notatki materiały, PW MEiL, Materiały 1


Tworzywa ceramiczne

Materiały ceramiczne są to złożone związki o wiązaniach jonowych lub atomowych (kowalencyjnych), cechują się dużą trwałością chemiczną i termiczną. Mogą zawierać pierwiastki zarówno metaliczne, jak i niemetaliczne. Mają stabilne własności mechaniczne w funkcji temperatury (mimo wysokich T nie tracą na wytrzymałości- w przeciwieństwie do metali). Często wykorzystywane pierwiastki: tlen, krzem, glin, frans, wapń, sód, potas, magnez.

Wiązania w ceramice

Przyczyną wysokiej wytrzymałości ceramiki są właśnie wiązania i ich kierunkowość: tworzenie i przemieszczanie dyslokacji jest trudne (ładunki związane z wiązaniami blokują drogę poruszania się dyslokacji).

Zastosowania inżynierskie: głównie wszelkiego rodzaju tlenki, azotki, borki, węgliki.

Budowa tworzyw ceramicznych (zależy od procesu wytwarzania):

Ceramika jest produkowana na gotowy wyrób: głównie ze względu na wysoką twardość (i jednocześnie kruchość), ale również wysokie temperatury rozpuszczania oraz właściwości mechaniczne jej obróbka jest trudna bądź niemożliwa.

Procesy wytwarzania ceramiki:

1) Konsolidacje proszku (prasowanie)

2) Wytwarzanie trwałego połączenia (spiekanie)

Elementy mikrostruktury tworzyw ceramicznych

Prasowanie może się odbywać na zimno lub gorąco, im większa jest siła prasowania, tym lepsze dopasowanie (mniejsze pory); dla uzyskania pożądanego efektu można prasować w różne strony oraz równocześnie stosować spiekanie.

Mechanizm spiekania: atomy opuszczają granice ziaren cząstek proszków, dyfundują do porów (aktywacja dyfuzji) zmniejszenie ich liczby poprzez wypełnienie otrzymujemy materiał ceramiczny charakteryzujący się wysoką twardością. Proces spiekania może zmniejszać wielkość mikropęknięć struktury ceramiki, ale nie zamyka ich w całości.

Właściwości ceramiki

+

-

dobra izolacja cieplna; wysoka temperatura topnienia oraz żarowytrzymałość (pozwala na pracę w trudnych warunkach, jak np. węglik hafnu o temperaturze topnienia 4150oC)

wrażliwość na udary cieplne

mała gęstość (lekkie)

trudność wytwarzania

duża twardość oraz odporność na ścieranie

mała plastyczność, ograniczone możliwości obróbki

odporność na czynniki chemiczne, środowisko zewnętrzne, utlenianie

wysokie koszty produkcji materiałów o dużym zagęszczeniu (małej liczbie porów)

zróżnicowane właściwości elektryczne i magnetyczne

mała odporność na drgania mechaniczne

wysoka odporność na ściskanie

kruchość, mała odporność na rozciąganie

Ceramika charakteryzuje się relatywnie niską odpornością na pękanie (kilkanaście-kilkadziesiąt razy niższą niż np. stal), co wynika z mechanizmu propagacji pęknięć w czasie jej rozciągania (po zainicjowaniu pęknięcia liczba, długość oraz szerokość pęknięć bardzo szybko rośnie, co prowadzi do kruchego pęknięcia materiału). Takie pękanie pochłania duże ilości energii (może to zostać wykorzystane przez człowieka).

Zastosowanie:

Zastosowanie w energetyce mają przede wszystkim związki krzemu: elementy turbin gazowych, pierścienie uszczelniające i wirniki: Si3N4; komora spalania, rury palnikowe, wyłożenie elementów odpornych na ciepło: SiC. Ze względu na odporność na ciepło oraz promieniowanie ceramika jest używana również w energetyce jądrowej.

Lotnictwo: elementy silników (pokrycia tłoków, powłoki z ceramiki monolitycznej czy kompozytów ceramicznych), osłony (np. w promach kosmicznych- ze względu na odporność na promieniowanie oraz wysoką temperaturę), panele konstrukcyjne.

