background image

Chapter 13 -  1 

Chapter 13: Applications and 

Processing of Ceramics 

ISSUES TO ADDRESS... 

•  How do we classify ceramics

•  What are some applications of ceramics

•  How is processing of ceramics different than for metals


background image

Chapter 13 -  2 

Glasses

 

Clay 

 

products

 

Refractories

 

Abrasives

 

Cements

 

Advanced 

 

ceramics

 

-optical 

 

-

 

composite 

 

  reinforce 

 

-

 

containers/ 

 

household

 

-whiteware 

 

-

 

structural

 

-bricks for 

 

 high 

 

 (furnaces)

 

-sandpaper 

 

-

 

cutting 

 

-

 

polishing

 

-composites 

 

-

 

structural

 

-engine 

 

  rotors 

 

  valves 

 

  bearings

 

-sensors

 

Adapted from Fig. 13.1 and discussion in 
Section 13.2-8, Callister & Rethwisch 8e. 

Classification of Ceramics 

Ceramic Materials 


background image

Chapter 13 -  3 

tensile  
force 

A

 

o

 

A

 

d

 

die

 

die

 

•  Die blanks: 

    -- Need wear resistant properties! 

•  Die surface: 

    -- 4 

m

m polycrystalline diamond 

        particles that are sintered onto a 
        cemented tungsten carbide 
        substrate. 
    -- polycrystalline diamond gives uniform  
        hardness in all directions to reduce  
        wear. 

Adapted from Fig. 11.8(d), 
Callister & Rethwisch 8e.  

Courtesy Martin Deakins, GE 
Superabrasives,  Worthington, 
OH.  Used with permission. 

Ceramics Application:  Die Blanks 


background image

Chapter 13 -  4 

•  Tools: 

   -- for grinding glass, tungsten, 
      carbide, ceramics 
   -- for cutting Si wafers 
   -- for oil drilling 

blades 

oil drill bits 

Single crystal  
diamonds 

polycrystalline 
diamonds in a resin 
matrix. 

Photos courtesy Martin Deakins, 
GE Superabrasives, Worthington, 
OH.  Used with permission. 

Ceramics Application:   

Cutting Tools 

•  Materials: 

-- manufactured single crystal 
    or polycrystalline diamonds 
    in a metal or resin matrix. 

   -- polycrystalline diamonds 
       resharpen by microfracturing 
       along cleavage planes. 


background image

Chapter 13 -  5 

•  Example:

  

ZrO

2

 

as an oxygen sensor

  

•  Principle:

  Increase diffusion rate of oxygen  

     to produce rapid response of sensor signal to  
     change in oxygen concentration 

Ceramics Application:  Sensors 

A substituting 

Ca

2+

 ion  

removes a 

Zr

 

4+

 ion and  

an 

O

2-

 ion.   

 

Ca 2+

 

•  Approach:

  

      Add Ca impurity to ZrO

2

       -- increases O

2-

 vacancies 

       -- increases

 

O

2-

 diffusion rate 

reference  
gas at fixed  
oxygen content 

O

 

2- 

 

diffusion

 

gas with an  
unknown, higher  
oxygen content 

voltage difference produced! 

sensor 

•  Operation: 

      -- 

voltage difference produced when  

          O

2-

 ions diffuse from the external  

          surface through the sensor to the  
          reference gas surface. 
      --  magnitude of voltage difference  
          

 partial pressure of oxygen at the  

          external surface

 


background image

Chapter 13 -  6 

•  Materials to be used at high temperatures (e.g., in  
      high temperature furnaces).  
•  Consider the Silica (SiO

2

) - Alumina (Al

2

O

3

) system. 

•  Silica refractories - silica rich - small additions of alumina  
      depress melting temperature (phase diagram): 

Fig. 12.27, Callister & 
Rethwisch 8e.
 (Fig. 12.27 
adapted from F.J. Klug and 
R.H. Doremus, J. Am. Cer. 
Soc.
 70(10), p. 758, 1987.) 

