NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 1 i 2

M.Jurczyk J.Jakubowicz „Nanomateriały ceramiczne” wyd. Politechniki Poznańskiej 2004

Laboratoria - od 16. III. 09r.

Treść wykładów:

Klasyfikacja materiałów inżynierskich:

Przemysł ceramiczny:

12CaO * 7Al2O3 - naświetlane promieniowaniem UV staje się przewodnikiem (H-)

Klasyfikacja ceramiki:

Materiały ceramiczne - otrzymywanie przez formowanie surowców i wypalanie w wysokiej temperaturze; keramos - działanie wysokiej temperatury.

Obecnie mat. Ceramiczne można zdefiniować, jako materiały nieorganiczno - niemetaliczne uzyskujące swoje typowe właściwości podczas wytwarzania w wysokiej temperaturze przeważnie powyżej 800 st.C i zawierające co najmniej 30% fazy krystalicznej (zależy od warunków otrzymywania).

Uwzględniając: naturę (nieorganiczny, organiczny), stan skupienia (proszek, włókno, warstwa, zagęszczony materiał), skład chemiczny (pierwiastki, związki), strukturę (krystaliczny, amorficzny) i sposób wytwarzania (technologia ceramiczna) można zaproponować następującą zmodyfikowaną i rozszerzona definicję:

Materiał ceramiczny jest to nieorganiczny, zagęszczony materiał złożony ze związków niemetali z 3 do 6 grupy uk.Okresowego pierwiastków ze sobą i (lub) z dowolnymi metalami zazwyczaj polikrystaliczny otrzymywany za pośrednictwem technologii ceramicznej zapewniającej transport masy doprowadzajacy do wiązania składników.

Zagęszczony materiał - materiał poddany celowemu technologicznemu przetworzeniu składników wyjściowych w celu uzyskania określonej jego struktury. Mogą to być ciała objętościowe, warstwy lub pokrycia, które zostały otrzymane sposobami objętymi definicją i mogą spełniać samodzielnie użyteczną funkcję. Do wyjściowych związków zalicza się m.in. tlenki, krzemiany, borki, węgliki, azotki, krzemki, fosforki, siarczki, selenki i inne złożone związki otrzymane z nich.

Materiał polikrystaliczny - składa się przeważnie z krystalitu i na granicach między ziarnami może zawierać fazę szklistą powstającą podczas spiekania (wypalania) tradycyjnego materiału ceramicznego lub przy prasowaniu na gorąco np. azotku krzemu (Si3N4) z aktywującymi dodatkami tlenków. Definicja ta obejmuje zarówno szklaną ceramikę (dewitryfikat) jak i kompozyty ceramiczne. Zainteresowanie ceramiką, jako materiałem przyszłości dla wielu zastosowań technicznych wynika z trzech powodów:

Znajomość związków między strukturą i właściwościami tworzyw ceramicznych przy obecnym stanie wiedzy pozwala na projektowanie materiałów ceramicznych do konkretnych zastosowań. Chociaż z materiałami ceramicznymi konkurują inne materiały, to przewiduje się, że w najbliższych latach zakres stosowania nowoczesnej ceramiki będzie się szybko rozszerzał gdyż bez tych materiałów nie było by w ogóle możliwe wprowadzenie w życie wielu koncepcji technicznych. Jednak szerokiemu zastosowaniu wysokosprawnej ceramiki stoi dotychczas na przeszkodzie kilka jej niedostatków. Przede wszystkim są to materiały kruche, a więc wrażliwe na szoki mechaniczne i temperaturowe, co jest uwarunkowane rodzajem występujących w nich wiązań chemicznych i zdefektowaniu ich struktury. Produkowane dotychczas materiały ceramiczne nie mogły redukować szczytowych naprężeń powstających przy nagłych obciążeniach mechanicznych lub gwałtownych zmianach temperatury prze odkształcenie plastyczne podobnie jak w metalach. Ceramika pęka samorzutnie, ponieważ jest materiałem kruchym. Jednak w ostatnich latach poszukiwania teoretyczne i rozwój badań eksperymentalnych umożliwiły opracowanie technologii ceramiki nowej generacji pozwalającej na eliminacją tej wady. Rozszerzyło to znacznie zakres stosowania ceramiki i pozwoliło konstruktorom na nowe zastosowania tych materiałów.

Podział ceramiki technicznej:

Ceramika Funkcjonalna: -elektroceramika (czynna, bierna)

- magnetoceramika (czynna, bierna)

- optoceramika (czynna, bierna)

- nukleoceramika (czynna, bierna)

- chemioceramika (czynna, bierna)

Ceramika konstrukcyjna - chemioceramika (czynna, bierna)

- bioceramika

- mechanoceramika (silnikowa, narzedziowa, ścierna)

- termoceramika

Inne podziały cermiki:

Podział ze względu na budową chemiczną (ceramiki konstrukcyjnej):

Kompozyty ceramiczne:

-osnowa Si3N

-napełniacz-whiskersy np.SiC

Technologia produkcji wyrobów ceramicznych: (etapy)

Różnice pomiędzy nowoczesną a tradycyjną ceramiką

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 3

Tablica 2-IV ; 2-V

Podstawowe grupy materiałów:

-metale

-ceramika kompozyty

-polimery

Nanotechnologia łączy wybrane obszary:

-fizyki i ciała stałego

-chemii

-materiałoznawstwa

-biologii molekularnej

Przykłady nanomateriałów:

-sadze

-krzemionka koloidalna („biała sadza” od 15-20mikrom. do kilku(kilkunastu, kilkudziesięciu) nm.)

Badania nanostruktur:

1)budowanie struktur z pojedynczych atomów

2)wykorzystanie dużych odkształceń plastycznych

lub 3) rozdrabnianie mikrostruktur do skali nano

Nanomateriał - substancja polikrystaliczna złożona z ziaren o wymiarach (< 100nm).

W skali nano poawiają się specyficzne zjawiska nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych.

Technologie ceramiczne pozwalają otrzymywać tworzywa o składzie i właściwościach nie możliwych do otrzymania klasycznymi metodami.

Nanomateriały mają powstać z np. proszków, cienkich warstw lub izolowanych manometrycznych cząstek. Wytwarzane są od połowy lat 80 w laboratorium chemicznycm . Z wykorzystaniem metod chemicznych, mechanicznych, fizycznych.

Nanomateriały cermiczne (np.nanoproszki lub powłoki ceramiczne)

Materiały nanoeterogeniczne - zbudowane są z osnowy, w której rozmieszczone są cząstki o wymiarach rzędu 1 nm.

Podział na klasy (nanomateriałów)

-0-wymiarowe - cząstki o wymiarach rzędu nm.

