View
224
Download
7
Category
Preview:
Citation preview
TENDENCIJE RAZVOJA I PRIMJENE MATERIJALA
IZBOR MATERIJALA, 2+1, 2010.Vježba
Svjesnost o važnosti materijala –
u najrazvijenijim zemljama to nije više problem!
Vrlo sofisticirana i skupa oprema
Visokoobrazovani istraživači
Organizacija znanstvenog i istraživačkog rada –mreže institucija, lanci projekata od temeljnih do primijenjenih istraživanja, multidisciplinarni timovi -Primjer: FP6 i FP7 EU
Velika
ulaganja
–
Njemačka ulaže oko
400 milijunaEUR/god, Japan i SAD više od
1 milijarde
$ samo
iz
državnih
fondova.
NEKE BITNE PRETPOSTAVKE ISTRAŽIVANJA I RAZVOJA SUVREMENIH MATERIJALA
Ispunjenje područja u prostoru svojstava materijala
HOLE
HOLE
HOLE
Prostor svojstava materijala: E i
HOLE
Prostor svojstava materijala
:
i
Contours of
the index
Granice u prostoru svojstava materijalaPjene i rešetke Homogeni materijali Osmij
gustoćaTeorijska čvrstoća dijamanta
E/20
Strength - Density
Boundary of space
ρσ
Hole
CELULARNE -
ĆELIJASTE STRUKTURE I MATERIJALI
OPONAŠANJE PRIRODNIH MATERIJALA
I STRUKTURA:
DRVO, KOST, KAMEN, KORALJ I SL.
Optimiranje
strukture
i svojstava:
-
vrstom
materijala
ćelija
-
oblikom
i veličinom
ćelija
(gustoća)
-
oblikovanjem
slojastih
(sendvič) poluproizvoda
ĆELIJASTI MATERIJALI
Metalne, keramičke, polimernei ugljične pjene
Pjene i mikrorešetke (ćelije)
Polimerne pjene
500m
Istezanje-dominantnomikrorešetke
2mm
Savijanje-dominantnomikrorešetke
Mikro-rešetkasta konstrukcija
Plus:multifunctionality
Alu micro-trusses
Alufoams
HOLEHOLE
Šupljina
Ekstremno
lak mehanički sustav –
gustoća 10 kg/m3
PJENA
Keratin
Struktura kljuna TUCAN-a
Toplinski izolator
Yasuaki
Seki
–
doktorat
University
of
California, San Diego, 2005.
SVOJSTVA I PRIMJENA METALNIH PJENA
Zatvorene i otvorene ćelije
Zatvorene ćelije: mala masa, apsorpcija
energije, prigušenje
vibracija
(oko
10 x bolje
od osn. mat.) i zvuka, izolator
topline, dobar
omjer
krutosti
i gustoće, dobra elek. vodljivost...
Današnje: Al, Mg, Ti, Ni, Cu, Zn, Au, Ag, čelik. Al-pjene
su
danas
jedine
široko komercijalno
raspoložive.
METALNE PJENE -
POLUPROIZVODI
PRIMJERI PRIMJENA Al-PJENA
Konzola -
sendvič
Dijelovi ovjesa
Ublaživač
udara
POLIMERNI MATERIJALI Polimerne mješavine (blendovi);
Polimerni materijali posebnih svojstava
npr. otporni pri povišenim temperaturama:
-
Poliaromatski
-
PPS, PES, aramidi
(“Kevlar”), PEEK, PAEK;
-
Poliheterociklički
-
PI, PBI;
-
Silikonski elastomeri;
Kapljeviti
polimerni kristali (tekući kristalni polimeri -
LCP)
Izvrsna toplinska stabilnost, vrlo visoka čvrstoća i krutost,
visoka dimenzionalna
stabilnost, niža upojnost
vode, mala sklonost
gorenju, dobra preradljivost...
Elektrovodljivi
i inteligentni polimeri;
Polimerni nanokompoziti;
Biorazgradljivi
polimeri.
POLIMERNI MATERIJALI -
PRIMJENE
Primjena PPS s 40% stakl. vlakana za dijelove automobilskog motora i za zupčanike
Kapljeviti
polimerni kristali (LCP) u medicini
TEHNIČKA KERAMIKA Konstrukcijska:
-
oksidna: Al2
O3
, ZrO2
, Al2
TiO5
-
neoksidna: SiC, Si3
N4
, B4
C, SIALON, kubni
BN,
WC, TiN, TiC, AlN, umjetni
dijamant
Funkcionalna: senzori
i aktuatori, dijelovi
računala, inteligentna
stakla
(oksidni
slojevi),
visokotemperaturni
otpornici, supravodiči...
