Szerkezeti anyagok. Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák

Átírás

1 Szerkezeti anyagok Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák

2 A nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. Ezek: szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek a szervetlen nem fémes szerkezeti anyagok vagy kerámiák

3 Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. Lehetnek: természetes és mesterséges polimerek azaz műanyagok

4 Természetes eredetű polimerek A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. Legfontosabbak: a fa a bőr a rostok.

5 Fa és fa szerkezeti anyagok A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból ( lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik.

6 Fa és fa félgyártmányok A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi

7 Faanyagok tulajdonságai A fa erősen anizotróp és inhomogén. A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 8-30 szoros különbséget mutathat. A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.

8 Szakítószilárdsága mintegy kétszerese nyomószilárdságának. A hossz és a keresztirányú értékek jelentős eltérést mutatnak. A fa tulajdonságai

9 Rostok A rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. Lehetnek természetes növényi rostok, állati, és selymek mesterséges rostok pl. cellulóz, fehérje

10 A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb %-át kitevő irharétegnek van jelentősége. Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik. Bőr

11 Papír A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag. Alapanyaga a fa csiszolása utján nyert faköszörület és a fa kémiai feltárásával nyert cellulóz. Felhasználnak újrahasznosított papír és rongyhulladékot is.

12 Papír Töltőanyagokkal (pl. titánoxid vagy kaolin) és enyvező anyagokkal a fehérségi fok, a felületi minőség befolyásolható. Az alap és a töltőanyagokból vizes szuszpenziót készítenek, aminek a kiszáradása folyamán a benne lévő rostok filcesednek és ezután a cellulóz OH csoportjainak közvetítésével szilárdan összekötődnek. A papír folyadékkal szembeni ellenállás műgyanta, enyv, keményítő hozzáadásával javítható

13 Mesterséges polimerek, műanyagok A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek. Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az un. monomerekből állítják elő polimerizációval, polikondenzációval vagy poliaddícióval,

14 Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH 2 = CH 2 az etilén a polietilén PE alapanyaga. A polimerizációval láncmolekulás szerkezet alakul ki. Így állítják elő pl. a polipropilént PP, a polivinilcloridot PVC, a polisztirolt PS. a politetrafluoretilent a PTFE stb.

15 Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása A polikondenzáció estében a monomerek melléktermék legtöbbször víz képződés mellett kapcsolódnak össze. pl. a poliamid PA, a polikarbonát PC, a polietiléntereftalát PET stb. A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán PUR, epoxigyanták stb.

16 Mesterséges polimerek, műanyagok Hővel szembeni viselkedés alapján: Hőre lágyuló Hőre keményedő Tulajdoságok alapján: Tömegműanyagok Műszaki műanyagok Különleges tulajdonságú műanyagok

17 Hőre lágyuló, termoplasztok Ha csak egy irányban a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. Fajtái: amorf részben kristályos

18 Hőre lágyuló termoplasztok amorf Részben kristályos

19 Hőre lágyuló, termoplasztok Amorf hőre lágyuló műanyagok: rendezetlen polimer lánc

20 Hőre lágyuló, termoplasztok Részben kristályos hőre lágyuló műanyagok: rendezett és rendezetlen részek váltják egymást

21 Polimer piramis ár+teljesítmény Nagyteljesítményű műszaki műanyagok (T alk >150 C) Műszaki műanyagok (100<T alk <150 C) Tömegműanyagok (T alk <100 C) SMA HIPS PPO PVC CDC ABS PS PES PEI PC PI PSU PMMA SAN PEEK FP LCP PPS PA-46 PBT POM PP LDPE PET PA-6 PA-66 UHMWPE HDPE amorf kristályos

22 Hőre lágyuló, elasztomerek A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi

23 Hőre lágyuló, elasztomerek

24 Hőre keményedő, duroplasztok Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis.

25 Hőre keményedő, duroplasztok

26 Viszkoelesztikus viselkedés A feszültség-deformáció kapcsolat eltér a fémekétől Jellemzi: a feszültség-nyúlás kapcsolata nem lineáris függ a hőmérséklettől a terhelési szinttől az igénybevétel időtartamától