-1-lub 2 -wymiarowe - np.warstwy o grubości nanomertu jedno lub wielofazowego

3-wymiarowe(lub nanokrystaliczne) (tj.złożone z krystalicznych ziaren odpowiednich faz o wymiarach rzędu nanometrów)

Bardziej właściwe wydaje się zdefiniowanie nanomateriałów nie przez wymiary cząstek lecz przez zmianę właściwości fizycznych zależną od wielkości cząstek. Decydującym kryterium rozdziału są właściwości termodynamiczne, które są różne w skali mikro i w skali nano. Zaobserwowano, że w skali nano pojawiają się specyficzne zjawiska nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych.

Wymiar, przy którym występuje zmiana bądź pojawiają się nowe właściwości jest graniczną wielkością definiującą nanomateriały. Granica wielkości ziaren jest różna dla materiałów o różnych cechach użytkowych i na ogół po jej przekroczeniu pojawiają się nowe właściwości. W wielu przypadkach definicja wymiarowa pokrywa się z definicją zmian właściwości nanomateriałów i wynosi faktycznie poniżej 100nm. Sens wytwarzania nanomateriałów pojawia się wtedy, gdy wykazują one lepsze lub nowe właściwości w porównaniu do materiałów konwencjonalnych, mikrokrystalicznych lub monokryształów o tym samym składzie chemicznym.

Metody ozadzania z fazy gazowej:

Metody otrzymywania (z innych faz):

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 4

Materiały ceramiczne są nieorganicznymi związkami z tlenem, azotem, borem lub innymi pierwiastkami (powiązanymi jonowo lub kowalencyjnie pomiędzy atomami). Dzielimy je na:

-ceramikę tradycyjną (cegła, porcelana)

- ceramikę inżynierską np.Al2O3, Si3O4, SiC, ZrO2

Głównymi surowcami do wytwarzania ceramiki tradycyjnej są gliny i kaoliny, krzemionka i glinokrzemiany . Głównym minerałem glinu i kaolinu jest kaolinit (Al2O3 x 2SiO2 x 2H20). Przykładem glinokrzemianu jest skaleń potasowy (K2O x Al2O3 x 6SiO3)

Przy produkcji cegieł po uformowaniu i spiekaniu otrzymuje się gotowy wielofazowy produkt, charakteryzujący się dużymi rozmiarami ziaren. W jego skład wchodzi mulit (Al2O3 * SiO2) i SiO2. W temp spiekania (1000st.C) mulit wytrąca się w postaci drobnych kryształów w osnowie bezpostaciowej krzemionki.

Ceramika inzynierska określana również jako ceramika specjalna lub drobnoziarnista jest otrzymywana w wyniku spiekania bardzo czystych składników w wysokiej temp. bez udziału fazy ciekłej. W stanie stałym charakteryzuje się postacią krystaliczną bez udziału fazy szklistej i ma gęstość bliska gęstości teoretycznej).

Konsekwencją zróżnicowania rozmiaru ziaren w ceramice tradycyjnej i inżynierskiej są różnice w wytrzymałości na zginanie . W ceramice inżynierskiej wytrzymałośc na zginanie Rs~100MPa uważana jest już za dobrą, w ceramice tradycyjnej ok.900-1000MPa

W przypadku materiałów 3-wymiarowych termin ziarno nie jest pojęciem wystarczająco dobrym. Stosuje się wtedy pojęcie krystalitu. Jest to obszar koherentnie(spójnie) rozpraszający promieniowanie rentgenowskie. Świadczy to o wysokim stopniu uporządkowania ziaren krystalitu w obrębie krystalitu. Kilka krystalitów zrośniętych w nieporowaty zespół to agregat, w przeciwieństwie do aglomeratu, który jest porowaty i składa się z wielu krystalitów lub ewentualnie wielu agregatów.

Wytrzymałość aglomeratu ( z zależności Ruph'a):

PC = 9/8 * (1 - Vp)*Vp * Fk * d^2 , Vp - udział objętościowy porów, d - rozmiar ziarna Fk-siła kohezji

Nanokryształami mogą być metale, ich stopy oraz tworzywa ceramiczne. Granica wielkości nanokryształów jest różna dla materiałów o różnych właściwościach użytkowych i jej przekroczenie na ogół wiąże się z pojawieniem się nowych właściwości.

Metody badania mikro- i nanostruktury:

Techniki badań:

Na początku XX w. poznano zjawiska oddziaływania elektronów z materią i dzięki temu zbudowano TEM, mikroskopy elektronowe i SEM. Ich rozdzielczość jest ograniczona długością fali elektromagnetycznej. Uzyskują one rozdzielczości TEM - 0,5 um SEM - 2 um (mikrometry). Powstający obraz podobnie jak w mikroskopach optycznych jest dwuwymiarowy. W przypadku TEM polega na przygotowaniu dostatecznie cienkiej próby aby mogły ją prześwietlić elektrony. Natomiast dużą zaletą TEM jest ich duża głębia ostrości. Oprócz informacji o morfologii powierzchni mikroskopy elektronowe dostarczają informacji o składzie chemicznycm powierzchni wykorzystując zjawiska oddziaływania elektronów z powierzchnią (dyfrakcje promieni X, katodową luminescencję itp.)

W 1986r w firmie IBM opracowano pierwszy mikroskop sił atomowych. Podstawą działania AFM jest pomiar sił oddziaływujących pomiędzy atomami ostrza skanującego a skanowaną powierzchnią. Powstały obraz jest trójwymiarowy. AFM umozliwia pracę w atmosferze powietrza, cieczy oraz w próżni.

Struktura ceramiki może zmieniać się od polikrystalicznej do amorficznej (bezpostaciowej). Krystality są oddzielone granicami międzyziarnowymi. Struktura granic międzyziarnowych jest znacznie bardziej skomplikowana niż w przypadku metali. Wynika to z tego, że jony o tym samym znaku ładunku nie mogą się ze sobą stykać. Muszą być także spełnione wymagania wynikające z wartościowości walencyjnej. Zarówno wewnątrz krystalitu jak i na granicy pomiędzy nimi.

Wady strukturalne ceramiki:

Mikrostruktura amorficzno-krystaliczna jest zbudowana z krystalitów otoczonych fazą amorficzną (szkło). Lub inaczej mówiąc z krystalitów w osnowie amorficznej. Sa to z reguły ceramiki wielofazowe, których zagęszczenie zachodzi z udziałem fazy ciekłej umożliwiającej łatwe odkształcenie plastyczne w warunkach formowania.

