9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1440

produktów i ich elementów

Tablica 9.52

Procesy technologiczne wytwarzania materiałów kompozytowych o osnowie węglowej wzmacnianych
włóknami węglowymi

Proces wytwórczy

Materiał osnowy

Materiał wzmocnienia

Metoda zagęszczania

Kształtowanie ostateczne

Obrotowe trzpienie

Przestrzennie
splatane włókna
węglowe (także
oplatane)

żywice fenolowe,
smołowe i furanowe
przekształcalne
przy wygrzewaniu
w atmosferze obojętnej
do zagęszczonego węgla

węgiel (włókna, miseczki,
podłoże smołowe), włókna
węglowe wstępnie grzane
w temp. 1650÷2760°C,
aby wysuszyć włókna
nawijane na obracający
się masywny grafitowy
trzpień z promieniowo
ułożonymi włóknami;
osiowo zwinięte włókna,
opaski z włókien

impregnacja pod ciśnie-
niem w próżni z żywicą
smołową w temp. 1650°C,
zwęglanie w próżni obojętnej;
cykl powtarzany pięciokrot-
nie do uzyskania

gęstości

nie większej niż 1,9 g/cm

3

;

opcjonalna końcowa grafi-
tyzacja w temp. 2760°C;
cykle zagęszczania mogą
trwać do 1 tygodnia

skrawanie i obróbka
wykończająca
po każdym cyklu
impregnacji
i zwęglania, w celu
otwarcia pustek
przed następnym
cyklem zagęszczania

Płaskie nawijane
włókna pokrywane
w procesie CVD
(także oplatane)

proces CVD węgla
uzyskanego w wyniku
pirolizy, skierowany
na nawijane włókna
półfabrykatu; konieczny
może być więcej niż
jeden cykl zagęszczania

kształtki z nawiniętych
włókien węglowych
lub grafitowych
ze zwojami ułożonymi
śrubowo, biegunowo
lub opasującymi,
z czynnikiem łączącym
lub bez niego i żywicą
wiążącą

proces CVD węgla uzyska-
nego w wyniku pirolizy,
skierowany na nawijane
włókna półfabrykatu;
koniecznych może być do
pięciu cykli, zależnie od
nawijanego półfabrykatu,
żądanej gęstości oraz
nakładanej powierzchni i
penetracji; końcowa grafi-
tyzacja w temp. 2760°C
jest opcjonalna

skrawanie i obróbka
wykończająca po ka-
żdej impregnacji mo-
że być potrzebna w
celu otwarcia pustek

Płaskie tkane taśmy
z włókna węglowego

jak dla przestrzennych

materiał wejściowy –
tkanina węglowo-
fenolowa układana,
prasowana w próżni
i utwardzana do 18
godzin w temperaturze
165°C pod ciśnieniem
1720 kPa; nagrzewanie,
utwardzanie, chłodzenie

zwęglanie kęsa, impregnacja
w próżni z żywicą smołową
i utwardzanie; sześciokrotne
powtarzanie cyklu do uzy-
skania ciężaru właściwego
nie większego niż 1,8 g/cm

3

;

końcowa grafityzacja
w temp. 2760°C jest
opcjonalna

skrawanie i obróbka
wykończająca
po każdym cyklu
impregnacji
i zwęglania może być
potrzebna w celu
otwarcia pustek do
następnej impregnacji

Nieruchomy trzpień wewnętrzny / zewnętrzny otwarty / zamknięty

Płaski wojłokowy
półfabrykat pokrywa-
ny w procesie CVD
lub impregnowany
żywicą, albo układane
maty z tkaniny

proces CVD węgla
uzyskanego w wyniku
pirolizy, skierowany
na wojłokowy pół-
fabrykat; konieczny
może być więcej niż
jeden cykl zagęszczania

krótkie włókna
węglowe lub grafitowe
są foliowane
w półfabrykat z włókna

podobne
jak w przypadku
płaskich włókien
nawijanych
na obracający się trzpień

podobne
jak w przypadku
płaskich włókien
nawijanych
na obracający się
trzpień

Półfabrykaty
z zagęszczonych
włókien, proszku
lub kryształów
nitkowych

impregnacja w procesie
CVD lub za pomocą
żywicy, albo obie łącznie

grafit luzem
lub półfabrykat
z cząstek grafitu

wielokrotne cykle
zagęszczania żywica /
CVD

skrawanie
i kształtowanie
po każdym cyklu
zagęszczania

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1440

9.3. Zależność projektowania materiałowego

1441

i technologicznego produktów i ich elementów

Tablica 9.53

Procesy wytwarzania kompozytów ceramicznych wzmacnianych włóknami

Proces

Kompozyt (włókno-osnowa)

