Click here to load reader

MATERIALE COMPOZITE CU PROPRIETĂŢI SPECIALE

  • View
    3

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of MATERIALE COMPOZITE CU PROPRIETĂŢI SPECIALE

4R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
UNIVERSITATEA “DUNREA DE JOS” DIN GALAI
FACULTATEA DE METALURGIE I TIINA MATERIALELOR
MATERIALE COMPOZITE CU PROPRIETI SPECIALE
REZUMATUL TEZEI DE DOCTORAT
Galai 2011
1
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
2
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
INTRODUCERE
Acoperirile compozite în matrice metalic având ca faz complementar particule micrometrice sau nanometrice prezint un interes deosebit. Materialele compozite, respectiv acoperirile compozite sunt utilizate în multe sectoare ale industriei fiind considerate materiale noi cu proprieti superioare materialelor clasice. Aceast lucrare abordeaz studiul obinerii pe cale electrochimic a unor materiale compozite în matrice de cupru i nichel folosind ca faz complementar pulberile de grafit, dioxid de titan i dioxid de zirconiu. Materialele compozite realizate au fost caracterizate din punct de vedere structural i al proprietilor fizico-chimice.
Lucrarea prezint studii referitoare la stabilirea parametrilor de lucru în procesele de obinere pe cale electrochimic a straturilor cupru-grafit, nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu prezentându-se si o comparaie a proprietilor celor trei straturi. De asemenea s-a studiat tehnologia de obinere a straturilor multiple.
Capitolul 1 red o prezentare succint pentru aspectele generale referitoare la definirea, clasificarea i compoziia materialelor compozite, a metodelor de obinere a acestora precum i a metodelor de studiu, a structurii i proprietilor compozitelor. Sunt referiri speciale la metodele de obinere pe cale electrochimic a acoperirilor de cupru metalic i cupru compozit, nichel metalic si nichel compozit cu prezentarea compoziiei soluiilor, a mecanismelor de reacie propuse în literatur. Sunt prezentate, de asemenea, domeniile de utilizare ale materialelor i acoperirilor compozite. Acoperirile compozite obinute prin includerea particulelor fazei disperse în matricea materialului prezint un interes tehnologic pentru multe domenii de aplicaii datorit diversitii proprietilor ce se pot obine.
Capitolul 2 prezint condiiile de obinere a acoperirilor cupru-grafit, nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu pe cale electrochimic, tipurile de electrolii utilizai i parametrii de lucru, prezint aparatura folosit pentru obinerea i caracterizarea acoperirilor compozite.
Capitolul 3 prezint contribuiile la obinerea acoperirilor compozite în matrice de cupru si nichel prin metoda electrochimic. Ca faz complementar s-au folosit particule de grafit, dioxid de titan i dioxid de zirconiu. S-au determinat condiiile optime de codepunere, se prezint structura i compoziia chimic a straturilor obinute i s-au testat proprietile acestora. Capitolul 4 prezint un studiu comparativ al proprietilor straturilor nichel-dioxid de titan, nichel-dioxid de zirconiu i cupru-grafit. Capitolul 5 prezint un studiu privind obtinerea straturilor multiple prin codepunere electrochimic.
În capitolul 6 sunt prezentate concluziile finale ale studiului iar în capitolul 7 contribuiile proprii la obinerea acoperirilor compozite i principalele direcii de continuare a cercetrilor. Rezultatele proprii prezentate în capitolele 2-6 au fost parial publicate i prezentate la conferine naionale i reviste de specialitate.
Cercetrile au fost realizate în laboratoarele Facultii de Metalurgie i tiina Materialelor din Universitatea „Dunrea de Jos” din Galai i Arcelor-Mital Galai sub îndrumarea competent a doamnei Profesor Univ. Dr. chim. Olga Mitoeriu fa de care vreau s-mi exprim recunotina. Pentru realizarea acestei lucrri am beneficiat de ideile i experiena tiinifica valoroasa a urmtorilor profesori de la Universitatea „Dunrea de Jos” din Galai: Prof. Dr. Ing. Elisabeta Vasilescu, Prof. Dr. Ing. Stela Constantinescu, Prof. Dr. Ing. tefan Dragomir, Prof. Dr. Ing. Ana Doniga, Conf. Dr. Ing. Petrica Alexandru, Prof. Dr. Ing. Nicolae Cananau, Prof. Dr. Ing. Maria Vlad, Prof. Dr. Ing. Florentina Potecasu, Asist. Dr. Ing. Lucica Orac crora le mulumesc pe aceasta cale.
