CERAMIKA, POLIMERY, KOMPOZYTY

Transkrypt

1 CERAMIKA, POLIMERY, KOMPOZYTY

2 CERAMIKA

3 Klasyfikacja ceramiki

4 Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych: wysoka temperatura topnienia niski ciężar właściwy wysoka twardość wysoka wytrzymałość na ściskanie niska rozszerzalność cieplna mała przewodność cieplna dobra żaroodporność i żarowytrzymałość dobra odporność na korozję duża kruchość

5 Ceramika tradycyjna - materiały uformowane z drobnych ziaren mineralnych i wypalane w wysokiej temperaturze, podczas którego zachodzą nieodwracalne reakcje. Surowce: glinka iłowa, kaolin, glina zwykła i garncarska, margiel ilasty, łupek ilasty, kwarc, mika itd., które są formowane w stanie plastycznym (mokrym), a następnie suszone i spiekane. Budowa: Po operacji spiekania wyroby ceramiczne składają się z faz krystalicznych spojonych fazą szklistą, której głównym składnikiem jest krzemionka SiO 2. Faza szklista tworzona jest i topiona w trakcie spiekania, a następnie rozpływa się wokół powierzchni faz krystalicznych spajając je ze sobą.

6 Ceramika porowata Cechą charakterystyczną ceramiki porowatej jest szorstka i matowa powierzchnia. Dodatkowo ceramika ta jest porowata i mocno nasiąka wodą. Wyrobami z ceramiki porowatej są: cegła dziurawka, cegła pełna, pustaki, dachówka itd. W celu ograniczenia nasiąkliwości wody często stosuje się po wypalaniu elementów pokrywanie je szkliwem i ponowne wypalanie. W wyniku tej obróbki nie zostaje zmieniona struktura ceramiki a zamknięte zostają jej pory powierzchniowe. W sposób taki wytwarza się wyroby kaflarskie, garncarskie i większość fajansów.

7 Porcelana Jest ona wytwarzana z mieszaniny minerałów, takich jak kaolin, kwarc i skaleń oraz innymi możliwymi dodatkami, spieczonych ze sobą w procesie wypalania. Własności porcelany zależą od zawartości poszczególnych składników i temperatury wypalania. Porcelana może być wypalana jednokrotnie (np. porcelana elektrotechniczna) lub dwukrotnie (np. cienkościenne wyroby stołowe lub artystyczne). Porcelanę dzieli się na: porcelanę miękką, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy stołowe; porcelanę twardą, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy oporem elektrycznym, odpornością na uderzenia cieplne, a także na działanie kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego), zasad i stołowe jak również na elementy elektrotechniczne i części aparatury chemicznej. Charakteryzuje się ona wysoką wytrzymałością na ściskanie, wysoką twardością, wysokim soli.

8 Ceramika inżynierska Materiały ceramiczne są jednymi z najstarszych, którymi posługuje się człowiek, jednakże w ostatnich latach w bardzo dużym stopniu rozwinęła się grupa nowoczesnych materiałów, stosowanych w technice, określana jako ceramika inżynierska. Materiały te są stosowane m. in. w budowie silników samochodowych i lotniczych, w budowie rakiet, w elektronice, w technice światłowodowej, w metalurgii, w przemyśle narzędziowym i w medycynie.

9 Materiały supertwarde diament 7000 HV azotek boru 4700 HV węglik krzemu HV węglik boru HV tlenek glinu 2080 HV Z materiałów tych wytwarzane są narzędzia służące do obróbki kamieni szlachetnych, twardych tarcz szlifierskich (ściernic), ceramiki, minerałów, betonu, szkła, węglików spiekanych. Najbardziej rozpowszechnione są narzędzia wykonane z cząstek diamentu osadzonych w metalowej osnowie.

10 Zastosowanie dwutlenku krzemu i dwutlenku cyrkonu w budowie silników: tłoki tuleje cylindrowe komory wstępnego spalania zespoły popychaczy zaworów w silnikach spalinowych wirniki i łożyska turbosprężarek

11 Konstrukcja silnika Przewidywane części ceramiczne Korzyści Współczesny z turbodoładowaniem Bez chłodzenia, nieadiabatyczny, bez turbodoładowania Adiabatyczny z turbodoładowaniem Według koncepcji minimalnego tarcia Turbosprężarka, elementy układu zaworowego, komora wstępna, "gorąca" wkładka Turbosprężarka, elementy układu zaworowego, tłok, denko tłoka, cylindry, tuleje cylindrowe Turbosprężarka, wirnik turbosprężarki, elementy układu zaworowego, tłok, denko tłoka, cylindry, tuleje cylindrowe Łożyska powietrzne, wysokotemperaturowe pierścienie, wysokotemperaturowe łożyska, elementy pracujące na ścieranie, łożyska suche Polepszenie charakterystyki pracy, obniżenie kosztów Obniżenie masy, wzrost sprawności i możliwości polepszenia areodynamiki, wzrost sprawności, obniżenie kosztów wytwarzania Zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, polepszenie areodynamiki, ograniczenie przestojów Obniżenie jednostkowego zużycia paliwa Koncepcje Katza zastosownia ceramik w silnikach wysokoprężnych według: B. Ciszewski, W. Prezetakiewicz, Nowoczesne materiały inżynierskie w technice, Warszawa 1993.

