Bevezetés az anyagtudományba XIII. előadás
2010. május 6.
Kompozitok • •
•
• •
Kompozit: a legalább két, számottevő mennyiségben jelen levő, fázisból álló anyagok. A fázisok kémiailag eltérőek, és a fázishatárok jól elkülönülnek. A kompozit anyag egy bizonyos tulajdonsága mindig valahol a mátrix és az erősítő fázis tulajdonsága közé esik. A kompozitok azért érdekesek, mert olyan tulajdonság-kombinációkkal rendelkeznek, melyek páratlanok, vagy jelentősen felülmúlják az egyfázisú anyagok viselkedését. Kompozitokat általában azért hozunk létre, hogy 1) anyagi tulajdonságok szokatlan kombinációját valósíthassuk meg, pl. hogy egy műanyag tömegét és flexibilitását egy kerámia erősségével „ötvözhessük” (kombinált hatás elve), vagy hogy 2) elkerülhessük a különböző anyagfajták kötésének szükségességét. Természetes kompozitok: fa (erős és flexibilis cellulóz szálak kemény ligninbe „ágyazva”) vagy csont (erős és puha kollagén + kemény és törékeny apatit). A kompozitok tulajdonságai – az őket felépítő fázisok tulajdonságaitól, – azok relatív mennyiségétől és – a diszpergált fázis “geometriájától” függnek. http://en.wikipedia.org/wiki/Composite_material XIII/2
A tulajdonságok „hígulása” • Young modulus: E(GPa) 350 30 0 volfrám részecskék Cu 250 mátrixban 20 0 150
felső határ: Ek = VmEm + VdEd
0
Az indexek jelentése: k kompozit m mátrix d diszpergált fázis
alsó határ: 1 Vm Vd = + Ek Em Ed 20 40 60 80
(Cu)
10 0 v/v% volfrám
(W)
A “keverési szabály” értelmében a kompozit Young modulusa a fent definiált alsó és felső határ közé esik.
• További tulajdonságok, melyek hasonlóképp viselkednek: - elektromos vezetőképesség - hővezetőképesség XIII/3
A szálak szakadása elkezdődik, de a kompozit még nem szakad, hisz 1) a rövidebb szálak is tartanak, és 2) a mátrik még képes képlékeny alakváltozásra. XIII/4
A diszpergált fázis „geometriája”
mátrix diszpergált fázis
koncentráció
méret
alak
eloszlás
orientáció XIII/5
A kompozitok csoportosítása 1/3 Mátrix Fém
Kerámia
Műanyag
Eloszlatott Fém
Kerámia
porkohászati termékek (nem elegyedő fémek)
cermetek (kerámiafém kompozitok)
féktárcsák
cermet: fémbe (Co, Ni) ágyazott karbidok (WC, TiC), nitridek szál/részecske erősített fémek szerszám
pl. SiC-dal erősített Al2O3 szerszám anyagok
üvegszálas anyagok
Kevlar szálak epoxy mátrixban
Műanyag Egyéb elemek (pl. szén, bór)
szálerősített fémek (autóipar, légiközlekedés)
MMC Metal Matrix Composites
szénnel adalékolt gumi (abroncs) bórral, szénnel erősített műanyag
CMC
PMC
Ceramic Matrix Composites Polymer Matrix Composites
XIII/6
A kompozitok csoportosítása 2/3 • Mátrix: - A folytonos fázis - Szerepe: - a terhelés közvetítése - a fázis védelme
- Típusai:
MMC, CMC, PMC
• A diszpergált fázis: - Cél: a mátrix tulajdonságának javítása MMC: σy, TS, kúszás növelése CMC: Kc növelése PMC: E, σy, TS, kúszás növelése
- Fajtái: részecske, szál, szerkezeti
XIII/7
Kompozitok csoportosítása 3/3 Kompozitok
részecske-erősített
kontinuum mechanika
molekuláris kölcsönhatások
szálerősített
rendezett
szerkezeti
véletlenszerűen orientált
XIII/8
Alkalmazási területek – – – – – –
már az egyiptomiak ismerték a szalmával erősített agyagot légiközlekedés sport termékek autógyárak építőipar ...
XIII/9
Az anyagtudós síléce
XIII/10
MYTHOS ár-apály erőmű Három egyenként 60kg-os lapátja egyenként 10m hosszú Maximális teljesítmény (2 m/s áramlásnál) 150 kW Szénszálas szerkezeti kompozit
http://www.compositesworld.com/articles/composite-tidal-turbine-to-harness-ocean-energy XIII/11
Szélerőművek
laminált üvegszál struktúra
81m
http://www.lmwindpower.com/ XIII/12
Porsche Carrera GT
1,380 kg 605 LE Karosszéria + motor és erőátviteli elemeket tartó rögzítések: C-szálas műanyag Kerámia kompozit kuplung és fék
http://www.seriouswheels.com/cars/top-2004-Porsche-Carrera-GT.htm http://auto.howstuffworks.com/porsche-carrera.htm XIII/13
Boeing 787 Dreamliner
szénszálas, laminált szén (szendvics) üvegszál alumínium titán
http://www.newairplane.com/787/en-US/innovativeFeatures http://www.newairplane.com/787/en-US/innovativeFeatures/CuttingEdgeTechnology/AdvancedCompositeDesign http://money.cnn.com/galleries/2008/fortune/0804/gallery.boeing_dreamliner.fortune/index.html XIII/14
Boeing 787 Dreamliner Kompozit Al Ti Acél Egyéb
787 50 12 15 10 5
AB380 25
777 12 50
-20% üzemanyag felhasználás -20% kevesebb káros anyag kibocsátás Jobb mechanikai tulajdonságok, ellenállóbb a korrozióval szemben hosszabb hasznos élettartam Nagyobb páratartalmat tesz lehetővé a kabinban komfortosabb Első repülés: 2009. december 15.
XIII/15
Orion, a 6 emberes visszatérő egység Olcsóbb és könnyebb, mint a Ti alapú megoldás, s ugyanakkor teljesíti a specifikációkat: Tűri a rezgésterhelést. Elviseli az űrben jellemző extrém nagy T-változásokat. Nem sérül a mikrometeoritok becsapódásakor. Visszatérés során 2,760°C hőmérsékleten sem olvad meg. Kibírja a vízreszálláskor jellemző 12.2 m/s-os becsapódást.
http://www.compositesworld.com/articles/orion-re-entry-system-composites-displace-metal XIII/16
2010. május 13. • Problémamegoldás (teljes anyag, feladatok!!) • Hallgatói véleményezés
• Dolgozatok végső beadási határideje: 2010.05.14.
[email protected]
• Kötelező írásbeli vizsgadolgozat: 2010. május 21., péntek 8-10 Kis Árpád tanterem
XIII/17