W trakcie wypalania powstaje płynne szkło zwilżające krystality fazy stałej i umożliwiające utrzymanie stosunkowo dużej gęstości. Podczas chłodzenia szkło ulega zestaleniu zachowując postać amorficzną. Udział objętościowy fazy amorficznej decyduje o wytrzymałości gotowego wyrobu. Gdy fazy szklistej jest za mało, to spojenie jest słabe. Natomiast, gdy jest jej za dużo - deformacja wyrobu lub całkowite jego stopienie. Ceramika o postaci amorficznej czy nieuporządkowanej jest często nazywana szkłem. Powstaje przy szybkim chłodzeniu cieczy (przyjmuje kształt naczynia). Powstaje podczas szybkiego chłodzenia cieczy, w której atomy nie mają czasu na zgrupowanie się w określone struktury krystaliczne i tym samym ciecz zostaje zamrożona. Podczas szybkiego chłodzenia ze szkła wydziela się ciepło krystaliczne, dlatego jego energia jest wyższa od stanu krystalicznego . W trakcie podgrzewania i wygrzewania może następować częściowa lub całkowita krystalizacja układu. Połączenie dwóch różnych rodzajów lub faz ceramiki (tej samej) powoduje otrzymanie kompozytu, który może przybierać różną mikrostrukturę, której fazy są ułożone warstwowo (jedna w osnowie drugiej, lub krystality różnych faz są rozmieszczone w sposób przypadkowy).

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 5

Właściwości materiałów ceramiocznych - „twarde” i „kruche”

Korzystne cechy materiałów ceramicznych do zastosowań inżynierskich:

Wady ceramiki:

Przewaga zalet nad wadami umożliwia zastosowanie ceramiki w skrajnych warunkach (temperatura, środowisko korozyjne, warunki sprzyjających korozyjności)-gdzie nie można stosować metali i tworzyw sztucznych.

Zastosowania ceramiki:

Nanoceramika i Nanokompozyty posiadają lepsze właściwości w porównaniu do cermaiki tradycyjnej np. kruchość można zredukować do minimum. Kompozyt złożony z Al2O3 MgO i ZrO2 o wymiarach nanometrycznych wykazuje właściwości plastyczne a w takcie odkształcania na gorąco osiaga właściwości nadplastyczne i wykazuje odkształcenia nawet do 1000%. Ten specyficzny zespół właściwości dodatnich i ujemnych ceramiki wynika z budowy na poziomie mikrostruktury i rodzaju wiązań miedzyatomowych. W ceramice poszczególne atomy połączone są wiązaniami jonowymi i kowalencyjnymi. W strukturach jonowych minimalizacja energii jest realizowana przez zwiększenie gęstości upakowania, natomiast w strukturach kowalencyjnych przez tworzenie łańcuchów, płaszczyzn lub sieci przestrzennych. Materiały ceramiczne wykazują różne właściwości mechaniczne, fizyczne i chemiczne o zastosowaniach i praktycznych właściwościach ceramiki decydują różne właściwości.

Tabela 3.1

Specyficzne właściwości materiałów nanoceramicznych:

Schemat interdyscyplinarności nanotechnologii Rys. 1.1

Zastoswania nanomateriałów ceramicznych:

Aktualnie prowadzone są badania nad:

Podstawowymi parametrami decydującymi o technicznej przydatności ceramiki są właściwości mechaniczne

Właściwości mechaniczne:

Moduł Younga- moduł sprężystości wzdłużnej €:

E=Б/ε [Pa]

Б = F/s [Pa]

Б- naprężenie powstające przy obciążeniu siłą F [N] próbki o przekroju S [mm2]

Duzy moduł E - materiał sztywny (ceramika inżynierska)

Mały moduł E - materiał elastyczny (elastomery)

ε = (Δl/l)100%

ε - odkształcenie sprężyste wywołane naprężeniem Б, wyznaczone na podstawie stosunku długości Δl do pierwotnej długości pomiarowej l

Moduł sprężystości można wyznaczyć m.in. z pomiaru wydłużenia pręta, ugięcia belki lub podczas ściskania. Najdokładniejsze metody opieraja się na pomiarze drgań pręta podpartego oraz na pomiarze prędkości dźwięków materiałów. W przypadku nanomateriałów pomiarów modułu Younga dokonuje się dla próbek w postaci litych warstw, a więc dla proszku.

W metodzie wibracyjnej nakłada się cienką warstwę badanego materiału na wypolerowany kryształ krzemu o określonych wymiarach. Od dołu przykłada się elektrodę Al. Drgania rezonansowe Si są wymuszane przez elektrody. Nałożenie warstwy o grubości rzędu nm powoduje zmianę częstości rezonansowej. W celu ich wyrównania należy przyłożyc odpowiedni potencjał pomiędzy płytką a elektrodą.

Wytrzymałość na rozciąganie wyznacza się w statycznej próbie rozciągania przeprowadzanej na maszynie wytrzymałościowej.

[MPa]
Fm to maksymalna siła przykładana, S0 - pole przekroju początkowego[mm2]

Ceramika należy do materiałów kruchych i w trakcie rozciągania odkształca się tylko sprężyście bez odkształceń plastycznych. Kruche pęknięcie następuje zanim zostanie osiągnięta granica plastyczności. Powstały przełom ma kruchy charakter i nei obserwuje się charakterystycznego przewężenia kształtki poddanej próbie wytrzymałości (tzw.szyjki), jak w przypadku plastycznych metali i stopów oraz polimerów. W trakcie próby rozciągania materiałów ceramicznych przewężenie i wydłużenie jest pomijane ze względu na wartości niewiele większe od 0.

Wytrzymałość na ściskanie (Rc):

W przypadku materiałów ceramicznych w praktyce większe znaczenie zyskują parametry wytrzymałości na ściskanie i zginanie. Z reguły siła potrzebna do zniszczenia próbki potrzebna podczas rozciagania jest do 15 razy mniejsza od siły niszczącej podczas ściskania.

Rc= Fc/C [MPa]

Fc - siła niszcząca próbkę [N]

S - pole przekroju poprzecznego ściskanej próbki [mm2]

Badanie wytrzymałości na ściskanie przeprowadza się w prasie. Podczas ściskania rozprzestrzenia się wiele pęknięć, co prowadzi do ogólnego kruszenia materiału. W zależności od rodzaju ceramiki próbki mogą być w stanie suchym lub nasyconym wodą. Wilgotne porowate materiały wykazują z reguły niższą wytrzymałość.

Wytrzymałość na zginanie (Rg)

Wyznacza się w statycznej próbie na zginanie

Rg=Mg/W [MPa]

Mg- moment gnący [N x mm], W-wskaźnik przekroju przy zginaniu [mm3]

Wartość momentu gnącego zależy od działającej siły i odległości między podporami

Wskaźnik wytrzymałości zależy od rodzaju przekroju, który może być okrągły, kwadratowy, prostokątny lub złożony.

Wytrzymałośc na zginanie zależy od objętości próbki. Próbka ceramiczna ma wiekszą wytrzymałość na zginanie niż na rozciąganie ponieważ podczas rozciągania cała próbka podlega działaniu naprężenia rozciągającego, natomiast podczas zginania największe naprężenia rozciągające działają tylko w cienkiej warstwie przypowierzchniowej czyli w niewielkiej objętości w stosunku do stłej objętości próbki.