Novi keramičke prevlake i slojevi
Nanostrukturna
keramika
KERAMIKE -
MIKROELEMENTI
Piezoelektrični
keramičkisenzori
za
ultrazvučne
aparate
Mikrolijevane
keramičke
matriceza
izradu
tekstilne
pređe
Mikrolijevano
kućište
turbine(kateter
za
srce)
NOVI MATERIJALI ZA VISOKE TEMPERATURE
PP proizvodi punjeni drvom
POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA POVRŠINA
OTPORNOST NA TROŠENJE
OTPORNOST NA KOROZIJU
ATRAKTIVAN IZGLED POVRŠINE
(dekorativnost)
Različiti
metali, legure, keramika, spojevi:
karbidi, nitridi
i oksidi.
Potpuno
nove
kombinacije
materijala
u jednom
ili
više slojeva
na
metalnom
ili
nemetalnom
substratu.
DIFUZIJA NEMETALNIH ELEMENATA:
LEGIRANJE PRIMJENOM LASERA
-POUGLJIČAVANJE -NITRIRANJE -BORIRANJE
NAŠTRCAVANJE: -PLAMENOM -PLAZMOM -DETONACIJSKO -ELEKTROLUČNO
IMPLANTACIJA IONA
SAČMARENJE -CVD-PVD-PA CVD
TOPLINSKA
TOPLINSKO-KEMIJSKA MEHANIČKA
TOPLINSKA
PREVLAČENJAMODIFICIRANJA
MEHANIČKA
TOPLINSKO-MEHANIČKA
KEMIJSKA
ELEKTRO-KEMIJSKA
U PARNOJFAZI
POVRŠINSKO KALJENJE: -PLAMENO -INDUKCIJSKO -ELEKTRONSKIM SNOPOM -LASEROM -NAVARIVANJE
-URANJANJE U RASTALJENI METAL
-FOSFATIRANJE-BEZSTRUJNO NIKLANJE-KROMATIRANJE-SOL-GEL.POSTUPCI
-KROMIRANJE-NIKLANJE-GALVANIZIRANJE
DEFORMACIJSKO SPAJANJE: -VALJANJEM -EKSPLOZIJOM
d d
DIFUZIJSKA PREVLAČENJA:
-METALNIM ELEMENTIMA
-METALNIM I NEMETALNIM ELEMENTIMA
ANODNA OKSIDACIJAO
2-
Al O2 3d
Al
POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA POVRŠINA
NANOSTRUKTURIRANI MATERIJALI
DEFINICIJA NANOMATERIJALA
Nanostrukturirani
ili
nanofazni
materijali
su oni
čija
je veličina
čestica, faza
(zrna) ili
debljina
slojeva
reda
veličine
nekoliko
do stotinjak
nm (10-9
m). Dimenzije
reda
veličine
nekoliko
atoma
ili
molekula.
Velika
specifična
površina
(npr. nanočestice
Al oko
50 m2/g)
velika kemijska aktivnost, na granicama zrna je pjenasta struktura.
Oblici: prahovi, tanki filmovi (slojevi), materijali
punog
volumena
(konsolidirani).
C60
ALOTROPSKE MODIFIKACIJE UGLJIKAFULERENBuckyball
SEM snimke nanocijevčica
nanocijevčica
vlačna čvrstoća: 1,2 GPamodul elastičnosti: 1 TPatoplinska vodljivost: 6000
W/m/K
(Cu
= 385)
toplinska postojanost do 2800 °Cvelika
specifična
površina
u odnosu na volumen:
-
nanocjevčice: do 700 m2/g- nanočestice:
do 50 m2/g.
niska gustoća: 0,05 -
0,22 g/cm3
SVOJSTVA UGLJIČNIH NANOCIJEVČICA
SOL-GEL PROCES
Mogućnosti
sol-gel procesa
Strukturne
jedinice
organsko-anorganskih
hibrida -
molekularnih
kompozita
(npr. ORMOCER®-a)
Institut
für
Silicatforschung, Würzburg
ORMOCER slojeviZaštitni
slojevi
(PC) Obojeni
slojevi
Zamućenje
stakla
nakonmehaničkog
trošenja
Porozni
polimerni
nanoslojevi
za antirefleksna
stakla
Institut
für
Nanotechnologie,Karlsruhe
POLIMERNO-KERAMIČKI KOMPOZITNI NANOSLOJEVI
SOL-GEL POSTUPAK -SLOJEVI OTPORNI NA GREBANJE
(npr. za
automobilsku
karoseriju)
SAMOČISTEĆI (NE PRIANJA PRLJAVŠTINA I VODA)SLOJEVI DOBIVENI U AEROSOL MAGLI KAPLJICA
ANTIBAKTERIJSKI SLOJEVI I NANOČESTICE
(Ag)primjena
u medicini,telefoni, kvake...
MULTIFUNKCIONALNI SLOJEVI:transparentnost, tvrdoća, neprianjanje
prljavštine,adaptivna
svojstva...
