POLIMERI - polimeri - kondenzirani sustavi makromolekula - podjela polimera prema vrsti veza izmeu makromolekula (prema ponaanju pri zagrijavanju): 1. Plastomeri2. Elastomeri 3. Duromeri 4. Elastoplastomeri 5. Plastomerni kapljeviti kristali(LPC) - podjela prema vrsti veza izmeu makromolekula: 1. linearne makromolekulenpr. polietilen visoke gustoe 2. rahlo umreene makromolekule npr. Vulkanizirani kauuk 3. potpuno (prostorno) umreene makromolekule npr. fenol-formaldehidna smola POLIMERNI KAPLJEVITI KRISTALI (liquid cristalline polymers, LCP) - LCP - dio krute(obino aromatske) centralne jezgre elastine(najee alkilne) skupine mezogene strukture - do pojave tekue kristalnosti dolazi kada molekule sadre ukruene strukture, mezogene, koje su u niskomolkulnim tvarima itave molekule, a u makromolekulama dijeloviusporedivi s ponavljanim jedinicama POLIMERNI MATERIJALI Tehniki uporabivi polimerni materijali = polimer + dodaci - dodaci istim polimerima: 1. reakcijske tvari- pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti 2. dodaci za poboljanje preradljivosti- maziva, odvajala, punila, toplinski stabilizatori, regulatori viskoznosti, tiksotropni dodaci 3. modifikatori mehanikih svojstava - ommekavala, dodaci za povienje ilavosti, punila, prijanjala, ojaala 4. modifikatori povrinskih svojstava - regulatori adhezivnosti, vanjska maziva, antistatici, dodaci za smanjenje sljubljivanja, za smanjenje neravnina na povrini 5. modifikatori optikih svojstava bojila, pigmenti 6. dodaci za poboljanje postojanosti - svjetlosni stabilizatori (UV), antioksidansi, antistatici, biocidi 7.ostalo - miris, dezodoransiSVOJSTVA POLIMERNIH MATERIJALA svojstva - reakcija ili promjena stanja materijala izazvana djelovanjem raznih (unutarnjih ili vanjskih) imbenika znaajka (karakteristika)- sva bitna i mjerljiva tj. brojano iskazljiva svojstva odreena dogovornimi/ili normiranim metodama ispitivanja Svojstva polimernih materijala: 1. unutarnja (intrinzika, stvarna, prava) svojstva 2. procesna (proizvodnja, transport i skladitenje, obrada i dorada 3. svojstva proizvoda (performanse)

- svojstva : 1. Svojstva tvari neovisna o obliku i dimenzijama izratka (modul elastinosti E, modul sminosti G, Poissonov omjer , gustoa , te topli ska, elektina, opika i akustika svojstva) 2. svojstva poluproizvoda (samo nekoliko stupnjeva prerade i obrade- ipke, limovi, profili) 3. svojstva gotovog proizvoda - promjena sastava, strukture usljed konanog oblikovanja i primjene PLASTOMERI Mehanika svojstva plastomera: plastomeri najzastupljenija skupina polimera (90% ukupne proizvodnje)relativno dobra vrstoa najraireniji predstavnici po opsegu proizvodnje i primjeni:polietilen (PE), polipropilen (PP), poli(vinil- klorid) (PVC), polistiren (PS),poli(etilen-terftalat) (PET) zajedno preko 85% svjetske potronje polimera relativno niska cijena, zadovoljavajua mehanika svojstva Konstrukcijski plastomeri: poliamidi (PA 6 i PA66), poli(oksi-metilen) (POM) ( ili poliacetal), poli(butilen-tereftalat) (PBT), poli(tetrafluoretilen) (PTFE), poli(metil-metakrilat) (PMMA), polikarbonat (PC), znatno bolja mehanika svojstva vana za konstrukcijsku primjenu via cijenaDUROMERI ne postoje u svom konanom stanju prije polimerizacije- objedinavanje procesa umnoavanja i proizvodnog postupka glavni predstavnici: - fenol-formaldehidnesmole (PF) kuita, elektroizolacijski elementi melamin- formaldehidne smole (MF) kuita, elektroinstalacije nezasieni poliesteri (UP) konstrukcijski elementi, dijelovi autokaroserija (npr. Smart, trupovi plovila) epoksidne smole (EP) cijevi, djelovi elektroinstalacija, polimerni beton, prototipovi proizvoda poliuretan (PUR) izolacijski elementi, djelovi autokaroserija MEHANIKA SVOJSTVA prilikom primjenepolimera u konstrukcijske svrhe treba uzeti u obzir: Velika ovisnost njihovih mehanikih svojstava o uvijetima okoline, prvenstveno toplini Ovisnost mehanikih svojstavao vrsti i tajanju optereenja, te brzini optereivanja Nain deformiranja: pri optereivanju uz konstantno naprezanje 0 ukupna deformacija u ovisi o trajanju djlovanja sil nominalni dijagram rastzno naprzanj - istzanj Rastzna vlana vrstoa vrijednosti rastezne vrstoe polimernih materijala je oko 10 puta manja od vrijednosti vrstoe metala Utjecaji koji mjenjaju rasteznu vrstou: molekulna masa (veliina makromolekule) obrada i naknadna obrada sutpanj kristalnosti ili umreenosti temperatura, vlanost optereenja punila