Wytrzymałość na pękanie

W normalnych warunkach materiały ceramiczne nie wykazują zdolności do odkształceń plastycznych i wykazują brak odporności na dynamiczne działanie obciążeń i skłonnośc na pękanie. Szczególnie w materiałach stałych na styku ziaren mogą powstawać szczeliny, które pod wpływem obciążeń inicjują rozwój pęknięcia.

Do opisu wytrzymałości na pękanie stosuje się współczynnik intensywności naprężeń (K)

Dla dużych wartości współczynnika K przy danym poziomie naprężeń rozciągających Б w wyrobie może istnieć dłuższa szczelina a. Małe wartości K powodują, że dopuszczalne jest istnienia bardzo krótkie szczeliny.

Wartości K dla materiałów ceramicznych są bardzo małe, a proces rozwoju pęknięcia może zostać zainicjowany w szczelinach wielkości nanometrów. W przeciwieństwie do metali materiały ceramiczne są bardzo podatne na pękanie.

Stosowane są 3 różne metody pomiaru odporności na pękanie:

1. pomiar wartości KLC w zakresie liniowo sprężystym mechaniki pękania.

2. pomiar wartości rozwarcia szczeliny δc

3. pomiar całki Rice'a zmiany energii odkształcenia i wierzchołka pęknięcia γ

Ad1. przypadku materiałów ceramicznych, gdzie nie obserwuje się odkształceń plastycznych lub odkształcenia te są niewielkie, stosowana jest metoda pomiaru KLC. Stosując cyklicznie zmienną siłę rozciągającą w próbce z naciętym karbem wywołuje się pęknięcie zmęczeniowe (szczelina). Tak zainicjowane pęknięcie stanowi podstawę do wykonania właściwego pomiaru polegającego na powolnym rozbieraniu szczeliny siłą F rosnącą w czasie. Przy pewnej krytycznej wartości siły Fkr rozpoczyna się lawinowy przyrost długości szczeliny.

Wartośc wspł. K obliczamy ze wzou:

Wartość KLC dla ceramiki jest w przybliżeniu 50 razy mniejsza od KLC dla metali o dobrej ciągliwości. Istotny jest wpływ temperatury.

Ad2. Stosuje się do materiałów wykazujących wiekszą plastyczność, a więć stopów metali. W materiałach, których wierzchołek szczeliny odkształca się plastycznie mierzy się długość szczeliny δx powyżej której lawinowo rozprzestrzenia się pęknięcie. Parametr δc umożliwia obliczanie uniwersalnego współczynnika KLC

Ad3. Pomiar całki Rice'a γ jest stosowany w materiałach o liniowo sprężystej mechanice i w materiałach o nieliniowej mechanice pękania(plastycznych), gdzie pękanie przebiega wieloetapowo z odkształceniem plastycznym wierzchołka szczeliny. W pomiarze tym szczelinę tę inicjuje się drogą obciążeń cyklicznie zmiennych. Dalej następuje zaokrąglenie wierzcholka szczeliny, stabilne rozprzestrzenianie szczeliny i jej końcowy rozwój. Zadaniem pomiaru jest znalezienie wartości γ, od której rozpoczyna się stabilny rozwój szczeliny.

Powyższe metody wyznaczania odporności na pękanie określa się mianem statycznych.

Elementy maszyn są narażone jednak na działanie sił dynamicznych tzn. na uderzenia. Cecha określającą odporność na gwałtowne obciążenia jest udarność. Próba udorności polega na złamaniu jednym uderzeniem młota wahadłowego Charpy'ego próbki z nacietym karbem podpartej swobodnie na obu końcach i pomiarze pracy jej złamania. Karb może mieć kształt litery U lub V. Uderzenie w próbkę następuje z przeciwległej strony karbu. Jako wynik próby udarności podaje się zużytą energię K wyrażoną w [J] zużytą na złamanie próbki. Stosuje się również pojęcie udarności Kc [J/cm3] wyrażające się stosunkiem pracy łamania zużytej na złamanie próbki do pola powierzchni przekroju poprzecznego w miejscu złamania. Ceramika ma udarność rzędu 0,5-5 [J/cm3] a np. stale do 200[J/cm3].

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 6

Wytrzymałość na pełzanie ceramiki

Pełzanie - odkształcenie plastyczne, zachodzące w wysokich temperaturach przy niewielkiej szybkości odkształcenia. Pełzanie jest funkcją obciążenia, temperatury i czasu. Pełzanie ceramiki obserwuje się w temperaturach wyższych od 1/3 temperatury topnienia. Na krzywej pełzania wyróżnia się 3 etapy:

Tlenki metali o wysokich temperaturach topnienia na granicach międzyziarnowych znacznie hamują dyfuzyjne pełzanie metali, np. w tzw. super stopach. Ostatnio stwierdzono, że dyspersja cząstek Si-C o wymiarach nanometrycznych w matrycy tlenku glinu nanokompozytów Al2O3/SiC powoduje znaczną poprawę właściwości mechanicznych w szczególności odporności na pełzanie, podobnie jak w przypadku metali np. minimalna szybkość pełzania kompozytu powyżej zawierającego 17% SiC jest ok. 3 rzędy wielkości mniejsza niż w przypadku czystego Al2O3. Zbadano też naprężenie pełzania takiego nanokompozytu zawierającego 5% SiC o wymiarach 0,15 μm przy naprężeniu 100 MPa w temp. 1200-1300 st.C. W tych warunkach szybkość pełzania Al2O3 była o 2-3 rzędy wielkości mniejsza, a w porównaniu do czystego Al2O3 wystąpił tylko 3 etap tego zjawiska. Zaproponowano mechanizmy wyjaśniające rolę SiC.

Odporność na udary cieplne

Nowoczesna ceramika wysokotemperaturowa jest stosowana w postaci elementów silników spalinowych, w których występują gwałtowne zmiany temperatury i naprężeń. Na ogół materiały ceramiczne są wrażliwe na gwałtowne zmiany temperatury powodujące ich pękanie. Odporność na udary cieplne wacha się od 80 st.C dla szkła sodowego do 500 st.C dla Si3N4. Prostym sposobem określenia odporności na szoki cieplne jest wrzucanie do zimnej wody próbek nagrzewanych do coraz wyższych temperatur. Miarą odporności na udary cieplne jest maksymalna różnica temperatur, jaką próbka wytrzymuje. Zmiana temperatury w trakcie chłodzenia nie zachodzi jednakowo w całym przekroju próbki. Prowadzi to do różnicy naprężeń wynikających z linowego współczynnika rozszerzalności cieplnej i skurczu materiału. Warstwa wierzchnia próbki ceramicznej ulega szybszemu schłodzeniu niż jego rdzeń. W warstwie tej powstają sprężyste naprężenia rozciągające, które w chwili osiągnięcia wartości Rm powodują zniszczenie powierzchni próbki, tzn. popękanie i odpadnięcie warstwy wierzchniej. Wartość sprężystych naprężeń rozciągających opisana jest wzorem:

Alfa to współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, dT to maksymalna różnica temp. Jaką wytrzymuje próbka.

