Kompozyty i materiały ceramiczne

Temat 9 Nauka o materiałach

Kompozyty

budowa

Kompozyty

Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze stanowiące osnowę kompozytu) różniących się rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie.

DEFINICJA Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze od możliwych do uzyskania w każdym z komponentów osobno oraz lepsze niż wynik prostego ich sumowania.

Podział kompozytów ze względu na osnowę:

1)kompozyty metalowe

● kompozyty o osnowie ze stopu metali lekkich ( Mg, Al, Ti) ● kompozyty o osnowie ze stopu srebra i miedzi ● kompozyty o osnowie ze stopu niklu ● kompozyty o osnowie ze stopu ołowiu i cynku

2) kompozyty polimerowe (żywice termoutwardzalne jak fenoplasty i

aminoplasty; duroplasty chemoutwardzalne, silikony, tworzywa termoplastyczne)

3) kompozyty ceramiczne (materiały budowlane jak cement i gips;

materiały hutnicze - głównie ogniotrwałe; materiały stosowane w elektronice)

Osnowa pełni następujące funkcje: ● utrzymuje razem zbrojenie. ● zapewnia wytrzymałość na ściskanie ● przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie, ● zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć, ● nadaje wyrobom żądany kształt.

Przykłady różnych rodzajów elementów wzmacniających materiały kompozytowe wzmacnianych: a) cząstkami dyspersyjnymi, b) płatkami, c) włóknami nieciągłymi, d) włóknami ciągłymi w postaci tkaniny, e) szkieletowo, f) warstwowo w laminatach

Chronologia wdrażania włókien do wzmacniania materiałów kompozytowych o osnowie polimerowej

Typy i charakterystyka ogólna materiałów osnowy i elementów wzmacniających w materiałach kompozytowych

Właściwości kompozytów

Orientacyjne własności mechaniczne włókien

szklanych

Schemat procesu formowania włókien szklanych

Schemat wytwarzania niedoprzędu

(rowingu) z włókien szklanych

Surowiec do wytwarzania włókien węglowych

Schemat procesu technologicznego otrzymywania

włókien węglowych z poliakrylonitrylu PAN oraz smoły

Włókno węglowe

Schemat wpływu średnicy włókna d na wytrzymałość na rozciąganie Rm

Porównanie metod wytwarzania włókien:

a) węglowych, b) borowych

Schemat procesu wytwarzania taśmy preimpregnowanej materiału kompozytowego o osnowie z polimerów termoutwardzalnych

Schemat wytwarzania taśm przez zgrzewanie dyfuzyjne przez walcowanie folii metalowych pokrywających włókna wzmacniające

Schemat procesu technologicznego SMC formowania tłoczywa arkuszowego

Schemat procesu prasowania ciągłego produktów z materiałów kompozytowych

Schemat procesu technologicznego wytwarzania poszycia błotnika samochodowego z taśmy SMC

Zastosowanie taśm SMC do wytwarzania elementów modeli samochodów z roku 1994 (w temperaturze 150°C przy naprężeniu 6,9 MPa przez 60÷90 s): a) dachu, poszycia drzwi bocznych i tylnych oraz spojlera w samochodzie Chevrolet Camaro, b) pokrywy bagażnika, spojlera oraz tylnych nadkoli w samochodzie Ford Mustang

Schemat procesów prasowania przetłocznego tłoczywa arkuszowego SMC i sypkiego BMC

Schemat technik odlewniczych stosowanych do wytwarzania materiałów kompozytowych a) wzrost kapilarny, b) odlewanie ciśnieniowe, c) infiltracja próżniowa, d) odlewanie ciągłe

Schemat procesu kształtowania produktów z materiałów kompozytowych z udziałem żywicy w stanie ciekłym

Schemat procesu technologicznego karoserii samochodu sportowego w szybkobieżnym procesie prasowania

Schemat wytwarzania prefabrykatów rdzeni w kształcie plastra miodu metodą fałdowania

Narzędzia węglikowe

Nowoczesne spiekane materiały narzędziowe ze względu na charakter ich pracy oraz złożoność mechanizmów zużycia, którym podlegają ostrza narzędzi skrawających, powinny spełniać liczne wymagania, do których należą między innymi: •wysoka twardość, •duża udarność, •odporność na złożone zużycie (adhezyjne, dyfuzyjne, ścierne i cieplne), •odporność na wysoką temperaturę, •duża wytrzymałość na ściskanie, rozciąganie, skręcanie i zginanie, •wysoka odporność na zmęczenie mechaniczne i cieplne, •dobra przewodność cieplna i pojemność cieplna, •stabilność krawędzi skrawających, •dobra ciągliwość

