Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek

Átírás

1 Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Kerámiák és faanyagok szerkezete és tulajdonságai Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet

2 Vázlat Kerámiák Kerámiák története, csoportosítása, modern műszaki kerámiák fogalma Szerkezet Tulajdonságok Atomos szerkezet, kristályos szerkezet, elméleti sűrűség, amorf kerámiák, hibahelyek Modern műszaki kerámiák alaptulajdonságai, merevség, rideg törés, porozitás Faanyagok Felépítés, szerkezet, összetétel, típusok Tulajdonságok Mechanikai tulajdonságok, ortotrópia, húzás, törés, modellek 2

3 Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag Alaptulajdonságok A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok Szerkezet Feldolgozás, Technológia Optimális tulajdonságok Az anyagok alaptulajdonságainak jellegzetességei Kerámiák, faanyagok Termék Beavatkozási Ellenőrzési Mérhető lehetőség lehetőség mennyiség 3

4 Bevezetés Kerámiák alaptulajdonságainak elhelyezkedése Nagy merevség, kis ütésállóság; kopás és hőállóság Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) 4

5 Bevezetés Kerámiák története jelentősége Keramikos égetett agyagból készített tárgy Magas hőmérsékletű hőkezelés Hagyományos kerámiák agyag Cserép Porcelán Tűzálló magas hőmérsékletű anyag Kerámia üvegek Manapság Részletes szerkezet tulajdonság kapcsolatok ismerete Sokkal szélesebb körben használatos kifejezés 5

6 A kerámiák csoportosítása Alkotó anyagok (atomok) jellege szerint Oxid kerámiák Nem-oxid kerámiák Hagyományos kerámiák Korszerű műszaki kerámiák Tégla, cserép Tűzálló anyag Porcelán Funkcionális kerámiák Szerkezeti kerámiák 6

7 Korszerű műszaki kerámiák Típusok összetétel alapján Oxidkerámiák Nem-oxid kerámiák Fentiek kombinációi Al 2 O 3 BeO MgO SiO 2 ThO Y 2 O 3 ZrO 2 Nitridek Karbidok Boridok Szilicidek Szulfidok Oxinitridek Karbonitridek SIALON 7

8 Korszerű műszaki kerámiák Típusok szerkezet alapján Monolit kerámia Kerámia rétegek és bevonatok Társított kerámiák 8

9 Kerámiák szerkezete Felépítő atomok és kötések Több különböző atom építi fel (Fémes + nem fémes) Bonyolult szerkezet A szerkezetet kialakító kötések a tisztán ionos kötéstől egészen a kovalens kötésig változnak Anyag Ionos karakter (%) CaF 2 89 MgO 73 NaCl 67 Al 2 O 3 63 SiO 2 51 Si 3 N 4 30 ZnS 18 SiC 12 9

10 Kerámiák felépítése Koordinációs szám ionsugár Koordinációs Ionsugár arány szám r C /r A 2 <0,155 A lehető legtömörebb szerkezet Általában r C < r A Stabil 3 0,155-0, ,225-0,414 Stabil 6 0,414-0, ,732-1,0 Instabil 10

11 Kerámiák felépítése Gyakorlati példa elméleti sűrűség NaCl (r C = 0,102 nm; r A = 0,181 nm) Ionsugár arány: r C / r A = 0,564 koordinációs szám: 6 Szerkezet Az elméleti sűrűség pedig a = 2r NA + 2r Cl ρ elm = n A C + A A V C N A = 2,14 g cm 3 n az összegképletben szereplő atomok száma A C kation móltömeg (22,99 g/mol) A A anion móltömeg (35,45 g/mol) V C az elemi cella térfogata (a 3 ) N A Avogadro szám A valódi sűrűség: 2,16 g/cm 3 11

12 Kerámiák felépítése Speciális típusok amorf üvegek Szennyezett SiO 4 háló Na 2 O CaO TiO 2 Al 2 O 3 Amorf anyag Átlátszó üveg Lágyulási hőmérséklet Viszkozitás Formázhatóság Hálószerkezet módosítók Intermediátumok 12

13 Kerámiák felépítése Speciális típusok rétegszilikátok, halloysite Rétegszilikát Réteges szerkezet Kis rétegvastagság Nagy fajlagos felület Kaolin Montmorillonit Halloysite Cső Speciális szerkezet Funkcionális csoportok a cső belsejében Speciális karrier tulajdonságok Ma et al. J. Mater. Chem., 2012, 22,

