บทที่ 3 (ต่อ)

บทที่ 3 (ต่อ) ชนิดของวัสดุ (เซรามิก)

เซรามิก (Ceramics) • เป็นอนินทรียสารที่มีธาตุที่เป็นโลหะและอโลหะเป็นองค์ประกอบ ยึดกันด้วยพันธะเคมี • โครงสร้าง Crystal, Amorphous หรือทั้งสองแบบปนกัน • มีความแข็งแรงสูง คงความแข็งแรงที่อุณหภูมิสูงๆ ได้ดี แต่เปราะ • นำมาทำเป็นเครื่องยนต์ เพราะน้ำหนักเบา มีความแข็งแรงสูง มีความแข็งสูง ทนอุณหภูมิและการขัดสีได้ดี ลดการเสียดทาน และมีสมบัติเป็นฉนวน • บุผนังเตาเผาอุณหภูมิสูง บุผนังกระสวยอวกาศ ซึ่งจะช่วยกันความร้อนไม่ให้ผ่านเข้ามาถึงโครงสร้าง Al ภายในกระสวยอวกาศ ขณะบินออก-เข้าสู่บรรยากาศโลก

เซรามิกส่วนใหญ่จะถูกแบ่งประเภทตามลักษณะการใช้งานเซรามิกส่วนใหญ่จะถูกแบ่งประเภทตามลักษณะการใช้งาน • Glasses : Glasses, Glass Ceramics • Clay Products : Structural Clay Products, White wares • Refractories : Fireclay, Silica, Basic, Special • Cements • Advance Ceramics

ชนิดและการใช้งานของเซรามิกชนิดและการใช้งานของเซรามิก

1.แก้วและเซรามิกจากแก้ว1.แก้วและเซรามิกจากแก้ว แก้ว เป็นเซรามิกอย่างหนึ่ง ที่มีการใช้งานที่แตกต่างกัน เช่น เป็นภาชนะ กระจกหน้าต่าง เลนส์ เส้นใยแก้ว เป็นต้น แก้วประกอบด้วย โครงสร้างแบบไม่มีผลึก (amorphous) ของซิลิเกต (Silicate) ที่ผสมด้วยออกไซด์ต่างๆ เช่น CaO Na2O K2O Al2O3ซึ่งองค์ประกอบเหล่านี้จะทำให้แก้วมีสมบัติที่แตกต่างกันออกไป ตย. เช่น แก้วโซดาไลม์ (Sodalime) : ประกอบด้วย SiO2 ~ 70% ที่เหลือคือ Na2O และ CaO

สมบัติเด่น : เป็นวัสดุโปร่งใสและขึ้นรูปได้ง่าย แก้วส่วนใหญ่ สามารถเปลี่ยนรูปจาก amorphous ไปเป็น crystal ได้ โดยอาศัยกระบวนการที่เรียกว่า “Devitrification” ซึ่งจะทำให้ได้ผลิตภัณฑ์ที่มีผลึกเล็กละเอียด เรียกว่า “glass-ceramics” โดยการทำให้เกิดผลึก : ใส่สารบางอย่างลงไปกระตุ้นการก่อตัวของผลึกเช่น TiO2

ข้อดีของ Glass-Ceramics • มีการขยายตัวเนื่องจากความร้อนต่ำ • ไม่เกิด thermal shock • แข็งแรงสูง • นำความร้อนได้ดี • โปร่งใส • ง่ายต่อการขึ้นรูป

ชื่อทางการค้า : Pyroceram, Corningware, Cercor, Vision อุปกรณ์เตาอบ เครื่องครัว เป็นฉนวนไฟฟ้า เป็นวัสดุพื้นในแผ่นวงจรอิเล็กทรอนิกส์ http://warapcb.com/board/attachments/PCBJOP2_Medium_Small.JPG

2.ผลิตภัณฑ์ดินเผาสำหรับงานโครงสร้าง2.ผลิตภัณฑ์ดินเผาสำหรับงานโครงสร้าง วัตถุดิบที่ใช้มากที่สุดในการผลิตเซรามิก : ดินเหนียว เนื่องจาก ??? สาเหตุที่ใช้กันมาก เพราะขึ้นรูปได้ง่าย วิธีขึ้นรูป : ผสมดินเหนียวกับน้ำ จากนั้นจึงนำมาขึ้นรูป ทำให้แห้ง แล้วเผาที่อุณหภูมิสูง เพื่อเพิ่มความแข็งแรง

