kompozyty materia y wsp czesnej techniki n.
Download
Skip this Video
Loading SlideShow in 5 Seconds..
Kompozyty - materiały współczesnej techniki PowerPoint Presentation
Download Presentation
Kompozyty - materiały współczesnej techniki

Loading in 2 Seconds...

play fullscreen
1 / 53

Kompozyty - materiały współczesnej techniki - PowerPoint PPT Presentation


  • 875 Views
  • Uploaded on

Kompozyty - materiały współczesnej techniki. Technologia i zastosowanie. Mikołaj Szafran. kompozyty ceramika–metal-polimer. METAL. POLIMER. CERAMIKA. kompozyty ceramika-metal. kompozyty ceramika-polimer. Nowoczesne kompozyty w technice.

loader
I am the owner, or an agent authorized to act on behalf of the owner, of the copyrighted work described.
capcha
Download Presentation

PowerPoint Slideshow about 'Kompozyty - materiały współczesnej techniki' - meli


An Image/Link below is provided (as is) to download presentation

Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author.While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server.


- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - E N D - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -
Presentation Transcript
kompozyty materia y wsp czesnej techniki

Kompozyty - materiały współczesnej techniki

Technologia i zastosowanie

Mikołaj Szafran

slide2

kompozyty

ceramika–metal-polimer

METAL

POLIMER

CERAMIKA

kompozyty ceramika-metal

kompozyty

ceramika-polimer

Nowoczesne kompozyty w technice

slide3

„Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości – kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami między komponentami”.

(Encyklopedia Powszechna, PWN 1988, t. 5, s. 187)

slide4

Kompozyty

1.Kompozyt jest materiałem wytworzonym przez człowieka

2.Kompozyt musi składać się z co najmniej dwóch różnych (pod

względem chemicznym) materiałów z wyraźnie zaznaczonymi

granicami rozdziału między tymi komponentami (fazami)

3.Komponenty kompozytu tworzą go przez udział w całej objętości

4.Kompozyt powinien mieć właściwości różne od jego komponentów

Definicja (czteroczłonowa) Krocka i Broutmana (1967)

klasyfikacja

Kompozyty

Klasyfikacja

Podział w zależności od pochodzenia:

  • „kompozyty naturalne”
  • kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka

Podział według rodzaju osnowy:

  • kompozyty o osnowie niemetalicznej:

- polimerowej,

- ceramicznej,

- półprzewodnikowej 

  • kompozyty o osnowie metalicznej
ceramika metal kompozyt
Ceramika + Metal =Kompozyt
  • Cel:
  • Zwiększenie zakresu stosowania ceramiki
  • Nowoczesne materiały o osnowie ceramicznej o podwyższonym w wyniku modyfikacji wpółczynnika KIC doskonale konkurują z metalami
  • Zmiana właściwości elektrycznych i magnetycznych
slide7

RODZAJE KOMPOZYTÓW CERAMIKA- METAL

Cząstkowe

Infiltrowane

Kompozyty z nanocząstkami metalu

Cząstki metalu w osnowie ceramicznej

Porowata ceramika infiltrowana ciekłym metalem

Metal osadzony na proszku ceramicznym przed konsolidacją

slide8

Podstawowe mechanizmy wpływające na odporność na kruche pękanie materiałów kompozytowych

Odchylanie się pęknięcia wskutek omijania cząstek lub płytek

Mostkowanie pęknięcia przez cząstki

Ekranowanie pęknięcia przez przemianę fazową cząstek ZrO2

wp yw adunku podw jnej warstwy elektrycznej na mikrostruktur kompozytu ceramika metal 1
Wpływ ładunku podwójnej warstwy elektrycznej na mikrostrukturę kompozytu ceramika-metal (1)
  • N. Hernandez, A.J. Sanchez-Herencia, R. Moreno, Forming of nickel compacts by a colloidal filtration route, Acta Materialia, 2005. 53. 919-925
wp yw adunku podw jnej warstwy elektrycznej na struktur kompozytu ceramika metal
Wpływ ładunku podwójnej warstwy elektrycznej na strukturę kompozytu ceramika-metal

- proszek Fe

- proszek Ni

- proszek Al2O3

- proszek Al2O3

Możliwość otrzymania kompozytu z gradientem stężenia cząstek metalu

Kompozyty o równomiernym rozkładzie stężenia cząstek metalu

  • K. J. Konsztowicz, Wpływ heteroflokulacji zawiesin koloidalnych Al2O3-ZrO2 na mikrostruktury i właściwości mechaniczne ich kompozytów, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2004.

