24.5.2015.

1

KERAMIKA, KERAMIKI KOMPOZITI, METALNI KOMPOZITI

Novi materijali, 2015.

Prof. dr. sc. Lidija urkovi

TEHNIKA KERAMIKA

24.5.2015.

2

TVORBA MATERIJALA:

Za razliku od veine ostalih materijala, u keramikoj tehnologiji proces oblikovanja dolazi

prije toplinskog procesa nastajanja materijala pri kojem oblikovani dio prolazi jo proces

skupljanja (promjene volumena).

Tek nakon procesa sinteriranja (peenja) zapravo nastaje keramiki materijal.

Podjela keramike

1. Prema veliini zrna Gruba keramika (veliina zrna od 0,1 do 0,2 mm npr. za opeke).

Fina keramika (veliina zrna manja od 0,1 mm, npr. sue, sanitarije).

2. Prema namjeni Visokokvalitetna, konstrukcijska, industrijska keramika,

funkcionalna keramika (suprakeramika), elektrokeramika, rezna keramika, biokeramika.

3. Prema kemijskom sastavu Silikatna keramika

Oksidna keramika

Neoksidna keramika

24.5.2015.

3

SKUPINE KERAMIKIH MATERIJALA

Silikatna keramika Oksidna keramika Neoksidna keramika

porculan

SiO2+ Mg2O+Al2O3

steatit talk Mg(Si4O10)(OH)2+

kordijerit SiO2+Al2O3+MgO

mulit Al2O3-SiO2

aluminijev oksid - Al2O3

magnezijev oksid - MgO

cirkonijev oksid - ZrO2

aluminijev titanat

olovni cirkonat-titanat (piezokeramika)

silicijev karbid - SiC

silicijev nitrid - Si3N4

aluminijev nitrid - AlN

borov karbid B4C

borov nitrid - BN

Na temeljna svojstva keramikih materijala uglavnom se utjee odabirom sirovine i

postupka proizvodnje.

U cjelokupnom kompleksnom procesu proizvodnje, odreeni prah, oblikovanje i proces

sinteriranja zajedno utjeu na stvaranje presudno vane mikrostrukture i time eljenih

svojstava proizvoda.

PROIZVODNJA

24.5.2015.

4

Bitne faze u procesu proizvodnje

Prah Keramiki

izradak Zavrna obrada Sinteriranje

- Sraivanje

(Peenje)

Obrada

sirovca Oblikovanje

Priprema

mase

Oblikovanje

preanje

ekstrudiranje

natrcavanje

lijevanje

glodanje

tokarenje

buenje

piljenje

sirovine mljevenje

mijeanje

granuliranje

plastficiranje

sinterirani

izradak

bruenje

lepanje

poliranje

obrada laserom

24.5.2015.

5

Sirovine i dodaci

Sirovina(e)

istoa

veliina zrna

specifina povrina

Pomono sredstvo za sinteriranje

Sredstvo za teenje

Sredstvo za plastificiranje

Sredstvo za ojaavanje

Prah aluminijeva oksida

Grubi Al2O3- prah Fini Al2O3-prah

24.5.2015.

6

NAIN OBLIKOVANJA PREMA UDJELU VLAGE

Uguivanje oblikovane mase praha

(granulat)

Plastino oblikovanje

Oblikovanje iz suspenzija

Rastui

udio vlage

Preanje 5%

Ekstrudiranje 25-30%

Lijevanje 60-70%

24.5.2015.

7

IZOSTATIKO PREANJE

Ravnomjerna gustoa sirovca

Jednostavni dijelovi ili pripravci za obradu u sirovom stanju

Izostatiko preanje s podrujima razliitog zgunjavanja (siva podruja)

24.5.2015.

8

EKSTRUDIRANJE

Ekonomski postupak

ipke i cijevi bilo kojeg presjeka

INJEKCIJSKO LIJEVANJE

Injekcijska ljevalica

Vrlo sloeni oblici

Mali odljevci

Skupo uklanjanje veziva

Visoka cijena alata

24.5.2015.

9

LIJEVANJE SUSPENZIJE

Lijevanje suspenzije

sloeni oblici

veliki odljevci

u gipsani kalup

Lijevanje folija

Tanke ploe (supstrat) za daljnju preradu tancanjem i laserom

Ljevalica folija

Lijevanje tankih folija

To je jednostavna metoda za proizvodnju prototipova i geometrijski kompliciranih dijelova

kao i relativno velikih izradaka. Mogu se realizirati tanke stijenke i puna tijela. Pri lijevanju

keramike mase, stabilna se suspenzija ulijeva u porozne upijajue gipsane oblike.

IZOSTATIKO PREANJE

Ravnomjerna gustoa sirovca

Jednostavni dijelovi ili pripravci za obradu u sirovom stanju

Izostatiko preanje s podrujima razliitog zgunjavanja (siva podruja)

24.5.2015.