Mulumesc familiei pentru înelegerea i cldura cu care m-a înconjurat i fr de care nu a fi putut s finalizez aceast lucrare pe care le-o dedic în totalitate.
3
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
CUPRINS
1.2 Structura materialelor compozite 1.2.1. Matrici utilizate la obinerea M.C. 1.2.2. Materiale complementare utilizate la obinerea M.C.
1.3 Metode de obinere a M.C cu matrice metalic 1.4 Criterii de alegere a procedeelor de obinere a M.C. 1.5 Obinerea acoperirilor compozite
1.5.1. Obinerea ACE în matrice de cupru 1.5.2. Obinerea ACE în matrice de nichel 1.5.3. Mecanismul formarii A.C.E.
1.6 Influena diverilor factori în procesul obinerii ACE 1.7 Proprietile M.C. 1.8 Acoperiri compozite i domenii de utilizare 1.9 Domenii de utilizare ale M.C. 1.10 Avantajele i dezavantajele utilizrii M.C. 1.11 Straturi multiple cupru/nichel
Capitolul 2. Direcii de cercetare 2.1 Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de nichel i cupru prin electrodepunere
2.1.1. Pregtirea suprafeei suportului pentru depunere 2.1.2. Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de nichel 2.1.3. Realizarea straturilor de nichel prin electrodepunere 2.1.4. Influena parametrilor tehnologici pentru electrodepunerea straturilor de nichel
Influena densitii de curent Influena timpului de depunere i vitezei de agitare
2.1.5. Stabilirea condiiilor de obinere a straturilor de cupru 2.1.6. Realizarea straturilor de cupru prin electrodepunere 2.1.7. Influena parametrilor tehnologici asupra electrodepunerii straturilor de cupru
Influena densitii de curent Influena timpului de depunere i vitezei de agitare
2.2 Aparatura utilizat pentru studiul structurii materialelor compozite i obinerea acoperirii compozite 2.2.1 Generaliti 2.2.2 Microscopul optic 2.2.3 Microscopul electronic – SEM 2.2.4 Microanaliza prin spectroscopie de radiaii X 2.2.5 Determinarea microduritilor 2.2.6 Încercarea la uzare a materialelor metalice 2.2.7 Metoda de determinare a uzurii masice prin abraziune 2.2.8 Determinarea rugozitii stratului compozit 2.2.9 Studiul comportrii la coroziune a acoperirilor compozite 2.2.10 Determinarea rezistenei la coroziune în cea salin
2.3 Concluzii
4
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
Capitolul 3. Contributii privind obinerea unor ACE în matrice de nichel i cupru prin electrodepunere
3.1 Caracterizarea materialelor complementare utilizate la obinerea ACE în matrice de cupru i nichel
3.2 Mecanismul codepunerii straturilor compozite 3.3 Contribuii privind realizarea ACE nichel – dioxid de titan
3.3.1.Influiena parametrilor tehnologici privind realizarea ACE nichel - dioxid de titan 3.3.2.Structura i compoziia chimic a straturilor nichel - dioxid de titan 3.3.3. Proprietile caracteristice ale straturilor nichel - dioxid de titan 3.3.4.Influena tratamentului termic privind proprietilor compozitelor nichel - dioxid de titan
3.4 Contributii privind realizarea ACE nichel – dioxid de zirconiu 3.4.1. Influena parametrilor tehnologici asupra realizrii ACE nichel - dioxid de zirconiu 3.4.2. Structura i compoziia chimic a straturilor nichel - dioxid de zirconiu 3.4.3. Proprietile caracteristice ale straturilor nichel - dioxid de zirconiu
3.5 Contribuii privind obinerea ACE cupru-grafit 3.5.1. Influenta parametrilor tehnologici privind realizarea ACE cupru - grafit 3.5.2. Structura i compoziia chimic a straturilor cupru - grafit 3.5.3. Proprietile caracteristice ale straturilor cupru-grafit
