Kerámiák
Csoportosítás Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegek, Fémoxidok, nitridek, boridok stb. Mesterségesen előállított szilárd, nemfémes, szervetlen (műszaki) anyagok. Technológiájukban közös; nyers formázás hőkezelés (kivétel: üveg)
A kerámiák szerkezete Polikristályos anyagok 1. Kristályos fázisok: különböző összetétel, méret, kristályszerkezet mechanikai és villamos tulajdonságok 2. Üveges fázis: szilárdság, ridegség, átütési szilárdság 3. Gáz fázis: rugalmasság, hőszigetelés A fázisok egymáshoz való viszonya szabályozható az összetétellel és a technológiával
Technológia 1. Homogenizálás Nyersanyagok + víz + kötőanyagok 2. Formázás Korongolás (kézi, gépi) Sajtolás (izosztatikus, forró) Extrudálás Fröccsöntés 3. Hőkezelés Szárítás Égetés az op (K) 80 90%-án Nedvesség, kötőanyag eltávozása Polimorf átalakulás Átkristályosodás Olvadék keletkezése Szilárd fázisú reakciók, hőbomlás, diffúzió Tömörödés, zsugorodás 4. Mechanikai utómunkák
Tulajdonságok Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság Ideálisan rugalmas Jó hőállóság Általában jó hőszigetelés Jó villamos szigetelés
Porcelán: kaolin kvarc földpát x(nak) 2 O yal 2 O 3 zsio 2 közepes szigetelőanyag Kerámia típusok Szteatit MgO - SiO 2 alkálimentes, jobb villamos tulajdonságok Ellenállás-hordozók, kondenzátorok, hálózati szigetelők
Alumínium-oxid - Korund -Nagyon jó szigetelő: 10 16 cm tg 10-3 -Készítenek: 90%, 99%, 99,9%-os tisztaságút -Égetés: 1600 2000 C -Finomszemcsés, ~ 100% tömör. Gázfázis nincs, üvegfázis 0 1% között. -Hordozó,(IC, MCM) Na-lámpa kisülőcső Egyéb különleges kerámiák Si 3 N 4, AlN: jobb hővezetők, nagy alkatrész sűrűségű IC hordozó Szupravezető kerámiák: YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 Kondenzátorok: I típus: TiO 2 MgTiO 3 II. típus: BaTiO 3 ferroelektromos
Csoport Jell. képviselő Tulajdonság, jellemző Felhasználás Szilikátok: Porcelán (kaolin, földpát, kvarc alkáli-alumínium-szilikát) Szteatit (magnézium-szilikát) nagyfrekv. szigetelő, ellenálláshordozó Korund: Al 2 O 3 jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, MCM hordozó, nagyfrekv. szövetbarát szigetelő, implantátum Oxidkerámiák: hagyományos dísz és ipari kerámia, hálózati szigetelő BeO: jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó nagyfrekv. szigetelő, ák. hordozó hővezető ZrO 2 Hőálló, ionvezető tűzálló anyag, oxigén szenzor Titanátok: TiO 2 magas dielektromos állandó I. tip. kondenzátor Nitridek: BaTiO 3 Si 3 N 4, AlN, BN nagyon magas dielektromos állandó, ferroelektromos, piezoelektromos jó vill szigetelő, hőálló, nagyon jó hővezető, jó mechanikai tul. II. tip. kondenzátor piezoelektromos elemek nagyfrekv. szigetelő, hordozó, gyémánt helyettesítés Karbidok: SiC, jó mechanikai tul., félvezető, hőálló varisztor, kék LED, fűtőellenállás Ferritek WC B 4 C jó mechanikai tul. atomreaktor lágy és kemény mágnesek Szupravezetők YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 T c 100K
Üvegek 1. Anyagtípus 2. Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO 2, (Ge, B, P-oxidok) Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik.
