Szerkezeti anyagok Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák
A
nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. Ezek: • szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek • a szervetlen nem fémes szerkezeti anyagok vagy kerámiák
Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. Lehetnek: • természetes és • mesterséges polimerek azaz műanyagok
Természetes eredetű polimerek A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. Legfontosabbak: • a fa • a bőr • a rostok.
Fa és fa szerkezeti anyagok • A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból ( lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik.
Fa és fa félgyártmányok A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi
Faanyagok tulajdonságai A fa erősen anizotróp és inhomogén. A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 830 szoros különbséget mutathat. A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.
A fa tulajdonságai Szakítószilárdsága mintegy kétszerese nyomószilárdságának. A hossz és a keresztirányú értékek jelentős eltérést mutatnak.
Rostok A
• • • • •
rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. Lehetnek természetes növényi rostok, állati , és selymek mesterséges rostok pl. cellulóz , fehérje
• A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85-88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége. • Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik.
Bőr
Papír • A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag. • Alapanyaga a fa csiszolása utján nyert faköszörület és a fa kémiai feltárásával nyert cellulóz. Felhasználnak újrahasznosított papír és rongyhulladékot is.
Papír • Töltőanyagokkal (pl. titánoxid vagy kaolin) és enyvező anyagokkal a fehérségi fok, a felületi minőség befolyásolható. • Az alap és a töltőanyagokból vizes szuszpenziót készítenek, aminek a kiszáradása folyamán a benne lévő rostok filcesednek és ezután a cellulóz OH csoportjainak közvetítésével szilárdan összekötődnek. • A papír folyadékkal szembeni ellenállás műgyanta, enyv, keményítő hozzáadásával javítható
Mesterséges polimerek, műanyagok
• A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek. • Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az un. monomerekből állítják elő • polimerizációval, • polikondenzációval vagy • poliaddícióval,
Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH2 = CH2 az etilén a polietilén PE alapanyaga. • A polimerizációval láncmolekulás szerkezet alakul ki. Így állítják elő pl. a polipropilént PP, a polivinilcloridot PVC, a polisztirolt PS. a politetrafluoretilent a PTFE stb.
Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polikondenzáció estében a monomerek melléktermék legtöbbször víz képződés mellett kapcsolódnak össze. pl. a poliamid PA, a polikarbonát PC, a polietiléntereftalát PET stb. • A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán PUR, epoxigyanták stb.
Mesterséges polimerek, műanyagok Hővel szembeni viselkedés alapján: • Hőre lágyuló • Hőre keményedő Tulajdoságok alapján: • Tömegműanyagok • Műszaki műanyagok • Különleges tulajdonságú műanyagok
Hőre lágyuló, termoplasztok • Ha csak egy irányban a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. Fajtái: • amorf • részben kristályos
Hőre lágyuló termoplasztok
amorf
Részben kristályos
Hőre lágyuló, termoplasztok Amorf hőre lágyuló műanyagok: rendezetlen polimer lánc
Hőre lágyuló, termoplasztok Részben kristályos hőre lágyuló műanyagok: rendezett és rendezetlen részek váltják egymást
Polimer piramis ár+teljesítmény Nagyteljesítményű műszaki műanyagok (Talk>150°C)
PI
PEEK FP PEI LCP PES PPS PA-46 CDC PSU PBT PET PC PPO POM PA-6 PA-66
Műszaki műanyagok (100
SMA ABS
Tömegműanyagok HIPS (Talk<100°C)
PS PVC
amorf
PMMA
PP
UHMWPE
SAN LDPE
HDPE
kristályos
Hőre lágyuló, elasztomerek • A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi
Hőre lágyuló, elasztomerek
Hőre keményedő, duroplasztok • Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis.
