Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran

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

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)

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) Kompozyty

Klasyfikacja 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 Kompozyty

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

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

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

Kompozyty infiltrowane Ceramika porowata Ciekły metal Kompozyt

Wpływ ładunku podwójnej warstwy elektrycznej na mikrostrukturę kompozytu ceramika-metal (1) N. Hernandez, A.J. Sanchez-Herencia, R. Moreno, Forming of nickel compacts by a colloidal filtration route, Acta Materialia,

11 - 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

Warunek otrzymania gradientu stosując metodę slip casting M. Szafran, E. Bobryk, K. Konopka, Wytwarzanie kompozytów gradientowych Al 2 O 3 -Fe metodą odlewania z mas lejnych, Kompozyty 6(2006)1,

Rzeczywiste odległości między cząstkami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. - proszek ceramiczny - proszek metaliczny Zawiesina zaglomeryzowana - rzeczywista. M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, Ceramic matrix compositew with gradient concetration of metal particles, Journal of the European Ceramic Society

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

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) Mikrostruktura kompozytów

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

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

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1550°C Powiększenie x w skaningowym mikroskopie elektronowym

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1600°C Powiększenie x w skaningowym mikroskopie elektronowym

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

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

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

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

Kompozyty o zastosowaniu stomatologicznym są kompozytami ceramiczno-polimerowymi zbudowanymi z trzech faz: Organicznej Nieorganicznej Preadhezyjnej

Faza organiczna (ciągła) Stanowi ona od 20 do 40% obj. materiału. Typową mieszaniną monomerów jest Bis-GMA/TEGDMA. Bis-GMA- dimetakrylan eteru diglicydowego bisfenolu A TEGDMA- dimetakrylan glikolu trietylenowego Dodatki: fotoinicjator aktywator

Faza nieorganiczna Stanowi od 50 do 80% obj. materiału kompozytowego. Najczęściej jest to krzemionka, szkło strontowe, barowe lub borowokrzemianowe o wielkości ziaren: makro-, mikro- i nano-. Cząstki wypełniacza: – zapewniają trwałość wypełnienia – poprawiają właściwości mechaniczne (twardość, ścieralność) – zmniejszają skurcz polimeryzacyjny – zmniejszają sorpcję wody – obniżają współczynnik rozszerzalności cieplnej

Faza preadhezyjna Umożliwia połączenie fazy nieorganicznej z organiczną poprzez modyfikację powierzchni ziarna wypełniacza. Najpopularniejszym środkiem wiążącym jest γ-metakryloksypropylotrimetoksysilan o następującym wzorze: silanizacja + żywica

Schemat przygotowywania kształtek: Przygotowanie proszków Modyfikacja powierzchni otrzymanych proszków - silanizacja Przygotowanie żywicy Wprowadzanie proszku (proszków) do żywicy Mieszanie Formowanie Utwardzanie Kształtki Lampa MEGALUX o natężeniu światła mW/cm 2 i mocy żarówki 75 W Forma teflonowa (mała adhezja masy kompozytowej)

Podczas procesu polimeryzacji może dojść do dwóch zjawisk: Skurcz polimeryzacyjny Polega na zbliżaniu się do siebie cząsteczek na skutek oddziaływania sił Van der Waalsa. Jest to zjawisko niekorzystne, powodujące ogólny spadek wytrzymałości wypełnienia. Inhibicja tlenowa Zjawisko wywołane obecnością tlenu w otoczeniu. Zjawisko te jest bardzo niepożądane, ponieważ powoduje spowolnienie procesu polimeryzacji oraz niecałkowite przereagowanie wiązań podwójnych.

Inhibicja tlenowa c.d. Stopień inhibicji tlenowej zależy między innymi od: – rodzaju i ilości zastosowanego fotoinicjatora – temperatury – reaktywności układu – lepkości układu – grubości polimeryzowanej warstwy – stężenia tlenu w układzie – natężenia i długości fali światła Sposobem przeciwdziałania inhibicji tlenowej może być: – zastosowanie światła o dużej intensywności – zastosowanie osłon z gazu obojętnego – zastosowanie barier z przezroczystych folii, tworzyw sztucznych lub wosków parafinowych – tworzenie przez monomery wiązań wodorowych – zastosowanie monomerów wielofunkcyjnych

Skład poszczególnych mas: Parametr Bis-GMA/TEGDMAUM1 Lepkość [Pa · s] 0,479 (T = 25°C)5,132 (T = 25°C) Gęstość [g / cm 3 ] 1,129 (T = 20°C)1,139 (T = 20°C) Skurcz polimeryzacyjny [%] 10,32,5

Wyniki – mikrotwardość (bez napełniacza):

Wyniki – mikrotwardość (z napełniaczem):

Wyniki – wytrzymałość na zginanie (z napełniaczem):

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

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

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 porów 258 m infiltrowanych wybranymi polimerami z podanymi stopniami zapełnienia porów (Sp) bez dodatku oraz z dodatkiem środka preadhezyjnego

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

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)

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

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

Navrotsky, 2002 Nanomateriałem nazywamy stan skondensowanej materii lub molekuł, który wykazuje nowe zachowania nie ujawnione przez te materiały przy rozmiarach mniejszych bądź większych konkretny rozmiar, przy którym to ma miejsce zależy od otoczenia, w którym materiał się znajduje oraz od konkretnej badanej właściwości materiału.

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały Wielkość ziarna (na ogół)1 10 nm lecz nie większa niż100 nm

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 4 razy, np. n-Al 2 O 3 -TiO 2 (13%obj.)

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

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

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

Spiekanie Nanoproszki – problemy z zagęszczaniem

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych Warstwa wody na ziarnie tlenku glinu

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych (R - promień ziarna; l - grubość warstw wody; R+l – efektywny promień cząstki) Nakładanie się warstw wody

Influence of D-fructose on viscosity of nanometric alumina slurry (Al 2 O 3 30%vol)

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

Mikroreaktor ceramiczny R.Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)