Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiákusers.atw.hu/gerikozl/MA_10.pdf · A nem fémes...
Transcript of Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiákusers.atw.hu/gerikozl/MA_10.pdf · A nem fémes...
Szerkezeti anyagok
Nem fémes szerkezeti anyagokPolimerek, 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 felépülőszerves 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, csőalakú, egymással kapcsolatban lévő szállítósejtek jellemzik.
Fa és fa félgyártmányok
A fa félgyártmányok makroszerkezetétrendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi
Faanyagok tulajdonságai
A fa erősen anizotróp és inhomogén.A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 8-
30 szoros különbséget mutathat.A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ
az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.
A fa tulajdonságai
Szakítószilárdságamintegy kétszerese nyomószilárdságának. A hossz és a keresztirányú értékek jelentős eltérést mutatnak.
RostokA 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
Bőr• A bőr a gerinces állatok
kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85-88%-át kitevőirharétegnek van jelentősége.
• Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik.
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 keményedőTulajdoságok 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, termoplasztokAmorf hőre lágyuló műanyagok:rendezetlen polimer lánc
Részben kristályos hőre lágyuló műanyagok: rendezett és rendezetlen részek váltják egymást
Hőre lágyuló, termoplasztok
Polimer piramisár+teljesítmény
Nagyteljesítményűműszaki műanyagok(Talk>150°C)
Műszaki műanyagok(100<Talk<150°C)
Tömegműanyagok(Talk<100°C)
PI PEEK
LDPEHDPE
PP
PVC
PEIPES
CDC PSU
FPLCP PPS
PA-46
PCPPO
SMAHIPS
PBT PET
POMUHMWPEABS PMMA
PS SAN
PA-6 PA-66
amorf 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
Deformáció
Fesz
ülts
ég
T<<Tg
T≈Tg
T>Tg
T<Tm
T≈Tm
A meghatározott értékeket befolyásolja
• a hőmérséklet
Kristályos
Eltérések a fémek és a műanyagok között
Deformáció
Fesz
ülts
ég
T<<Tg
T<<Tg
T<Tg T≈Tg
T≲Tf
T>Tf
T≳TgI II III IV
I II IIIIV
A meghatározott értékeket befolyásolja
• a hőmérséklet
Amorf
Eltérések a fémek és a műanyagok között
A meghatározott értékeket befolyásolja:• az alakváltozás sebessége
Deformáció
Fesz
ülts
ég
Eltérések a fémek és a műanyagok között
A meghatározott értékeket befolyásolja:• a nedveségtartalom
Deformáció [%]
Fesz
ülts
ég [M
Pa] PA
0 1 2 3 4 5 6
80
60
40
20
0
0,4%
0,8%
1,5%2,3%2,5%
3%
Viszkoelesztikus viselkedés
Adott igénybevétel hatására kialakulóalakváltozás:
εö= εr+ εk+ εm
εr pillanatnyi rugalmas
εk késleltetett rugalmas
εm maradó alakváltozás
Összes alakváltozás az időfüggvényében
0
σ
εr 0
σ
εk 0
σ
εm
A viszkoelesztikus viselkedés következménye
• Kúszás• Relaxáció
Kúszás
Ugrásszerűfeszültség gerjesztést létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatest nyúlása monoton nő
Relaxáció
Ugrásszerűmegnyúlást létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatestben ébredőfeszültség 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 és
korrózióállóság
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-nitridásványból
– 1500 Co feletti hőmérsékleten, 8500 MPanyomással 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 vegyületkerámiákTulajdonságok: • nagy keménység• nagyon magas az olvadáspontjuk.
Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják.
Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is .
Oxidmentes vegyületkerámiákFelhasználás: • 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, előégető-ill. 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 tűzállóanyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelőanyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.
Műszaki oxidkerámiákA szinterezett műszaki oxidkerámiák négy
csoportba oszthatók:•Alumíniumoxid vagy műkorund
(Al2O3). Nagy keménységűforgácsolószerszámok 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) tartalmúmágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségűlágymágneses 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 szerkezetűvédermed (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
• Üvegszálakfolyékony 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 olvadócsiraképzőkkel ( pl TiO2 és ZrO2) adalékoltanyag 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)