10

EKSTRUDIRANJE

Ekonomski postupak

ipke i cijevi bilo kojeg presjeka

INJEKCIJSKO LIJEVANJE

Injekcijska ljevalica

Vrlo sloeni oblici

Mali odljevci

Skupo uklanjanje veziva

Visoka cijena alata

24.5.2015.

11

LIJEVANJE SUSPENZIJE

Lijevanje suspenzije

sloeni oblici

veliki odljevci

u gipsani kalup

Lijevanje folija

Tanke ploe (supstrat) za daljnju preradu tancanjem i laserom

Ljevalica folija Lijevanje tankih folija

To je jednostavna metoda za proizvodnju prototipova i geometrijski kompliciranih dijelova

kao i relativno velikih izradaka. Mogu se realizirati tanke stjenke i puna tijela. Pri lijevanju

keramike mase, stabilna se suspenzija ulijeva u porozne upijajue gipsane oblike.

Sinteriranje (sraivanje)

Odvija se

pri temperaturama od oko 1050 do 2200 C,

eventualno pod prikladnom atmosferom (zatitni plin, ...),

eventualno pod tlakom.

Povezano je s

stezanjem (skupljanjem) i do 20 %.

Svi parametri ovise o materijalu!

24.5.2015.

12

SKUPLJANJE RAZLIITIH MATERIJALA

Materijal Skupljanje, S

SISIC/RSIC oko 0 %

SSIC 18 - 20 %

porozni kordijerit oko 3 %

porculan od glinice oko 13 - 16 %

Al2O3 oko 18 %

ZrO2 oko 25 %

Proces sinteriranja (sraivanja)

24.5.2015.

13

Opa usporedba svojstava keramike s metalima

tendencija porasta vrijednosti tendencija pada vrijednosti

Keramika Metal

tvrdoa visokotemp. vrstoa toplinsko rastezanje ilavost (duktilnost) otpornost koroziji otpornost na troenje elektrina vodljivost gustoa toplinska vodljivost

Svojstvo

Velika tlana vrstoa a mala vlana zbog sitnih pora koje predstavljaju mjesta koncentracije naprezanja

mikrostruktura Al2O3 nakon sinteriranja

24.5.2015.

14

Mehanika svojstva

Velika rasipanja vrijednosti vrstoe i drugih svojstava.

Glavni uzroci loma:

- poroznost i ukljuci, - povrinske napukline, nedopustiva hrapavost od zavrnih obradi, - velika zrna nastala tijekom proizvodnje.

Velika tlana vrstoa a mala vlana zbog sitnih pora koje predstavljaju mjesta koncentracije naprezanja

Porculan

Kaolin, kremen (kvarc)

i glinenac (feldspat).

O udjelu komponenata

ovise i svojstva

24.5.2015.

15

Steatit: 3MgO4SiO24H2O.

Grlo svjetiljke,

zakovano

Podnoja i grla

Aluminij oksida (Al2O3) keramika primjenjuje u sljedeim podrujima:

Industrija sanitarija Brtveni elementi

Elektrotehnika Izolacijski dijelovi

Elektronika Supstrati

Strojogradnja i postrojenja Dijelovi otporni na troenje

Kemijska industrija Materijal otporan na koroziju, otporan pri visokim temperaturama na pare, taljevinu i trosku, filtri

Mjerna tehnika Zatitne cijevi termoelemenata za mjerenja pri visokim temperaturama

Medicina Implantati

Visoke temperature Sapnice plamenika, nosive cijevi grijaa.

24.5.2015.

16

Aluminijev oksid (Al2O3)

Kuite tiristora

Brtvene ploice, vodilice konca, mlaznice

Cijevni luk za transport praha

Izolator

Cirkonijev oksid (ZrO2), u posljednje vrijeme ima sve vee znaenje i to zbog:

- visoke lomne ilavosti,

- toplinske rastezljivosti, sline sivim ljevovima,

- visoke savojne i vlane vrstoe,

- velike otpornosti na troenje i koroziju,

- male toplinske vodljivosti,

- vrlo dobrih tribolokih svojstava.

Polimorfne transformacije ZrO2, grijanjem pri tlaku od 1 atm, ZrO2 prolazi kroz sljedee

transformacije:

Monoklinska 1170 oC

Tetragonska 2370 oC

Kubina 2680 oC

Talina

24.5.2015.

17

Cirkonijev oksid (ZrO2)

Koluti za icu od ZrO2 Kalotni leaj od ZrO2

Lambda sonda u katalizatoru ionska vodljivost

Silicijev karbid (SiC)

Dijelovi SiC-mlaznice s draem

Rekuperator-plamenik

od SiSiC

24.5.2015.

18

Silicijev nitrid (SN)

Kuglice kuglinog leaja od SN

Aluminijev nitrid (AlN)

vrlo visoka toplinska vodljivost,

visoka elektrina izolacijska sposobnost,

toplinsko rastezanje poput Si (< Al2O3)

Dijelovi od AlN

24.5.2015.