Uwagi

Prasowanie
na gorąco

W–szkło, Ni–szkło, Mo–dwutlenek toru,
Mo–tlenek aluminium, W–ceramika,
stal nierdzewna–tlenek aluminium,
C–szkło, C-ceramika szklana, C–MgO,
C–Al

2

O

3

, ZrO

2

–MgO, ZrO

2

–ZrO

2

,

SiC–szkło, SiC–ceramika szklana,
Al

2

O

3

–szkło, C–Si

3

N

4

, Ta–Si

3

N

4

włókna i proszek osnowy są razem mieszane i prasowane na gorąco
dla utworzenia kompozytów o niskiej porowatości, z niepopękaną
osnową, jeżeli dobrano odpowiednio współczynniki rozszerzalności
cieplnej; kompozyty z ułożonymi liniowo ciągłymi włóknami mogą
mieć bardzo wysoką wytrzymałość

Prasowanie
na zimno
i spiekanie

C–szkło,
włókno metalowe–ceramika

włókna i osnowa są mieszane, prasowane na zimno i spiekane;
uzyskuje się niezadowalające rezultaty ze względu na znaczny skurcz
osnowy w czasie spiekania, co daje w wyniku popękane kompozyty

Odszklenie
(dewitryfikacja)

C-ceramika szklana, SiC-ceramika
szklana

włókna i proszek szklany są prasowane na gorąco w dość niskiej
temperaturze dla uzyskania szkła zbrojonego; dalsza obróbka cieplna
w wysokiej temperaturze stosowana jest do rekrystalizacji szkła do
postaci ceramiki szklanej; kombinacja C–szkło daje niezadowalająco
niską wytrzymałość, być może z powodu zmiany objętości w czasie
odszklania; dostępne dane dla kombinacji SiC-ceramika szklana
mówią o jej dobrych własnościach

Spajanie

zbrojony Si

3

N

4

włókna są wprowadzane do napylanego ogniowo krzemu, który
następnie jest spajany w wyniku reakcji w atmosferze azotu

Odlewanie
gęstwy

włókno szklane–stopiona krzemionka

włókna ceramiczne są wprowadzane do gęstwy bardzo drobnej krzemion-
ki, po czym prowadzone jest wypalanie; podwyższona porowatość
spowodowana obecnością włókien powoduje zazwyczaj pogorszenie własności

Napylanie
plazmowe

Mo-Al

2

O

3

, W-Al

2

O

3

proszek tlenku aluminium jest napylany plazmowo; inne prace,
w których korzystano z napylania plazmowego, prowadzono
we Francji i w Japonii; jak się uważa, proces ten przebiega wolno

Chemiczne
nasączanie opa-
rami i osadzanie

włókna SiC w SiC,
włókna C w SiC

uszkodzeniom włókien można zapobiec przez brak przemieszczeń
mechanicznych i względnie niską temperaturę tego procesu

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1441

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1442

produktów i ich elementów

Ludzie od niepamiętnych czasów starali się zapisać informacje utrwalające wrażenia z otaczającego świata.
W okresie górnego paleolitu, w czasie kultur szatelperońskiej, oryniackiej i graweckiej z lat 35000

÷

18000 p.n.e.,

pojawiły się pierwsze nacięcia oraz wyobrażenia zwierząt i ludzi na kościach i kamieniach, a także pierwsze
figurki. W okresie solutrejskim z lat 18000

÷

15000 p.n.e. oraz magdaleńskim z lat 15000

÷

8000 p.n.e. zaczęły się

pojawiać reliefy, ryty i malarstwo na ścianach jaskiń, np. Lascaux (we Francji) ok. 12000