14 Kerámiák felépítése Speciális típusok Grafit Fullerén Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) 14

15 Kerámiák felépítése Hibahelyek Kation, anion hiány vagy többlet Vakanciák Intersticiális hibák Shottky hiba Ionpár teljes hiánya Frenkel hiba Kation vakancia és intersticiális hiba együtt Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) 15

16 Kerámiák felépítése Hibahelyek idegen atomok Idegen atomok Hibahelyként épülnek fel és megváltoztatják a tulajdonságokat Következmények N S = Nexp Q S 2kT, illetve N Fr= Nexp Q Fr 2kT Q S és Q Fr a hibák létrejöttének energiaszükséglete N pedig az összes rácsban szereplő hely Hibahelyek száma függ a hőmérséklettől Sűrűség is hőmérsékletfüggő Callister, W. D., Materials Science and Engineering an Introduction, John Wiley & Sons Inc, New York (2007) 16

17 Kerámiák tulajdonságai Korszerű műszaki kerámia alaptulajdonságok Típus Pórusos kordierit (2MgO 2Al 2 O 3 5SiO 2 ) Szilícium-nitrid (RB-Si 3 N 4 ) Olvadás pont ( C) Sűrűség (g/cm 3 ) Kötés erősség (MPa) Rug1almassági modulusz (GPa) K Ic * (MPa/m 2 ) Vickers keménység (GPa) Hőtágulási együttható (10-6 K -1 ) ,5-2, ,5-2,5 8 0,8-1, , ,5-3, ,0 Szilícium-nitrid (tömör Si 3 N 4 ) , ,3 Alumínium-titanát (Al 2 O 3 TiO 2 ) , ,0 Korund(α-Al 2 O 3 ) , , ,1 Szilícium-karbid (SiC) Részlegesen stabilizált ZrO 2 (PSZ) , ,3 6, ,5 17

18 Kerámiák tulajdonságai Feszültség megnyúlás Nagy merevségű rideg anyagok Ionos karakter Az ionok elmozdulása nehéz Kevés csúszósík, amely irányban a diszlokáció mozoghat Kovalens kötés Kovalens kötés is erős Kevés csúszósík Ritkán alakul ki mérhető plasztikus deformáció 18

19 Feszültség Kerámiák tulajdonságai A korszerű műszaki kerámiák A tulajdonságok kis mértékben de módosíthatók Deformáció 19

20 Kerámiák tulajdonságai Rideg törés A repedés képződésének geometriája Pontszerű terhelés Hajlítás A törés alakjából és jellegéből a lokális feszültségek visszakövetkeztethetők: Fraktoszkópia Csavarás Belső nyomás 20

21 Kerámiák tulajdonságai Porozitás E = E 0 1 1, 9P + 0, 9P 2 E 0 a nem porózus anyag modulusa P a porozitás térfogattörtje Az egyenlet szerinti görbe R. L. Coble and W. D. Kingery Effect of Porosity on Physical Properties of Sintered Alumina J. Am. Ceram. Soc (1956) 21

22 Faanyagok Kezdetek Az egyik legrégebben felhasznált szerkezeti anyag Gyorsan megújuló, de nem kimeríthetetlen 22

23 Faanyagok Jelentőség Óriási méret, a földön a legnagyobb élő tömeg a fákban halmozódik fel. David Attenborough 23

24 Faanyagok Felhasználás napjainkban USA anyagfelhasználása A fa térfogat szerint kimagasló 100 elsődleges fém fa Felhasználás (Mt) fa használt fém Év műanyag Felhasználás (Mm 3 ) elsődleges fém Év műanyag 24

25 Faanyagok Élő bolygó Megújuló nyersanyag A megfelelően hosszú életű fák segítségével a klímaváltozások is nyomon követhetők Fafaj Maximális magasság Fafaj Maximális életkor Óriáseukaliptusz 130 Japán ciprus 6000 Tengerparti mamutfenyő Luc-, jegenye-, vörösfenyő Tölgy, kőris, nyár, éger 120 Tengerparti mamutfenyő Lucfenyő Kőris