Schemat procesu technologicznego węglików spiekanych

Schemat procesu technologicznego materiałów spiekanych MA ODS

Twardość materiałów na narzędzia skrawające

Orientacyjny skład chemiczny węglików spiekanych

Wpływ temperatury badania na twardość węglików spiekanych na osnowie kobaltu WC–Co i WC–TiC–Co oraz stali szybkotnącej

Krzywa naprężenie-odksztatcenie dla kompozytu o włóknach ciągłych (linia gruba), w porównaniu do krzywych dla włókien i osnowy (linie cienkie). Maksimum na krzywej oznacza pękanie włókien.

Założenia: • włókna równoległe, ciągłe, obciążenie przyłożone równolegle do osi włókien • osnowa i włókna są liniowo sprężyste aż do zniszczenia • siły spójności na granicy osnowa-włókno są duże i nie wpływają na wytrzymałość kompozytu

Materiały ceramiczne

Nauka o materiałach

KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH

Grupa materiałów nieorganicznych o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych wytworzonych zwykle w procesach wysokotemperaturowych nazywana jest ceramiką

Główne typy i ogólny opis niektórych materiałów ceramicznych i węglowych

Zastosowanie głównych grup materiałów ceramicznych

Właściwości ceramiki

Właściwości: •Mała przewodność cieplna i elektryczna (zwykle dielektryk) •Mały współczynnik rozszerzalności cieplnej •Duża wytrzymałość na obciążenia ściskające •Mała odporność na rozciąganie (15x mniejsza niż na ściskanie) •Mała odporność na pękanie (krucha) •Duża odporność na korozję (np. na utlenianie) •Wysoka temperatura topnienia •Duża odporność na działanie wysokich temperatur (materiały ogniotrwałe) właściwości ceramiki

Historia szkła

Technologia szkła została odkryta najprawdopodobniej w Mezopotamii, w rejonie obecnie znanym jako Irak i Syria. Około 3300 lat temu, tajemne "instrukcje" jak budować piece i jak wytapiać szkło zostały zapisane na glinianych tabliczkach pismem obrazkowym. Instrukcje te były później kopiowane przez całe wieki

~ 3000 pne Wytwarzanie szkła na Kaukazie, początki barwienia szkła ~ 1480 pne Pojawienie się szkła w Egipcie barwienie za pomocą domieszek takich jak Cu, Fe, Mn, Al ~ 630 pne Pierwszy “podręcznik” wytwarzania szkła (Asyria) ~ 900 pne Wprowadzenie przemysłu szklarskiego do Syrii i Mezopotamii ~ 250 pne Odkrycie technologii dmuchania szkła (Fenicjanie)

50 ne (czasy Juliusza Cezara): Rozwinięcie technologii wydmuchiwania szkła

~70 Rzymianie wprowadzają produkcję szkła do Europy (Hiszpania, Francja, Italia) ~ 100 odlewanie szkła w formach 591 Pierwsze wzmianki o szybach okiennych (w kościołach) 1180 Pierwsze szyby w domach mieszkalnych

1453 Tajemnice produkcji szkła docierają z Bizancjum do Wenecji 1834 Pierwsze teorie dotyczące szkła kwarcowego (Leng) 1859 Pierwsza półautomatyczna maszyna do produkcji butelek 1925 Metoda "Pittsburgh" wytwarzania szyb 1967 Metoda odlewania szyb na stopionej cynie 1970 Produkcja włókien optycznych

Przekrój trójskładnikowego układu równowagi fazowej CaO–Al2O3–SiO2

Podział materiałów ceramicznych

Stan szklisty

Charakterystyka szkła: • jest materiałem twardniejącym bez udziału krystalizacji (przechłodzona ciecz) • powstaje podczas chłodzenia fazy ciekłej, w temperaturze zwanej temperaturą zeszklenia, • proces powstawania szkła podczas chłodzenia cieczy polega na stopniowym wzroście lepkości przy której traci ona płynność i staje się ciałem stałym • poniżej temperatury zeszklenia szybkość zmian objętości ze zmianą temperatury maleje • zbudowane jest z takich samych czworościanów SiO4 , jak krystaliczna krzemionka, jest jednak substancją bezpostaciową, tzn. nie ma uporządkowanej budowy wewnętrznej (brak uporządkowania dalekiego zasięgu) • ma postać amorficzną i wykazuje izotropię wszystkich właściwości • charakterystyczną cechą makroskopową szkieł jest zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w stan ciekły pod wpływem zmian ciśnienia i temperatury;

