POLIMERI - polimeri - kondenzirani sustavi makromolekula - podjela polimera prema vrsti veza između makromolekula (prema ponašanju pri zagrijavanju): 1. Plastomeri 2. Elastomeri 3. Duromeri 4. Elastoplastomeri 5. Plastomerni kapljeviti kristali (LPC) - podjela prema vrsti veza između makromolekula: 1. linearne makromolekule npr. polietilen visoke gustoće 2. rahlo umrežene makromolekule npr. Vulkanizirani kaučuk 3. potpuno (prostorno) umrežene makromolekule npr. fenol-formaldehidna smola POLIMERNI KAPLJEVITI KRISTALI (liquid cristalline polymers, LCP) - LCP - dio krute (obično aromatske) centralne jezgre elastične(najčešće alkilne) skupine mezogene strukture - do pojave „tekuće kristalnosti“ dolazi kada molekule sadrže ukrućene strukture, mezogene, koje su u niskomolkulnim tvarima čitave molekule, a u makromolekulama dijelovi usporedivi s ponavljanim jedinicama POLIMERNI MATERIJALI Tehnički uporabivi polimerni materijali = polimer + dodaci - dodaci čistim polimerima: 1. reakcijske tvari - pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti 2. dodaci za poboljšanje preradljivosti - maziva, odvajala, punila, toplinski stabilizatori, regulatori viskoznosti, tiksotropni dodaci 3. modifikatori mehaničkih svojstava - ommekšavala, dodaci za povišenje žilavosti, punila, prijanjala, ojačala 4. modifikatori površinskih svojstava - regulatori adhezivnosti, vanjska maziva, antistatici, dodaci za smanjenje sljubljivanja, za smanjenje neravnina na površini 5. modifikatori optičkih svojstava – bojila, pigmenti 6. dodaci za poboljšanje postojanosti - svjetlosni stabilizatori (UV), antioksidansi, antistatici, biocidi 7.ostalo - miris, dezodoransi
SVOJSTVA POLIMERNIH MATERIJALA svojstva - reakcija ili promjena stanja materijala izazvana djelovanjem raznih (unutarnjih ili vanjskih) čimbenika značajka (karakteristika)- sva bitna i mjerljiva tj. brojčano iskazljiva svojstva određena dogovornim i/ili normiranim metodama ispitivanja Svojstva polimernih materijala: 1. unutarnja (intrinzička, stvarna, prava) svojstva 2. procesna (proizvodnja, transport i skladištenje, obrada i dorada 3. svojstva proizvoda (performanse)
- svojstva : 1. Svojstva tvari – neovisna o obliku i dimenzijama izratka (modul elastičnosti E, modul smičnosti G, Poissonov omjer ν, gustoća ρ, te toplinska, električna, optička i akustička svojstva) 2. svojstva poluproizvoda – (samo nekoliko stupnjeva prerade i obrade- šipke, limovi, profili) 3. svojstva gotovog proizvoda - promjena sastava, strukture usljed konačnog oblikovanja i primjene PLASTOMERI Mehanička svojstva plastomera: plastomeri – najzastupljenija skupina polimera (90% ukupne proizvodnje) relativno dobra čvrstoća najrašireniji predstavnici po opsegu proizvodnje i primjeni: polietilen (PE), polipropilen (PP), poli(vinil- klorid) (PVC), polistiren (PS), poli(etilen-terftalat) (PET) zajedno preko 85% svjetske potrošnje polimera relativno niska cijena, zadovoljavajuća mehanička svojstva Konstrukcijski plastomeri: poliamidi (PA 6 i PA66), poli(oksi-metilen) (POM) ( ili poliacetal), poli(butilen-tereftalat) (PBT), poli(tetrafluoretilen) (PTFE), poli(metil-metakrilat) (PMMA), polikarbonat (PC), znatno bolja mehanička svojstva važna za konstrukcijsku primjenu viša cijena
DUROMERI ne postoje u svom konačnom stanju prije polimerizacije- objedinavanje procesa umnožavanja i proizvodnog postupka glavni predstavnici: - fenol-formaldehidne smole (PF) – kućišta, elektroizolacijski elementi melamin- formaldehidne smole (MF) – kućišta, elektroinstalacije nezasićeni poliesteri (UP) – konstrukcijski elementi, dijelovi autokaroserija (npr. Smart, trupovi plovila) epoksidne smole (EP) – cijevi, djelovi elektroinstalacija, polimerni beton, prototipovi proizvoda poliuretan (PUR) – izolacijski elementi, djelovi autokaroserija MEHANIČKA SVOJSTVA prilikom primjene polimera u konstrukcijske svrhe treba uzeti u obzir: Velika ovisnost njihovih mehaničkih svojstava o uvijetima okoline, prvenstveno toplini Ovisnost mehaničkih svojstavao vrsti i tajanju opterećenja, te brzini opterećivanja Način deformiranja: pri opterećivanju uz konstantno naprezanje σ0 ukupna deformacija εu ovisi o trajanju djelovanja sile nominalni dijagram rastezno naprezanje - istezanje Rastezna vlačna čvrstoća vrijednosti rastezne čvrstoće polimernih materijala je oko 10 puta manja od vrijednosti čvrstoće metala Utjecaji koji mjenjaju rasteznu čvrstoću: molekulna masa (veličina makromolekule) obrada i naknadna obrada sutpanj kristalnosti ili umreženosti temperatura, vlažnost opterećenja punila
Kritično istezanje izokroni dijagram naprezanje istezanje -
Kritično itezanje
- vrijednost istezanja pri kojem niti nakon vrlo dugog opterećenjane dolazi do
