Tehnicki Materijali 12-II

TEHNIČKI MATERIJALI 2012/2013 1

TEHNIČKI MATERIJALI

Mr. sc. Stjepan Golubić, dipl. ing [email protected]

Visoka tehnička škola u Bjelovaru

Trg E. Kvaternika 4,Bjelovar

www.vtsbj.hr [email protected]

12. predavanje

http://www.vtsbj.hr/

mailto:[email protected]


Kompozitni materijali



Kompozitni materijali ili kompoziti proizvedni su umjetnim spajanjem dvaju ili više materijala različitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe.

Na takav način mogu se postići neobične, odnosno kod drugih materijala neuobičajene kombinacije svojstava, kao što su krutost, čvrstoća, tvrdoća, težina, ponašanje pri visokim temperaturama, kemijska postojanost (antikorozivnost), ili vodljivost (električna i toplinska).



Kompoziti mogu biti:

- Metalno – metalni,

- Metalno – keramički,

- Metalno – polimerni,

- Keramičko – polimerni,

- Keramičko – keramički,

- Polimerno - polimerni,

- Polimerno – metalni.



Kompoziti se prema osnovi (matrica) dijele na:

- Metalne,

- Keramičke,

- Polimerne.

Obično je jedna faza (matrica) kontinuirana i okružuje ostale (disperzione faze).



Kompozite prema obliku disperzionih faza možemo razvrstati kao:

- kompozite s česticama,

- kompozite s vlaknima,

- slojevite kompozite.

Kod kompozita s velikim česticama mehanička svojstva poboljšana su djelovanjem samih čestica.

Beton je primjer kompozita s velikim česticama (šljunak + portland cement, gdje je veza ostvarena reakcijom cementa i vode).



Podjela kompozita prema disperzionom fazama





Efikasnost ojačanja najveća je kod kompozita s vlaknima (vlaknima ojačanih kompozita). Kod kompozita s vlaknima opterećenje se prenosi i distribuira među vlaknima i to putem matrice. Znatno ojačanje kompozita s vlaknima moguće je samo ako je veza matrica – vlakno jaka.

Prema promjeru vlaknasta ojačala dijelimo na: viskere, vlakna i žice.

10


Viskeri su vrlo tanke niti keramičkih monokristala, visoke čistoće koji imaju ekstremno veliki omjer “duljina/promjer”.

Kod kompozita s vlaknima, efikasnost ojačanja ovisi o duljini vlakana. Za svaku kombinaciju vlakno-matrica postoji tzv. kritična duljina vlakana.

Više postupaka izrade kompozita razvijeno je kako bi se osigurao ujednačen raspored vlakana i visoki stupanj njihove usmjerenosti.

10 TEHNIČKI MATERIJALI 2012/2013

11


Kompoziti s česticama

Kod kompozita s česticama diskretne jednoliko raspoređene čestice (tvrd i krhak materijal) obavijene su mekanijom i duktilnijom matricom.

Struktura naliči strukturi dvofaznih disperzijski ojačanih metalnih legura, s tom razlikom što se kod čestica ne primjenjuje transformacija faza.


12


Kompoziti s česticama dijele se u dvije velike grupe:

- kompoziti s disperzijom

- kompoziti s velikim česticama.

Kompoziti s promjerima čestica do 0,1 μm i s volumnim udjelom čestica do Vp = 0,15 pripadaju grupi čestica s disperzijom.

Kompoziti s česticama promjera većeg od 1 μm i s volumnim udjelom čestica većim od 0,2 pripadaju grupi kompozita s velikim česticama.


13


Kompoziti s disperzijom

Veličina čestica kod disperzijom ojačanih kompozita vrlo je mala (promjeri iznose od 10 do 250 nm). Do efekta ojačavanja dolazi jer male čestice sprečavaju gibanje dislokacija. Potrebna je relativno mala količina dispergiranog materijala – do 15%. Čvrstoća kompozita postupno se smanjuje s porastom temperature.


14




15




16


Kompoziti s velikim česticama

Ovi kompoziti sadrže više udjele velikih čestica. Kompoziti s česticama mogu uključivati brojne kombinacije metala, keramike i polimera. Primjenjuju se slijedeće skupine kompozita s velikim česticama: tvrdi metali, abrazivi, električni kontakti,polimeri, ljevački kalupi i jezgre te se koristi i lijevanje u poluskrućenom stanju.


