Szerkezeti anyagok

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

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. Bőr • 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. 85-88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége. • Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik.

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. CH2 = CH2 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

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. Feszültség Feszültség Deformáció Deformáció Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: • a hőmérséklet Amorf Kristályos

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

29. PA Feszültség Deformáció Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: • a nedveségtartalom

30. Viszkoelesztikus viselkedés Adott igénybevétel hatására kialakuló alakváltozás: ö= r+ k+ m r pillanatnyi rugalmas k késleltetett rugalmas m maradó alakváltozás

31. Összes alakváltozás az idő függvényében

32. A viszkoelesztikus viselkedés következménye • Kúszás • Relaxáció

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

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

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

36. 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

37. 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.

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

39. 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

40. Kerámia anyagok csoportosítása (1) • Alkotók szerint: • Oxidkerámiák (pl. Al2O3) • Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) • Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt) • Gyártás szerint • Olvasztás (üveggyártás) • Hidrát kötés (cement) • Nedves formázás (agyag árúk) • Porkohászat (műszaki kerámiák)

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

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

43. Kerámiák

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

45. Egyatomos kerámiák • Karbon • Szilícium • Germánium • Köbös bór-nitrid

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

47. 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

48. 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 .

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

50. Nitrid és karbidkerámiák • titánnitrid (felületi bevonat), • köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. • szilícium nitridek Si3N4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégető-ill. örvénykamra anyaga lehet.