19

VRSTE TEHNIKA SPAJANJA

materijalom (lemljenjem, zavarivanjem, lijepljenjem, sraivanjem)

mehanikom silom (stezanjem, utikanjem, zakivanjem) ili

oblikovanjem

(ulijevanjem, skupljanjem, pretrcavanjem)

Spoj moe biti ostvaren:

Podruje Svojstva vana za primjenu

mehaniko vrstoa, tvrdoa, otpornost na troenje, gustoa, krutost

toplinsko voenje/izolacija topline, toplinska rastezljivost, vrstoa ovisna o temperaturi, otpornost na starenje, otpornost na promjene temperature,

ponaanje u uvjetima toplinskih okova

kemijsko/bioloko korozijska postojanost, sposobnost apsorpcije, biokompatibilnost, inertnost

elektrino jakost elektrinog polja; elektrini otpor, stojni napon; faktor dielektrinog gubitka, relativna dielektrinost, poluvodika svojstva

elektro-mehaniko piezoefekt

elektro-kemijsko ionska vodljivost

nuklearno-tehniko mehanika svojstva pri visokim temperaturama, korozijska postojanost, otpornost na zraenje

PODRUJA PRIMJENE I RELEVANTNA SVOJSTVA KERAMIKE

24.5.2015.

20

SPAJANJE KERAMIKE

Keramika se moe spajati s keramikom ili sa svakim drugim materijalom, i to rastavljivo

ili nerastavljivo.

Za pouzdano spajanje keramikih dijelova meusobno ili s drugim materijalima mogu se

koristiti postupci:

- s dodatnim tvarima (materijalima),

- spajanje oblikovanjem ili

- djelovanjem sila.

Odluujui utjecaj na odabir naina spajanja ima drugi materijal u spoju i zahtjevi koji se

postavljaju na sam spoj. Konstruiranje s keramikom ima neke posebnosti, npr: prilikom

spajanja s metalom keramiku treba opteretiti tlano, dok savojna i vlana optereenja

treba preuzeti metalni dio.

Pouzdanost spoja u uvjetima previsokih naprezanja i olabavljenja mora biti osigurana u

svim stanjima proizvodnje i eksploatacije. Zadaa konstruktora sastoji se zapravo u

meusobnom podeavanju i usklaivanju plastinih, elastinih, toplinskih i geometrijskih

razlika u rastezljivosti izmeu keramikog dijela i njegove okoline.

POSTUPCI SPAJANJA:

- lijepljenja s plastomerima, elastoplastomerima i duromerima (uvrivanje ploica

otpornih na troenje),

- lemljenja s metalnim lemilima i lemljenja staklom,

- lijepljenja na keramikoj osnovi.

Iz toga proizlaze sljedei ciljevi i radne zadae:

- prilagoivanje lijepila i lemila,

- prilagoivanje radnih temperatura i temperatura spojeva,

- smanjenje zaostalih naprezanja u spoju.

24.5.2015.

21

Postupci spajanja djelovanjem sila i oblikom nakon peenja keramike obuhvaaju:

- skupljanje (klizni brtveni prstenovi, alati za preanje itd.),

- upreavanje,

- oblijevanje i ulijevanje (keramiki umeci u dno klipa, elementi za uvrivanje na

izolatorima itd.),

- zarubljivanje,

- privrivanje stezaljkama (uvrivanje cijevi plamenika, fiksiranje

i brtvljenje izmjenjivaa topline, uvrivanje reznih ploa na brzoreznom eliku, tj.

glodake glave itd.),

- umetanje (npr. bajunetni zapor) i

- zakivanje / stlaivanje, kao i

- vijani spojevi (uvrivanje cijevi plamenika, fiksiranje i brtvljenje izmjenjivaa topline,

uvrivanje reznih ploa na brzoreznom eliku tj. glodake glave itd.)

esto se izrauju i specijalno prilagoeni spojni elementi.

Natrcavanje polimera

Uporaba polimernih materijala nije preporuljiva u sluajevima:

- pojave trenja i njime izazvanog troenja,

- kod viih temperatura smanjuju se izolacijska svojstva i

- porastom temperature smanjuju se mehanika svojstva.

Lijepljenje

Lijepljenje spada u tradicionalne metode spajanja. Ovom se tehnikom naelno mogu

spajati materijali iste ili razliite vrste. Lijepljenje je pogodan nain spajanja kojim se

postie povrinski prijenos sile. To je posebno pogodno za keramike dijelove.

Prilikom lijepljenja ne dolazi do toplinskih optereenja, tako da ta pojava nema utjecaja

na svojstva elemenata u spoju.

Lijepljeni su spojevi nepropusni za plinove i tekuine te imaju dobra priguivaka

svojstva mehanikog priguivanja.