Refractories 

Composition (wt% alumina) 

T(ºC) 

1400 

1600 

1800 

2000 

2200 

20 

40 

60 

80 

100 

alumina

  

 

+  

mullite 

mullite  

mullite

 

Liquid  

 

(L

mullite 

  

+  

crystobalite

 

crystobalite  

alumina + 

3Al

2

O

3

-2SiO

2

 


background image

Chapter 13 -  7 

Advanced Ceramics:  

Materials for Automobile Engines 

 

• Advantages:   

– Operate at high 

temperatures 

– high 

efficiencies 

– Low frictional losses 
– Operate without a cooling 

system 

– Lower weights than 

current engines 

 
• Disadvantages:   

– Ceramic materials are 

brittle 

– Difficult to remove internal 

voids (that weaken 
structures) 

– Ceramic parts are difficult 

to form and machine 

• Potential candidate materials: Si

3

N

4

, SiC, & ZrO

2

 

• Possible engine parts: engine block & piston coatings 


background image

Chapter 13 -  8 

Advanced Ceramics:  

Materials for Ceramic Armor 

Components: 

  --  Outer facing plates 
  --  Backing sheet 
 

Properties/Materials: 

  --  Facing plates -- hard and brittle 
 

— fracture high-velocity projectile 

  

— Al

2

O

3

, B

4

C, SiC, TiB

  --  Backing sheets -- soft and ductile 
 

— deform and absorb remaining energy 

 

— aluminum, synthetic fiber laminates  


background image

Chapter 13 -  9 

•  Blowing of Glass Bottles:  

GLASS 

FORMING 

Adapted from Fig. 13.8, Callister & Rethwisch 8e.  (Fig. 13.8 is adapted from C.J. 
Phillips, Glass:  The Miracle Maker, Pittman Publishing Ltd., London.) 

Ceramic Fabrication Methods (i) 

Gob

 

Parison 

 

mold

 

Pressing 

 

operation

 

Suspended 

 

parison

 

Finishing 

 

mold

 

Compressed 

 

air

 

•  Fiber drawing:  

wind up

 

PARTICULATE 

FORMING 

 

CEMENTATION

 

-- glass formed by application of  
    pressure 
-- mold is steel with graphite  
    lining 

•  Pressing:  

plates, cheap glasses 


background image

Chapter 13 - 10 

Sheet Glass Forming 

• Sheet forming

 

– continuous casting 

– sheets are formed by floating the molten glass on a pool of 

molten tin 

Adapted from Fig. 13.9, 
Callister & Rethwisch 8e.  


background image

Chapter 13 - 11 

•  Quartz is 

crystalline 

    SiO

2

:  

•  Basic Unit:  

Glass is noncrystalline (

amorphous)

 

•  Fused silica is SiO

2

 to which no  

    impurities have been added

  

•  Other common glasses contain  
    impurity ions such as Na

+

, Ca

2+

,  

    Al

3+

, and B

3+

  

(soda glass) 

Adapted from Fig. 12.11, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Glass Structure 

Si0 4  tetrahedron 

4- 

Si

 

4+

 

O

 

2

 

-

 

Si

 

4+

 

Na

 

+

 

O

 

2

 

-

 


background image

Chapter 13 - 12 

•  

Specific volume

 (1

/r

) vs Temperature (T):  

•  

Glasses

:  

 

   -- do not crystallize 

    -- change in slope in spec. vol. curve at  
         

glass transition temperature

T

g 

    -- transparent  - no grain boundaries to  
         scatter light 

•  

Crystalline materials

:  

    -- crystallize at melting temp, 

T

m

 

    -- have abrupt change in spec. 
        vol. at T

Adapted from Fig. 13.6, 
Callister & Rethwisch 8e.  

Glass Properties 

Specific volume 

Supercooled 

 

Liquid

 

solid

 

T

m

 

Liquid

 

(disordered)

 

Crystalline 

 

(i.e., ordered) 

 

T

g

 

Glass 

 

(amorphous solid)

 


background image

Chapter 13 - 13 

Glass Properties: Viscosity 

•  

Viscosity, 

h

:  

    -- relates shear stress (

) and velocity gradient (dv/dy): 

h

 has units of (Pa-s) 

dy

dv /

h

velocity gradient

 

dv

 

dy

 

 

 

glass

 

dv

 

dy

 


background image

Chapter 13 - 14 

V

isc

os

ity

 [Pa

-s] 

 

1

 

10

 

2

 

10

 

6

 

10

 

10

 

10

 

14

 

200

  600  1000  1400  1800 

T

(ºC) 

Working range:  
glass-forming carried out

  

annealing point

 

 

 

T

melt

 

strain point

 

•  Viscosity decreases with T 

Adapted from Fig. 13.7, Callister & Rethwisch 
8e
. (Fig. 13.7 is from E.B. Shand, 
Engineering Glass, Modern Materials, Vol. 6, 
Academic Press, New York, 1968, p. 262.) 