12 POLIMERY

13 Materiały organiczne zbudowane głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu Makrocząsteczki powstałe w wyniki połączenia monomerów

14 Cechy charakterystyczne polimerów: niska gęstość dobre właściwości termoizolacyjne i elektroizolacyjne słabe odbicie światła dobra odporność na korozję ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej niska i średnia stabilność wymiarów nieprzydatne do pracy w podwyższonych temperaturach

15 Tworzywa sztuczne: polimery (składnik podstawowy) z dodatkiem napełniaczy (wypełniaczy), antyutleniaczy (stabilizatorów), zmiękczaczy, barwników, katalizatorów Wypełniacze są to substancje chemicznie obojętne dodawane w celu zapewnienia odpowiednich właściwości tworzywa. Pod względem postaci wyróżnia się wypełniacze: proszkowe proszki metali, grafit, mączka kamienna i drzewna, ziemia okrzemkowa, mika włókniste druty metalowe, włókna szklane, bawełniane arkuszowe folie lub siatki metalowe, tkaniny szklane, bawełniane, papier Wypełniacze podwyższają właściwości wytrzymałościowe, nieorganiczne zmniejszają palność tworzyw, metalowe powiększają przewodnictwo cieplne i elektryczne, mika powiększa właściwości izolacyjne.

16 Stabilizatory są to substancje zapewniające trwałość polimeru w przypadku wpływu takich czynników zewnętrznych, jak temperatura, promieniowanie świetlne, ultrafioletowe. Np. sadza zabezpiecza polietylen przed wpływem promieni ultrafioletowych. Zabezpieczenie polichlorku winylu przed działaniem podwyższonej temperatury i promieni ultrafioletowych zapewniają mydła, związki cyny i metali ciężkich. Zmiękczacze są to związki organiczne, chemicznie czynne, dodawane w celu podwyższenia plastyczności tworzyw. Działają one fizykochemicznie na budowę cząsteczek, np.. Skutkiem polireakcji z polimerem, objawiającym się najczęściej zmniejszeniem wiązań między cząsteczkami ( rozluźnieniem łańcucha polimeru). Efektem powiększenia ruchliwości cząsteczek jest często obniżenie temperatury mięknięcia i zeszklenia tworzywa. Dzięki temu tworzywo kruche w temperaturze pokojowej staje się uplastycznione. Barwniki i katalizatory w zasadzie nie wpływają na właściwości fizyczne tworzywa.

17 Niektóre polimery 1. Otrzymane metodą polimeryzacji (łączenia monomerów bez reszty) Polietylen produkt polimeryzacji etylenu (CH 2 =CH 2 ) odznacza się dużą odpornością na działanie mocnych kwasów, zasad i roztworów soli, a mała odpornością na działanie rozpuszczalników organicznych, zwłaszcza nafty i olejów powodujących pęcznienie tworzywa. Dzięki budowie łańcuchowej, łatwo tworzą się w nim obszary krystaliczne (40-95%) zapewniające elastyczność tworzywa. Zależnie od warunków polimeryzacji i ilości wypełniacza, na bazie polietylenu produkuje się tworzywa o gęstości od ~0,91-0,93 g/cm 3 (polietylen elastyczny) do ~0,94-0,97 g/cm 3 (polietylen twardy). Im większa gęstość, tym większy udział obszarów krystalicznych w strukturze, tym większa odporność chemiczna, temperatura mięknięcia (do 135ºC), twardość i kruchość. Z polietylenu wytwarza się folie, płyty, rury, artykuły gospodarstwa domowego, materiały elektroizolacyjne, elementy odzieży i obuwia.

18 Polichlorek winylu produkt polimeryzacji chlorku winylu (CH 2 =CHCl), dzięki obecności grupy C-Cl, odznacza się w porównaniu z polietylenem większymi siłami międzycząsteczkowymi, co podwyższa temperaturę mięknięcia do 150ºC i sztywność. Atom Cl naruszający symetrię cząsteczki monomeru ogranicza udział obszarów krystalicznych. Tworzywa sztuczne na bazie polichlorku winylu znane są pod nazwami winiduru, igelitu, PCV i należą, do najczęściej stosowanych dzięki dużej odporności chemicznej, dobrej wytrzymałości i udarności. Cenną zaletą winiduru jest podatność na spawanie i zgrzewanie. Gatunki twarde (winidur) są stosowane w postaci płyt i rur w przemyśle chemicznym na wykładziny zbiorników, przewody, kanały wentylacyjne. Gatunki uplastycznione (igelit) służą służą do wyrobu folii, węży elastycznych, opakowań oraz znajdują zastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym (materiał izolacyjny), odzieżowym, obuwniczym. Gatunki uplastycznione (PCV) znajdują zastosowanie w budownictwie jako wykładziny podłogowe.