Technológia Alapanyagok: kvarchomok, módosítók: Na 2 O, K 2 O stabilizálók: CaO, MgO, B 2 O 3 Al 2 O 3 színezők, színtelenítők, egyéb speciális adalékok Olvasztás: ~ 1500 C Táblahúzás, csőhúzás, öblösüveg fújás Temperálás Viszkozitás Meghatározza a technológiát, hőkezelést, feszültségeket
Lágy üveg: adott viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el Kemény üveg: ~
Feszültségek Okok: az üveg rossz hővezető nagy a hőtágulása T g alatt nincs képlékeny alakváltozás Veszélyes, mert kicsi a húzószilárdság nincs krisztallithatár a mikrorepedés akadály nélkül terjedhet Típusok: Maradandó: kötési Üveg üveg Fém üveg Kerámia üveg Temperálható: Hűlési Ideiglenes Mechanikai T g alatti hőmérsékletkülönbség
Üvegtípusok Lágy Na, Ca, Mg oxid, Σ 30% Kemény alkáliszegény/mentes B 2 O 3, Al 2 O 3 Laboratóriumi, háztartási hőálló üveg, IC hordozó, fényforrás Kvarc Tiszta SiO 2, legjobb mechanikai, villamos, optikai, termikus tul
Vitrokerámia, üvegkerámia Feldolgozás üvegként, utána kristályosító hőkezelés Egy vagy több kristályfajta kiválik Tulajdonságok: Kerámia: szilárdság, hőállóság Üveg: tömörség, felületi simaság Elérhető negatív vagy 0 hőtágulás LTTC (Low Temperature Cofired Ceramic) üvegkerámia szerkezet kialakulása (Multichip modul hordozó)
Villamos tulajdonságok Ált: jó szigetelő : 10 13-10 17 cm csekély ionos vezetés, (Na + ), keményü, kvarcü. jobb szigetelő Hőmérsékletfüggés exponenciális, T K100 = az a T, ahol = 100M cm Felületi ellenállás: nagyon függ a páratartalomtól és a felület állapotától Átütési szilárdság nagy: kb. 30 60 kv/ cm romolhat: nagy alkáli tartalmú üvegekben Hibás, buborékos üvegben Dielektromos tulajdonságok: rel : 3-10 tg : 10-4 (kvarc) 10-1 lágy üveg
A Név, neptun kód B Név, neptun kód http://www.youtube.com/wat ch?v=tfvbjlen26u
A B A anyag fajlagos vezetőképessége 10 µs, B anyagé 30 µs. Rajzolja le vázlatosan egy grafikonon, hogy változna az ötvözeteik vezetőképessége. A:) ha szilárd fázisban csak részlegesen oldódnak egymásban (kb 10%-ig) B:) ha szilárd fázisban korlátlanul képesek elegykristályt képezni
A Rajzolja le a Fermi- Dirac statisztika szerinti betöltési valószínűségi függvényt! T > 0K Jelöljön minden fontosat az ábrán! B Két fém fázisdiagramja látszik az ábrán. Rajzolja le, hogy változik az ötvözet fajlagos ellenállása az összetétel függvényében! (ρ A = 10μΩcm, ρ B = 5μΩcm)
G H A B B Milyen fázis(ok) vannak az A területen, a G területen? Milyen lesz a kiváló szilárd fázis összetétele, ha az E pontból hűl az olvadék? Indoklás kell! Milyen fázis(ok) vannak a H területen, a B területen? Lehet-e olyan összetételű a kivált szilárd fázis, amilyenre az F nyíl mutat? Indoklás kell!