÷

15000 r. p.n.e. (1),

Altamira (w Hiszpanii) (2), Rouffignac (we Francji) (3) oraz w Niaux (we Francji) (4). W starożytnym Egipcie
w grobowcach także pojawiało się malarstwo naścienne, np. reprezentujące kulturę Naqady z ok. 3300 r. p.n.e.
(6). W epoce neolitu pojawiają się znaki symboliczne, jak w Almaden (w Hiszpanii) (5) , z czasem przekształcające
się w pismo hieroglificzne, np. na tzw. Skale z Palermo z ok. 2470 r. p.n.e. (7) lub w Saqqarze z ok. 2330 r. p.n.e.
(8). Pismo jest systemem znaków służących do utrwalenia lub zastąpienia języka mówionego przez zapis.
Najwcześniejsze formy, to pismo piktograficzne i pismo ideograficzne. Około 3000 roku p.n.e. w Egipcie zaczęto
używać papirusu do pisania. Zastąpił on ciężkie i nieporęczne tablice gliniane. Postrzępione papirusowe „pióra”
służyły natomiast jako pędzle do pisania. Wśród zabytków pisma na papirusie można wymienić plan grobowca
Ramzesa IV z 1150 r. p.n.e. (9) lub papirus Hunefera z 1285 r. p.n.e. (10). Papirus jest materiałem pisarskim
wytwarzanym z włókien rośliny - cibory papirusowej, rosnącej w delcie Nilu. Łodygi krzewu wysokiego na 4 m
są cięte na kawałki o długości ok. 40 cm. Z rozciętych kawałków wyjmuje się rdzeń i układa dwuwarstwowo na
krzyż jeden obok drugiego, następnie zbija się pobijakiem aż sok sklei rdzenie w jednorodną kartkę i następnie
suszy. Około 2630 roku p.n.e. niezależnie od siebie w Chinach i Egipcie zaczęto używać tuszu, który nie rozpuszcza
się na papirusie. W celu jego wyprodukowania spalało się olej sezamowy, a sadzę mieszało się z wodą lub
roztworem kleju, do którego Chińczycy dodawali piżmo dla usunięcia nieprzyjemnego zapachu, a do pisania na
kamieniu lub drewnie dodawali moczu żółwia. Chińczyk Tient-tschen z węgla drzew iglastych lub spalonego laku
uzyskał tusz w postaci laseczek nierozpuszczalnych w wodzie. Około 3000 roku p.n.e. Sumerowie znali pisane
cyfry, a przy liczeniu posługiwali się systemem dziesiętnym. Pismo klinowe było systemem pisma ideograficzno
-sylabicznego, używanym w starożytnej Mezopotamii od ok. IV tysiąclecia p.n.e. przez Sumerów, Akadów,
Hetyców i Elamitów, np. na reliefie z podobizną namiestnika Ituraszduma z Sippa z ok. 1750 roku p.n.e. (11).
Około 1700 roku p.n.e. Hammurabi, król Babilonii, pisał w kodeksie praw o hutnictwie „Należy wziąć 7200
kawałków drewna o objętości od 1/3 do 1 litra i długości od jednego do dwóch metrów i użyć je do wytopu
metali. Nie należy brać suchego drewna, tylko świeżo ścięte”. Tabliczki z drewna lub kości słoniowej,
z zapisanymi na nich długimi tekstami, sumeryjscy rzemieślnicy od ok. 2420 roku p.n.e. zaczęli łączyć ze sobą,
wynajdując zawiasy. Na przełomie XXI/XX wieku p.n.e. w Czoga-Sanbil, ok. 25 km od miasta Susa
we współczesnym Iranie, ówcześni budowniczowie sumeryjscy wybudowali zigurat czyli świątynię w kształcie
wieży z wynalezionej wówczas wypalanej cegły, na której znaleziono również inskrypcje elamickiego pisma
klinowego (12).