17


Način proizvodnje električnih kontakata za sklopke i releje

sinteriranje porozni izradak infiltracija srebra kompaktan materijal


18


Lijevanje u poluskrućenom stanju

Ovim postupkom u Al i Mg legure ugrađuju se npr. Al2O3, SiC, TiC, te staklene kuglice


19


VLAKNIMA OJAČANI KOMPOZITI

Kod vlaknima ojačanih kompozita dolazi do izražaja poboljšanje čvrstoće, žilavosti i krutosti, te povećanje omjera “čvrstoća/gustoća” usljed ugradnje čvrstih, krutih i krhkih vlakana u mekaniju, duktilniju matricu. Materijal matrice prenosi opterećenje na vlakna te osigurava duktilnost i žilavost, budući da vlakna nose veći dio opterećenja.


20

Kompozitni materijali Vlaknima ojačani kompoziti


21


U uporabi su vrlo raznoliki materijali ojačala. Ojačala mogu biti raspoređena na različite načine. Za ojačanja se koriste vlakna i viskeri.

Zakonom miješanja uvijek se može predvidjeti gustoća vlaknima ojačanih kompozita.

ρc = Vm ·ρm + Vf ·ρf

gdje se indeks “m” odnosi na matricu, a “f” na vlakno.


22


S pomoću zakona miješanja mogu se točno predvidjeti električna i toplinska vodljivost vlaknima ojačanog materijala u smjeru vlakana, ako su vlakna kontinuirana i jednosmjerna.

Ako opterećenje djeluje paralelno s kontinuiranim jednosmjernim vlaknima, zakonom miješanja može se točno predvidjeti modul elastičnosti.




Modul elastičnosti kompozita s paralelnim kontinuiranim vlaknima



U slučaju kada opterećenje djeluje okomito na smjer vlakana, komponente djeluju neovisno jedna o drugoj, a modul elastičnosti može se predvidjeti izrazom:


Kompozitni materijali Naprezanje-istezanje vlaknima ojačanih kompozita

26


Čvrstoća kompozita ovisi o vezama između vlakana i matrice te je ograničena deformiranjem matrice. Utvrđena čvrstoće je zbog toga gotovo uvijek manja od čvrstoće predviđene zakonom miješanja.

Druga svojstva kao npr. duktilnost (plastičnost), ponašanje pri udaru (žilavost), ponašanje pri dinamičkom opterećenju (umor materijala) i dugotrajnom statičkom opterećenju (puzanje materijala) predviđaju se teže nego vlačna čvrstoća.

26

TEHNIČKI MATERIJALI 2012/2013

27


Svojstva vlaknastih kompozita još se teže predviđaju ako su vlakna diskontinuirana. Ispitivanjem utvrđena čvrstoća odstupa od proračunate u zavisnosti o odnosu duljina promjer.

Veličina omjera “duljina/promjer” vlakna “l/d” treba biti veća od kritične. Npr. poliamid ojačan ugljičnim vlaknima omjera l/d = 30 ima čvrstoću 110 N/mm², dok se vlaknima veće duljine (l/d = 800) postiže čvrstoća od 240 N/mm².


28


Na svojstva vlaknastih kompozita imaju utjecaja slijedeći faktori:

- Odnos “duljina/promjer”,

- Volumni udio vlakana,

- Usmjerenost vlakana,

- Svojstva vlakana,

- Svojstva matrice.


29


Volumni udio vlakana


30

Kompozitni materijali Usmjerenost vlakana


31


Za uspoređivanje kompozitnih materijala s drugim materijalima koriste se svojstva preračunata na jedinicu gustoće materijala.

Specifična čvrstoća i specifični modul elastičnosti materijala definirani su slijedećim izrazima:


32

Kompozitni materijali “Specifična” svojstva materijala za vlakna


33

Kompozitni materijali “Specifična” svojstva materijala za izradu vlakana


34


“Specifična” svojstva materijala za matrice kompozita


35


SLOJEVITI KOMPOZITNI MATERIJALI

Kod slojevitih kompozitnih materijala odnosno strukturnih kompozita svojstva ovise o svojstvima konstituivnih materijala i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije.