26 Faanyagok Szerkezet Bonyolult felépítésű kompozit anyag A felhasználásra kitermelt fa testének alkotói Elhalt sejtfal Üregek Nagyon kevés élő szövet Tulajdonságok Merevség: a sejtfal vastagodása során beépülő cellulóz rostok Keménység: a cellulóz rostok közé beépülő lignin és egyéb anyagok 26

27 Faanyagok Szerkezeti felépítés Az építőegység a cellulóz krisztallit A kristályos részek mellett amorf rész is található Sejtfalrost Sejtfal Lamella 27

28 Faanyagok felépítése Sejtfal A sejtfal rétegződése KL középlemez P primer sejtfal S 1, S 2, S 3 szekunder sejtfalak A sejtfalon kívül és belül a fa anyagokat raktároz: lignin, festék, kova, CaCO 3, Caoxalát, mézga és viasz A szerkezet nem állandó A fa élete során fokozatosan változik Évszakosan is változik (évszakos időjárás esetén) 28

29 Faanyagok szerkezete Inhomogén szerkezet Évgyűrű határ Edények Bélsugarak 29

30 Faanyagok szerkezete Felépítő sejtek Vízszállító sejt (Tracheida) élettelen Edény (Trachea) élettelen Szövetrendszer (Faparenchia) élő Színezőanyagok Olajok Alkaloidok Farost (vastag falú üreges test) élettelen Bélsugarak (sugárirányú hosszú üreges test) élettelen 30

31 A sejtszerkezet felépítése Fenyő 1. bütümetszet 2. sugármetszet 3. tangenciális (húr) metszet 4. évgyűrű 5. korai pászta 6. késői pászta 7. bélsugárköteg 8. orsós bélsugarak 9. függőleges gyantajárat 10. vízszintes gyantajárat 11. udvaros gödröcske 12. egyszerű gödröcske 13. rostok (tracheidák) 31

32 Szerkezet Bütümetszet Lombos fa Farostok Edény Évgyűrű határ 32

33 Makroszkópikus szerkezet Keresztmetszet Évgyűrűk (a sejtek szerkezete évszakonként változik) Geszt (a növekedés során a belső évgyűrűk elhalnak) Raktározó és tartó szerep Szíjács (a külső aktív rész) Tiszafa geszt és szíjács 33

34 Szerkezeti változatosság Fajták Az edények elhelyezkedése is befolyásolja a tulajdonságokat Gyűrűs elrendeződés Szórt elrendeződés (magas kőris) (rezgő nyár) 34

35 Szerkezet-tulajdonság Sűrűség Eltérő fajták eltérő felépítés Sűrűség Testsűrűség (egységnyi térfogatú fa tömege) igen széles határok között változik Valódi sűrűség (a szövetek elemi sűrűsége) fajtáktól függetlenül megközelítőleg azonos (~1560 kg/m 3 ) Víztartalom Rendszerint nem állandó Nagy hatás a tulajdonságokra 35

36 Szerkezet-tulajdonság Víztartalom Kötött víz a sejtfalakban kötött víz Lassan távozik (akár évek alatt) Szárítás szükséges Tulajdonságok folyamatosan változnak Szabad víz a sejtüregekben található víz % Gyorsan távozik a szárítás során Nagy hatás Egyensúlyi víztartalom Abszolút száraz 0 %, szobaszáraz ~8 %, légszáraz ~15 %, félszáraz ~25 %, félnedves ~80 %, abszolút nedves ~140 % 36

37 Mechanikai tulajdonságok Ortotrópia Összetett kompozit bonyolult szerkezettel, amely tulajdonságait a szerkezeti jellegzetességek határozzák meg elsősorban Ortotróp anyag: a három térirányban eltérnek a tulajdonságok 37

38 Mechanikai tulajdonságok Meghatározás A vizsgálati elrendezés meghatározó Szálirányú összenyomás Szálirányra merőleges összenyomás Szálirányú nyírás Statikus hajlítás Szálirányú húzás Szálirányra merőleges húzás Piros: szálirányra merőleges igénybevétel Kék: szálirányú igénybevétel 38

39 Feszültség-megnyúlás Húzás és összenyomás Húzás Nagyobb határfeszültség Rideg Minimális képléken tartomány Húzás Összenyomás Alacsonyabb határfeszültség Nagyobb képlékeny deformáció Feszültség Összenyomás Alakváltozás 39