1442

1

2

3

4

5

6

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1442

9.1. Rola projektowania materiałowego w projektowaniu

1443

inżynierskim produktów i procesów ich wytwarzania

1443

Około 1850 roku p.n.e. w Asyrii pojawił się alfabet literowy, oparty na dawnym alfabecie sylabicznym sprzed
kilkuset lat, wywodzącym się od sumeryjskiego pisma klinowego, powstałego ok. 4000 roku p.n.e. W tym
samym czasie rozwija się alfabet egipski, którego korzenie sięgają hieroglifów pochodzących z IV tysiąclecia
p.n.e. Na terenie Syrii - Palestyny w II tysiącleciu p.n.e. powstało semickie pismo spółgłoskowe z 3 gałęziami
pisma północnosemickiego, tj. fenickim, palestyńskim i aramejskim, oraz pismem południowosemickim,
zwłaszcza południowoarabskim. Odmianą pisma aramejskiego jest pismo hebrajskie alfabetyczne spółgłoskowe
z 22 znakami, którym posługują się Żydzi od IV w. p.n.e., a także arabskie pismo alfabetyczne, powstałe także ok.
IV w. p.n.e. z naoatejskiej odmiany pisma aramejskiego. Manuskrypt Koranu pochodzi z północnej Afryki z XII
wieku

(13),

a miniatura z inskrypcją z Nasitu w Iraku z 1280 r. (14). Ze 196 roku p.n.e. z Rosetty pochodzi płyta z epoki
Ptolemeusza z czarnego bazaltu (15), na której umieszczony jest tekst w jezyku egipskim, zapisany hieroglifami
i demotycznie oraz w języku greckim, dzięki któremu Francuz Jean-Francois Champollion (1790-1832) odkrył
tajemnicę hieroglifów. Greckie pismo spółgłoskowo-samogłoskowe alfabetyczne pochodzi od fenickiego i jest
używane przez Greków od IX w. p.n.e. Od niego z kolei pochodzi pismo łacińskie i cyrylica. Wcześniej, m.in.
w Fajstos, używano pisma piktograficznego, jak na dysku z Fajstos z 1650

÷

1600 r. p.n.e. wykonanym z gliny

(16), którego nigdy dotychczas nie odczytano. Pismo piktograficzne (obrazkowe) jest najbardziej pierwotną
formą pisma, która była rozpowszechniona także wśród Indian, Eskimosów i niektórych ludów syberyjskich.
Pismo łacińskie alfabetyczne pochodzenia greckiego używane było przez Latynów od ok. VII wieku p.n.e., składało
się z 21 liter z czasem uzupełnionych o kilka następnych. Współcześnie jest używane w Europie, obu Amerykach,
Australii oraz niektórych krajach Afryki i Azji. Natomiast cyrylica, to alfabetyczne pismo słowiańskie utworzone
w IX-X wieku przez jednego z uczniów św. Cyryla i św. Metodego oparte na majuskule greckiej z IX wieku.
Posługują się nim Bułgarzy i inni Słowianie południowi, a także Rosjanie, a w okresie XVI-XIX w. używali go także
Rumuni. Chińskie pismo jest ideograficzno-fonetycznym, a jego początek datuje się od III tysiąclecia p.n.e. Na
obrazie Ni Tsana z 1372 roku znajduje się również opis słowny (17). Z pisma chińskiego wywodzi się japońskie
pismo ideograficzno-sylabiczne, obecnie 3 systemy hiragana, katana oraz kanji, co umożliwiło ograniczenie liczby
znaków do 2-7 tysięcy. Alfabetyczne pismo koreańskie opublikowane w 1446 roku początkowo zawierało 28
znaków, a obecnie ma ich 40. Chińczyka Cai Luna - ministra cesarza z dynastii Han, który ok. 105 r. n.e.
uformował papier z wodnej zawiesiny włókien roślinnych, zaczerpniętej na osadzone w ramce sito z tkaniny,
uważa się za wynalazcę papieru. Papier jest wytwarzany z masy papierniczej w wyniku wykorzystania
naturalnej zdolności włókien roślinnych do wiązania się ze sobą. Manuskrypty i zapisane zwoje gromadzono dla
pozyskiwania informacji. W III wieku p.n.e. w Aleksandrii w Egipcie założono bibliotekę greckich manuskryptów.
Z czasem zaczęto ręcznie tworzyć księgi. Uważa się, że najpiękniejszą księgą świata jest wspaniale iluminowany
Ewangeliarz z Kells (18) (19), nazwany tak od klasztoru, w którym powstał, znajdujący się w bibliotece
najstarszego Uniwersytetu w Irlandii, w Trinity College w Dublinie. Do najwspanialszych ksiąg w Polsce należą
„Kroniki” Galla Anonima z 1113 roku, „Kronika polska” Wincentego Kadłubka (zm. 1223), „Kronika wielkopolska”
Gocława Baszko (zm. 1298), „Annales” (1455-1480) Jana Długosza. Johannes Gutenberg (1399-1468),
właściwie Gensfleisch zum Gutenberg, niemiecki złotnik lub mincerz, jest uznawany za wynalazcę drukowania za
pomocą ruchomych czcionek, prasy drukarskiej i aparatu do odlewania czcionek. Wraz z J. Fustem i uczniami
w roku 1455 (lub 1456) wydał Biblię zwaną 42-wierszową. Począwszy od tego czasu tworzenie ksiąg nie
wymagało już iście benedyktyńskiej pracy i mogły być wydawane w wielu egzemplarzach. Sprzyjało to również
twórczości naukowej, a nie tylko działalności literackiej, a taka właśnie forma zapisu informacji stała się
najpowszechniejszą, nie tracąc na znaczeniu do dziś, pomimo znacznego rozwoju technik poligraficznych