Schemat rozmieszczenia jonów w szkle

sodowo–krzemianowym

Kwarc Szkło krzemionkowe

Schemat rozmieszczenia jonów w szkle sodowo–krzemianowym

Schemat struktury krzemianu warstwowego o powtarzalnej jednostce (Si2O5)2

•Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. • Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami ciekłym i stałym. • Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia, zapewniającej powstanie fazy krystalicznej, •Szkła podlegają odszkleniu (dewitryfikacji), stając się materiałami krystalicznymi, lecz okres ten trwa minimum kilkaset lat. •Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: SiO2, B2O3 i P2O5, tlenki arsenu i germanu, a także siarka, selen i fluorek ołowiu. •W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych, mogą wchodzić modyfikatory wiązań sieci przestrzennej oraz tlenki pośrednie

Wyróżnia się następujące rodzaje szkła: •Budowlane •Techniczne •Gospodarcze •Na opakowania •Krystaliczne •Bezpieczne •Metaliczne •Włókno i wata szklana •Szkło piankowe

Gatunki szkła

Właściwości mechaniczne szkła

Koncentracja naprężeń u wierzchołka pęknięcia

Wytwarzanie szkła

Czysty SiO2 topi się powyżej 1700OC Zmieszany z sodą (tlenek lub węglan sodu) topi się w 900OC ale jest rozpuszczalne w wodzie! Zmieszany z CaO staje się nierozpuszczalne w wodzie. Dlatego właśnie SiO2, CaO i Na2O są głównymi składnikami zwykłego szkła.

Obecnie, przedmioty szklane są wytwarzane trzema głównymi metodami: • Wydmuchiwanie szkła; • Prasowanie; • Wytwarzanie szyb; • Wytwarzanie włókien;

Surowce do produkcji szkła

Tlenki i surowce szkłotwórcze:

SiO2, B2O3, P2O5, Al2O3, TiO2 rzadziej ZrO2, ThO2, La2O3, As2O3 Źródłem tlenków są przede wszystkim: piaski kwarcowe, boraks, kwas borowy.

Tlenki i surowce obniżające temperaturę mięknięcia szkła:

Na2O, K2O, Li2O rzadziej Rb2O, Cs2O Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: Na2CO3, K2CO3, albit, ortoklaz.

Tlenki i surowce stabilizujące szkło:

CaO, MgO, BaO, PbO, ZnO, CdO, BeO, SrO Źródłem tych tlenków są przede wszystkim: MgCO3, CaCO3, dolomit, BaCO3, Pb3O4

Etapy wytapiania szkła

Odparowanie wilgoci z surowców ~400oC, Na2CO3+CaCO3 = Na2Ca(CO3)2

Wydzielanie CO2 > 600oC Pojawienie się fazy ciekłej ~785oC Rozpuszczenie się w fazie ciekłej SiO2 i krzemianów Zakończenie procesu topienia i rozpuszczania składników:

1200-1300oC Klarowanie szkła ~1450-1500oC ; dla przyśpieszenia

dodatki klarujące, np. azotany, siarczany Studzenie masy do temperatury formowania 1100-1200oC

Szkła, podobnie jak metale, mogą być

formowanie przez odkształcanie i odlewanie.

a) walcowanie, stosowane przy produkcji płyt szklanych, b) rozpływanie się ciekłego szkła na powierzchni ciekłej cyny, stosowane przy produkcji szyb okiennych o gładkiej powierzchni, c) prasowanie na gorąco między dwiema matrycami, stosowane przy produkcji dużych izolatorów, d) rozdmuchiwanie, stosowane do produkcji butelek i żarówek.

Wydmuchiwanie szkła

4. Wreszcie samo w sobie wydmuchiwanie: tworzy się odpowiedni kształt i wielkość. 5. Ukształtowanie brzegu naczynia 5. Odprężanie

1. Na końcu tuby do wydmuchiwania szkła zaczepia się „kroplę” stopionego szkła (od ćwierć do jednego kilograma).

2. Materiał jest kształtowany, tak żeby był symetryczny, nie za duży itp. (kształtuje się go albo na specjalnym stole, albo odpowiednim narzędziem).

