3

Villamosipari anyagismeret 3/3 3.

ANYAGISMERET ....................................................................................................................................... 1 3.1.

FÉMEK...................................................................................................................................................... 1

3.1.2. 3.2.

Nem-vas fémek ........................................................................................................................... 15

KERÁMIÁK ............................................................................................................................................... 32

3.2.1.

Hagyományos kerámiák ............................................................................................................. 33

3.2.2.

Kerámiák tulajdonságai .............................................................................................................. 38

3.2.3.

Kerámia típusok .......................................................................................................................... 39

3.3.

ÜVEGEK .................................................................................................................................................. 48

3.4.

POLIMEREK ............................................................................................................................................. 65

3.4.1.

Polimer alapok, felépítés, szerkezet ............................................................................................ 66

3.4.2.

Termikus viselkedés..................................................................................................................... 70

3.4.3.

Mechanikai tulajdonságok .......................................................................................................... 73

3.4.4.

Villamos tulajdonságok ............................................................................................................... 75

3.4.5.

Kémiai tulajdonságok.................................................................................................................. 77

3.4.6.

Polimer típusok ........................................................................................................................... 78

3.4.7.

Környezetvédelmi szempontok ................................................................................................. 103

3.5.

KOMPOZITOK ......................................................................................................................................... 107

3. Anyagismeret 3.1.

Fémek

A Mengyelejev-féle periódusos rendszerbe foglalt, a természetben is megtalálható 92 elem túlnyomó többsége fémes elem. Ezeket az elemeket a tulajdonságaiktól függően alkalmazzuk a műszaki gyakorlatban. A felhasználás során a mechanikai, villamos, mágneses tulajdonságai a legfontosabbak, de a megmunkálás kiválasztásához a technológiai tulajdonságokat is feltétlenül ismerni kell. A fémeket különböző szempontok szerint szokták csoportosítani:

A periódusos rendszerben elfoglalt helyük alapján beszélhetünk:

1



alkáli fémekről: a táblázat első oszlopában helyezkednek el (pl.: lítium, nátrium, kálium, stb.), jellemzőjük az alacsony olvasáspont, kis sűrűség, általában puhák,



alkáli földfémekről: a táblázat második oszlopában találhatók (pl.: berillium, magnézium, kálcium, stb.), ezek a fémek keményebbek, mint az előző oszlopban lévők,



rézcsoportról: melyek jó vezető tulajdonságokkal bírnak, ennek alapján a villamos berendezésekben alkalmazzák főként ezeket a fémeket (arany, ezüst, réz),



vascsoportról: elsősorban a jó mechanikai tulajdonságaikat használják ki a műszaki berendezésekben, de pl.: jó mágneses tulajdonságokkal rendelkeznek (pl.: vas, kobalt, nikkel),



széncsoportról: melyeket félfémeknek is neveznek (pl.: szén, szilícium, germánium) ezeket az elemeket főként a villamosiparban félvezetők anyagaként alkalmazzák.

3.1.1. ábra: A fémek elhelyezkedése a periódusos rendszerben A felhasználás és a megmunkálás szempontjából néhány fontos fizikai tulajdonság szerint is csoportosíthatjuk a fémeket. Ilyen fontos fizikai tulajdonság az olvadáspont. Eszerint beszélhetünk: 

alacsony olvadáspontú fémekről, melyeknek Tolv < 1000°C



közepes olvadáspontú fémekről, melyeknek 1000 oC < Tolv < 2000°C,



magas olvadáspontú fémekről, melyeknél Tolv > 2000°C.

Sűrűségük alapján megkülönböztethetünk: 

könnyű fémeket, ρ < 4,5 kg/dm3 ,



nehéz fémeket, ρ > 4,5 kg/dm3.

Az alkalmazási lehetőségeket tekintve fontos mechanikai tulajdonság lehet még a:

2



keménység,



szívósság,



képlékenység, ridegség,



rugalmasság, stb.

A fémeket különböző technológiák segítségével munkálják meg. Az alakíthatóság, az alkalmazható lehetséges technológiák szerint is csoportosíthatók. Tehát az: 

önthetőség,



kovácsolhatóság,



forgácsolhatóság,



edzhetőség,



az alkalmazható kötési technológiák (pl.: hegeszthetőség, forraszthatóság), stb szerint is.

Vas és ötvözetei Vas (Fe), ρ= 7,86 kg/dm3 A vas az iparban a leggyakrabban használt fém. Fehéres színű, fajlagos ellenállása ρ= 9,71.10-6 Ωcm, olvadáspontja 1538°C, viszonylag lágy anyag, így jól nyújtható, jól alakítható, II-III esetleg IV vegyértékkel alkot vegyületet. Ferromágnesességét a Curie-hőmérsékletig tartja meg. A színvas előállítási költsége viszonylag magas. Csak ott alkalmazzák ahol kiváló mágneses paraméterekre, vagy nagy alakíthatóságára van szükség. Tulajdonságai ötvözéssel és hőkezeléssel széles határok között változtathatók. Felhasználni is főként különböző ötvözeteit szoktuk.

3

Vas-szén állapotábra

3.1.2. ábra: Vas-szén ikerdiagram, vas-szén állapotábra A vas leggyakoribb és legfontosabb ötvöző eleme a szén, mely a hűlési sebességtől függően vagy grafit vagy vegyület (Fe3C vaskarbid, mint vegyület; cementit, mint szövetszerkezet) formában lehet jelen az ötvözetben. Ez jelenik meg a 3.1.2. ábrán, ezért nevezik ikerdiagramnak. A Fe-C rendszer stabil (szaggatott vonal jelöli az ábrán), ebben a rendszerben a szén maximálisan 100 s%-ban lehet jelen, itt természetesen nincs vegyület fázis, hanem a szén grafitos kristályos módosulata van. A két diagramm között nagyon kis különbség van. A Fe- Fe3C rendszert (folytonos vonal jelöli) metastabil rendszernek nevezik, itt a szén koncentráció tartománya 6,7 s%, ugyanis ez a Fe3C vaskarbidban lévő szén súlyszázalékának felel meg. E második rendszernek van nagyobb gyakorlati jelentősége, főként a max. 4,3 s% szenet tartalmazó ötvözetnek, azaz az acélnak. A diagramban található számértékek különböző irodalmakban kis mértékben eltérhetnek. A tanulmányaink során a peritektikus reakció hőmérsékletén (A pont környéke) lezajló folyamatokkal nem foglalkozunk. Az ACD likvidusz vonal felett folyékony fázis van, az AECF szolidusz vonal alatt (a diagram bal felső, peritektikus módosulataitól eltekintve) pedig csak szilárd fázis található. A két görbe között a két fázis egy időben megtalálható. 4

A vas szénoldó képessége függ a hőmérséklettől. A dermedés hőmérsékletén (szolidusz vonal, AECF vonal) a maximális szénoldó képessége az E ponthoz tartozó koncentráció vonalnál leolvasható. A további lehűlés közben a vas szénoldó képessége csökken, a szén kiválik. Az ötvözetben a szén előfordulhat oldott állapotban, kivált állapotban és vegyület (Fe3C) formájában. Az α-vas szilárd oldata a ferrit (GPQG területen), térközepes köbös térrácsa van, ezért szénoldó képessége kisebb, mint a lapközepes köbös γ-vas szilárd oldatának (AESGA területen) az ausztenitnek. A maximális szénoldó képességet jelöli a P pont (ferrit max. szénoldó képessége) és az E pont (ausztenit max. szénoldó képessége). Az olvadékból határozott dermedés pontnál, a C pontnál közvetlenül szilárdul meg az eutektikum. A ledeburit ausztenitből és cementitből álló szövetszerkezet. Hasonlóan az S pontnál kikristályosodó eutektoid, a perlit, mint szövetszerkezet.

3.1.3 ábra: A keletkezett szövetszerkezetek Az E ponthoz tartozó összetétel alatt az ötvözetet acélnak és az ennél magasabb szén-súlyszázalékot tartalmazó ötvözetet öntöttvasnak nevezik. Szilárd állapotban, szobahőmérsékleten megjelenő szövetszerkezet alapján négyféle változat különböztethető meg: 

S ponthoz tartozó koncentráció egyenesig: ferrit, perlit és kevés cementit (tercier harmadlagos kiválású) van jelen,



Az előzőtől az E ponthoz tartozó függőleges egyenesig terjedő területen: perlit és cementit (szekunder – másodlagos kiválású) található a kialakult szövetszerkezetben,

5



E és C ponton átmenő (eutektikus vonalig) koncentráció egyenesek közötti területen: perlit, ledeburit, cementit van jelen,



Végül, az utolsó szakaszon: ledeburit és cementit (primer – elsődleges cementit: közvetlen az ömledékből kikristályosodó) található a szilárd fázisban.

Acél Ha a vas-szén ötvözetben a szén súlyszázaléka 2,1 (2,06) alatt van, akkor acélról beszélnek. Az acél jó szilárdsági jellemzőkkel rendelkezik. Az acél nagyon kis mennyiségben tartalmazhat más ötvöző anyagokat is: S, P, valamint a gyártáshoz szükséges Si, Mn. Az acélok

tulajdonságai

ötvözőelemekkel

befolyásolhatók.

Minden olyan elemet amely szándékosan, az alapfém (amely legnagyobb súly százalékban fordul elő az ötvözetben) valamely tulajdonságának megváltoztatására viszünk be az alapfémbe ötvözőnek nevezünk. Azokat az elemeket, amely akaratunktól függetlenül, pl.: a feldolgozás során kerülnek az alapfémbe, szennyezőnek nevezünk. A vas ötvöző elemei lehetnek: 

fémes ötvözők, ill.



nem fémes elemek, a metalloidok.

Az ötvözőelemek a vassal általában szilárdoldatot alkotnak: 

ferritben jól oldódnak: Cr, Al, Ti , Ta, Si, Mo, V, W,



ausztenitben jól oldódnak: Ni, C, Co, Mn, N.

3.1.4. ábra: A Fe-C állapotábra - acél

Néhány jellegzetes ötvözött acél: 

krómacélok: a króm passziváló hatása az ötvözet krómtartalmától függ,  0-12 % Cr tartalmú ötvözetek: jelen esetben a króm az átedzhetőséget befolyásolja, a nagy szilárdság, nagy keménység a jellemző ezekre az ötvözetekre (szerszámacélok, nemesíthető szerkezeti acélok),  12-30 % Cr-tartalmú acélok: itt főként a Cr-t korróziógátló hatása miatt alkalmazzák, az acél felületén jól tapadó, tömör oxidréteg, homogén szövetszerkezet alakul ki a Cr hatására,

6



wolframacélok: mivel az acél oldékonysága kicsi, így Fe3W2, vegyületfázis és WC (a wolfram karbidképző) válik ki, ezt kiválásos keményedésnek nevezzük, a mechanikai szilárdság megnő. Ezek a fázisok csak 600°C feletti hőmérsékleten kezdenek bomlani, ezért olyan szerszámanyagoknak alkalmazzák, melyek magas hőméréskleten dolgoznak, pl.: forgácsoló szerszámok, melegalakító szerszámok, stb.

Egyéb ötvözőanyagok: 

molibdén (Mo): más ötvözőanyagokkal együtt használják, növeli az acél szívósságát, vegyszerekkel szembeni ellenálló képességét,



vanádium (V): más ötvözőanyagokkal együtt alkalmazzák, a vassal és a szénnel is vegyületet képez, a szemcseszerkezet finomságának növelését segíti elő,



titán (Ti): szinte a legerősebb karbidképző ötvöző elem, szemcsefinomságot növeli, erős dezoxidáló tulajdonsága van,



szilícium (Si): magas szilícium tatalmú acélok korrózióállósága nagy, így vegyipari berendezések alapanyagának használják, lágymágneses anyagok csoportjába tartozik, villamos gépek, transzformátorok vasmagjainak anyaga.

Az acélok szabványos jelölése: 

Az MSZ EN 10027 tartalmazza az acélok jelölési rendszerét. Az acélminőségek jelölésére két módot alkalmaznak. a) az acélminőségek rövid jelét az MSZ EN 10027-1:1994, acélanyag kódja, mely megfelel az acélok mechanikai tulajdonságainak és felhasználásuknak b) az acélminőségek számjelét az MSZ EN 10027-2: 2006 írja le, felhasználás, termékforma kódja, mely jelölés a kémiai összetételnek felel meg.

A rövid jel egy főjelből és egy számból áll. Az 1. csoport főjel utalhat a felhasználási területre, az utána következő szám pedig a folyáshatárra vonatkozik (pl.: E360, E – gépacél, folyáshatár N/mm2); vagy a szakítószilárdság értékére (pl.: R0900Mn, R – sínacél, szakítószilárdság N/mm2). A kiegészítő jelek két részből állhatnak, amely lehet valamilyen mechanikai tulajdonságra való utalás (pl.: ütőmunka), majd a vizsgálati hőmérséklet, valamint lehet a szállítási állapotra való utalás. A 2. főjel csoport az acélok kémiai összetételére utalnak. 

ötvözetlen acélok (a Mn tartalom 1 %-nál kisebb) jelölése: C és a szám pedig a széntartalom százalékértékének százszorosa (pl.: C45R, 0,45 s% széntartalom),

7



ötvözetlen acélok (a Mn tartalom min. 1 %), ötvözött acélok (ha az ötvözetben egyik elem mennyisége sem haladja meg az 5 %-ot), a jelölés tartalmazza a széntartalom százszorosát, az ötvözők vegyjelét a mennyiség csökkenésének sorrendjében, a mennyiséget jelző szám pedig az ötvözőtartalom - egy szabvány által meghatározott – konstanssal történő megszorzásából adódik,



ötvözött acélok (ha bármelyik ötvöző mennyisége meghaladja az 5 %-ot), jelölés: X betű, a szám jelöli a széntartalom százszorosát, tartalmazza az ötvözők vegyjelét a mennyiség csökkenésének sorrendjében és az ötvözőelem mennyiségét (pl.: X210Cr12 - 2,1 % C tartalom, 12 % Cr tartalom),



a gyorsacélokat HS betűkkel jelölik, a jelölés tartalmazza még sorrendben a volfram (W), molibdén (Mo), vanádium (V) és a kobalt (Co) tartalmat, egymástól kötöjellel elválasztva. Minden gyorsacél tartalmaz 4 % krómot, így ezt nem tüntetik fel (pl.: HS 6-5-2-5, gyorsacél 6% volfram, 5 % molibdén, 2 % vanádium, 5 % kobalt és 4 % króm tartalommal).

Acélszámoknak nevezzük az acélok jelölésére használt számjeleket, az adatfeldolgozást könnyíti meg ez a jelölési rendszer. A számrendszer öt számjegyből áll. Az első számjegy mindig „1”, ez az anyagcsoport jele, mely jelen esetben az acél. Az anyagcsoportot a többi számjegytől egy pont, „.” választja el. A következő két számjegy az acél csoport száma, és az utána következő két számjegy a sorszám. Esteleg zárójelben újabb két számjegyvan, melyet további lehetséges jelölésre tartanak fenn. Ehhez az acélokat fő csoportokra osztották (pl.: ötvözött acélok, ötvözetlen acélok). Ezeken belül vannak alcsoportok, és az alcsoportok is tovább oszthatók (pl.: ötvözetlen acél – főcsoport, minőségi acélok és nemesacélok – alcsoportok, ahol a nemesacélok tovább bonthatók még szerszámacélok, korrózióacélok, stb alcsoportokra) Az acél csoportszámát egy, a szabványban található táblázát segítségével határozhatjuk meg. Ebben a táblázatban helyezték el a különféle acélokat, az oszlopok a fő- és alcsoportokat adják. A csoportszámban az első számjegy az oszlop száma és a második jegy pedig a sornak a száma ahol a táblázatban az adott acél elhelyezkedik.

Az alakítható acélok felhasználási céljuk szerint három csoportba sorolhatók: 

Szerkezeti acélok: leggyakrabban használt acél, könnyen megmunkálható, jól hőkezelhető, hegeszthető, nagy szilárdságú és szívós. Lehetnek szénacélok (ötvözetlen acélok), de tartalmazhatnak több ötvöző anyagot is. Előnyös tulajdonságai miatt készülnek belőle gépelemek, szerkezeti egységek. Ebbe a csoportba tartoznak pl.: általános rendeltetésű szénacélok, betétben edzhető és nemesíthető ötvözetlen szénacélok, nemesíthető agy betétben edzhető krómacélok, nemesíthető mangánacélok, nitridálható szerkezeti acélok. 8



Szerszámacélok: hőkezelt, edzett állapotban alkalmazzák, lehetnek ötvözetlen és ötvözött acélok egyaránt. Kézi- és gépi megmunkáló szerszámok, mechanikai mérőeszközök készülhetnek belőle. Ide tartoznak: ötvözetlen szerszámacélok, gyorsacélok, hidegalakító szerszámok.



Különleges acélok: speciális célokra készülnek, nagy változatosságban. Ilyenek pl.: automata acél, hőálló acélok, korrózióálló acélok, ötvözetlen lágy mágnesacél.

Öntöttvas Az előbbiek szerint öntöttvasnak nevezik azt a vas-szén ötvözetet, amelyben a szén súlyszázaléka meghaladja a 2,1 s%-t (2,06 s%). Olyan öntöttvasat, amely 4,3 s%-nál több szenet tartalmaz, aránylag ritkán használnak. Az öntöttvas utókezelés nélkül nem kovácsolható. Az

öntöttvas

jól

önthető,

az

állapotdiagramm CD görbéje mutatja, hogy a teljes ömledék eléréséhez alacsonyabb hőmérsékletre való hevítés is elegendő. Az öntöttvas

más

ötvöző

anyagokat

is

tartalmazhat, melyekkel a tulajdonságai befolyásolhatók.

Általában

tartalmazhat

szilíciumot (Si), mangánt (Mn), ként (S),

3.1.5. ábra: Fe-C állapotábra - öntöttvas

foszfort (P).

A szilícium (Si) ötvözőnek van a legnagyobb jelentősége, mert a grafitképződést segíti elő. A karbidképződést növeli és a grafitképződést gátolja a mangán (Mn), ezáltal a szilárdság növelését segíti elő. A kén (S) gátolja a grafitképződést, rontja a hígfolyósságot. Míg a foszfor (P) éppen növeli a hígfolyósságot, és egyben csökkenti az eutektikus hőmérsékletet. Felhasználási területük alapján megkülönböztethető: 

Lemezgrafitos öntöttvas: lemezes formájú grafit csökkenti a szilárdságát (100-400 MPa), érdekessége, hogy a nyomószilárdsága 3-4-szerese a húzószilárdságának. Keménységük 120-

9

280 HB. Rideg, rosszul alakítható. Jó rezgéscsillapító, jó csúszási tulajdonságokkal rendelkezik. Alkalmazása: motorblokkok, hajtóműházak. 

Gömbgrafitos öntöttvas: az öntöttvasak között a legelőnyösebb tulajdonságokkal rendelkezik, köszönhetően a főként gömb alakú széntartalmának. Szakítószilárdsága 350-900 MPa, szívóssága jó. Hőkezelhető (edzhető, nemesíthető), hegeszthető, ellentétben a többi öntöttvassal! Hidegen korlátozottan, melegen jól alakítható. Alkalmazás: forgattyústengely, fogaskerék, dugattyú, fékbetét, kis falvastagságú öntvények.



Temperöntvény: végső tulajdonságai temperállással állíthatók be, mely 900-1000°C-on történő hevítést jelent. Az összetétel és a hőkezelés módja (kapott törésfelület) alapján:  Fekete tempertöntvény: semleges gázban történő hőkezelés hatására a grafit gömb alakban, ún. temperszén alakjában válik ki, 300-350 MPa szakítószilárdsággal rendelkezik. Alkalmazása: hajtóműházak, fékdobok, forgattyústengelyek.  Fehér tempertöntvény: oxidáló atmoszférában történő hőkezelés hatására széntartalmának nagy része kiég. Szakítószilárdsága kissé magasabb. Alkalmazása: kulcsok, csavarok, szorítók, futóműalkatrészek.  Perlites temperöntvény: két, egymást követő hőkezelés, első egy semleges atmoszférában történő hőkezelés. Ennek hatására perlitet és grafitot tartalmaz.



Kéregöntvények: Mn beötvözéssel és hirtelen hűtéssel elérik, hogy szívós mag (szürke) és egy nagy igénybevételt elviselni képes felület (fehér felületi réteg, kemény) alakuljon ki. Alkalmazása: kotrókanalak, kőzettörő-lapok, vezetősínek.



Ötvözött öntöttvasak: különleges célokra készülnek. Pl.: hőállóság növelésére Cr, Si, Al ötvözés, korrózióállóság növelésére Si, Mn, Cr, Ni ötvözés. A százalékos összetétel változtatásával lehet a korrózióállóság különböző mértékét beállítani.

Hőkezelések A következő hőkezelésekkel az acél tulajdonságait változtathatjuk meg.

10

A hőkezelésekről általában A fémek jellemző tulajdonságait megváltoztathatók:  ötvözés,  hőkezelés,  képlékenyalakítás segítségével. A hőkezelések jellemzően három fontos szakaszra bonthatók:  felhevítés (anyagtól, eljárástól függő hőmérsékletre),  hőntartás

(meghatározott

hőmérsékleten,

meghatározott ideig),  lehűtés (szobahőmérsékletre anyagtól, eljárástól függő hűtési sebességgel). A hőkezelési eljárásokat az elérendő cél, fém tulajdonság szerint a következőképpen lehet csoportosítani:

3.1.6. ábra: Vas-szén állapotábra acélra vonatkozó része.

 Lágyító hőkezelések: a további megmunkáláshoz, működéshez szükséges az anyag keménységét, ridegségét, belső feszültségét csökkenteni, esetleg a további alakítási lehetőséget növelni, az alakíthatóságot javítani. Ilyen hőkezelések pl.: lágyítás, normalizálás.  Keményítő hőkezelések: a kopásállóság és a keménység növelése általában a nyúlás és az alakíthatóság romlásával, csökkenésével jár együtt. Ezt az eredményt az edzéssel, felületi edzéssel lehet elérni.  Szívósságnövelő hőkezelések: fő cél a szakítószilárdság növelése, emellett a nyúlás kismértékű csökkenése lépjen fel. A szükséges hőkezelés a nemesítés.  Különleges hőkezelések (kéregedzések, kéregötvözések): ha a magnak és a kéregnek eltérő tulajdonságokkal rendelkezni, vagy amikor működéshez valamilyen különleges tulajdonságra van szükség, akkor a hőkezelést is külön kell megtervezni.

Lágyító hőkezelések A lágyító hőkezelések esetén a hevítés a z állapotábra GOE vonala, ill. PS vonala által meghatározott hőmérsékletek közelébe történik. A 3.1.7. ábra ezeket a hőmérséklet sávokat mutatja meg. Célja: 

az acélöntvények durva, heterogén szövetének megszüntetése, helyette szívós, egyenletes, finomszemcsés szövetszerkezet kialakítása



a diffúziós izzításkor kialakult durva szemcsék finomítása,

11



mivel

a

kovácsoláskor,

a

melegalakításkor a kiindulási hőmérséklet

magas,

durva

szövetszerkezet alakul ki, az esetleges

egyenlőtlen

megmunkálás

miatt

a

szövetszerkezet inhomogénné válik, ezt finomszemcséssé kell tenni, 

hegesztett kötések esetén mind a varrat, mind annak környezete a

hőhatás

3.1.7. ábra: A Fe-C állapotábra S pontja körüli hőmérsékletére történő hevítések lágyító hőkezelések esetén

következtében

megváltozik, ennek az alapanyaggal azonos finomszecséssé tétele, 

az anyagnak a további hőkezelésekhez történő előkészítése.

Feszültségcsökkentő hőkezelések: a feldolgozás, megmunkálás során az anyagban felhalmozódott belső feszültségeket meg kell szüntetni a további megmunkálhatóság érdekében, a károsodások meggátolására. A hőkezelés 500-600°C-ra való hevítésből, 1-2 órai hőntartásból, nagyon lassú, kemencében való hűtésből áll. Ez azt jelenti, hogy a kemencét a munkadarabbal együtt hagyják lehűlni. Lágyítás: Cél az anyag ridegségének, keménységének csökkentése, az alakíthatóság növelése. A hevítési hőmérséklet 680-780°C, a hőntartás ideje 4-8 óra. A hűtési sebesség kicsi, kemencében vagy sós fürdőben történik, 600°C alatt már lehet gyorsabb, történhet áramlásmentes levegőn. Normalizálás: A hevítés a GSE vonal fölé történik, a hőntartás 20-40 perc, a hűtés pedig kemencében vagy áramlásmentes levegőn lehetséges. A hőkezelés eredménye a megmunkálással bevitt káros tulajdonságok javítása.

Keményítő hőkezelések (edzés) Edzés és megeresztés: az edzés az egyik legismertebb hőkezelés. Az elérendő cél az anyag szilárdságának, keménységének növelése, sokszor szükséges a kopásállóság növelése. Ekkor az anyag nyúlása, alakíthatósága csökken, ridegsége növekedik. Az edzési hőmérséklet 800-1000°C, a hevítés az elérendő céltól függően történhet lépcsőzetesen is. A hőntartás teljes keresztmetszetre történik, ami azt jelenti, hogy addig tartják a hevítési hőmérsékleten a munkadarabot, amíg az teljesen át nem veszi a kemence hőmérsékletét. A hűtés gyors, így csökkenthető a szén kiégésének veszélye, a kemencéből kivett darabot vízben hűtik. A hűtési sebesség a felületen gyorsabb lesz, mint a munkadarab belsejében. Az átedzhetőséget azzal a legnagyobb rúdátmérővel mérik, amelynek a közepe is éppen 12

olyan szövetszerkezetű lesz, mint a külső része. Átedzhetőnek nevezzük a munkadarabot akkor, ha az edzési keménység a teljes keresztmetszetre kiterjed. Az átedzhetőség az edzési hőmérséklet növelésével és ötvözéssel növelhető. Az edzés következtében az anyag rideg lesz. Ezt megszüntetni egy utó hőkezeléssel lehetséges, ez a megeresztés. Az edzés után a lehűlt munkadarabot visszateszik a kemencébe, amit már nem fűtenek és a hűtés lassabb, esetleg 160-250°C-os olajban főzik. Így a ridegség csökkenthető.

Szívósságot növelő hőkezelések Nemesítés lényege a kétszeres hevítés. Az első hevítési hőmérséklet a munkadarab anyagára jellemző edzési hőmérséklet, a hevítés időtartama a teljes áthevülésig tart, majd gyors hűtés következik vízben vagy olajban. A második hevítés az ún. megeresztési hőmérséklet, 400-650°C, újra teljes áthevülésig tart, majd innen a kemencében történő, lassú hűtés következik. Megeresztéskor a karbid apró korongok alakjában válik ki, és a ferritbe ágyazódik. A megeresztési hőmérsékleten a kialakult karbid korongok vastagodnak, és egyre inkább gömbbé alakulnak. A nemesítéssel szívós kemény anyagot kapunk. A nemesítés a különösen nagy fárasztó igénybevételnek kitett alkatrészek végső hőkezelése.

Különleges hőkezelések Amikor a munkadarabtól elvárják, hogy kopásálló, kemény legyen, ugyanakkor szívós legyen, akkor ennek a kettős feladatnak megfelelő, az eddigiektől eltérő hőkezelést kell alkalmazni.

Kéregedzések, kéregötvözések A kéregedzéssel szívós mag és kemény, kopásálló réteget lehet előállítani. A felületi réteget különféle módszerekkel lehet hevíteni, a hevítési mód alapján a következő kéregedzési eljárásokat különböztetnek meg: 

lángedzés,



indukciós edzés,



betétedzés.

Lángedzés: A lánghegesztésnél is alkalmazott pisztollyal szúrólángot hoznak létre. Az alkalmazott gázkeverék lehet világítógáz-levegő (vagy oxigén) keverék vagy acetiléngáz-oxigén keverék. A hevítést gyors hűtés követi. 1,5-2 mm fokozatos átmenetű rétegvastagság érhető el. Az eljárás olcsó, de bonyolult darabokra nem alkalmazható. Az egyenletes rétegvastagságot nagyon nehéz létrehozni. Pl.: vasúti sínek futófelületeinek edzésénél alkalmazzák.

13

Indukciós edzés: A felületi réteg hevítését nagyfrekvenciás váltakozó árammal, az áram skin-hatásának segítségével hozzák létre. Az indukált örvényáram sűrűsége a felülettől a munkadarab belseje felé exponenciálisan csökken. A csökkenés mértéke még függ az áram frekvenciájától, a frekvencia növekedése a hevítés mélységének csökkenésével jár. 

2,5-10 kHz 2-3 mm rétegvastagságot hevít fel,



400-500 kHz, 0,2-2 mm vastagságú kemény réteg előállításához megfelelő.

A hevítés után a hűtés hűtőfolyadékba mártással, permetezéssel történik. A kéregedzési eljárások közül a leggyorsabb, tehát a legtermelékenyebb, valamint a kéregvastagságot ezzel az eljárással lehet a legpontosabban beállítani. Betétedzés: A kis széntartalmú acélok (0,1-0,2 s%) felületi keményítésére alkalmas eljárás, mivel ezek az acélok edzéssel és nemesítéssel nem keményíthetők nagyobb mértékben. Ilyenkor a felületi réteg adalékolásával, beötvözésével és edzésével egyszerre változtatják meg a réteg tulajdonságait. Az adalékolandó anyag szerint: 

Cementálás: A felületi réteget szénben dúsítják, a kéreg széntartalmát növelik (0,6-0,9 s%). A 0,2 s%-nál kisebb C tartalmú acélok adalékolása is lehetséges. A hőkezelés edzésből és megeresztésből áll úgy, hogy C tartalmú közegbe helyezett munkadarabot a közeget tartalmazó dobozzal együtt helyezik a kemencébe. Az izzítás időtartama 8-24 óra. A kéreg keménysége, a mag szívóssága a bediffundáltatást követő hőkezeléstől is nagymértékben függ. A bediffundáltatást követően a magnak és a rétegnek is durva szemcsés szerkezete lesz. Azonban amennyiben az adalékoltatás után lassú hűtést alkalmaznak, és ezt követően pedig egy 750-780oC-ra történő hevítés, edzés következik, akkor a mag durvaszemcsés marad, míg a kéreg pedig finomszemcséssé alakul. Amennyiben nagyobb igénybevételnek lesz kitéve a munkadarab kettős edzést kell alkalmazni. Ilyenkor a hőkezeléssel a mag szemcsefinomságát is el kell érni, a hevítés magasabb hőmérsékletre (880-900oC) történik, majd gyors hűtés következik. Ezzel viszont a kéreg szemcseszerkezete durvára változik. Tehát, hogy a kéreg szemcsefinomságát is megváltoztassák – az előzőekben tárgyalt – alacsonyabb hőmérsékletre (750-780oC) kell hevíteni a munkadarabot, majd lassan – olajban – történik a hűtés. Ezzel az egész keresztmetszetben finomszemcsézetet lehet elérni. Amennyiben a szívósság fokozására van szükség, az előbb bemutatott kettős edzés közé egy lágyítást iktatnak be. Az utolsó hőkezelési művelet egy megeresztés, mely 100-200°C-on történik 14

Alkalmazott közeg szerint:  Szilárd közeg: szénporba, széntartalmú közegbe helyezik és a közeget tartalmazó dobozzal együtt 850-950°C-ra hevítik a munkadarabot. A beötvöződési sebesség 0,1 mm/óra.  Folyékony közeg: Az eljárást cianidálásnak nevezik. Nátriumcianid, nátriumkarbonát, nátriumklorid ömledékébe helyezett darabot 830-870°C-ra hevítve 1-2 óra alatt 0,30,4 mm rétegvastagságot lehet elérni.  Gáznemű közeg: Szénmonoxid, metán, propán, bután gáz az adalékoló közeg, a hevítési hőmérséklet 850-950°C. 

