CERAMIKA, POLIMERY, KOMPOZYTY

CERAMIKA

Klasyfikacja ceramiki

Cechy charakterystyczne materiałów ceramicznych:

•wysoka temperatura topnienia

•niski ciężar właściwy

•wysoka twardość

•wysoka wytrzymałość na ściskanie

•niska rozszerzalność cieplna

•mała przewodność cieplna

•dobra żaroodporność i żarowytrzymałość

•dobra odporność na korozję

•duża kruchość

Ceramika tradycyjna - materiały uformowane z drobnych ziaren mineralnych i wypalane w wysokiej temperaturze, podczas którego zachodzą nieodwracalne reakcje.

Surowce: glinka iłowa, kaolin, glina zwykła i garncarska, margiel ilasty, łupek ilasty, kwarc, mika itd., które są formowane w stanie plastycznym (mokrym), a następnie suszone i spiekane.

Budowa: Po operacji spiekania wyroby ceramiczne składają się z faz krystalicznych spojonych fazą szklistą, której głównym składnikiem jest krzemionka SiO2. Faza szklista tworzona jest i topiona w trakcie spiekania, a następnie rozpływa się wokółpowierzchni faz krystalicznych spajając je ze sobą.

Ceramika porowata

Cechą charakterystyczną ceramiki porowatej jest szorstka i matowa powierzchnia. Dodatkowo ceramika ta jest porowata i mocno nasiąka wodą. Wyrobami z ceramiki porowatej są: cegła dziurawka, cegła pełna, pustaki, dachówka itd. W celu ograniczenia nasiąkliwości wody często stosuje się po wypalaniu elementów pokrywanie je szkliwem i ponowne wypalanie. W wyniku tej obróbki nie zostaje zmieniona struktura ceramiki a zamknięte zostają jej pory powierzchniowe. W sposób taki wytwarza się wyroby kaflarskie, garncarskie i większość fajansów.

Porcelana

Jest ona wytwarzana z mieszaniny minerałów, takich jak kaolin, kwarc i skaleń oraz innymi możliwymi dodatkami, spieczonych ze sobą w procesie wypalania. Własności porcelany zależą od zawartości poszczególnych składników i temperatury wypalania. Porcelana może być wypalana jednokrotnie (np. porcelana elektrotechniczna) lub dwukrotnie (np. cienkościenne wyroby stołowe lub artystyczne). Porcelanę dzieli się na:

•porcelanę miękką, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy stołowe;

•porcelanę twardą, stosowaną na wyroby artystyczne i zastawy stołowe jak również na elementy elektrotechniczne i części aparatury chemicznej. Charakteryzuje się ona wysokąwytrzymałością na ściskanie, wysoką twardością, wysokim oporem elektrycznym, odpornością na uderzenia cieplne, a także na działanie kwasów (z wyjątkiem fluorowodorowego), zasad i soli.

Ceramika inżynierska

Materiały ceramiczne są jednymi z najstarszych, którymi posługuje się człowiek, jednakże w ostatnich latach w bardzo dużym stopniu rozwinęła się grupa nowoczesnych materiałów, stosowanych w technice, określana jako ceramika inżynierska. Materiały te są stosowane m. in. w budowie silników samochodowych i lotniczych, w budowie rakiet, w elektronice, w technice światłowodowej, w metalurgii, w przemyśle narzędziowym i w medycynie.

Materiały supertwarde•diament 7000 HV•azotek boru 4700 HV•węglik krzemu 2600-3300 HV•węglik boru 2600-3900 HV•tlenek glinu 2080 HV

Z materiałów tych wytwarzane są narzędzia służące do obróbki kamieni szlachetnych, twardych tarcz szlifierskich (ściernic), ceramiki, minerałów, betonu, szkła, węglików spiekanych.

Najbardziej rozpowszechnione są narzędzia wykonane z cząstek diamentu osadzonych w metalowej osnowie.

Zastosowanie dwutlenku krzemu i dwutlenku cyrkonu w budowie silników:

• tłoki

• tuleje cylindrowe

• komory wstępnego spalania

• zespoły popychaczy zaworów w silnikach spalinowych

• wirniki i łożyska turbosprężarek

Konstrukcja silnika Przewidywane części ceramiczne Korzyści

Współczesny z turbodoładowaniem

Turbosprężarka, elementy układu zaworowego, komora wstępna, "gorąca" wkładka

Polepszenie charakterystyki pracy, obniżenie kosztów

Bez chłodzenia, nieadiabatyczny, bez turbodoładowania

Turbosprężarka, elementy układu zaworowego, tłok, denko tłoka, cylindry, tuleje cylindrowe

Obniżenie masy, wzrost sprawności i możliwości polepszenia areodynamiki, wzrost sprawności, obniżenie kosztów wytwarzania

Adiabatyczny z turbodoładowaniem

Turbosprężarka, wirnik turbosprężarki, elementy układu zaworowego, tłok, denko tłoka, cylindry, tuleje cylindrowe

Zmniejszenie jednostkowego zużycia paliwa, polepszenie areodynamiki, ograniczenie przestojów

Według koncepcji minimalnego tarcia

Łożyska powietrzne, wysokotemperaturowe pierścienie, wysokotemperaturowe łożyska, elementy pracujące na ścieranie, łożyska suche

Obniżenie jednostkowego zużycia paliwa

Koncepcje Katza zastosownia ceramik w silnikach wysokoprężnych według: B. Ciszewski, W. Prezetakiewicz, Nowoczesne materiały inżynierskie w technice, Warszawa 1993.