Kritino istezanje izokroni dijagram naprezanje istezanje Kritino itezanje - vrijednost istezanja pri kojem niti nakon vrlo dugog optereenjane dolazi dopojave mikroskopskih oteenja Modul elastinosti modul elastinost - mjera za krutost materijala svojstvo krutosti - veliina elastine deformacije pod definiranim vlanim,talnim, savojnim ili torzijskim optereenjem * modul elastinosti E * modul sminosti G(torzijsko i smino napreznaje) - odnos E i G odreen je Poissonovim omjerom E = 2G(1 + ) - vrijednosti modula elastinosti polimernih materijala priblino je 10 do 100 puta manja nego ona metala - nije konstanta kao kod metala: utjecaj stupnja polimerizacije i stupnja urteenosti strukture - utjecaji koji jo dodatno mjenjaju modul elastinosti: stupanj umreenosti, temperatura, vlanost, vrijeme (trajanje optereenja), punila, okolini medij Postupak odreivanja modula elastinosti polimernih materijala - dugotrajna optereenja Statiko optereenje puzanje (uz povienu temperaturu) znaajka: statika izdrljivost najvee dugotrajno naprezanje koje materijal moe izdratiktiki beskonano dugo (bez loma ili dostizanja neke granien deformacije) Visokolelastinost pri optereivanu uz konstantno naprezanje ukupna deformacija u ovisi o trajanju djlovanja sil visokolastinost deformacija se sastoji od: - plastine deformacije (istezanja), koja je nepovratana, vremenski i temperaturno ovisna pojava - elastine deformacije(istezanje) -vremenski je ovisna i reverzibilna , sastoji se od dva doprinosa: energijskog i entropijskog ukupna deformacija vrstog tijela * elastina (povratna) deformacija plastina (nepovratna)deformacija elastina deformacija * energijski elastina deformacija entropijski elastina deformacija-

Dinamiko optereenje uz dinamiko optereenje javlja se umor materijala dinamika izdrljiost ono najvee dinamio optereenje koje materijal moe izdrati praktiki beskonano veroj ciklusa

