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)