Bioceramika: właściwości chemiczne sprawiają, iż ceramika wykazuje wysoką zgodność z tkankami (szerokie zastosowania w medycynie: np. implanty z hydroksapatytu, ceramiki podobnej do kości).

Filtry i membrany: porowatość i odporność chemiczna pozwala na tworzenie nanofiltrów (osmoza)

Ceramika piezoelektryczna: sensory (zamiana drgań mechanicznych na elektryczne lub odwrotnie)

Ceramika magnetyczna: cechy magnetyczne otrzymywane w połączeniu z metalami.

Ceramika optyczna: przeźroczystość, odporność na T, sprężystość- np. światłowody, lampy próżniowe.

Tworzywa sztuczne

Polimery- materiały otrzymywane w wyniku reakcji z produktów przeróbki węgla, ropy naftowej i gazu ziemnego. Są to substancje złożone z makrocząsteczek charakteryzujących się określonym rozmieszczeniem powtarzających się ugrupowanych atomów zwanych merami (cząstki składowe „łańcuchów” polimerowych). Różnorodne własności polimerów oraz niskie koszty ich wytwarzania dają duże możliwości ich zastosowania, szczególnie po dodaniu plastyfikatorów, stabilizatorów, antyutleniaczy i barwników pozwalających na uzyskanie pożądanych cech.

Wiązania w polimerach to najczęściej wiązania atomowe, podstawowe pierwiastki je budujące: H, C, O, Si, Cl, F, N.

Polimery naturalne: kauczuk, guma, ebonit, celuloza.

Rodzaje makrocząsteczek:

Odgałęzienia cząsteczek: cis- gdy podstawniki znajdują się po tej samej stronie łańcucha; trans- gdy podstawniki znajdują się po różnych stronach.

Struktura polimerów:

  1. krystaliczna (regularna, dopasowanie łańcuchów, brak pojedynczych komórek)

  2. bezpostaciowa (bezład)

  3. częściowo bezpostaciowa (połączenie powyższych)

Modele struktury krystalicznej

Zdolność do krystalizacji zależy od chemicznej i geometrycznej budowy makrocząsteczki oraz od wielkości sił międzycząsteczkowych. Rozgałęzienie łańcuchów zmniejsza tendencję do krystalizacji, im prostsza budowa, tym łatwiej o krystalizację.

właściwość

polimer krystaliczny

polimer amorficzny

gęstość

wyższa

niższa

właściwości mechaniczne

duża wytrzymałość na rozciąganie, duża twardość, małe wydłużenie

mniejsza wytrzymałość na rozciąganie, mniejsza twardość, duże wydłużenie

właściwości cieplne

wyższa odporność temperaturowa

niższa odporność temperaturowa

rozpuszczalność

utrudniona

dobra

właściwości optyczne

nieprzezroczysty

przezroczysty

skurcz

duży

nieznaczny

Reakcje prowadzące do wytworzenia polimerów (łączenie wielu atomów):

Polimeryzacja- polireakcja łańcuchowa bez wydzielania substancji ubocznych i bez przegrupowywania atomów, w ten sposób otrzymuje się np. PCV czy polistyren

Polikondensacja- stopniowa kondensacja monomerów, zachodzi z wydzieleniem produktów ubocznych (H20, amoniak), w ten sposób otrzymuje się np. poliamidy czy żywice fenolowe.

Poliaddycja- zachodzi stopniowo, bez wydzielania produktów ubocznych, przemieszczenie atomów w monomerze, w ten sposób otrzymuje się np. żywice epoksydowe.

Podatność polimerów na temperaturę: polimery charakteryzują się niewielką odpornością na temperaturę, wyróżnia się trzy charakterystyczne temperatury: temperaturę kruchości, zeszklenia oraz płynięcia. W niskich temperaturach polimery są substancjami twardymi, po podwyższeniu temperatury polimer wchodzi w zakres sprężysty (nie pojawiają się mikropęknięcia, a rozciągają się łańcuchy- spada kruchość), a przy dalszym podgrzewaniu- rozpuszcza się i rozrywa.