Osim mehanikih svojstava istuu se: sutina boje kemijske postojanosti polimera predmetalima: postojanje afiniteta polimer medij najee samo fizikalne promjene (promjena mase i volumena) mogunost reverzibilnosti procesa uglavnom dobra postojanost nadjelovanje kiselina, luina i otopina soli, ali su uglavnom dosta nepostojani naorganska otapala TRIBOLOKA (TARNA) SVOJSTVA POLIMERA ponaanje materijala u uvjetima treja, a s time povezano i troenje trenje- OTPOR USLJED relativnog gibanja jednog tijela u odnosu na drugo (svojstvo sustava) mali faktor trenja dobra otpornost na troenje nema mikrozavarenih spojeva udubine neravnina popunjavaju se proizvodima troenja polimernog materijala relativna neosjetljivost prema stranim esticamaTEMPERATURA TRAJNE PRIMJENE podruje trajne primjene za veinu polimernih materijala je ispod ili do 100C noviji toplinski postojani plastomeri: poliimidi (PI) trajni rad do 350C poli(fenilen-sulfid) (PPS) trajni rad do 260C (kratkotrajno do 500C)poli(eter-eter-keton) (PEEK) trajni rad do 280 C (kratko do 500C) slian poli(eterketon-keton)(PEKK) PREDNOSTI POLIMERNIH MATERIJLA mala gustoa (0,8 do 2,2 gcm-3 ,oko 7 puta manja od metala) dobra kemijska postojanost dobra otpornost na troenje mali faktor trenja dobro priguivanje vibracija dobra izolacijska svojstva (toplinska i elektrina) preradljivost deformiranjem pri relativno malo povienim temperaturama ekonomina serijsa izrada dijelova (nisu jeftini) NEDOSTATCI POLIMERNIH MATERIJALA ovisnost svojstava o raznim utjecajnim faktorima (pogotovo plastomeri ielastomeri) vea toplinsa istezljivost nizak modul elastinosti mala povrinska tvrdoapodlonost starenju (jer su organskog podrijetla) mala toplinska vodljivost utjecaj preradbe na svojstva neekonomina proizvodnja malih koliina proizvoda

KOMPOZITNI MATERIJALI - kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili ve materijala razliitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe - neke od opih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedee: - mogunost izrade vrlo sloenih oblika - smanjenje trokova naknadne obrade dijelova - mogunost spajanja djelova tjekom samog postupka proizvodnje - dimenzijska stabilnost pri extremnim radnim uvjetima - otpornost na koroziju - podjela: - materijal matrice - oblik ojaala - matrica: - metalna - keramika - polimerna (polimeri, ugljik) -prema vrsti ojaala: - kompozti ojaani esticama - kompoziti ojaanivlaknima - strukturni kompoziti: - slojeviti kompoziti (laminati) - sendvi konstrukcije - konana svojstva kompozita ovisit e o: - svojstvima matrice i ojaala - veliini i raspodjeli konstituenata - volumnom udjelu konstituenata - obliku konstituenata - prirodi i jakosti veza izmeu konstituenata Matrice matrice metalne (MMC),polimerne (PMC), keramike (CMC) neki karakteristini materijali koji se koriste kao matrice: - metali legure Al, Ti, Cu, Mg, superegure itd. - polimeri poliesterske smole, vinilesterske smole, epoksidne smole, PA, PP, ABS, PPS, PEEK, PEI itd.- keramika Al2O3 , SiC , ZrO2 u novije vrijeme se proizvode i tzv. ugljik ugljik kompoziti ovi materijali mogu podnjeti vrlo visoke temperature, bez ikakvih problema mogu biti izloeni temperaturi od 1700 C, a kratkotrajno mogu funkcioniratii do 2700 C Kompoziti ojaani s esticama disperzije (do 0,1 m, Vp < 15 %) velike estice (od 0,1 m, Vp > 20% ) veliina estica, volumni udio, razmak izmeu estica - tipovi mjeanja ovisno o raspodjeli i rasprenosti - Vlaknima ojaani kompoziti - viskeri siuni monokristali, extremno veliki omjer duljina/promjer, pravilna graa, Rm , najvri poznati materijal, cijena (npr. TiB visker) - vlakna polimerna i / ili keramika, polikristalna ili amorfna - ica elik, Mo, W, relativno veliki promjer ( pneumatici, cijevi) - poboljana : vrstoa, krutost, ilavost

dva znaajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povienim temperaturama