Nitridálás:

Alacsony

hőmérsékletű

kezelés.

A

munkadarab

felületébe

nitrogént

diffundáltatnak, mely nitrideket képez, ezáltal nő a felületi réteg keménysége. Ehhez az acélban nitridképző elemeknek kell lenni, a szükséges elemek közül néhány: Al, Cr, Mn. A nitrálódobozzal együtt 500-550°C-ra kell hevíteni, mert ezen a hőmérsékleten bomlik az ammónia gáz. 1-2 óra alatt kemény, kopásálló réteg alakul ki. 

Termokémiai kezelések, amelyek során bizonyos elemeket pl.: bórt, vanádiumot diffundáltatnak a felületbe.

Kéregötvözés (alitálás) A különleges hőkezeléseknek egyik típusa az alitálás. A felületi réteg korrózióállóságát növelik alumíniumnak a felületbe történő diffundáltatásával. A munkadarabot egy alumínium-oxid vagy alumínium-klorid porral töltött dobozba helyezik és az egész alitáló dobozt hevítik kemencében 8501100°C-ra. A hőntartási idő 8-12 óra. Így a felületen egy Al-mal telített réteg alakul ki, melynek rétegvastagsága 0,1-1 mm is lehet. Ez a réteg hőálló, de rideg lesz, mely csökkenthető egy utólagos hőkezeléssel, 900-1000°C-on történő izzítással.

3.1.2. Nem-vas fémek A nem vasalapú fémeket a mérnöki gyakorlatban vagy funkcionális anyagként (pl.: jó vezetőképességüket kihasználva, esetleg forraszanyagként), vagy szerkezeti anyagként használják. A tiszta fémek lágy anyagok, így mechanikai tulajdonságaikat javítani kell. Ezt ötvözéssel lehet elérni. 

Ez történhet szilárdoldatos keménységnöveléssel, ami azt jelenti, hogy az ötvöző anyag mennyisége lehetővé teszi, hogy az alapfém képes legyen hidegen is oldatban tartani.



A kiválásos keménységnövelés esetében az alapfém már nem képes oldatban tartani az ötvöző anyagot.

15



Bizonyos Al-Li ötövzetekben a képlékeny hidegalakítás szilárdásgnövelő hatását ötvöző hozzáadásával segítik elő.

A nem-vas alapú fémeket a sűrűség szerint csoportosításnak megfelelően tárgyaljuk.

Könnyű fémek Mint azt a fémek feldolgozásának elején már leírtuk, könnyű fémeknek ρ < 4,5 kg/dm 3 sűrűségű fémeket nevezzük. Alumínium (Al), ρ = 2,7 kg/dm3 A Föld 7 %-a alumínium vegyület, bauxit, melyből hazánk területén is nagyobb mennyiség található. A fém alumínium előállításának első lépése a timföld (Al2O3) kinyerése, mely kémiai tisztítással történik. A tisztíta alumínium előállításának következő lépése egy elektrolízis, mely rendkívül energiaigényes művelet. Az így előállított kohóalumínium tisztasága 99-99,7 %. További tisztítással lehet előállítani az ún. „négy kilences” alumíniumot, mely 99,99 %-os tisztaságú. Ezek az ismételt elektrolízis-folyamatok nagyon megdrágítják az előállítást, ezért csak akkor használnak ilyen nagytisztaságú alumíniumot, amikor az elengedhetetlenül szükséges. Tulajdonságai: lapközepes köbös térrácsú, olvadáspontja Tolv = 660,24°C, szakítószilárdsága σB = 70 – 125 MPa, fajlagos vezetőképessége σ= 37,74*106 S/m. Erősen elektropozitív, könnyen oxidálódik, a keletkezett oxidréteg (Al2O3) jól tapadó, jól záró réteget alkot, ami további oxidációt és a korróziót meggátolja. Egyes ötvözők rontják a korrózóálloságot. Például réz esetében elektrolit hatására helyi galvánelem alakul ki. A kialakult védő oxidréteget még tovább lehet vastagítani egy eljárás segítségével, melyet eloxálásnak neveznek. A kialakuló elsődleges oxidréteg villamosan szigetelő, csatlakozások esetén nagy átmeneti ellenállás tapasztalható. Az alumínium vezetőképessége a réz vezetőképességének kb. 60 %-a, a sűrűsége viszont kevesebb, mint a harmada, így távvezetékek esetén jól használható, viszont számolni kell azzal, hogy a nyúlása majdnem 50 %-kal nagyobb, mint a lágyacélé. A szennyező anyagok, ötvöző anyagok hatására a fajlagos

vezetőképesség

gyorsan

romlik.

Az

elektronikai

iparban

kevésbé

alkalmazzák.

Szobahőmérsékleten tartósfolyás tapasztalható. Pl.: a csavarkötések meglazulnak, mert a kötés alól „kifolyik”. Technológiai tulajdonságai: jól kovácsolható, hengerelhető, dróttá húzható. Mivel a rugalmassága kicsi, maradó alakváltozást szenved. A rugalmassága ötvözéssel növelhető. Folyékony fázisa sűrűn folyó, lehűléskor erősen zsugorodik. Szemcsemérete a hűtési sebességtől függ. Lassú hűtés esetén durva kristályok alakulnak ki. Hengerlés esetén a hengerlés irányában rostos szerkezetű, selymes fényű lesz. 16

Tulajdonságai ötvözéssel befolyásolhatók: 

önthető ötvözetei: az önthető alumíniumok alapja az Al-Si eutektikus rendszer, a Si tartalom csökkenése az önthetőség romlásával jár, viszont a Si tartalom növelése a hőtágulási tényező csökkenését vonja maga után, Al-Cu, Al-Cu-Ni, Al-Mg, bonyolult, vékonyfalu alkatrészek öntésére alkalmas,



alakítható ötvözeti: -

nemesíthető:

Al-Cu-Mg,

Al-Mg-Zn,

Al-Cu-Ni-Mg-Si,

-

nem nemesíthető:

Al-Mg,

Al-Mg-Mn,

Al-Mn.

Alkalmazás: A kis sűrűsége a gépkocsi-, repülőgépipar, építőipar (nyílászárók), műszeriparban teszi lehetővé a nagymértékű alkalmazást. Az Al-Li ötvözetek képezik az alapanyagát a repülőgépek vázszerkezetének, burkolatoknak, de az űrjárművek folyékony oxigén- és nitrogéntartályának is. A korrózióállósága miatt a vegyiparban, élelmiszeriparban történő alkalmazása számottevő. Mivel jól nyújtható fóliák, elektronikai eszközök kondenzátorainak fegyverzete készül alumíniumból. A háztartásokban is gyakran használnak alumínium-fóliát. Jól mélyhúzható ezért műszerházak, finommechanikai készülékek vázának anyaga, serlegeket is készítenek alumíniumból.

3.1.8. ábra: Példák az aluminium felhasználására Magnézium (Mg), ρ = 1,74 kg/dm3 A földkéregben előforduló elemek között a 8. helyen áll. A szilárd fémek közül a legkisebb sűrűséggel és kis keménységgel rendelkezik. Olvadáspontja Tolv = 650oC, szakítószilárdsága kicsi. Jól forgácsolható, de rosszul alakítható. Az elektromos áramot jól vezeti. Bár a felületén vékony oxidréteg alakul ki, szükség van korrózióvédelemre. Ez a vékony oxidréteg nem alkot olyan jól záródó, tömör védőréteget, mint azt az alumínium esetében láttuk. Megmunkálását nehezíti gyúlékonysága, ami olvadt állapotban, forgács vagy por formában fokozottan jellemző. Igen hevesen, világító fehér lánggal ég. Tulajdonságait ötvözéssel befolyásolják. Így növelhető a szilárdsága, csökkenthető a bemetszési érzékenysége, és növelhető a korrózióállósága. 17

Legfontosabb ötvözőelemei: Al, Zn, Mn, Si, Y, Nd, Zr, Ag. A magnéziumot leggyakrabban alumíniummal ötvözik. A szilárdság és a keménység növelése, a szemcseszerkezet finomítása, az öntési tulajdonságok javítása érhető el alumíniummal történő ötvözéssel. Korlátlan oldódás olvadékállapotban van, szilárdállapotban szilárdoldatot vagy eutektikumot alkotnak. Az Al tartalom növekedésével az alakíthatóság romlik, viszont az öntészeti tulajdonságok javulnak. Ha ötvözeteit összehasonlítjuk az alumínium ötvözetekkel: előnyei:  sűrűségük lényegesen kisebb,  dinamikus igénybevételeknek jobban ellenáll, csak nagy maradó igénybevétel után törik el,  kitűnően forgácsolható (vigyázat! könnyen gyullad!). hátrányai:  gyenge korrózióállóság,  rosszabbak az öntészeti tulajdonságai, rosszabb villamos vezetők, rosszabb a hővezető képességük,  olvadt állapotban gyúlékony. Alkalmazás: Kis sűrűsége miatt az alumíniummal azonos az alkalmazási területe. Műszer és készülékgyártás

alkatrészeinek

alapanyagát

képezik

a

különböző

magnézium

ötvözetek.

Fényképezőgépházak, távcső foglalatok készülnek belőle. De az önthető ötvözeteiből nagyobb alkatrészek is készíthetők, pl.: autó ülések váza, keréktárcsa. Titán (Ti), ρ = 4,51 kg/dm3 Sűrűsége éppen a határérték a nehézfémek és a könnyűfémek között. A titán a földkéregben előforduló negyedik leggyakoribb elem. Szakítószilárdsága σB = 210-1380 MPa, ami a legtöbb ötvözöttacél szakítószilárdságával egyezik meg. Szilárdsága ötvözéssel vagy képlékenyalakítással növelhető. Nem mágneses anyag. Hőtágulási együtthatója valamivel alacsonyabb, mint az acélé. Jó hővezető. Olvadáspontja magas, Tolv = 1725 oC. Nagy oxigén affinítása miatt a felületén összefüggő oxidréteg alakul ki az alumíniuméhoz hasonlóan, így jó a korrózióállósága. Jól alakítható. Védőgázban, vákuumban jól hegeszthető. Lengőszilárdsága, melegszilárdsága nagyon jó. Az egészségre nem ártalmas. Biokompatibilis anyag, az élő szervezetek, és így az emberi szervezet sem veti ki. 18

Nem jó villamos vezető. a réz villamos vezetőképességének alig több, mint 3 %-a. Villamos ellenállásanyagként hasznosítható ez a tulajdonsága. Alkalmazás: repülőgép-, rakétatechnikai felhasználása jelentős, kémiai berendezések (pl.: hőcserélők, elektródok) gyártásánál, hajóépítésnél (tengervíz-álló alkaktrészek) alkalmazzák. Orvostechnikai felhasználása rendkívül fontos, mely biokompatibilis tulajdonsága miatt lehetséges, de a szilárdsága, korróióállósága is fontos az alklamazásánál.

Nehézfémek A nehézfémek sűrűsége ρ > 4,5 kg/dm3. Egyik ismert csoportja a színesfémek csoportja. Általában azokat a fémeket sorolják a színesfémek közé, melyeket nem alkalmazzák a vasötvözetekben. Ezek a színesfémek: réz (Cu), ón (Sn), ólom (Pb), cink (Zn). Réz (Cu), ρ = 8,92 kg/dm3 A legrégebben ismert nehézfémek egyike. Vörös színű. A természetben – bár ritkán -, de elemi állapotban is előfordul. Olvadáspontja Tolv = 1083°C. Kiváló villamosés hővezető, fajlagos vezetőképessége a második az ezüst után σ = 59,8 * 106 S/m, diamágneses anyag. Ezek a tulajdonságai

3.1.9. ábra: A természetben előforduló elemi réz

teszik a villamosipar egyik legfontosabb elemévé. Általában 99,9 %-os nagytisztaságú rezet használnak. Lapközepes köbös térrácsú, kisszilárdságú (Rm =235 MPa) fém. Szilárdsága hidegalakítással megnő. A réz jól alakítható, jól hengerelhető, húzható, kovácsolható. De nem forgácsolható, mert kenődik. Nem önthető, mert a formát rosszul tölti ki, és öntés közben sok gázt nyel el, így az öntvény porózus szerkezetű lesz. Jó korrózióálló. A nedves levegő hatására a felületén Cu2O réteg képződik, mely a levegő CO2 és SO2 tartalmával egyesülve jól tapadó, tömör rézkarbonát-rézszulfát réteget (patinát) képez. Ez a réteg a korrózió további terjedését megakadályozza. A réz szerves savak és füstgázok hatásának ellenáll, ammóniában viszont erősen korrodálódik. Oldott vegyületei mérgezőek. A folyékony állapotú réz mindig tartalmaz Cu2O-t, de szilárd állapotban nem oldják egymást. Dermedéskor a Cu- Cu2O eutektikum a rézkristályokat hálószerűen veszi körül. Az eutektikum rontja a hidegalakítást (rideg), és a melegalakítást is (alacsony olvadáspont). A vezetőképességet is erősen lerontja. Ezért az oxigén a rézben nagyon káros. A hidrogén magasabb hőmérsékleten bediffundál a rézbe és a Cu2O oxigénjével vízgőzt alkot, mely nem tud a rézből kidiffundálni és megrepeszti azt. Ezt a károsodást nevezik a réz hidrogén betegségének. 19

Technológiai tulajdonságai ötvözéssel javíthatók. Ötvözetei: Sárgaréz: Cu-Zn ötvözet, színe a cinktartalomtól

függően

világossárgától a sötétsárgáig változik, kémiai hatásokkal szemben ellenálló, 

Zn<30 s% hidegen jól alakítható, rosszul

forgácsolható,

a

cink

tatalom további növekedésével a szilárdság nő, de a vezetőképesség jelentősen romlik 

Zn≈46-50 alakítható,

s% jól

melegen

jól 3.1.10. ábra: Cu-Zn kétalkotós állapotábrája

forgácsolható,

nyújtható, 

különleges sárgarezek:  Ni v. Al: a szilárdság, keménység, szemcsefinomság javítására, a nikkel tartalom növeli a korrózióállóságot,  Mn, Sn: a melegszilárdság, tengervízállóság javítására.  alpakka (új ezüst): Cu-Zn-Ni, általában 53-66 % Cu, 21-30 % Zn, és 17-19 % Ni tartalommal készülnek, szakítószilárdságuk 330-570 MPa, jó rugalmas és korróziós tulajdonságok, fényét hosszú ideig megtartja,

Bronzok: 60 %-nál több rezet tartalmazó ötvözetek 

ónbronz: 14 % óntartalomig használják, 8 % óntatalom alatt alakítható, fölötte pedig önthető ónbronzról beszélhetünk, vezetőképessége σ = 36*106 S/m, jó mechanikai és siklási tulajdonságai miatt siklócsapágyakat, csúszó alkatrészek anyaga, a villamosiparban áramvezető alkatrészek, érintkező rugók készülhetnek belőle, gépalkatrészek, dísztárgyak, érmek, szobrok, harangok anyagát képezik.



ólombronz: réz, ón, ólom ötvözet, jó csúszási tulajdonságok, siklócsapágyak, csapágyperselyek gyártására kiválóan alkalmas, mert ólomtartalma miatt önkenő tulajdonsággal rendelkezik.



ezüstbronz: mivel alacsony ezüsttartalom (1 %) mellett főként a mechanikai tulajdonságok javulnak, villamos motorok kommutátorai, nagygépek tekercsei készülnek ebből az ötvözetből, kb. 5,5 % ezüst tartalmú ötvözetek vezetőképessége σ = 52* 106 S/m és mechanikai tulajdonságai is jók, így ellenállás-hegesztő gépek elektródái, valamint nagy mechanikai 20

igénybevételnek kitett vezető alkatrészek anyagát képezik. A villamosiparban max. 6 % ezüst tartalmú ötvözetek használnak, de más területeken magasabb ezüsttartalmú rézötvözeteket is alkalmaznak, pl.: az érmekészítésnél. 

kadmiumbronz:

a

kadmiumtartalom

emelkedésével

a

vezetőképesség

romlik

a

szakítószilárdásg pedig nő. A kisebb kadmiumtatalmú ötvözetek kollektor lamellák, vékony huzalok, flexibilis kábelek anyaga, 0,6-1,2 % ötvözőanyag tartalom esetén felsővezetékeket, távvezetékeket készítenek az ötvözetből, magasabb kadmiumtartalom esetén pedig pont- és vonalhegesztő gép elektródák anyagát adják. A Cd súlyosan mérgező hatása miatt már nem alkalmazzák. 

alumíniumbronz: a réz szilárdságát növeli az alumínium, korrózióállóvá és egyes kémiai anyagokkal szemben pedig ellenállóvá válik, a különleges alumíniumbronzok melegen jól alakíthatók, nagy szilárdságúak, kifáradásra nem érzékenyek, és a kavitációnak, eróziónak jól ellenállnak, vegyipari-, élelmiszeripari- és konzervipari berendezések alkatrészeit készítik alumíniumbronzból.



nikkel-, mangánbronzok,



berilliumbronzok: a réz berrilium oldóképessége korlátozott, szilárdságot növeli, rendkívül nagy keménység és folyáshatár érhető el a többi rézötvözethez képest, jó rugalmas tulajdonságokkal rendelkeznek, rugók, membránok, membránszelencék, szilfonmembránok anyagaként alkalmazzák,



Cu-Ni a két alkotó korlátlanul oldja egymást, a nikkel tartalom függvényében a réz diamágneses tulajdonságai paramágnesessé, később ferromágnesessé válnak.

Alkalmazás: 

Réz  elektrotechnika (kábelek, huzalok, ellenállások, villanymotorok kommutátor lemezei, ponthegesztő elektródák),  nyomtatott huzalozású lemezek vezetékhálózata,

21

3.1.11. ábra: Ponthegesztő berendezés (elektródája sárgaréz), nyomtatott huzalozású lemezek

 félkész termékek: lemezek, csövek (kazáncsövek jó hővezető tulajdonság!) 

Sárgaréz: élelmiszeripar (tejüzemi-, szeszgyári berendezések), üstök, hütő- és melegítőkészülékek, víz-, gáz-, fűtésszerelvények, esztergált alkatrészek, Zn mélyhúzott alkatrészek, bútorok, épületek díszítőelemei, rézfúvós hangszerek,

3.1.12. ábra: Sárgaréz szerelvények é sárgaréz hangszer

22



alpakka:

híradástechnika

–

relérugók,

membránok,

finommechanikai

membránanyag

(szilfonmembránok is!), a villamosiparban érintkező rugókat, csúszóérintkezőket készítenek belőle.

3.1.13. ábra: Az alpakka, mint díszítőelem egy sétabot fogantyúján. Jobbra: csúszócsapágyak 

bronz: tribotechnika (csúszócsapágyak, csigakerekek, kavitációs és eróziós igénybevételű alkatrészek),

Igen gazdag ismertanyag található a rézről a https://www.copper.org/ oldalon. Nikkel (Ni), ρ= 8,85 kg/dm3 A nikkel szívós, jól alakítható fém. Hő- és villamos vezetőképessége relatíve alacsony. Curie-pontja 360°C-nál van, eddig a hőmérséklet határig ferromágneses. Korrózióálló, oxidációval szembeni ellenállása is jó. Kemény, kopásálló, könnyen ötvözhető fém. Jól mágnesezhető. De kén bediffundálásával szemben érzékeny, ennek következménye, hogy hidegalakításkor hajlamos a felszakadásra, melegalakításkor és hegesztéskor a melegszakadásra. Ötvözetei: 

Ni-Cu: minden arányban ötvözhető. Nagyon jól alakíthatók, önthető, forgácsolható és forgácsmentes alakítással is jól alakítható. Kötési technológiákat is jól viseli, forrasztható, hegeszthető. 30 % Cu tartalmú ötvözetei korrózióállóak.



Ni-Cr: Cr tartalom max. 20 %-ig növelhető. Cr tartalom növekedésével nő a passziválódási képesség, revementesség és nő a melegszilárdság. 20%-nál magasabb krómtartalmú ötvözetet nem készítenek, mert a hőállóság már nem növekszik jelentősen, viszont a megmunkálhatóság csökken. Kb. 3 % Si a hőállóságot és az élettartamot jelentősen megnöveli. Ezenkívül kedvező hatás érhető el un. mikroötvözők segítségével. Ezek lehetnek Ca, Ce, Th. Ezeknek az ötvözeteknek hátránya, hogy kénre, kénes atmoszférára érzékenyek. Nikkel szulfid alakjában 23

ként vesznek fel, ami a nikkel-oxiddal együtt alacsony hőmérsékleten olvadó eutektikumot képez. A megolvadt eutektikum a kristályok közé hatol, az ötvözetet törékennyé teszi. A vasban dús ötvözetek kénre kevésbé érzékenyek. 

Ni-Fe: 29-75 s% Ni tartalom mellett mágnesesen lágy ötvözetet lehet kapni. Nagy a permeabilitása.



Fe-Ni-Co: mágnesesen kemény, nagy mágnesezhetőségű anyag.

Alkalmazása: A Ni alapú ötvözeteknek nagy a hőállósága, ezért belsőégésű motorok szelepeit, repülőgépek turbinalapátjait készítik belőle, jó hőállóságát az űrtechnológiában is jól tudják hasznosítani. Vegyi üzemek berendezéseihez, kémiai reakciók katalizátoraként használják. Vegyületeit felhasználják galvanizázláshoz, akkumulátorokban, festékek előállításakor. De ékszerek, érmék gyártásánál is gyakori alapanyag. Orvosi implantátumok készítésére is alkalmas. Atomreaktorokhoz készítenek alkatrészeket Ni alapú ötvözetekből. A Ni-Fe ötvözeteket az elektrotechnikai ipar használja termoelemek, precíziós ellenállások gyártására.

3.1.14. ábra: NI ötvözetek lehetséges felhasználási területe Cink (Zn), ρ= 7,14 kg/dm3 Kis szilárdság, kitűnő légköri korrózióállóság, jó öntési tulajdonságok jellemzik. Anizotróp alakítási tulajdonságokkal rendelkezik. Ötvözetei: 

A 99,9-99,5 %-os Zn nagyon jól önthető, finomhorgany néven ismert,



Az ötvözet szilárdsága növelhető 3,5-6 % Al és 1,6 % ötvözéssel,



A kristályközi korrózió megakadályozható 0,05 % Mg ötvözéssel.

24

Alkalmazása: acélon korrózióálló bevonat készítése, az ún. tüzi-horganyozás. Általában korróziónak kitett helyeken alkalmazott darabok anyagaként pl.: az építőiparban csatornák, ereszcsatornák anyagaként, gyógyszeriparban, vegyiparban vagy az általános gépgyártásban használják. A villamosiparban galvánelemek elektródáiként hasznosítják. A cinkvegyületek (pl.: cinkszulfid) fontos lumineszcens anyagok.

3.1.15. ábra: Zn alkalmazási példa: épület szerelvény, vödör Ón (Sn), ρ= 7,28 kg/dm3 Olvadási hőmérésklete Tolv=232°C, ezüstfehér színű, lágy fém. Kiváló korrózióálló tulajdonságokkal rendelkezik, szilárdsága kicsi, hidegalakításnál nem jelentkezik felkeményedés, nagy szakadási nyúlás jellemzi. Több allotróp módosulata van. 13,2 oC alatt gyémántrácsú, 161 oC-ig tetragonális és magasabb hőmérsékleten pedig rombos szerkezetű a kristályrácsa. Ezek az átalakulások fajtérfogat-változással járnak. A gyémántrácsú, rideg anyag ezt a térfogatváltozást nem viseli el és porrá esik szét, ezt nevezik ónpestisnek. Ötvözetei: 

80% Sn, 12% Sb, 7% Cu, 1% Pb, nagyon jó csúszási tulajdonságokkal rendelkezik, siklócsapágyak készítésére alkalmas,



63 % Sn -37% Pb forraszanyag, ólommentes forraszanyagok Sn és Cu, In, Ag, Au, Bi, Zn, Ge különböző összetételű ötvözetei az ólommentes forrasztás forraszanyagai.

3.1.16. ábra: Óntartalmú elektronikai forraszanyagok, folyadékkristályos kijelző (felépítése)

25

Alkalmazásai: Jó siklási tulajdonságai alapján siklócsapágyak, csúszófelületek kialakítására alkalmas. Az elektronikai ipar forraszötvözeteinek alapanyaga. Az élelmiszeripar, építőipar a jó korrózióállóságát használja ki. Az ónoxidot (SnO2) üvegfelületre felvíve átlátszó áramvezető réteget alkot, a folyadékkristályos kijelzőkben használják. Ólom (Pb), ρ= 11,34 kg/dm3 Jól alakítható, jól önthető, hegeszthető, forrasztható igen lágy fém. Olvadáspontja Tolv = 327oC. Korróziós hatásoknak ellenáll. Nedves levegő hatására a felületén kialakul egy ólomkarbonát réteg. Ez a szürkésfehér réteg megvédi a további oxidációtól és korróziótól. Viszont 20-25

o

C-on

újrakristályosodik, rázásnak kitett helyeken a kristályhatárokon repedések alakulhatnak ki, mely töréshez és a kristályhatárokon ún. interkrisztallin korrózió kialakulásához vezethet. A γ-sugárzást elnyeli (nagy tömegszám). Mérgező. Ötvözetei: 

Keményólom: 5-12 % Sb, 0,1-0,2 % As, szakítószilárdsága 15-20 MPa – akkumulátorok,



1-3 % Sn, 0,6-0,8 % Sb – kábelköpenyek,



63 % Sn -37% Pb – forraszanyag,



csapágyfémek: melyek kis szilárdságuak, lehetnek Pb-Sn-Sb-Cu óntartalmúak és ónmentesek Pb-Na-Ca-Li-Al,



jó formakitöltése miatt a nyomdaipar a Pb-Sn-Sb ötvözetet alkalmazta.

3.1.17. ábra: Orvosi sugárvédelmi kötény, kábel Alkalmazásai: A tiszta fémet elsősorban a vegyiparban használják. A fent említett ötvözetét kábelköpenyek gyártására használják, mert viszonylag alacsony hőmérsékleten sajtolható és nem teszi tönkre a kábel szigetelőanyagát. Az elektronikai ipar nagy mennyiségű ólmot használt fel a

26

kötéstechnológiában, lágyforraszként, de az EU, majd az egész világon elfogadott szabályozás szerint, 2006 óta az ólomtartalmú forraszanyagok nem használhatók. Sugárvédelemben használják.

Egyéb fémek Még néhány magas olvadáspontú fémet kell megemlíteni. Általában fűtőellenállások alapanyagát alkotják. Ezektől magasabb hőmérsékleten hosszú élettartam a követelmény. Tantál (Ta), olvadáspontja Tolv = 2996 oC, fajlagos vezetőképessége σ = 8,1*106 S/m, 4,48K-en szupravezetővé válik. Az elektronikai iparban integrált áramkörök, kisméretű, de nagy kapacitásu kondenzátorok előállításra használják. Molibdén (Mo), olvadáspontja Tolv = 2622 oC, fajlagos vezetőképessége σ = 17,5*106 S/m. A villamosiparban kemencék fűtőellenállásként, védőgázas közegben alkalmazzák. Az izzólámpák gyártásánál a spiráltartót molibdénből készítették. Volframmal ötvözve nagyteljesítményű érintkezőanyag. Wolfram (W), Tolv = 3395 oC, fajlagos vezetőképessége σ = 18,2*106 S/m. A vákuumtechnikában izzószálként alkalmazzák, a háztartásokból egyre inkább kiszorul. Az erősáramu ipar nagyteljesítényű érintkezőinek anyaga, valamint fűtőellenállások anyaga. Csak védőgázban alkalmazható. Erősáramú technikában széles körben alkalmazott érintkező anyag.

3.1.18. ábra: Wolfram ízzószálak a világítótestekben

Az érintkezőanyagoktól különleges tulajdonságokat várunk el, hiszen összetett mechanikai és villamos igénybevételnek van kitéve. Megfelelő szilárdásággal, kopásállósággal kell rendelkezniük. Fontos, hogy jó korrózióállók legyenek. Villamos tulajdonságai közül fontos a kis átmeneti ellenállás, és esetlegesen nagyobb teljesítményeknél pedig a jó ívállóság.

27

Nemesfémek Az oxigénhez gyenge affinitást mutatnak, felületükön nem alakul ki oxidréteg, ami rontaná az átmeneti ellenállás értékét. Arany (Au), ρ= 19,3 kg/dm3 Az arany lágy, rendkívül jól nyújtható fém. A harmadik legjobb villamosan vezető anyag. Fajlagos vezetőképessége σ = 49*106 S/m. A vegytiszta arany nem oxidálódik, savaknak és lúgoknak ellenáll, csak a királyvíz (sósav, salétromsav) oldja. Kis szilárdásgú, de szilárdsága Cu, Ag ötvöző anyaggal növelhető. Alkalmazásai: Értékképző, megőrző szerepe még ma is jelentős. Ékszereket, kisebb dísztárgyakat készítenek belőle. Mivel rendkívül jól nyújtható, az 0,0001 mm vastag aranyfüstöt díszítőanyagként alkalmazzák. Az elektronikai iparban IC-k belső bekötéseit (bondolását) aranyhuzallal készítik. Kisteljesítményű érintkezőket, kivezetéseket, csatlakozókat aranyoznak.