3. Szkło w międzyczasie ostygło: należy je znowu ogrzać (jest specjalny otwór w piecu).

Wzmacnianie szkła

Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej modyfikacji powierzchni, że pęknięć albo nie ma, albo nie mogą się przemieszczać. • Hartowanie; • Chemiczna modyfikacja powierzchni; • Nanoszenie warstw, laminowanie szkła

Hartowanie Szkło wewnętrznie naprężone ma lepsze właściwości mechaniczne: zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta, wewnętrzna - rozciągnięta;

Hartowanie Jak to się robi: • Szkło ogrzewa się do temperatury około Tg • Ochładza się w powietrzu lub oleju • Powierzchnia ochładza się szybciej niż części wewnętrzne • Gdy wewnętrzne części się ochładzają do temperatury pokojowej, powierzchnia już jest zimna i sztywna. Rozmiary nie mogą się dopasować: wnętrze jest rozciągane przez powierzchnię, a powierzchnia ściskana przez wnętrze

Wzmacnianie szkła

Laminowanie szkła. Polega na umieszczeniu warstwy polimeru pomiędzy warstwami szkła (minimum dwie).

Barwienie szkła

Po dodaniu do masy szklanej odpowiednich tlenków metali można otrzymać szkło barwne: • szkło zielone zawiera związki żelaza (III) i chromu (III) • szkło żółte zawiera związki kadmu i siarki • szkło niebieskie zawiera związki kobaltu (II) i miedzi (II) • szkło czerwone zawiera koloidalne cząstki złota • szkło fioletowe zawiera związki manganu (VII)

Główne typy ceramiki wielofazowej

z dużym udziałem fazy szklistej

Ceramika techniczna

Ceramika techniczna

Właściwości mechaniczne ceramik • Duży moduł Younga; • Duża twardość – Nie wszystkie ceramiki są twarde, ale to właśnie ceramiki są najtwardszymi materiałami świata. • Mała wytrzymałość na zginanie; • Praktycznie nie ma odkształcenia plastycznego; • Kruchość;

Materiały ścierne

BN

materiały ceramiczne nietlenkowe: SiC, Si3N4 , BN

bardzo wysoka twardość (BN – zdecydowanie najwyższa), - wysoką odporność na ścieranie, - wysoką wytrzymałość i odporność na korozję w wysokich temperaturach

(powyżej 1300°C), - niski współczynnik tarcia, - bardzo wysoką przewodność cieplną SiC (do 5x większą niż Al2O3 ), podobną do stopów Al, około 2x wyższą niż żeliwo; BN – bardzo mała przewodność cieplna,

SiC – nietlenkowa ceramika specjalna (ceramika kowalencyjna) struktura regularna diamentu ● struktura krystaliczna podobna do diamentu, gdzie połowa atomów węgla zastąpiona jest atomami krzemu,

model mikrostruktury ceramiki krystalicznej

Ceramika zaawansowana

Zastosowania wysokotemperaturowe (warstwy ochronne na częściach metalowych lub elementy samodzielne). – Najczęściej porowata (ponad 10%) ceramika zawierająca Al2O3 (Tm=2050°C) i SiO2 oraz inne tlenki: MgO (Tm=2850°C), Fe2O3, TiO2, – Poza tym używa się: BeO, ZrO2,, SiC, i grafit.

Części silników : azotek krzemu (Si3N4), węglik krzemu (SiC), tlenek cyrkonu (ZrO2) i tlenek glinu(Al2O3

Ceramika o szczególnych właściwościach elektrycznych: kondensatory, rezystory, nadprzewodniki, piezoelektryki, części układów scalonych, magnesy • Ceramika o szczególnych właściwościach chemicznych: filtry, membrany, katalizatory, podłoża katalizatorów itd.

Technologia ceramiki Al2O3

FORMOWANIE-stosuje się praktycznie wszystkie metody formowania z proszków tj.: prasowanie, prasowanie izostatyczne, odlewanie z gęstwy, odlewanie folii, wyciskanie, wtrysk nisko i wysokociśnieniowy, natrysk plazmowy i inne SPIEKANIE – warunki zależą głównie od proszku, typowe to: temp. Spiekania 1400-1800oC, atmosfera dowolna, dodatki: MgO. MgF2, Cr2O3(0,2-5%) niekorzystne zanieczyszczenia: SiO2, alkalia HP - ciśnienie do 40MPa, temp. do 1500oC

OBRÓBKA KOŃCOWA -mechaniczna -szkliwienie

KORUND Al2O3 ZASTOSOWANIE Elementy konstrukcyjne maszyn i silników Elementy izolacyjne pieców Elementy aparatury chemicznej Podłoża do katalizatorów Elementy młynów ceramicznych Elementy pancerzy ceramicznych Narzędzia do odróbki skrawaniem Narzędzia ścierne Elementy konstrukcyjne w elektronice i elektrotechnice Biomateriały Proszki polerskie

Prognozy wzrostu udziału procentowego

szeregu materiałów w konstrukcji silników