Log Glass Viscosity vs. Temperature 

•  fused silica:  > 99.5 wt% SiO

•  soda-lime glass: 70% SiO

2

  

    balance Na

2

O (soda) & CaO (lime) 

•  Vycor:  96% SiO

2

,  4% B

2

O

•  borosilicate (Pyrex):  
    13% B

2

O

3

, 3.5% Na

2

O,  2.5% Al

2

O


background image

Chapter 13 - 15 

•  

Annealing

   -- removes internal stresses caused by uneven cooling. 

•  

Tempering

   -- puts surface of glass part into compression 
   -- suppresses growth of cracks from surface scratches. 
   -- sequence: 

Heat Treating Glass 

at room temp. 

tension

 

compression

 

compression

 

before cooling 

hot

 

    initial cooling 

hot

 

cooler

 

cooler

 

 -- Result:  surface crack growth is suppressed. 


background image

Chapter 13 - 16 

•  Ceramic Fabrication 
techniques: 
     
 -- glass forming (pressing, 
blowing, fiber drawing). 
 
     -- particulate forming 
(hydroplastic forming, slip 
casting,  powder pressing, tape 
casting) 
     
 -- cementation 


background image

Chapter 13 - 17 

•  Mill (grind) and screen constituents: desired particle size 
•  Extrude this mass (e.g., into a brick) 

•  

Dry

 and 

fire

 the formed piece 

ram

 

billet 

container

 

container

 

force 

die holder 

die

 

A

 

o

 

A

 

d

 

extrusion 

Adapted from 
Fig. 12.8(c), 
Callister & 
Rethwisch 8e
.  

Ceramic Fabrication Methods (iia) 

GLASS 

FORMING 

 

PARTICULATE 

FORMING 

CEMENTATION

 

Hydroplastic forming: 


background image

Chapter 13 - 18 

•  Mill (grind) and screen constituents: desired particle size 

•  Slip casting operation

 

•  

Dry

 and 

fire

 the cast piece 

Ceramic Fabrication Methods (iia) 

solid component 

Adapted from Fig. 
13.12, Callister & 
Rethwisch 8e
. (Fig. 
13.12 is from W.D. 
Kingery, Introduction 
to Ceramics
, John 
Wiley and Sons, 
Inc., 1960.) 

hollow component 

pour slip  
into mold 

drain  
mold 

“green  
ceramic” 

pour slip  
into mold 

absorb water  
into mold 

“green  
ceramic” 

GLASS 

FORMING 

 

PARTICULATE 

FORMING 

CEMENTATION

 

Slip casting: 

•  Mix with water and other constituents to form 

slip

  


background image

Chapter 13 - 19 

Typical Porcelain Composition 

 

(50%)  1.  

Clay 

(25%)  2.  

Filler

 

– e.g. quartz (finely ground) 

(25%)  3.  

Fluxing agent

 (Feldspar) 

          -- aluminosilicates plus K

+

, Na

+

, Ca

              -- upon firing - forms low-melting-temp. glass 

              

 


background image

Chapter 13 - 20 

•  Clay is inexpensive 
•  When water is added to clay 

    -- water molecules fit in between  
        layered sheets

  

    -- reduces degree of van der Waals  
        bonding

  

    -- when external forces applied 

– clay  

        particles free to move past one  
        another 

– becomes hydroplastic

  

•  Structure of 
Kaolinite Clay: 

Adapted from Fig. 12.14, Callister & 
Rethwisch 8e
. (Fig. 12.14 is adapted from 
W.E. Hauth, "Crystal Chemistry of 
Ceramics", American Ceramic Society 
Bulletin
, Vol. 30 (4), 1951, p. 140.)  