Polimerek
Alapfogalmak Természetes polimerek: Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) Polipeptidek, fehérjék Kaucsuk, gumi Mesterséges polimerek, műanyagok Monomer: építőegység Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal Alapstruktúra: Szabad rotáció
Csoportosítás Láncalkotók (monomerek) szerint Szénlánc: Poli-etilén, PE Poli-propilén, PP Heterolánc Poliéter: - R O R O Poliészter: - R O CO R Poliamid: - R CO NH R Poliuretán, poliszulfid, stb. Szilikonok: Poli-vinilklorid, PVC Poli-sztirol, PS
Polimer lánc alakja szerint Lineáris, fonal Elágazó fonal Térhálós Kissé térhálós: elasztikus Termikus viselkedés szerint Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló Hidegen keményedő
Mikroszerkezet Amorf: üvegszerű, összegabalyodott láncmolekulák általában átlátszó (PMMA, PS) Kristályos: részben rendezett tartományok. jell.: kristályosság foka: 50 90% általában átlátszatlan (PE, PP) Feltétel: Nem elágazó láncok Közel azonos lánchossz Esetleg H-híd a láncok között (pl: nylon)
Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok: Monomertől, technológiától, katalizátortól függ
Termikus tulajdonságok Hőállóság mésékelt Jellemző hőmérsékleti tartományok: T g : transzformációs hőm T f : lágyulási hőm T D : degradálódási hőm Amorf polimerek termomechanikai görbéi
Használható tartomány: Leggyakoribb T g és T f (ill. T m ) között T g alatt törékeny fagyállóság határa (T m : a kristályos fázis olvadáspontja) Részben kristályos polimerek termomechanikai görbéi
Mechanikai tulajdonságok Minden tulajdonság nagyon függ: Kémiai összetételtől (monomer) Polimer molekula mérete alakja Adalékok Szál, fólia erősebb, mint a tömb Hőmérséklet: T g alatt / fölött Gyakorlatilag tetszőleges mechanikai tulajdonságok előállíthatók Polietilén és polisztirol nyújtási diagramja
Kémiai tulajdonságok Általában jó vegyszerállóság Savaknak, lúgoknak ellenáll Oldószerekben néha duzzad, ritkán oldódik (de PVA vízben oldódik) Korrózió: csekély, de feszültségkorrózió: mech feszültség + oldószer / felületaktív anyag Öregedés, lassú oxidálódás, bomlás Optikai tulajdonságok Üveg helyettesítés: PMMA, PC Amorf: átlátszó Kristályos: matt Mindegyik színezhető UV érzékenység: bomlás, elszíneződés Kettőstörés: Mechanikai feszültségektől Láncmolekulák rendeződésétől
Villamos tulajdonságok Szigetelők: villamosiparban: PE, PP PVC: ált. szigetelő (kábel) PS: fóliakondenzátor Teflon, szilikon: különleges célokra, nagy, kis tg NYHL: (üvegszálas) epoxi Átütési csatorna PP-ben
Vezető polimerek
- + OLED sávszerkezete Egyszerű OLED működése Fém elektród Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród Hordozó Emittált fény
Kopolimerek, adalékok Kopolimer: Együtt polimerizálva több monomer láncon belüli keveredés Pl: PE PP SAN (stirol akrilnitril), ABS (akrilnitril butadién stirol) Adalékok Lágyító Stabilizátor, öregedésgátló UV stabilizátor Öregedés gyorsító Lánggátló Színező Antisztatizáló Habosító
Típusok Rövid ismertetés a jegyzet Polimerek c. fejezetében Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele
Kompozitok
Társított anyag a tulajdonságok tervszerű alakítására Töbfázisú, összetett rendszer: Erősítő, ~ szálerősítő. Nagy szilárdság, nagy rugalmasági modulus (E) Befoglaló, mátrix. Kisebb szilárdság, nagy szívósság Jó kapcsolat a kettő között Cél: egynemű anyagban együtt el nem érhető tulajdonság-kombinációk megvalósítása. Eredetileg: hagyományos fémes szerkezeti anyagok mechanikai jellemzői és kisebb sűrűség, esetleg korrózióállóság, villamos szigetelés.