Hőre keményedő, duroplasztok
Viszkoelesztikus viselkedés A feszültség-deformáció kapcsolat eltér a fémekétől Jellemzi: a feszültség-nyúlás kapcsolata nem lineáris – függ a hőmérséklettől – a terhelési szinttől – az igénybevétel időtartamától
Eltérések a fémek és a műanyagok között T<
Feszültség
A meghatározott értékeket befolyásolja • a hőmérséklet
T≈Tg T>Tg
T
Deformáció Kristályos
Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja • a hőmérséklet
Feszültség
T<
II
I
II
III
IV T
Tf
Deformáció Amorf
Eltérések a fémek és a műanyagok között
Feszültség
A meghatározott értékeket befolyásolja: • az alakváltozás sebessége
Deformáció
Eltérések a fémek és a műanyagok között
Feszültség [MPa]
A meghatározott értékeket befolyásolja: • a nedveségtartalom 80
0,4%
PA
0,8%
60
1,5% 2,3% 2,5% 3%
40 20 0
0
1
2
3
4
5
Deformáció [%]
6
Viszkoelesztikus viselkedés Adott igénybevétel hatására kialakuló alakváltozás:
εö= εr+ εk+ εm εr εk εm
pillanatnyi rugalmas késleltetett rugalmas maradó alakváltozás
Összes alakváltozás az idő függvényében σ
0
σ
εr
0
σ
εk
0
εm
A viszkoelesztikus viselkedés következménye • Kúszás • Relaxáció
Kúszás Ugrásszerű feszültség gerjesztést létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatest nyúlása monoton nő
Relaxáció Ugrásszerű megnyúlást létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatestben ébredő feszültség monoton csökken
A viszkoelesztikus viselkedés következménye A tervezőknek tehát figyelembe kell venni a terhelés időtartamát is!
Összefoglalás • Óriásmolekulákat monomerek építik fel • Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő • A mesterséges polimerek lehetnek hőre lágyulóak, vagy keményedőek • Tulajdonságuk függ a vizsgálati sebességtől, a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól • Viszkoelasztikus viselkedés jellemzi
Kerámia • Kerámiának nevezünk, minden ember által készített szervetlen anyagot, amely nem fém és nem szerves. • A fémektől a kerámiák elsősorban abban különböznek, hogy a részecskék között kovalens vagy ionos kötés van.
A kerámiák általános tulajdonságai 1 • kis sűrűség • nagy olvadáspont • nagy keménység és kopásállóság • nagy nyomószilárdság • ridegség, törékenység • nagy melegszilárdság korrózióállóság
és
A kerámiák általános tulajdonságai 2 • nagy kémiai stabilitás • nagy villamos ellenállás ( szigetelők) • a villamos vezetőképesség nő vagy speciálisan változik a hőmérséklettel • kis hősokk állóság, de pl. a SiN kivétel • magas ár
Kerámia anyagok csoportosítása (1) • Alkotók szerint: – Oxidkerámiák (pl. Al2O3) – Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) – Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt)
• Gyártás szerint – – – –
Olvasztás (üveggyártás) Hidrát kötés (cement) Nedves formázás (agyag árúk) Porkohászat (műszaki kerámiák)
Kerámia anyagok csoportosítása (2) • Szerkezet szerint: – Amorf (pl. üveg) – Kristályos (pl. bórnitrid) – Vegyes • Eredet szerint: – Természetes anyagok (pl. kő) – Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid)
Kerámia anyagok csoportosítása (3) • Tisztaság szerint: – Hagyományos kerámia tömegáru (téglától a fajanszig) • Jellemző: mérsékleten érzékeny a szennyezésre
– Finomkerámiák (porcelánok, szigetelők, speciális üvegek) • Jellemző: fokozott tisztasági igények
Kerámiák
Kerámia anyagok csoportosítása (4) • Tisztaság szerint: – Műszaki kerámiák • pl.szerszámok, chip gyártás,
Előírás:igen nagy tisztaság – nagy tisztaságban előállított elemekből, alkotókból gyártják – mivel ridegek nagyon érzékenyek a belső hibákra
Egyatomos kerámiák • • • •
Karbon Szilícium Germánium Köbös bór-nitrid
Egyatomos kerámiák • Gyémánt: – Természetes: bányásszák – Mesterséges: 3000 Co-on, 7500 MPa nyomáson szénből kristályosítják
• Köbös bór-nitrid (CBN) – Csak mesterségesen állítható elő bór-nitrid ásványból – 1500 Co feletti hőmérsékleten, 8500 MPa nyomással képződik
Egyatomos kerámiák alkalmazása • Elektródák, tégelyanyagok • Félvezetők • Húzógyűrűk volfrám és egyéb nagy hőmérsékleten alakítható fémekhez (elsősorban mesterséges gyémántból) • Forgácsoló szerszámok: – A szerszám élére raknak fel vékony rétegben kis szemcséket – Nagy sebességű forgácsolás köbös bórnitriddel előnyösebb
Oxidmentes vegyületkerámiák Tulajdonságok: • nagy keménység • nagyon magas az olvadáspontjuk. Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják. Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is .