Crkva u Rimu –
beton premazan otopinom s TiO2Ne prianja se prljavština i voda
ANTIGRAFITNI SLOJEVI
Poslije nanošenja ne prianja grafite
Bez nanošenja
Primjeri
slojeva
-
INM -
Saarbrücken
Sloj
stakla
s hologramomna
nehrđajućem
čeliku
Prvo
zakrivljeno
elektrokromnostaklo
na
sol-gel osnovi
za
vozila
Fotokromni
efekt
na
papiru
AEROGELOVI
Poroznost u nm (95-99% zračnih kanalića, pora).NANOGEL
“Zamrznuti”
dim“Šećerna pjena (vuna)”, snijeg od bjelanjaka jaja
ŠEĆERNA VUNA (PJENA)
MATERIJALI:
kremeno (kvarcno) staklo -
SiO2 različiti metalni oksidi (Al, Ti i mješani) organski (polimerni) ugljični
- Vrlo mala gustoća (masa): 3-300 kg/m3
Najlakši materijal u čvrstom stanju.
- Izuzetno velika specifična površina: 250-3000 m2/g
SVOJSTVA I PRIMJENA:
-
toplinski izolatori- akustični antirefleksni
slojevi
- nosači katalizatora kemijskih procesa-
filtri i sakupljači nečistoća
-
spremnici goriva (ugljični)-
kondenzatori velikog kapaciteta (ugljični)
UGLJIČNI AEROGEL
AEROGEL
pločice kao hvatači
prašine komete Wild 2 na američkoj svemirskoj letjelici Stardust
PROZORSKA OKNATOPL. VODLJ. 0,02 W/m2K
OBIČNA STAKLA 1,5 W/m2K
Spremnici za hranu, lijekove i sl.
Ispušni
sustav
vojnog
vozila
-
General Dynamics
Elementi za izolaciju cjevovoda
Fotoluminiscentni
aerogelovi
OSTALI KERAMIČKI KOMPOZITI
Sustavi: Al2
O3
/n-TiN
(SiC
ili TaC), Si3
N4
/n-TiN
Primjena: ležajne
košuljice, brtve, rezni
alati, funkcionalna keramika (npr. elektrootporni
grijači)
SiC
+ nanododaci
koloidne
tehnike oblikovanja, injekcijsko prešanje, sinteriranje
bez tlaka
Primjena: grijači, sapnice plinskog grijača, izmjenjivači topline, tribološki
opterećeni elementi
Biomimetički
materijali
-
materijalna
bionika
Oponašanje
strukture
i svojstava
prirodnihnanostrukturiranih
materijala
-
oklopi
životinja,
zubi, kosti, biljke... Novi koncepti
razvoja
materijala
Veza
s genetičkim
inženjerstvom!?
nanovlakno
(dugo
oko
0,5 µm) spontano
oblikovanoiz
otopine
proteina
sintetizirane
iz
paukove
sline(H. Hansma, UC, Santa Barbara, US Army NRD Center, Massachusetts) (2002.)
Struktura sedefa -
oklopi školjaka
Marc Andre Meyers, A. Lin, J. Muyco
University of California, San Diego, 2005.
-
IZVANREDNA OTPORNOST NA UDARNA OPTEREĆENJAS VELIKIM BRZINAMA
–
protubalističke primjene
-
TOPLINSKI IZOLATOR
Naizmjenično složeni slojevi pločicananodebljine
tvrđeg (CaCO3
) materijala okruženih
mekšim (organskim)
Lomna žilavost oklopa je 3000X viša nego čistog CaCO3
OPONAŠANJE STRUKTURA ŠKOLJAKA PROTUBALISTIČKI
LAMINATI
Prof. Kenneth S. Vecchio - Department of Mechanical and Aerospace Engineering at the University of California at San Diego, La Jolla, CA. 2005.
“INTELIGENTNI”
(PAMETNI) MATERIJALI feromagnetni
materijali (FM)
feroelektrični materijali (FE)
piezoelektrični materijali (PE)
legure s efektom prisjetljivosti oblika (SMA)
toplinski rastezljivi elementi
vrsta mat. keramike, metali
keramike keramike, polimer metali (neke keramike)
smola, silikonsko ulje
veličina promjene oblika L
~ 0,1% < 1% < 0,1% < 10% L~
inicijacija magnetno polje
električno polje
električno polje temp. (ili meh. opterećenje)
temp.
fazna transformacija
+ + - + -
domena strukture + + - + - histereza uska uska uska široka široka primjeri vrsta mat. TbFe Pb3MgNb2O9 SiO2
Pb(Zr,Ti)O3 PVDF
NiTi CuZn CuAl,
CxH2x+2
komercijalno ime TERFENOL-D PMN Kvarc, PZT, PVDF NiTiNOL (NiTi)
Ni-Ti stentNanočestice
magnetita u ulju -magnetski upravljiva kapljevina
Recommended