3.6 Concluzii Capitolul 4. Studiul comparativ al proprietilor straturilor nichel - dioxid de titan, nichel - dioxid de zirconiu i cupru - grafit
4.1 Rugozitatea acoperirilor compozite 4.2 Microduritatea straturilor 4.3 Proprieti tribologice 4.4 Proprieti electrice 4.5 Comportamentul la coroziune
Capitolul 5. Obinerea straturilor multiple prin codepunere electrochimic 5.1 Obinerea ACE multistrat în matrice de cupru i nichel 5.2 Studiul structurii depunerilor multistrat 5.3 Încercarea la uzare a straturilor multiple
Capitolul 6. Concluzii finale Capitolul 7. Contribuii proprii la obinerea corpurilor compozite. Direcii de continuare a cercetrilor Bibliografie
Se prezint succint informaii din unele capitole i rezultate relevante obinute, pstrând notaiile figurilor i tabelelor cum sunt prezentate în teza de doctorat.
CAPITOLUL 1. STADIUL ACTUAL PRIVIND SINTEZA, PROPRIETILE I STRUCTURA MATERIALELOR COMPOZITE
1.5. Obinerea acoperirilor compozite
Acoperirile compozite (AC) fac parte din categoria materialelor compozite (MC), care se definesc ca fiind sisteme alctuite din dou sau mai multe materiale în scopul îmbuntirii proprietilor lor în comparaie cu însuirile separate ale componentelor[1,2].
Compozitele sunt materiale compacte bi- sau polifazice formate în urma proceselor naturale sau create artificial de om la care exist limite de separare între componentele izolate formatoare. Faza I-a se numete matrice i reprezint un element de legtur continu care poate fi în stare solid cristalin sau amorf. Faza a-II-a se numete dispers i este format din una sau mai multe faze dispersate în matrice, aflate în orice faz de agregare. Faza dispers se poate prezenta ca particule disperse, fiind în acest caz discontinu sau ca fibre, fiind astfel continu[1,5].
5
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
1.8. Acoperiri compozite i domenii de utilizare
Straturi compozite în matrice de nichel În ACE (Acoperirile Compozite Electrodepuse) cu matrice de nichel se pot include oxizi,
carburi, sulfuri sau paricule de carbon. Modelul codepunerii propus de Gugliemi a fost verificat la depunerea nanoparticulelor de oxid de aluminiu i carbura de siliciu utilizând un electrolit pe baz de sulfamat. S-a dovedit c aceste nanoparticule duc la obinerea unor acoperiri compozite de bun calitate chiar fr prezena aditivilor [22]. Carbura de siliciu ca material complementar în matrice de nichel a fost studiat i de ali cercettori. S-a stabilit faptul c SiC genereaz creterea microduritii ACE [23,51]. Ali cercettori (Celis i Fransaer) studiaz ACE cu particule de SiC prezentând diverse dimensiuni; au utilizat electrolit Watts stabilind c procentul de faz dispers în acoperire crete cu descreterea dimensiunii particulelor înglobate. Autorii au studiat i rezistena la uzare a ACE coninând SiC [24].
S-a constatat c introducerea particulelor de polietilen în matrice de nichel duce la creterea microduritii stratului, rezistenei la uzare i coroziune comparativ cu acoperirea cu nichel fr particule în strat [25]. Ali autori compar efectul electrolitului asupra acoperii obinute prin electrodepunerea aluminei în matrice de nichel. Autorii au comparat electrolitul pe baz de clorur de nichel cu cel pe baz de citrat i au ajuns la concluzia c la electrolitul clorur, concentraia depozitului scade la creterea densitii de curent în timp ce la electrolitul citrat fenomenul se petrece invers [26].