Glavni nedostatak lijepljenih spojeva je ograniena toplinska opteretivost.

24.5.2015.

22

Vrste ljepila:

Meu ljepila kojima se postiu vrlo zahtjevnii spojevi (HighTech ljepila i strukturna ljepila)

spadaju:

- akrilna ljepila,

- cijanoakrilna ljepila,

- ljepila na bazi epoksidnih smola,

- poliuretanska ljepila,

- ljepila na bazi fenolnih smola i

- ljepila na bazi poliesterskih smola.

Lemljenje

Lemljenjem se mogu izvestii vrlo kvalitetni materijalni spojevi izmeu keramike i metala,

te izmeu keramike i keramike. Obino se keramika prije toga metalizira.

Vrsta metalizacije mora se prilagoditi vrsti keramike, a ovisi o tome predvia li se tvrdo

ili meko lemljenje.

Najpovoljniji keramiki materijali za tvrdo i meko lemljenje su aluminijev oksid i

aluminijev nitrid.

Postoji i aktivno lemljenje kod kojeg nije potrebna metalizacija, ali takvo lemljenje trai

specijalne aktivne lemove. Drugi postupci lemljenja mogu se nai u literaturi.

24.5.2015.

23

Meko lemljenje

Prema DIN 8505 meki se lemovi se tale pri temperaturama niim od 450 C, dok za

tipine meke lemove te temperature iznose od 150 do 250 C.

Temperature primjene kreu se u rasponu od 190 do 250 C. Tipini lemovi su eutektiki

sustavi kositar/olovo (talite 183 C) i kositar/srebro (talite 221 C).

Metalizacija se u pravilu temelji na plemenitim metalima (srebro, srebro-paladij, srebro-

platina, zlato, paladij-zlato, platina-zlato).

Najea podruja primjene mekog lemljenja su elektrotehnika i elektronika.

Temperatura lemljenja izaziva toplinski ok za metaliziranu keramiku, ali on to u pravilu

ovdje nije kritian za inae osjetljive keramike materijale.

Tvrdo lemljenje

Prema DIN 8505, tvrdi lemovi se tale pri temperaturama viimi od 450 C.

Za tipine tvrde lemove te temperature se kreeu u rasponu od 600 do 800 C, dok se

temperature procesa iznose od 600 do 900 C.

Najee se rabe srebrni tvrdi lemovi na bazi srebra, bakra i cinka.

Vakuumsko lemljenje bez sredstava za teenje i lemljenje pod zatitnim plinom u peima

za lemljenje provode se pri temperaturama viim od 900 C.

Za metalizaciju potrebni su metali visokog talita, kao to su npr. molibden i volfram.

Teite primjene je u strojarstvu.

24.5.2015.

24

Aktivno lemljenje

Aktivni se lemovi tale pri temperaturama izmeu 600 i 1000 C, a samo se proces

lemljenja odvija se u temperaturnom podruju od 800 do 1050 C.

Primjenom aktivnog lemljenja mogue je izravno spajanje keramike bez dodatne

metalizacije. U ovom se postupku lemljenja koriste metalni lemovi koji su u stanju dobro

okvasiti nemetalne anorganske materijale, zbog svojeg sastava legirnih elemenata. Oni

sadre elemente kao to su npr. titan, cirkonij i hafnij, koji reagiraju s keramikom.

Tijekom procesa lemljenja se na keramici se stvara tanki, kontinuirani reakcijski sloj, koji

omoguuje nuno vezanje.

Sustavi za aktivno lemljenje tipino ine slijedee kombinacije elemenata: srebro-titan,

srebro-bakar-titan i s srebro-bakar-indij-titan. Lemljenje se u pravilu odvija u vakuumu ili

argonu.

Uz aluminijev oksid i aluminijev nitrid, lemiti se mogu gotovo svi keramiki materijali kao i

metali kod kojih je oteano kvaenje.

Aktivno lemljeni spojevi spadaju u podruje strojarstva.

Na tritu su dostupni lemovi za razliite vrste keramika.

Keramike prevlake i slojevi

Tanke

Debele

Oksidne

Neoksidne

24.5.2015.

25

Debele prevlake - Plazmatsko natrcavanje

oko 10000 C

Debele prevlake - Visokobrzinsko plameno

natrcavanje praha

24.5.2015.

26

MATERIJAL , g/cm3 Tt, C HV0,025 E, GPa ,10-6/K , /mK

Keramiki materijali s prevladavajue ionskom vezom Al2O3 4,0 2047 2100 390 6,5 25 TiO2 4,2 1867 1100 280 9,0 9

ZrO2 4,2 2710 1200 200 8,0 1,5 Keramiki materijali s prevladavajue kovalentnom vezom C (dijamant) 3,5 3800 10000 1050 1,0 1100

BN 3,5 2730 5000 440 SiC 3,2 2760 2600 480 5,3 84

AlN 3,3 2250 1200 350 5,7 Keramiki materijali s preteno metalnom vezom TiB2 4,5 3225 3000 560 7,8 30

TiC 4,9 3067 2800 460 8,3 34

TiN 5,4 2950 2100 590 9,3 30

CrN 6,1 1500 1750 400 0,7 12

WC 15,7 2776 2300 720 4,0 35

SVOJSTVA MATERIJALA PREVLAKA

Emajl Staklast

Porculan - keramiki

1100 god.