40 Merevség Fajtafüggő értékek Keményfa 7-16 GPa Középérték: 11 GPa Sűrűség: 0,33-0,88 kg/m 3 Puhafa 6-14 GPa Középérték: 10 GPa Sűrűség: 0,3-0,6 kg/m 3 A sűrűség összefügg a merevséggel, de az összefüggés nem egyértelmű szerkezet hatása 40

41 Mechanikai tulajdonságok Tönkremenetel A keményfák teherviselő képessége lényegesen jobb, mert a tönkremeneteli folyamatok később indulnak be Feszültség (MPa), hosszirány Szakítószilárdság AE1 AE2 fenyő kőris tölgy Feszültség (MPa), keresztirány Szakítószilárdság AE1 AE2 fenyő kőris tölgy 41

42 Mechanika szerkezet Rostok orientációja A mechanikai merevséget a mikrofibrillák rendeződése határozza meg Feszültség (MPa) Mikrofibrillák szöge ( ) 42

43 Mechanikai tulajdonságok További tényezők Hibahelyek Csomók a növekedés közben létrejövő inhomogenitások Makro- és mikrorepedések (száradás során kialakuló repedések) A makrorepedések eltávolíthatók, de a mikrorepedések és a csomók nem. Ezért a beépített szerkezeti elemként használt fákban a mechanikai vizsgálatokat a beépített elemből kell végezni 43

44 Merevség Egyéb befolyásoló tényezők 16 Rugalmassági modulus (GPa) Relatív határszilárdság (%) Húzott oldal Semleges oldal Nedvességtartalom (%) Csomóméret (mm) 44

45 Mechanika tönkremenetel Akusztikus emisszió A nagyszámú jel több folyamatra utal Meddig alkalmazható az anyag??? kőris Iniciálási feszültség Nyúlás (%) 4 5 Feszültség (MPa) 150 Összeseményszám Feszültség (MPa) kőris Amplitúdó (db) Nyúlás (%) 45

46 Mechanika tönkremenetel Lehetséges mechanizmusok Az eltérő mikroszkópos szerkezet eltérő mechanizmusra utal 46

47 Mechanika - törés Heterogén anyag törése mindig bonyolult Irányfüggő folyamat Matematikailag nehéz kezelni Bonyolult szerkezeti hatások L: növekedési tengely R: sugárirány T: érintőirány Lineáris és nemlineáris törésmechanika Első betű a repedés síkjára merőleges, míg a második betű a repedés terjedésének iránya 47

48 Törés Különböző fajták Lineáris törésmechanika Fa típus K IC /TL/ (knm -3/2 ) Douglas fenyő 320, 309, 260, 847 Western hemlock fenyő 375 Western fehér fenyő 250 Skót fenyő 440 Déli fenyő 375 Ponderosa fenyő 290 Vörös lucfenyő 420 Északi vörös tölgy 410 Juharfa 480 Sárga nyírfa

49 Törés mechanizmus Repedés kialakulás és terjedés Két alapfolyamat Repedés iniciálás Repedés terjedés Vegyes mechanizmus Irányfüggő Nehezen leírható 49

50 Nemlineáris törés Szálirányra merőleges igénybevétel Szálerősített kompozit Csúcs előtti nem lineáris tartomány Alakváltozás "lágyulás" Feszültség, Deformáció, 50

51 A törés alapfolyamatai Repedés kialakulás és terjedés Repedés iniciálás, G i Repedés terjedés, G t Erő, F G = G i + G t Deformáció, 51

52 A törés modellezése Matematikai eszközök Statisztikai megoldás Elemi térfogat (N db azonos elem) V p f 1 e p 0 x dv p f 1 e V V 0 0 Kohéziós repedési modell Áthidalási modell Végeselemes modell 52

53 Modellezés és valóság Egyes esetekben jól működik 53

54 Számított és mért tulajdonságok Törés 54

55 Időfüggő tulajdonságok Kúszás Fenomenológiai modellek (Voight-Kelvin modell) dd dt A F F D S B C D F D a Kelvin-testben a rugó által hordott teher aránya a teljes teherhez, F S a monoton teher alatti (rövid-idejű terheléshez tartozó) szilárdság, A, B és C kísérleti állandók. 55

56 Időfüggő folyamatok Fáradás Ciklikus igénybevétel 120 Az alkalmazható ciklusszám csökken a nedvesség növelésével Maximális ismételt feszültség szint Fáradási szilárdság n ciklusnál Ciklusok száma, logn Fáradási határ 56