27 Eltérések a fémek és a műanyagok között T<<T g A meghatározott értékeket befolyásolja a hőmérséklet Feszültség T T g T>T g T<T m T T m Deformáció Kristályos

28 Eltérések a fémek és a műanyagok között T<<T g A meghatározott értékeket befolyásolja a hőmérséklet Feszültség I T<<T g T<Tg II III IV I II T Tg III IV T T g T T f T>T f Deformáció Amorf

29 Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: az alakváltozás sebessége Feszültség Deformáció

30 Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: a nedveségtartalom Feszültség [MPa] PA 0,4% 0,8% 1,5% 2,3% 2,5% 3% Deformáció [%]

31 Viszkoelesztikus viselkedés Adott igénybevétel hatására kialakuló alakváltozás: ε ö = ε r + ε k + ε m ε r ε k ε m pillanatnyi rugalmas késleltetett rugalmas maradó alakváltozás

32 Összes alakváltozás az idő függvényében σ σ σ 0 ε r 0 ε k 0 ε m

33 A viszkoelesztikus viselkedés következménye Kúszás Relaxáció

34 Ugrásszerű feszültség gerjesztést létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatest nyúlása monoton nő Kúszás

35 Ugrásszerű megnyúlást létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatestben ébredő feszültség monoton csökken Relaxáció

36 A viszkoelesztikus viselkedés következménye A tervezőknek tehát figyelembe kell venni a terhelés időtartamát is!

37 Összefoglalás Óriásmolekulákat monomerek építik fel Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő A mesterséges polimerek lehetnek hőre lágyulóak, vagy keményedőek Tulajdonságuk függ a vizsgálati sebességtől, a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól Viszkoelasztikus viselkedés jellemzi

38 Kerámia Kerámiának nevezünk, minden ember által készített szervetlen anyagot, amely nem fém és nem szerves. A fémektől a kerámiák elsősorban abban különböznek, hogy a részecskék között kovalens vagy ionos kötés van.

39 A kerámiák általános tulajdonságai 1 kis sűrűség nagy olvadáspont nagy keménység és kopásállóság nagy nyomószilárdság ridegség, törékenység nagy melegszilárdság és korrózióállóság

40 A kerámiák általános tulajdonságai 2 nagy kémiai stabilitás nagy villamos ellenállás ( szigetelők) a villamos vezetőképesség nő vagy speciálisan változik a hőmérséklettel kis hősokk állóság, de pl. a SiN kivétel magas ár

41 Kerámia anyagok csoportosítása (1) Alkotók szerint: Oxidkerámiák (pl. Al 2 O 3 ) Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) Egyatomos kerámiák (pl. szén gyémánt) Gyártás szerint Olvasztás (üveggyártás) Hidrát kötés (cement) Nedves formázás (agyag árúk) Porkohászat (műszaki kerámiák)

42 Kerámia anyagok csoportosítása Szerkezet szerint: Amorf (pl. üveg) (2) Kristályos (pl. bórnitrid) Vegyes Eredet szerint: Természetes anyagok (pl. kő) Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid)

43 Kerámia anyagok csoportosítása Tisztaság szerint: (3) Hagyományos kerámia tömegáru (téglától a fajanszig) Jellemző: mérsékleten érzékeny a szennyezésre Finomkerámiák (porcelánok, szigetelők, speciális üvegek) Jellemző: fokozott tisztasági igények

44 Kerámiák

45 Kerámia anyagok csoportosítása Tisztaság szerint: (4) Műszaki kerámiák pl.szerszámok, chip gyártás, Előírás:igen nagy tisztaság nagy tisztaságban előállított elemekből, alkotókból gyártják mivel ridegek nagyon érzékenyek a belső hibákra

46 Egyatomos kerámiák Karbon Szilícium Germánium Köbös bór-nitrid

47 Gyémánt: Egyatomos kerámiák Természetes: bányásszák Mesterséges: 3000 C o -on, 7500 MPa nyomáson szénből kristályosítják Köbös bór-nitrid (CBN) Csak mesterségesen állítható elő bór-nitrid ásványból 1500 C o feletti hőmérsékleten, 8500 MPa nyomással képződik

48 Egyatomos kerámiák alkalmazása Elektródák, tégelyanyagok Félvezetők Húzógyűrűk volfrám és egyéb nagy hőmérsékleten alakítható fémekhez (elsősorban mesterséges gyémántból) Forgácsoló szerszámok: A szerszám élére raknak fel vékony rétegben kis szemcséket Nagy sebességű forgácsolás köbös bórnitriddel előnyösebb

49 Oxidmentes vegyületkerámiák Tulajdonságok: nagy keménység nagyon magas az olvadáspontjuk. Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják. Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is.