24.5.2015.

27

TOPLINSKA RASTEZLJIVOST RAZLIITIH MATERIJALA OVISNA O TEMPERATURI

Poveanje ilavosti keramike osnove keramikim ojaanjima.

Svojstva:

stabilnost na ekstremno visokim temperaturama, otpornost na toplinske okove, iznimna otpornost na koroziju, velika tvrdoa i

otpornost troenju, mala masa.

KOMPOZITI S KERAMIKOM MATRICOM (CMC)

24.5.2015.

28

Uloga vlakana kod povienja ilavosti

OKSIDNA KERAMIKA: Al2O3, SiO2, mulit (Al2O3/SiO2), Ba-, Li- i Ca-aluminoslikati.

Neto bolja toplinska i kemijska stabilnost.

NEOKSIDNA KERAMIKA: SiC, Si3N4, BC, AlN itd.

Neto bolja mehanika svojstva.

MATRICE

24.5.2015.

29

VRSTE OJAANJA Diskontinuirana ojaanja: estice, viskeri, sjeeni komadii vlakana - SiC, Si3N4, BC,

TiB2, AlN itd.

Daju neto nia mehanika svojstva, no mogu se proizvoditi nekim od klasinih postupaka proizvodnje monolitne keramike (jeftinije).

Kontinuirana vlakna - novije. Bolja mehanika svojstva, no dobivaju se sloenijim

postupcima - skuplje.

Vlakna: Al2O3, mulit (Al2O3/SiO2), C, SiC (najee zbog visoke vrstoe, krutosti i toplinske stabilnosti).

KOMPOZITI SA SiC MATRICOM

esti u industrijskoj primjeni.

Kontinuirana SiC ili C-vlakna (novije) - problem prianjanje

matrice i vlakana.

Neka od svojstava: visoka toplinska vodljivost, mala

toplinska rastezljivost, mala masa, vrlo dobra otpornost na

koroziju i troenje. Otpornost na ekstremno visoke temperature (1500 C) - dolazi do stvaranja tankog sloja oksida na povrini.

24.5.2015.

30

Novije: ojaanja s SiC nanocijevicama (udio oko 5 %).

Znaajno poveanje mehanikih svojstava.

Svaka je nanocijevica prevuena vrlo tankim ugljinim slojem debljine 5 nm.

SiC nanocijevice prije infiltracije

KOMPOZITI SA Si3N4 MATRICOM

Svojstva su vrlo slina svojstvima SiC. Loije: manje su toplinski stabilne, manja toplinsku vodljivost.

Ojaan sa SiC viskerima - vrlo visoka vrstoa, modul elastinosti, te kemijska inertnost pri visokim temperaturama, dobra lomna ilavost.

Mikrostrukture kompozita sa Si3N4

matricom i SiC viskerima razliitih sastava

Ojaanje TiB2 esticama: povienje tvrdoe, vrstoe, otpornosti na troenje i elektrine vodljivosti matrice.

Ojaanje W2C nanoesticama: povienje otpornosti na troenje

24.5.2015.

31

KOMPOZITI S Al2O3 MATRICOM

Visoka vrstoa i tvrdoa, temperaturna stabilnost, otpornost na troenje, otpornost na koroziju na povienim temperaturama, poviena lomna ilavost itd.

Vrlo esto se za ojaanje Al2O3 matrice koriste Al2O3 vlakna.

Prevlake na vlaknima su vrlo vane jer se njima znatno smanjuje krhkost.

Neke prevlake: ugljine, BN, CeO2, ZrO2, LaPO4, BaZrO3 itd.

-Al2O3 t-ZrO2 -Al2O3 t-ZrO2

-Al2O3

KIC: < 5 MPam1/2

sf: < 600 MPa

otpornost na

troenje

t-ZrO2

KIC: 6-15 MPam1/2

sf: 1000-1500 MPa

visoka otpornost na

troenje

Nedostaci ZrO2:

Niska toplinska vodljivost (Al2O3 ima tri puta veu toplinsku vodljivost),

Nia tvrdoa.

Kompozitna Al2O3-ZrO2 keramika

24.5.2015.

32

Aluminijev oksid oilavljen cirkonijevim oksidom

(engl. ZTA zirconia toughened alumina)

Kompozitna Al2O3-ZrO2 keramika

1. Zrno Al2O3

2. Zrno ZrO2

Oblikovanjem kompozitne Al2O3-

ZrO2 keramike mogue je eliminirati

nedostatke ovih monolitnih keramika

i dobiti keramiki materijal boljih

mehanikih i tribolokih svojstava.