3.1.19. ábra: Állami pénzfedezet aranyrudai, IC belső kivezetése aranyhuzalokkal a lábakhoz Ezüst (Ag), ρ= 10,5 kg/dm3 A legjobb villamos és hővezető képességű fém. Fajlagos vezetőképessége σ = 62,7*106 S/m. Erősen nyújtható, jól kovácsolható, a réznél lágyabb, az aranynál keményebb fém. A salétromsav szobahőmérsékleten, a kénsav csak magasabb hőmérsékleten oldja. Kénhidrogén jelenlétében barnafekete ezüstszulfid keletkezik a felületén. Alkalmazásai: Érmek, ékszerek anyaga az ezüst. Ötvözőanyagként is fontos szerepe van. Az elektrotechnikai alkatrészek érintkezőinek, vagy azok bevonatainak anyaga, de a keményforraszok nagy része is ezüst alapanyagú. Az ólommentes forraszanyagok egy részének ötvözőanyaga. Az optikai

28

iparban tükörbevonatok készítésre használják. A film és fotóipar is nagy ezüst-fogyasztó volt, aminek a digitális technika elterjedése vetett véget. A vegyiparban katalizátorként is használatos.

3.1.20. ábra: Fent: optikai tükör, és ezüstözött érintkezők. Lent: ezüst dísztárgyak Platina (Pt), ρ= 21,37 kg/dm3 Villamos vezetőképessége gyenge σ = 10,1*106 S/m, de korrózióállósága rendkívül jó. Csak a királyvíz oldja. Melegszilárdsága nagy. Jól nyújtható, jól húzható. Alkalmazásai: korróziómentes érintkezők anyaga, ellenállás hőmérőket, termoelemeket készítenek platinából. Kémiai folyamatok katalizátoranyaga, vegyipari berendezésekben a korrózióállóságát használják ki. Mivel hőtágulása az üvegéhez hasonló, ezért üvegbe ágyazott huzalokat is készítenek belőle. Gyakran ékszerek és dísztárgyak anyaga.

3.1.21. ábra:Platina ékszer és platina bevonatú érintkező

29

Ritkaföldfémek: Még a periódusos rendszernél említettük, hogy kémiai és fizikai tulajdonágaik nagyon hasonlóak. Nem is annyira ritkák, inkább csak kitermelésre érdemes feldúsulásuk ritka, annak nagy része Kínában van. Részben ezért, és főképp, mert nagyon sok új alkalmazási területet találtak nekik (és ebből nagyon sokat a villamos és elektronikai iparban), meredeken nő az áruk a világpiacon. Kiegészülve az Indiummal, az un. kritikus elemek csoportját alkotják, azaz külön megfontolást igényel az alkalmazásuk, mert bizonytalan az ellátás, nehezebben kalkulálható az áruk.

3.1.22. ábra: A ritkaföldfémek néhány alkalmazási területe A 3.1.22. ábrán láthatunk egy összefoglalót az ismertebb alkalmazásokról. Egyik leggazdagabb az optikai alkalmazások területe. Ennek oka, hogy a védett f pályák között nagyon sok, épp a látható fény energiatartományába eső átmenet lehetséges. Pár példa: 

A nem túl jó fehér fényt adó nagynyomású higanygőz lámpákba fémhalogenid vegyületeket adagolva, a kisülés spektruma kívánság szerint módosítható, a lámpa színvisszaadása 1 (100%) közelében is lehet. A használatos anyagok: Dy, Sc, Tm, Ho bromidjai és jodidjai.



A szilárdtest lézerek egyik legismertebb típusa a Nd:YAG lézer,amely anyagmegmunkálásra is alkalmas. Ritkaföldfém adalékot használnak a száloptikás lézerekben is. (YAG = yttrium alumínium gránát. A gránát egy elég összetett, de gyakori ásványtípus: általánosan A3B2(CO4)3 jelen esetben Y3Al2(AlO4)3)



A legjobb hatásfokú fényporok nagy része is ritkaföldfém aktivátort tartalmaz: kék: Eu2+, zöld: Tb-Ce, vörös: Eu3+ 30

A ritkább használat miatt érdemes ezen elemek teljes nevét is sorban leírni: Sc: szkandium,

Y: ittrium,

La: lantán,

(nem f-mező elemek)

Ce: cerium,

Pr: prazeodimium,

Nd: neodimium,

Pm: prométium

Sm: szamárium,

Eu: európium,

Gd: gadolínium,

Tb: terbium,

Dy: diszprózium,

Ho: holmium,

Er: erbium,

Tm: tulium,

Yb: itterbium,

Lu: lutécium

Ellenőrző kérdések 1) Hogyan csoportosíthatjuk a fémeket a Mengyelejev-féle periódusos rendszerben elfoglalt helyük szerint? Ezeknek a csoportoknak milyen jellegzetes tulajdonságai vannak? 2) Mi a jellemzője a könnyű fémeknek és a nehéz fémeknek és milyen fémek rendelkeznek ezekkel a tulajdonságokkal? 3) Milyen tulajdonságai vannak a vasnak, ezeket a tulajdonságokat milyen területen hasznosíthatják? 4) Hogyan módszerekkel lehet a fémek tulajdonságait megváltoztatni? 5) Ismertesse a vas-szén állapotábrát! 6) Miért különbözik a ferrit és az ausztenit szénoldó képessége? 7) Szénoldó képességét tekintve, mi a különbség az acél és az öntöttvas között? 8) Milyen ötvöző elemei vannak az acélnak, és ezek hogyan befolyásolják a tulajdonságai? 9) Hogyan befolyásolja az öntöttvas tulajdonságait a Si, Mn, S és a P? Hol használhatók a különböző ötvöző elemeket tartalmazó öntöttvas, milyen tulajdonságait használják ki? 10) A hőkezelések milyen fontos szakaszokra oszthatók? 11) Hőkezelésekkel az acélnak mely tulajdonságait változtathatjuk meg? Milyen jellegzetes hőkezeléseket ismer? 12) Ismertesse az acél lágyító és feszültségcsökkentő hőkezelését és a normalizálást! 13) Ismertesse a keménységnövelő hőkezelést az acél esetében! 14) Ismertesse az acél szívósság növelő hőkezelését! 15) Az acél kéregedzési technológiáit ismertesse! 16) Milyen technológiai eljárás a kéregötvözés? Milyen kéregötvözési technológiákat ismer? 17) Foglalja össze a fejezetben ismertetett fémek fontos tulajdonságait: Al, Mg, Ti, Cu és ötvözetei, Sn, Pb, nemesfémek, ritkaföldfémek. 18) Keressen az 3.1.22. ábrában említetteken kívüli alkalmazását a ritka földfémeknek! 19) Keressen olyan alkalmazást, ahol megoldották a helyettesítését könnyebben elérhető fémmel!

31

3.2.

Kerámiák

A kerámia az első mesterségesen előállított anyag, amit az emberiség használt. Agyagból megformált majd kiégetett használati és dísztárgyakat már több, mint 10 000 éve készítenek. Ennek egyik oka, hogy az alapanyagul szolgáló szilikát ásványok (ha változó minőségben is), de szinte mindenhol megtalálhatók. A jobb minőségű agyaglelőhelyek környékén a fazekasság önálló iparággá alakult, mellette fejlődött a tüzeléstechnika. A legtisztább, főképp vasmentessége miatt értékes nyersanyag, a kaolin felhasználásával és az 1300°C körüli égetési hőmérséklet elérésével készülhetett a porcelán, amely dísztárgyak, műszaki kerámiák ma is legtöbbet használt anyaga. Természetesen a fejlesztések folyamatosan zajlottak, az alapanyagok és a technológia terén is. Ezen sokat lendített a modern szerkezetkutatás, hiszen talán a kerámiáknak van a legváltozatosabb mikroszerkezete. Az anyagtudomány a kerámiák fogalmát is alaposan kibővítette. Eredetileg csak a hagyományos égetett szilikát ásványokat tekintették kerámiának, ez először az építőanyagokkal bővült (tégla, cserép, beton). Ahogy a 3.1. ábrából is látszik, a mai osztályozás szerint ide tartozik minden szervetlen, nemfémes műszaki anyag. Tömeg szerint nézve legnagyobb felhasználó az építőipar, hiszen a legtöbb szerkezeti elem, a burkoló anyagok, szaniter áruk kerámia vagy kerámia tartalmú kompozit. A villamosiparban a hagyományos szigetelők terén némi eltolódás történt a műanyagok irányába, a kerámiák ott maradtak meg, ahol a jó szigetelés mellett követelmény a nagyobb hőállóság és a mechanikai szilárdság, pl. nagyfeszültségű távvezeték szigetelői. Az elektronikai ipar ugyanakkor több olyan területen is alkalmaz kerámiákat, ahol egészen különleges tulajdonságokat várnak el az anyagoktól: 

Hordozóknál egyszerre jó villamos szigetelés és legalább közepes vagy jó hővezető-képesség szükséges, emellett kis dielektromos veszteség nagy frekvencián



Szupravezetés



Ferroelektromos, ferromágneses, piezoelektromos jelleg

A járműipar, űrtechnika főképp azért alkalmaz kerámiákat, mert magasabb hőmérsékleten is megtartja nagyobb szilárdságát. Ugyanakkor hátrány ezen anyagok ridegsége, a szívós viselkedés hiánya, egyszerűen a törékenység. Ennek javítása az egyik fontos területe a mai kutatásoknak. Több, a kategóriába tartozó anyagcsalád inkább csak egy szaktudomány érdeklődésére tarthat számot, így pl. az un. biokerámiák az orvostudomány számára lesznek egyre fontosabbak. Egy villamosmérnöknek a (némi erőszakkal a kerámiák közé sorolt) félvezetők a kiemelt, részletesebben tárgyalandó anyagok.

32

3.2.1. ábra: A kerámiák főbb csoportjai

3.2.1.

Hagyományos kerámiák

Itt elsősorban a klasszikus szilikát kerámiákat mutatjuk be, természetesen az itt elmondottak sok esetben általánosíthatók a többi kerámia fajtára. Ezeknél az anyagoknál szinte lehetetlen külön tárgyalni az alapanyagokat, a gyártási technológiákat és az ezekből következő szerkezetet. Az alapanyagok legfontosabb eleme általában valamilyen szilikát vegyület. Ezeknek olyan réteges kristályszerkezete van, amely víz felvételére képes, így a rétegek könnyen elcsúszhatnak egymáson. Ez eredményezi a nyers állapotban való plasztikus formázhatóságot és alaktartást. Ilyen anyag a kaolin

33

(Al2O3 2SiO2 2H2O) A további alapanyagok a kvarc (SiO2), a földpátok, a magnézium-szilikát és sok más adalék a tulajdonságok módosítására. Az

alapanyagokat

megfelelő

finomságúra

őrlik,

szemcseméret szerint osztályozzák, majd az előírt arányban összekeverik. A nedves keverés hatékonyabb, általában ezt alkalmazzák. Amennyiben kevés a plasztikus

alapanyag,

néhány

%

kötőanyagot

bekevernek. Ezek olyan szerves anyagok, amelyek segítik a szemcsék összetapadását, majd az égetés során elbomlanak és kiégnek. A különböző formázási módok igényeinek megfelelően beállítják a massza nedvességtartalmát, 3 – 30%

3.2.2. ábra: A kaolinit vízfelvevő képessége és plasztikussága a rétegszerkezetével magyarázható.

közöttire.

A formázások: 

Kézi, gépi korongolás: (pl. fazekasáru, nagyfeszültségű szigetelők)



Öntés: (pl. háztartási edények)



Fröccsöntés, extrudálás: elsősorban műanyag formázási eljárások, nagyobb mennyiségű kötőanyag (20 – 30%) hozzáadásával, a nyers kerámia melegen hasonló állagú lesz, mint a lágy műanyag, így alkalmazható ez a technológia is. (pl. hálózati szigetelők, rudak, diszkrét ellenállások hordozója)



Sajtolás: Az elektronikában használt kisebb elemek készülnek így. Az egyszerű sajtolószerszámokkal nagy, egyirányú nyomás hatására préselődik össze a kerámia por. Kb. 10 - 100 MPa nagyságú nyomást alkalmaznak. Így jó nyers tömörség érhető el, de nem egyenletesen, oldal irányban valamivel kisebb mértékben. A minden irányban egyenletes tömörítést izosztatikus préseléssel lehet elérni. A présport rugalmas gumiformába töltik, és folyadék közvetítésével préselik össze.



Forrósajtolás: A formázás és az égetés egy lépésben történő megvalósítása. Ezzel az eljárással 100% tömörség érhető el. A szerszám vagy magas olvadáspontú fém (W, Mo), kerámia vagy grafit, utóbbi természetesen védőgáz alkalmazásával. A hőmérséklet 10 – 20%-kal alacsonyabb lehet, mint a normál kiégetésnél. Létezik a forró izosztatikus sajtolás is.

34

3.2.3. ábra: A sajtolás három fázisa (balra) és az izosztatikus sajtolás (jobbra) 

Fóliaöntés:

vékony

készítéséhez

alkalmazzák.

lemezek Egy

végtelenített acélszalagon terítik el a kerámia szuszpenziót, amely szárítás után papírszerű anyag lesz, így akár fémezhető, fúrható és utána égethető.

3.2.4. ábra: A fóliaöntés

Így készülnek a többrétegű kerámia hordozók, multichip modulok, kerámia kondenzátorok.

Hőkezelés A nedvesen formázott kerámiát egy ideig szárítani kell. Ezalatt némi zsugorodás történik, gyors szárítás esetén esetleg repedezés is. Az égetés pontosan tervezett hőprofil szerint történik, ahol a fűtési – hűtési sebesség, a csúcshőmérséklet, a hőntartási ideje mind hatnak a végtermék tulajdonságaira. A főbb szakaszok és a lezajló folyamatok: 

Felfűtés: kezdetben távozik a maradék víz, 2 – 300°C körül elbomlanak és távoznak a kötőanyagok.



Hőbomlás: magasabb hőmérsékleten elbomlanak a karbonát formában adagolt alapanyagok, és oxiddá alakulnak.



Polimorf átalakulások: kémiai változás nélkül csak a kristályforma alakul át



Olvadék képződés: az alapanyag szilikátjai az alkáli fémekkel viszonylag alacsonyabb olvadáspontú vegyületeket képeznek, amelyek később a lehűléskor esetenként kristályosan, esetenként üvegesen dermednek meg. Az olvadék fázisban gyorsabb a diffúzió, ilyenkor a homogenizálódás, a kémiai reakciók gyorsabban játszódnak le.



Vegyületek képződése: részben az érintkező szemcsék szilárd határfelületén, részben az olvadék közvetítésével új vegyületek keletkezhetnek, pl: 35

BaO + TiO2 = BaTiO3



Átkristályosodás: két azonos összetételű szemcse határán részecskék átléphetnek egyik krisztallitból a másikba. A kisebb szemcsék nagyobb felületi energiája miatt ez döntően a nagyobb szemcsék felé irányul, ami szemcsenövekedést, (-durvulást) eredményez.



Zsugorodás: az átkristályosodás, az olvadék-képződés és a magasabb hőmérséklet adta nagyobb mozgáslehetőség miatt a szemcsék közelebb kerülnek egymáshoz, a köztük levő gázzárványok térfogata csökken. A méretváltozás jelentős, általában 10 – 20%. A zsugorodás a porozitással is jellemezhető, a gázpórusok térfogat %-os arányával adjuk meg.

Mindezek a folyamatok természetesen függenek az anyagi minőségtől. Nem kell minden felsorolt lépésnek megtörténni, pl. az egykomponensű oxidkerámiáknál csak az átkristályosodás és a zsugorodás lehetséges. A két legfontosabb paraméter a hőmérséklet és az idő. Ahhoz, hogy az ionos vagy kovalens kötésű kerámiákban számottevő mértékben megindulhasson a diffúzió, ami a fenti folyamatok feltétele, az olvadáspont 80 -90%-át el kell érni az égetés során. A szilárd fázisú reakciók így is elég lassan zajlanak, tehát elegendő időt is kell biztosítani ezen a magas hőmérsékleten. A hőntartásnak felső korlátja is van, a túl hosszú, túl magas hőmérsékletű égetés olvadék-képződést, szemcsedurvulást eredményez. Általában ez nem előnyös, inkább a finomszemcsés kerámiáknak vannak jobb mechanikai és villamos tulajdonságai,

de

pl.

a

fémhalogén

lámpák

kisülőcsövéhez kifejezetten „agyonégetett” korund kerámiát

(Al2O3)

készítenek,

a

jó

átlátszóság

érdekében. A vegyület képződés, átkristályosodás hőmérséklet- és időfüggésére jó példa a mullit (3Al2O3 2SiO2) képződése

3.2.5. ábra: Fémhalogén lámpa, a nagynyomású kisülőcső a belső matt gömb

a porcelánban (ld. keretezett melléklet) vagy a szupravezető kerámiák, amelyekben a megfelelő (eléggé összetett) kristályforma kialakulásához több órás, 1000 – 1100°C körüli hőntartás szükséges. Nagyon pontos mechanikai megmunkálás esetén érdemes egy előégetési szakaszt beiktatni, 100 – 200°C-kal az égetési hőmérséklet alatt. A kerámia ekkor már alaktartó, de még könnyen megmunkálható (fúrható. csiszolható, forgácsolható), és az azt követő zsugorodása már sokkal pontosabban számolható. A készre égetett kerámia már nehezen megmunkálható A gyártási paraméterek tűrését jól lehet szemléltetni az un. műveleti ablakkal. Grafikusan ábrázolva a két paraméter alsó és felső határait, egy területet kapunk. Ezen „ablakon” belül maradva várhatóan a termék minősége megfelelő marad. Természetesen az ablak lehet 3 vagy több dimenziós is, a figyelt paraméterek számától függően, csak az ábrázolása már kevésbé szemléletes.

36

Az égetés kémiai körülményei közül kettőt említünk. A kemence atmoszféra normál esetben enyhén oxidatív, a levegő oxigén-tartalma miatt. Ha erre érzékeny anyagokat

használnak,

a

semleges

atmoszférát

nitrogénnel lehet elérni, ha redukáló környezet kell, azt pár % hidrogén bekeverésével lehet biztosítani. Segédanyagok alkalmazásával lehet szabályozni a végső szerkezet kialakulását. Legfeljebb 1 – 2%-kell belőlük, minőségük mindig függ az alap kerámia összetételétől. Szerepük lehet az olvadékképződés könnyítése, ezzel az égetési

hőmérséklet

és

idő

3.2.6. ábra: A kerámia kiégetés két paraméterének műveleti ablaka

csökkentése

(energiatakarékosság), a kristályos/üveges fázis arányának biztosítása, a szemcsedurvulás fékezése.

A késő középkortól híres kerámia volt az un. hesseni fazék. Több milliót gyártottak és használtak szerte Európában. Sikerének titka szilárdsága tartóssága és jó hőállósága volt. Ezt annak köszönhette, hogy a jó égetési technológia miatt nagy arányban képződtek benne tűs mullit kristályok, amik a fenti jó tulajdonságokat kölcsönözték a cserépnek. A porcelánban kb 1000°Con kezd lemezes szerkezetű mullit képződni, és kb. 1400°C-on pedig tűs kristályok. A hesseni mestereknek sikerült ezt 1100°C körüli égetési hőmérsékleten is megvalósítani.

37

3.2.2.

Kerámiák tulajdonságai

Igen nehéz egy ilyen szerteágazó anyagcsaládban közös tulajdonságok megtalálása. Csak néhány mechanikai jellemző, és a viszonylag jó hőállóság az, ami a csoport döntő részére igaz. Tehát általában elég nagy keménységgel és nyomószilárdsággal rendelkeznek, de a húzó és szakítószilárdságuk már sokkal gyengébb, közel egy nagyságrenddel.

3.2.7. ábra: a) A legjobb műszaki kerámiák szilárdsága, összehasonlítva a legjobb fémekkel. b) A kerámiák keménysége és hajlítószilárdsága Villamos jellemzők terén is széles a paletta, többségük jó szigetelő, de vannak köztük félvezetők (nem csak a Si, hanem pl. a SiC vagy a kissé oxigénhiányosan kerámiából

égetett

állíthatók

TiO2)

és

elő

a

legmagasabb kritikus hőmérséklettel rendelkező szupravezető anyagok. A legtöbb kerámia rossz hővezető, sőt nagyon jó hőszigetelők készíthetők, de itt is van ellenpélda; épp az elektronikai ipar

igényei

miatt

kellett

kifejleszteni/találni olyan kerámiát, ami a fémekkel azonos hővezető, miközben megőrzi jó villamos szigetelő képességét (BeO, AlN).

3.2.8. ábra: A kerámiák hővezető képessége és hőtágulási együtthatója

Kémiai ellenálló-képességük szinte egységesen jó, sőt nagyon sok, magas hőmérsékleten is kiváló, nehezen megtámadható anyag van. Ezért időtállóak, alkalmasak élelmiszerek tárolására, tartós 38

használati tárgyak készítésére. Kerámiába, üvegbe ágyazva rakják le a radioaktív hulladékok egy részét, így biztosítva, hogy nagyon hosszú időre megóvják a természetet a sugárzó anyag kilúgozódásától. Ugyanakkor a kerámiák esetében is tapasztalható a korrózió, tehát agresszívabb kémiai környezetben a felület károsodhat.

3.2.3.

Kerámia típusok

A következőkben a teljesség igénye nélkül bemutatunk néhány műszaki kerámia csoportot.

Porcelán Három hagyományos összetevője a kaolin (Al2O3 2SiO2 2H2O), kvarc (SiO2) és a földpát ((K,Na)AlSi3O8), amelyeket kb. 2:1:1 arányban kevernek. Kiégetve változatos kristályos fázisok (alakra, méretre, összetételre) jönnek létre. A szemcséket részben körbefogva üveges fázis is erősíti a szerkezetet. Így egy jó teherbírású, nagy szilárdságú anyagot kapunk. Általában pár % porozitása megmarad, ami kissé javít az amúgy rideg szerkezet rugalmasságán. Másrészt a nyitott pórusokba bejuthat víz, ami a háztartási és a villamosipari alkalmazást is akadályozná. Ezért általában egy üveges bevonttal, mázzal látják el, ami lehetővé teszi kültéri szigetelőként való alkalmazásra valamint dísztárgyakon művészi alkotások létrehozására. A porcelán egyes tulajdonságainak javítására különböző adalékokkal vagy egyes alkotók cseréjével van lehetőség. A tulajdonságok hangolása az összetevők arányának változtatásával is lehet: a nagyobb földpát

tartalom

nagyobb

üveges

fázist

eredményez, ettől javul az átütési szilárdság. A kvarc

mennyiségének

növelése

a

nagyobb

mechanikai szilárdságot, a kaolin tartalom növelése nagyobb hőállóságot eredményez. A villamos szigetelő-képesség viszonylag gyengébb volta a földpáttal bevitt nátrium ionok miatt van. Ha ezt lecseréljük a jóval kevésbé mozgékony kétértékű báriumra vagy magnéziumra, a fajlagos ellenállás jelentősen megnő. A cirkónium-tartalmú kerámiák villamos és termikus tulajdonságai is

3.2.9. ábra: Porcelán elektronmikroszkópos képe, bemutatva a változatos fázisösszetételt. (forrás: Breviary Technical Ceramics)

javulnak.

Szteatit kerámiák A villamosipari alkalmazásokhoz fontos volt, hogy a nagy ellenállás mellett a nagyobb frekvencián mért veszteségi tényező is kicsi legyen. Ez csak alkáli mentes anyagokkal érhető el. Ilyen anyag a szteatit, 39

összetétele: MgO SiO2 Alapanyaga a zsírkő és a talkum, amelyhez az üveges fázis biztosítására kevés földpátot adnak. Amennyiben a teljes alkáli-mentesség szükséges, földpát helyett Ba tartalmú vegyületet használnak, így pl. a nagyfrekvenciás tulajdonságok javulnak. Alkalmazási területük az utóbbi időben kissé visszaszorult. A kisfeszültségű hálózati szigetelőknél az olcsóbb műanyagokkal helyettesíthetők, kivéve a magasabb hőmérsékletű alkalmazásokat. Diszkrét ellenállásokra, amelynek kiváló hordozója volt, már alig van szükség, hibrid IC-kben pedig az oxid, nitrid kerámiák vették át a szerepét.

3.2.1. táblázat: Fontosabb kerámiatípusok mechanikai, termikus és villamos jellemzői Tulajdonság SiC Si3N4 AlN egység porcelán szteatit MgO ZrO2 Sűrűség

g/cm³

BN

2.45

2.7

3.4

6.0

3.1

3.3

3.15

2,5

GPa

60

110

250

200

410

290

320

250

Hajlító szilárdság

MPa

40

140

165

900

450

950

280

300

Nyomó szilárdság

MPa

450

900

2000

Keménység

HV (GPa)

6

13

22

15

11

Hőtágulás

ºCˉ¹ *10-6

5.0

Rugalmassági modulusz

Hővezető képesség W/(m*K) Max.

működési

hőmérséklet Átütési szilárdság Dielektromos

veszteségi

tényező (1MHz) Fajlagos ellenállás

25° C

500° C

7.0

13.5

10.3

4

3.2

1 - 2,5

2,5

9

2

60 - 100

30

1000

1500

1500

1300

1400

1000

13

9

-

-

20

10

28

-

8

9

4

20

150-200 10 - 50

1100

6

6

* 10-3

12

5

1

-

2

<1

2

Ωcm

1011

1013

1013

< 103

1011 -13

1013

1012

104

108

105

103

106

állandó (1 MHz) Diel.

4-7

ºC

KV/mm

3000

40

Oxidkerámiák Legtöbbször egykomponensű, esetleg pár % adalékot tartalmazó oxidokat készítenek. Legismertebb az alumínium oxid, továbbá a cirkónium, titán, magnézium oxidjai használatosak. Korund, alumínium oxid, Al2O3: kiemelkedő tulajdonságai és viszonylag olcsóbb előállítása miatt ez az anyag a leggyakoribb az oxid kerámiák között. Mechanikai, termikus és villamos jellemzői is jobbak, mint a szilikát kerámiáké. Jellemző alkalmazás pl. a gyújtógyertyákban, ahol mindhárom említett jó tulajdonságra szükség van. Az említett olcsóság természetesen csak a többi oxidkerámiához képest igaz, főképp a magas kiégetési hőmérséklet emeli a költségeket. A tiszta korund 2000°C-on égethető tömörre. A jó tulajdonságok kismértékű beáldozásával készítenek 85 és 99% közötti tisztaságú kerámiákat, főképp szteatit adagolásával. Így a kiégetés hőmérséklete 1500°C-ig csökkenthető. Ezt illusztrálja az 3.2.2. táblázat. A 90%-ost használják kerámia tokozású IC-kben, a 96 – 97%-ost hibrid IC hordozójaként, 99%-nál tisztábbakat pl. a félvezető gyártás eszközeiként. 3.2.2. táblázat: Különböző tisztaságú korund kerámiák fontosabb mechanikai, termikus és villamos jellemzői 90% Tulajdonság Egység 97,5% 99% 99,9% Zafir Sűrűség

g/cm³

3,8

3.85

3.89

3,9

3.98

Rugalmassági modulus

GPa

320

331

375

380

430

Hajlító szilárdság

MPa

320

386

410

400

Nyomó szilárdság

MPa

2000

2070

2340

Keménység

HV (GPa)

12

13,4

15

17,5

22,5

Hőtágulás

ºCˉ¹ *10-6

7,3

7.6

7.9

8

5 - 6.7

Hővezető képesség

W/(m*K)

12

35,4

35,4

35

38

1550

1650

1700

1750

2000

8,7

9,3

9,8

9.0

9,4

9,7

9,9

10

2

0,5

0,2

0,1

0,1

> 1012

> 1014

> 1014

> 1014

> 1014

108

1010

1010

1013

1013

106

108

108

1010

1010

Max. hőmérséklet

működési ºC KV/mm

Átütési szilárdság Dielektromos (1 MHz)

állandó

Dielektromos veszteségi *10-3 tényező (1MHz) 20°C Térfogati ellenállás

300°C 500°C

Ωcm

41

2400

48

Nem mindig káros pár % idegen anyag bevitele. A hordozóként való felhasználás feltétele a sima felület, ez könnyebben alakul ki a 96%-os korundban. Ugyanígy javíthat is a fajlagos ellenálláson, mert a nagyon tiszta korundban a szennyezésként elkerülhetetlen nátrium ionok a szemcsehatárokon könnyebben mozoghatnak, mintha egy kevés üvegfázisban kötve lennének. További alkalmazások: szerkezeti anyagként ott érdemes használni, ahol nagy keménység, kopásállóság az igény, hiszen a korund a Mohs skálán 9-es keménységű. Ezért a csiszolóporok / vásznak leggyakoribb anyaga. Érdekes tulajdonsága, hogy szövetbarát, tehát az élő szervezet befogadja. Térdcsípő- és váll-ízület protéziseket is készítenek belőle, ahol fontos követelmény a jó kopásállóság és a kis sűrűség.

A további oxid kerámiák: Cirkónium-dioxid,

ZrO2:

néhány

alkalmazásban

különlegesen jó tulajdonságokat mutat. Igen kemény, kopásálló és hőtágulása illeszkedik az acélhoz, ezért motorokban csapágyak, szelepek készíthetők belőle. Érdekes tulajdonsága az önjavító képesség, ha a stabilizált tetragonális szerkezetű anyagon repedés keletkezik, ott

3.2.10. ábra: Motor alkatrészek cirkon kerámiából

esély van a szobahőmérsékleten stabil monoklin formává való átalakulásnak. Ennek jóval nagyobb a fajtérfogata, ami betömi a repedést. Berillium oxid, BeO: három kiemelkedő tulajdonsága van, sajnos ezek közül az egyik, hogy mérgező. Ezután már hiába jobb szigetelő, mint a korund (magas hőmérsékleten és GHz feletti frekvencián), hiába olyan jó hővezető, mint a réz, egyre kevésbé használják. Maga a kész kerámia már nem ártalmas, de gyártása, újrahasznosítása során nagyon figyelni kell a dolgozók védelmére. Nem-oxid kerámiák Az utóbbi évtizedekben a nitrid kerámiák kerültek előtérbe néhány hitech alkalmazásuk következtében. Régebbről ismert a bórnitrid (BN) a gyémánthoz közeli keménysége okán, a másik két anyagot a modern technológia igényei hívták életre. Alumínium nitrid, AlN: főképp az elektronikai iparban használják, mert a jó szigetelő tulajdonságok mellett kiváló hővezető, és ez a ritka párosítás nagyon kívánatos a nagy integráltságú és nagy sebességű áramkörök hordozójaként. Jól fémezhető.

