Technologia i zastosowanie

Wielkość: px

Rozpocząć pokaz od strony:

Download "Technologia i zastosowanie"

Franciszek Kulesza
7 lat temu
Przeglądów:

1 Technologia i zastosowanie

Kompozyt jest to materiał utworzony sztucznie, z co najmniej dwóch składników, o różnych właściwościach, w taki sposób, że ma on właściwości lepsze i (lub) inne od

2 Kompozyt jest to materiał utworzony sztucznie, z co najmniej dwóch składników, o różnych właściwościach, w taki sposób, że ma on właściwości lepsze i (lub) inne od składników. Kompozyty tworzy się w celu uzyskania ściśle określonych właściwości eksploatacyjnych materiałów. Podstawą do klasyfikacji kompozytów jest ich budowa wewnętrzna.

3 Nowoczesne kompozyty w technice Kompozyty polimer-metal kompozyty ceramika metal-polimer METAL POLIMER kompozyty ceramika-metal CERAMIKA kompozyty ceramika-polimer

Kompozyty warstwowe, wzmacniane włóknami (ciągłymi lub krótkimi) o średnicy od ułamka do kilkuset μm i udziale objętościowym od kilku do 70% oraz siatką, tkaniną lub dzianiną.

4 Kompozyty warstwowe, wzmacniane włóknami (ciągłymi lub krótkimi) o średnicy od ułamka do kilkuset μm i udziale objętościowym od kilku do 70% oraz siatką, tkaniną lub dzianiną. Kompozyty umacniane cząstkami dyspersyjnymi o wielkości 0,01 do 1 μm i więcej oraz udziale objętościowym przeważnie 2 do 25% zestawione są w (tabeli16). Zalety kompozytów polimerowych powodują że są podstawowym materiałem konstrukcyjnym w lotnictwie, przemyśle motoryzacyjnym, okrętowym i chemicznym.

5 1. Kompozyt jest materiałem wytworzonym przez człowieka 2. Kompozyt musi składać się z co najmniej dwóch różnych (pod względem chemicznym) materiałów z wyraźnie zaznaczonymi granicami rozdziału między tymi komponentami (fazami) 3. Komponenty kompozytu tworzą go przez udział w całej objętości 4. Kompozyt powinien mieć właściwości różne od jego komponentów (1967) Definicja (czteroczłonowa) Krocka i Broutmana

6 Podział w zależności od pochodzenia: kompozyty naturalne kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka Podział według rodzaju osnowy: kompozyty o osnowie niemetalicznej: - polimerowej, - ceramicznej, - półprzewodnikowej kompozyty o osnowie metalicznej

7 Cel: Zwiększenie zakresu stosowania ceramiki Nowoczesne materiały o osnowie ceramicznej o podwyższonym w wyniku modyfikacji wpółczynnika K IC (kruche pękanie) doskonale konkurują z metalami Zmiana właściwości elektrycznych i magnetycznych

8 RODZAJE KOMPOZYTÓW CERAMIKA- METAL Cząstkowe Infiltrowane Kompozyty z nanocząstkami metalu Cząstki metalu w osnowie ceramicznej Porowata ceramika infiltrowana ciekłym metalem Metal osadzony na proszku ceramicznym przed konsolidacją

9 Podstawowe mechanizmy wpływające na odporność na kruche pękanie materiałów kompozytowych Odchylanie się pęknięcia wskutek omijania cząstek lub płytek Mostkowanie pęknięcia przez cząstki Ekranowanie pęknięcia przez przemianę fazową cząstek ZrO 2

10 Formowanie z mas sypkich Formowanie z mas lejnych: slip casting tape castig 10

11 Ceramika porowata Kompozyt Ciekły metal

12 Metoda polega na odlewaniu masy lejnej otrzymanej z mieszaniny proszku ceramicznego i metalicznego w formie gipsowej

13 13

[mt] 1 2 3 4 Siła magnetyczna 200 150 Odległość od źródła pola magnetycznego: 12 mm 1. Rurka polietylenowa 2.

14 [mt] Siła magnetyczna Odległość od źródła pola magnetycznego: 12 mm 1. Rurka polietylenowa 2. Masa lejna 3. Forma gipsowa 4. Magnes odległość od środka magnesu [mm] 20 mm 36 mm 14

15 ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Ag-CdO elektryczne materiały stykowe, Pt- ThO2 włókna i elementy elektryczne, Al-SiC materiały na tłoki odlewnicze na tłoki i korbowody silników samochodowych, Co-ThO2 Y2O3 materiały magnetyczne odporne na pełzanie, W-ThO2 ZnO2 elementy karoserii samochodów, elementy mostów, łodzie, narty, osłony i przewody silników odrzutowych, śmigła samolotów, sztuczne kończyny, protezy, zbiorniki na odczynniki chemiczne elementy maszyn, łopatki wirników, ramiona i chwytaki robotów, i inne. Materiały konstrukcyjne Części silników Narzędzia skrawające Powłoki ochronne Części maszyn i łożyska Materiały ścierne Biomedycyna, implanty

16 Celem techniki kompozytowej jest połączenie bardziej korzystnych właściwości różnych materiałów pod kątem określonego zastosowania. Ceramika kompozytowa może zawierać takie składniki jak: metale, polimery czy też odmienną fazę ceramiczną jak np. whiskery (mikroskopijne pojedyncze kryształy w kształcie igieł). Kompozyt wzmocniony włóknami Kompozyt wzmocniony cząstkami stałymi Kompozyt infiltrowany Kompozyt warstwowy

