Anyagok az energetikában

Átírás

1 Anyagok az energetikában BMEGEMTBEA1, 6 krp (3+0+2) Környezeti tényezők hatása, időfüggő mechanikai tulajdonságok Dr. Tamás-Bényei Péter szeptember 19.

2 Ütemterv 2 / 20 Dátum Tartalom Bevezetés, alapfogalmak: szerkezeti anyagok csoportosítása (polimer, fém, kerámia), alapfogalmak (polimer, monomer, oligomer, homo- és kopolimer, polimerizációs fok definíciója), polimerek csoportosítása, polimerek sajátosságai (előnyök és hátrányok), tömegműanyagok Környezeti tényezők hatásai: fémekhez viszonyítva alapvető különbségek, molekuláris szerkezet, nedvességtartalom hatása (mechanizmusok, hatás, hőm-idő ekvivalencia elv), hőmérséklet hatása (TMA, DMTA görbék, HDT, TGA), Brown mozgások, vegyszer- és korrózióállóság Időfüggő mechanikai tulajdonságok: deformáció-komponensek, kúszás és feszültségrelaxáció, vizsgálati módszerek, jelentősége az energetikában; Gyártástechnológiák: extrúzió (lemez, cső, kábelbevonat) és habosítás, fröccsöntés (MFI lényege), gumigyártás (hengerszék, vulkanizáció) Gyors prototípusgyártás és szerszámkészítés; újrahasznosítás: gyors prototípus- és szerszámgyártás jelentősége és alapelvei, abrazív és additív technológiák összehasonlítása, termékek; újrahasznosítás TDK Konferencia Kompozitok: definíció, felépítő komponensek, erősítőanyagok formái (paradoxonok) és típusai, mátrixanyagok, adhézió, gyártástechnológiák és termékek Pótlási hét

3 Szerkezeti anyagok 3 / 20 Szerkezeti anyagok hierarchiája Kompozitok Polimerek Fémek Kerámiák

4 Fémek vs. polimerek 4 / 20 Hosszútávú rugalmasság Kristályosságbeli eltérések

5 Láncmolekulák alakja 5 / 20 - fonalmolekula - elágazott fonalmolekula - elágazott fonalmolekula gyakori rövid elágazásokkal - térhálós molekula - létra polimer - parketta polimer - hiper-elágazott

6 Polimerek csoportosítása 6 / 20 Polimerek Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló Amorf Részben kristályos Gyengén térhálós Sűrűn térhálós

7 1) A polimerek - a fémekhez viszonyítva időfüggő, nem lineáris feszültség nyúlás diagrammal jellemezhetők, akár több 100% nyúlás mellett 2) A polimerekre az elsőrendű kötések közül a kovalens a legjellemzőbb, emellett a másodrendű kötések is nagyon fontos szerepet töltenek be 3) A polimerek olvadáspontja, valamint szerkezeti átalakulásaihoz tartozó hőmérsékletek nem diszkrét értékek, mint a fémeknél, hanem mindig tartományok 4) A polimerek szerkezete általában anizotróp és inhomogén szerkezetű 5) A polimerekre - a fémekkel ellentétben - nagyon jellemző a kúszás és feszültségrelaxáció jelensége 6) A polimerek általában inkább hajlamosak a degradációra, mint korrózióra, szemben a fémekkel Fémek vs. polimerek 7 / 20 VS.

8 Deformáció-komponensek 8 / 20 Mikro- és makrodeformáció komponensek Mikro - Energiarugalmas (ε u ) - Etrópiarugalmas (ε s ) - Energiadisszipáló (ε d ) Hooke-törvényt követő rugó (ε pr ) Newton-féle viszkózus elem (ε m ) Makro - Pillanatnyi rugalmas (ε pr ) - Késleltetett rugalmas (ε kr ) - Maradó (ε m ) Kelvin-Voigt elem (ε kr ) σσ = EE ε σ = η ε σ = E ε + η ε E rugalmassági modulusz, ε - deformáció, η - viszkozitási tényező, ε - deformációsebesség

9 Időfüggő mechanikai tulajdonságok 9 / 20 Kúszás Amorf termoplasztikus: Burgers-modell Gyengén térhálós elasztomer: Duális-Standard solid modell

10 Időfüggő mechanikai tulajdonságok 10 / 20 Feszültségrelaxáció Amorf termoplasztikus: Maxwell-modell Gyengén térhálós elasztomer: Standard solid modell

11 Nemlineáris viselkedés 12 / 20 Fém tipikus szakítógörbe Polimer tipikus szakítógörbék

12 Anizotrópia 13 / 20 Morfológia miatt, mert a láncmolekulák elrendeződése miatt anizotróp a polimer maga is (kompozit anyagban az erősítőszálak miatt is) A feldolgozás miatt a molekulaláncok orientálódnak, valamint mag-héj szerkezet alakul ki

13 Környezeti tényezők hatása 14 / 20 Környezeti tényezők hatása

14 Hőmérséklet hatása 15 / 20 Mikro Brown hőmozgásról beszélünk: ha az a részecske elmozdulása a rögzített tömegközéppontja körül történik Makro Brown hőmozgásról beszélünk: ha a részecske haladó mozgást is végez, vagyis elmozdul a tömegközéppontja is Brown mozgások video

15 Hőmérséklet hatása 16 / 20 A hőmérséklet mechanikai tulajdonságára gyakorolt hatásának elemzéséhez többféle mérési módszer is rendelkezésre áll: - Szakítóvizsgálat különböző hőmérsékleteken (hátrány, hogy igen sok mérésre van szükség) - Termomechanikai analízis (TMA), amely során adott nyúlás változását vizsgálják a hőmérséklet függvényében - Dinamikus mechanikus termikus analízis (DMTA), amikor a vizsgálat során a mintára ható feszültséget és annak frekvenciáját konstans értéken tartjuk a vizsgálat időtartama alatt és a hőmérséklet változásának függvényben vizsgálják a szinuszos elmozdulásvagy terhelésgerjesztésre adott választ (eltolódás, csillapodás) Veszteségi tényező (d=tg δ) Veszteségi modulus Tárolási modulus

16 Hőmérséklet hatása 17 / 20 Hőmérséklet-idő ekvivalencia elve Ha egy anyaggal energiát közlünk, akkor megnő a belső energia, ezáltal a molekulák és atomok energiája is, ennek köszönhetően a mozgékonyságuk is megnő. Ennek köszönhetően hosszú-távú vizsgálat során a hőmérséklet növelése által hosszabb időtávra tudunk következtetni.

17 Nedvesség-tartalom hatása 18 / 20 Polimerek Hidrofil Hidrofób Nedvesség felvételi mechanizmusok: - Direkt - Indirekt - Kapilláris A nedvességnek többféle hatása lehet, de alapvetően lágyító hatású, jellemzően rontja a mechanikai tulajdonságokat, a magas hőmérsékletű feldolgozás során az anyag szerkezetét üregesség teheti.

18 Nedvesség-tartalom hatása 19 / 20 Szárítási mestergörbék (anyagonként változóak) 40 C 50 C 60 C 70 C

19 Köszönöm a figyelmet!