42

3.2.11. ábra: Többrétegű AlN kerámia hordozós áramkör egy eleme

A Lakihegyi Adótorony talpszigetelése: A ma már legendás adótorony 1933-ban készült és 1946-ban újjáépítették, 1988 óta műszaki műemlék. Egyik nagyon jelentős műszaki megoldás benne a talpszigetelés. Amellett, hogy nagyfeszültségű szigetelőként kiválóan kell funkcionálnia, tartania kell a teljes szerkezetet, amelynek önsúlya 225 t, de a feszítés miatt a terhelés 430 t. A tartószerkezet két 9 cm falvastagságú szteatit kerámia csonkakúp, ahogy a jobb oldali kép mutatja. A pirosra festett félgömb sapkák acélból vannak. Az újjáépítés óta nem kellett (nem is lehetne) cserélni. A középső képen látszik, hogy a merevítő kábeleken is hasonló szigetelőket alkalmaztak.

Szilícium nitrid Si3N4: ez az anyag kimagasló mechanikai tulajdonságaiért érdemel figyelmet. Ezért nagy kopásnak, hőterhelésnek kitett alkatrészek készíthetők belőle. Általában a kerámiából készült gördülő elemek előnye, hogy a nagy keménység miatt minimális a deformáció, a két felület érintkezése, így minimális a gördülési ellenállás. Emellett a fémekkel megegyező felületi simaság és azoknál jobb

hőtűrés

miatt

gyakorlatilag

nem

szükséges

kenőanyagot használni. E célra teljesen tömör kerámia

3.2.12. ábra: Csapágyak szilícium nitrid kerámiából

szükséges, ami forró izosztatikus sajtolással állítható elő. A szilícium nitrid fontos szereplő a félvezető technológiában is, a SiO2 mellett egyre gyakrabban használt szigetelő és maszkoló réteg, különösen a MOS tranzisztorokban. A mikro-elektro-mechanikai eszközökben (MEMS) szintén maszk és membránok anyaga lehet. Szilícium karbid SiC: Félvezető tulajdonságán alapulva magas hőmérsékletű fűtőellenállás anyaga. Eredetileg főképp keménységét használva csiszolóanyagok készültek belőle. Kerámiaként többféle 43

technológiával többféle porozitású termék kapható. A sajtolt nyersanyag kiégetése 2000°C-on történik, ezért próbálkoznak egyéb eljárásokkal is, pl.: reaktív kötés, fémes (Si) kötés, forrósajtolás. Így a hőállóság 1300 és 2000°C között változik. A tiszta szinterelt kerámia 1600°C-ig megtartja kiváló tulajdonságait. Minden típusa jó vegyszerállósággal és hősokk-állósággal rendelkezik, ezekért csapágyak, vegyipari berendezésekben csúszó tömítések, tűzálló borítások készülhetnek belőle. Bór nitrid BN: viszonylag könnyen gyártható, kiváló termikus és villamos szigetelő tulajdonsággal rendelkező kerámia. A tömör anyag a gyémánthoz közeli keménységgel rendelkezik, a kb. 10-15% porozitású változata jól megmunkálható, még mindig megfelelő mechanikai jellemzők mellett. Jól átengedi a mikrohullámú sugárzást, ezért pl. rakétaorr borításaként használható. Alkalmazzák még mikroelektronikában hordozó-, tokozó anyagként, magas hőmérsékletű technológiáknál szerkezeti anyagként (oxidáló közegben 900°C-ig, redukálóban 2000°C-ig hőálló).

Kerámia kondenzátorok, ferroelektromos anyagok: A villamosipari alkalmazások hagyományos területe a kondenzátor. Diszkrét elemként vagy integrált formában, rétegtechnológiai eljárással készítve használhatják. Két fő anyagcsoportot használnak: I-es típus:

II-es típus

 stabil, jól beállítható értéket ad (1, 5, 20%-os  pontatlanabb névleges értékek (-20 - +80%)  ferroelektromos anyagok nagy dielektromos

pontosság)  dielektromos állandó közepes: 15 – 200

állandóval: 1000 – 20000 között  kicsivel

között,  10-3-nál kisebb veszteségi tényező

gyengébb

szigetelési

ellenállás,

nagyobb veszteségi tényező.

 a paraméterek hőmérsékletfüggése (TK)  A hőmérsékletfüggés nem lineáris lineáris (- 800 - + 100 * 10-6) Anyagok: TiO2, MgTiO3

Anyagok: BaTiO3, SrTiO3

A II. típusú kondenzátorok anyagai ferroelektromos tulajdonságúak. Ezt már megismertük a 4.1. fejezetben. Most csak a Curie-hőmérsékletre térnénk vissza. A BaTiO3 125°C-on tetraéderesből rombos szerkezetűvé alakul. Itt legnagyobb a dielektromos állandója, ami nem épp előnyös. A szobahőmérséklet felé eltolható SrTiO3 adalékolásával, a kiugró változás pedig simítható CeO2 vagy BaZrO3 hozzáadásával.

44

3.2.13. ábra: a) A BaTiO3 permittivitásának hőmérsékletfüggése, többrétegű kerámia kondenzátor

b.) Felületszerelhető

A többrétegű kondenzátor rétegei fóliaöntéssel készülnek, még nyers állapotban fémezik, összepréselik és kb. 1300°C körül kiégetik. Hibrid IC-ben vastagréteg technológiával, szitanyomtatással készíthetők kondenzátorok, kb. 80% kerámia tartalmú pasztát készítenek, ezt nyomtatják, majd beégetik.

Piezoelektromos kerámiák: A ferroelektromos kerámiák egy része piezoelektromos tulajdonságokkal is bír. A jól kidolgozott formázási technológiák következtében gyártásuk egyszerűbb ipari méretekben is, ezért a kristályos kvarc mellett nagyon népszerűek. A technológia gyakorlatilag megegyezik a klasszikus kerámiákéval, két nagyon fontos speciális követelmény figyelembe vételével: 100% tömörséget kell elérni, mert csak így biztosítható a megfelelő csatolási tényező, a kis veszteség. Ezért tömbszerű termékeknél célszerű izosztatikus vagy forró izosztatikus sajtolást alkalmazni. Többrétegű eszközöknél fóliaöntés, fémezés, sajtolás majd égetés a sorrend. A polikristályos kerámiában az elemi dipólok rendezetlenül helyezkednek el, ezt nagyon erős elektromos térrel (kb. 3 kV/mm) kell egy irányba beállítani, még magas hőmérsékleten, ez a polarizáció.

45

Anyagok: a perovszkit szerkezetű anyagok a legismertebbek. Az A2+B4+O3 struktúrában lehetőség van a spontán polarizációra, másrészt az A2+ és B4+ fémek cseréjére, így a tulajdonságok módosítására. A névadó perovszkit CaTiO3, ezt magában nem használják, viszonylag ritkábban a BaTiO3-ot, pl. frekvencia szűrőkben, és manapság legjobbak az un. PZT, PLZT kerámiák: Pb(ZrTi)O3, ill. (PbLa)(ZrTi)O3. Mindkettőnél változó mértékben helyettesítik cirkóniummal, ill. lantánnal az ólmot és a titánt. A PLZT egyik érdekes tulajdonsága, hogy átlátszó kerámia is készíthető belőle, és az átlátszó/nem átlátszó állapot elektromos térrel nagyon gyorsan, pár µs alatt kapcsolható. Rendkívül sok, érdekes alkalmazást találtak, mert mind az elektromos – mechanikai, mind a fordított irányban nagyon finom, érzékeny, zajmentes, kis energiaigényű átalakítást tesz lehetővé. Ráadásul az erő – feszültség függvény mindét irányban nagyjából lineáris, ami kényelmes szabályzást, feldolgozást biztosít. Sokféle szenzor és aktuátor (végrehajtó elem) készíthető. Pl. az atomi pásztázó mikroszkópokban a minta x, y irányú és a tű y irányú mozgatása is piezo-aktuátorokkal valósítható meg,

3.2.14. ábra: Többrétegű lineáris aktuátor

pár tized nm-es pontossággal. Újabb érdekes kísérlet piezo nanorudak segítségével „hulladék” mechanikai energiát villamos energiává alakítani.

Szupravezető kerámiák: A szupravezetés elméletének tisztázása hozta azt az ötletet,

hogy

a

fémeknél

sokkal

merevebb

kristályszerkezetű kerámiák között kellene keresni magasabb

kritikus

hőmérséklettel

rendelkező

szupravezető anyagokat. Rövid időn belül sikerült megtalálni azt az anyagcsoportot, amellyel sikerült a szupravezető

állapotot

a

cseppfolyós

nitrogén

forráspontja fölé vinni (77K, ami jóval könnyebben elérhető és nagyságrendekkel olcsóbb, mint az addig használt hélium). A legtöbb alkalmas anyag meglehetősen bonyolult kristályszerkezettel bír, de közös bennük, hogy egy CuO réteg található. Ennek valószínű szerepe van a

3.2.15. ábra: A TlBa2CaCu2O8 szupravezető szerkezete

szupravezetésben, de az ezt megmagyarázó elmélet még nem született meg. A legismertebb anyag az un. YBaCO kerámia (YBa2Cu3O7-x) 93K kritikus hőmérséklettel, amelyet enyhén oxigénhiányos atmoszférában égetve készítenek. A további fejlesztésekkel, pár új anyag bevetésével (pl. Sr, Bi, Ta, Tl, Hg) a kritikus hőmérsékletet sikerült 160K fölé emelni. 46

Egykristályos anyagok: A félvezető egykristályokon kívül általában valamilyen optikai vagy fotonikai alkalmazás igényli a tiszta, hibátlan anyagokat. Közös jellemzőjük az átlátszóság, legalábbis bizonyos hullámhossz tartományban, emellett gyakran használják ki az egykristályok anizotrópiáját, azaz bizonyos mechanikai, villamos vagy optikai tulajdonság függését a kristálytani irányoktól. Előállításukra a korábban bemutatott Czochralski eljáráson kívül a Bridgman módszer terjedt el. Utóbbi esetében az olvadékban hőmérséklet gradienst hoznak létre, ezután vagy a tégelyt vagy a kemencét mozgatva szilárdul meg az olvadék.

Néhány anyag és alkalmazás: 

Szilárdtest lézerek: a két leggyakoribb a rubin (Cr adalékolt Al2O3) és a Nd:YAG (neodímiummal aktivált yttrium-alumínium gránát Nd:Y3Al5O12).

3.2.16. ábra: Nd:YAG lézer és LED chip 

Zafír egykristály (tiszta Al2O3) a teljesítmény LED-ek hordozójaként. Főképp a jó hővezető képessége, hőállósága és nagy felületi simasága miatt erre növesztik a LED chipeket.



Nemlineáris optikai kristályok: a szokásos optikai jelenségeknél lineáris kapcsolat van a hatás és az azt létrehozó hatóerő között, míg itt a magasabb hatványú tagok is szerepelnek. Általánosan: V = k0 + k1 H + k2 H2 + k3 H3 + … ahol általánosan V a hatás és H a hatóerő Ilyen jelenség pl. a frekvencia kétszerezés (többszörözés), az akuszto-optikai, elektro-optikai effektus. Jellemző anyagok: lítium-niobát (LiNbO3), béta-bárium-metaborát (β-BaB2O4, BBO), kálium-dihidrogén foszfát (KH2PO4, KDP).

Ellenőrző kérdések: 1. Ismertesse a kerámia szerkezet fő jellemzőit! 2. Hasonlítsa össze a porcelán és az Al2O3 kerámia tulajdonságait, alkalmazási területeit! 3. Ismertesse a kerámia technológia fő lépéseit!

47

4. A kerámiák hőkezelése, az égetés alatt lezajló folyamatok 5. Az ismertebb oxid-kerámiák; fontosabb tulajdonságok és villamosipari alkalmazások. 6. Az ismertebb nem-oxid kerámiák; fontosabb tulajdonságok és villamosipari alkalmazások. 7. Keressen híradástechnikában, méréstechnikában használt egykristályos anyagokat (félvezetők kivételével). Melyek a fontosabb speciális tulajdonságok, amelyek az adott alkalmazáshoz kellenek? 8. Hogy lehet a kerámiák ütésállóságát (szívósságát) javítani?

3.3.

Üvegek

Az üveg szónak két jelentése is van: értjük alatta azt az anyagcsoportot, amit a hétköznapokban is üvegnek nevezünk, és jelenti azt a szerkezetet, a rendezetlenségnek azt az állapotát, amely a szokásos üveg mellett sok polimerre, néha egyéb anyagokra is jellemző.

Az üveges állapot kialakulása A hagyományos üveg szilikátvegyületek megolvasztásával majd lehűtésével keletkezik. Az üvegszerkezet kialakulását könnyen megérthetjük a relaxációs idő bevezetésével. Ha egy olvadék egy T hőmérsékleten van, az alkotói az erre a hőmérsékletre jellemző olvadékszerkezetet vesznek fel. ΔTvel csökkentve a hőmérsékletet, az anyag csak τ relaxációs idő után áll be az új egyensúlyi szerkezetbe. Ahogy közeledünk az olvadáspont felé, nő a viszkozitás, nő a relaxációs idő is, egyre nagyobb lesz a lemaradás a szerkezetváltozásban. Azok az anyagok kerülnek könnyen üveges állapotba, amelyeknek a megszilárdulás előtt igen naggyá válik a viszkozitásuk, ennek következtében a relaxációs idő is órákban mérhető. Nem lesz mód kristálycsírák keletkezésére, növekedésére, így egy magasabb hőmérsékletre jellemző folyadékszerkezet fagy be, amely ugyan megindult a rendeződés irányába, a rövidtávú rend nyomai megtalálhatók, de néhány atomnyi távolságon túl már torzulnak a szögek, távolságok. Ilyenek tipikusan az üvegek, nem teljesen rendezetlenek, nem amorfak, de távolabb vannak a kristályos rendtől. Mint látható, a szerkezetet befolyásolja az a hőmúlt, ahogy az üveg eljutott a szilárd állapotig. Belső feszültségek, kisebb mértékű inhomogenitások maradhatnak benne. Ha nagyon lassú a hűtés, vagy hosszasan tartjuk magasabb hőmérsékleten, van esély kristálygócok kialakulására, amit elüvegtelenedésnek nevezünk. Már a szó is sugallja, hogy nem kívánatos folyamat, romlik a homogenitás, romlanak a mechanikai, optikai tulajdonságok. Ugyanakkor ezt is lehet hasznosra

48

fordítani, a sok érdekes tulajdonság-kombinációval rendelkező üvegkerámiákban szándékosan hozunk létre kristályos fázist. Létezik (és kitartóan terjed) egy népszerű tévhit arról, hogy az üveg csak egy igen nagy viszkozitású folyadék, és emiatt nagyon hosszú idő alatt változik is az alakja. Ezt bizonyítaná az, hogy a régi templomok üvegberakásos ablakai mindig alul vastagabbak. A tény valószínűleg igaz, de az oka a régebbi síküveg-gyártási technikák pontatlansága. Az egyenetlen vastagságú üveglapkákat vagy nagyobb táblákat a rendszerető mesterek helyezték úgy a keretbe, hogy nagyrészt a vastagabb felük került alulra. A rajz a Diderot szerkesztette Enciklopédia egyik illusztrációja, az akkor szokásos korona üveggyártást mutatja. A pipával kivett olvadékot először fúvással alakították, majd pörgetéssel kb. 1m átmérőjű sík koronggá formázták. A másik eljárás szerint vastag csövet húztak, amelyet még lágy állapotban elvágtak az alkotó mentén, majd ezt kilapították. Egyik módszer sem biztosít tökéletesen egyenletes vastagságot. http://glassian.org/Making/Diderot/glasshouse_exterior.html

A hűtési - rendeződési sebességről szóló gondolatmenetet meg is fordíthatjuk: ha olyan olvadékot akarunk üveges állapotba hozni, amelyek könnyen, gyorsan kristályosodnak, azaz kicsi a relaxációs idejük, a hűtési sebességet kell még nagyobbra növelnünk. Pl. a korábban már említett fémüvegeket úgy állítják elő, hogy az olvadékból vékony szálat vagy lemezt húznak és azt nagy levegőáramban hűtik. Így kb. 1000 K/sec hűtési sebesség érhető el. Gyakrabban választják a lemez formát, mert abból közvetlenül készíthető transzformátor vasmag, amely az egyik kedvenc alkalmazás, mert fémüvegből készítve kisebb lesz a hiszterézise és a vasvesztesége.

49

Az üveges szerkezet: A szerkezet kialakulását a 3.3.1. ábrán lehet követni. 

A kristályos kvarcban SiO4 tetraéderek alkotnak szabályos hattagú gyűrűket (ennek csak egy síkbeli vetületét látjuk, a negyedik oxigénnel együtt már térbeli hálózat alakul ki).



Megolvasztás után a visszarendeződés csak részben sikerül, a tetraéderek már pontatlanabbul kapcsolódnak egymáshoz, a hatos gyűrűk mellett kisebbek, nagyobbak is keletkeznek, összességében rendezetlen a szerkezet.



Ha a SiO2 mellett fémoxidokat is tartalmaz az üveg, azok általában felszakítanak egy Si – O – Si kötést (híd oxigént), és két, un. végállású oxigént (- Si – O-) hoznak létre, és a fémek ezekhez ionosan kapcsolódnak, kitöltve egy – egy gyűrűben a szabad teret.

3.3.1. ábra: az üveges szerkezet kialakulása

A transzformációs hőmérséklet Az üveges állapot megértéséhez a másik kulcs a transzformációs hőmérséklet. Ehhez képzeljük el, hogy egy olvadékot elkezdünk hűteni. Nézzük azt, hogyan változik a fajtérfogata (egységnyi tömeg térfogata) a hűtés során (3.3.2. ábra). Hasonló lefutású görbét kapnánk más, un. másodlagos intenzív paraméter ábrázolásakor is, mint pl. hőtágulás, fajhő. A kristályosan dermedő anyag (1. görbe) a Tl olvadáspontot elérve megszilárdul, ezalatt (általában) összehúzódik, majd kristályos állapotában a hőtágulásának megfelelően hűl és zsugorodik.

50

Ezzel szemben az üveges anyag észrevétlenül áthalad a Tl likvidusz hőmérsékleten (a tulajdonképpeni olvadásponton), és csak jóval alacsonyabb hőmérsékleten, Tg-n történik benne olyan változás, ami után már inkább szilárd anyagnak

látszik,

hőtágulása.

Tehát

pl.

kisebb

a

likvidusz

lesz

a

és

a

transzformációs hőmérséklet között van egy, általában több száz fokos tartomány, ahol az anyag túlhűtött állapotban van. Ekkor viszonylag instabil, itt van lehetőség a kristályos állapotba való átjutásnak, azaz az elüvegtelenedésnek.

A

Tg-t

elérve

3.3.2. ábra: A transzformációs és a likvidusz hőmérséklet értelmezése az üvegeknél

a

szerkezet rideg, szilárd lesz, itt már

semmilyen képlékeny alakváltozás, kúszás, belső mozgás nem lehetséges, másképp megfogalmazva a relaxációs idő végtelen hosszú.

A viszkozitás Mint láttuk, a szerkezet kialakulásában, és később a tulajdonságok meghatározásában döntő szerepe van a viszkozitásnak. Ezért vizsgáljuk meg, hogyan alakul a hőmérséklet függvényében. Maga a viszkozitás annak a 𝜎 nyírófeszültségnek a nagysága, mely ahhoz szükséges, hogy a folyadékban két egymástól egységnyi távolságban levő egységnyi területű sík, egymáshoz képest egységnyi sebességgel mozogjon. Képletben:

𝜎=

3.3.3. ábra:A viszkozitás értelmezése

𝐹 𝑑𝑣 = 𝜂 𝐴 𝑑𝑦

ahol 𝜂 az anyag viszkozitása. Mértékegysége [N/m2·sec = Pasec], de azért, hogy sok régi táblázat hasznos adatait ne kelljen kidobni, sokszor ennek egy tizedét a [dPasec]-ot használják, mert az számszerűen pont megegyezik az SI előtti [poise]-zal .

51

A 3.3.4. ábra mutatja a viszkozitási index (lg 𝜂) változását az olvadék állapottól egészen a megszilárdulásig. A szaggatott vonal azt mutatja, hogy a viszkozitásnak, mint fluid közegekre használt jellemzőnek, valójában nincs is értelme, nem is mérhető, ez a szakasz csak extrapoláció. Kövessük a görbén a lehűlés folyamatát: 

Az olvasztás 1500°C körül történik, itt a viszkozitás10 dPas körül van



lg 𝜂 = 2,5: ehhez tartozik a likvidusz hőmérséklet Tl



4 és 8 viszkozitási index között lehet formázni, gépi műveletek a lágyabb,

3.3.4. ábra: Az üveg viszkozitási görbéje

kéziek a kissé szilárdabb állapotban zajlanak. 

Technológusok számára fontos, szabványos mérési lehetőség a Littleton-féle lágyuláspont; itt az üveg saját súlya alatt egyenletesen nyúlik.



lg 𝜂 = 13-hoz tartozik a transzformációs hőmérséklet és ennek szűk környezete a transzformációs tartomány. Erre a hőmérsékletre melegítve, az üvegben maradt feszültségek már képesek annyi elmozdulást okozni, hogy a feszültségek oldódjanak. Ez a temperálás tartománya.



Tovább csökkentve a hőmérsékletet már teljesen rideg állapotba kerül, gyakorlatilag semmi képlékeny alakváltozást, kúszást nem tapasztalhatunk.

Az üvegek összetétele Az összetevőket részben a szerkezetben betöltött, részben a technológiai szerepük szerint csoportosíthatjuk. (A szilikátüvegeknél gyakran elemekről beszélünk, de mindig oxidokra kell gondolni, mert így szerepelnek az anyagban) 

Hálózatalkotók: mint a 3.3.1. ábrán látható, az üvegben egy végtelen, kovalens kötésekből álló térháló alakul ki. Legfontosabb eleme a Si, de mellette fontos még a B, P, Ge, Ti, As, Sb. Ezek mind kis koordinációs számú, erős kovalens kötést hoznak létre az oxigénnel.



Módosítók: ezek felszakítják, lazítják a hálózatot, annak üregeiben helyezkednek el, és ionosan kötődnek a végállású oxigénekhez. Ide tartoznak az alkáli és alkáli földfémek: Na, K, Li, Ca, Mg, 52

Ba. Technológiai szerepük az olvasztási hőmérséklet lecsökkentése, a tisztulás gyorsítása (alkáli fémek), ill. az üvegszerkezet stabilizálása (alkáli földfémek). 

Átmeneti elemek: Az előző két csoport közötti tulajdonságokkal, mindkét pozícióban elhelyezkedhetnek. A jelentősebbek: Al, Pb, Zn, Zr.



Adalékok: Részben a technológia, részben a felhasználás igénye miatt többféle adalékot használhatnak: o

a tisztulás könnyítésére olyan anyagokat, amelyek magas hőmérsékleten gázt adnak le, és ezek segítik a keveredést, az apróbb buborékok felszállását (pl.: Sb2O5, As2O5)

o

színtelenítők: főképp a vas 3 értékűvé oxidálása, majd a maradék enyhe sárgás szín komplementer színnel való kioltása a feladat. A használt anyagok: MnO2, CeO2, Se.

o

színezők: lehet fémionokkal, pl.: fém kolloidokkal, pl.:

o

Co–kék,

Au-bíbor,

Ni-lilás, barnás,

Cr-zöld,

Cu, Ag-sárga-rubin-zöld

opalizálók: fluorid sókkal vagy ónoxiddal

Technológia Ipari méretben az üveg megolvasztása kemencékben történik. A tiszta és megőrölt nyersanyagokat esetleg hulladék üveget egyenletesen adagolják a kemence olvasztóterébe, kb. egy napot biztosítanak a megolvadásra, homogenizálódásra és a buborékok eltávozására. Itt a csúcshőmérséklet 1500 - 1550°C. Tovább a munkatérbe folyik az olvadék, lehűtik 1100 - 1200°C-ra és innen veszik/vezetik ki a kész üveget. A formázás közvetlenül a lehűlésben lévő üvegen történik gépi vagy kézi alakítással. 

Táblaüveg gyártás: ma a legjobb minőséget adó és egyben legtermelékenyebb eljárás az un. float-üveg gyártás. A kemencéből széles résen kifolyó olvadékot egy olvadt ónt tartalmazó kádra úsztatják, miközben felülről lánggal polírozzák. Így mindkét oldal nagyon sima, egyenletes felületű lesz. A kád végére érve már szilárd állapotra hűl, a továbbiakban olyan hűtési sebességet kell biztosítani, hogy a belső feszültségek a megengedett határon belül maradjanak. E temperálási szakasz minden formázási módnál szükséges, és az üvegfeszültségek tárgyalásakor visszatérünk rá.



Öblösüveg: egy vagy több fűtött csatorna végén cseppadagoló van, amelyből egy formára ül fel a csepp. Erre alulról záródik egy forma, ráfordul a fúvószerszám, és kifújja az üveget. Utána nyílik a forma, lerepesztik a szájrész és megy a termék a temperáló kályhába. Öblösüveg készíthető még préseléssel vagy centrifugálással is.



Speciális öblösüveg a lámpabura, gyártásuk hasonló elven, különlegesen nagy teljesítményű gépsorokon történik. Az un. Ribbon gépen egy folyamatosan kiömlő olvadékot először ellapít a gép, majd a szalagból fújja ki a burákat. Jelentőségük a normál izzók betiltásával csökkent.

53



Csőhúzás: fontos félkész termék, sokat használ a fényforrás ipar. Elviekben hasonlít a síküveg gyártásra. Külön feladat a pontos átmérő, ovalitás, falvastagság tartása.



Kézi formázás: kis sorozatok, művészi tárgyak készítésére ma is használják.

Tulajdonságok Nagyon sok jellemzőjében hasonlít a kerámiákra, hiszen anyaga, a kémiai kötések hasonlóak. Az eltérések fő oka a kristályszerkezet hiánya, az új típusú, az üveges állapotból következő szerkezeti hibák megjelenése.

Mechanikai tulajdonságok: Még a kerámiáknál is ridegebb, gyakorlatilag semmi képlékeny alakváltozást nem mutat. Különösen húzó, hajlítószilárdsága kicsi, nyomószilárdsága közel egy nagyságrenddel nagyobb. Ennek több oka van: 

Felület állapota: a leginkább meghatározó. A legtöbb sérülés itt keletkezik, innen terjed tovább. Mikrorepedések (Griffith-repedések), felszakadt kötések, idegen anyagok, főképp víz beépülése, korróziós folyamatok gyengítik a felületet.



A krisztallit-határok hiánya: a polikristályos anyagokban a szemcsehatár egy lehetőség a repedések megállítására, a belső feszültségek feloldódására. Ilyenek az üvegben nincsenek, ha egy repedés megindul, az sokkal könnyebben végigszalad az anyag teljes keresztmetszetén.



Olvasztási hibák: az olvasztás során könnyen maradhatnak apró kristályok, „kövek” és buborékok az üvegben. Előbbiek mechanikai feszültség forrásai, utóbbiak csak gyenge pontok a szerkezetben. Elsősorban ezek a hibák felelősek azért, hogy a mechanikai vizsgálatok eredményei az üvegnél sokkal nagyobb szórást mutatnak, mint a többi szerkezeti anyagnál.

Szilárdság javító felületkezelések: az előbbi felsorolásból már következik is az, mit kell tenni, hogy jobb mechanikai tulajdonságokat tudjunk kihozni az üvegből. Elsősorban a felületét kell megvédeni, megelőzni a repedések kialakulását, a felületi réteg degradálódását. A tapasztalat azt mutatta, hogy ezek a folyamatok már a hűlés során gyorsan beindulnak, tehát a védekezést is azonnal el kell kezdeni. 

Védőréteg a felületen: műanyaggal, vagy vékony viaszos réteggel kezelve, megmaradnak a kezdeti jó szilárdsági jellemzők. Pl. az optikai szálak közvetlen a húzás után kapnak egy primer műanyag bevonatot, és nagyrészt emiatt a mért húzószilárdsága 2 - 3 GPa, ami már megközelíti az elméleti 18 GPa értéket.



Ioncserével a felület Na+ ionjait nagyobb átmérőjűre (pl. K+) cserélik, ezáltal nyomófeszültség alakul ki legfelső rétegben, ami megakadályozza a repedések kialakulását.



Hidrogénfluoridos maratással a sérült felső réteg távolítható el. 54



A lángpolírozás begyógyítja a felületi karcokat, eltávolítja a vizet, esetleg valamennyi alkáli fémet is, aminek következtében a felszakadt láncok újra összekapcsolódhatnak. 3.3.1. táblázat: a felületkezelések hatásossága Felületkezelés: Szilárdság javulási faktor Edzés

6

Ioncsere

10

ioncsere

+

felületi

22

kristályosítás Maratás (HF)

30

Lángpolírozás

200

3.3.2. táblázat: A főbb üvegtípusok mechanikai, termikus és villamos tulajdonságai

Tulajdonság

Egység

Sűrűség

g/cm³

lágyüveg

edzett

kémiailag kemény-

kvarc-

üveg

edzett

üveg

üveg

2,4 - 2,6

2,4 - 2,6

2,4 - 2,6

2,2 – 2,4

2,2

Rugalmassági modulus MPa

70

70

70

70

72

Szakító szilárdság

MPa

70

210

500

280

300

Nyomó szilárdság

MPa

330

330

330

500

1100

Hőtágulás

ºCˉ¹ *10-6

9 – 9,5

9 – 9,5

9 – 9,5

3,5 – 5,5

0,55

Hővezető képesség

W/(m*K)

1

-

-

1,2

1,4

Transzformációs hőmérséklet Tg Átütési szilárdság

°C

550 - 570

550 - 570

550 - 570

480 - 720

>1100

13

13

13

15 - 20

30

6–7

6–7

6–7

4-6

3,7

1-3

0,1 – 0,4

KV/mm

Dielektromos állandó (1 MHz) Dielektromos veszte- *10-3 ségi tényező (1MHz) 20°C Térfogati ellenállás

~10 1012

1011

1013

1014

1016

300°C Ωcm

-

-

-

1012

1012

500°C

-

-

-

109

-

55

Bizonyos rosszindulatú megközelítés szerint az üvegeseknek azért van folyamatosan munkájuk, mert az üveg törékeny, és ez csökkenti a késztetést a minőség javítására. Mégis komoly kutatások folynak a szilárdság fokozatos javítására. A fő cél a falvastagság, és ezzel a tömeg csökkentése úgy, hogy a teherbíró képesség megmaradjon, esetleg javuljon. Különösen nagy a kihívás a kijelzők terén. Míg a különböző hitech elektronikai termékeknél a generációba sorolás alapja döntően a bonyolultság, a funkciók sokoldalúsága, a lapos kijelzőknél egyszerűen az üveghordozó mérete, azaz, hogy a vezető cégek mekkora tábla hibátlan üveg előállítására voltak képesek. A G1-es üveg mérete 30 x 40cm volt, addig a G8,5-ös üvegtábla mérete 220 x 250 cm. Ebből pl. 6 db 55”-os képernyő készíthető, úgy, hogy a vastagsága 1mm alá csökkent. A híres Gorilla üveg gyártásánál három olyan lépést is alkalmaztak, ami az extra szilárdságot és rugalmasságot biztosítja. Az un. fúziós táblahúzásnál az olvadékot egy vályúba öntik, amely megtelve két oldalt folyik le, majd alul egyesül. Így lehet minden eddigi technológiánál simább felületet elérni. (Korábban ugyanilyen vályú alján, a résen folyt ki az olvadék, de úgy nem volt elég sima a felületet.) Ezt táblákra, majd panel méretre vágják. Ezután egy ioncserés felületkezelés következik; KNO3 olvadékba merítik a táblát, kb. 400°C-on. Végül főképp az érintőképernyőknél egy fluorozott szilán bevonatot kap az üveg, így könnyebben tisztítható, és pl. az ujjlenyomat felismerés biztonságosabb lesz. A nagyon vékony OLED kijelzők hajlékony hordozójának fejlesztették ki a Willow üveget, amely annyira vékony, hogy hajlítható, feltekercselhető, de nem törékeny. Így alkalmas a roll to roll technológiára (folytonos szalagon, főképp nyomdai műveletekkel kialakított elektronikai elemek).