Giętkość cząsteczek wpływa na właściwości polimerów: polimery łańcuchowe chętnie się odkształcają, zaś polimery rozgałęzione i usieciowane są dużo sztywniejsze, przez co pękają.

Podział polimerów:

Reakcja polimerów na środowisko

Polimery przewodzące prąd: uzyskiwane poprzez domieszkowanie dodające bądź zabierające elektrony, np. polipriol (wykorzystywane do wytwarzania farb przewodzących, ekrany świetlnych, układów scalonych)

Techniczne znaczenie polimerów:

Kompozyty

Kompozyty- materiały będące fuzją innych materiałów, których dobór ma zaspokajać nasze potrzeby. Kompozyt to połączenie minimum dwóch różnych materiałów (faz), z których jeden jest wiążący (osnowa- jest go więcej, decyduje o pierwszym członie nazwy materiału). Inne fazy wprowadzane są jako ziarna, włókna, warstwy (laminaty- kompozyty warstwowe)- ma to pozwolić na otrzymanie różnych, pożądanych cech wynikających z doboru materiałów składowych. Dobór komponentów zależy od oczekiwanych przez nas cech materiału wyjściowego. Kompozyty są materiałami zewnętrznie monolitycznymi (jednolitymi), jednak wewnętrznie- widoczne są granice między komponentami.

Kompozyty naturalne- np. drewno, kość (białko + apatyt), muszle (kryształy mineralne, np. aragonit oraz strefy organiczne zapewniają dobrą wytrzymałość na nacisk- propagacja siły po warstwach wytrzymałych).

Kompozyty sztuczne- np. glina ze słomą (cegły), żelbeton (stalowe pręty w osnowie betonu).

Podstawowe kryteria brane pod uwagę przy wyborze materiałów:

Celem wytwarzania kompozytów jest uzyskanie odpowiednich cech materiału, np. zwiększenie jego twardości, plastyczności czy umożliwienie przewodnictwa. Różnorodność oraz mnogość połączeń daje niemal nieograniczone możliwości uzyskania kombinacji o pożądanych właściwościach, dzięki czemu kompozyty są obecne w niemal każdej dziedzinie życia.

Kompozyty metal-ceramika:

Metal (np. Ni, Mg, stale, stopy miedzi czy aluminium) zbrojony ceramiką (np. Al2O3, SiO2, SiC) o niskiej gęstości: pozwala na uzyskanie materiału twardszego (blokowanie ruchu dyslokacji + twardość własna ceramiki), lżejszego, sztywniejszego i wytrzymalszego. Stosowane np. przy wytwarzaniu lekkich części pojazdów (samolotów, promów kosmicznych, samochodów). Wadą takich kompozytów jest trudność ich wytwarzania z racji właściwości chemicznych i fizycznych komponentów.

Wytwarzanie:

metalurgia proszków

składanie warstw i ich spiekanie

Metalurgia proszków: polega na prasowaniu i spiekaniu proszków, jest to metoda bardzo opłacalna ekonomicznie (brak odpadów będących pozostałościami procesu wytwarzania).

Sproszkowany węglik wolframu (WC) + sproszkowany kobalt (Co) dokładne wymieszanie prasowanie spiekanie uzyskany materiał jest twardszy i bardziej plastyczny niż sam węglik wolframu, dzięki czemu otrzymany materiał można wykorzystać np. do wytwarzania narzędzi skrawających.

Kompozyty ceramika-metal (cermetale):

Kompozyty o budowie ziarnistej, do ich tworzenia wykorzystuje się węgliki spiekane. Tak otrzymane kompozyty są wytrzymałe na naprężenia, można z nich wytwarzać styki przewodzące, powierzchnie ścierne, powłoki ochronne, elementy konstrukcyjne czy skrawające. Kryterium doboru komponentów: T pracy (musi być wystarczająco duża, ograniczeniem są tu metale), odporność na korozję, zwilżalność (konieczna do wytworzenia kompozytu), inne właściwości zależne od naszych potrzeb (np. właściwości magnetyczne).