Kompozitna Al2O3-ZrO2 keramika

24.5.2015.

33

Sinterirani uzorci monolitne Al2O3 i kompozitne Al2O3-ZrO2

keramike:

Zadovoljavajua mikrostruktura (ujednaena po presjeku),

Mikrostruktura bez pojave abnormalnog rasta kristalnog

zrna,

Jednoliko raspodijeljena zrna ZrO2 u Al2O3 matrici

(kompozitna keramika),

Zadovoljavajua mehanika i triboloka svojstva.

Kompozitna Al2O3-ZrO2 keramika

Najprikladnija tehnologija za proizvodnju sloenih keramikih

komponenata razliitih oblika i dimenzija,

Prikladna za dobivanje monolitne i kompozitne keramike,

Jednostavno,

Pouzdano,

Fleksibilno,

Povoljno,

Ekoloki prihvatljivo,

Zahtijeva odgovarajue poznavanje koloidnih suspenzija i

njihovog ponaanja.

Lijevanje suspenzija (slip casting)

24.5.2015.

34

KERAMIKI PRAH DESTILIRANA

VODA ADITIVI

PRIPRAVA SUSPENZIJE

LIJEVANJE

SUENJE

PRIPRAVA KALUPA

HOMOGENIZACIJA

UKLANJANJE SIROVCA IZ KALUPA

SINTERIRANJE

ZELENA OBRADA

ZAVRNA OBRADA

KOMPAKTIRANJE

ODZRAIVANJE

ULTRAZVUNA KUPELJ

Na svojstva keramike dobivene postupkom lijevanja

suspenzija utjee:

veliina estica keramikog praha,

sadraj suhe tvari u suspenziji,

interakcije meu esticama.

Openito:

manje estice + via koncentracija suspenzije = bolja svojstva

meutim...

24.5.2015.

35

manje estice + via koncentracija suspenzije

poveana interakcija meu esticama,

poveanje viskoznosti,

tekoe u lijevanju i popunjavanju kalupa.

Rjeenje: dodatak disperzanta dramatino snienje

viskoznosti

elektrostatika stabilizacija

sterika stabilizacija

elektrosterika stabilizacija

nedispergirane estice aglomeracija degradacija svojstava

gusto slaganje estica poboljanje svojstava

Vanost disperzije estica

dispergirane estice

70.

24.5.2015.

36

Polimerni disperzanti

Premalo disperzanta,

Djelomina pokrivenost, Ogranieno djelovanje.

Odgovarajua koliina, Minimalna viskoznost,

Maksimalna stabilnost.

Previe disperzanta, Kolaps sloja,

Ogranieno djelovanje.

Triboloka svojstva

Troenje jedna od najeih neeljenih pojava u gotovo

svakom industrijskom sustavu

esta zamjena dotrajalih komponenata

Dosad ispitivano uglavnom klizno troenje keramikih

materijala.

Erozija esticama: degradacija materijala uslijed

djelovanja vrstih estica malih dimenzija.

Abrazivna erozija kut upada erodenta izmeu 0 i 30.

Udarna erozija kut upada erodenta izmeu 60 i 90.

Erozijsko troenje:

duktilni materijali plastina deformacija,

krhki materijali pukotine; ispadanja kristalnih zrna.

24.5.2015.

37

Visok vlani modul elastinosti i visoka vlana vrstoa ne mijenjaju se niti pri >2000 C, Otpornost na puzanje Relativno visoka lomna ilavost - irok raspon 20-100 Nmm3/2 Mala toplinska rastezljivost Velika toplinska vodljivost - 250-350 W/mK mala osjetljivosti prema toplinskom oku

SVOJSTVA C/C KOMPOZITA

Nedostatak: sklonost oksidaciji pri > 450 C Nuna je zatita od oksidacije: modifikacija matrice dodavanjem razliitih inhibitora oksidacije. Inhibitori mogu biti B, Si, Zr i nanoenje keramikih prevlaka - - vieslojne prevlake karbida, nitrida i oksida Si, Zr, Ta, Al itd.

PRIMJENA UGLJIK/UGLJIK

KOMPOZITA

C-C veze mogu biti najjae (dijamant)

Grafit zadrava vrstou >2000 C u neoksidirajuoj atmosferi

Takav grafit se primjenjuje ili u neoksidirajuoj atmosferi ili u kompozitima sa zatitnom matricom, npr. SiC

C/C kompoziti se sada primjenjuju za mlaznice raketa, toplinske titove svemirskih letjelica, konice zrakoplova, napadne rubove krila

24.5.2015.