Termikus tulajdonságok A lágyulást, a viszkozitás alakulását korábban már tárgyaltuk. Kiegészítésül csak annyit, hogy a viszkozitás alapján különböztetünk meg lágy és kemény üveget. A lágyabbak alacsonyabb hőmérsékleten érik el ugyanazt a viszkozitást, amiből az is következik, hogy a keményüvegeket magasabb hőmérsékleten használhatjuk. A 10 – 15%-os alkál-oxid tartalom teszi lággyá az üveget, ez kemény üvegekben 0 és 5% között van. A további jellemzők: 56



Hőtágulás: a lágyüvegeké a legnagyobb, 9x10-6 1/°C, keményüvegeké ennek harmada - fele (3 – 5x10-6 1/°C) és a kvarcüvegé az anyagok közt az egyik legkisebb, 0,5x10-6 1/°C. Az összetétel változtatásával a hőtágulás finoman szabályozható, aminek a fémmel, kerámiával vagy másik üveggel való kötésnél lesz jelentősége.

3.3.5. ábra: Hőtágulási görbe

Jellegzetes a hőtágulási görbe, a transzformációs tartományig közel lineáris, fölötte kicsivel nagyobb, de a Ts-nél látható visszahajlás már a mérőműszer deformáló hatása miatt van. 

Hővezető képesség: minden üveg közepesen jó hőszigetelőnek mondható, legnagyobb vezetőképessége a kvarcüvegnek van, de kicsi a különbség. Nagyon jó hőszigetelők készíthetők habosított üvegből és üvegszálas paplanokból.

Üvegfeszültségek A rideg anyagok természetéből adódik, hogy ha a gyártás, alakítás során valamilyen belső feszültség alakul ki az anyagban, az a későbbiekben nem tud feloldódni, mert a képlékeny alakváltozás (kúszás) hiányában azok a molekuláris szintű elmozdulások is lehetetlenek, amelyek során ezek a feszültségek lassan kiegyenlítődnének. Az üvegnél ennek azért kiemelt a jelentősége, mert kicsi a húzószilárdsága, és szerencsétlen esetben akár töréshez is vezethetnek a rossz helyen koncentrálódó belső feszültségek. Hasonló feszültségek fémeknél is keletkeznek, de azok hosszabb – rövidebb pihentetés után feloldódnak. A feszültségek eredetük szerint lehetnek: 

Mechanikai: amikor valamilyen tartósan feszített állapotban van az anyag, pl. egy tartószerkezet vagy egy szűk keretbe szorított üveg



Termikus vagy hűlési: azért alakul ki könnyen, mert az üveg rossz hővezető, és hőtágulása, ha nem is nagy, de nem elhanyagolható. Gyártáskor, olvadék állapotban (Tg fölött) formázzák, és innen természetes úton hűl le, azaz a külső rész mindig előbbre jár. Végül a külső rész eléri a környezet hőmérsékletét, már nem húzódna össze tovább, a belső rész viszont még igen, mivel még melegebb. Ennek eredményeképp a külső rétegben nyomó, a belsőben húzófeszültség marad. Ezek az ún. maradandó feszültségek, amelyek csak temperálással szüntethetők meg. Léteznek ideiglenes feszültségek is, amelyeket átmeneti hőmérséklet-különbségek okoznak. Ilyen pl. egy lámpa bekapcsolásakor a búra gyors melegedése vagy forró ital töltésekor egy üvegpohárba. A hőkiegyenlítődés után a feszültségek is megszűnnek –feltéve, hogy az üveg 57

kibírta a hősokkot és nem tört el. Általában rossz az üvegek hősokk-állósága, különösen a hirtelen hűtésre, mert ekkor a külső rétegben húzófeszültség ébred, ami a hibás felületen okoz leghamarabb repedést, törést. 

Kötési: két különböző hőtágulású üveg vagy fém – üveg, kerámia – üveg kötésekor alakul ki. Ezek a kötések is magas hőmérsékleten készülnek, általában fontos követelmény a tökéletes gázzárás (vákuumzárás). Hűlés közben Tg-ig az üveg képlékenyen enged a kialakuló feszültségnek, bizonyos határig a fém is. Ez alatt viszont olyan feszültség marad az üvegben, ami még temperálással sem szüntethető meg. A kötési feszültségek megelőzésére úgy kell megválasztani a két összekapcsolandó anyagot, hogy hőtágulási együtthatójuk 10%-nál kisebb mértékben különbözzenek egymástól.

3.3.6. ábra: Üvegfeszültségek láthatóvá tétele polarizált fényben. a: üvegbotban kialakult hűlési feszültség, b: egy kompakt fénycsőben ébredő mechanikai feszültség (a két szárat a másik végén összenyomtuk), c: xenon lámpa bevezetésénél összeforrasztott, fokozatosan változó hőtágulású üveggyűrűk A feszültségek megszüntetése, temperálás: a hűlési feszültségek tetszés szerint csökkenthetők, akár megszüntethetők, ha az üveget a transzformációs tartományig melegítjük, itt hagyunk időt, hogy a feszültségek feloldódjanak, majd innen olyan lassan hűtjük, hogy ne alakuljanak újra. Gazdasági, energiatakarékossági okokból sokszor csak annyi a cél, hogy a feszültségek egy biztonságos érték alatt maradjanak, így a temperálás a pár másodperc és néhányszor tíz perc közötti időig tart, ami főképp az anyagvastagságtól függ. Optikai üvegeknél a legkisebb a megengedett maradék feszültség, ezek temperálása hetekig, nagy csillagászati tükrök esetében évekig is tarthat.

58

Edzés: Első ránézésre rossz ötletnek tűnik, hiszen ezzel növeljük a feszültségeket. Mégis azért lesz hasznos,

mert

a

felület

közelében

a

nyomófeszültségeket növeljük, amit az üveg elég jól visel, sőt, valamennyire a felületi hibákat, mikrorepedéseket is begyógyítja. Ha el akarjuk törni, akkora erő kell, ami a nyomófeszültséget meghaladja

és

a

töréshez

elegendő

húzófeszültséggé alakítja. Ekkor robbanásszerűen törik és apró, nem éles szélű darabokra esik szét. Az edzés során a méretre szabott és alakított üveget

3.3.7. ábra: Edzett, ragasztott biztonsági üveg

felmelegítik a transzformációs tartományba, majd mindkét oldalról hideg levegőt fúlnak rá. (Sokszor láthatjuk a fúvókák helyét gépkocsik hátsó szélvédőjén, ha jó szögben esik rá a fény vagy polárszűrős napszemüvegen át nézzük.) Edzett üvegből készülnek pl. a kirakatablakok, járművek oldal- és hátsó ablakai. Az első szélvédőt általában többrétegű, ragasztott biztonsági üvegből készítik, mert azok sérülés esetén is egyben maradnak.

Kémiai tulajdonságok Az üvegekről az a hétköznapi tapasztalatunk, hogy kémiailag tökéletesen ellenálló, semmivel nem reagál, semmiben nem oldódik, kémiai reakciókban nem vesz részt. Bátran tarthatunk benne élelmiszert, agresszív vegyszereket. Utóbbiaknál néhány kivételről azért jó tudnunk: a hidrogénfluorid (HF) a legveszélyesebb, elég nagy sebességgel képes marni az üveget. Savak közül még a foszforsav, lúgok közül a töményebb NaOH, KOH támadja meg, különösen magasabb hőmérsékleten. Természetesen az ellenálló-képesség valamennyire függ az összetételtől, a nagyobb Na tartalmú üvegek könnyebben korrodálódnak. Ellenálló képességük alapján az üvegeket sav-, víz- és lúgállósági osztályokba sorolják, amelyet úgy mérnek, hogy a mintákat az adott oldatban áztatják, ált 100°C-on, és a 24 óra utáni tömegveszteséget mérik.

59

Üvegkorrózió: Ezt a kifejezést inkább a fémeknél használjuk, de üvegeknél is létező jelenség. Mechanizmusa a következő: A víz hidroxónium ionjai (H3O+) kicserélődnek a felületi réteg Na+ ionjaival. Előbbinek kicsit nagyobb az átmérője, ezért feszíti a szerkezetet. Felszakítja az - Si – o – Si - láncot és két un. végállású - Si – OH csoport keletkezik. Ettől lazább a szerkezet, további vízmolekulák juthatnak be a szerkezetbe, további láncelemeket szakítva fel, közben főképp Na+ ionok jutnak az oldatba. Ritka az, amikor ez a korrózió zavaró mértékű, de pl. a gyógyszerampulláknál nagyon fontos, hogy jó minőségű, ellenálló üveget használjanak. A bal oldali ábrán látható hogy a közeg pH-jától függően milyen kölcsönhatás lesz a vizes oldat és az üveg között. A korrózióhoz hasonló mechanizmus alapján működnek az üvegelektródok, amelyek a legnépszerűbb pH mérő eszközök. Működésének alapja, hogy az oldatba merített elektród és az oldat között egy ioncsere játszódik le:

Na+üveg + H+oldat  Na+oldat + H+üveg A határfelület két oldalán levő hidrogén ionok között potenciálkülönbség lesz, ami az oldat pHjának függvénye. Galvánelemmé kapcsolva a mért elektromotoros erő közvetlenül átszámítható, kijelezhető pH-ra.

Üvegtípusok Lágyüveg: a legnagyobb tömegben, hétköznapi használatra készített fajta. A legalacsonyabb lágyulási, megmunkálási hőmérséklettel rendelkezik, ezért a legolcsóbb is. Jellemző összetétele: 

70 – 75%

SiO2 (hálózatalkotó)



10 – 15%

alkáli-oxid, főképp Na (olvasztó, módosító),



10 – 12%

CaO –MgO (stabilizáló),

60

Ebből készülnek az ablaküvegek, konzerves- italos üvegek, fénycső burák, nem hőálló háztartási üvegek. Keményüveg: Szinte minden tulajdonságában jobb a lágyüvegnél, ami részben a jóval kisebb alkáli tartalomnak és a háromértékű oxidoknak (bór, alumínium) köszönhető. Jobb hőállósága, hősokkállósága miatt háztartási, laboratóriumi edények, nagyobb teljesítményű fényforrások búrái készíthetők belőle. Kémiai ellenállóképessége is jobb, ez a laboratóriumi, gyógyszeripari alkalmazásoknál fontos. Az elektronikai iparban a hibrid áramkörök hordozójaként van szerepe. A még jobb szigetelési jellemzők érdekében még kevesebb, 1% alatti alkáli tartalommal készítik, és felületkezeléssel, ioncserével a felületi rétegből ezt a keveset is eltávolítják. Jellemző összetétele: 

̴ 80%



12 – 15% B2O3 (a rugalmassági, kémiai jellemzőket javítja)



3 – 5%

Al2O3 (főképp a hőállóságot növeli)



1 - 4%

Na2O / K2O (a jobb fajtákban több kálium)

SiO2 (hálózatalkotó)

Kvarcüveg: tiszta megolvasztott SiO2. Rendkívül jó tulajdonságokkal, de ennek ára a 2000°C körüli olvasztási hőmérséklet, speciális kemence, különleges technológia. 900°C-ig tartósan, 1200°C-ig átmenetileg használható. Tg ≈ 1100°C fölött – mivel nincs benne módosító, stabilizáló elem, könnyen elkezd kristályosodni, és mert a két állapot hőtágulása nagyon különböző, belső feszültségek, repedezés, opálosodás, szilárdság romlás következik be. Legkisebb a hőtágulása az üvegek között (α = 0,5 10-6), ezért nem keletkeznek benne termikus feszültségek, így hősokk állósága kiváló; vörösizzásról cseppfolyós nitrogénbe dobva sem károsodik. A nagyon tiszta kvarcüveg kb. 150nm-től (mély UV) kb. 4000nm-ig (IR) átlátszó, aminek legfontosabb haszonélvezője az optikai távközlés, de fontos szerepe van a félvezető technológiában, fényforrásoknál. Az egyik legjobb szigetelőanyag, fajlagos ellenállása 1016 – 1018 Ωm körül van, kis dielektromos állandó mellett a veszteségi tényező is csak 10-4. Üvegkerámiák, vitrokerámiák: a kétféle szerkezet sikeres házasítása érdekes és hasznos új tulajdonságú „utódokat” eredményezhet. Általában káros a kristálykiválás (elüvegtelenedés), de jól tervezett összetételű és szerkezetű kristályok új, jobb paramétereket kölcsönözhetnek az anyagnak. Az üveg adja a jó formázást, viszonylag olcsó technológiát, a 100% tömör anyagot és a nagyon sima felületet. A kerámia hozzájárulása a nagyobb keménység, szilárdság, a jobb hőállóság valamint az összetételből és szemcseméretből adódó nagyobb variálhatóság. 61

Előállításuk úgy indul, mintha üveget készítenénk, összekeverjük, olvasztjuk, formázzuk. Az összetételt olyanra kell választani, hogy legyen benne kristályosodásra hajlamos szilikát vegyület, és kis mennyiségben a nukleációt segítő adalék. A terméket még egyszer felmelegítik, 900 – 1000°C-ra és ott tartják, nagyságrendben egy óráig. Ezalatt az adalék gócai körül megindul a kristályosodás, viszonylag jól kézbentartható módon, azaz elég pontosan szabályozható az átalakulás mértéke. Általában nagyobb részét hagyjuk átkristályosodni, gyakran közel teljesen. Megfontolt hűtés után használható a termék. A vitrokerámiák általában átlátszatlanok, de ha a szemcseméret elég finom marad, kaphatunk üvegesen átlátszó anyagot is. A főbb típusok és alkalmazások: legismertebb a lítium-alumínium-szilikát család (LAS), mert az ebben keletkező kristályoknak negatív a hőtágulásuk. Ha megfelelő a kristályos/üveges fázis aránya, beállítható szinte nulla hőtágulású anyag. Először csillagászati tükröt készítettek belőle, hiszen egyrészt így megtakarítható a sok éves temperálás, másrészt a kész távcső sem változtatja méreteit, fókuszpontját a külső hőmérséklet függvényében. Az igazi diadalmenet a háztartásokban volt: a kerámialapos tűzhelyen a főzőlap minden hősokkot elvisel, emellett szép, sima, mint az üveg, kemény, mint a kerámia. A lítium-szilikát kristályok kiválását UV besugárzással lehet indítani, ami lehetőséget ad mintázat kialakítására. Maszkon keresztül besugározva csak a fényt kapott területeken indul fázisátalakulás. A kristályok

ráadásul

hidrogén-fluoridban

sokkal

gyorsabban oldódnak, tehát ebből az anyagból finom relief vagy lyukszerkezet alakítható ki. A keramikus állapot nagyobb hőállóságát használják ki a vastagréteg hibrid áramkörökben. Az ellenállás- vagy vezető paszták kötőanyaga üvegkerámia, amely a réteg beégetésekor üvegként olvad meg, de lehűlés során keramizálódik. Így a következő réteg beégetése során már nem olvad meg, használható ugyanaz az összetételű

3.3.8. ábra: Vastagréteg hibrid IC, fehér a kerámia hordozó, arany a vezetőcsík, fekete az ellenállás.

kötőanyag. Optikai üvegek: az egyik klasszikus felhasználási terület az optika, de az optikai hírközlésnek, optoelektronikának, fotonikának köszönhetően ma is fejlődő, izgalmas terület. A legfontosabb optikai jellemzők: 

Fényáteresztés: az 1 cm vastag tiszta ablaküveg 96 – 98%-os fényáteresztéssel rendelkezik. Erősen függ az anyag szennyezőitől, ebből a szempontból a vas a legkárosabb. Fontos tudni a 62

hullámhossztól való függést, a közönséges üvegek a látható tartományon túl picit áteresztenek UV-ban és IR tartományban is. Az optikai szálaknál is az első szempont a jó fényáteresztés. Itt ez %-ban nem is fejezhető ki, helyette a szál csillapítását szokás megadni dB/km egységben, amely 0,2 dB/km alatt van az 1,5µm-es hullámhosszon. 

Törésmutató: a fizikából ismert mennyiség: n = clevegő/cüveg , a hétköznapi üvegeknél 1,5 körüli érték. Mivel szintén függ a hullámhossztól az un. nátrium D vonalra (589 nm) szokás megadni, ha pontos értéket akarunk. Az optikai üvegeket szélesebb törésmutató tartományban tudják előállítani és használni, kb. 1,5 és 2-es értékek között. A nagyobb értékeket nagyobb mérető, könnyebben polarizálható atomok (Pb, Ba) adalékolásával lehet elérni.



Diszperzió: a törésmutató hullámhossztól való függését adja meg d = (nF – nC) 104

ahol F: a 486,13 nm-es, C: a 656,27 nm-es vonal

Ennek következtében az üvegbe lépő fehér fénynyaláb felbomlik a szivárvány színeire, ami hasznos a spektroszkópiában, mert így választhatók szét a hullámhosszak, szép az ékszerekben, de zavaró a leképező rendszerekben (mikroszkóp, fényképezőgép, stb.), mert a tárgyak kontúrjain színes, életlen határvonal marad. Ez a színhiba vagy kromatikus abberáció. Úgy szüntethető meg, ha több, különböző törésmutatójú és diszperziójú üvegből lencserendszereket készítünk.

Hiba! Nincs ilyen stílusú szöveg a dokumentumban.3.3.9. ábra: a: A színhiba jelensége, b: A színhiba korrigálása két lencsével, c: Az összes leképezési hiba korrigálása egy modern objektívben

Az optikusok d helyett az Abbe-számot használják: 𝝂=

𝒏𝑫 − 𝟏 𝒏𝑭 − 𝒏𝑪

Mint látható, ez reciproka a diszperziónak, tehát a nagy diszperzióhoz kis Abbe szám tartozik. A törésmutató - Abbe szám grafikonjáról lehet a megfelelő anyagkombinációkat kiválasztani. A két alaptípus a korona és a flint üveg. Mint a 3.3.10. ábrán látható, a korona üvegeknek valamivel kisebb a törésmutatója és a diszperziója, de bő a választék a lencserendszerek megfelelő anyagpárosításának megtalálására. 63

3.3.10. ábra: az Abbe-diagram. Jelölések: N-üveg: ólom és arzénmentes üveg, KzFS: speciális rövid flint üveg, P – üveg: foszfor tartalmú üveg, a további rövidítések egy – egy üvegtípust jeleznek.

Ellenőrző kérdések 1. Az üveg; az üveges állapot kialakulása, a viszkozitás szerepe. 2. Rajzolja fel az üveg viszkozitás - hőmérséklet görbét és jelölje a fontos tartományokat, pontokat! 3. Mit jelent a transzformációs hőmérséklet, hol használtuk, milyen tulajdonságok várhatók alatta, fölötte? 4. Üvegfeszültségek: okok, típusok, következmények. 5. Hogy lehet az üvegek törékenységét csökkenteni? 6. Az üveg villamos tulajdonságainak összefoglalása, ezek kapcsolata az üveges szerkezettel. 7. Mi a vitrokerámia, melyek az előnyös tulajdonságai?

64

3.4.

Polimerek

A polimerek – hétköznapi nevükön műanyagok – története alig egy évszázados. Komolyabb szerepet inkább csak az utóbbi 50 – 60 évben kaptak, úgy a hétköznapi életünkben, mint a műszaki gyakorlatban. Természetes alapú polimereket régebb óta használunk, ilyen pl. a cellulóz vagy a gumi. Két ismert név a történet elejéről: Goodyear az 1830-as években oldotta meg a kaucsuk vulkanizálását, 1860 környékén három tudósnak is sikerült celluloidot előállítani, és 1907-ben Baekeland készítette az első igazi műanyagot, a bakelitet. Tömeggyártásról és tömeges használatról az ’50-es, ’60-as évektől beszélhetünk. Két fontos előnyük a fémekkel és kerámiákkal szemben, hogy olcsóbbak és könnyebbek azoknál. A fejlesztések eredményeképpen egyre jobb fizikai paraméterekkel bíró anyagokat tudnak előállítani, így sok alkalmazásban képesek helyettesíteni a hagyományos műszaki anyagokat. A növekvő használatból adódó környezeti problémákra később még kitérünk. A polimer kifejezés onnan ered, hogy ezekben a molekulákban sok azonos építőegység (görögül meros) kapcsolódik egymáshoz, és alkot láncot vagy valamilyen kuszább szerkezetű makromolekulát. A molekulák gerincét általában az erős kovalens kötéssel kapcsolódó szénatomok alkotják, néha beépül ebbe a láncba nitrogén vagy oxigén. A lánchoz kapcsolódhat hidrogén, néhány egyéb atom, kisebb molekulacsoport. Ebből a viszonylag szűk elemkészletből nagyon változatos szerkezetek építhetők fel, és ez eredményezi a polimerek tulajdonságainak széles spektrumát. A mai tömeggyártás alapanyaga főképp a kőolaj és a földgáz, de a környezetvédelmi szempontok miatt egyre fontosabb a természetes alapú polimerek gyártása, mint pl. a polilaktóz. A polimerek lehetnek természetes anyagok (gumi, cellulóz) és mesterségesek. Az utóbbiakat, kiegészítve a használathoz szükséges adalékokkal, nevezik műanyagoknak. Tudva ezt a különbséget – kissé pongyolán – a továbbiakban a polimer és a műanyag szavakat szinonimaként használjuk. Rövidítések: a hétköznapi gyakorlatban is meghonosodott több műanyag rövidített neve (PVC, PET, ABS), de természetesen egy nem „bennfentes” használónak nem kötelessége minden betűszót felismerni. Segítségül itt megtalálható a fontosabb anyagok teljes neve ABS

akrilnitril-butadién-sztirol kopolimer

PS

polisztirol

HIPS

ütésálló polisztirol (High Impact)

PE

polietilén

PC

polikarbonát

HDPE

nagy sűrűségű polietilén

PMMA

polimetil-metakrilát (plexi)

LDPE

kis sűrűségű polietilén

PA

poliamid

65

PP

polipropilén

PTFE

poli-tetrafluór-etilén (teflon)

PVC

polivinilklorid

PU

poliuretán

PET

polietilén-tereftalát

POM

polioxi-metilén

PBT

polibutilén-tereftalát

LCP

folyadékkristályos polimer

PEEK

poliéteréter keton

PI

poliimid

PLA

politejsav (laktóz-acid)

PVOH

polivinil-alkohol

3.4.1. Polimer alapok, felépítés, szerkezet A legegyszerűbb szerkezetű polimer a polietilén. A kiindulási anyag az etilén: CH2=CH2. Mellőzve a kémiai részleteket, ezekben és a hasonló monomer molekulákban hő, nyomás, katalizátor vagy fény hatására felszakadnak a kettőskötések és egy-egy szomszédos, hasonló egységgel hoz létre kötést. A lánc hossza a technológiai paraméterek, a katalizátor beállításával elég jól szabályozható; polietilén esetében ez általában ezres - tízezres nagyságrendű. A monomer molekula kis módosításával egy sor új polimer állítható elő: ha az etilén egyik H atomját más elemmel vagy molekulacsoporttal helyettesítjük, több új, ismert műanyagot kapunk. Az alaplánc továbbra is a szénlánc marad, de a

helyettesítő

egységek

(szubsztituensek)

jelentősen

módosíthatják tulajdonságokat.

a Ha

a

szubsztituens: 3.4.1. ábra: A polietilén és származékai

-

metil csoport (-CH3),

kapjuk a polipropilént

-

klór,

a polivinilkloridot

-

fenil csoport (C6H5),

a polisztirolt.

66

Miért különböznek ezek az anyagok egymástól? A láncon belül azonosan erős kovalens kötések vannak, a láncok között azonban csak gyenge másodlagos kötések, és nyilván a gyengébb kötés dönti el az anyag sok fizikai jellemzőjét (hőállóság, szilárdság, stb.). Tehát az eltéréseket az oldalcsoportok okozzák, mert ezek tudják módosítani a láncok közötti erőket. Minél nagyobb tömegű vagy polarizáló képességű a szubsztituens, annál erősebb másodlagos kötés alakul ki a láncok között, lesz magasabb a

3.4.2. ábra: A hőre lágyuló (lineáris és elágazó), az elasztikus és a hőre nem lágyuló szerkezet Nem csak a mechanikai tulajdonságok módosulnak a szubsztituensek hatására, hanem a villamos jellemzők is. A polietilén, polipropilén láncokban teljesen szimmetrikus a töltéseloszlás, ha ehhez egy nagy elektronegativitású elem vagy csoport kapcsolódik, megbomlik a szimmetria, a külső villamos tér nagyobb töltés-elmozdulásokat okozhat, és ezt meglátjuk a dielektromos állandó (DK) és néha a veszteségi tényező (D) nagyobb értékében. PE

PP

PS

PET

PMMA

PC

Poliimid

PVC

DK

2.3

2.3

2.4 -2.7

3-4

2-5

2.8 - 3

3.1 - 3.5

3-5

D [10-4]

3-6

3-5

1 – 28

20 – 200

> 200

70 - 100

18 - 50

> 400

Az első három anyag csak szenet és hidrogént tartalmaz, a PET, a PMMA és a PC oxigént, a PVC klórt, míg a PI nitrogént és oxigént. (Mindegyikük nagy fajlagos ellenállású, kiváló szigetelőanyag) lágyuláspont, szilárdabb, keményebb az anyag. A közös mégis az, hogy a láncok közötti gyengébb vagy kissé erősebb kötés több-kevesebb hőenergiával felszakítható, a polimer láncok épek maradnak, de egymáshoz már nem kapcsolódnak, az anyag fokozatosan lágyul majd folyékony lesz. Az ilyen típusúak a hőre lágyuló vagy plasztomer anyagok. A láncok között is létrehozhatók kötések, ha ezek ritkábban helyezkednek el, az anyag rugalmas, gumiszerű állapotba kerül, ezeket elasztomereknek nevezzük. Ha a keresztkötésekkel sűrű térháló alakul ki, a polimert már teljes egészében elsődleges kötések tartják össze, ezek már hőre nem fognak meglágyulni, csak jóval magasabb hőmérsékleten, ahol a polimer molekulák elkezdenek töredezni, bomlanak. Ezek a hőre nem lágyuló műanyagok (Kicsit pontatlanul hőre keményedő műanyagnak is nevezik őket, ami a gyártásra igaz is, a térhálósodás magasabb hőmérsékleten történik, de utána már alig változik a keménység a hőmérséklet hatására. Ezért helyesebb a hőre nem lágyuló, a térhálós vagy a duromer elnevezések használata.) 67

Az sp3 hibridállapotú szén vegyértékszöge 109°, ez alig változtatható, de a tengely körüli elfordulás megengedett, így a láncok természetes állapota olyan, mint az egymásba gabalyodott fonalak, mások szerint, mint egy tál spagetti (3.4.3. ábra). Ahhoz, hogy valamilyen szabályos rendet hozzunk

létre,

energiát

kell

befektetnünk,

pl.

húzófeszültséget kell létrehoznunk vagy a kristályos rendet támogató molekuláris erőknek kell hatni. A szerkezeti változatosság még korántsem ért véget. Több olyan változtatási lehetőség van a technológusok kezében, amellyel lehetőségük van a tulajdonságok jelentősebb

3.4.3. ábra: A láncmolekulák természetes összegabalyodása

módosítására vagy akár a finomabb hangolására is. A monomer kémiai összetétele: ez inkább kémiai, mint szerkezeti jellemző, de természetesen a leginkább meghatározó a tulajdonságokra nézve. A főbb monomereket és az ezekből származó polimereket külön fejezetben tárgyaljuk. Itt csak annyit említünk meg, hogy az alap-molekula határozza meg: 

Milyen kötések tartják össze a polimer láncot. Legtöbbször tiszta szén-szén kovalens kötések, de gyakran kapcsolódnak a monomerek - C – O – C – vagy - C – N – C - kötésekkel. Nagyon fontos kivétel még a szilikonok családja, ahol a lánc - Si – O – Si – O - kötésekből épül fel.



Létrehozhatók-e kovalens kötések a láncok között. Az egyszerű monomerek általában két kapcsolódási lehetőséggel (szabad vegyértékkel) rendelkeznek a polimerizációs folyamatban. Ha a monomerek egy része három kötés létrehozására is képes, akkor létrehozható elágazás vagy átkötés a másik lánchoz.

A láncok közötti másodlagos kötések: mint említettük, a láncmolekulák közötti másodlagos kötések lesznek azok, amelyek a polimerek tulajdonágait döntően meghatározzák. Ha nagyobb polarizáló képességű atomok (O, N, Cl, S) vannak a monomerben, erősebbek a Van der Waals erők, keményebb, nagyobb hőállóságú lesz a műanyag. –OH vagy =NH csoportok között esély van H-híd kialakulására is, ami tovább növeli a szilárdságot.

68

Lánchossz, átlagos móltömeg, polimerizációs fok: a gyártási paraméterek beállításával szabályozható a láncok hossza, azaz átlagosan hány monomer kapcsolódjon össze. Ezt adja meg a polimerizáció fok, amely monomertől függően pár 100-tól akár néhány 100 000-ig változhat. A polimerizáció fokot beszorozva a monomer móltömegével, természetesen megkapjuk az átlagos móltömeget. Mindig átlagról van szó, legfeljebb csökkenteni vagy növelni lehet a jellemző érték körüli szórást. Mint az 3.4.4. ábrán látszik, van egy optimális tartománya a polimerizációs foknak, eleinte javulnak a mechanikai jellemzők, de egy szint után már ez a hatás nem érvényesül, ellenben a viszkozitás rohamosan növekedni kezd, ami a megmunkálhatóságot nehezíti meg.