11

warunek otrzymania gradientu stosuj c metod slip casting
Warunek otrzymania gradientu stosując metodę „slip casting”

M. Szafran, E. Bobryk, K. Konopka, Wytwarzanie kompozytów gradientowych Al2O3-Fe metodą odlewania z mas lejnych, Kompozyty 6(2006)1,

rzeczywiste odleg o ci mi dzy cz stkami zawiesiny
Rzeczywiste odległości między cząstkami zawiesiny

Zawiesina o wysokiej dyspersji.

Zawiesina zaglomeryzowana - rzeczywista.

- proszek ceramiczny

M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, Ceramic matrix compositew with gradient concetration of metal particles, Journal of the European Ceramic Society. 27. 2007. 651-654

- proszek metaliczny

rzeczywiste odleg o ci mi dzy ziarnami zawiesiny
Rzeczywiste odległości między ziarnami zawiesiny

Zawiesina o wysokiej dyspersji.

Zawiesina zaglomeryzowana -rzeczywista.

- proszek ceramiczny

- proszek metaliczny

mikrostruktura kompozyt w

a

b

Mikrostruktura kompozytów

Mikrostruktura kompozytów ceramika-metal wykonanymi metodą odlewania masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39,5%obj.:

a) otrzymanej na drodze swobodnej sedymentacji,

b) przy dodatkowym wymuszeniu ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym.

M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, „Ceramic matrix composites with gradient concentratrion of metal particles”, J. Eur. Ceram. Soc., 27 (2007) 651-654

K. Konopka, M. Szafran, „Fabrication of Al2O3 – Al composites by infiltration method and their characteristic”, Journal of Materials Processing Technology 175 (2006) 266-270.

slide16

ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW

Materiały konstrukcyjne

Części maszyn i łożyska

Części silników

Materiały ścierne

Narzędzia skrawające

Biomedycyna, implanty

Powłoki ochronne

ceramiczne materia y kompozytowe

Kompozyt wzmocnionywłóknami

Kompozyt wzmocnionycząstkamistałymi

Kompozyt infiltrowany

Kompozyt warstwowy

Ceramiczne materiały kompozytowe
  • Celem techniki kompozytowej jest połączenie bardziej korzystnych właściwości różnych materiałów pod kątem określonego zastosowania.
  • Ceramika kompozytowa może zawierać takie składniki jak: metale, polimery czy też odmienną fazę ceramiczną jak np. whiskery (mikroskopijne pojedyncze kryształy w kształcie igieł).
slide18

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1550°C

Powiększenie 10 000 x w skaningowym mikroskopie elektronowym

slide19

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1600°C

Powiększenie 10 000 x w skaningowym mikroskopie elektronowym

slide20

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej

Pierwsze nanokompozyty były opisane już w latach 50-tych XX wieku,

1976r – opracowanie nanokompozytów poliamidowych

W latach 90-tych Toyota rozpoczyna prace nad kompozytami polimerowymi z mineralnymi napełniaczami (warstwowe glinokrzemiany).

Najbardziej znane nanonapełniacze dostępne handlowo:

Naturalne krzemiany 6-30 $/kg

Syntetyczne krzemiany 20-40 $/kg

Nanostrukturalna krzemionka 10-200 $/kg

Nanoceramika

(np.tlenek glinu, azotek krzemu, itp. ) 200-280 $/kg

Nanorurki 200-400 $/kg

slide21

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej

Aby działanie nanonapełniacza było efektywne, stosunek długości do grubości włókna powinien być większy od 20.