ผลิตภัณฑ์ที่ผลิตจากดินเหนียว แบ่งได้เป็น 2 ประเภทใหญ่ • 1.ผลิตภัณฑ์ดินเผาสำหรับงานโครงสร้าง (Structure Clay Product)เป็นกลุ่มที่เน้นการใช้งานทางด้านความแข็งแรง เช่น • อิฐก่อสร้าง กระเบื้องปูพื้น บ่อน้ำเซรามิก • 2. เซรามิกประเภทไวต์แวร์ (Whiteware)เป็นเซรามิกที่เผาที่อุณหภูมิสูง ได้ผลิตภัณฑ์ออกมาเป็นสีขาว • porcelain เครื่องปั้นดินเผา อุปกรณ์เครื่องครัว เครื่องกระเบื้องถ้วยชาม เครื่องสุขภัณฑ์

การแบ่งชนิดของเนื้อดินสำหรับ Traditional ceramics 1. Porcelain เป็นผลิตภัณฑ์ที่ต้องเผาที่อุณหภูมิสูง >1250 °c มีความแข็งแรงสูงมาก มีการดูดซึมน้ำต่ำมาก(ใกล้เคียงศูนย์) ยกตัวอย่างเช่น ลูกถ้วยไฟฟ้า, กระเบื้องแกรนิต, ผลิตภัณฑ์บนโต๊ะอาหาร(ราคาแพง), สุขภัณฑ์ มีคำเรียกอีกอย่างว่า Vitreous china2. Stone ware เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้อุณหภูมิเผาปานกลาง ~ 1150-1200 °c มีความแข็งแรงต่ำกว่าพวก porcelain มีการดูดซึมน้ำอยู่ในช่วง 3-5 % ตัวอย่างเช่น กระเบื้องปูพื้น, ผลิตภัณฑ์บนโต๊ะอาหาร3. Bone china เป็นผลิตภัณฑ์ที่มีส่วนผสมของเถ้ากระดูก ทำให้ผลิตภัณฑ์มีความโปร่งแสง ความแข็งแรงปานกลาง การดูดซึมน้ำต่ำ4. Earthen ware เป็นผลิตภัณฑ์ที่ใช้อุณหภูมิในการเผาไม่สูงมาก อยู่ในช่วง 900- 1100 °c มีความแข็งแรงต่ำ การดูดซึมน้ำสูง ~ 10-20% ตัวอย่างเช่น กระเบื้องบุผนัง, กระเบื้องหลังคา, ตุ๊กตาและของตกแต่ง กระถางเทอร์ราคอตตา

http://img.alibaba.com/photo/11146525/Ceramic_Porcelain_Dinnerware.jpghttp://img.alibaba.com/photo/11146525/Ceramic_Porcelain_Dinnerware.jpg classified.sanook.com/item/4690897

3.วัสดุทนไฟ บางครั้งเรียก “เซรามิกทนไฟ” (refractory ceramics) สมบัติเด่น : ทนอุณหภูมิสูงได้โดยที่ไม่หลอมละลาย หรือเสื่อมสภาพ ไม่เกิดปฏิกิริยากับสิ่งแวดล้อมในสภาวะที่รุนแรง เป็นฉนวนกันความร้อน ใช้บุผนังภายในเตาถลุงโลหะ งานทำผิวเตาที่ใช้ในการผลิตแก้ว เตาอบชุบโลหะ โรงไฟฟ้า

www.rcfc.net/ www.chinesemol.com/companies/c30406.html www.alibaba.com/product/refractorymaterial-12...

ประกอบด้วยอนุภาคขนาดใหญ่กับเล็กปนกัน ผงขนาดเล็กช่วยเป็นตัวประสาน เพิ่มความแข็งแรงต่อเนื้อของวัตถุ • อุณหภูมิในการใช้งานของวัสดุทนไฟจะน้อยกว่าอุณหภูมิเผาผนึก (sintering temperature) • Fireclay • Silica • Basic • Special

3.1วัสดุทนไฟชนิดไฟร์เคลย์ (Fireclay) สารประกอบ : fireclay + Al2O3 + SiO2 (25-45 wt% Al2O3 ) ทนอุณหภูมิได้สูงโดยไม่มีการเปลี่ยนเฟสเป็นของเหลว Tm ~ 1587 °C

www.made-in-china.com/showroom/cnbm2007/produ... www.alibaba.com/product-gs/207711489/refracto... www.bikudo.com/product_search/details/135899/...