Rozszerzalność cieplna

Rozszerzalność cieplna to wzrost wymiarów i objętości ciał pod wpływem wzrostu temperatury. Jest to związane ze wzrostem energii cząsteczek, czemu towarzyszy wzrost odległości pomiędzy nimi. Wielkościami charakteryzującymi rozszerzalność cieplną są:

l to długość w [mm]

Jeżeli znamy wartość alfa, to można obliczyć przyrost długości pręta po ogrzaniu o dT.

Dla ciał izotropowych wartość beta jest trzykrotnie większa od alfy.

W przypadku materiałów anizotropowych rozszerzalność zależy od wybranego kierunku. Dla niektórych materiałów w określonym przedziale temp. Obserwuje się anomalną rozszerzalność (kurczenie przy ogrzewaniu).

Pojemność cieplna

Pojemność cieplna - zdolność materiału do kumulowania ciepła podczas ogrzewania. Ilość ciepła potrzebną do ogrzania ciepła o dT określa się:

C to ciepło właściwe materiału. Ciepło właściwe ceramiki wynosi 0,7-0,95

Przewodność cieplna właściwa

Jest to zdolność materiału do przewodzenia strumienia cieplnego powstającego w skutek różnicy temperatur na jego powierzchni. Przewodność cieplną charakteryzuje λ - współczynnik przewodności cieplnej [W/(m st.C)]. Jest to ilość ciepła przepływającego w jednostce czasu przez jednostkę przekroju F przy gradiencie temperatur dt/dx względem odległości x równej jedności.

Przewodność cieplna właściwa zależy od struktury materiału, jego składu chemicznego i stopnia wilgotności.

Ogniotrwałość

Jest to trwałość kształtu podczas długotrwałego ogrzewania. Za materiały ogniotrwałe uznaje się te, które są trwałe przy ok. 1580 st.C. W technice praktycznie tylko wyroby ceramiczne (szamot) są stosowane na wykładziny pieców itp.

Mrozoodporność

Budowlane materiały ceramiczne są narażone na zmiany klimatu i są często stosowane w zkaresie temperatur od -30 do +40 st.C i wyższych. Mrozoodporność określa się po około 25 cyklach zamrażania i odmrażania. Próbki nasyca się wodą i zamraża; następnie odmraża się w wodzie o temp. +20 st.C. Cykl powinien trwać 4 godziny i powtarza się go 25 razy. Zmianę masy oblicza się:

m1 to masa próbki przed badaniem , m-masa próbki po badaniu

Z pomiarów wytrzymałości na ściskanie określa się współczynnik odporności na zamrażanie:

Rc2 to wytrzymałość na ściskanie materiału przed zamrożeniem próbki nasyconej wodą.

Jeżeli materiał podczas wielokrotnego zamrażania nie wykazuje się rozpadu (znacznego) lub spadku odporności, to uznaje się za mrozoodporny.

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 7

Materiały ceramiczne (np.diament, Sic) należą do najtwardszych ciał stałych i dlatego znalazły powszechne zastosowanie do wyrobu narzędzi skrawających i elementów odpornych na ścieranie.

Twardość materiałów ceramicznych jest wielokrotnie większa od twardości materiałów metalicznych. Właściwość tą wykazuje się metodą wciskania wgłębnika twardościomierza.

Ceramika są twardość zawdzięcza silnym zlokalizowanym wiązaniom kowalencyjnym oraz jonowym. W przypadku wiązania kowalencyjnego elektrony walencyjne różnych atomów tworzą pary elektronowe należące wspólnie do jąder dwóch atomów i zachowują się jak struny łączące atomy. Przemieszczająca się dyslokacja napotykając takie wiązania musi je rozerwać i powtórnie utworzyć. Wiązanie jonowe ma charakter elektrostatyczny i powstaje, gdy elektorny walencyjne jednego atomu (elektrododatniego) są przyłączane przez drugi atom (elektroujemny). Siła przyciągania pomiędzy jonami jest proporcjonalna (wprost) do kwadratu ich ładunku i odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi:

Przy kierunku odkształcenia 45^o opór sieci jest mały, gdyż takie same jony nie przemieszczają się nad sobą. Przy odkształcaniu w kierunku poziomym jony o tym samym znaku przemieszczają się jedne nad drugimi, a więc są również odpychane elektrostatycznie, co powoduje silny opór sieci.

Ceramika jonowa (polikrystaliczna) o wielu systemach poślizgu jest twardsza od monokrystalicznej obciążonej w systemie łatwego poślizgu. Granica plastyczność materiałów ceramicznych jest ok. 5 GPa, a jedynym penetratorem stosowanym w pomiarze twardości może być wgłębnik wykonany z diamentu. Do wyznaczania twardości ceramiki stosuje się metodę Vickersa. W metodzie tej wgłębnik o kształcie ostrosłupa i kącie wierzchołkowym 130 st. Wciska się w podłoże siłą od 1,961 - 980,7 N w zależności od potrzeb. Na powierzchni badanego materiału powstaje odcisk ostrosłupa. Aby odczytać twardość należy zmierzyć przekątne d₁ i d₂, obliczyć wartość średnią i podstwić do wzoru.

d - średnia arytmetyczna przekątnych jednego odcisku [mm]

F - siła nacisku

W praktyce korzysta się z tabel zawierających zależność twardości od siły i długości przekątnej. Można też zastosować obciążenia mniejsze (od 1,961 N) np. 0,09807 N i wtedy pomiar określany jest mianem mikrotwardości (μHV). Technika ta jest zalecana przy pomiarze twardości cienkich warstw oraz poszczególnych faz. Dla nanomateriałów stosuje się metodę AFM. Stosuje się w tej metodzie ostrza diamentowe. W trakcie pomiaru jednocześnie skanuje się powierzchnie tworząc obraz jej topografii z rozkładem sił. Pomiar jest analogiczny do metody Vickersa. Metodą AFM można zmierzyć twardość elementów struktury o wymiarach kilkudziesięciu nm. Po wykonaniu odcisku ostrze natychmiast skanuje powierzchnię w celu uzyskania obrazu. Stosuje się siłę wielkości (max kilkaset μN). Często metoda AFM nazywana jest nanotwardością. Dla różnych rodzajów szkieł twardość oznacza się przez zarysowanie materiałem wzorcowym o znanej twardości. Wzorce są uszeregowane w skali Mohsa.