A fost studiat comportamentul ACE obinut prin includerea particulelor de carbura de wolfram în matrice de nichel pe suport de oel [27]. S-a utilizat electrolitul Watts i s-a remarcat faptul c procentul de faz dispers în strat scade odat cu creterea densitii de curent. Au fost obinute compozite în matrice de nichel-fosfor prin codepunerea particulelor de carbura de siliciu i oxid de aluminiu utilizând electrolitul Watts. Includerea fosforului în matricea de nichel a dus la creterea microduritii acoperirii compozite [28]. Alti autori [29] au cercetat proprietile tribologice i rezistena la coroziune a ACE obinute în matrice de nichel prin includerea fazei disperse grafit. S-a observat c rezistena la coroziune i coeficientul de frecare al compozitului depind de procentul de grafit inclus în acoperire; unele limitri ale acestei tehnologii apar datorit dispersiei neuniforme a particulelor de grafit în electrolit. Straturi compozite în matrice de cupru
ACE în matrice de cupru au fost, în general, obinute utilizând electrolii acizi. Electrolii pe baz de cianuri au fost utilizai mai rar. Primele incercri de realizare a unui compozit au fost fcut în anul 1929 [30] când a fost depus grafit în matrice de cupru; deoarece aspectul acoperirii a fost nesatisfctor, cercetrile au fost abandonate pentru un timp.
Obinerea ACE în matrice de cupru s-a realizat utilizând ca material complementar carburi, oxizi, nitruri, sulfuri, polistiren etc. S-a remarcat faptul c introducerea grafitului în matricea de cupru confer compozitului bune proprieti de lubrifiere. În acest context, unii autori [31] au studiat efectul pH–ului aupra obinerii compozitului Cu-grafit. Ali autori studiaz efectul pulberii de alumin asupra compozitului obinut din electrolit pe baz de sulfat de cupru utilizând mai multe metode de agitare; s-au remarcat bunele proprieti tribologice obinute la compozitul respectiv [32].
În industria electrotehnic este important obinerea unor straturi cu proprieti magnetice; prin depunerea nanoparticulelor de Fe3O4 într - un electrolit pe baz de sulfat de cupru au fost realizate straturi cu proprieti magnetice; structura acestor compozite a fost studiat utilizând AFM [33]. Proprietile mecanice ale straturilor compozite au fost îmbuntite de unii cercettori prin includerea particulelor de wolfram în matrice de cupru [34]. S-a studiat densitatea de curent, agitarea i includerea la obinerea compozitului respectiv care prezint o microduritate ridicat i bune proprieti tribologice. Autorii au remarcat faptul c mecanismul electrodepunerii propus de Gugliemi se verific pentru densiti mici de curent.
1.9. Domenii de utilizare a MC Compozitele se utilizeaz în diferite domenii: aerospaia, naval, autovehiculelor.
Domeniul aerospaial. Prin calitile lor compozitele ajut la simplificarea structurilor aerospaiale; astfel, la avionul Airbus 340 aproximativ 40% din greutate aparine compozitelor (radom inclus în aramida sau în fibra de siliciu). Fibrele de carbon au rezisten la rupere
6
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
superioar a oelului i rezisten ridicat la temperatura (~3000°C) fiind utilizat la motoarele de avion i rachet. De dat mai recent sunt fibrele de bor i bor-aluminiu care, fiind mai scumpe, se utilizeaz doar în aeronautic i tehnic aerospaial [35].
Compozitele cu matrice din aliaje cu baz Ni i Co ranforsate cu fibre din carburi i oxizi metalici (CTa, CNi, CZr, Al2O3) sunt utilizate pentru componente vitale care funcioneaz în regim termic ridicat ale motoarelor turboreactoarelor i rachetelor. Prin calitile lor, compozitele conduc la simplificarea structurilor aerospaiale, cu consecine favorabile asupra economicitii i fiabilitii aeronavelor în producie i în exploatare[1,2,3].
