อะลูมินา ซีเมนต์ (High Alumina Cement) สัดส่วนของ Alumina สูง ซึง่ จะทําให้ได้ความแข็งแกร่ง และใช้เวลาในการแข็งตัว (Harden) เร็ว ทนความร้อนได้สูง

5. ซิลิกา ซีเมนต์ (Silica Cement) Portland Cement (70%) และทราย (30%) Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

44

New (Technical) Ceramics - ชั้นสูง • • • •

Bioceramics / Bioglass – เข้ากันได้กับสิ่งมีชีวติ Electroceramics - นํามาใช้กับงานไฟฟ้า Engineering ceramics – นํามาใช้ในงานวิศวกรรมชั้นสูง Special ceramics - อืน่ ๆอีกมากมาย

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

45

Bio-Ceramics • IMPLANTS - Bio (Tissue) Compatibility – ไม่มีปฏิกิรยิ ากับเนื้อเยื่อ • Began with Ti alloys – sometime rejected • Ceramics (Zirconia / Alumina / Borosilicate glass with Fluoride) are now used in dental and bone implants (hip / knee cap) • Coating with แร่ hydroxyapatite (HA) = Ca5(PO4)3(OH) • HA เป็นส่วนประกอบของกระดูกถึง 50%

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

46

bioglass scaffold ความพรุน มีเนื้อเยื่อเติบโต

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

47

Bioactive glass fibres after exposure to simulated body fluid

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

48

bioceramics – How’s it made..

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

49

electroceramics วัสดุเซรามิกบางชนิดมีคุณสมบัติพิเศษ แสดงผลต่อกระแสไฟฟ้า คลื่นแม่เหล็ก ferroelectrics - high dielectric capacitors, non-volatile memories; zirconium barium titanate, strontium titanate (ST), calcium titanate (CT), magnesium titanate (MT), calcium magnesium titanate (CMT), zinc titanate

ferrites - data and information storage; Ferromagnetic storage

solid electrolytes - energy storage and conversion; Yttria-stabilized zirconia (YSZ), gadolinium-doped ceria

piezoelectrics - sonar; semiconducting oxides - environmental monitoring lead zirconate titanate (PZT). Barium titanate (BT), strontium titanate (ST), quartz, Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

50

Glass-Ceramics • A ceramic material produced by conversion of glass into a polycrystalline structure through heat treatment • Proportion of crystalline phase range = 90% to 98%, remainder being unconverted vitreous material • Grain size - usually between 0.1 - 1.0 µm (4 and 40 µ-in), significantly smaller than the grain size of conventional ceramics – This fine crystal structure makes glass-ceramics much stronger than the glasses from which they are derived • Also, due to their crystal structure, glass-ceramics are opaque (usually grey or white) rather than clear

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

51

Processing of Glass Ceramics • Heating and forming operations used in glassworking create product shape • Product is cooled and then reheated to cause a dense network of crystal nuclei to form throughout – High density of nucleation sites inhibits grain growth, leading to fine grain size

• Nucleation results from small amounts of nucleating agents in the glass composition, such as TiO2, P2O5, and ZrO2 • Once nucleation is started, heat treatment is continued at a higher temperature to cause growth of crystalline phases Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

52

Advantages of Glass-Ceramics • Efficiency of processing in the glassy state • Close dimensional control over final product shape • Good mechanical and physical properties – High strength (stronger than glass) – Absence of porosity; low thermal expansion – High resistance to thermal shock

• Applications: – Cooking ware – Heat exchangers – Missile radomes Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

53

วัสดุเซรามิกชั้นสูง (มุมกว้าง) • Barium Titanate (often mixed with strontium titanate) displays Ferroelectricity, meaning that its mechanical, electrical, and thermal responses are coupled to one another and also history-dependent. It is widely used in electromechanical transducers, ceramic capacitors, and data storage elements.

• Bi-Strontium calcium copper oxide, a high temperature superconductor • Boron carbide, which is used in some personal, helicopter and tank armour.

• Boron nitride is structurally iso-electronic to carbon and takes on similar physical forms: a graphite-like one used as a lubricant, and a diamond-like one used as an abrasive.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

54

วัสดุเซรามิกชั้นสูง (มุมกว้าง) (Cont) • Ferrite, which is ferrimagnetic and is used in the core of electrical transformers and magnetic core memory.

• Lead zirconate titanate is another ferroelectric material.