3.4.4. ábra: A polimerizációs fok hatása a mechanikai tulajdonságokra és a megmunkálhatóságra

Láncszerkezet, lineáris, elágazó: a lánc lehet tisztán lineáris, de szabályozható módon beépíthetők elágazások, amelyek pl. a kristályosodás esélyét csökkentik. (3.4.2. ábra) Kristályosság: Itt semmiképp nem szabad a szervetlen anyagokhoz hasonló kristályszerkezetre gondolni. Inkább csak annyira, hogy lehetnek olyan tartományok, ahol a láncok rendezetten helyezkednek el egymás mellett. A kristályosság fokával jellemezzük ezeket a polimereket, ez az érték 50 – 90% között szokott változni. A kristályosodást elősegíti, ha: 

nagyjából azonos hosszúságúak a láncok,



nem elágazóak,



szimmetrikusak, nem irányítottak a másodlagos kötések,



épp ellenkezőleg, ha irányítottak és azonos szakaszonként ismétlődőek a másodlagos kötések. Pl. a poliamid 6 (nylon 6)–ban mindig 5 C atom után következik egy –CO-NH- (peptid) kötés, ami H hidat tud képezni a szomszédos lánc hasonló csoportjával

Kopolimerek: ha a polimer láncot két vagy több különböző monomer építi fel, koplomerekről beszélünk. Ezzel további lehetőséget kapunk a tulajdonságok módosítására. Az alkotó monomerek váltogathatják egymást teljesen véletlenszerűen, rövidebb blokkokat alkotva vagy elágazásként csatlakozva a főághoz. Pl. az egyik legnépszerűbb kopolimerben az ABS-ben sztirol (S) és akrilnitril (A) kopolimer láncok kapcsolódnak a tisztán butadién (B) monomerekből álló főághoz

69

3.4.5. ábra: balra fent: Rendezett láncszakaszok kialakulása. balra lent: az ABS vázlatos szerkezete. jobbra: Az olvadék megszilárdulásának menete és szakaszai

3.4.2. Termikus viselkedés A polimerek többi tulajdonságát is akkor érthetjük meg, ha ismerjük a hőmérséklet-változással szembeni viselkedésüket. Sok a hasonlóság az üvegekhez, azzal a lényeges különbséggel, hogy az olvadás sokkal közelebb van a használat hőmérsékletéhez, így jóval érzékenyebben reagálnak a műanyagok a hőmérséklet változására. Most is felrajzolhatjuk az üvegeknél megismert hőmérséklet – fajtérfogat függvényt, és ebből levezethetünk néhány hasznos következtetést (3.4.5. ábra jobbra). 

Az amorf polimerek (piros vonal) a Tm lágyuláspont alatt már szilárdak, alaktartók, terhelés hatására rugalmasan/viszkózusan viselkednek. Elérve a Tg transzformációs hőmérsékletet üveges állapotba kerülnek, keményebbek, de egyúttal ridegebbek, törékenyebbek lesznek. Tehát az a célszerű, ha az ilyen amorf műanyagokat a Tg és a Tm közötti tartományban használjuk, mert itt várhatunk ellenálló, szívós viselkedést. Természetesen a gyakorlatban ez úgy lesz, hogy az anyagok ezen hőmérsékleti pontjait igyekszünk a használati hőmérséklethez igazítani. Ez adalékokkal, a szerkezet alakításával sok esetben megoldható. Pl. A polisztirol 90°C-os Tg-vel igen rideg, gyakran csak egyszer használatos műanyag eszközök készülnek belőle. Butadiénnel készült kopolimerje már sokkal tartósabb (régebbi nevén ütésálló PS vagy HIPS: High Impact PS)

70

Másik példa a PVC, amely sok jó műszaki tulajdonsága mellett nagyon magas (~80°C) T g-vel rendelkezik. Építészetben, épületgépészetben csak akkor használható, ha fagyálló, tehát kb 100°C-al lejjebb viszik a transzformációs hőmérsékletét. Ennél az anyagnál lágyító adalékot használnak, amely gyengíti a láncok közötti másodlagos kötéseket. 

A részben kristályosodó polimerek esetében természetesen kevert tulajdonságokat kapunk, a kristályosság fokának függvényében. A kristályos fázis nagyobb szilárdságot kölcsönöz az anyagnak. Az amorf fázis nyoma is meglátszik, tehát észrevehető a Tg alatti ridegség. Ideális tulajdonságokat akkor kapunk, ha a kristályos fázis veszi fel a terhelés nagy részét, az amorf fázis Tg fölötti tartományban biztosítja az anyag szívós viselkedését. Pl. a polipropilén 70% fölötti kristályos fázissal rendelkezik, de a -10°C –os Tg még nem elég a fagyállósághoz. A PP-hez kevés PE-t adva beállítható, hogy a Tg -20°C alatt legyen, a Tm pedig kb. 120°C-nál. Így ideális élelmiszer csomagoló anyagot kaptunk, hisz a mélyhűtőtől a mikrohullámú melegítőig erős, rugalmas marad az edény (természetesen fontos a két alkotó biológiai, kémiai ártalmatlansága is).



A térhálós, hőre nem lágyuló polimerek esetében a Tm lágyuláspontnak nincs jelentősége, hiszen ezek magasabb hőmérsékleten sem olvadnak meg, hanem degradálódnak. A Tg-nek is más a szerepe; alatta, fölötte közel hasonlóak a mechanikai tulajdonságok, tehát ezek a polimerek jóval szélesebb hőmérséklet-tartományban használhatók úgy, hogy közben alig

A többrétegű NYÁK gyártásának egyik kritikus lépése a furatfémezés. A hordozó üvegszállal erősített epoxi, egy kiváló hőre nem lágyuló polimer. Sajnos a hőtágulása már eleve nagyobb, mint a rézé, de a Tg (~120 - 150°C) fölött ez még ugrásszerűen meg is nő. Az un. reflow forrasztás során az egész panel 270°C körüli hőmérsékletre kerül, az eltérő hőtágulás jelentős furat irányú mechanikai feszültséget idéz elő a réz bevonatban, repedést, kontakthibát is okozva a panelben.

71

változnak a mechanikai jellemzők. Ugyanakkor mégis történik valamilyen átrendeződés, ezt bizonyítja, hogy a Tg környezetében a hőtágulási együttható kb. ötszörösére nő. 3.4.1. táblázat: A leggyakoribb hőre lágyuló polimer Tg és Tm határhőmérsékletei Kristályos

Amorf

Polimer

Tg (°C)

Tm (°C)

Polimer

Tg (°C)

Tm (°C)

HDPE

-110

+130

kPVC

+80

+165

LDPE

-110

+110

PMMA

+110

+210

PP

-10

+168

PC

+140

+270

PAN

+104

+317

PS

+90

+240

PA-6

+50

+228

ABS

+110

+250

PEEK

+113

+340

Térhálós gyanták

POM

–60

+168

Epoxi

+ 120 – 150

-

PET

+73

+255

Poliimid

+ 270

-

További termikus jellemzők: Hővezető-képesség: a legtöbb polimer a rossz hővezetők közé tartozik, köszönhetően az amorf szerkezetnek és a rácselemek közötti gyenge csatolásnak. A szilárd polimerek 0,1 és 0,8 W/mK közötti hővezető-képességgel rendelkeznek (összehasonlításul: ebben a tartományban van pl. a fa is). Több műanyagfajtából is lehet habosított vagy szálas, paplanszerű anyagot készíteni. Ezek kiváló hőszigetelők néhány század W/mK hővezető-képességgel. Ilyen anyagok pl. a polisztirolból készült hungarocell (styrofoam), a poliuretánból gyártható rugalmas szivacsok vagy a poliészter szálakból készíthető textíliák, „polár” takarók, bélések. Utóbbiak gyakori nyersanyaga újrahasznosított PET palack. Hőtágulás: A többi szerkezeti anyaghoz képest viszonylag nagy, 10-5 1/°C nagyságrendű, míg a fémeké, kerámiáké 10-6 1/°C körüli. Ugyanakkor ez ritkán okoz komolyabb mechanikai feszültséget, károsodást, mert a műanyag képlékeny alakváltozásával ezek a feszültségek többnyire feloldódnak. Kivétel, ha a fém nagyon vékony rétegben van, mint a korábban említett példában, a NYÁK furatokban.

72

3.4.3. Mechanikai tulajdonságok A

mechanikai

széles

tulajdonságok

skáláját

nagyon

tapasztalhatjuk

műanyagok

között,

anyagoktól

a

a

gyenge,

fémekét

a lágy

meghaladó

szilárdságig. Ezt mutatja a 3.4.6. ábra, ami szerint húzószilárdságban a viszonylag gyengébb anyagok közé tartoznak, de szívósságuk

a

fémekhez

tartományban

van.

vesszük,

sűrűségük

hogy

Ha

hasonló figyelembe kg/dm3

1

környékén van, az egységnyi tömegre vonatkoztatott

mechanikai

jellemzők

alapján jó szerkezeti anyagokat is találunk

3.4.6. ábra: A főbb anyagcsoportok szívóssága és húzószilárdsága, részletezve a polimereket.

köztük. Legtöbb információt a szakítódiagram tanulmányozásával kaphatunk. Leolvasható a rugalmassági modulusz (Young modulusz), a szakítószilárdság, de főképp az anyag húzó terhelés alatti viselkedése mond el sokat a használhatóságról, de a szerkezetről is. Három jellegzetes lefutású görbét különböztethetünk meg, ahogy a 3.4.7. ábrán is látszik. Az

üveges

állapotú

polimerek

gyakorlatilag csak rugalmas szakasszal rendelkeznek

és

utána

rideg

törés

következik (A görbe). Néha ideálisan egyenes a diagram, néha kissé elhajlik, ami az enyhe viszkózus alakváltozást mutatja. Ez a hőmérséklet Tg-hez való

3.4.7. ábra: A három jellegzetes szakítódiagram

közeledésekor jelentkezik.

73

A B görbe a viszkoelasztikus alakváltozást mutatja. Ilyenkor a transzformációs hőmérséklet fölött van az anyag, az összegabalyodott láncok a nyújtás irányába valamennyire kiegyenesednek, a láncok közötti másodlagos kötések felszakadnak, újraalakulnak. Nagy szerepe van az időnek, a hirtelen deformáló erőre csak rugalmas reakció lehet vagy törés. A tartósan fennmaradó húzófeszültség következménye a viszkózus alakváltozás. Ez után már maradandó a deformáció, bár némi visszaalakulásra ezután is van lehetőség. Különösen magasabb hőmérsékleten, a lágyulás közelében a kiegyenesített láncok igyekeznek a véletlenszerű, gombolyag jellegű alakot visszaállítani. Ha az atomi szintű

mozgások,

megengedettek,

az

elfordulások anyag

lassan

összehúzódik. Ezt nevezik ”entrópiarugalmasságnak” és ezt használják ki pl. a zsugorfóliás

csomagoláskor.

(Pontosabban ott melegen megnyújtják a fóliát,

lehűtve

csomagolnak,

és

újramelegítve zsugorítanak.) A kristályos polimereknél is gyakori a B görbe szerinti viselkedés. A kristályos fázis döntően csak rugalmas alakváltozást szenved, míg az amorf rész képes a

3.4.8. ábra: A részben kristályos polimerekben zajló szerkezeti átalakulás húzófeszültség hatására.

rugalmas és viszkózus deformációra is. A húzófeszültség alatti belső átrendeződést mutatja sematikusan a 3.4.8. ábra. A polimerek harmadik csoportját a gumiszerű nagyrugalmas anyagok alkotják (C görbe). A jelenség jól ismert, a deformáló erő alig változik, a deformáció pedig több 100% lehet. A szerkezeti magyarázat is világos, a kisszámú keresztkötés a láncok között csak annyit enged meg, hogy a polimer molekulák (közel) kiegyenesedjenek, de elcsúszni egymáson már nem tudnak, így a feszültség megszűntével a minta visszanyeri eredeti alakját.

Keménység, kopásállóság Általában lágyabb anyagok, ezért a fémeknél szokásos keménység-mérések nem is használhatók. A gumik és műanyagok jellemzésére leginkább a Shore keménység-mérést és skálát használják. 30 - 35°-os gúla mérőhegyet használva 12,5N (A) vagy 50N (D) erővel nyomva történik a mérés. A lágyabb gumik 20 – 40 Shore A keménységűek, a keményebb gumik értéke 70 – 100 Shore A, míg a keményebb polimerek a Shore D skálán a 70 -100-as értéket érik el.

74

A kopásállóság rokon tulajdonság, de a keménység mellett az anyag szívóssága is szerepet játszik. Ezért a rugalmas – viszkorugalmas állapotú polimerek viszonylag jó kopásállóságúak, míg a rideg, üveges állapotban levők gyengébbek.

3.4.9.ábra: Az elasztikus, a viszkózus és a viszkoelasztikus reakció időbeli lefutása az anyag négyszögjel-szerű terhelésére

3.4.10.ábra: A gumirugalmas polimerek szerkezete terheletlen és feszített állapotban.

Polimer filmek és szálas anyagok tulajdonságai Az olvadékból történő fólia vagy szál készítése mindig a láncmolekulák rendeződésével jár. Így a szálirányú húzásnál a láncon belüli kovalens kötések viselik a terhelést, ami sokkal nagyobb lesz, mint a rendezetlen állapot húzószilárdsága. Gyakorlatilag a fémek terhelhetőségének nagyságrendjébe kerülnek ezek a műanyag szálak, néhány különleges esetben meg is haladják azt. Ilyenek pl. az aramidok (aromás aminok), amely csoport egyik tagja a kevlár. (Látványosan tapasztalható a szálon belüli és a szálak közötti kötés különbsége egy egyszerű kötözőpánton. Hosszában szinte elszakíthatatlan, de erre merőlegesen a pánt könnyen szétszálazható. A fóliák általában két irányban nyújtódnak, így a rendeződés is kisebb, mint a szálaknál. Ennek megfelelően a szilárdság is kisebb mértékben javul, de mindenképpen jobb, mint a tömb anyagoké.

3.4.4. Villamos tulajdonságok A polimerek a legnépszerűbb és leggyakrabban használt szigetelőanyagok. A sokféle alkalmazás sokféle tulajdonság-kombinációt igényel, a nagy fajlagos ellenállás mellé egy-kettőt az alábbiak közül: 

kis veszteség,



legalább közepes hőtűrés,



lángállóság,



sugárzás, főképp UV állóság, 75



változatos mechanikai jellemzők, vagy épp



jó kémiai ellenálló-képesség.

Fajlagos ellenállás a legtöbb műanyagnál 1013 - 1018 Ωcm tartományban van. Legmagasabb a PE, PP, PS és a PET esetében, de az adatok gyártótól, irodalmi forrástól függően is eléggé változnak. Értéke kevésbé függ az anyagi minőségtől, mint az anyag tisztaságától. A gyártás, formázás és a használat során is belekeveredhetnek az anyagokba olyan szennyezők, amelyek mozgékony töltéshordozókat, elsősorban ionokat juttatnak a szerkezetbe, és több nagyságrenddel csökkenthetik az ellenállást. Emellett a legtöbb műanyag töltő és más segédanyagokat is tartalmaz. Ha kritikus szempont a jó villamos tulajdonság, ezek megválasztására is figyelmet kell fordítani. Pl. nem előnyös a grafit színező/töltőanyag, ha meg akarjuk őrizni a nagy ellenállást. Vagy pl. tudomásul kell vennünk, hogy sok hasznos tulajdonsága mellett az üvegszál erősítő növeli a NYÁK hordozó dielektromos állandóját és veszteségi tényezőjét. A fajlagos ellenállás a hőmérséklet emelésével exponenciálisan csökken, ahogy általában azoknál az anyagoknál, ahol a töltéshordozók száma határozza meg a vezetőképességet. Az ismert 𝜟𝑼⁄ 𝑹𝑻

𝝆 = 𝝆𝟎 𝒆 összefüggés írható fel, ahol 

ρ (görög ró) a fajlagos ellenállás,



ΔU a töltéshordozó egyensúlyi helyzetből vezetni képes állapotba jutáshoz szüksége aktiválási energia,



R a gázállandó.

Az összefüggés csak addig érvényes, amíg a szerkezet változatlan, azaz a Tg fölött már nem, itt kisebb változást tapasztalhatunk. A függvény jellege nem változik, de ρ0 és ΔU értéke más lesz. Felületi ellenállás: erre még inkább igaz, hogy a felület állapotától, a környezeti körülményektől függ, és csak másodlagosan az anyag típusától. Az anyagi minőség ott jelenik meg, hogy a felület mennyire képes nedvességet felvenni, degradálódni, korrodeálódni. Természetesen a mérése pontos hőmérsékleten és páratartalom mellett, hosszú, akár egy hétig tartó kondicionálás után történhet. Maga a mérés is esetenként több napos/hetes folyamatos terhelés mellett történik, szimulálva a valós alkalmazási körülményeket. Számszerű értéke általában megközelíti a térfogati ellenállást, maximum egy – két nagyságrenddel kisebb. Átütési szilárdság: az átlagos értékek 100 – 300 kV/cm között szórnak. Különösebb tendencia nem fedezhető fel sem a szerkezet sem az összetétel szerint. Ismerve az átütés mechanizmusát, tudjuk, hogy mindig a hibahelyeken, szerkezeti inhomogenitásokon indul meg. Ebből következik, hogy a jól 76

homogenizálható, kevésbé hibás szerkezetű polimerek mutatják a magasabb értékeket. Kiugróan jó a PET, amelynek 600 kV/cm az átütési szilárdsága. Az átütési szilárdságnak nem csak a nagyfeszültségű alkalmazásoknál van jelentősége, hanem a mikroelektronikában is. 

Egyrészt, mert ott mikrométeres vagy még vékonyabb rétegekkel dolgoznak, és így már csak pár volt lenne az elviselhető feszültség. Szerencsére az átütési feszültség erősen függ a minta vastagságától, minél vékonyabb a film, annál nagyobb az elviselhető feszültség.



Másrészt, mert az elektronikai gyártás során az elektrosztatikus

feltöltődésből

adódó

kisülések károsíthatják a félvezető eszközök nagyon vékony szigetelő rétegeit. Ezért van

3.4.11. ábra: Átütési csatorna PP-ben

szükség ezeken a helyeken ESD (Electro Static Discharge) védelemre. A dielektromos jellemzőkre jóval könnyebb a szerkezet és az alkotók alapján következtetni. A tisztán C és H alapú anyagoké és a tefloné a legkisebb, DK  2, és D  10-4. Amennyiben a polimer tartalmaz polarizálható, aszimmetrikus töltéseloszlású csoportot, a relatív dielektromos állandó 3 – 4, a veszteségi tényező 10-3 fölé emelkedik. Ezen különbségnek elsősorban a nagyfrekvenciás alkalmazásoknál van jelentősége, hiszen a veszteségi teljesítmény a frekvencia függvénye. A katalógus adatokat általában 1 kHz-re, 1 MHz-re adják meg, de ahol a várható felhasználás igényli ott 1 - 10 GHz-re is meg kell adni, pl. a NYÁK hordozóknál.

3.4.5. Kémiai tulajdonságok Általánosan jellemző a jó kémiai ellenálló-képesség. Nehezen vihetők reakcióba, általában tartós anyagok. Ezért is jó csomagoló anyagok, sem a környezettel, sem a benne levő anyaggal nem reagálnak. Az élelmiszer csomagolásnál azonban nem csak a polimer alapanyagra, hanem a benne levő adalékokra is figyelemmel kell lenni. Emiatt tilos pl. a PVC fóliák használata, mert a benne használt lágyítók (nagyrészt még ma is ftalát vegyületek) egészségre károsak és viszonylag mozgékonyak is, tehát kijuthatnak a műanyagból és bekerülhetnek az élelmiszerbe. Éghetőség: mint a legtöbb szerves anyag, a műanyagok is jól égnek. Ha ez gond az alkalmazásban, lánggátló adalékot kell keverni a polimerbe.

77

Ellenállás oldószerekkel szemben: vegyszer tárolás vagy vegyszerálló bevonatok esetében fontos tudnunk. 

Vizes oldatoknak szinte mind jól ellenáll, savas, lúgos közegben egyaránt. Egy érdekes kivétel a PVA (poli-vinilalkohol), amely vízoldható. Sok érdekes alkalmazásban használják ki ezt a tulajdonságát: pl. a negatív fotoreziszt anyagok alapja az elektronikai technológiában, vagy PVA zsákban gyűjtve a kórházi textíliákat, kibontás nélkül dobható a mosógépbe, a feloldódott PVA még szennyvivő mosószer adalékként is hasznos.



A szerves oldószerekkel már árnyaltabb a kép, oldószerenként és anyagonként is különböző. A többség jól ellenáll, vannak olyan párosítások, amelyben a polimer kissé megduzzad (a láncok közé bejuthatnak oldószer molekulák, de teljesen nem oldják fel), és vannak olyanok, amikor az oldódás olyan mértékű, hogy az már nem minősül ellenállónak. A konkrét oldhatósági adatok különböző adatbázisokban megtalálhatók

3.4.6. Polimer típusok A következő összefoglalás a leggyakoribb és legismertebb műanyagokról ad rövid ismertetést. A felsoroltakon túl több száz használt és még több, csak kísérleti mennyiségben előállított anyag van. Ezeken túl nagyon gyakori az un. blendek, a két vagy több alapanyagból előállított keverékek használata. A polimerek tulajdonságai az alapanyagon túl függenek a gyártótól, a polimerizáció foktól, a korábban említett szerkezeti változatoktól, anyagtisztaságtól, az alkalmazott adalékoktól. (Utóbbiakkal a típusok ismertetése után egy külön fejezetben foglalkozunk.) Ezért, ha pontosabb, részletesebb adatokra van szükségünk, azt a gyártók adatlapjairól tudhatjuk meg. Néhány tipp: 

http://quattroplast.hu/



http://www.pslc.ws/macrog/level2.htm (itt érdekesebbek a 3D-s szerkezeti képletek)



http://www.plasticseurope.org/what-is-plastic/types-of-plastics-11148.aspx



http://omnexus.specialchem.com/



http://www.dupont.com/products-and-services/plastics-polymers-resins.html

3.4.12. ábra: A világ műanyag-fogyasztásának relatív megoszlása típusonként. 78

Polietilén, PE A legegyszerűbb szerkezet, az etilén polimerizációjával készül. A technológiától függően több változata van, ezek főképp mechanikai jellemzőikben és ebből következően felhasználásukban térnek el egymástól. A termikus és mechanikai tulajdonságok függenek a polimerizációs foktól, minél hosszabb a lánc, annál jobbak ezek a jellemzők. Tulajdonságok

Alkalmazási példák

Kémiailag teljesen indifferens

Élelmiszerek csomagolás, ivóvíz tárolás

Nem tartalmaz semmilyen poláros csoportot, Nem tapad hozzá sem kosz sem nedvesség, de ezért nagyon gyenge az adhéziója.

a

ragasztóanyagok

sem,

ezért

inkább

hegesztéssel köthető más anyagokhoz. LDPE, Kis Sűrűségű PE Elágazó

láncokat

sűrűsége 40

–

Tg-=

–

0,92

tartalmaz, Fóliák,

kristályos

110°C,

tartósan

rugalmas

csövek

kg/dm3, készülhetnek belőle.

-0,93

55%-ban

bevásárlótáskák,

fázist

tartalmaz.

80°C-ig

hőálló.

A nagyobb amorf hányad miatt rugalmas, jó mechanikai ellenálló-képességű anyag. Kiváló

szigetelő,

1015Ωcm

fölötti

fajlagos A

ellenállással és kicsi dielektromos állandóval

villamosiparban

kábelek

belső

szigetelésében használják.

HDPE, Nagy Sűrűségű PE Nagyobbrészt lineáris molekulák alkotják, ezért Italos és vegyszeres palackok, dobozok, könnyebben rendeződik, a kristályosság foka a nagyobb hordók, játékok 60 - 80%-ot is eléri. Emiatt ridegebb, mint az LDPE. Sűrűsége 0,94 – 0,965 kg/dm3 között van. Nagy

szilárdság,

ütésállóság Gépkocsik üzemanyag tankja, mára szinte

formába fúvásos alakítással nagyon helytakarékos teljesen kiszorította a fémeket. alakokat valósíthatnak meg

79

LLDPE, Lineáris LDPE; Kiemelkedő rugalmasság

Még vékonyabb, még tartósabb fóliák

UHMWPE, Ultranagy Móltömegű PE a polimerizációs fok 100.000 fölötti, szemben a kötelek, szálerősítők hagyományos

1000

körülivel.

szerszámok, fogaskerekek

az acéllal megegyező szakítószilárdság (2,4 GPa), nagy

kopásállóság,

kis

sűrűség.

protézisek

Biokompatibilis.

Üzemanyag tank és vegyszeres palack HDPE-ből

Szerkezeti elemek UHMWPE-ből

80

Polipropilén, PP

A legtöbbet használt műanyag. Nagymértékben, 70 – 80%-ban, kristályos, matt anyag, kissé viaszos tapintású. Tulajdonságok

Alkalmazási példák

Villamos szigetelő tulajdonságai és kémiai Kábelszigetelés,

műszerházak,

akkumulátor

ellenálló képessége hasonlóan kiváló, mint a PE- dobozok, fóliakondenzátorok nek, ráadásul ezeket a jó értékeket magasabb hőmérsékleten is megőrzi. Állja a gőzsterilizálást.

Főképp az egyszer használatos orvostechnikai eszközök

Jó minőségű szál húzható belőle

Kötelek,

tartós

textíliák

(pl.

szőnyegek)

készíthetők vagy akár PP szál erősítésű PP kompozit. Tg = -10°C, a tartós használat felső határa 100°C. Nagyon praktikus élelmiszer csomagolásra, mert Kevés

etilénnel

alacsonyabb

kopolimerizálva

lesz,

Tg

rugalmassága

valamennyit nő az átlátszósága is

még a mélyhűtőtől a mikrosütőn át a mosogatógépig javul mindent elvisel, és közben kémiailag teljesen inaktív, nem bocsát ki semmilyen ártalmas anyagot.

81

Poli-vinilklorid, PVC Nagyon széles tulajdonság-skálát lehet lefedni a PVC-vel, emellett olcsó is, ez alapozza meg népszerűségét. Ugyanakkor környezeti szempontból nézve több sebből vérzik. Klórtartalma miatt különösen gondos hulladékkezelést igényel. Égetésekor dioxinok (több klóratomot és aromás gyűrűt tartalmazó vegyület család) keletkeznek, amelyek között súlyosan karcinogén, immunrendszert károsító molekulák vannak. Másrészről a használt lágyítók nagy része is egészség-károsító, többnek a használatát be is tiltották. Mindezekért, ahol lehet, igyekeznek kiváltani, erre legalkalmasabb a PP. Két fő típusát állítják elő a kemény és a lágy PVC-t. A tiszta, adalék nélküliben, a klór erős poláros jellege miatt erősek a Van der Waals kötések, ezért magas a Tg, rideg az anyag. A hozzáadott lágyító mennyiségének függvényében nő a rugalmasság, egészen a gumiszerű állapotig. Könnyebb a formázása, de kicsit gyengül a kémiai ellenálló-képessége, szigetelőképessége. Tulajdonságok

Alkalmazási példák

Kemény PVC Nagyon

jó

mechanikai,

kémiai

ellenálló Építőiparban: ablak, ajtó, csövek, szerelvények.

képesség, víz- és korrózióállóság Nagy szilárdság, tartósság.

Bútorok, kerti bútorok, kerítések. Közlekedési jelzések, terelők.

Jól formázható, lehet átlátszó, jól színezhető, Élelmiszer dobozok, növényi olajok tárolása, kémiailag stabil.

mosószere, kozmetikumos flakonok. Játékok

Nagy villamos ellenállás, közepes dielektromos Hálózati villamos szigetelők, szerelődobozok, jellemzők.

azok átlátszó fedele, elosztók, stb.

Önmagában lánggátló tulajdonságú., de 50°C felett tartósan nem használható Lágy PVC Erős fólia, szál húzható

Lakástextília,

függönyök,

szőnyegek,

padlóborítás, autó üléshuzat, úszómedence, „gumi”csónak,- matrac

82

Habosítóval nyitott/zárt pórusok hozhatók létre. Műbőr ruházatra, bútorokra, cipők. Sportszerek, labdák. Elegendően

nagy

fajlagos

ellenállás, Kábelek, csatlakozók szigetelése, elosztók

rugalmasság, szívósság, lángállóság Biológiailag nem aktív, vérrel nem reagál

egészségügyi,

orvosi

eszközök,

kesztyűk, vér tároló edények, csövek

83

maszkok,

Polisztirol, PS

Az aromás csoport növeli a másodlagos kötések erősségét, emiatt magasabban lesz a Tg (100°C), és nehezíti a kristályos rendeződést, amitől amorf marad, tiszta átlátszó anyagot kapunk. A rideg törékeny tulajdonságot itt kopolimerek segítségével lehet csökkenteni. Butadiénnel együtt polimerizálva kapjuk az ütésálló polisztirolt (HIPS = High-Impact Polystyrene). A butadién egy gumiszerű anyag, ez veszi fel az ütés energiáját és megakadályozza, hogy eltörjön az anyag. Másik kopolimere az ABS (Akrilnitril-Butadién-Sztirol). Tulajdonság

Alkalmazási példák

Olcsó, könnyen formázható, átlátszó, közepes Élelmiszer és általános csomagolás, dobozok, szilárdságú, jó hőállóságú.

egyszer használatos eszközök

Jól habosítható, így nagyon jó hőszigetelő

Építőipari szigetelés, hűtőgépek szigetelése, hőtartó eldobható poharak.

Ütésálló PS:

Tartós, dekoratív csomagolás, dobozok, pl. CD, műszer, háztartási gép dobozok, habosítva ütésvédő csomagolás

Nagy szigetelési ellenállás, kis veszteség

Fóliakondenzátor

84

Akrilnitril – Sztirol – Butadién, ABS A három alkotó jó tulajdonságait örökölve egy nagyon sokoldalú, jól használható műanyagot kaptak. Megfelelő hőállóság mellett jó mechanikai tulajdonságai vannak, szilárd, alaktartó, ütésálló. Felületi ellenállása, a felület esztétikai minősége is kiváló. Sokat használ az autóipar, főképp a belső borításra. Jó szigetelő, műszerek, számítógépek, kijelzők háza készül belőle. További jó tulajdonsága, hogy jól reciklálható, még akkor is, ha nem sikerül teljesen tisztán szétválogatni a többi műanyagtól. A felhasználás részletei helyett nézzünk egy ábrát a komponensek szerepéről és a kisé bonyolultabb képletet a polimerről.