3.2วัสดุทนไฟชนิดซิลิกา (Silica) • ส่วนผสมหลัก : ซิลิกา บางครั้งเรียก “วัสดุทนไฟแบบกรด” • มี Al2O3ผสมอยู่ประมาณ 0.2-1.0 wt% • ทนอุณหภูมิและน้ำหนักกดได้สูงอุณหภูมิใช้งานอาจสูงถึง 1650 °C • ทนต่อตระกัน หรือกากถลุง (slag)ที่มีส่วนผสมซิลิกาสูง นิยมใช้เป็นภาชนะสำหรับการถลุง ใช้ในยอดเพดานเตาถลุงโลหะหรือเตาผลิตแก้ว • มักจะถูกกัดกร่อนโดยกากถลุงที่มีผสมของ CaO-MgO

www.made-in-china.com/showroom/cnbm2007/produ... www.made-in-china.com/showroom/cnbm2007/produ...

3.3วัสดุทนไฟชนิดด่าง (Basic) • ส่วนผสมของ periclaseหรือแมกนีเซีย (MgO) อยู่สูง จึงมีค่าเป็นด่าง (basic) • อาจมี Ca Cr Fe ผสมรวมอยู่ด้วย • ปริมาณซิลิกาในวัสดุจะมีผลเสียเมื่อนำไปใช้ที่อุณหภูมิสูง • ต้านทานการกัดกร่อนของกากถลุงที่มีส่วนผสมของ MgOกับ CaO • นิยมใช้ในงานเตาผลิตเหล็กล้า

www.refra.com/index.php?whl=11020200&lg=en www.artistic-license-inc.com/b2b/others/2/ www.tradeindia.com/.../glass-wool-board.html

3.4วัสดุทนไฟชนิดพิเศษ • เซรามิกชนิดอื่นที่ใช้ในงานทนความร้อนเฉพาะทาง • ส่วนใหญ่เป็นสารประกอบออกไซด์ที่มีความบริสุทธิ์สูง และมีความพรุนน้อย เช่นเซอร์โคเนีย คาร์ไบด์ คาร์บอน กราไฟต์ ซิลิกอนคาร์ไบด์ • ราคาแพง

www.usinenouvelle.com/industry/pure-industry-... temtekcompany.com/rsi_mineralwool_products.htm

ความพรุนเป็นตัวแปรทางโครงสร้างที่สำคัญ และต้องควบคุม เนื่องจากมีผลต่อความแข็งแรง ความสามารถในการรับน้ำหนัก ความสามารถในการกัดกร่อน

4. วัสดุขัดสี (Abrasive) • แข็ง แกร่ง มีความต้านทานต่อการสึกหรอ ป้องกันไม่ให้เกิดการแตกหักของวัสดุ ทนความร้อนสูง • ใช้ในงานขัด กลึง และตัดวัสดุอื่นที่มีความแข็งน้อยกว่า • เพชร SiC WC Al2O3 Silica

http://www.lapmaster.com/Images/Diamond-Abrasive-Powder(upszk2).jpghttp://www.lapmaster.com/Images/Diamond-Abrasive-Powder(upszk2).jpg www.modelmakerhobby.com/hcar3415.html https:/.../ca30micronabrasivepowder.php

5. ซีเมนต์ • เป็นสารประกอบอนินทรีย์ เช่น ปูนซีเมนต์ ปูนปลาสเตอร์ หินปูน • เมื่อผสมกับน้ำทำให้เกิดเป็นของหนืดเหนียวที่สามารถนำไปขึ้นรูปและเซ็ตตัวในเวลาต่อมา ขึ้นรูปได้อย่างรวดเร็ว • พอร์ตแลนด์ซีเมนต์ : เป็นวัสดุตัวหนึ่งในกลุ่มวัสดุประเภทนี้ที่มีการใช้งานเป็นปริมาณมาก