- vlakna se razlikuju prema: - vrsti, duljini, promjeru, orijentaciji i hibridizaciji - materijal matrice prenosi optereenje na vlakna te osigurava duktilnost i ilavost, budui da vlakna nose vei dio opereenja vana veza izmeu matrice i vlakana - djagram naprezanje- istezanje za vlaknima jednosmjerno ojaan kompozit - usporedbas ponaanjem vlakna i matrice - vlaknima ojaani kompoziti esta je pojava anizotropnosti, vrstoa vea u smjeru vlakna Svojstva vlaknima ojaanih kompozita: 1. 2. 3. 4. 5.6. svojstva vlakana svojstva matrice omjer duljina/promjer volumni udio vlakanausmjerenost (raspored) vlakana Usmjerenost (orijentacija)Razdioba ojaala: a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) sluajno usmjerena diskontinuirana vlakna c) ortogonalno rasporeena vlakna d) viesmjerno usmjerena vlakna zavlakna (kompozitni materijali ojaani vlaknima) uveden je pojam specifina krutost omjer modula elastinosti i gustoe materijala te konstante gravitacije:-

Staklena vlakna: - E-staklo (do 500 C) elektrina vodljivost - S-staklo (do 1050 C) rstoa - C-staklo promjer: 3-20 m, dobra povrinska svojstva, vrstoa, cijena - mana: krutost - primjena: - sportska oprema i rekreacijska plovila - u zrakoplovstvu: interjer Boeing 767 (meh. i teh. svojstva + nezapaljivost), Boeing 777 200 djelovistabilizatora Ugljina vlakna 40 godina u komercijalnoj upotrebi 1990-ih svojstva/cijena 80i- 200 $/kg (planovi do 11 $/kg) zahtjevi: 16.000 t/god 30 % zrakoplovnaindustrija, 30% sportska oprema30 indust Promjer 8 --10 m, kontinuirana i rezanam, rezana U usporedbi s Al 6061: 7x vea Rm , 2x vea krutost; 1,5x manja gustoaa Najvei specifini modul i visoka specifina vrstoa a Toplinska vodljivost 3x bolja nego kod Cu C vlakna + odgovarajua matrica = najbolja korozijska postojanosta Tipovi prema E modulu: - standardni modul (220 GPa; 50 $/kg) - srednji modul (240 GPa; 80$/kg)

- visok modul (300 GPa; 150 $/kg) - ultravisokultravisokmodul (450 GPa; 1000 $/kg) - Podjela prema polaznom materijalu: - PAN (poliakrilonitril) - katran - celulozna vlakna - Primjena polimernih kompozita ojaanih C-vlaknima - CFRP u zrakoplovstvu oko 7450 kg kompozita 71% CFRP (podni nosai, horizontalni i vertikalni stabilizatori...), lopatice vjetroelektrana, Aramidna vlakna U primjeni od 1970. godine, najprije kao strateki materijal poli(p-fenilentereftalamid) ili p-amid trgovaka imena: KEVLAR (49, 29, 149...), NOMEX, TWARON najvia s specifina na vrstovrstoa osvih komercijalno dostupnih ojaala, krutost Tlanana vrstovrstoa loija od ugljinih vlkana, slaba adhezija sa matricom, higroskopan, skuplji od staklenih vlakana Nisukrhka tkanine Primjena: balistika, sport, zatita od potresa obnova zgrada, PREDNOSTI I NEDOSTATCI VLAKANA ??? E staklo, S- staklo Specifina vrstoa, cijena Krutost,dinamika izdrljivost Aramidna vlakna Specifina vrstoa Tlana vrstoa, upijanje vlagekovrsta ugljina vlakna (HS) Specifina vrstoa, krutost Cijena Ultravisoko modulna ugljina vlakna (UHM) Izuzetno visoka krutost vrstoa, cijenaHibridni kompoziti - Kombinacije vlakna u hibridim kompozitima:

1. ugljik / aramid - dobra ilavost + vlana vrstoa od aramida 2. 3.- tlana i vlanavrstoa od ugljinih valkana - mala gustoa, ali relativno visoka cijenaramid / staklo - mala gustoa, ilavost, vlana vrstoa od aramida - tlana i vlana vrststakla - niska cijena!! ugljik / staklo - tlana i vlana vrstoa, krutost, gustoa od ugljika - dobra svojstva, cijena od stakla - niska cijena!! Tkanine dobivaju se tanjem kontinuiranih ugljinih, staklenih, armidih vlakana ili njihovom kombinacijomu svrhu dobivanja jednoslojnih ili vieslojnih (3D) tkanina