Mechanizm wzrostu odporności cermetali: dodanie faz metalicznych odchyla drogę pękania ceramiki, przez co trzeba więcej energii do jej rozkruszenia- hamuje to propagację pęknięć, zwiększając odporność materiału. Metal może również poprawić plastyczność materiału, dzięki czemu zamiast pękać będzie się on odkształcał- to również pochłania energię (mostkowanie, wyciąganie włókien). W efekcie cermetale mogą być kilka razy bardziej odporne na pękanie niż zwykła ceramika.

Wytwarzanie:

Infiltracja: metoda wytwarzania kompozytów polegająca na wprowadzeniu do ceramiki porowatej ciekłego metalu. Gdy metal zastyga, powstaje kompozyt.

Kompozyty o osnowie polimerowej:

Są to kompozyty, które nie mogą pracować w wysokich temperaturach, ale dodanie innych materiałów (np. w formie włókien) pozwala nam na podniesienie twardości w stosunku do czystego polimeru przy zachowaniu lekkości materiału. Najchętniej wybierane polimery to żywice epoksydowe i poliestrowe- decyduje o tym łatwość ich rozprowadzania, twardość po zastygnięciu i mały skurcz pozwalają na uzyskanie dobrych parametrów materiałów wyjściowych (takie kompozyty wykorzystuje się np. do wytwarzania materiałów klejonych- elementów lotni czy łódek).

Włókna:

Zakres pracy dla włókien:

Kompozyty warstwowe (laminaty): kompozyty złożone z osnowy polimerowej i kilku lub kilkunastu warstw maty lub tkaniny (różnica między matą a tkaniną: wytrzymałość, sploty).

Inne kompozyty: kompozyt C-C: węgiel w osnowie węgla, połączenie dwóch lub więcej odmian alotropowych, charakteryzuje się on dużą wytrzymałością. Zastosowanie: tarcze hamulcowe, turbiny gazowe, implanty biomedyczne, osłony przed promieniowaniem radioaktywnym.

Nanomateriały

Nowoczesne materiały- materiały inne niż tradycyjne, oparte o nowe metody wytwarzania. Podobnie jak ceramika, wytwarzane są one „na gotowe”- ich późniejsza obróbka jest niemożliwa, ze względu na to, iż istotną rolę pełni ich budowa już na poziomie ułożenia pojedynczych cząstek (budowane są atom po atomie, mikro- i nanofabrykacja, istotna jest precyzja oraz sterylne warunki wytwarzania). Materiały takie są często inspirowane światem natury, człowiek naśladuje jej osiągnięcia otrzymując produkt o odpowiednich cechach.

Przykład: wytwarzanie włosków i wypustek w skali nano poprzez wykonanie wzorca i wypełnienie go substancją o pożądanych cechach (np. polimerem).

Materiały oparte na sile adhezji: materiały umożliwiające przyczepianie się do powierzchni płaskich ze względu na znajdujące się na ich powierzchni wypustki (analogiczne do tych znajdujących się na łapkach gekona), wykorzystują oddziaływania van der Walsa.

Powłoki hydrofobowe (zainspirowane liśćmi niektórych roślin)- zakończone wypustkami/ włoskami, przez co substancja spadająca na powierzchnię samoczyszczącą stacza się po niej, zbierając inne zanieczyszczenia.

Okrzemki: inspiracja dla nanotransporterów służących do precyzyjnego podawania leków w organizmie ludzkim, jak również nanofiltrów i membran.

Zużycie materiałów

Rodzaje zużycia materiałów (obniżenia właściwości wytrzymałościowych):

Zniszczenie materiału:

Zużycie tribologiczne- jest rodzajem zużycia spowodowanego procesami tarcia, w którym następuje zmiana masy oraz struktury oraz fizycznych właściwości warstwy wierzchnich obszarów styku. Intensywność zużycia zależy od odporności warstw wierzchnich oraz rodzaju oddziaływania.

Stany zużycia tribologicznego:

Warstwa wierzchnia: jej budowa zależy od warunków technologicznych w jakich została wytworzona (obróbka cieplna, mechaniczna, cieplno- chemiczna)

Typowe warstwy:

Tarcie- zjawisko występowania siły hamującej ruch względny dwóch ciał stykających się wzdłuż pewnej powierzchni. Siła tarcia jest styczna do powierzchni styku, występuje, gdy ciała poruszają się względem siebie bądź wykazują skłonność do ruchu.