9

7

8

10

11

12

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1443

9. Podstawy metodologii projektowania materiałowego

1444

produktów i ich elementów

Z czasem kolejne wynalazki techniczne i nowe materiały umożliwiły zapis informacji przy użyciu płyt
gramofonowych, magnetofonów, magnetowidów, a nade wszystko elektronicznych nośników informacji
dyskietek, dysków twardych, oraz dysków CD i DVD. W roku 1928 niemiecki fizyk Fritz Pfleumer opatentował
taśmę magnetofonową, chociaż pomysł, aby zjawiska magnetyczne wykorzystać do zapisu dźwięku, lecz
z użyciem przesuwającego się drutu, miał już wcześniej Duńczyk Valdemar Poulsen. W roku 1950 pojawiły się
pierwsze pamięci na rdzeniach ferrytowych dla elektronicznego przetwarzania danych, a także pamięć na taśmie
magnetycznej, jako pamięć peryferyjna dla elektronicznych maszyn cyfrowych. W roku 1951 Charles Ginsburg
skonstruował odtwarzacz video, chociaż na rynku urządzenia takie ukazały się dopiero 5 lat później. Płyty
stereofoniczne po raz pierwszy pojawiły się na rynku w roku 1958. W roku 1970 w Wielkiej Brytanii i Niemczech
zostały skonstruowane pierwsze płyty video wraz z odpowiednim systemem ich odtwarzania. Około 1981 roku
na rynku pojawiły się pierwsze odtwarzacze płyt cyfrowych CD podobnie jak i same płyty CD. Około 1983 roku
upowszechniły się w dużym stopniu dyskietki jako pamięci dyskowe komputerów osobistych o średnicy 3,5; 5,25
lub 8 cali. Kolejne lata przyniosły dynamiczny rozwój pamięci dyskowych, a wykorzystanie techniki laserowej
umożliwiło rozpowszechnienie dysków CD, a z czasem DVD.
Należy podkreślić, że obecnie zapis informacji z jednej strony ma umożliwiać zabezpieczenie ogromnej liczby
informacji, czemu przede wszystkim służy technika komputerowa oraz Internet, co sprawia wraz z telewizją
i poniekąd ciągle z radiem i rozwiniętymi technikami telekomunikacji, zwłaszcza telefonii komórkowej
i satelitarnej, że świat stał się „globalną wioską”. Z drugiej strony należy jednak mieć na uwadze odbiorcę tych
informacji, np. studenta, który musi bronić się przed informacjami zbędnymi lub nadmiarowymi, a przy tym
najefektywniej przyswajać sobie założone treści dydaktyczne. Półkule mózgowe człowieka są ukształtowane tak,
że lewa odpowiada za sferę myślenia abstrakcyjnego i gromadzi m.in. informacje odebrane w formie
przeczytanego tekstu, natomiast prawa półkula, odpowiedzialna za myślenie kreatywne i emocje, chętniej
rejestruje obrazy. Proces przypominania sobie wiadomości oraz samodzielnego działania w przyszłości, wymaga
zatem, aby bezwzględnie przy rejestrowaniu informacji przez człowieka angażować obydwie półkule mózgowe,
a zatem konieczne jest zarówno zapoznawanie się z tekstem jak i wizualizacja wiedzy. Tym założeniom między
innymi ma sprostać niniejsza książka.

1444

c.d.

15

18

14

19

13

17

16

9 roz 9-11-02 13:47 Page 1444