POLIMERY

•Materiały organiczne zbudowane głównie z atomów węgla, wodoru, tlenu•Makrocząsteczki powstałe w wyniki połączenia monomerów

Cechy charakterystyczne polimerów:•niska gęstość•dobre właściwości termoizolacyjne i elektroizolacyjne •słabe odbicie światła•dobra odporność na korozję•ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej•niska i średnia stabilność wymiarów•nieprzydatne do pracy w podwyższonych temperaturach

Tworzywa sztuczne: polimery (składnik podstawowy) z dodatkiem napełniaczy (wypełniaczy), antyutleniaczy (stabilizatorów), zmiękczaczy, barwników, katalizatorów

Wypełniacze są to substancje chemicznie obojętne dodawane w celu zapewnienia odpowiednich właściwości tworzywa. Pod względem postaci wyróżnia się wypełniacze:• proszkowe – proszki metali, grafit, mączka kamienna i drzewna, ziemia okrzemkowa, mika• włókniste – druty metalowe, włókna szklane, bawełniane• arkuszowe – folie lub siatki metalowe, tkaniny szklane, bawełniane, papierWypełniacze podwyższają właściwości wytrzymałościowe, nieorganiczne zmniejszają palność tworzyw, metalowe powiększają przewodnictwo cieplne i elektryczne, mika powiększa właściwości izolacyjne.

Stabilizatory są to substancje zapewniające trwałość polimeru w przypadku wpływu takich czynników zewnętrznych, jak temperatura, promieniowanie świetlne, ultrafioletowe.

Np. sadza zabezpiecza polietylen przed wpływem promieni ultrafioletowych. Zabezpieczenie polichlorku winylu przed działaniem podwyższonej temperatury i promieni ultrafioletowych zapewniają mydła, związki cyny i metali ciężkich.

Zmiękczacze są to związki organiczne, chemicznie czynne, dodawane w celu podwyższenia plastyczności tworzyw. Działająone fizykochemicznie na budowę cząsteczek, np.. Skutkiem polireakcji z polimerem, objawiającym się najczęściej zmniejszeniem wiązań między cząsteczkami („rozluźnieniem łańcucha polimeru). Efektem powiększenia ruchliwości cząsteczek jest często obniżenie temperatury mięknięcia i zeszklenia tworzywa. Dzięki temu tworzywo kruche w temperaturze pokojowej staje się uplastycznione.Barwniki i katalizatory w zasadzie nie wpływają na właściwości fizyczne tworzywa.

Niektóre polimery1. Otrzymane metodą polimeryzacji (łączenia monomerów bez reszty)

• Polietylen – produkt polimeryzacji etylenu (CH2=CH2) odznacza się dużą odpornością na działanie mocnych kwasów, zasad i roztworów soli, a mała odpornością na działanie rozpuszczalników organicznych, zwłaszcza nafty i olejów powodujących pęcznienie tworzywa. Dzięki budowie łańcuchowej, łatwo tworzą się w nim obszary krystaliczne (40-95%) zapewniające elastycznośćtworzywa. Zależnie od warunków polimeryzacji i ilości wypełniacza, na bazie polietylenu produkuje się tworzywa o gęstości od ~0,91-0,93 g/cm3 (polietylen elastyczny) do ~0,94-0,97 g/cm3 (polietylen twardy). Im większa gęstość, tym większy udział obszarów krystalicznych w strukturze, tym większa odporność chemiczna, temperatura mięknięcia (do 135ºC), twardość i kruchość. Z polietylenu wytwarza się folie, płyty, rury, artykuły gospodarstwa domowego, materiały elektroizolacyjne, elementy odzieży i obuwia.

• Polichlorek winylu – produkt polimeryzacji chlorku winylu (CH2=CHCl), dzięki obecności grupy C-Cl, odznacza się w porównaniu z polietylenem większymi siłami międzycząsteczkowymi, co podwyższa temperaturę mięknięcia do 150ºC i sztywność. Atom Cl naruszający symetrię cząsteczki monomeru ogranicza udział obszarów krystalicznych. Tworzywa sztuczne na bazie polichlorku winylu znane są pod nazwami winiduru, igelitu, PCV i należą, do najczęściej stosowanych dzięki dużej odporności chemicznej, dobrej wytrzymałości i udarności. Cenną zaletą winiduru jest podatność na spawanie i zgrzewanie. Gatunki twarde (winidur) są stosowane w postaci płyt i rur w przemyśle chemicznym na wykładziny zbiorników, przewody, kanały wentylacyjne. Gatunki uplastycznione (igelit) służą służądo wyrobu folii, węży elastycznych, opakowań oraz znajdujązastosowanie w przemyśle elektrotechnicznym (materiałizolacyjny), odzieżowym, obuwniczym. Gatunki uplastycznione (PCV) znajdują zastosowanie w budownictwie jako wykładziny podłogowe.