Erősítő Alapvetően szálas, mert a terhelés legtöbbször irányfüggő d ~ 10 µm A vékony szál általában hibátlanabb szerkezetű, jobb mechanikai tulajdonságok, mint a tömb anyagban. (polimer láncok párhuzamosan rendeződnek, üvegszálban hibátlanabb a felület)
Erősítőanyagok fő mechanikai tulajdonságai Száltípus Sűrűség g/cm 3 Szakítószilárdság (GPa) Rugalmassági modulusz (GPa) Szakadási nyúlás (%) Fajlagos szakadási hossz (km) Üvegszál (E) 2.6 2,5 72 4,8 96 Aramid (Kevlar) Polietilén (UHMWPE) 1,45 3,3 75 3,6 230 0,97 3,3 99 3,7 340 Acél 7,8 0,4 1,2 210 1,1 50 Szénszál(HS) 1,8 3,4 240 1,4 190
Erősítőanyagok Üvegszál: E-üveg : alkáliszegény boroszilikát C-üveg: kémiai ellenállás jobb R, S, T: javított mech. tul. Aramid (kevlár): (aromás poliamid) Szénszál: PAN szál hevítésével. Jó mechanikai tul. mellett kémiai ellenállás (HS: nagy szilárdság, IM: közepes modulus) Bór: C vagy W szálra gőzölve hőálló, alk: repülő Polietilén: ultranagy molekulatömeg, párhuzamos polimer láncok Kvarcüveg, kerámia, Természetes szálak
Rövidszálas erősítés Előnyös hőre lágyuló mátrixban, mert a hagyományos műanyag formázás használható Szálirány áramlás közben rendeződhet Erősítő fajlagos felülete nagy legyen elegendő tapadás Kritikus szálhossz függ a tapadási nyírófeszültségtől, pl. üveg/epoxi esetén 0,25 0,03mm Szövött erősítő Lökhárító: PP és részben irányított üvegszál Felületek kialakítására Különböző mintázattal
Mátrix anyagok Szerep: az erősítő (szálak) elválasztása, a terhelés továbbítása, elosztása, kémiai védelem önálló mechanikai, villamos, termikus tulajdonságok Hőre lágyuló polimerek Térhálós polimerek: epoxi, poliészter Üveg Kerámiák, fémek
A mátrix és az erősítő közötti kötés Megfelelő erős kötés a szál és a mátrix között (ha túl erős, rideggé válik a kapcsolat, a repedés nem áll meg) A mátrix zsugorodása belső feszültséget okozhat. Poliésztereknél ~8% Az üveg epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre Szója alapú biokompozit törésfelülete
Lehet: Kompozit tulajdonságok csak az erősítő, csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy eredő Hőállóság: mátrix Vill.tul: eredő
Technológia Anyagpárosítástól, alaktól függően egyedi, sok kézi munkával Rövidszálú erősítő + hőre lágyuló mátrix: szokásos polimer technológiák (fröccsöntés, sajtolás, extrudálás, stb.) Rövid szál + hőre nem lágyuló mátrix felvitele szórással Hosszú szálú erősítő + hőre nem lágyuló mátrix: Szál, szövet előállítása külön folyamatban
Laminálás Több réteg, szövött erősítő Döntő a térhálósodás teljes végbemenetele. Monomer ne maradjon. Lehet: Hőre térhálósodó Hidegen keményedő (exoterm, rossz hővezető!) Prepreg: szövet bevonva részben térhálósított gyantával (preimpregnated) Kézi laminálás Pultruzió: az erősítő szálak rendezett elhelyezése
Alkalmazások Vonat vezetőfülke Közlekedés: súlycsökkenés, korrózióálló, vízálló, Sporteszközök Villamosipar: NYHL, villanyoszlop, szélkerék
Szénszál-kompozitos kerékpár
Különleges kompozitok Folyadékkristályos polimerek (LCP): Pálcika vagy lemez alakú molekulák Molekuláris méretű erősítő, jó kapcsolat a mátrixszal Orientáció el. térrel szabályozható A mezomorf állapot a mátrix op-je fölött Újraformázás, recycling megoldható Önerősítő kompozitok: Ugyanaz a polimer az erősítő, mint a mátrix, csak szállá húzott, nagyobb móltömegű vagy kristályos PE, PP
Nanokompozitok Molekuláris kapcsolat a mátrix és az erősítő között Nanoméretű anyag lehet szinte hibátlan szerkezetű, jobb szilárdságú Pontosan tervezhető tulajdonságok Erősítő: CNT, csillám, tű-, lemez alakú szervetlen kristályok Dendrimer szerkezet Au atomokkal