Oxidmentes vegyületkerámiák Felhasználás: • szerszámanyagokként pl. Vágóélek • Bevonatokat is készítenek belőlük
Nitrid és karbidkerámiák • titánnitrid (felületi bevonat), • köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. • szilícium nitridek Si3N4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégetőill. örvénykamra anyaga lehet.
Nitrid és karbidkerámiák • SIALON (pl. Si3Al3O3N5) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. • A szilíciumkarbid (SiC) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.
Műszaki kerámia bevonatok
Műszaki kerámiák
Műszaki kerámiák
Műszaki kerámiák
Oxidkerámiák • Az oxidkerámiák alapanyaga alumíniumoxid, cirkóniumoxid, titánoxid, magnéziumoxid és berilliumoxid. • Alkalmazási területük a tűzálló anyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelő anyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.
Műszaki oxidkerámiák A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók: • Alumíniumoxid vagy műkorund Nagy keménységű (Al2O3). forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó
Műszaki oxidkerámiák
Műszaki oxidkerámiák 2 • Cirkóna vagy cirkóniumoxid (ZrO2). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló.
Műszaki oxidkerámiák 3 • magnézium oxid MgO (2800 C° ) • Az Al2O3-hoz 2050 C° és a ZrO2-hoz (2690 C°) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), • a MgO a ZrO2-hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a ZrO2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást.
Műszaki oxidkerámiák 4 A fémoxid (MeO) tartalmú mágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségű lágymágneses ferritek(MeO.Fe2O3, Me = Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd) ill. keménymágneses ferritek (MeO.6[Fe2O3], Me= Ba, Sr, Co).
Üveg • Az üveggyártás alapanyaga a földkéreg 25 %-át adó SiO2 (pl. homok). • A tiszta, kristályos SiO2 1700oC-on olvad. Jellegzetessége, hogy már mérsékelt lehűlési sebesség esetén sem kristályosodik, hanem amorf szerkezetűvé dermed (kvarcüveg).
Üvegek
Biztonsági üveg
Különleges üvegek • Matt üveg Ca foszfát, kriolit vagy cinkdioxid adagolással
• optikai üvegek hibamentes, speciális tulajdonságokkal pl. előírt törésmutató, áteresztési, elnyelési és visszaverődési tényező
• Üvegszálak folyékony nyersüvegből kis átmérőjű fúvókákon átfúvással vagy centrifugálással állítják elő
Optikai kábel
Üvegkerámiák • részben polikristályos anyagok, amelyeket amorf üvegmátrix hőkezelésével állítanak elő. A hőkezelés a nagyhőmérsékleten olvadó csiraképzőkkel ( pl TiO2 és ZrO2) adalékolt anyag lehűtés utáni megeresztése. Ilyenkor az üvegmátrixba ágyazott kristályok képződnek, amelyek különleges optikai és elektromos tulajdonságokat, csekély hőtágulást ill. hőingadozás állóságot eredményeznek. A kristályos rész 50-95 % lehet
Hidrátkerámiák: cementgyártás • Nyersanyag: mészkő és agyag • Előkészítés: őrlés, keverés • Kiégetés: 1300…1500 Co-on, forgó kemencében • Aprítás ⇒ ez a cement • Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt
A cement átalakulása betonná
• A cement és a homok (sóder) víz hatására stabil hidrátkristállyá alakul át • A folyamat szobahőmérsékleten megy végbe, végleges kikeményedés 28 nap után
Beton szerkezetek: híd
Összefoglalás • A kerámiák rideg, kemény, hőálló és korrózióálló anyagok • Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő • A mindennapi alkalmazásuk széleskörű (üveg, tégla, cserép, beton) • A műszaki kerámiák a nagy terhelésnek kitett szerkezetekben használatosak (pl. jármű motorok)