SENDVI KONSTRUKCIJE - strukturni kompoziti: svojstva ne ovise samo o svojstvima matrice i ojaala ve i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije - savojna vrstoa grede EI3 Relativna krutost 100 700 3700 Relativna vrstoa 100 350 925 Relativnamasa 100 103 106 - tanka kora jezgre preuzima tlana optereenja mehanika svojstva jezgre - primjena: branik automobila (sendvi jezgra od PP pjene s esticama) - jezgresendvia: - pjene (PVC, PS, PU, polieterimid (PEI), akrilne pjene) - u primjeni gustoe od 40 200 kg/m3 - debljine od 5 50 mm - sae (Al, aramid, ABS, PC,PP,PE) - Al- najbolja specifina vrstoa, opasnost od galvanske korozije - aramid (Kevlar, Nomex otpornost na gorenje avioni) - plastomeri mogunost recikliranja - drvo (balza, cedar) - saasta konstrukcijaKOMPOZITI S METALNOM MATRICOM MMC- Metal Matrix Composites - dobra svojstva: - vrlo visoka vrstoa i krutost uz vrlo malu gustou - visoka toplinska i elektrina vodljivost i niska toplinska rastezljivost - vrlo dobra otpornost na troenje - vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama - Loe strane: - komplicirana proizvodnja vrlo visoka cijena cijena e padati sa irenjem primjene - nedovoljno podataka o svojstvima materijala - jo uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala - loa reciklinost - ovi materijali su postali vrlo zanimljivi buduida se postupcima njihove proizvodnje mogu vrlo uspjeno kombinirati legure Al, Cu, Mg i Ti s karbidnim, oksidnim ili nitridnim fazama ime se znaajno poboljavaju svojstva matrice

Metalni kompoziti ojaani esticama - Diskretne jednolino rasprene estice, tvrde ikrhke, obavijene mekanijom i duktilnijom matricom - Struktura lii onoj mnogih dvofaznih disperzijski ojaanih metalnih legura, a razlika je u tome to se kod kompozitnihmaterijala za ugradnju disperznih estica ne primjenjuje transformacija faza - podjela: - kompoziti s disperzijom (estice promjera 0,1 m) - kompoziti s velikim esticama (estice promjera 1,0 m) - estice su najee oksidi, nitridi, karbidi, kao npr. Al23 , SiC, BN, ZrO2 ,TiC, ThO2 ,SiO2 ,WC, B4C - volumni udio estica je najee do 25 % Metalni kompoziti ojaani vlaknima metalni kompoziti ojaani kratkim vlaknima SFRM (Short Fibre Reinforced Metal) u ovu skupinu mogu se ubrojiti i matrice ojaane viskerima WRM (Wishker Reinforced Metal) metalni kompoziti ojaani kontinuiranim vlaknima CFRM (Continuous Fibre Reinforced Metal) vlakna ojaavala najee imaju promjer < 20 m - mogu biti od : Sic, Al2 O3 , SiO2 / Al2 O3 , C, B, Al, Be, Cu, Mo, W, elik itd. - MMC ojaani s vlaknima promjera > 100 m MFRM (Monofilament Reinforced Metal)KERAMIKI KOMPOZITI (CMC) - Jedan od najstarijih keramikih kompozita je beton - keramiki kompozitni materijal sainjen od agregata (grubi granularni materijal) povezanog u matrici od cementne paste (obino cementni prah + voda) - u uporabi od 1980tih kao potencjalno visokotemperaturno postojan materijal - matrica: Al2 O3 , SiO2 , MgO ili kombinacija - daju kristalne matrice - problem povezanosti matricaojaalo - ojaala: - porozni SiC - anorganski polimeri (na osnovi Si) polisilani, polikarbosilani, polisiloksani - primjena: komponente turbina za svemirske letjelice, komponente za svemirske letjelice, razne industijske primjene - nedostatci:relativno skupi materijali, slaba otpornost na oksidaciju meupovrinskih premaza