Wg tej skali: np. talk- twardość 1

Diament - twardość 40

Kruchość materiałów

Ceramika jest materiałem kruchym, a stopień jej kruchości:

Rm - wytrzymałość na rozciąganie, Ro - na ściskanie. Jeśli k<1/8 -to materiały zaliczamy do kruchych

Ścieralność

Ze względu na dużą twardość ceramika jest stosowana w elementach narażanych na ścieranie. Problem ścieralności dotyczy obydwóch rodzajów ceramiki. Ceramika techniczna - np.narzędzia i elementy silników spalinowych Ceramika budowlana - np.płytki ceramiczne

Badanie ścieralności polega na pomiarze ubytku masy próbki podczas ścierania na wirującej tarczy ciernej.:

dm - strata masy po 440 obrotach tarczy [g]; A - powierzchnia próbki [cm^2] , d - gęstość pozorna próbki [g/cm³]

Gęstość:

Gęstość materiałów proszkowych można wyznaczyć o objętościomierzu Le'Chaterlier. W przypadku materiałów litych należy je sproszkować. Stosuje się ok. 130g proszku rozdrobionego do wymiaru ziaren < 0,8 mm. Proszek należy wysuszyć w T=105, 110 st.C do uzyskania stałej masy. Po ostudzeniu proszek wsypuje się do objętościomierza napełnionego benzenem lub etanolem do poziomu „0” . Pozostałość proszku waży się, i z różnicy mas określa się masę proszku wyspanego. Ze stosunku tych mas do 25cm^3 wyznacza się wartość gęstości pozornej. g=m/V

Gęstość pozorna materiału zależy od struktury i dla materiałów porowatych jest mniejsza od tzw. gęstości absolutnej. Dokładniejszy pomiar gęstości dla materiałów o nieregularnych kształtach wymaga zastosowania wagi hydrostatycznej.

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 9

Gęstość nasypowa

Dla substancji w postaci proszków, kruszy w stanie tzw.luznym stosuje się pojęcie gęstości nasypowej. Ze względu na nieregularne wymiary ziaren niemożliwe jest zachowanie stałości upakowania .

Gęstość nasypowa to stosunek masy do objętości proszku. Stałość gęstości nasypanego proszku określa się jako stosunek gęstości nasypowej wytrząsanej do luźnej. Stosunek powinien być bliski 1 (tak się dzieje dla kształtów kulistych).

Rodzaje ułożenia proszków (zgodnie z rodzajami krystalograficznymi).

Ułożenie proszku o jednakowej średnicy może być:

1)regularne luźne

2)w kształcie pojedynczej szachownicy

3)w kształcie podwójnej szachownicy

4)piramidalne

5)tetraedryczne

Dobierając frakcje proszków o różnych średnicach (klasach ziarnowych) można jednak uzyskać dużą gęstość nasypową. W takim przypadku małe ziarna zajmują miejsca w lukach pomiędzy większymi ziarnami. Większe upakowanie można uzyskać odrzucając niektóre frakcje ziarnowe. Przy doborze wielkości ziaren we frakcjach należy kierować się zasadami:

Proszki stosuje się do prasowania i spiekania. Duża gęstość nasypowa pozwala na:

Pomiary gętości nasypowej wykonuje się przez nasypanie proszku o znanej objętości przez znormalizowany lejek i zważenie go.

Sypkość

Sypkość proszku określa się wielkości kąta usypu zawartego pomiędzy tworzącą stożka usypu a podstawą. Sypkość proszku jest tym większa, im mniejszy jest kąt i kształt ziaren bardziej zbliżony do kulistego. Sypkość maleje ze wzrostem nieregularności ziaren i wilgotności materiału. W procesie formowania wypranej sypkość decyduje o równomierności wypełnienia formy. Jedna z metod wyznaczania sypkości proszków polega na pomiarze czasu przesypu ustalonej masy proszku przez znormalizowany lejek. Sypkość wyraża się jako stosunek masy proszku do szybkości usypu.

S=m/t

W innych metodach mierzy się kąt usypana usypanej przez norm. Lejek figury lub sypanie swobodne proszku z płaskiej powierzchni.

Higroskopijność

Zdolność materiału do wchłaniania wilgoci z powietrza. Materiały higroskopijne wykazują podwyższoną wilgotność. Przez zmianę ich ilości w wyrobach można regulować poziom ich wilgotności .

Kapilarność

Zdolność podciągania wody przez włoskowate kanaliki materiału zetkniętego z wodą.

Szczelność

Liczba określająca zawartość substancji w jednostce objętości (<1).

Porowatość

Zawartość pustych przestrzeni (porów) w jednostce objętości.

S - szczelność materiału

Przepuszczalność pary wodnej

Ilość pary ([g]) jaką przepuszcza materiał o powierzchni 1 [m]^2 o grubości 1 [m] w ciągu 1 h. Jeżeli różnica ciśnień pomiędzy przeciwległymi powierzchni 1 [Pa]. Dla materiałów szczelnych (=0),a dla cegły pełnej (=10^-4)[g/(m*h*Pa)]

Wilgotność materiału

Stosunek masy wody wchłoniętej przez materiał do masy materiału suchego.

Wilgotność względna - określa procentowy udział wody w wilgotnym materiale Wilgotnośc bezwzględna - określa ilość częśi wagowych wody, jaka przypada na 100 części suchego materiału.
Wilgotność jest parametrem charakteryzującym proszki i granulaty. Zależy od niej twardość, sypkość i prasowalność. Wilgotnosć granulatu może zmieniać się od 0 do tzw. wilgotności intensywnego zlepiania się, w której następuje gwałtowne zmniejszenie sypkości granulatu. Wilgotność proszków wynosi na ogół 0,5 - 6 % wag. Rozkład wielkości granulek może mieć wpływ na wilgotność . Większe granule mogą być bardziej wilgotne wewnątrz, natomiast mniejsze mogą być bardziej wysuszone co prowadzi do nierównomiernego zagęszczania wyprazki podczas prasowania (wytrzymałość).

Nasiąkliwość

Zdolność wchłaniania wody przez materiał. Materiały nasiąknięte wodą wykazują mniejszą wytrzymałość i większą gęstość pozorną od materiałów suchych. Wyznacza się nasiąkliwość wagową i objętościową.

Nasiąkliwość objętosciowa (masa materiału nasiąknietego do objętości suchego).

Przesiąkliwosć

Zdolnośc do przepuszczania wody pod ciśnieniem. (masa wody pod stałym ciśnieniem) przez powierzchnię 1 [cm]^2 w ciągu 1h.