17 Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Pierwsze nanokompozyty były opisane już w latach 50-tych XX wieku, 1976r opracowanie nanokompozytów poliamidowych W latach 90-tych Toyota rozpoczyna prace nad kompozytami polimerowymi z mineralnymi napełniaczami (warstwowe glinokrzemiany). Najbardziej znane nanonapełniacze dostępne handlowo: Naturalne krzemiany Syntetyczne krzemiany Nanostrukturalna krzemionka Nanoceramika (np.tlenek glinu, azotek krzemu, itp. ) Nanorurki 6-30 $/kg $/kg $/kg $/kg $/kg

18 Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Ograniczenia materiałowe: Aby działanie nanonapełniacza było efektywne, stosunek długości do grubości włókna powinien być większy od 20. Zawartość 5% nanonapełniacza prowadzi do wzmocnienia porównywalnego z wywołanym 12-15% włókna szklanego

19 KOMPOZYTY Z UDZIAŁEM NANONAPEŁNIACZY - rozkład przestrzenny nanocząstek w objętości kompozytu Nanocząstki 3D proszkowe aglomeraty i równomierny rozkład dobre rozdrobnienie, ale nierównomierny rozkład aglomeraty i nierównomierny rozkład dobre rozdrobnienie i dobry rozkład przestrzenny Nanocząstki 2D włókniste agregaty w postaci pęczków włókienek źle rozłożone w objętości włókienka rozproszone, dobrze rozłożone w objętości, ale ułożone jednokierunkowo

20 Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości Spiekanie otrzymanych kształtek Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanych kształtkach i polimeryzacja w porach Gotowy materiał kompozytowy

21 Przygotowanie folii ceramicznych o różnej porowatości Laminowanie otrzymanych folii Spiekanie otrzymanej kształtki Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanej kształtce i polimeryzacja w porach. Gotowy materiał kompozytowy

22 KOMPOZYTY STOMATOLOGICZNE Nowoczesne materiały stomatologiczne oparte są na kompozytach, w których fazą ciągłą jest polimer, a proszki ceramiczne są wypełniaczami. Dlatego poszukuje się stale nowych rozwiązań, które zwiększyłyby wytrzymałość na zginanie, odporność na kruche pękanie, ścieralność, a jednocześnie zmniejszyłyby skurcz polimeryzacyjny.

23 Pytania sprawdzające 1. Co to są kompozyty? 2. Jakie znasz kombinacje: osnowa - umocnienie w kompozytach.? 3. Jakie materiały stosowane są na osnowę i wzmocnienie? 4. Jakie elementy stosowane w mechatronice wykonane są z kompozytów? 5. Jakie elementy wykonane z kompozytów używane są w budowie maszyn?

24 Nanonauka Nanotechnologie Nanomateriały

25 Nanonauka to badanie zjawisk i manipulacja elementami materii na poziomie atomowym, molekularnym i makromolekularnym (zakres od jednego do stu nanometrów), gdzie właściwości materii różnią się w istotny sposób od właściwości w wiekszych skalach wymiarowych Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur, których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nm i które posiadają nowe właściwości wynikające z nanorozmiaru

26 Nanomateriałem nazywa się polikrystaliczną substancję złożoną z ziaren, których rozmiar nie przekracza 100 nm. Bardziej właściwe może okazać się podejście, w którym nanomateriały zdefiniowane są nie przez wymiary, lecz przez zmianę właściwości fizycznych. Zaobserwowano, że w nanoskali pojawiają się specyficzne zjawiska, nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych. Wymiar, przy którym występuje zmiana, bądź pojawiają się nowe właściwości jest graniczną wielkości definiującą nanomateriały. Jurczyk M., Jakubowicz J., Nanomateriały Ceramiczne, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.

27 Materiały nanokrystaliczne oczekiwane właściwości Wytrzymałość mechaniczna i twardość Dyfuzyjność Własności magnetyczne Oporność elektryczna Współczynnik rozszerzalności cieplnej Plastyczność Odporność na kruche pękanie Moduł sprężystości Przewodnictwo cieplne

28 Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie: wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4x przewodnictwo cieplne spada kilka razy mikrotwardość wzrasta dwa razy, np. n-al 2 O 3 -SiC (10%obj.) przesuwa się granica plastyczności materiału odporność na ścieranie wzrasta ok. 4 x, np. n-al 2 O 3 -TiO 2 (13%obj.)

29 NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY Wielkość ziarna ( na ogół) 1 10 nm, lecz nie większa niż 100 nm Droga i skomplikowana produkcja nanoproszków PODSTAWOWE PROBLEMY OTRZYMYWANIA NANOPROSZKÓW Eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych Trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych Minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

30 Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej B.Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

31 Spiekanie Aglomerat Pora między aglomeratami Pora między ziarnami proszku W wyniku spiekania małe pory między ziarnami zanikają, duże pory między aglomeratami rozrastają się.

Podobne dokumenty

Nowoczesne materiały konstrukcyjne : wybrane zagadnienia / Wojciech Kucharczyk, Andrzej Mazurkiewicz, Wojciech śurowski. wyd. 3. Radom, cop.

Nowoczesne materiały konstrukcyjne : wybrane zagadnienia / Wojciech Kucharczyk, Andrzej Mazurkiewicz, Wojciech śurowski. wyd. 3. Radom, cop. 2011 Spis treści Wstęp 9 1. Wysokostopowe staliwa Cr-Ni-Cu -