Ograniczenia materiałowe:

Zawartość 5% nanonapełniacza prowadzi do wzmocnienia porównywalnego z wywołanym 12-15% włókna szklanego

slide22

Nanocząstki 3D „proszkowe”

aglomeraty i równomierny rozkład

dobre rozdrobnienie, ale nierównomierny rozkład

aglomeraty i nierównomierny rozkład

dobre rozdrobnienie i dobry rozkład przestrzenny

Nanocząstki 2D włókniste

agregaty w postaci pęczków włókienek źle rozłożone w objętości

włókienka rozproszone, dobrze rozłożone w objętości, ale ułożone jednokierunkowo

KOMPOZYTY Z UDZIAŁEM NANONAPEŁNIACZY

- rozkład przestrzenny nanocząstek w objętości kompozytu

slide23

KOMPOZYTY STOMATOLOGICZNE

Nowoczesne materiały stomatologiczne oparte są na kompozytach, w których fazą ciągłą jest polimer, a proszki ceramiczne są wypełniaczami. Dlatego poszukuje się stale nowych rozwiązań, które zwiększyłyby wytrzymałość na zginanie, odporność na kruche pękanie, ścieralność, a jednocześnie zmniejszyłyby skurcz polimeryzacyjny.

slide24
Kompozyty o zastosowaniu stomatologicznym są kompozytami ceramiczno-polimerowymi zbudowanymi z trzech faz:
  • Organicznej
  • Nieorganicznej
  • Preadhezyjnej
faza organiczna ci g a
Faza organiczna (ciągła)

Stanowi ona od 20 do 40%obj. materiału.

Typową mieszaniną monomerów jest Bis-GMA/TEGDMA.

Bis-GMA- dimetakrylan eteru diglicydowego bisfenolu A

TEGDMA- dimetakrylan glikolu trietylenowego

Dodatki:

  • fotoinicjator
  • aktywator
faza nieorganiczna
Faza nieorganiczna

Stanowi od 50 do 80%obj. materiału kompozytowego.

Najczęściej jest to krzemionka, szkło strontowe, barowe lub

borowokrzemianowe o wielkości ziaren: makro-, mikro- i nano-.

Cząstki wypełniacza:

  • zapewniają trwałość wypełnienia
  • poprawiają właściwości mechaniczne (twardość, ścieralność)
  • zmniejszają skurcz polimeryzacyjny
  • zmniejszają sorpcję wody
  • obniżają współczynnik rozszerzalności cieplnej
faza preadhezyjna

+ żywica

silanizacja

Faza preadhezyjna

Umożliwia połączenie fazy nieorganicznej z organiczną poprzez

modyfikację powierzchni ziarna wypełniacza. Najpopularniejszym

środkiem wiążącym jest γ-metakryloksypropylotrimetoksysilan

o następującym wzorze:

schemat przygotowywania kszta tek

Przygotowanie proszków

Modyfikacja powierzchni otrzymanych proszków - silanizacja

Przygotowanie żywicy

Wprowadzanie proszku (proszków) do żywicy

Mieszanie

Formowanie

Utwardzanie

Kształtki

Schemat przygotowywania kształtek:
  • Forma teflonowa (mała adhezja masy kompozytowej)
  • Lampa MEGALUX
  • o natężeniu światła 750-900 mW/cm2 i mocy żarówki 75 W
slide29
Podczas procesu polimeryzacji może dojść do dwóch zjawisk:
  • Skurcz polimeryzacyjny

Polega na zbliżaniu się do siebie cząsteczek na skutek oddziaływania sił

Van der Waalsa. Jest to zjawisko niekorzystne, powodujące ogólny spadek

wytrzymałości wypełnienia.

