Kerámiák 1. Homogenizálás Nyersanyagok + víz + kötőanyagok 2. Formázás Korongolás (kézi, gépi) Sajtolás (izosztatikus, forró) Extrudálás Fröccsöntés 3. Hőkezelés Szárítás Technológia 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 Csoportosítás Hagyományos szilikátkerámiák Építőanyagok: cement, tégla, fajansz, stb Üvegekek, Fémoxidok, nitridek, boridok stb. Mesterségesen előállított szilárd, nemfémes, szervetlen (műszaki) anyagok. Technológiájukban közös; nyers formázás hőkezelés (kivétel: üveg) Tulajdonságok Nagy mechanikai szilárdság, nyomószilárdság, kopásállóság Ideálisan rugalmas Jó hőállóság Általában jó hőszigetelés Jó villamos szigetelés 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 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 1
Alumínium-oxid - Korund -Nagyon jó szigetelő: ρ > 10 16 Ωcm tgδ < 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 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 Csoport Jell. képviselő Tulajdonság, jellemző Felhasználás Szilikátok: Porcelán (kaolin, földpát, kvarc alkáli-alumínium-szilikát) 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 Lágy üveg: adott viszkozitást alacsonyabb hőmérsékleten ér el Kemény üveg: ~ Ferritek WC B 4 C jó mechanikai tul. atomreaktor lágy és kemény mágnesek Szteatit (magnézium-szilikát) nagyfrekv. szigetelő, ellenálláshordozó Korund: Al 2 O 3 jó vill szigetelő, hőálló, jó hővezető, MCM hordozó, nagyfrekv. szövetbarát szigetelő, implantátum Oxidkerámiák: Szupravezetők YBa 2 Cu 3 O 7-x MgB 2 T c 100K 1. Anyagtípus 2. Fázisállapot, szerkezet Kialakulása: olvadék túlhűtése Üvegalkotó: SiO 2, (Ge, B, P-oxidok) Üvegek Jellegzetes lehűlési görbe: a másodlagos intenzív paraméterek folytonosan változnak, de Tg környékén a meredekség változik. 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 Feszültségek Típusok: Maradandó: kötési Üveg üveg Fém üveg Kerámia üveg Temperálható: Hűlési Ideiglenes Mechanikai T g alatti hőmérsékletkülönbség 2
Üvegtípusok Alapfogalmak Lágy Na, Ca, Mg oxid, Σ30% 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 Természetes polimerek: Poliszacharidok (keményítő, cellulóz) Polipeptidek, fehérjék Kaucsuk, gumi Mesterséges polimerek, műanyagok Monomer: építőegység Polimer: főképp szénlánc, különböző oldalágakkal Alapstruktúra: Szabad rotáció Villamos tulajdonságok Ált: jó szigetelő ρ: 10 13-10 17 Ωcm csekély ionos vezetés, (Na + ), keményü, kvarcü. jobb szigetelő Hőmérsékletfüggés exponenciális, T K100 = az a T, ahol ρ = 100MΩcm 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: ε rel : 3-10 tgδ: 10-4 (kvarc) 10-1 lágy üveg Láncalkotók (monomerek) szerint Szénlánc: Poli-etilén, PE Poli-vinilklorid, PVC Csoportosítás Poli-propilén, PP Poli-sztirol, PS Heterolánc Poliéter: - R O R O Poliészter: - R O CO R Poliamid: - R CO NH R Poliuretán, poliszulfid, stb. Szilikonok: Polimerek Polimer lánc alakja szerint Lineáris, fonal Elágazó fonal Térhálós Kissé térhálós: elasztikus Termikus viselkedés szerint Hőre lágyuló Hőre nem lágyuló Hidegen keményedő 3
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) 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 Átlag-móltömeg, polimerizáció-fok: Monomertől, technológiától, katalizátortól függ 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 Termikus tulajdonságok Hőállóság mésékelt Jellemző hőmérsékleti tartományok: T g : transzformációs hőm T f : lágyulási hőm T D : degradálódási hőm Amorf polimerek termomechanikai görbéi 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 4
Villamos tulajdonságok Szigetelők: villamosiparban: PE, PP PVC: ált. szigetelő (kábel) PS: fóliakondenzátor Teflon, szilikon: különleges célokra, nagy ρ, kis tgδ NYHL: (üvegszálas) epoxi Átütési csatorna PP-ben 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 Vezető polimerek Típusok Rövid ismertetés a jegyzet Polimerek c. fejezetében Poliuretán hab vágási felületének SEM felvétele OLED sávszerkezete Egyszerű OLED működése Fém elektród Kompozitok Fénykibocsátó polimer réteg Átlátszó elektród Hordozó + - Emittált fény 5
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. 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 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) 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 Lökhárító: PP és részben irányított üvegszál Szövött erősítő Felületek kialakítására Különböző mintázattal Erősítőanyagok fő mechanikai tulajdonságai Mátrix anyagok Száltípus Üvegszál (E) Aramid (Kevlar) Polietilén (UHMWPE) Acél Szénszál(HS) Sűrűség g/cm 3 Szakítószilárdság (GPa) Rugalmassági modulusz (GPa) Szakadási nyúlás (%) Fajlagos szakadási hossz (km) 2.6 2,5 72 4,8 96 1,45 3,3 75 3,6 230 0,97 3,3 99 3,7 340 7,8 0,4 1,2 210 1,1 50 1,8 3,4 240 1,4 190 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 6
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% Szója alapú biokompozit törésfelülete Az üveg epoxi határfelületen erős kémiai kötés jön létre 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 Kompozit tulajdonságok Lehet: csak az erősítő, csak a mátrix eredeti jellemzője, vagy eredő Hőállóság: mátrix Vill.tul: eredő Alkalmazások Közlekedés: súlycsökkenés, korrózióálló, vízálló, Sporteszközök Villamosipar: NYHL, villanyoszlop, szélkerék Vonat vezetőfülke 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 Szénszál-kompozitos kerékpár 7
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 8