Podział tarcia ze względu na rodzaj styku:

Podział tarcia ze względu na sposób poruszania:

Podział tarcia ze względu na rodzaj oddziaływania między powierzchniami:

Tarcie statyczne: ciała nie poruszają się względem siebie.

Tarcie kinetyczne: ciała poruszają się względem siebie.

Rodzaje zużycia tribologicznego:

Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużycia erozyjnego:

Zmęczenie powierzchniowe:

Zapobieganie:

Fretting- zużycie powstające na skutek ruchu cyklicznego z małą amplitudą ruchu, na skutek którego powstaje ścierniwo, które trudno usunąć.

Smarowanie- wprowadzanie substancji o małej wytrzymałości na naprężenia styczne, tak by wypukłości materiałów nie stykały się. Zastępuje suche tarcie zewnętrzne tarciem wewnętrznym środka o małej lepkości.

Funkcje smarów:

Pełzanie- proces odkształcenia plastycznego w wysokiej temperaturze pod wpływem prawie stałego naprężenia długo działającego na materiał

Korozja- zjawisko zniszczenia materiału w wyniku reakcji z otaczającym środowiskiem, którego skutkiem jest obniżenie własności mechanicznych urządzeń. Wyróżniamy dwa rodzaje korozji: chemiczną i elektrochemiczną.

Korozja elektrochemiczna- powierzchnie metalu można potraktować jako zbiór elektrod dodatnich i ujemnych krótko zwartych przez metal. Między nimi występuje różnica potencjałów. Gdy na metal działa elektrolit powstaje lokalny przepływ prądu, czemu towarzyszą reakcje chemiczne redukcji i utleniania prowadzące do niszczenia materiału.

Korozja chemiczna- przebiega w środowisku gazowym, polega na niszczeniu materiału w wyniku reakcji chemicznej bez udziału elektrolitu

Zniszczenie korozyjne dzielimy na:

Ochrona przed korozją:

Pękanie materiału (częściowa lub całkowita utrata spójności):

Pęknięcia mogą mieć charakter międzykrystaliczny lub transkrystaliczny, proces ten prowadzi do zniszczenia materiału.



Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
notatki-badyda, PW MEiL, Ochrona środowiska
zadania - stężenia, Notatki i materiały dodatkowe, Chemia, materiały od Romka
anatomia ćwiczenia 3- Gr IX i X, Inne (Notatki materialy itp)
Ciepło właściwe (test, Ściągi, notatki, materiały szkolne
ROLA DORADCY ZAWODOWEGO W SZKOLE, STUDIA (dużo materiału z psychologii, pedagogiki), DORADZTWO ZAWOD
Jadro atomu, Notatki i materiały dodatkowe, Chemia, materiały dodatkowe
Spawanie-gazowe, Notatki, materiałoznawstwo, pomocne pliki do sprawozdania ze spawania
03.10.20011, Notatki i materiały dodatkowe, Chemia, Wykłady
Orientacja zawodowa, STUDIA (dużo materiału z psychologii, pedagogiki), DORADZTWO ZAWODOWE, Notatki,
FIZYKOTERAPIA ZAGADNIENIA OGÓLNE, Inne (Notatki materialy itp)
12.10.2001, Notatki i materiały dodatkowe, Biologia, Wykłady
Zasada rozbudowy powłok elektronowych, Notatki i materiały dodatkowe, Chemia, materiały dodatkowe
aminokwasy ściaga, wychowanie fizyczne (notatki i materiały), biochemia
Pino- i fagocytoza, Notatki i materiały dodatkowe, Biologia, Materiały dodatkowe
Notatki z materiaw, Budownictwo, IV semestr, Mechanika Gruntów, MGF Mechanika gruntó i fundamentowan
Etapy poradnistwa zawodowego, STUDIA (dużo materiału z psychologii, pedagogiki), DORADZTWO ZAWODOWE,
05.10.2011, Notatki i materiały dodatkowe, Biologia, Wykłady

więcej podobnych podstron