  • Inhibicja tlenowa

Zjawisko wywołane obecnością tlenu w otoczeniu. Zjawisko te jest bardzo

niepożądane, ponieważ powoduje spowolnienie procesu polimeryzacji oraz

niecałkowite przereagowanie wiązań podwójnych.

inhibicja tlenowa c d
Inhibicja tlenowa c.d.
  • rodzaju i ilości zastosowanego fotoinicjatora
  • temperatury
  • reaktywności układu
  • lepkości układu
  • grubości polimeryzowanej warstwy
  • stężenia tlenu w układzie
  • natężenia i długości fali światła
  • Stopień inhibicji tlenowej zależy między innymi od:
  • Sposobem przeciwdziałania inhibicji tlenowej może być:
    • zastosowanie światła o dużej intensywności
    • zastosowanie osłon z gazu obojętnego
    • zastosowanie barier z przezroczystych folii, tworzyw sztucznych lub wosków parafinowych
    • tworzenie przez monomery wiązań wodorowych
    • zastosowanie monomerów wielofunkcyjnych
metodyka otrzymywania kszta tek kompozytowych ceramika polimer

Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości

  • Spiekanie otrzymanych kształtek
  • Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanych

kształtkach i polimeryzacja w porach

Gotowy materiał kompozytowy

Metodyka otrzymywania kształtek kompozytowych ceramika - polimer
spos b otrzymywania kompozytu ceramika polimer
SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTUCERAMIKA - POLIMER

Przygotowanie folii ceramicznych o różnej porowatości

Laminowanie otrzymanych folii

Spiekanie otrzymanej kształtki

Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanej kształtce i polimeryzacja w porach.

Gotowy materiał kompozytowy

slide37

Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie (σsc) i na rozciąganie (σr) kształtek sporządzonych z frakcji elektrokorundu 500 μm  600 μm o średniej wielkości porów 258 m infiltrowanych wybranymi polimerami z podanymi stopniami zapełnienia porów (Sp) bez dodatku oraz z dodatkiem środka preadhezyjnego

slide38

MICROSTRUCTURE OF ALUMINA CERAMICS SAMPLES

- porous material with porosity gradient

Ceramics- polymer composite

Porous ceramic material with porosity gradient

(without polymer)

slide39

MICROSTRUCTURE OF PHOSPHATE CERAMICS SAMPLES

Porous material

Ceramics-polymer composite (30% filling of pores with polymer)

Ceramics-polymer composite (50% filling of pores with polymer)

slide40

30

25

20

1- cykl ściskania

 [MPa]

15

Kompozyt

10

2 i 3- cykl ściskania

5

Elastomer

0

5

10

15

20

25

30

 [%]

Kompozyt ceramika-polimer

Zachowanie pod obciążeniem ściskającym

slide42

Nanomateriałem nazywamy stan skondensowanej materii lub molekuł, który wykazuje nowe zachowania nie ujawnione przez te materiały przy rozmiarach mniejszych bądź większych...

.....konkretny rozmiar, przy którym to ma miejsce zależy od otoczenia, w którym materiał się znajduje oraz od konkretnej badanej właściwości materiału.

Navrotsky, 2002

slide43

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały

Wielkość ziarna (na ogół) 110 nm

lecz nie większa niż 100 nm

slide44

Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie:

wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4x

mikrotwardość wzrasta dwa razy,

np. n-Al2O3-SiC (10%obj.)

przewodnictwo cieplne spada kilka razy

odporność na ścieranie wzrasta 4 razy,

np. n-Al2O3-TiO2 (13%obj.)

przesuwa się granica plastyczności materiału

slide45

Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej

B.Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

slide46

powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jego wnętrze

symulacja metodami dynamiki molekularnej

slide47

pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową

wnętrze-powierzchnia (core-shell)

slide48

Spiekanie

Nanoproszki – problemy z zagęszczaniem

slide49

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych

Warstwa wody na ziarnie tlenku glinu

slide50

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych

Nakładanie się warstw wody

(R - promień ziarna; l - grubość warstw wody; R+l – efektywny promień cząstki)

slide52

NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY

Wielkość ziarna ( na ogół) 1÷10 nm, lecz nie większa niż 100 nm

 Droga i skomplikowana produkcja nanoproszków

 Eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych

 Trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych

 Minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

PODSTAWOWE PROBLEMY OTRZYMYWANIA NANOPROSZKÓW

slide53

Mikroreaktor ceramiczny

R.Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)