Hydroplasticity of Clay 

weak van 

 

der Waals 

 

bonding

 

charge 

 

neutral

 

charge 

 

neutral

 

Si

 

4+

 

Al

 

3

 

+

 

-

 

OH

 

O

 

2-

 

Shear 

Shear 


background image

Chapter 13 - 21 

•  

Drying

:  

as water is removed - interparticle spacings decrease  

                        

– shrinkage . 

Adapted from Fig. 
13.13, Callister & 
Rethwisch 8e
. (Fig. 
13.13 is from W.D. 
Kingery, Introduction 
to Ceramics
, John 
Wiley and Sons, 
Inc., 1960.) 

Drying and Firing 

Drying too fast causes sample to warp or crack due to non-uniform shrinkage 

wet body 

     partially dry 

completely dry 

•  

Firing

    -- heat treatment between  
        900-1400

ºC 

    -- 

vitrification

:  liquid glass forms  

        from clay and flux 

– flows  

        between SiO

2

 particles. (Flux  

        lowers melting temperature). 

Adapted from Fig. 13.14, Callister & Rethwisch 8e
(Fig. 13.14 is courtesy H.G. Brinkies, Swinburne 
University of Technology, Hawthorn Campus, 
Hawthorn, Victoria, Australia.) 

Si0

2

 particle 

(quartz) 

glass formed  
around  
the particle  

m

ic

rograph

 of

 porc

elain 

  

70

 

m


background image

Chapter 13 - 22 

Powder Pressing

used for both clay and non-clay compositions. 

 

•  Powder (plus binder) compacted by pressure in a mold 
   -- 

Uniaxial compression

 - compacted in single direction 

   -- 

Isostatic (hydrostatic) compression

 - pressure applied by  

      fluid - powder in rubber envelope 
   -- 

Hot pressing

 - pressure + heat (  

Ceramic Fabrication Methods (iib) 

GLASS 

FORMING 

 

PARTICULATE 

FORMING 

CEMENTATION

 


background image

Chapter 13 - 23 

Sintering 

Adapted from Fig. 13.16, 
Callister & Rethwisch 8e.  

   Aluminum oxide powder: 

    -- sintered at 1700

ºC 

        for 6 minutes. 

Adapted from Fig. 13.17, Callister 
& Rethwisch 8e
. (Fig. 13.17 is from 
W.D. Kingery, H.K. Bowen, and 
D.R. Uhlmann, Introduction to 
Ceramics
, 2nd ed., John Wiley and 
Sons, Inc., 1976, p. 483.) 

15

 

m

m

 

Sintering

 occurs during firing of a piece that has  

been powder pressed 

 -- powder particles coalesce and reduction of pore size  


background image

Chapter 13 - 24 

Tape Casting 

• Thin sheets of green ceramic cast as flexible tape 
• Used for integrated circuits and capacitors 

• Slip

 = suspended ceramic particles + organic liquid       

            (contains binders, plasticizers) 

Fig. 13.18, Callister & 
Rethwisch 8e
.  


background image

Chapter 13 - 25 

•  Hardening of a paste – paste formed by mixing cement           
    material with water 
•  Formation of rigid structures having varied and complex  
    shapes 
•  Hardening process – hydration (complex chemical  
    reactions involving water and cement particles)  

 

Ceramic Fabrication Methods (iii) 

GLASS 

FORMING 

 

PARTICULATE 

FORMING 

CEMENTATION 

•  Portland cement – production of: 
    -- mix clay and lime-bearing minerals 
    -- 

calcine (heat to 1400ºC) 

    -- grind into fine powder 


background image

Chapter 13 - 26 

•  

Categories of ceramics:  

     -- glasses               

-- clay products 

     -- refractories         

-- cements 

     -- advanced ceramics 

•  Ceramic Fabrication techniques: 

     -- glass forming (pressing, blowing, fiber drawing). 
     -- particulate forming (hydroplastic forming, slip casting,  
             powder pressing, tape casting) 
     -- cementation 

 

•  Heat treating procedures 

     -- glasses

—annealing, tempering 

     -- particulate formed pieces

—drying, firing (sintering) 

 

Summary 




رفعت المحاضرة من قبل: abdalla Alhamdany
المشاهدات: لقد قام 3 أعضاء و 112 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل