Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran."— Zapis prezentacji:

1 Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran

2 Nowoczesne kompozyty w technice Nowoczesne kompozyty w technice CERAMIKA kompozyty ceramika-metal kompozyty ceramika-polimer kompozyty ceramika–metal-polimer METALPOLIMER

3 Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości – kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami między komponentami. (Encyklopedia Powszechna, PWN 1988, t. 5, s. 187)

4 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 Definicja (czteroczłonowa) Krocka i Broutmana (1967)

5 Klasyfikacja kompozytów: 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

6 Ceramika + Metal = Kompozyt Cel: Zwiększenie zakresu stosowania ceramiki Nowoczesne materiały o osnowie ceramicznej o podwyższonym w wyniku modyfikacji wpółczynnika K IC doskonale konkurują z metalami Zmiana właściwości elektrycznych i magnetycznych

7 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

8 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

9 Formowanie z mas sypkich Formowanie z mas lejnych: –slip casting –tape castig 9

10 Kompozyty infiltrowane Ceramika porowata Ciekły metal Kompozyt

11 Metoda polega na odlewaniu masy lejnej otrzymanej z mieszaniny proszku ceramicznego i metalicznego w formie gipsowej. 11

12 R. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek, Nauka o procesach ceramicznych, Wyd. Naukowe PWN, Warszawa V x V0V0 ζ Cząstka stała Warstwa Sterna Warstwa Helmholza Warstwa dyfuzyjna Płaszczyzna ścinania 12

13 13 - proszek Al 2 O 3 - proszek Fe- proszek Ni - proszek Al 2 O 3 K. J. Konsztowicz, Wpływ heteroflokulacji zawiesin koloidalnych Al 2 O 3 -ZrO 2 na mikrostruktury i właściwości mechaniczne ich kompozytów, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków Możliwość otrzymania kompozytu z gradientem stężenia cząstek metalu Kompozyty o równomiernym rozkładzie stężenia cząstek metalu

14 Ni Al 2 O 3 Fe Zetasizer 3000 firmy Malvern Instruments Ltd. 14

15 15

16 Rurka polietylenowa 2.Masa lejna 3.Forma gipsowa 4.Magnes Odległość od źródła pola magnetycznego: 16

17 Rzeczywiste odległości między ziarnami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. - proszek ceramiczny - proszek metaliczny Zawiesina zaglomeryzowana - rzeczywista.

18 Mikrostruktura kompozytów ab Mikrostruktura kompozytów ceramika-metal wykonanymi metodą odlewania masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39,5%obj.: a) otrzymanej na drodze swobodnej sedymentacji, b) przy dodatkowym wymuszeniu ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym. M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, Ceramic matrix composites with gradient concentratrion of metal particles, J. Eur. Ceram. Soc., 27 (2007) K. Konopka, M. Szafran, Fabrication of Al 2 O 3 – Al composites by infiltration method and their characteristic, Journal of Materials Processing Technology 175 (2006)

19 Biomedycyna, implanty ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Materiały konstrukcyjne Materiały ścierne Narzędzia skrawające Części maszyn i łożyska Części silników Powłoki ochronne

20 Ceramiczne materiały kompozytowe 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

21 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 krzemiany6-30 $/kg Syntetyczne krzemiany20-40 $/kg Nanostrukturalna krzemionka $/kg Nanoceramika (np.tlenek glinu, azotek krzemu, itp. ) $/kg Nanorurki $/kg

22 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

23 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

24 Metodyka otrzymywania kształtek kompozytowych ceramika - polimer Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości Spiekanie otrzymanych kształtek Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanych kształtkach i polimeryzacja w porach Gotowy materiał kompozytowy

25 SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTU CERAMIKA - POLIMER 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

26 Stopień zapełnienia porów S p [%] Wytrzymałość na ściskanie sc [MPa] Wytrzymałość na rozrywanie r [MPa] Ceramika porowata05,7+1,41,9+0,6 Ceramika porowata +polimer PMM ,5+4,2 44,1+3,9 7,2+1,9 10,9+2,7 Ceramika porowata +polimer PMM ze środkiem preadhezyjnym ,2+4,7 62,4+5,0 11,8+2,9 13,5+3,1 Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie (σ sc ) i na rozciąganie (σ r ) kształtek sporządzonych z frakcji elektrokorundu 500 μm 600 μm o średniej wielkości por ó w 258 m infiltrowanych wybranymi polimerami z podanymi stopniami zapełnienia por ó w (Sp) bez dodatku oraz z dodatkiem środka preadhezyjnego

27 MICROSTRUCTURE OF ALUMINA CERAMICS SAMPLES - porous material with porosity gradient Porous ceramic material with porosity gradient (without polymer) Ceramics- polymer composite

28 MICROSTRUCTURE OF PHOSPHATE CERAMICS SAMPLES Ceramics-polymer composite (50% filling of pores with polymer) Porous material Ceramics-polymer composite (30% filling of pores with polymer)

29 [%] [MPa] Kompozyt Elastomer Kompozyt ceramika-polimer Zachowanie pod obciążeniem ściskającym

30 Średnie wartości energii zaadsorbowanej przez materiał Rodzaj próbki Szybkość ściskania [s -1 ] Cykl ściskania U [MJ/m 3 ] [%] kompozyt0, ,00+0,71 0,82+0,06 0,82+0, ,80 ceramika0,8110,03+0,000,70+0,04 elastomer0,8110,8+0,0530+1,80

31 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. KOMPOZYTY STOMATOLOGICZNE

32 0 % wag. UM1 50% obj. SiO % obj. R709(nano) 10 μm 40 % wag. UM1100 % wag. UM1 Monomery: –Bis-GMA –TEGDMA –UM1 – nowy wielofunkcyjny monomer uretanowo-metakrylowy Kompozyty ceramika-polimer do zastosowań stomatologicznych

33 Heterodesmiczne związki warstwowe posiadają w swoich strukturach wiązania metaliczne i kowalencyjne. Są to m.in. związki w układach: Ti-Al-C-N Ti-Si-C-N Ti 2 SiN, Ti 3 Si(C,N) 2 Są to związki o wysokiej sztywności (E 320 GPa), T top >3000 o C Hv=4,26 GPa (bardzo niska) – łatwość obrabiania metodami skrawania Wysoka odporność na kruche pękania (K IC 12 MPa m 0,5 ) Bardzo wysoka odporność chemiczna Dobre przewodnictwo elektryczne 4,5· m -1 Słabe wiązania między warstwami – możliwość interkalacji – kataliza chemiczna L.Stoch, Materiały ceramiczne, nr 2/2004 s } np. Ti 2 AlC, Ti 3 AlC 2

34 Prognozy rozwojowe ceramicznych materiałów specjalnych Główne cele badawcze: Podniesienie wytrzymałości, a tym samym niezawodności tworzyw oraz wyrobów. Poprawa właściwości wysokotemperaturowych. Optymalizacja struktury dla każdego przypadku zastosowania. Zmniejszenie kruchości materiałów ceramicznych i tym samym zawężenie tolerancji uszkodzeń. Japonia USA Niemcy Francja Wielka Brytania Korea Południowa Skala aktywności wiodących krajów w zakresie zgłoszeń patentowych związanych z ceramiką specjalną ( )

35 CERAMIKACERAMIKA POLIMERYPOLIMERY METALEMETALE INNEINNE 36%28%24%12% ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I ROZWOJOWE W DZIEDZINIE PROJEKTOWANIA MATERIAŁÓW W NIEMCZECH W LATACH

36 Nanonauka Nanotechnologie Nanomateriały

37 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

38

39

40

41 Nanomateriały ceramiczne 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.

42 Struktura nanomateriału Udział atomów na granicy międzyziarnowej w zależności od rozmiaru ziaren. Przy założeniu grubości granicy od 0,5 do 1 nm. Zych Ł., Formowanie i spiekanie nanometrycznego proszku tlenku cyrkonu. Praca doktorska. Akademia Górniczo - Hutnicza, Kraków 2006.

43 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

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

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

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

47 symulacja metodami dynamiki molekularnej powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jego wnętrze

48 pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową wnętrze-powierzchnia (core-shell)

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

50 Carbon nanotube ceramic (alumina) nanocomposite Applications Commercial applications for this material include: Ruggedized circuitry substrates Electrically conductive components Advanced ceramics for aerospace and defense High temperature severe load conditions Cutting tools and wear component Advantages The improved thermal, electrical and mechanical properties of this composite are: Anisotropic thermal conductivity of a ratio of 3:1 in the aligned plane Electrical conductivity 13 orders of magnitude higher than that of pure alumina (near the metallic conduction threshold) Fracture toughness three times that of pure alumina

51

52

53 Spieki z nanoproszku ZrO 2 (8% mol. Y 2 O 3, ziarno <50 nm) Dahl P, Kaus I., Zhao Z., Johnsson M., Nygren M., Wiik K., Grande T., Einarsrud M.-A., Densification and properties of zirconia prepared by three different sintering techniques. Ceramics International, 2007, 33, 1603 – 1610.

54 Zdjęcia SEM szlifów próbek spiekanych wg następującego programu: metoda spiekania – temperatura spiekania[ºC] – ciśnienie [MPa] – czas przetrzymania w temperaturze szczytowej [min]: a) SPS – 1200 – 50 – 0 b) SPS – 1200 – 50 – 10 c) SPS – 1100 – 110 – 8 d) SPS – 1300 – 70 – 5 e) HP – 1250 – 25 – 0 f) HP – 1250 – 25 – 3 g) CS – 1500 – 0 – 12 Dahl P, Kaus I., Zhao Z., Johnsson M., Nygren M., Wiik K., Grande T., Einarsrud M.-A., Densification and properties of zirconia prepared by three different sintering techniques. Ceramics International, 2007, 33, 1603 – 1610.


Pobierz ppt "Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran."

Podobne prezentacje


Reklamy Google