A felsorolt jó tulajdonságok kellenek ahhoz, hogy az ABS legyen a LEGO alapanyaga. Élelmiszeriparban engedélyezett színezőket használva, nagyon szigorú technológiával érhető el az elemek pontos mérettartása, hosszú élettartama, ütés és kopásállósága. A gyártó középtávú terve, hogy ugyanezt kőolaj

alapú

polimerek

helyett

természetes

alapanyagokból valósítja meg.

85

alapú

Poli-metil-metakrilát, PMMA plexi

Legvonzóbb tulajdonsága, hogy tiszta, átlátszó anyag. Üveg helyettesítésére is alkalmas, nem törik, de a felülete kevésbé ellenálló. Megfelelően szilárd és elég rugalmas is, jóllehet Tg-je 90°C fölött van. Közepesen hőálló, a tartós használat felső határa 80°C, a hőálló változatnál 120°C. Kémiai ellenálló-képessége közepes, több oldószerrel szemben gyenge. Tulajdonság

Alkalmazási példák

Jó átlátszóság, jó UV állóság, színezhetőség, Optikai

eszközök,

szemüveg

lencsék,

megfelelő szilárdság, felületi keménység, napszemüvegek, ablakok, sűrűsége fele, mint az üvegé

fényforrásokban átlátszó és matt búra.

Könnyű technológia, nincs vastagság korlát

Nagy, nyomásálló bemutató ablakok, pl. tengeri akváriumban a legnagyobb: 16m x 5m x 33cm

Élelmiszereket

nem

károsítja,

könnyen Konyhai edények, tálak

formázható, színezhető

86

Polietilén-tereftalát, PET

A poliészterek népes családjának legismertebb tagja. A kétféle monomer a – CO – O – C --, észter kötéssel kapcsolódik össze és ez ismétlődik a láncban. Főképp szál és fólia formájában használják őket. Kiemelkedő mechanikai szilárdsága, szívóssága, vízszigetelő képessége miatt lett gyakorlatilag egyeduralkodó az üdítős palackok között. Részben kristályos polimer, a kristályosság foka 40 – 60%, a nagyobb kristályszemcséken szóródik a fény, így átlátszóból mattá változik. Transzformációs hőmérséklete 73 – 78°C között van, de a szálak rendeződése miatt nem lesz rideg alacsonyabb hőmérsékleten sem. Viszont nem sokkal e hőmérséklet fölött már deformálódik, ezért nem lehet fertőtleníteni, sem forró italokat beletölteni. Ez sajnos akadályozza a palack újrafelhasználását. Helyette az anyagként történő hasznosítására létezik jól kidolgozott technológia; válogatás – aprítás – mosás után melegen szálat húznak belőle, és textíliákat, hőszigetelő paplant, stb készítenek. Újabban ismét lehetséges a visszagyűjtött palackok darálékának visszaforgatása a palackgyártásba. Kicsit módosított rokon vegyület a polietilén-naftalát, PEN, amely nagyobb hőállósággal és még valamivel jobb húzószilárdsággal rendelkezik, így sterilizálható, újratölthető a PEN palack, vagy még vékonyabb falú, anyagtakarékosabb lehet. Tulajdonság

Alkalmazási példák

Jó mechanikai tulajdonságok mellett tiszta, Hideg átlátszó, élelmiszereket nem károsítja.

italos

palackok,

egyéb

élelmiszer

csomagolás

Szállá húzva szinte teljesen kristályos, nagy Ruházat, ipari textíliák (pl. szitanyomtatáshoz szilárdság, rugalmasság. Kémiailag ellenálló.

szövet), ipari szűrők.

Jó villamos szigetelő, a legnagyobb az átütési Transzformátor tekercsekben szigetelő fólia. szilárdsága a polimerek között. Elegendően Hagyományos hőálló, alaktartó.

fotofilmek,

magnó-

video-

szalagok hordozója. Oxigén és nedvesség ellen védő réteg a szilárd fotoreziszt fólián (elektronikai technológiában rajzolat kialakítására használják).

PEN: nagyobb felületi simaság, még kisebb OLED fényforrások, kijelzők hajlékony és átlátszó áteresztés vízzel, oxigénnel szemben.

hordozója.

87

Műszaki műanyagok, nagy hőállóságú műanyagok Ide azok az anyagok tartoznak, amelyeket a tömegfogyasztáson túl a nagyobb igényű, jobb tulajdonságokat kívánó felhasználás számára fejlesztettek. Mint láttuk a fő akadály az egyszerűbb polimereknél a hőállóság, szinte minden egyéb jó paraméter kihozható a tömegtermékekből is. A fejlesztési cél így adott; javítani a hőállóságot és megtartani, esetleg javítani a többi jellemzőt, mint pl. a méretpontosság, a mechanikai szilárdság, a villamos paraméterek, és még sok más funkcionális tulajdonság, mint pl. a kopásállóság, karbantartást, kenést nem igénylő súrlódási karakter, vegyszerállóság, feszültségkorrózióval szembeni stabilitás, üzembiztonság. Fontos még, hogy feldolgozható legyen az eddig használt műanyagos technológiákkal, pl. vákuumformázás, extrudálás, stb. Éles határ a két csoport között nincs.

3.4.13. ábra: A polimerek piramisa a hőállóság szerint, és a műszaki műanyagok fogyasztás megoszlása típusok szerint Külön fejlesztési és alkalmazási terület az extrém magas hőtűrésű, de hőre lágyuló anyagok, mert ezeknek a formázása, ill. újrahasznosítása könnyebb, mint a térhálós műanyagoké.

88

Polikarbonát, PC

Amorf, kemény és nagy szilárdságú műanyag. Átlátszósága hasonló, mint a plexié, de mechanikai jellemzői, hőállósága (~ 140°C) jelentősen jobb. Kopásállósága, kémiai ellenálló-képessége közepes, ára kicsit magasabb, ezek kicsit hátráltatják elterjedését. Ezzel együtt az alkalmazása dinamikusan növekszik. Tulajdonság

Alkalmazási példák

Nagy szívósság, jó alaktartás, elegendően Sok autóipari alkalmazás: reflektor és minden ellenálló, Stabil

sima elektromos

felület.

Kis

jellemzők

sűrűség. egyéb lámpa búrája, szélvédő, karosszéria agresszív elemek, ütközők.

környezetben is. A jó mechanikai, termikus és optikai jellemzők Nagyobb terhelésű háztartási kisgépek: vasaló, mellett alkalmanként a szép színezhetőség, sima hajszárító, kávéfőző, stb. elemei, felület.

Gépben

mosható

edények,

fertőtleníthető

babaetető edények, Lámpatest búrák. Nagyon

jó

szigetelő-képesség

hőmérsékleten is.

magasabb Villamos mérőműszerek, berendezések háza, belső

szigetelése,

kapcsolók,

csatlakozók,

mobiltelefon, tablet ház. Optikai tisztaság, nagy törésmutató, nagyon jó Könnyű alaktartás.

szemüveglencsék,

objektívek, CD, DVD.

89

fényképezőgép

Poliamid, PA

Ennek az anyagcsoportnak legismertebb tagja a nylon, és ma is a legfőbb felhasználási területük a szálak és az ebből készült textíliák. Ugyanakkor nagyon kiváló műszaki műanyag is, kemény, nagy ütőszilárdságú, kopásálló, szívós anyagok. Nagymértékben kristályosak, különösen, ha a láncok úgy tudnak rendeződni, hogy nitrogén és az oxigén között rendszeresen kialakulhat a H-híd kötés. A csoportra jellemző az amid kötés, amely az ábrán a lánc közepén látszik. A különbség a család tagjai között az, hogy két C-N kötés között, milyen hosszú a szénlánc, esetleg van-e gyűrűs csoport. A köztes lánc szénatomjainak számát írják a név mögé (PA 6, PA 66, PA 11, PA 12). A rövidebb láncok nagyobb ridegséget, keménységet, magasabb lágyulási hőmérsékletet kölcsönöznek az anyagnak, a hosszabb lánc jobb rugalmasságot, nagyobb kémiai ellenálló-képességet biztosít. Ha aromás gyűrűkből épül a lánc, kapjuk az aromás amidokat, az aramidokat. Tulajdonság Szálak:

Alkalmazási példák

rugalmasság,

nagy Könnyen tisztítható, strapabíró textíliák, ruházatra, bútorokra.

húzószilárdság, jó kémiai ellenálló-

Nagy teljesítményű kábelek.

képesség. A felsorolt jó mechanikai jellemzők Sporteszközök, védőcsomagolások, és a jó hőállóság, nagyon jó ellenállás

autókban az üzemanyag rendszer elemei,

szénhidrogénekkel

szemben.

olaj és gázkutaknál csövek, szerelvények.

Jó villamos szigetelés, kompatibilis Elektromos kapcsolók, szerelvények. a nem halogénezett lánggátlókkal.

Kevlár

90

Az aramidok közül a leginkább rendezett, Nagy teherbírású kábelek fő anyaga, szálerősítő gyakorlatilag a képhez hasonlóan egyenes kompozitokban, sporteszközökben, láncokból áll. Az egyik legjobb szakító-

golyóálló ruha.

szilárdságú szál, emellett könnyű.

91

PTFE, poli-tetrafluor-etilén Teflon A jól ismert háztartási alkalmazás mellett a műszaki gyakorlat is talált számos vonzó tulajdonságát. Nagymértékben kristályos, de nem túl kemény, viaszos tapintású fehér anyag. Tg = -73°C, lágyuláspontja 335°C. Nem tartalmaz egyáltalán hidrogént, ezért nem gyúlékony. Jóllehet, a fluor nagyon erősen polarizáló atom, a szerkezet annyira szimmetrikus, hogy a molekula teljesen apoláros. Ez megmutatkozik a kémiai viselkedésben és a villamos tulajdonságokban is. Tulajdonság

Alkalmazási példák

Hőálló, kémiailag indifferens, élelmiszerekkel Konyhai edények bevonata, nem reagál, adhéziója rendkívül kicsi.

vízlepergető bevonat textílián, tapadás, súrlódás csökkentő bevonat.

Nagyon

jó

szigetelő,

kis

veszteség NYÁK hordozó mikrohullámú áramkörökhöz,

nagyfrekvencián is

belső szigetelő koaxiális kábelekben.

Jó kémiai ellenálló-képesség.

Vegyipari berendezésekben cső, szerelvény, félvezető

technológiában

HF

álló

csővezeték Fóliát rugalmasan megnyújtva apró pórusok Gore-Tex „lélegző” műbőr szűrőrétege. keletkeznek

rajta,

amely

szabályozott

gázáteresztést tesz lehetővé.

92

edény,

Poliimid, PI

Itt is a monomerek kapcsolódása, és nem maga a monomer adta a csoport nevét, azaz a képletben kékkel írt csoport. Min látható, a nitrogén három partnerrel is tud kötést létrehozni, ami lehetőség a lineáris és a térhálós polimer kialakítására is. Így létezik hőre lágyuló és nem lágyuló PI is. Mindegyikre jellemző, hogy kiemelkedő a hőállóságuk, típustól függően 260 – 360°C. Ehhez társulnak még a nagyon jó mechanikai és villamos szigetelő tulajdonságok. Hátránya a magas ára, valamint a magas formázási hőmérséklet. Hőállóság és nagyon jó nagyfrekvenciás szigetelő NYÁK hordozó különleges körülményekre, tulajdonságok. Meggyullad, de önmagát kioltó az égése.

Kapton szalag, pl. áramkörök hővédelmére. Nagy terhelésű villamos alkatrészek szigetelése.

93

Folyadékkristályos polimerek, LCP

Sajátos szerkezetű csoport. Lényegük, hogy a kijelzőkből ismert folyadékkristályos anyagokhoz hasonlóan tartalmaz olyan pálcika (ritkábban lemez) alakú merev molekulákat, amelyek bizonyos körülmények között rendeződnek, és mint egy molekuláris szálerősítés szerepel a polimerben. Ezek a csoportok beépülhetnek a főágba vagy elágazásként csatlakozhatnak a polimer gerincéhez. A rendező hatás lehet hőmérséklet emelés, nyíróerő (áramlás az olvadékban) vagy elektromos tér. Gyakorlatilag az történik, hogy a formázás utolsó fázisában un. mezomorf állapotba rendeződnek ezek a folyadékkristályos csoportok, és lehűtve ez az állapot fagy be a műanyagba. (Mezomorf: a folyadék és a szilárd állapot közötti szerkezet.) Többféle alaplánc és többféle folyadékkristályos molekula kombinációja lehetséges. Nyilván azok a sikeres termékek, amelyeknél az általánosan jó alapjellemzők mellé jól jön, ha a szilárdsági, rugalmassági tulajdonságokon még jelentősen lehet javítani. Természetesen a rendezett szegmensek anizotróppá teszik az anyagot. További komoly előnye, hogy könnyen újrahasznosítható. A lágyulási tartománya viszonylag szűk, az olvadék, épp az orientált molekulák miatt jól folyik, tehát könnyen elválasztható a többi anyagtól. Ez azért is fontos, mert az elektronikai iparban vagy az autóiparban is a hőre nem lágyuló, tehát jóval nehezebben reciklálható anyagok helyettesítésére használják, mert hőállósága és egyéb paraméterei is elérik a térhálós polimerekét. Az ára meg is haladja. Tulajdonság

Alkalmazási példák

Kiváló hőállóság, jó szigetelő, kicsi Számítógépekben, telefonokban, ahol a méretcsökkenés és a hőtágulás, jó mérettartás.

növekvő

teljesítmény

hőterhelésnek

vannak

miatt

az

kitéve.

alkatrészek Miniatűr

nagyobb

csatlakozók,

száloptikás távközlési eszközökben is. CD, DVD olvasókban lencsefoglalat, NYÁK hordozó. Kémiai ellenálló-képesség, többször Orvostechnikai sterilizálható, könnyű.

alkalmazásokban

fémeszközök

helyettesítésére.

Magas hőmérsékleten is kiváló Autóiparban a gyújtási rendszer elemei, halogénlámpák mechanikai

tulajdonságok,

jó foglalata.

fáradásállóság

94

Térhálós polimerek, duromerek A klasszikus típus a fenol – formaldehid gyanta a bakelit, az újabb elterjedtebb fajták a (telítetlen) poliészter és az epoxi gyanták. Mindegyikre jellemző a magas hőállóság és a nagy stabilitás. A térhálósodás befejeződése után már nem formázhatók, de szerencsére a térhálósodás folyamata megszakítható, és az alakítás többféle módon megoldható. Legtöbbször előpolimerizált állapotban, oligomer formában kerülnek forgalomba. Ezek sűrű folyadékok, amelyekben hő, katalizátor (harter) vagy sugárzás hatására fejeződik be a teljes kikeményedés, formába öntve vagy pl. bevonatként. Ha az előpolimerizálást még tovább engedjük, és valamilyen hordozót átitatunk vele, pl. üvegszövetet, egy papírszerű, jól alakítható lapot kapunk, amelyet kényelmesen alakíthatunk, és a végső formában kapja meg a teljes térhálósodáshoz szükséges hőkezelést. Ezt az előimpregnált lapot nevezzük prepregnek (preimpregnated material). A térhálós gyanták igen jelentős részét kompozitként használják, mint befoglaló mátrix. Ezeket külön fejezetben tárgyaljuk. Típus és tulajdonságok

Alkalmazási példák

Bakelit, Fenol – formaldehid gyanta Hőálló, kb. 300 – 350°C-ig, rugalmas, alaktartó, kopásálló, megfelelő szigetelő-képesség.

Lemezek, szerkezeti elemek, bútorlap, rétegelt lemez kötőanyaga, csapágyak, üvegszállal erősítve: billiárdgolyó, papírral erősítve: gyengébb minőségű NYÁK hordozó.

Melamin gyanta: Nagy hőállóság, kopásállóság, szép, sima felület.

Bútorlap, konyhai munkalap felület, edények.

Térhálós poliészterek, telítetlen poliészterek,

Többféle monomer, a közös, hogy a láncban

UP (Unsaturated Polyester Resin)

levő kettőskötés adja a lehetőséget a térhálós szerkezet kialakítására.

Szép, sima felület, jó kémiai ellenálló-képesség, Többnyire szálerősített anyagként, vízállóság.

könnyű hajótestek, tartós, dekoratív bevonatok.

95

Epoxik epoxi csoport A ma leginkább használt, a többihez hasonlóan főképp szálerősített kompozitként. Változatos alaplánc, a térhálósodást az epoxi gyűrű felnyílása hozza létre. Jó tapadás, jó kémiai ellenálló-képesség, jól Festékek, korrózióvédő bevonatok. színezhető. Kiváló villamos szigetelő, hőálló.

IC tokozás, NYÁK hordozó, transzformátor tekercsek impregnálása.

Ezüst porral vezetővé tehető.

Vezető ragasztó.

Kompozitként erős, könnyű szerkezetek.

Fémek, fa helyettesítése járművekben, hajótól repülőig.

Kikeményedéskor nem zsugorodik, víztiszta is lehet.

kiöntőgyanta modellekhez.

96

mikroszkópi

vizsgálatokhoz,

Szilikonok

Az alapvázat az eddigiektől eltérően, nem a C – C kötések adják, hanem az ennél erősebb – Si – O – Si-. Ebből következik a szilikonok magasabb hőállósága. A csoport változatos tulajdonságait szilíciumokhoz kapcsolható szerves csoportok (R) megválasztásával érhetjük el. Ugyanezeken a Si atomokon keresztül összekapcsolódhatnak a szomszédos láncok és gumiszerű állapot vagy szilárd gyanta is létrehozható. Rövidebb láncokból olajokat kapunk, növelve a lánchosszt és változtatva az oldalágon a szerves csoportokat, egyre nagyobb viszkozitású olajokat, zsírokat, gyantákat készíthetünk. Más csoportokkal a konzisztenciát, esetleg a kémiai jelleget, adhéziós tulajdonságokat lehet szabályozni. Minden szilikonra jellemző, hogy széles hőmérséklettartományban használhatóak, általában -55°C és 260 – 300°C között, és e tartományon belül a tulajdonságok sokkal kisebb mértékben változnak, mint a többi polimernél megszoktuk. Kémiailag nagyon ellenálló, legfeljebb a tömény lúgok és a HF támadja meg. Tulajdonságok

Alkalmazások

Villamosipari alkalmazásokban a jó Teljesítmény IC-k tranzisztorok tokozása, zárt áramköri szigetelés

mellett

a

hőállóság, modulokban kiöntőgyanta, áramkörök végső védelmeként

rugalmasság, stabilitás a kihasznált un. alakkövető bevonat, kábelek hőálló szigetelése. tulajdonsága. Élelmiszerekkel nem reagál, még Élelmiszer tárolás, sütő edények, konyhai eszközök. magas hőmérsékleten sem. Biológiailag

indifferens,

az

élő Lágy és félkemény implantátumok, orvosi eszközök.

szervezettel semmilyen reakcióba

Gyermek és felnőtt játékok.

nem lép. A mikroorganizmusok nem tudnak megtelepedni rajta. Könnyen fertőtleníthető. Hőmérséklet független mechanikai Építőipari tömítőanyagok, pl. ablakoknál, egyéb paszták. jellemzők: hidegben nem ridegedik, Ipari, vákuumtechnikai tömítések. melegben nem lágyul.

97

Cső, szívbillentyű szelep és tömítőpaszta szilikonból.

Ragasztók A legtöbb ma használt ragasztó polimer alapú. A jó ragaszó hatás feltétele, hogy elegendően erős adhéziós kötés jöjjön létre a ragasztó és a ragasztandó felület között, és természetesen legyen erős a kötés a megszilárdult ragasztón belül is. A ragasztáshoz tehát szükséges, hogy a molekuláris kölcsönhatások közelségébe kerüljön a két anyag. Ezért folyékony állapotban visszük fel a ragasztókat, és ha a kikeményedés térfogatcsökkenéssel jár, nyomást is kell alkalmaznunk. A jó terülést, nedvesítést egyrészt a szilárd felület minősége, felületi energiája, másrészt a ragasztóanyag felületi feszültsége, viszkozitása befolyásolja. A belső szilárdság egy (általában) térhálós polimer esetében adott, nézzük, hogy alakul a kötőerő a ragasztandó felülettel. Többféle módon, többféle erő alakulhat ki, ezek valamelyike vagy közülük több biztosíthatja a ragasztott kötés megfelelő erejét. Mechanikai kapcsolat: két érdes felület csak bizonyos pontokban érintkezik, csak ott alakulhat ki vonzás. (Elegendően nagy nagyításnál minden felület érdes.) A ragasztó nedvesíti a felületeket, kitölti az üresen maradt teret, behatol a pórusokba, és ezzel jelentősen megnő a vonzás lehetősége. Van der Waals kötések: a ragasztás során oly közel kerülhetnek egymáshoz a rétegek, amely már kisebb a Van der Waals kötési távolságánál, azaz, ahol már vonzó erők ébrednek. A kémiai jellegtől függően a két anyag között lehet dipól – dipól, indukciós vagy diszperziós kötés. Kémiai kötések: bizonyos esetekben elsődleges kémiai kötések is kialakulhatnak a ragasztó és a ragasztandó felület között. Erre különösen alkalmasak a szilikon bázisú ragasztók, ott pl. üveggel, fémoxidokkal - Si – O – M - kapcsolat épülhet ki (Si a ragasztóból, M a kötendő fémből, üvegből). Diffúziós kötés: műanyagok ragasztásánál fordulhat elő, ha Tg fölött van mindkét anyag, megengedett annyi mozgás, hogy a polimer egyes szegmensei egymásba diffundáljanak. Ezzel jelentősen nő a kontaktus, a vonzóerő.

98

Elektrosztatikus vonzás: megfelelő párosítás esetében megtörténhet, hogy elektronok lépnek át a határfelületen. Így egy elektromos kettősréteg alakul ki, ami hozzájárulhat a két oldal vonzásához. Főbb ragasztó típusok: 

Epoxigyanták,



Poliészterek,



Poliuretánok,



Fenoplasztok, aminoplasztok



Akril– és metakrilsavészterek,



Ciánakrilátok („pillanatragasztók”),



Szilikongyanták

A kötési mód szerint megkülönböztetünk kémiai reakcióval vagy anélkül kötő ragasztókat. A reaktív ragasztók általában kétkomponensűek, a térhálósodás a kötés során zajlik le. Sok esetben zsugorodással vagy melléktermék, pl. víz eltávozásával jár. Kivétel az epoxi gyanták, ezek térfogatváltozás nélkül kötnek. Az oldószeres ragasztók esetében akkor szilárdul meg a kötés, ha az oldószer (diszpergálószer) eltávozott, és marad az általában lineáris láncú polimer. Harmadik típus a melegen kötő ragasztók, amelyek olvadék formában jól nedvesítik a felületeket, majd lehűtve erős kötést biztosítanak. A ragasztók általában jó villamos szigetelők. Ha vezetővé akarjuk tenni, nagyon finomszemcséjű ezüstöt kevernek hozzá. Így készült vezető epoxit használnak forrasztás helyett a hőre nagyon érzékeny alkatrészek beültetésére. A vezető adalék lehet grafit is.

Polimer adalékok Sokszor úgy gondolunk a műanyagokra, mintha egynemű anyagok lennének, ha látjuk pl. a PS jelet, akkor az 100% polisztirolból áll. A valóság az, hogy legtöbbször egy sor adalékanyagot is tartalmaznak, ami esetleg a tömeg nagyobbik felét kiteszi. Ezeket foglaljuk most össze. Mellőzve a kémiai részleteket, az adalék funkcióját, esetleg hatásmechanizmusát ismertetjük. Ugyanarra a célra többféle adalékot is kifejlesztettek, ennek oka a szokásos ár és hatásossági indok mellett az is, hogy az adalékoknak harmonikusan illeszkedniük kell a fogadó polimer szerkezetéhez, kémiai környezetéhez. A legnagyobb tömegben lágyítókat és lánggátlókat használnak.

Töltőanyagok: az alapfeladat, a drágább polimer egy részének helyettesítése, de mellette még gyakran merevséget, kopásállóságot, elektromos jellemzőket is javíthatják.10 – 50% közötti arányban alkalmazzák. Jellegzetes anyagai: mészkő por, kvarcliszt, kaolin, talkum, üveg (gyöngy, szál), korom, grafit, faliszt, stb. 99

Lágyítók: a rideg, nem eléggé rugalmas polimerek javíthatók a segítségükkel. Csökken a Tg, ezáltal javul a hidegállóság, szívóság, de könnyebb lesz a formázás is. Általában kis móltömegű polimereket használnak, de ezeknek a veszélye, hogy mozgékonyak, kijutnak a felületre, és egy részük egészségre ártalmas. A legtöbb lágyítót a PVC gyártásához használnak. A klasszikus lágyítók a ftálsav észterek, ezeknek egészségi hatásáról sok vizsgálat és vita folyik. Helyettesítői: citrát észterek, foszforsav észterek, epoxidált szójaolaj. Stabilizátorok: a polimerek hő, UV és egyéb sugárzások, oxidáló környezet hatására, vagy egyszerűen csak az idő múlásával öregszenek, degradálódnak. Ezt lehet valamennyire megelőzni a különböző stabilizátorokkal. Hatásonként külön antioxidánsok, UV védők (árnyékolók, kioltók, gyökfogók), hidrolízist gátlók szerepelnek ebben a csoportban. Égésgátlók: az autóipari, villamosipari és építészeti alkalmazásoknál nagyon fontos, hogy az általában jól éghető műanyagok égését, ártalmas gázok, füst keletkezését minél jobban visszaszorítsák. A lánggátló adalékok a szokásos tűzoltási technikát alkalmazzák; 

Hőt von el az égéstérből, pl. víz felszabadításával (30% Al-trihidrát, Al(OH)3 )



Megakadályozza a levegő és az éghető anyag találkozását, nem éghető gázpárna vagy tömörebb salak képzésével.

A halogént, főképp Br-ot tartalmazó lánggátlók nagy részét betiltották, káros gázok felszabadulása miatt. Helyettük antimon és foszforvegyületek használhatók. Színezők: használnak szervetlen és szerves színezőket, amelyek különálló szemcseként maradnak az anyagban, és olyanokat is, amelyek oldódnak a polimerben. Utóbbi hatékonyabb, kevesebb is elég belőle, de könnyebben ki is oldódhatnak. Habosítók: a polimerek olvadékában gázbuborékok keletkeznek, és lehűlve megszilárdul a habosított szerkezet. Szabályozható a buborékok mérete, mennyisége. Könnyű, nagyon jó hőszigetelők. Készíthető belőlük tábla, edény, hangszigetelő padlóburkolat, rugalmas szivacs, lélegző műbőr. A zárt pórusú hab rugalmassága nő, nyomószilárdsága jó marad, ezért gyakran csak az anyag könnyítésére is érdemes habosítani, pl. ütésvédő csomagolásnál, sportcipők talpánál. Bomlást szabályozó anyagok: a hulladék-probléma egyik lehetséges megoldása, ha tudjuk programozni a polimer lebomlását. Az ilyen adalékok segítségével UV vagy oxigén hatására pár hét, pár év alatt kisebb móltömegű darabokra vagy monomerekre bomlanak a műanyagok, és legalább részben befogadhatóvá válnak a bioszféra számára. Antisztatikus adalékok: a jó szigetelő műanyagok könnyen feltöltődnek, és néha veszélyes kisülések során veszítik el a töltésüket. Ahol szükséges, a csomagolóanyagok felületi ellenállását 10 8 – 109 Ω 100

tartományba célszerű csökkenteni. Erre alkalmas anyagok a zsírsav-észterek, poliglikol-észterek, vezető szerves molekulák, grafit vagy a fémszálak. Fentieken túl még egy sor különböző célú adalékot használnak. Csak felsorolva párat: 

Technológiai célú segédanyagok: tapadásgátlók, formaleválasztók, csúsztatók



Villamos vezető, hővezető



Antibakteriális



Optikai fehérítő



Kristály gócméretet szabályozó, ezzel az átlátszóságot javító

101

3D nyomtatás polimer anyagai A gyorsan fejlődő 3D nyomtatás több változata közül a hőre lágyuló polimereket alkalmazó eljárás a legegyszerűbb és a leginkább elterjedt. Az alapelv egyszerű, egy folyamatosan adagolt polimer szálat az írófej megolvaszt, és a lágy anyagot lehelyezi a program szerinti helyre, ahol az lehűlve megszilárdul. A jó nyomtathatóság feltétele, hogy az anyag viszonylag szűk hőmérséklettartományban lágyuljon meg, és hogy a lágy anyag jól tapadjon az alatta levő, már megdermedt réteghez. A nyomtatott termékek mechanikai jellemzői – szilárdság, rugalmasság, ütésállóság – kb. 20 – 30%-kal gyengébbek, mintha fröccsöntéssel készültek volna, főképp a rétegek közötti gyengébb kötés miatt. A nyomtatók elsődleges követelménye a jó felbontás. Ez a műanyag oldalról azt kívánja meg, hogy hogy a fúvókán kijutott ömledék épp hogy elterüljön az alatta lévő felületen, ezután gyorsan alaktartóvá váljon. A jobb anyagokkal 0,1 mm-es, a gyengébbekkel 0,2 – 0,4 mm-es rétegvastagságot lehet elérni. A gyakoribb anyagok: PLA, poli-tejsav: a legkönnyebben használható anyag, emellett természetes alapú, így biológiailag lebomló, környezetbarát anyag. ABS: jó alakíthatósága, kiváló mechanikai tulajdonságai miatt itt is a leggyakoribb alapanyag. Szépen színezhető. Felbontása gyengébb, 3 réteg/1mm. A fej hőmérsékletének állításával még több hőre lágyuló polimer használható. Jobb minőségű termékekhez használhatnak poliamidokat (PA), polikarbonátot (PC), poliéterimidet (PEI). Speciális célú a polivinil-acetát (PVA), amely vízoldható, kétfejű nyomtatóknál olyan átmeneti alátámasztások nyomtathatók vele, amelyek utóbb kioldhatók.

102

3.4.7. Környezetvédelmi szempontok A műanyagok szélesebb elterjedése egybeesett a környezetvédelmi gondolkodás megerősödésével, sőt egyik kiváltója volt annak. Nagyon sok, főképp csomagolóanyagként használt polimer igen rövid használati idő után hulladékká válik, és köszönhetően igen jó kémiai stabilitásának, akár több évszázadon keresztül megmarad hulladékként, természetidegen anyagként. A rohamos fejlődés egyre nagyobb mennyiségben és egyre több különböző típusban ontotta a műanyag eszközöket, amelyek jelentős része hulladéklerakókban, erdőkben, élővizekben kötött ki. Ma már az egyik legsúlyosabb globális környezeti problémát okozzák az óceánokon úszó hulladékszigetek.