19 Polistyren produkt polimeryzacji styrenu (C 6 H 5 -CH=CH 2 ) ze względu na asymetryczną strukturę monomeru (pierścień benzenowy) ma strukturę praktycznie całkowicie bezpostaciową. Dlatego odznacza się małą wytrzymałością, kruchością, niską temperaturą mięknięcia (90-100º). Tworzywa sztuczne oparte na polistyrenie należą do najtańszych i powszechnie stosowanych w elektrotechnice (izolacje), na obudowy odbiorników radiowych i telewizyjnych, galanterię samochodową oraz do wyrobu zabawek i artykułów gospodarstwa domowego.

20 2. Otrzymane metodą polikondensacji (łączenia monomerów z wydzieleniem produktu ubocznego) Poliamidy termoplastyczne tworzywa o budowie łańcuchowej, będące produktami polikondensacji kwasów organicznych: dwukarboksylowych, aminokwasów, hydrokwasów. Mają strukturę w znacznym stopniu skrystalizowaną, w związku z tym dobrą wytrzymałość na rozciąganie i odporność chemiczną, ale niską temperaturę mięknięcia, a powyżej 140ºC utleniają się na powietrzu. Pochłaniają wodę powodującą pęcznienie tworzywa. Poliamidy są stosowane do wyrobu artykułów gospodarstwa domowego, osprzętu budowlanego oraz włókien odzieżowych i technicznych znanych pod nazwami nylon, stylon, kapron, perlon, dederon.

21 Żywice syntetyczne termoutwardzalne tworzywa otrzymywane przez polikondensację różnorodnych kwasów organicznych, mające początkowo strukturę łańcuchową, ulegające ostatecznej polimeryzacji pod wpływem temperatury, w wyniku czego struktura zmienia się na usieciowaną. Początkowo mają niską temperaturę mięknięcia i łatwo rozpuszczają się, co ułatwia kształtowanie wyrobów. Po uzyskaniu struktury usieciowanej (stan termoutwardzalny), mają w temperaturze pokojowej dużą twardość i nieznaczną rozpuszczalność. Największe znaczenie jako materiały konstrukcyjne mają żywice fenolowe, aminowe i silikonowe. Tworzywem na bazie żywic fenolowych jest np. bakelit używany do wyrobu prasowanych części maszyn (koła zębate) oraz laminatów wzmocnionych np. włóknem szklanym. Tworzywa na bazie żywic aminowych stosowane są do wyrobu galanterii i artykułów gospodarstwa domowego oraz jako powłoki izolacyjne przewodów wysokiego napięcia. Tworzywa na bazie żywic silikonowych o temperaturze mięknięcia ~300ºC stosowne są na elementy aparatury chemicznej.

22 KOMPOZYTY

23 Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi osnowę, która gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny (wzmocnienie, zbrojenie) zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu. Liczne materiały naturalne są kompozytami, np. drewno zawierające długie włókna celulozowe, spojone bezpostaciową ligniną. Materiały kompozytowe wytwarzane technicznie znane są ludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym samoutwardzalnym sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniana sklejka. Powszechnie stosowanym obecnie kompozytem jest beton/żelbeton.

24 Podział kompozytów ze względu na osnowę: metalowe ceramiczne polimerowe Podział kompozytów ze względu na wzmocnienie: wzmacniane dyspersyjnie małymi cząstkami o rozmiarach nm wzmacniane płatkami wzmacniane włóknami nieciągłymi wzmacniane włóknami ciągłymi wzmacniane szkieletowo wzmacniane warstwowo

25

26 Kompozyty polimerowe o osnowie z żywic termoutwardzalnych lub termoplastów, zaś włóknach szklanych lub ceramicznych. Kompozyty metalowe typu osnowa metalowa - włókna metalowe (np. miedź-wolfram, aluminium-bor), osnowa metalowa -włókna ceramiczne, np. tytan-węglik krzemu (T/SiC). Kompozyty ceramiczne z długimi lub krótkimi włóknami ceramicznymi, a także ziarnami metalicznymi o wymiarach nm. Kompozyty hybrydowe łączące kilka materiałów, np. osnowę polimerową zbrojoną włóknami szklanymi i jednocześnie cienkimi warstwami metalu (np. Al). Kompozyty te łączą cechy wysokiej wytrzymałości z dużą ciągliwością

27

28

29

30

31 Podstawowe parametry charakteryzujące kompozyt to stosunek wytrzymałości do gęstości i stosunek sztywności do gęstości. W stosunku do stali, aluminium, czy tytanu, stosunki te są wielokrotnie większe, np. dla kompozytów polimerowych o włóknach szklanych stosunek pierwszy z nich jest 6-8 razy większy, zaś dla włókien grafitowych od 9-11 razy większy w stosunku do stali.