พอร์ตแลนด์ซีเมนต์ • ผสม+บดดินเหนียวเข้ากับแร่ที่มีไลม์ในส่วนผสมที่เหมาะสม อบให้ความร้อนที่ T~1400 °C (calcination) • ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางกายภาพและเคมีในเนื้อวัตถุดิบ เรียก คลิงเกอร์ (Clinker) • แล้วจึงนำมาบดให้ละเอียด แล้วผสมกับยิปซัม จะได้ พอร์ตแลนด์ซีเมนต์ (ไฮดรอลิกซีเมนต์) • ใช้สำหรับผลิตคอนกรีต

http://www.landsconcreteinc.com/wp-content/uploads/2010/07/cements.bmp 24/6/11 http://www.hedbergaggregates.com/graphics/products/thumbnails/Portland%20Cement%20Type%201.jpg 24/6/11 http://www.enviro-explorers.com/rocksandroads_122302/unit2/images2/pccingredients.jpg 24/6/11

http://pavementinteractive.org/index.php?title=Portland_Cement 24/6/11

6. Advanced Ceramics คือเซรามิกที่ต้องใช้วัตถุดิบที่ผ่านกระบวนการมาแล้วเพื่อให้มีความบริสุทธิ์สูงได้รับการควบคุมองค์ประกอบทางเคมีและโครงสร้างจุลภาค (microstructure) อย่างแม่นยำ โดยเซรามิกสมัยใหม่อาจแบ่งได้เป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่ เซรามิกสำหรับงานโครงสร้าง, อิเล็กโทรเซรามิก, เซรามิกสำหรับงานทางด้านการแพทย์

6.1 เซรามิกสำหรับงานโครงสร้าง (Structural ceramics) เป็นกลุ่มที่ใช้ในงานที่ต้องการสมบัติทางกลที่ดีที่อุณหภูมิสูง ทนต่อการสึกหรอและการกัดกร่อนได้ดี ทนต่อการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิอย่างฉับพลันได้ดี เป็นฉนวนความร้อน ตัวอย่างเช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (silicon carbide, SiC) สำหรับใช้ทำวัสดุสำหรับตัดแต่ง หัวพ่นไฟ (Burner) ชิ้นส่วนเครื่องยนต์ เช่น ปลอกนำวาล์ว (valve guide) และ ซีลที่ทนแรงดันสูง (Mechanical seal) ซิลิคอนไนไตรด์ (silicon nitride, Si3N4) สำหรับใช้ทำชิ้นส่วนเครื่องยนต์กลไก เช่น ลูกปืน (bearing ball) วาล์ว (valve) สลักลูกสูบ (piston pin) เบรคสำหรับรถยนต์ที่เป็น Exotic car และ ใบพัดของเทอร์โบชาร์จเจอร์ (turbocharger rotor blade) และ อะลูมินัมไนไตรด์ (aluminum nitride, AlN) สำหรับใช้ทำแผ่นรองวงจรสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น กรรไกรและมีดเซรามิกที่ทำด้วยเซอร์โคเนีย (ZrO2) ซึ่งเป็นมีดเซรามิกที่มีความคมมาก และไม่ต้องลับเนื่องจากเซอร์โคเนียมีความแข็งสูงและไม่สึกกร่อนง่ายจึงไม่ทำให้มีดทื่อ

เซรามิกสำหรับงานโครงสร้างอีกตัวอย่างหนึ่งคือผิวของยานกระสวยอวกาศ (space shuttle) ในตอนที่ยานเข้ามาจากอวกาศเข้าสู่บรรยากาศของโลกนั้นจะเกิดการเสียดสีกับบรรยากาศของโลกทำให้มีอุณหภูมิสูงมากซึ่งมากกว่า 2000 °C โครงสร้างลำตัวของยานภายในนั้นจริงๆ แล้วทำจากโลหะผสมซึ่งทนความร้อนได้ไม่เกิน 800 °C แต่ผิวของยานนั้นปูด้วยแผ่นกระเบื้องเซรามิกเล็กๆ ซึ่งทนความร้อนสูงจำนวนมาก ตัวอย่างวัสดุที่ใช้ทำแผ่นเซรามิกดังกล่าว เช่น เส้นใยซิลิกาอะมอร์ฟัสความบริสุทธิ์สูงมาก (very-high-purity amorphous silica fibers) และ แผ่นกระเบื้องเล็กๆที่ทำด้วยเซอร์โคเนียทำให้ทนอุณหภูมิสูงได้ http://scrapetv.com/News/News%20Pages/Science/Images/shuttle-columbia-destruction.jpg 25/6/55