50 Oxidmentes vegyületkerámiák Felhasználás: szerszámanyagokként pl. Vágóélek Bevonatokat is készítenek belőlük

51 Nitrid és karbidkerámiák titánnitrid (felületi bevonat), köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. szilícium nitridek Si 3 N 4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégetőill. örvénykamra anyaga lehet.

52 Nitrid és karbidkerámiák SIALON (pl. Si 3 Al 3 O 3 N 5 ) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. A szilíciumkarbid (SiC) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.

53 Műszaki kerámia bevonatok

54 Műszaki kerámiák

55 Műszaki kerámiák

56 Műszaki kerámiák

57 Oxidkerámiák Az oxidkerámiák alapanyaga alumíniumoxid, cirkóniumoxid, titánoxid, magnéziumoxid és berilliumoxid. Alkalmazási területük a tűzálló anyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelő anyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.

58 Műszaki oxidkerámiák A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók: Alumíniumoxid vagy műkorund (Al 2 O 3 ). Nagy keménységű forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó

59 Műszaki oxidkerámiák

60 Műszaki oxidkerámiák 2 Cirkóna vagy cirkóniumoxid (ZrO 2 ). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló.

61 Műszaki oxidkerámiák 3 magnézium oxid MgO (2800 C ) Az Al 2 O3-hoz 2050 C és a ZrO 2 -hoz (2690 C ) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), a MgO a ZrO 2 -hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a ZrO 2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást.

62 Műszaki oxidkerámiák 4 A fémoxid (MeO) tartalmú mágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségű lágymágneses ferritek(meo.fe 2 O 3, Me = Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd) ill. keménymágneses ferritek (MeO.6[Fe 2 O 3 ], Me= Ba, Sr, Co).

63 Üveg Az üveggyártás alapanyaga a földkéreg 25 %-át adó SiO 2 (pl. homok). A tiszta, kristályos SiO o C-on olvad. Jellegzetessége, hogy már mérsékelt lehűlési sebesség esetén sem kristályosodik, hanem amorf szerkezetűvé dermed (kvarcüveg).

64 Üvegek Biztonsági üveg

65 Különleges üvegek Matt üveg Ca foszfát, kriolit vagy cinkdioxid adagolással optikai üvegek hibamentes, speciális tulajdonságokkal pl. előírt törésmutató, áteresztési, elnyelési és visszaverődési tényező

66 Üvegszálak folyékony nyersüvegből kis átmérőjű fúvókákon átfúvással vagy centrifugálással állítják elő

67 Optikai kábel

68 Üvegkerámiák részben polikristályos anyagok, amelyeket amorf üvegmátrix hőkezelésével állítanak elő. A hőkezelés a nagyhőmérsékleten olvadó csiraképzőkkel ( pl TiO 2 és ZrO 2 ) adalékolt anyag lehűtés utáni megeresztése. Ilyenkor az üvegmátrixba ágyazott kristályok képződnek, amelyek különleges optikai és elektromos tulajdonságokat, csekély hőtágulást ill. hőingadozás állóságot eredményeznek. A kristályos rész % lehet

69 Hidrátkerámiák: cementgyártás Nyersanyag: mészkő és agyag Előkészítés: őrlés, keverés Kiégetés: C o -on, forgó kemencében Aprítás ez a cement Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt

70 A cement átalakulása betonná A cement és a homok (sóder) víz hatására stabil hidrátkristállyá alakul át A folyamat szobahőmérsékleten megy végbe, végleges kikeményedés 28 nap után

71 Beton szerkezetek: híd

72 Összefoglalás A kerámiák rideg, kemény, hőálló és korrózióálló anyagok Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő A mindennapi alkalmazásuk széleskörű (üveg, tégla, cserép, beton) A műszaki kerámiák a nagy terhelésnek kitett szerkezetekben használatosak (pl. jármű motorok)