Domeniul naval. În industria naval, materialele compozite sunt utilizate pe scar larg, plecând de la partea imers a navei i ajungând la echipamente complexe de foraj maritim. Pentru navele uoare, se utilizeaz rinile poliesterice armate cu fibr de sticl, cu fibr de carbon sau fibr de aramid având ca avantaje greutatea redus i rigiditatea mrit, permiând creterea vitezei i reducerea consumului de combustibil. Pentru navele mari se utilizeaz panorile tip sandwich. Feele panourilor de tip sandwich pot fi din materiale: metalice (aliaje de aluminiu sau oel inoxidabil), nemetalice (laminate polimerice cu fibre de sticl sau cu fibre de carbon), etc. Miezul este alctuit dintr-un material compozit uor, poros sau neporos, granulat, fiind alctuit din celule deschise (tip fagure) sau din profile (U,I,T,etc). În cazul unui submarin militar, corpul acestuia este cu 60% mai uor dac se utilizeaz compozite în locul oelurilor speciale[3,4].
Domeniul autovehiculelor. În domeniul transportului rutier, materialele compozite se folosesc în primul rând datorit greutii lor reduse, rezistenei ridicate la oxidare i coroziune, în procente care reprezint creteri de 5-10 % anual, în locul metalelor. S-a calculat c reducerea greutii unui autoturism cu 100 kg echivaleaz cu economisirea unui litru de benzin la fiecare 100 de km. În componena unui autoturism compozitele se folosesc pentru: caroserii, sistemul de alimentare cu combustibil, panoul de comand, etc. În sistemul de frânare al autovehiculelor compozitele din fibre de carbon sunt deosebit de eficiente întrucât coeficientul de frecare crete cu temperatura. Elementele tip sandwich (multistrat) se utilizeaz i în industria autovehiculelor. Acest sistem compozit se compune dintr-un material plastic cuprins între dou straturi metalice (Al sau oel), cele trei straturi fiind laminate împreun. Se obine o reducere a greutii automobilului cu pân la 50%. Alte materiale cum ar fi: Al, SiC, Al2O3, TiC sau grafit au rigiditate i rezisten mare la uzur cuplat cu rezisten bun la temperatur fiind folosite pentru execuia diferitelor repere pentru autovehicule[2,3,35].
CAPITOLUL 2. DIRECII DE CERCETARE
Obinerea ACE în matrice de nichel utilizând ca faze disperse dioxidul de titan i respectiv dioxidul de zirconiu;
Obinerea ACE în matrice de cupru utilizând ca material complementar grafitul;
Studiul influenei parametrilor tehnologici asupra ACE în matrice de nichel i cupru; Propunerea unui mecanism pentru realizarea straturilor compozite în matrice de nichel si
cupru; Obinerea compozitelor multistrat în matrice de nichel i cupru; studiul parametrilor
tehnologici pentru realizarea lor; Caracterizarea structural a depunerilor monostrat i multistrat prin microscopie optic i
microscopie cu scanare electronic; Diverse studii privind proprietile mecanice, tribologice i electrice ale ACE în matrice de
nichel i cupru; Studii privind comportarea la coroziune a ACE în matrice de nichel i cupru; Propuneri pentru utilizarea industrial a ACE în matrice de nichel i cupru.
7
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
CAPITOLUL 3. CONTRIBUII PRIVIND OBINEREA UNOR ACE ÎN MATRICE DE NICHEL I CUPRU PRIN ELECTRODEPUNERE
3.3. Contribuii privind realizarea prin electrodepunere a unor AC în matrice de nichel cu faza dispers dioxid de titan
3.3.1 Influena parametrilor tehnologici asupra realizarii ACE nichel- dioxid de titan
În mod similar cu electrodepunerea straturilor subiri de nichel, pentru stabilirea parametrilor optimi de electrodepunere, s-au utilizat mai multe epruvete din cupru, substane pentru realizarea electroliilor, materiale pentru pregtirea suprafeei epruvetelor, pulbere de dioxid de titan pentru faza dispersa i instalaiile adecvate pentru electrodepunere.
Epruvele au fost confecionate din band de cupru cu grosimea 1,2 mm. Suprafaa util a probei a fost 12 cm2, pe o singur parte. Cealalt parte a catodului a fost izolat cu folie protectoare din material plastic.
