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
Jonowe- powstają na skutek przyciągania się przeciwnych ładunków. Powstała cząsteczka jest elektrycznie obojętna, stanowi jeden dipol umożliwiający tworzenie kryształów. odpowiedzialne za dużą wytrzymałość i wysoką temperaturę topnienia
Kowalencyjne- bardzo silne wiązania, są odpowiedzialne za dużą wytrzymałość mechaniczną
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):
krystaliczna: analogiczna do budowy metali (uporządkowanie dalekiego zasięgu)
amorficzna: brak uporządkowania dalekiego zasięgu, nierównomierne rozłożenie atomów, może być uporządkowanie bliskiego zasięgu
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
pory (wytwarzane podczas prasowania luki w strukturze wynikające z braku dopasowania cząstek; minimalizowane przy spiekaniu)
mikropęknięcia
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:
materiały budowlane
ceramika sanitarna
ceramika szlachetna
materiały ogniotrwałe
materiały ścierne
elektronika i optoelektronika
narzędzia skrawające
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:
liniowe (pojedyncze łańcuchy)
rozgałęzione (łańcuchy z odnogami)
usieciowane (w pełni połączone, sztywne)
Odgałęzienia cząsteczek: cis- gdy podstawniki znajdują się po tej samej stronie łańcucha; trans- gdy podstawniki znajdują się po różnych stronach.
Struktura polimerów:
krystaliczna (regularna, dopasowanie łańcuchów, brak pojedynczych komórek)
bezpostaciowa (bezład)
częściowo bezpostaciowa (połączenie powyższych)
Modele struktury krystalicznej
micelarno- frędzelkowy
sfałdowanych łańcuchów
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
polikondensacja
poliaddycja
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:
Tworzywa sztuczne- materiały polimerowe, które w szerokim zakresie temperatur, w tym temp. pokojowej zachowują się jak materiały sprężyste lub lekko- sprężyste (twarde i kruche)
Elastomery- materiały polimerowe, które w szerokim zakresie temp., w tym w temp. pokojowej zachowują się jak materiały wysokoelastyczne, tzn. przy niewielkich naprężeniach łatwo ulegają dużym (nawet do kilkuset %), szybkoodwracalnym odkształceniom (np. kauczuk, PCV)
Termoplasty- polimery, które miękną wraz ze wzrostem temperatury, pod wpływem ciepła mogą przechodzić ze stanu stałego w plastyczny i odwrotnie. Można je łatwo przetwarzać poprzez walcowanie czy wytłaczanie (np. polietylen, polistyren).
Duroplasty- sieciowe polimery; nie możliwe jest przemieszczanie się makrocząsteczek. Nie miękną, przechodzą nieodwracalnie ze stanu plastycznego w utwardzony (np. poliestry, żywice epoksydowe).
Reakcja polimerów na środowisko
pęcznienie- efekt pobierania wilgoci
rozpuszczanie
starzenie
korozja naprężeniowa- naprężenia wywołują rozprzestrzeniające się mikropęknięcia
Polimery przewodzące prąd: uzyskiwane poprzez domieszkowanie dodające bądź zabierające elektrony, np. polipriol (wykorzystywane do wytwarzania farb przewodzących, ekrany świetlnych, układów scalonych)
Techniczne znaczenie polimerów:
łatwość i szybkość kształtowania, niskie koszty produkcji
liczne metody formowania- wytłaczanie, prasowanie, rozdmuchiwanie, odlewanie
wytwarzane materiały w formie litej, warstwowej, pokrycia, folie
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:
temperatura pracy (zależy głównie od osnowy)
potrzebna twardość (osnowa)
morfologia faz (długość włókien, wielkość ziaren, dobór warstw- zależy od wszystkich komponentów)
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:
metalurgia proszków
zgrzewanie
natryskiwanie
infiltracja
utlenianie
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:
metaliczne: stale nierdzewne, molibden, wolfram, tytan
ceramiczne: szkło, tlenek glinu, SiC, SiO2
niemetale: węgiel, bor, krzem
tworzywa sztuczne: nylon, kevlar
Zakres pracy dla włókien:
do 100oC- wszystkie