38

PRIMJENA UGLJIK-UGLJIK KOMPOZITA

Koioni diskovi od ugljik-ugljik kompozita

Proizvodi od C-C kompozita u ortopediji

Umeci mlaznica od C-C kompozita

Cijevi od C-C kompozita

24.5.2015.

39

79

Primjena kompozita u zrakoplovnoj industriji

80

Nedostatci kompozita

Ameriki brod slomiose na dva dijela zbog odvajanje vanjskog sloja i jezgre u sendvi konstrukcije.

24.5.2015.

40

Hibridni kompoziti Ugljik / Aramid

Dobra ilavost+vlana vrstoa od aramida.

Tlana i vlana vrstoa od ugljinih vlakana.

Niska gustoa ali relativno visoka cijena.

Aramid / Staklo

Mala gustoa, ilavost, vlana vrstoa od aramida.

Tlana i vlana vrstoa od stakla.

Niska cijena!!

Ugljik / Staklo

Tlana i vlana vrstoa, krutost, gustoa ugljik.

Dobra svojstva, cijena staklo.

Niska cijena!!

Ravninski ojaani kompoziti

PROSTORNO OJAANI KOMPOZITI - Runo slaganje tapiasta ojaala - Strojno pletenje vlakana

24.5.2015.

41

Loe strane: komplicirana proizvodnja, vrlo visoka cijena nedovoljno podataka o svojstvima materijala, jo uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje loa reciklinost.

KOMPOZITI S METALNOM MATRICOM

MMC - Metal Matrix Composites

Dobra svojstva:

vrlo visoka spec. vrstoa i spec. krutost, visoka topl. i elektrina vodljivost i niska topl. rastezljivost, vrlo dobra otpornost na troenje, vrlo dobra mehanika i druga svojstva pri visokim temp.

DISPERZIJE KOD MMC:

Sustav Primjena

Ag-CdO Elektrini kontakti

Al-Al2O3 Nuklearni reaktori

Be-BeO Svemirska tehnika i nuklearni

reaktori

Co-ThO2, Y2O3 Magnetski materijali postojani

puzanju

Ni-20 %Cr-ThO2 Dijelovi turbina

Pb-PbO Ploe akumulatora

Pt-ThO2 Elektrine komponente

W-ThO2, ZrO2 Grijai

Velike estice:

tvrdi metali, abrazivne ploe, elektrini kontakti (W+Ag)

24.5.2015.

42

TVRDI METALI

STRUKTURA:

Metalna osnova: Co

+ karbidi WC, TiC; TaC

Metalno-karbidni (estice) kompozit. Metalna svojstva od metalne osnove: toplinska i elektrina vodljivost

widia

24.5.2015.

43

Osnovna svojstva tvrdih metala

visoko talite, visoka tvrdoa i otpornost na troenje, visok modul elastinosti, visoka tlana vrstoa i vrstoa na povienim temperaturama, dobra postojanost na temperaturne promjene (otpornost na toplinske okove), otpornost na koroziju, visoka toplinska i elektrina vodljivost.

Srednji sastav, %

WC TiC TaC Co

Gustoa,

kg/m3

Tvrdoa,

HV

Savojna vrstoa,

N/mm2

Tlana vrstoa,

N/mm2

94 - - 6 14900 1600 200 5500

85 - - 15 14000 1200 2400 4100

92 - 2 6 14800 1650 1900 5700

70 12 8 10 12400 1430 1750 5000

75 4 8 13 12700 1350 1900 4700

Osnovna svojstva tvrdih metala

24.5.2015.

44

PRIMJENA TVRDOG METALA

Alati za obradu odvajanjem estica- rezne ploice

Alati za obradu odvajanjem estica

Alati za obradu stijena i kamena

Konstrukcijski dijelovi otporni troenju

Al - matrica

Najvei udio na tritu

Udio ojaanja u matrici i do 70 % - estice,viskeri, kratka vlakna, kontinuirana vlakna ili neto deblje niti.

Znaajno se poveava krutost (E do 240 GPa), vrstoa, otpornost na troenje, snizuje se toplinska rastezljivost i do 70 %.

estice: oksidi, karbidi ili boridi - Al2O3, SiC (najee) ili TiB2.

24.5.2015.

45

Mg - mala gustoa (oko 1700 kg/m3).

Ojaanje C-vlaknima daje: - viu krutost, - viu vrstou, - malu toplinsku rastezljivost,

- lou otpornost na koroziju.

Mg-legure s esticama SiC:

- mala gustoa,

- mala toplinska rastezljivost i

- visok E.

Mg - matrica

Ti - matrica

Izuzetno visoka mehanika svojstva, vrlo dobra otpornost pri visokim temp. i otpornost na

koroziju.

Najee SiC vlakna - u jednom smjeru

24.5.2015.