Electrodepunerea compozitului nichel-dioxid de titan fost realizat cu electrolii acizi Watts având compoziia NiSO4· 6 H2O - 330g/l, NiCl2· 6H2O - 45g/l i H3BO3 - 35g/l. S-au utilizat anozi din nichel de puritate 99,9%, i distana dintre electrozi a fost fixat la 20 mm. Faza dispers a fost dioxid de titan (dimensiune2-5μm) în concentraii între 40-80g/l în electrolit.
Rezultatele obinute au evideniat faptul c parametrii electrodepunerii, pregtirea probelor i instalaiilor electrochimice sunt decisive pentru obinerea ACE omogene, cu bun aderena i dispersie a materialului complementar.
Efectul densitii de curent Variaia densitii de curent influenteaz calitile ACE atat în privina grosimii stratului obinut cât i a gradului de includere a FD în stratul compozit. S-a studiat ACE nichel-TiO2
obinute prin variaia densitii de curent între limitele 1,5 - 4 A/dm2; ACE realizate în afara acestor parametri prezentând o calitate ceva mai sczut. Cercetrile au demonstrat c prin creterea densitii de curent concentraia particulelor incluse în strat crete pân la o anumit valoare (maxim) i apoi scade.
Figura 3.8. Variaia gradului de includere al fazei disperse(FD) cu densitatea de curent
Grosimea stratului compozit crete odat cu creterea densitii de curent i creterea timpului de electrodepunere.
Timpul de electrodedepunere influeneaz grosimea stratului depus; modificri semnificative ale grosimii i structurii stratului se petrec între 90 - 120 minute când se obine o depunere omogena cu bune proprieti structurale i mecanice.
8
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
Figura 3.11. Variaia FD inclus în stratul compozit Ni-TiO2 cu densitatea de curent pentru diferite concentraii ale FD în electrolit (40-80 g/l)
Viteza de agitare a electrolitului influeneaz structura depozitului compozit format; rolul agitrii electrolitului este meninerea particulelor FD în suspensie astfel încât s favorizeze includerea acestora în strat. Se constat c, la viteze mici de agitare a electrolitului, grosimea stratului este mic acesta fiind neuniform, gradul de includere al particulelor fiind redus. Pentru viteze mari (>1000 rot/min), numrul particulelor din jurul catodului este prea mare pentru a fi în concordan cu creterea matricii, stratul depus este neuniform, particulele reuind cu dificultate s se înglobeze în strat. Se observ o cretere a FD în strat pentru viteze cuprinse între 500 – 750 rot/min. Viteza optim de agitare a fost stabilit la 750 rot/min, valoare la care stratul compozit este uniform i procentul FD incluse în strat este maxim.
Figura 3.12. Variaia FD în stratul compozit Ni-TiO2 cu viteza de agitare pentru diferite concentraii ale FD în electrolit
9
R. Novac – Materiale compozite cu proprieti speciale- Rezumat tez de doctorat 2011
3.3.2. Structura i compoziia chimic a straturilor compozite nichel - TiO2
Prin examinare vizual a suprafeei straturilor compozite nichel - TiO2 se observ c aspectul ACE este superior straturilor obinute prin nichelare. Depunerile sunt uniforme predominând culoarea gri-argintiu iar pulberea inclus are culoare deschis având forma de ciorchine, dup cum se observ în imaginile SEM prezentate în Figura 3.16:
Figura 3.16. SEM în suprafaa ACE nichel – TiO2 cu 60 g/l FD în electrolit, la diferite mriri: (a- x5000; b - x 15000). Parametrii depunerii: D = 3 A/dm2, 120 min, 750 rpm, pH = 3, T = 500C,
fr atac.
Spectrele EDX reflect faptul c particulele de oxid s-au inclus în matricea de nichel; includerea maxim s-a obinut la probele cu 60 g/l concentraie FD în electrolit. Oxigenul este prezent în strat ceea ce confirm c depunerea are loc sub form de oxizi, conform Figurii 3.20.
Figura 3.20. Analize EDX pentru compozite nichel - TiO2 obinute la…

Search related