Predstavnici uobičajenih strukturnih kompozita su laminatne konstrukcije (slojevite) i sendvič konstrukcije.


36


Slojevite (laminatne) konstrukcije, odnosno odgovarajući kompoziti sastavljeni su od dvo-dimenzionalnih slojeva ili ploča (“panela”) s preferiranim smjerom visoke čvrstuće.

Smjer visoke čvrstoće susreće se kod drva i kod usmjerenim vlaknima ojačanih polimernih materijala.

Slojevi su složeni i dodatno međusobno čvrsto povezani, a svojstva ovise i o orjentaciji vlakana u pojedinim slojevima.

36 •TEHNIČKI MATERIJALI 2012/2013

37

Kompozitni materijali Slojeviti kompoziti


38


Slojeviti kompoziti proizvode se različitim metodama pri čemu se primjenjuju različiti postupci spajanja:

- Lijepljenje,

- Valjanje,

- Spajanje eksplozivom

- Koekstruzija (obavijanje tvrdog materijala mekanijim – npr. kabeli),

- Prešanje,

- Lemljenje ... 38


39


Svojstva slojevitih kompozita izrazito su anizotropna.

Neka svojstva mogu se predvidjeti zakonima miješanja, a neka izrazito važna svojstva kod pojedinih vrsta slojevitog kompozita (npr. otpornost na koroziju, otpornost na trošenje ...) prvenstveno ovise o jednoj komponenti kompozita.


40


Sendvič materijali (konstrukcije, “strukture”) sastoje se od tankih vanjskih slojeva spojenih, ali i razdvojenih, s lakim materijalom za popunjavanje. Niti vanjski slojevi, niti materijal za popunjavanje ne trebaju biti čvrsti niti kruti, a sendvič posjeduje oba ta svojstva. Primjer za ovo je valoviti karton, gdje je jezgra od valovitog kartona sa svake strane vezana za slojeve debelog papira.


41


Drugi značajan primjer jesu strukture u obliku pčelinjeg sača. Tanki limovi, trake ili folije oblikuju se u šesterokutne čelije s osi koja je usmjerena okomito na ravninu površinskih slojeva.

Kao površinski materijal rabe se: legure aluminija, vlaknima ojačani polimerni materijali, titan, čelik i “ukočeno” drvo (šperploča).

Za izradu jezgre rabe se: porozni (pjenasti) polimeri, sintetički kaučuk, anorganski cementi (ljepila) i ... .


42


Osnova sendvič konstrukcije


43


Sendvič paneli imaju široku primjenu npr.:

- Krovovi,

- Podovi,

- Zidovi zgrada,

- Oplate krila, trupa, i repa zrakoplova ... .


44

Kompozitni materijali Primjeri primjene kompozitnih materijala


45



46



47

Ćelijasti materijali


48


Ćelijaste materijale u literaturi možemo naći i pod nazivima stanična kruta tijela odnosno pjene.

Ćelijasti materijali omogućuju optimizaciju krutosti, čvrstoće, ili apsorpcije energije s obzirom na masu materijala.

U prirodi su mnogi materijali stanićni (ćelijasti): drvo, kamen, pluto, koralj,... .

Osim prirodnih u današnje vrijeme susreću se najrazličitije vrste poroznih polimernih i metalnih materijala.


49



50



51


Svojstva pjena određena su svojstvima osnovnog materijala i relativnom gustoćom pjene.

relativna gustoća = ρ/ρs

gdje je: ρ – gustoća pjene, a ρs – gustoća materijala od kojega je pjena napravljena.

Vrijednosti relativne gustoće kreću se od 0,005 do 0,5.


52


Stijenke ćelija u kojima je koncentriran čvrsti materijal mogu biti otvorene (npr. spužva) ili zatvorene (npr. ekspandirani polistiren).

Čvrstoća pjena ovisna je o gustoći. Pri tlačnom opterećenju mogu se uočiti tri područja.

Pri malim deformacijama pjena se najprije deformira linearno elastično, zatim dolazi do povećanja deformacije uz približno konstantno naprezanje, dok na kraju slijedi “kritično” područje kada se ćelije urušavaju.