46

Cu - matrica

Visoka toplinska vodljivost (> 500 W/mK)

Mala toplinska rastezljivost (4-710-6/K)

Cu-matrica s C-vlaknima ili W-vlaknima (za visoke temperature)

Cu matrica + 44 % C-vlakana

Superlegure Ni i Co + Mo, W, Ti i Al.

Kao ojaanja se koriste vlakna od W, Mo, Ta i Nb.

Primjena pri ekstremno visokim temperaturama (i do 1400C).

Mikrostruktura kompozita nastalog

kombiniranjem duplex elika i 30 %Cr3C2. Mikrostruktura nehrajueg elika AISI 316

s 20 %Al2O3 estica

Matrica - superlegure i elici

24.5.2015.

47

POSTUPCI PROIZVODNJE MMC

Postupci u tekuem stanju:

lijevanje mijeanjem lijevanje u poluskruenom stanju oblikovanje u poluskruenom stanju (thixo) infiltracija:

spontana infiltracija prisilna infiltracija

infiltracija pod tlakom vakuumska infiltracija infiltracija mehanikim pritiskom centrifugalna ultrazvuna

tlano precizno lijevanje brzo skruivanje oblikovanje natrcavanjem

Postupci u vrstom stanju:

difuzijsko spajanje metalurgija praha hladno preanje viskotemperaturna sinteza - vrue preanje (HP) i vrue

izostatiko preanje (HIP)

Postupci prevlaenja:

prevlaenje natrcavanjem taloenje iz parne faze (PVD) elektrolitiko

24.5.2015.

48

SENDVI KONSTRUKCIJE

SENDVI KONSTRUKCIJE

Sastoje se od vanjskih slojeva i jezgre.

Povezani ili odreenim tipom ljepila ili se tijekom proizvodnje laserom ili mehaniki stvara veza izmeu jezgre i kore.

Ljepilo se takoer moe smatrati strukturnom komponentom.

Prednosti sendvi konstrukcija: mala masa: dobiva se primjenom jezgri malene gustoe

neto veeg volumena, savojna krutost: na nju utjeu svojstva vanjskih slojeva, tlana i vlana vrstoa: kombinacija svojstava.

24.5.2015.

49

PJENE: polimerne: PVC, PS, PU, PEI polieterimid, akrilne,

ili metalne Al, Zn i sl.)

SAE: Al, aramid, ABS, Polikarbonat, PP, PE

Al najbolja specifina vrstoa, opasnost od galvanske

korozije

Aramid (Nomex) otpornost na poare

Plastomeri mogunost recikliranja

DRUGI ELIJASTI OBLICI

DRVO: balza, cedar i dr.

MATERIJALI JEZGRI

Saasta (honeycomb) konstrukcija - primjena u zrakoplovstvu

24.5.2015.

50

Proizvodnja periodikih elijastih oblika jezgri za sendvi

konstrukcije

Virginias PCM (Periodic Cellular Metal)

laboratory, 2006.

Periodiki elijasti oblici

Visoko porozne strukture - manje od 20 % volumena jezgre sendvia ini metal

Materijali: nehrajui elici, superlegure, Ti, Al, Cu

24.5.2015.

51

Shematska ilustracija heksagonalno, kvadratnog i

trokutnog oblika jezgre

Shematska ilustracija naboranog, rombskog

naboranog i trepezno naboranog oblika jezgre

Shematska ilustracija tetraedralnog,

piramidalnog i 3D Kagom tapiastog oblika jezgre

24.5.2015.

52

Shematska ilustracija rombskog tekstil i

kolinearnog oblika jezgre

Shema postupka izrade saaste heksagonalne jezgre prije ekspanzije (HOBE)

24.5.2015.

53

Shema postupka izrade naborane

heksagonalne jezgre

Shema postupka izrade kvadratnih i

trokutnih oblika jezgri iz urezanih traka

24.5.2015.

54

Shema postupka izrade vieslojnih jezgri od naboranih limova

tancanje, ravnanje i oblikovanje limova u eljeni oblik

24.5.2015.

55

Oblikovanje ianih reetkastih jezgri

Primjer: izmjenjivai topline

24.5.2015.

56

Pitanja za ponavljanje:

Navedite podjelu keramike.

Navedite postupke oblikovanja keramike.

Navedite tehnike spajanja keramike.

Navedite podruje primjene keramike to su meki lemovi i navedite podruje njihove primjene? to su tvrdi lemovi i navedite podruje njihove primjene? to je aktivno lemljenje i navedite podruje primjene. Navedite svojstva kompozita s SiC matricom.

Koja ojaala se koriste za kompozite s Si3N4 matricom i koja su svojstva kompozita. Koja su svojstva kompozita s metalnom matricom: navedite dobra svojstva i loe strane.

Navedite primjere disperzija kompozita s metalnom matricom i primjenu istih.

Osnovna svojstva tvrdih metala i navedite njihovu primjenu.

Koje matrice se najee koriste za pripravu kompozita s metalnom matricom. Opiite saastu konstrukciju.