3.4.14. ábra: A már betiltott sörösdoboz pántok több állat pusztulását, torzulását okozták. jobbra: Egy műalkotás tengerparton gyűjtött szemétből. Ugyanakkor azt is tudnunk kell, hogy a polimerek alkalmazásával sokszor nagyobb környezetterhelést okozó anyagokat, technológiákat tudunk kiváltani. Gondoljunk csak arra, hogy a polimerek előállítása, megmunkálása sokkal alacsonyabb hőmérsékleten történik, mint a fémeké vagy a kerámiáké, tehát jelentős energia-megtakarítás érhető el velük. A műanyagok jóval könnyebbek, mint a többi szerkezeti anyag, sokszor komoly súlycsökkenés érhető el használatukkal, ami pl. járműveknél szintén energiamegtakarítással jár. Tehát itt is, mint sok más területen, csak egy sokoldalú megközelítés adhat reális értékelést. A teljes életciklus során okozott környezetterheléseket, környezeti előnyöket figyelembe véve lehet dönteni egyes anyagok használatáról, más anyagra történő cseréjéről. Másrészt tisztában kell lenni az esetleges környezeti hatásokkal és ezek ismeretében, elsősorban megfontolt anyagválasztással és felelős hulladékgazdálkodással kell megelőzni a károsítást.

Több módja van a műanyagok környezetbarát használatának: Biopolimerek: természetes alapanyagokból, mezőgazdasági melléktermékekből készülnek, pl. cellulóz, lignin, tej. Fő előnyük, hogy lebomlanak, tehát hulladékként viszonylag rövid idő alatt természetes anyagként kerülnek vissza a bioszférába.

103

Biológiailag lebomló polimerek: nagyrészt kőolajból készülnek, de a lánc néhány pontjában szándékosan gyengébb kötést tartalmaznak, ezzel szabályozható az élettartamuk, pár hét pár év alatt elporladnak. A bomlási termék még nem biztos, hogy a természetben hasznosul, de nem káros és nem csúfítja a környezetet.

3.4.15. ábra: A jó kémiai stabilitás a környezetben már nem akkora érték

3.4.16. ábra: A biológiailag lebomló polimerek főbb csoportjai

104

Újrahasznosítás: többféle szintje lehet. 

Anyagkénti újrafeldolgozás: ehhez arra van szükség, hogy tiszta, nem kevert alapanyagokra lehessen a hulladékot szétválasztani. Erre a nagy tömegben használt polimerek esetében van esély, ezt támogatja pl. a szelektív gyűjtés, az un. recycling számok, a fajta és szín szerinti válogatás. A nem tiszta másodnyersanyagok is újraolvaszthatók, hasznosíthatók valamilyen kevésbé igényes célra, pl. utcai padok, szemetes edények, szélfogó falak.

Itt a technológia és a környezetvédelem szempontjai különbözőek. Az anyagtudomány épp arra büszke, hogy minden alkalmazáshoz tud „testreszabott” anyagot előállítani, és alkalmanként a piac ezt hajlandó is megfizetni. Az eredményes újrahasznosítás viszont akkor lehetséges, ha minél kevesebb féle frakcióra kell szétválasztani a hulladékot, mert a másodnyersanyagok ára alacsony, csak úgy lehet gazdaságos a feldolgozás, ha nagy tömegben, néhány egyszerű művelettel elvégezhető. Tehát néhány sokoldalúan használható alaptípus lenne kívánatos. 

Nyersanyagkénti feldolgozás: többféle kémiai módszerrel, magasabb hőmérsékleten a polimerek lebonthatók kisebb móltömegű anyagokra, monomerekre vagy más, a vegyiparban hasznosítható alapanyagokra.



Energetikai hasznosítás: a műanyagok eredetileg földgázból, kőolajból készültek, tehát jól éghető anyagok, ha az előző módszerek egyike sem jöhet szóba, végső megoldásként elfogadható. Figyelni kell a klórt tartalmazó polimerekre (PVC és halogénezett lánggátló adalékok), mert ezek égetésekor súlyosan mérgező dioxinok, furánok keletkezhetnek. Csak speciális égetőműben szabad ezeket eltüzelni, de legjobb kerülni a használatukat. Többségükre tiltó szabályok is érvényben vannak.

Források, adatbázisok 

http://www.omnexus.com/tc/polymerselector/polymerprofiles.aspx



http://poly.chemnetbase.com/intro/index.jsp



http://chemwiki.ucdavis.edu/Core sok ábra, film



http://www.plasticseurope.org/home.aspx



http://precisionpunch.com/plastic-materials-index/ táblázatok, adatlapok 105



http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100012_polimerek_merestechnikaja/index.html



Pannon egyetem TÁMOP jegyz

http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop412A/20100012_muanyag_es_gumi_adalekok/index.html

Adalékok:



http://www.toray.com/plastics/toyolac/index.html

gazdag leírás



http://omnexus.specialchem.com/tutorial/fire-resistance-use-less-flame-retardants-withintumescent-frs?pbsrc=tworightcol&prg=&idpb=405&pbmode=pushbox&pbposition=2

Kérdések, problémák: 1) A szerkezet ismeretében magyarázza el, mi a hasonlóság és mi a különbség a polietilén, a polipropilén és a polisztirol között! Mi ennek az oka? 2) A leírt PP mellett még milyen műanyagok lehetnek alkalmasak a PVC kiváltására. Gondoljon ki egy – két alkalmazást, az ahhoz szükséges tulajdonság-kombinációt, és így keressen megfelelő helyetteseket. 3) A polimerek esetében három jellegzetes hőmérsékleti határt különböztethetünk meg. Adja meg ezeket növekedő sorrendben és ismertesse, hogy milyen változások történnek ezeken a hőmérsékleteken! 4) A polimerek környezeti hatása, az újrahasznosítás módjai. Környezetbarát polimerek.

106

3.5.

Kompozitok

Kompozitok vagy társított anyagok olyan összetett anyagok, melyek két vagy több különböző anyagból épülnek fel. Az alkotók külön fázisban vannak, egymástól fázishatárral elválasztva. Így a fázison belül megőrzik eredeti tulajdonságaikat, de a társítással létrejött kompozitban már az összetevők eredő tulajdonságait kapjuk. A sikeres kompozitban az alkotók jobb tulajdonságai öröklődnek úgy, hogy a gyengébb jellemzőket a másik komponens elnyomja, feljavítja. Hogy hogyan jön ki az eredő, azt az összetevő fázisok tulajdonságai és arányai, a szerkezet elrendezése és az alkotók között kialakult kapcsolat erőssége határozza meg. A kompozitban szereplő anyagokat szerepük szerint két csoportba oszthatjuk: a befoglaló fázis, a mátrix, általában ennek jellemzőit kell javítani. Amit beágyaznak, azt erősítőnek nevezzük, mert döntően a mechanikai tulajdonságok „erősítése” a cél. A kompozitok bármilyen anyagok kombinációjaként előállíthatók (3.5.1. ábra), általában egy – egy mátrix és erősítő, de néha erősítőből több is lehet.

3.5.2. ábra: Az erősítőnek nem mindig a mechanikai jellemzőket kell javítani 3.5.1. ábra: Minden anyagfajta lehet alkotója a kompozitoknak

A kompozitok előállítása több előnyt is hordoz magában: 

a tulajdonságoknak egy különleges kombinációját hozhatjuk létre,



olyan tulajdonságokat is kihozhatók, amelyekkel az egynemű alkotók nem rendelkeznek,



az alkotók arányának változtatásával a tulajdonságok is folyamatosan változhatnak, természetesen bizonyos határok között.

Leggyakoribb feladat, hogy szerkezeti anyagokban a mechanikai tulajdonságokat úgy tudják megtartani, esetleg javítani, hogy az elem tömege jelentősen csökkenjen. Konkrétabban a 107

fémszerkezeteket úgy lecserélni az öt - hatszor kisebb sűrűségű kompozitra, hogy a szilárdság, megbízhatóság ne csökkenjen. Sok műszaki termékben az igénybevétel, a terhelés meghatározott irányban érvényesül, ezekben az irányokban nagyságrendekkel nagyobb szilárdságra, esetleg merevségre van szükség. Ezért, amikor terhelés meghatározott irányú, akkor hosszúszálú tervezett szálrendezésű erősítőanyagokat alkalmaznak. Rendezetlen, rövidszálú erősítőanyagokat tartalmazó kompozitok tulajdonságai nem irányfüggőek. Hogyan függenek az eredő tulajdonságok az alkotóktól? Természetesen mindig valamilyen mértékben keverék jellemzőket kapunk, de a kompozit készítésnél épp az a cél, hogy legyen egy, fontos, elsődleges tulajdonság, amelynél dominál az erősítő, tehát ne egyszerű átlag jöjjön ki. Ez legjobban a szálerősített kompozitoknál látszik, a rugalmassági, szilárdsági értékek közelebb állnak az erősítőhöz, mint a mátrixhoz. Ugyanakkor nem feledhető a többi, mondjuk másodlagos tulajdonság sem, a felhasználónak ezek is fontosak. A sokféle megvalósítást nehéz rendszerezni, de pár általános tapasztalat: 

döntően a mátrix tulajdonságai öröklődnek pl. a hőállóság,

felületi

jellemzők,

kémiai

ellenállóképesség, vízállóság terén 

általában átlagolódnak a villamos tulajdonságok



az erősítő pedig, ahogy említettük, annál a tulajdonságnál dominál, amelyik kedvéért a kompozit

3.5.3. ábra: Az alkotók szerepe az eredő tulajdonság kialakításában.

készült A kompozitok csoportosítása nagyon sokféle szempont szerint lehetséges, ezek közül néhányat megemlítve: 

Természetes és mesterséges kompozit anyagok,



Az alapanyag (mátrix) anyaga alapján: fém, kerámia, polimer,



Az erősítő anyaga szerint: fém, kerámia, polimer, esetleg külön kategóriában az elemi (C, B, stb) szálak és természetesen az egyszerre többféle erősítőt használó kompozitok,



Az erősítő alakja, struktúrája szerint: részecske, lemezes részecske, szálas, szövött, tekercselt,



Makro-, mikro-, nano- méretű erősítőanyagok.

108

1.5.1. táblázat: A lehetséges mátrix és erősítő kombinációk Mátrix Polimer

Fém

Kerámia

Erősítő Kevlár szál epoxy Polimer

mátrixban, önerősített polimerek Porkohászati termékek,

Fém

Fékbetét

nem elegyedő fémek kombinációja

Kerámia

Cermet-ek (kerámia-fém kompozitok)

Üvegszálas erősítésű

TiC- TiCN-del

SiC-dal erősített Al2O3

műanyagok

keményített szerszámok

szerszámok

Szén- bórszállal erősített Elemi szálak

műanyagok, pl.

Szálerősített fémek,

sporteszközökben,

auto, repülőgép elemek

szénszálas gumiabroncs

Kompozitok mátrixanyagai Az alapanyagnak, a mátrixnak a feladata, hogy összetartsa az összetevőket, az erősítőanyagot pozícióban tartsa és adja át a terhelést az erősítő anyagra. A mátrix és az erősítőanyag között megfelelő kötési erősségnek kell lennie, mert a túl erős kötés mellett nincs repedésmegállító tulajdonsága, gyenge kötés esetén pedig a társított anyag nem funkcionálisan működik. A mátrix feladata: 

az erősítőanyag elemi részeit egymástól elkülöníti,



a mátrix és az erősítő anyag rideg-szívós viselkedése egymást egészítse ki,



meghatározza a felületi tulajdonságokat: vegyszerálló, korrózióálló, kopásálló, sima és nem utolsó sorban szép, dekoratív is lehet

109

Erősítő szálak: A szál formájú erősítés magasan a leggyakoribb megoldás. Legfőképp a hosszirányú húzó- szakítószilárdságot javítja, se emellett javíthatja villamos jellemzőket, lángállóságot, és többé kevésbé növeli a sűrűséget. A párhuzamosan rendezett szálak mellet gyakori a szövött megoldás is illetve ritkábban az un. nemszövött (filchez hasonló) kétdimenziós forma. A legfőbb erősítő szálak:



3.5.4. ábra: Üvegszál, nemszőtt üvegtextil, szénszál, szövet szénszálból és szövet szén és aramidszál kombinációjából Üvegszál: jó húzó- és nyomószilárdság, kitűnő villamos szigetelő tulajdonságok és viszonylag alacsony ár. Több minőségben készül, az E üveg a leggyakoribb, ez alkáli mentes alumínium-szilikát, a D üveg pedig valamivel jobb tulajdonságú boroszilikát. Könnyen előállítható, fonal, szövet készíthető belőle. A szálhúzás után közvetlenül egy védőbevonatot kap, az

összetapadás,

koptatás

és

a

korrózió

megelőzésére. 

Szénszál (grafit, karbon): nagyon magas húzó és

3.5.5. ábra: A rugalmassági modulusz, és ezzel a szilárdság növekedése a szálátmérő csökkenésével

nyomószilárdság, nagy merevség, jó korrózióállóság, gyengébb ütésállóság. Előállítása általában polimerekből, pl. poliakrilnitril (PAN) történik, több lépéses hőkezeléssel, amelynek végén grafit szerkezetű láncok alakulnak ki. Elterjedését magas ára korlátozza. 

Aramid: az aromás poliamidokból szinte egyenes láncokat lehet előállítani. Az ebből készült szálak rendkívül erősek, szívósak, ütésállóságuk is kiváló. Hő és lángállósága is jó, tűzálló ruházat céljára is alkalmas. Különböző cégek más – más néven szabadalmaztattak és forgalmaznak közel hasonló anyagokat. Legismertebb a Kevlar, a Du Pont cég fejlesztése.

110



Polietilén (UHMWPE): szilárdsági jellemzői megközelítik a Kevlar-ét, egyetlen hibája, hogy nagyon gyenge az adhéziója a többi anyaghoz, így a lehetséges mátrix anyagokhoz is.

3.5.6. ábra: Durva és finomkristályos Al2O3 szál, ill. SiC whiskerek 

Kerámia szál: elsősorban alumínium-oxidot és szilícium-karbidot használnak. Előbbi olvadékból vagy oldatból, un. szol-gél eljárással készíthető. A hosszú SiC szál szénszál kémiai átalakításával készíthető, de nem orientált erősítéshez alkalmasak a természetesen növő tűs kristályok, whiskerek.



Bór szál: fémhez képest kis sűrűségű, de kiváló szilárdságú erősítő anyag. Wolfram szálra gőzölve állítják elő.



Egyéb természetes szálak: a növényi rostok; kender, len, juta, stb. környezetbarát és olcsó megoldást kínálnak. Hátrányuk a nagyobb vízfelvétel és a mátrixhoz való gyengébb kötőerő.

3.5.2. táblázat: A szálas erősítők fontosabb tulajdonságai

Száltípus

Üvegszál (E)

Jellemző

Fajlagos

szálátmérő

szakadási

(μm)

hossz (km)

4,8

10

96

75 - 150

3,6

6 – 12

230

3,3

99

3,7

12

340

0,4 – 2

210

1,1

< 250

50

Szakító-

Rugalmassá

szilárdság

gi modulusz

(GPa)

(GPa)

2.6

2,5

72

1,45

2,8 - 3,3

0,97

7,8

Sűrűség g/cm

3

Szakadási nyúlás (%)

Aramid (Kevlar) Polietilén (UHMWPE) Acél

111

Szénszál (HS) Bór Szilíciumkarbid (SiC) Alumíniumoxid

1,8

2,5 - 3

240

1,4

7 - 10

2,6

3,4

400

100 - 130

3,2

5–7

480

1 – 50

3,9

1,5 - 2

380

20

190

A mátrix és az erősítő (szál) kapcsolata A mechanikai terhelés elviselése a jó kompozitban úgy történik, hogy a mátrix veszi fel, elosztja és átadja az erősítőnek. Ehhez legalább közepes rugalmassági, nyírási modulussal kell rendelkezni a mátrixnak, és elég erős kötésnek kell létrejönni a mátrix és az erősítő között. Fontos funkció még, hogy szétválassza a szálakat egymástól, mert úgy biztosítható az egyenletes teherelosztás, továbbá így nem sérthetik meg egymást a kemény erősítő szálak. Általában a mátrix folyadék (olvadék) formában kerül feldolgozásra, tehát a jó kontaktust a jó nedvesítéssel lehet elérni.

Az erősítők alakja Az erősítők akkor tudják átvenni a mátrixtól a terhelést, ha elegendően nagy felületen alakul ki kontaktus közöttük, azaz nagy az erősítő fajlagos felülete. A vékony szálaknál ez természetesen adott, de hasonlóan jó a helyzet a vékony lemezeknél. Ha ritkábban is, de ezt is használják. Könnyen előállíthatók ilyen lemezkék csillámból, üvegből, és a fémek közül alumíniumból. Előnyei: egyenletes szilárdítás egy síkban, jó rugalmassági modulusz, jobb átütési szilárdság, jobb vízállóság. Részecske erősítők: az előzőekhez képest más mechanizmussal erősíti a szerkezetet. Inkább a polikristályos anyagok szemcséi közötti erőket módosítja. A rideg atom vagy ionrácsok közé képlékenyebb fémes kötést kever, vagy kerámiákban a gázzárványok helyét töltik ki. Az erősítés itt nem irányított, a kompozit izotróp marad. 

Fém – kerámia párosítás esetén mindkét szereposztásban lehet szemcsés erősítés, pl. cermetekben (ld. később) Al2O3 kerámia Cr szemcsékkel, fém karbidok saját fémükkel társíthatók.



Fém – fém kompozitnak tekinthetők a kiválásos keményítéssel megvalósított ötvözetek. Főképp az Al esetében szokásos eljárás, pl. rézzel vagy szilíciummal alkotott ötvözeteiből. 112



Ha túllépünk a mechanikai tulajdonságokon, még találhatunk újabb példákat: gumiba, lágy műanyagba ágyazott mágneses részecskékkel lehet jól záró tömítéseket készíteni hűtőajtókra.



Hőt és villamos áramot vezető műanyagokat, ragasztókat lehet létrehozni ezüst szemcsék (újabban nanoszálak) beágyazásával.



Hajlékony áramköri hordozók készíthetők kerámia szemcsék műanyagba ágyazásával. Természetesen így a hőállóság inkább a műanyagéhoz közeli, de a villamos paraméterek inkább a kerámiához hasonlóak.

Rövidszálú erősítők A szál hosszának meghatározásában kulcsszerepe van a mátrix és a szál közötti erőnek. Ez nyilván arányos a szál hosszával, és egy adott hossz elérése után nagyobb lesz, mint a szál szakítószilárdsága. Tehát rövidebb szál esetén terheléskor a határfelületi kötés enged, a szál kicsúszik a mátrixból. A hosszú erősítők esetében pedig a szál szakad. Ha ezen a határnál hosszabb erősítőt alkalmazunk, már nincs hatása a szálhossz növelésének, a kompozit húzószilárdsága attól már nem változik.

3.5.7. ábra: A terhelés megoszlása a mátrix és a szál között Ez a határhossz átlagosan a szálátmérő 30 – 50-szerese. Ezek szerint a hosszú szálú erősítők nem szükségesek a maximális húzószilárdság eléréséhez. Hogy mégis nagyobbrészt ezt használják, annak oka, hogy így a szálak rendezettebben, jobban párhuzamosan lehet beágyazni, és ez bevált, kidolgozott technológiákkal megvalósítható. A hosszúszálas erősítőket átitatják a folyékony mátrixszal, míg a rövidszálúakat be lehet keverni a mátrixba, és áramlás közben rendeződnek, nagyrészt a kívánt irányba. A kritikus szálhossz a nyírófeszültség (τ) és a szál szakítószilárdságának (σ) arányától függ: 𝜎 𝐿𝑐 = 2𝜏 𝐷

113

Ahol: Lc a kritikus szálhossz, D pedig a szál átmérője

3.5.8. ábra: A hosszú és a rövid szálak elrendeződése

Polimer mátrixú kompozitok Ez a leggyakoribb és a legolcsóbb is. A gyakori anyagok a poliészterek, vinilészterek, epoxik, de terjed a hőre lágyuló polimerek alkalmazása is. Jól kidolgozott technológiákkal, kiváló minőségű kompozitok állíthatók elő, ha magas hőmérsékletű alkalmazás nem szükséges. 

Legkedveltebb erősítő az üvegszál/szövet. (Glass Fiber Reinforced Polymer GFRP) A kis súly, a jó szilárdság, rugalmasság és a korrózióállóság nagyon vonzó együttes a járműipar számára; kerékpártól a hajókon át a repülőkig, Trabanttól a Forma 1-ig.



Üvegszövetes epoxi a gyártott NYÁK hordozók döntő többsége, és a maradék zöme is üveg vagy kerámia szálerősítéses műgyanta.



Aramid vagy UHMWPE szövetből, kevés mátrixanyaggal készülnek a golyóálló ruhák, kevlarból motoros védőruhák, farmernadrágok.



Kevlárt használnak a modern radiál gumiabroncsokban is.

Fém mátrixú kompozitok A fémek hőállósában, mechanikai jellemzőkben felülmúlják a legtöbb mátrixként alkalmazott polimert, így kompozitjaik is várhatóan jobbak, de az előállítás nehézségei, költségei miatt nem olyan elterjedtek, mint a polimer mátrixú kompozitok. Könnyebb a részecske erősítés bevitele, de több eljárás is létezik a szálerősítés fémolvadékba történő beágyazására is. Itt is gondolni kell a két fázis jó nedvesítésére, mert csak így valósulhat meg a várt terhelés átadás. Ha szükséges, a szálak felületkezelésével, bevonat létrehozásával javítható. Ott érdemes alkalmazni, ahol a fémhez képest is emelni kell a hőállóságot, jobb szívósságot, szilárdságot várnak az anyagtól. Az alumínium alacsony op-ja miatt alkalmas partner szálerősítés

114

befogadására. Bór, Al2O3 vagy karbon szállal erősített alumíniumot és ötvözeteit használják repülőgépekben, más járművekben. Nagy terhelésű turbinalapátokat Al2O3-dal erősített Ni szuperötvözetből készítenek. Külön terület a porkohászati úton előállított kompozitoké, ezekben magas olvadáspontú fémeket és fémoxidokat kevernek össze, és a kerámia technológiának megfelelően formázzák, szinterelik. Az eredmény olyan összetétel, ami ötvözéssel nem valósítható meg, nagy szilárdság, kopásállóság. A szívós vagy rideg viselkedés jól hangolható a keverési arány változtatásával, hasonlóan a többi tulajdonság is.

Kerámia mátrixú kompozitok Itt egyértelmű cél a kerámiák nagy nyomószilárdsága mellé szívósságot, hajlítószilárdságot társítani, megőrizve a kiemelkedő hőállóságot. A kerámia szerkezet és technológia nehezen hozható össze a hosszú szálú erősítőkkel, inkább a részecske, esetleg a rövidszálas erősítőket alkalmazzák. A kerámiaszemcsékkel történő erősítés határeset a többfázisú kerámiák felé. Inkább a kompozitok közé sorolják a SiC-dal, TiCN-del, WC-dal erősített, főképp Al2O3 alapú kerámiákat, de fejlesztenek SiC wiskerekkel erősített üvegkerámiákat, sőt önerősített SiC-ot. Legtöbbjük nagy keménységű és terhelésű szerszámok anyaga. Külön csoport a fémerősített kompozitoké, ezek a cermetek (ceramic – metal kompozitok). Néha a fém szinte csak kötőanyagként szerepel a kerámiaszemcsék között, de mechanikai

szerepük

egyértelműen

a

ridegség

csökkentése. Erre rövid fémszálak alkalmasak. Pl. gázturbinák alkatrészei készülhetnek Ni/Co/acél erősítésű SiC kerámiából. A cermetekből ellenállások is készíthetők, nagyon nagy a terhelhetőségük (akár kW nagyságrendű), a fém/kerámia

aránnyal

pontosan

szabályozható

ellenállás.

115

az

3.5.9. ábra: Cermet ellenállás

3.5.10. ábra: Acélszálakkal erősített Al2O3 kerámia kompozit. Balra: RTG tomográfiával készült felvétel, amellyel csak az acélszálak láthatók, jobbra: hagyományos mikroszkópi csiszolatos felvétel. (forrás: DoITPoMS Composite Materials)

Alkalmazási példák: A sok közül három felhasználási területet emelünk ki, a közlekedési eszközöket, sporteszközöket és a szélturbina lapátokat. A közlekedési eszközökben egyértelmű cél a tömegcsökkentés, hiszen így a mozgatása kevesebb energiát igényel. Ez üzemanyag megtakarítást, környezetterhelés csökkenést eredményez. Nem koorrodeálódik, ami mindenhol, de leginkább a vízi járműveknél könnyíti a felhasználók életét. Katonai felhasználók számára fontos, hogy alig veri vissza a radarhullámokat. Anyagában színezhető, így nem kell külön festeni, és tartósabb. A Boeing 787 az első olyan nagy szállító repülőgép, amely döntő hányadban kompozitokból készült. Legtöbb, gépenként 35 t, a szénszál erősítésű polimer, amelyhez 23 t szénszálat használtak fel. A kisebb tömeg részben üzemanyag megtakarítást eredményez, részben a szállítható utasok számát növeli.

116

3.5.11. ábra: Szinte minden közlekedési eszközben nagy szerepe van a kompozitoknak A modern sportban a jó eredmények egyik feltétele a csúcstechnológiát felhasználó eszköz, amely a sok esetben valamilyen kompozit. A szokásos kompozit alapjellemző, a kis súly és a nagy szilárdság szinte mindig fontos, de emellett a tulajdonságok finom hangolása, testreszabhatósága az igazi vonzerő. Egy rúdugrónak a testsúlyához és fizikai erejéhez igazítják a rudat, de ezen túl még az átugrandó magasságtól is függ, milyen rugalmasságú rudat választ. Mint a fotón is látszik, a roham során elért mozgási energia tárolódik a megfeszült rúdban, majd ez lövi ki a sportolót (jó esetben)a léc fölé

3.5.12. ábra: Rúdugrás a régi fa rúddal és a mai kompozit rúddal. Jobbra a rúd szerkezete.

117

A teniszütők is több generációs fejlődésen mentek keresztül az elmúlt pár évtizedben; a fakereteket előbb alumíniumra majd üvegszálas kompozitra cserélték, a legújabbak pedig grafitszálból készülnek. A sportág pénzügyi helyzetét látva nem lesz gond a szén nanocsöves vagy grafén alapú kompozitok bevezetése sem. Mindez az ütő könnyebbé válását, nagyobb keretet és az ütőerő növekedését eredményezi. A „kemény”, merev ütő gyorsabb, de rosszabb a labda irányíthatósága. Ezt a húr anyagának és feszességének jó megválasztásával javítható - de hogy a tehetségnek is jusson tér – a legjobbak a kemény ütővel is technikásan, pontosan tudnak játszani. Fontos még az ütéskor keletkező rezgések csillapítása, mert az kikezdi a játékos ízületeit, főképp a könyökét. Itt a markolat anyagának van szerepe, újabban a keretbe épített csillapító elemnek.

3.5.13. ábra: Balra: egy síléc rétegszerkezete, jobbra fent: teniszütő metszete, jobbra lent: a teniszütő keretébe épített piezoelektromos elemek, amelyek az ütés erősségétől függően feszítik meg a keretet. A szélturbinák hatásfokának, teljesítményének növekedése is elképzelhetetlen a kompozitok nélkül. A legnagyobb lapátok megközelítik a100 m hosszt, ez csak nagyon könnyű és nagy szilárdságú anyagokkal valósítható meg. Mivel gyakorlatilag csak hosszirányú terhelés van, lehet üreges a lapát, csak a tartómerevítő elemeknek kell az erősítés. A fő teherhordó grafitszálas, a borító elemek üvegszálas kompozitból készülnek, de így is 10 t fölötti marad a lapát tömege.

118

3.5.14. ábra: Egy turbinalapát mérete, és a könnyűségét biztosító szerkezet. (PMI: polimetilakrilimid)

119

A NYÁK hordozók döntő többsége üvegszövettel erősített epoxi. Nézzük meg, milyen tulajdonságok javítása érdekében kellett ezt a kompozitot kifejleszteni. 

Mechanikai: a gyártás, szerelés és a használat során is fontos, hogy szilárd, rugalmas maradjon a hordozó, nagyon pontosan sík felületű legyen, ne vetemedjen, púposodjon. Ezekért a tulajdonságokért az üvegszövet a felelős.



Villamos: ez alapvetően egy eredő tulajdonság lesz. Figyelembe véve a követelményeket, mindkét szereplőnek kiváló villamos szigetelőnek kell lenni. Ez az átlagos felhasználásnak meg is felel, de ha emeljük a frekvenciát, először az üveg lesz a gyenge láncszem; ez cserélendő kerámiaszálra, és GHz feletti tartományban már az epoxi helyett is jobb a poliimid vagy a teflon. A felületi ellenállás természetesen csak a mátrix anyagától függ.



Termikus: A hőállóságot a mátrix határozza meg, kicsit javít rajta az erősítő. Tehát, ha ezen kell javítani, más polimert kell találni, pl. poliimidet. Érdekes a hőtágulás, mert a szövet síkjában (x, y irány) az üvegszövet dönt, erre merőlegesen (z irány) viszont a mátrix, ami nagyjából ötször nagyobb. A hövezetése mindkét szereplőnek kicsi, ha ennek növelésére van szükség (pl. teljesítmény LED), akkor egy fémréteggel segítenek a túl sok hő elvezetésében.



Vízállóság, vegyszerállóság: Ez természetesen a mátrix feladata.

Ajánlott: https://www.youtube.com/watch?v=eoNySabChvA

Kérdések, problémák 1) Mi lehet az oka, hogy a vékony szálak szakítószilárdsága az átmérő csökkenésével meredeken nő. (Más lesz az ok az üvegnél, más a polimereknél.) Az eddigi üvegről, polimerekről megszerzett ismeretek és a szakirodalom alapján adja meg a választ. 2) A 3.4.2 táblázat adatai közül hiányzik az utolsó három anyag fajlagos szakadási hossza. Mi is ennek a jellemzőnek a fizikai tartalma? Becsülje meg, számítsa ki a hiányzó értékeket!

120

3) Gyűjtse össze, milyen kompozit anyagokat alkalmaznak a golfütőkben, a vitorlás hajókban! Mely tulajdonságaik a legfontosabbak? 4) Milyen kompozitokat használnak futópálya borítására? Melyek a fő szempontok az anyag kiválasztásánál?

121