53

Ćelijasti materijali Mehanička svojstva pjena


54


Struktura ćelijastih materijala


55

Ćelijasti materijali Relativna gustoća i modul elastičnosti ćelijastih materijala

Relativna gustoća


56


Prema materijalu pjene mogu biti:

- Metalne pjene,

- Polimerne pjene,

- Keramičke pjene,

- Ugljične pjene.


57

Ćelijasti materijali – metalne pjene


58



59



60


Glavne prednosti metala:

- Stabilni su na povišenim temperaturama,

- Otporni su na vatru,

- Kada su izloženi vatri ne oslobađaju otrovne plinove,

- Lako se recikliraju.


61


Metalne pjene primjenjuju se i za zvučnu izolaciju.

Svojstva:

- Apsorpcija zvuka pri niskim frekvencijama i malim debljinama,

- Dovoljna krutost,

- Ne gore i ne oslobađaju otrovne plinove,

- Ne erodiraju prilikom vibriranja i protoka zraka,

- Stabilne su na povišenim temperaturama,

- Lako se čiste ako su onečišćene česticama prašine


62


Danas se uglavnom rade pjene na bazi aluminijskih legura i to zbog slijedećih svojstava:

- Niska gustoća stijenki ćelija,

- Nisko talište,

- Dovoljna žilavost,

- Otpornost na koroziju.


63


Najvažnija svojstva Al pjena:

- Mala težina (gustoća 250 do 900 kg/m³),

- Visok omjer mase i krutosti,

- Apsorpcija udarne energije,

- Prigušenje vibracija,

- Apsorpcija zvuka,


64



65


U eksploataciji metalnih pjena izrazito su nepovoljna vlačna naprezanja. Zbog toga se proizvode pjene koje preuzimaju tu vrstu naprezanja.

Ojačanja se upotrebljavaju samo lokalno tako da ne uzrokuju značajna povećanja mase i troška materijala.

Kod metalnih pjena za ojačanja se uglavnom koriste čelične mrežice.


66


Uloga ojačanja:

- Sprečavanje urušavanja pjene,

- Povećanje debljine površinskog sloja,

- Značajno povećanje lomne i savojne čvrstoće,

- Omogućavanje apsorpcije energije,

- Povećanje savojne krutosti kod ograničenih volumena pjene,

- Olakšavanje spajanja dijelova.


67



68



69


Problemi s oblikovanjem proizvoda od pjene:

- Struktura i svojstva dijela ovise o geometriji,

- Lokalne nesavršenosti u gustoći,

- Raspored i veličina pora,

- Orijentacija pora,

- Osjetljivost na vlačna opterećenja.


70


Moguća područja primjene metalnih pjena:

- Lagane i krute ploče otporne na vatru,

- Zamjena za drvo,

- Uporaba u sendvič konstrukcijama,

- Udarno opterećeni dijelovi u autoindustriji,

- Paneli za zvučnu izolaciju,

- Kućišta elektroničkih naprava,

- Dekorativni dijelovi … .


71



72



73



74

Ćelijasti materijali – polimerne pjene

Za proizvodnju polimernih pjena koriste se: - plastomeri (polistiren (PS), polimetilakrilat (PMMA), polietilen (PE), poliuretan PUR) … . -Umreženi duromeri (razne vrste epoksida i drugih smola).

Polimerne pjene mogu imati otvorene ili zatvorene ćelije. Polimerna pjena s otvorenim ćelijama je fleksibilna, a polimerna pjena s zatvorenim ćelijama je kruta i najčešće se koristi kao toplinski izolator.

74


75


Konačna svojstva polimernih pjena ovise o: - Izboru osnovnog materijala i izboru sastojaka mješavine,

- Nastajanju i rastu mjehurića,

- Stabilizaciji stijenki ćelija … .

Polimerne pjene imaju vrlo nisku toplinsku vodljivost i mogu se primjenjivati samo na nižim temperaturama (max. 112 °C).

Vrijednosti mehaničkih svojstava značajno padaju s povišenjem temperature.


76


Primjena polimernih pjena:

- Izolacije u graditeljstvu, automobilskoj i zrakoplovnoj industriji, brodogradnji, … .

- Pakiranje,

- Zvučnu izolaciju,

- Zaštitu od udaraca,

- Izrada raznih vrsta filtera, … .