Charakterystyka proszków:

-wielkość i kształt Ziaren

-rozkład wielkości ziaren

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 10

Metody przedstawiania wyników analizy ziarnowej:

1. w tabelach podaje się przepad i pozostałość

Przepad - udział ziaren mniejszych lub równych danemu rozmiarowi

Pozostałość - uzupełnienie przepadu

2.Krzywa sumacyjna (krzywa składu ziarnowego)-graficzne przedstawienie przepadu lub pozostałości w funkcji wielkości ziaren; zróżnicowana krzywa sumacyjna- zależność funkcji częstości od wielkości ziaren

3. Inne sposoby przedstawiania składu ziarnowego oparte na równaniach.

Nanomateriały ceramiczne charakteryzują się różnymi właściwościami magnetycznymi:

Materiały klasyfikuje się wg. wartości podatności magnetycznej χ

Diamagnetykiem jest ceramika o zerowym momencie magnetycznym orbitalnym i spinowym:

Paramagnetyki to substancje, których zewnętrzne pole magnetyczne powoduje powstanie w próbce namagnesowania . W paramagnetykach brak jest silnych wzajemnych oddziaływań orientujących momenty magnetyczne atomów.( χ >0)

Ferromagnetyki - występują b.silne oddziaływania. Poniżej temp Curie w tych materiałach występuje orientacja momentów magnetycznych nawet bez obecności zew. Pola magnetycznego.

Zjawisko antyferromagnetyzmu występuje przy antyrównoległej wzajemnej orientacji momentów magnetycznych atomu.

Do ferrimagnetyków zalicza się tworzywa ceramiczne, w których nie występuje całkowita kompensacja momentów magnetycznych. Ferryty (tlenki podwójne). Mają one duże znaczenie praktyczne, ponieważ wykazują również wł. Półprzewodnikowe (MeO)m(Fe2O3)n :

Ferryty lantanowców - (MeO)3(Fe2O3)5 - wł. Ferromagnetyczne, krystalizują w strukturze granatu. - „ceramika magnetyczna” ; szeroko stosowane w technice n.p. miękkie i twarde materiały magnetyczne.

Magnesy trwałe - stosuje się tzw. heksaferryt MeO*Fe2O3 Me - Ba, Pb. (struktura heksagonalna).

Do nowoczesnej ceramiki magnetycznej należą:

Właściwości chemiczne ceramiki (również Nano):

Ceramika należy do materiałów o najwyższej odporności korozyjnej.

B.Dobrą odporność na działanie silnych kwasów wykazują szkła, tlenki glinu, SiO2, SiC, Si3N4.

Słabszą odporność na kwasy wykazują: MgO, ZrO2

Gorszą odporność na zasady ma SiC, Si3N4

Słabo odporne na zasady są SiO2, szkła

Ceramika jest stabilna w warunkach ziemskich.

NANOMATERIAŁY CEARMICZNE - WYKŁAD 11

Pod wpływem wody w krzemionce powstają grupy silanolowe:

SiO2 + H2O Si-OH

Największym problemem jest kruche pękanie w skutek naprężeń mechanicznych i cieplnych. Dlatego w przypadku ceramiki ważniejsze niż dla metali są parametry określające odporność na szok termiczny i zachowanie w różnych temperaturach.

Procesy technologiczne dla ceramiki:

Ta metodą otrzymuje się niekonwencjonalne materiały np.materiały amorficzne, mocno nasycone materiały stałe lub materiały złozone ze składników o bardzo różnej temp.topnienia

Proces mechanicznej syntezy można podzielić na 5 etapów, które rozróżnia się n.p. analizy rozkładu wielkości ziaren, ich kształtu oraz pomiaru twardości:

Przebieg wszystkich etapów MA zależy od rodzaju mielonego materiału. Podczas tego procesu szybkość reakcji w stanie stałym zależy od powierzchni kontaktu składników i szybkości dyfuzji substratów w fazach produktów reakcji. W tym procesie nie stanowi przeszkody niska temperatura, ponieważ ze względu na dużą liczbę powstających defektów szybkość dyfuzji wzrasta, a powierzchnia kontaktu rośnie w czasie procesu wraz z tworzeniem się coraz cieńszych warstw składników. Właściwości mechaniczne i fizykochemiczne produktów MA zależą od parametrów i warunków procesu, tzn. od rodzaju młynka (stopnia wypełnienia pojemnika, wielkości materiału mielników, stosunku masy mielników do masy proszku) oraz od temperatury i atmosfery mielenia. Najczęściej stosuje się młynki wibracyjne typu shaker , grawitacyjne, planetarne typu arritor i uni-ball. Przykładem młynka planetarnego jest młynek Frisch'a . Rodzaj młynka wpływa na wielość ziaren w produkowanych materiałach. Można w nich mielić także metale. W zależności od rodzaju młynka różna jest wielkość naprężeń w materiałach. Najważniejszym czynnikiem wpływającym na czystość produktu jest atmosfera. Zwykle stosuje się gazy obojętne np. Argon, co zapobiega utlenianiu materiału podczas procesu. Czasem zanieczyszczenia gazów mogą zwiększać stabilność termiczną proszków. W czasie procesu MA zachodzą również procesy chemiczne (oprócz fizycznych).

NANOMATERIAŁY CERAMICZNE - WYKŁAD 12

Zaliczenie - 18.06.09

Metoda zol-żel - powolne odwadnianie przygotowanego wodorotlenku metalu, otrzymując żel. W metodzie wykorzystuje się hydrolizę alkoholanów.:

Zole są przykładami koloidów. Są to układy dyspersyjne w większości dwufazowe o wyglądzie układu jednolitego złożone z fazy ciągłej nazywanej ośrodkiem dyspersyjnym (rozpraszającym) i składnika rozproszonego. Wysoki stopień dyspersji powoduje olbrzymie rozwinięcie ogólnej powierzchni rozproszonej wobec czego dla układu koloidalnego szczególne znaczenie mają wszelkie procesy zachodzące na granicy faz. Najbardziej rozpowszechnione są układy z ciekłym ośrodkiem dyspersyjnym nazywane roztworami koloidowymi (liozole; zole). Zole mogą być liofilowe lub liofobowe. Mogą to być zole odwracalne lub nieodwracalne. Wytrącony wodorotlenek metalu można ponownie przeprowadzić w koloid (zol) dodając określoną ilość kwasu. Szybkość peptyzacji zależy od temperatury. Odwadnianie zoli metodą barowania prowadzi do jego przejścia w żel. Kolejnym etapem jest prażenie żelu na ogół w temp. 430 - 830 st.C w wyniku czego otrzymuje się proszki np. tlenki. Etap ten decyduje o kształcie i wielkości ziaren, a proces spiekania można prowadzić w znacznie niższych temp. niż wytwarzanie proszków metodą konwencjonalną.

Reakcje chemiczne w fazie gazowej.