• Polistyren – produkt polimeryzacji styrenu (C6H5-CH=CH2) ze względu na asymetryczną strukturę monomeru (pierścieńbenzenowy) ma strukturę praktycznie całkowicie bezpostaciową. Dlatego odznacza się małą wytrzymałością , kruchością, niskątemperaturą mięknięcia (90-100º). Tworzywa sztuczne oparte na polistyrenie należą do najtańszych i powszechnie stosowanych w elektrotechnice (izolacje), na obudowy odbiorników radiowych i telewizyjnych, galanterię samochodową oraz do wyrobu zabawek i artykułów gospodarstwa domowego.

2. Otrzymane metodą polikondensacji (łączenia monomerów z wydzieleniem produktu ubocznego)

• Poliamidy – termoplastyczne tworzywa o budowie łańcuchowej, będące produktami polikondensacji kwasów organicznych: dwukarboksylowych, aminokwasów, hydrokwasów. Mają strukturęw znacznym stopniu skrystalizowaną, w związku z tym dobrąwytrzymałość na rozciąganie i odporność chemiczną, ale niskątemperaturę mięknięcia, a powyżej 140ºC utleniają się na powietrzu. Pochłaniają wodę powodującą pęcznienie tworzywa.

Poliamidy są stosowane do wyrobu artykułów gospodarstwa domowego, osprzętu budowlanego oraz włókien odzieżowych i technicznych znanych pod nazwami nylon, stylon, kapron, perlon, dederon.

• Żywice syntetyczne – termoutwardzalne tworzywa otrzymywane przez polikondensację różnorodnych kwasów organicznych, mające początkowo strukturę łańcuchową, ulegające ostatecznej polimeryzacji pod wpływem temperatury, w wyniku czego struktura zmienia się na usieciowaną. Początkowo mają niskątemperaturę mięknięcia i łatwo rozpuszczają się, co ułatwia kształtowanie wyrobów. Po uzyskaniu struktury usieciowanej (stan termoutwardzalny), mają w temperaturze pokojowej dużątwardość i nieznaczną rozpuszczalność. Największe znaczenie jako materiały konstrukcyjne mają żywice fenolowe, aminowe i silikonowe. Tworzywem na bazie żywic fenolowych jest np. bakelit używany do wyrobu prasowanych części maszyn (koła zębate) oraz laminatów wzmocnionych np. włóknem szklanym. Tworzywa na bazie żywic aminowych stosowane są do wyrobu galanterii i artykułów gospodarstwa domowego oraz jako powłoki izolacyjne przewodów wysokiego napięcia. Tworzywa na bazie żywic silikonowych o temperaturze mięknięcia ~300ºC stosowne są na elementy aparatury chemicznej.

KOMPOZYTY

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach. Właściwości kompozytów nigdy nie sąsumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi osnowę, która gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny (wzmocnienie, zbrojenie) zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu. Liczne materiały naturalne są kompozytami, np. drewno zawierające długie włókna celulozowe, spojone bezpostaciowąligniną. Materiały kompozytowe wytwarzane technicznie znane sąludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym”sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniana sklejka. Powszechnie stosowanym obecnie kompozytem jest beton/żelbeton.

Podział kompozytów ze względu na osnowę: • metalowe• ceramiczne• polimerowePodział kompozytów ze względu na wzmocnienie:• wzmacniane dyspersyjnie małymi cząstkami o rozmiarach 10-250 nm• wzmacniane płatkami• wzmacniane włóknami nieciągłymi• wzmacniane włóknami ciągłymi• wzmacniane szkieletowo• wzmacniane warstwowo

•Kompozyty polimerowe o osnowie z żywic termoutwardzalnych lub termoplastów, zaś włóknach szklanych lub ceramicznych.

•Kompozyty metalowe typu osnowa metalowa - włókna metalowe (np. miedź-wolfram, aluminium-bor), osnowa metalowa - włókna ceramiczne, np. tytan-węglik krzemu (T/SiC).

•Kompozyty ceramiczne z długimi lub krótkimi włóknami ceramicznymi, a także ziarnami metalicznymi o wymiarach 50-200 nm.

•Kompozyty hybrydowe łączące kilka materiałów, np. osnowępolimerową zbrojoną włóknami szklanymi i jednocześnie cienkimi warstwami metalu (np. Al). Kompozyty te łączą cechy wysokiej wytrzymałości z dużą ciągliwością

Podstawowe parametry charakteryzujące kompozyt to stosunek

wytrzymałości do gęstości i stosunek sztywności do gęstości. W

stosunku do stali, aluminium, czy tytanu, stosunki te są

wielokrotnie większe, np. dla kompozytów polimerowych o

włóknach szklanych stosunek pierwszy z nich jest 6-8 razy

większy, zaś dla włókien grafitowych od 9-11 razy większy w

stosunku do stali.