77

Ćelijasti materijali – keramičke pjene

Zbog svoje specifične strukture keramičke se pjene najviše koriste za izradu proizvoda koji su izloženi visokim temperaturama.

Nove vrste keramičkih pjena razvijaju se za primjenu u elektroničkom i biomedicinskom području.


78


Materijali za proizvodnju keramičkih pjena su: Al2O3 – keramika, mulitna keramika 78 % Al2O3 i 22 % SiO2, SiC keramika, staklene pjene i druge kombinacije keramičkih materijala.


79


Keramičke pjene imaju ćelijastu strukturu s otvorenim ili zatvorenim ćelijama.

Poroznost keramičkih pjena je 75 % do 90 %.

Na svojstva utječu:

- Vrsta osnovnog materijala od kojeg su napravljene,

- Poroznost,

- Morfologija ćelija,

- Veličina i raspodjela pora. 79


80


Svojstva keramičkih pjena:

- Izuzetno mala masa,

- Nizak faktor toplinske vodljivosti,

- Mala dielektrička konstanta,

- Velika specifična površina,

- Visoka permeabilnost,

- Visoka otpornost na toplinske šokove,

80


81


- Visoka specifična čvrstoća,

- Korozijska postojanost u slanoj vodi, srednjim i slabijim kiselinama, i lužinama,

- Visoka vatrootpornost,

- Slaba otpornost na trošenje.


82


Keramičke pjene koriste se za izradu:

- Laganih struktura u zrakoplovnoj industriji,

- Dijelova motora, solarnih kolektora, izmjenjivača topline,

- Filtera izloženih visokim temperaturama, elemenata za grijanje,

- Toplinske izolacije,

- Elemenata za apsorpciju energije,

- Konstrukcija koje nisu mehanički jako opterećene, … .

82


83

Ćelijasti materijali – ugljične pjene

Prve ugljične pjene razvijene su 1960-tih godina. Glavni parametri u postupku proizvodnje su visoke temperature i tlakovi. Sirovina za proizvodnju ugljičnih pjena najčešće je ugljen.

Ugljične pjene dijele se na dvije osnovne vrste:

- grafitne,

- negrafitne,


84


Toplinska vodljivost ugljičnih pjena mijenja se u ovisnosti o gustoći.

Moguća je proizvodnja izuzetno laganih pjena koje imaju vodljivost na razini AL.

Izmjenjivači topline proizvedeni od poroznih pjena od ugljičnih materijala bitno su manji.

Sendvič konstrukcije s jezgrom od ugljične pjene mogu se koristiti kao dio konstrukcije gdje se traži visoka toplinska vodljivost i izrazito mala masa.

84


85


Ugljične pjene otporne su na:

- Vatru,

- Slanu vodu,

- Jake kiseline i lužine,

- Organska otapala,

Ostala svojstva ugljičnih pjena:

- Vrlo dobro prigušuju zvuk,

- Slabo su otporne na trošenje, … .


86


Ugljične pjene najčešće se koriste za izradu:

-Dijelova hladnjaka, (vozila, zrakoplovi, …),

- Elemenata za hlađenje elektroničkih uređaja,

- Hlađenje kočnica i spojki,

- Jezgru nuklearnog reaktora,

- Elemenata u akustici, … .

86


87


Ugljične pjene su relativno jeftine, jer se rade od ugljena.

Ugljične pjene mogu biti dijelovi kompozitnih struktura.

Lako se obrađuju standardnim alatima za obradu odvajanjem čestica.


88



89

Ostali nemetali


90

Drvo


91

Ostali nemetali

DRVO

Drvo je prirodan konstrukcijski materijal. Primjenjuje se u neobrađenom i mehanički obrađenom stanju.

Drvo se prerađuje i kemijskim procesima – ekstrakcijom, suhom destilacijom, koksiranjem, hidrolizom itd.

Razlikuju se tri temeljne vrste drva:

- Lišćari (drvo bjelogorice),

- Četinari (drvo crnogorice),

- Strana (egzotična) finija drva.


92

Drvo

Zbog svoje niske gustoće, pri relativno visokoj čvrstoći te lake obrede drvo se kao tehnički materijal primjenjuje u graditeljstvu, brodogradnji, proizvodnji vozila, rudarstvu, obrtništvu, kućanstvu, … .