• Magnisium diboride, is an unconventional superconductor • Silicon carbide, which is used as a susceptor in microwave furnaces, a commonly used abrasive, and as a refractory material.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

55

วัสดุเซรามิกชั้นสูง (มุมกว้าง) (Cont) • • • •

Silicon nitride, is used as an abrasive powder.

Steatite is used as an electrical insulator.

Uranium oxide, used as fuel in nuclear reactors.

Yttrium barium copper oxide (YBa2Cu3O7), another high temperature superconductor.

• Zinc oxide, which is a semiconductor, and used in the construction of varistors.

• Zirconium dioxide (zirconia), is used in fuel cells. In another variant, metastable structures can impart transformation toughening for mechanical applications; most ceramic knife blades are made of this material.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

56

Engineering Ceramics •

In the early 1980s, Toyota researched production of an adiabatic ceramic engine which can run at a temperature of over 6000 °F (3300 °C). Ceramic engines do not require a cooling system and hence allow a major weight reduction and therefore greater fuel efficiency. Fuel efficiency of the engine is also higher at high temperature, due to Carnot’s theorem. In a conventional metallic engine, much of the energy released from the fuel must be dissipated as waste heat in order to prevent a meltdown of the metallic parts.

Nov 2010

ภาพ :Hideo Kawamura, Ship and Ocean Foundation, 2000

schaiwan@su.ac.th

57

Modern Trends of Engineering Ceramics • Work is being done in developing ceramic parts for gas turbine blades. Currently, even blades made of advanced metal alloys used in the engine’s hot section require cooling and careful limiting of operating temperatures. Turbine engines made with ceramics could operate more efficiently, giving aircraft greater range and payload for a set amount of fuel. • Ceramics are used in the manufacture of knives. The blade of the ceramic knife will stay sharp for much longer than that of a steel knife, although it is more brittle and can be snapped by dropping it on a hard surface.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

58

Modern Trends (Cont) • Since the late 1990s, highly specialized ceramics, usually based on boron carbide, formed into plates and lined with Spectra, have been used in ballistic armored vests to repel large-caliber rifle fire. Such plates are known commonly as small-arms protective inserts (SAPI). Very similar technology is used to protect cockpits of some military airplanes, because of the low weight of the material.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

59

Modern Trends (Cont) • Recently, there have been advances in ceramics which include bioceramics, such as dental implants and synthetic bones. HA Ca10(PO4)6(OH)2 (Ca/P = 1.67) the natural mineral component of bone, has been made synthetically from a number of biological and chemical sources and can be formed into ceramic materials.

Orthopedic implants made from these materials bond readily to bone and other tissues in the body without rejection or inflammatory reactions. Most hydroxyapatite ceramics are very porous and lack mechanical strength and are used to coat metal orthopedic devices to aid in forming a bond to bone or as bone fillers. Work is being done to make strong-fully dense nano crystalline hydroxapatite ceramic materials for orthopedic weight bearing devices, replacing foreign metal and plastic orthopedic materials with a synthetic natural bone mineral.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

60

Modern Trends (Cont)

•

The space shuttle makes use of ~25,000 reusable, lightweight, highly porous ceramic tiles that protect the aluminum frame from the heat generated during re-entry into the Earth’s atmosphere.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

61

Turbo Charger Ceramic Rotor

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

62

Candidate Materials for Turbocharger

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

63

CONCLUSION • In the past few decades Ceramics materials have over powered many metallic and polymeric materials due to their superior and wide range of properties. • With times to come they will gain more and more importance and the coming time will bring a revolutionary era in this fascinating material.

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

64

alumina

Zirconia toughen alumina

Partially stabilized alumina

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

65

Terracotta เคลือบ porcelain

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

66

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

67

Orton Pyrometric Cones

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

68

Stull’s Chart/Diagram •

Nov 2010

schaiwan@su.ac.th

Description: The Stull Chart, 1912, was created using a basis of 0.3 K2O to 0.7 CaO. This basis forms the glaze eutectic and positioning of the craze boundary on the chart to the left. Altering the source of R2O and RO fluxes should not effect the glaze base character, but rather the way additives interact with it.

Altering the ratio of R2O to RO fluxes however, can change the glaze eutectic and positioning of the craze boundary on the chart. Material sources present in the claybody also interact with the glaze base, altering its position on The Stull Chart. For the most accurate results, formulate glazes that fall well beyond the glaze eutectic and craze boundary. If you are interested in this chart, please feel free to contact me.

69