Proszki o wielkości krystalitu (2 - 50 nm) można wytwarzać metodą reakcji w fazie gazowej tj. z wykorzystaniem wybranych reakcji chemicznych typu gaz-gaz. :

Produktem C mogą być krystality, proszki bezpostaciowe lub whiskersy. Stosuje się metody grzania:

Przy ogrzewaniu oporowym gazowe reagenty przepuszcza się przez reaktor wykonany z rury (SiO2 lub Al2O3) umieszczonej wewnątrz rurowego pieca oporowego. Po osiągnięcie przez nie strefy gorącej następuje reakcja pomiędzy gazami, w wyniku której powstaje proszek lub warstwa. Ogrzewanie indukcyjne stosuje się głównie do otrzymywania cienkich warstw.
Ogrzewanie laserowe za pomocą wiązki promieniowania laserowego może służyć do wytwarzania drobnych kulistych proszków i nanoproszków o ściśle określonych rozmiarach cząstek np. proszki SiC, Si3N4 o rozmiarach 20 - 30 nm otrzymuje się w reakcjach monosilanu (SiH4) z metanem lub amoniakiem.

Tą metodą można otrzymywać tlenki metali oraz węgliki i azotki Ti, Zr, V, W.
Do otrzymywania tlenków wykorzystuje się reakcje par chlorków i tlenków, chlorków z tlenem oraz hydrolizę par chlorków parą wodną w wyższych temp.

Reaktywne mielenie

W ten sposób otrzymuje się nanomateriały funkcjonalne. Podstawą procesu RM są technologie wymienione wcześniej (mechaniczna synteza, wysokoenergetyczne rozdrabnianie).Ten proces znany jest od około 20 lat. Przykłady otrzymywania proszków:

Przez RM tlenku miedziowego, cynkowego z wapniem można otrzymać mosiądz (beta)' .
W literaturze tą metodę nazywa się syntezą mechano-chemiczną lub mechaniczno-chemiczną.
MtO + R Mt + RO

Tego typu reakcje w zależności od parametrów procesu takich jak: energia mogą przebiegać w sposób łagodny, burzliwy

PbO2 + TiO PbTiO3

Istotnymi parametrami procesu RM są: temp. mielenia, czas mielenia, średnica mielników stosunek masy mielników do masy wyjściowych proszków oraz rodzaj i ilość reduktora. B. ważna jest optymalizacja właściwości i mikrostruktury otrzymywanego materiału. Najważniejsza w procesie RM jest temperatura.
Kolejnym ważnym parametrem jest stosunek mas BPR (Ball to Powder weight Ratio). Jeżeli dla reakcji otrzymywania Ti - TiCl4 z Mg - jeżeli BPR = 2, to t = 24h; dla BPR = 12 to t = 12h.

Redukcja tlenku miedzi z krzemem prowadzi do otrzymania czystej miedzi, jeżeli BPR = 80. Jeżeli jest mniejszy, to otrzymuje się mieszaninę Cu i Cu2O; BPR = 30, to otrzymuje się CuO.

Koloidem nazywa się stan w którym małe cząstki o średnicach 1-100nm są rozproszone w cieczach lub gazach. Koloid, który jest wystarczająco płynny i trwały przez długi okres czasu nazywa się zolem.

Sztywne ciało powstające przez odparowanie rozpuszczalnika z zolu nazywa się żelem. Metodą zol-żel można szybko otrzymać materiały o różnym kształcie. Metoda ta polega na przemianie zolu w żel.

Surowe materiały proszkowe otrzymuje się w reakcji wytrącania z fazy ciekłej. Najczęściej stosowanym substratem w procesie zol-żel jest tetraeoksysilan Si(Oct)₄ (TEOS). Żadziej stosowany jest tetrametyksosilan (TMOS). Przez dodatke bardzo rozcieńczonego alkoholowego roztworu HCl poalkoholowego roztworu TEOSu zachodzą reakcje hydrolizy i kondensacji i powstaje stabilny zol, który zawiera oligomery krzemianowe o małej liczbie grup OH.

Przez zanurzenie w roztworze zolu nanosi się cienkie warstwy (inaczej filmy) krzemionki. Wzrost temp. od pokojowej do 80st.C przyspiesza proces polimeryzacji zolu, który zwiększa swoja lepkość i może tworzyć bardzo cienkie nitki. Przez ogrzewanie do temp. 400-800st.C z nici można otrzymać włókna SiO₂. Natomiast przez podgrzanie zżelowanej masy do 800st.C można otrzymać szkło krzemionkowe. W środowisku zasadowym hutroliza TEOSu prowadzi niemal całkowicie do utworzenia kw.krzemowego Si(OH)₄ który ulega dalszej polimeryzacji.

Metody konsolidacji nanoproszków:

Nanoproszki mają charakter metastabilny dlatego metody wykorzystujące wysokie temp. mają ograniczone zastosowanie. Momo to w przeprowadzonych badaniach wykazano, że przez spiekanie lub prasowanie nanoproszków w temp. 600-850st.C w czasie 1min można otrzymać lite materiały np.Si₃N₄, ZrV₂, Mo-Al. W przypadku funkcjonalnych nanomateriałów ceramicznych ich właściwości użyteczne zależą od wiolkości krystalitów. Dlatego projektowanie materiałów o wybranych właściwościach uwzględnia procesy formowania i spiekania . Istotnym problemem mającym wpływ na procesy formowania i spiekania nanocząstek jest powstawanie podczas procesów technologicznych agregatów i aglomeratów tych proszków oraz powstawanie porów.

Formowanie wyrobów polega na zagęszczaniu proszków w zamkniętej przestrzeni. Kształt wypraski narzuca wybór metody formowania. Podczas formowania nastepuje zbliżenie cząstek proszku przez zwiększenie powierzchni styku. Występuje też oczyszczenie powierzchni proszków z tlenków przez ich mechaniczne starcie, wzajemne przemieszczenie cząstek proszku czyli tzw. płynięcie . W ten sposób jest ułatwione scalanie cząstek. Wytrzymałość mechaniczna otrzymywanych wyprasek jest niewielka ponieważ uzyskuje się je głównie w wyniku oddziaływania sił adhezji oraz mechanicznego zazębiania się cząstek proszku w trakcie procesu.

Formowanie na zimno można wykonać między innymi za pomocą następujących metod:

-prasowania na zimno jednoosiowego, jedno- lub dwustronnego

- prasowania izostatycznego

- wibracyjnego zagęszczania proszków

- walcowania proszków

- formowania udarowego

- wyciskania proszków

- kucia na zimno

- odlewania i natryskiwania

Oprócz formowania na zimno wykonuje się również wypraski metodą formowania na gorąco, w której występuje jednoczesne działania siły zewnętrznej i temperatury. Czynniki te znacznie przyspieszają łączenie się cząstek.