Kao sirovina drvo služi za proizvodnju celuloze i papira.

Iako se drvo nastoji zamijeniti lakim metalima, polimernim materijalima i kompozitnim materijalima, kao obnovljivi materijal i dalje zauzima značajan udio u primjeni.


93

Drvo

Presjek stabla drva


94

Drvo

Po svojoj građi drvo nije homogeno. To se može utvrditi i makroskopskim promatranjem (golim okom) na presjeku stabla. Presjek stabla može biti poprečan (okomit na dulju os stabla), radijalan (po duljoj osi i promjeru) i tangencijalan (usporedan s duljom osi).

Drvo se pretežno sastoji od celuloze, lignina (služi kao vezivo) i smola.

Drvo je materijal vlaknaste strukture.


95

Drvo

Temeljno svojstvo drva je gustoća. Gustoća drva ovisi o debljini stjenke celulozne cijevi u deblu u odnosu prema šupljini. Osim čvrstoće važno svojstvo drva je i čvrstoća, pri čemu se razlikuje vlačna, tlačna i savojna čvrstoća.

Čvrstoća ovisi o smjeru vlakana. Pri opterećenju u smjeru vlakana postižu se najviše, a okomito na taj smjer najmanje vrijednosti vlačne čvrstoće. Čvrstoća drva ovisi i o sadržaju vlage.


96

Drvo

Struktura drva


97

Drvo

Osnovna svojstva nekih vrsta drva


98

Drvo

Drvo ima neugodno svojstvo da mijenja stupanj svoje vlažnosti u odnosu na vlažnost zraka. Drvo se širi u vlažnoj okolini, a skuplja u suhoj.

Ako je drvo stalno suho ili stalno ispod vode, ono može trajati vrlo dugo. Vlažni zrak i izmjenjivanje suhoće i vlažnosti dovode do truljenja drva.

Velika mana drva je i njegova zapaljivost, pa se za smanjenje gorivosti upotrebljavaju razni premazi.


99

Drvo

Svojstva drva mogu se poboljšati rezanjem na tanke ploče (furnire) te njihovim sljepljivanjem.

Pri slaganju istosmjernih traka dobiva se slojevito drvo s dobrim svojstvima u smjeru vlakana. Ako se trake slažu pod kutom 90° (ukočeno drvo) ili pod 45°(zvjezdasto drvo) postižu se jednolična svojstva neovisna o smjeru.


100

Drvo

Za konstrukcijske svrhe drvo se primjenjuje i u obliku lamela, tzv. lamelarna gradnja. Elementi konstrukcije rade se lijepljenjem više slojeva dasaka (lamela) u jedan komad koji se zove laminatni blok.

Lijepljenjem lamela u laminatni blok mogu se proizvesti konstrukcijski elementi proizvoljnog oblika i veličine. Na taj način poboljšavaju se i tehnička svojstva materijala.

100


101

Papir


102

Papir

Veći dio papira dobiva se od drvne mase i celuloze. Sirovine za dobivanje papira su drvna celuloza i drvenjača, krpe i tekstilni otpaci (lan, pamuk), stari papir, slama, punila i boje.

Prema namjeni razlikuje se više vrsta papira: tiskarski papir, novinski papir, papir za filtriranje, omotni papir, pergament papir, pisaći i crtači papir, foto papir, cigaretni papir i valovita ljepenka.


103

Papir

Papiri mogu biti i dodatno obrađeni, pa su poznate i ove vrste papira: bitumenizirani papir, parafinirani papir, papiri natopljeni u inhibitore korozije, … .

Slijedeća svojstva papira određuju se pri ispitivanju: masa papira (g/m²), gustoća, rastezna čvrstoća, sposobnost i trajnost savijanja, otpornost cijepanju, savojna čvrstoća, otpornost trošenju, sadržaj vlage, vodopropusnost, električna svojstva ... .


104

Ostali materijali


105

Ostali materijali

Od ostalih materijala u tehnici se koriste i slijedeće vrste materijala:

- Koža,

- Boje i lakovi,

- Abrazivi,

- Ljepila,

- Čađa,

- Katran, bitumen, asfalt,

- Kitovi,

- Eksplozivi ...



PITANJA ?

.


HVALA NA PAŽNJI

.

Documents

Tehnicki Materijali 12-II