ที่ท่อไอเสียรถยนต์จะมีเซรามิก ชนิดหนึ่งที่เรียกว่า แคตาไลติกคอนเวอร์เตอร์ (Catalytic converter)ช่วยทำหน้าที่เปลี่ยนกาซต่างๆ ที่เกิดจากกระบวนการเผาไหม้ของเครื่องยนต์ที่เป็นพิษต่อมนุษย์ให้เป็นสารที่ไม่เป็นพิษ เช่น เปลี่ยนคาร์บอนมอนออกไซด์ (CO)ให้อยู่ในรูปของคาร์บอนไดออกไซด์ (CO2)เป็นต้น • วัสดุที่ใช้ทำแคตาไลติกคอนเวอร์เตอร์จะต้องมีสมบัติที่สามารถทนการเปลี่ยนแปลงอุณหภูมิโดยเฉียบพลันได้เป็นอย่างดี ซึ่งหมายถึงจะต้องมีค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อนอยู่ในเกณฑ์ที่ต่ำมาก ซึ่งวัสดุที่นิยมนำมาใช้ก็คือคอร์เดียไรท์นั่นเอง โดยแคตาไลติกคอนเวอร์เตอร์นั้นจะใช้คอร์เดียไรท์มาขึ้นรูปโดยการ Extrude เป็นรังผึ้ง (Honey comb)เพื่อให้มีพื้นที่ผิวในการแลกเปลี่ยนกาซได้ดี

http://161.200.184.9/webelarning/elearning%20Computer53/com-project/catalytic-converter-location.jpg 25/6/55 http://www.importcatalytic.com/images/catalytic_coverter_2.jpg http://www.cateran.com.au/cateran/images/technical.jpg

6.2อิเล็กโทรเซรามิก (Electroceramics) เป็นกลุ่มที่ใช้สมบัติทางไฟฟ้าอิเล็กทรอนิกส์ แม่เหล็ก แสง เป็นหลัก อิเล็กโทรเซรามิกนั้นเป็นกลุ่มเซรามิกที่มีมากมายหลายชนิด และ ครอบคลุมสมบัติด้านต่าง ๆ หลายอย่างได้แก่ ไฟฟ้า แม่เหล็ก แสง และ ความร้อน เป็นต้น ตัวอย่างเช่นไดอิเล็กทริกเซรามิก (dielectric ceramics) เช่น แบเรียมไททาเนต (barium titanate, BaTiO3) สำหรับใช้ทำตัวเก็บประจุไฟฟ้า เพียโซอิเลคทริกเซรามิก (piezoelectric ceramics) ซึ่งเป็นเซรามิกที่สามารถเปลี่ยนรูปพลังงานกล-พลังงานไฟฟ้ากลับไปมาได้ ตัวอย่างเช่น เลดเซอร์โคเนตไททาเนต (lead zirconate titanate, Pb(Zr,Ti)O3) สำหรับใช้ทำทรานดิวเซอร์ (transducer) ชุดโหลดเซลส์สำหรับเครื่องชั่งขนาดใหญ่ ตัวจุดเตาแก๊ส (gas ignitor) นอกจากนี้อิเล็กโทรเซรามิกยังมีเซรามิกแม่เหล็ก (magnetic ceramics) เช่น เฟอร์ไรต์ (ferrite, Fe3O4) ซึ่งใช้เป็นวัสดุบันทึกข้อมูล เป็นต้น

6.3 เซรามิกสำหรับงานทางด้านการแพทย์ • พวกกระดูกเทียม ฟันปลอม ข้อต่อเทียม ตัวอย่างเช่นวัสดุที่เรียกว่า ไฮดรอกซีอาพาไทต์ซึ่งทำมาจากกระดูกวัว กระดูกควายที่ผ่านการเผาแบบ Calcine เพื่อไล่สารอินทรีย์ภายในและนำมาขึ้นรูปเป็นชิ้นกระดูกและนำไปเผาแบบ Sinter อีกครั้งหนึ่ง

บทที่ 3 (ต่อ)

บทที่ 3 (ต่อ)

Presentation Transcript