100-400oC -szklane, węglowe, metaliczne, ceramiczne
400-700oC -węglowe, metaliczne, ceramiczne
powyżej 700oC -węglo
we, ceramiczne
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):
mechaniczne
cieplne (powodowane naprężeniami związanymi ze zmianą temperatury)
chemiczne
elektryczne
Zniszczenie materiału:
pękanie
zmęczenie
pełzanie
zużycie tribologiczne
korozja
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:
I -okres zużycia wstępnego (docieranie)
II -okres zużycia normalnego (eksploatacja)
III -okres zużycia końcowego (dotarcie)
Warstwa wierzchnia: jej budowa zależy od warunków technologicznych w jakich została wytworzona (obróbka cieplna, mechaniczna, cieplno- chemiczna)
Typowe warstwy:
tlenków -niezależne, powstałe w wyniku kontaktu z O2
zgnieciona (obecna jest tekstura)
wpływów cieplnych
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:
punktowe (kula)
liniowe (walec)
powierzchniowe (klocek)
Podział tarcia ze względu na sposób poruszania:
ślizgowe
toczne
Podział tarcia ze względu na rodzaj oddziaływania między powierzchniami:
suche (same mikronie równości)
płynne
graniczne (smary stałe, warstwy tlenkowe, zanieczyszczenia)
mieszane
Tarcie statyczne: ciała nie poruszają się względem siebie.
Tarcie kinetyczne: ciała poruszają się względem siebie.
Rodzaje zużycia tribologicznego:
ścierne- w obszarach tarcia współpracujących elementów występują utwierdzone lub luźne cząstki ścierania lub nierówności
adhezyjne- polega na lokalnym zaczepieniu powierzchni trących w mikroobszarach zwłaszcza w najwyższych wierzchołkach chropowatości prowadzącym do odrywania cząstek i ich rozmazywania po powierzchni tarcia.
korozyjne
zmęczeniowe- miejscowa utrata spójności materiału i ubytek masy jest spowodowany zjawiskiem zmęczenia materiału w wyniku cyklicznego oddziaływania naprężeń w warstwach wierzchnich. Przebieg procesu: zarodkowanie zużycia rozrost pęknięć zerwanie (utrata spójności)
erozyjne- degradacja materiału na skutek oddziaływania powierzchni z:
strumieniem cząstek ciekłych w gazie lub innej cieczy
strumieniem cząstek stałych w gazie lub innej cieczy
strumieniem gazu lub cieczy
zanikającymi pęcherzami gazu (kawitacja- tworzenie się, powiększanie i zanikanie pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych zawierających parę danej cieczy)
Wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje zużycia erozyjnego:
erozja ścierna (mały kąt oddziaływania)
erozja udarowa (duży kąt)
Zmęczenie powierzchniowe:
wykruszenie- tworzenie się ubytków na skutek powstawania i rozrostu pęknięć podpowierzchniowych (np. w kołach zębatych)
łuszczenie- tworzenie rozległych, płytkich ubytków na skutek powstawania i rozrostu pęknięć powierzchniowych
zmęczenie cieplne- cykliczne działanie temperatury i towarzyszących jej naprężeń
zmęczenie udarowe- obciążenie dynamiczne
Zapobieganie:
hartowanie
zmniejszenie naprężeń stykowych
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:
zmniejszenie tarcia i minimalizacja zużycia
odprowadzenie ciepła
usuwają punkty zużycia
ochrona przed korozją
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:
równomierne
wżerowe
selektywne (jedna faza koroduje szybciej)
międzykrystaliczne (na granicy ziaren)
Ochrona przed korozją:
odpowiedni dobór materiału
ochrona katodowa i/lub anodowa
stosowanie inhibitorów
ochrona protektorowa
powłoki i warstwy ochronne
ograniczenie oddziaływania środowiska korozyjnego
Pękanie materiału (częściowa lub całkowita utrata spójności):
kruche- mała energochłonność procesu, zachodzi bez zauważalnych odkształceń plastycznych, energia czerpana z zapasu energii
plastyczne- wymaga stałego dostarczania energii z zewnątrz, czyli zwiększania obciążenia, towarzyszy mu odkształcanie plastyczne
Pęknięcia mogą mieć charakter międzykrystaliczny lub transkrystaliczny, proces ten prowadzi do zniszczenia materiału.