pojave mikroskopskih oštećenja Modul elastičnosti modul elastičnost - mjera za krutost materijala svojstvo krutosti - veličina elastične deformacije pod definiranim vlačnim, talčnim, savojnim ili torzijskim opterećenjem * modul elastičnosti E * modul smičnosti G (torzijsko i smično napreznaje) - odnos E i G određen je Poissonovim omjerom μ E = 2G (1 + μ) - vrijednosti modula elastičnosti polimernih materijala približno je 10 do 100 puta manja nego ona metala - nije konstanta kao kod metala: utjecaj stupnja polimerizacije i stupnja urteđenosti strukture - utjecaji koji još dodatno mjenjaju modul elastičnosti: stupanj umreženosti, temperatura, vlažnost, vrijeme (trajanje opterećenja), punila, okolišni medij Postupak određivanja modula elastičnosti polimernih materijala - dugotrajna opterećenja Statičko opterećenje puzanje (uz povišenu temperaturu) značajka: statička izdržljivost – najveće dugotrajno naprezanje koje materijal može izdržati praktički beskonačno dugo (bez loma ili dostizanja neke graničen deformacije) Visokolelastičnost pri opterećivanu uz konstantno naprezanje -
-
ukupna deformacija εu ovisi o trajanju djelovanja sile –
visokoelastičnost deformacija se sastoji od: - plastične deformacije (istezanja), koja je nepovratana, vremenski i temperaturno ovisna pojava - elastične deformacije (istezanje) -vremenski je ovisna i reverzibilna , sastoji se od dva doprinosa: energijskog i entropijskog ukupna deformacija čvrstog tijela *
– elastična (povratna) deformacija – plastična (nepovratna)deformacija
elastična deformacija *
– energijski elastična deformacija – entropijski elastična deformacija
Dinamičko opterećenje uz dinamičko opterećenje javlja se umor materijala dinamička izdržljivost – ono najveće dinamičo opterećenje koje materijal može izdržati praktički beskonačno velik broj ciklusa
Osim mehaničkih svojstava istuču se: suština boje kemijske postojanosti polimera pred metalima: postojanje afiniteta polimer – medij najčešće samo fizikalne promjene (promjena mase i volumena) mogućnost reverzibilnosti procesa uglavnom dobra postojanost na djelovanje kiselina, lužina i otopina soli, ali su uglavnom dosta nepostojani na organska otapala TRIBOLOŠKA (TARNA) SVOJSTVA POLIMERA ponašanje materijala u uvjetima treja, a s time povezano i trošenje trenje- OTPOR USLJED relativnog gibanja jednog tijela u odnosu na drugo (svojstvo sustava) mali faktor trenja dobra otpornost na trošenje nema mikrozavarenih spojeva udubine neravnina popunjavaju se proizvodima trošenja polimernog materijala relativna neosjetljivost prema stranim česticama TEMPERATURA TRAJNE PRIMJENE područje trajne primjene za većinu polimernih materijala je ispod ili do 100°C noviji toplinski postojani plastomeri: poliimidi (PI) trajni rad do 350°C poli(fenilen-sulfid) (PPS) – trajni rad do 260°C (kratkotrajno do 500°C) poli(eter-eter-keton) (PEEK) – trajni rad do 280 °C (kratko do 500°C) sličan poli(eter-keton-keton)(PEKK) PREDNOSTI POLIMERNIH MATERIJLA mala gustoća (0,8 do 2,2 gcm-3 , oko 7 puta manja od metala) dobra kemijska postojanost dobra otpornost na trošenje mali faktor trenja dobro prigušivanje vibracija dobra izolacijska svojstva (toplinska i električna) preradljivost deformiranjem pri relativno malo povišenim temperaturama ekonomična serijsa izrada dijelova (nisu jeftini) NEDOSTATCI POLIMERNIH MATERIJALA ovisnost svojstava o raznim utjecajnim faktorima (pogotovo plastomeri i elastomeri) veća toplinsa istezljivost nizak modul elastičnosti mala površinska tvrdoća podložnost starenju (jer su organskog podrijetla) mala toplinska vodljivost utjecaj preradbe na svojstva neekonomična proizvodnja malih količina proizvoda
KOMPOZITNI MATERIJALI - kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vše materijala različitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe - neke od općih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedeće: - mogućnost izrade vrlo složenih oblika - smanjenje troškova naknadne obrade dijelova - mogućnost spajanja djelova tjekom samog postupka proizvodnje - dimenzijska stabilnost pri extremnim radnim uvjetima - otpornost na koroziju - podjela: - materijal matrice - oblik ojačala - matrica: - metalna - keramička - polimerna (polimeri, ugljik) -prema vrsti ojačala: - kompozti ojačani česticama - kompoziti ojačani vlaknima - strukturni kompoziti: - slojeviti kompoziti (laminati) - sendvič konstrukcije - konačna svojstva kompozita ovisit će o: - svojstvima matrice i ojačala - veličini i raspodjeli konstituenata - volumnom udjelu konstituenata - obliku konstituenata - prirodi i jakosti veza između konstituenata Matrice matrice metalne (MMC), polimerne (PMC), keramičke (CMC) neki karakteristični materijali koji se koriste kao matrice: - metali – legure Al, Ti, Cu, Mg, superegure itd. - polimeri – poliesterske smole, vinilesterske smole, epoksidne smole, PA, PP, ABS, PPS, PEEK, PEI itd. - keramika – Al2O3 , SiC , ZrO2 u novije vrijeme se proizvode i tzv. ugljik – ugljik kompoziti à ovi materijali mogu podnjeti vrlo visoke temperature, bez ikakvih problema mogu biti izloženi temperaturi od 1700 °C, a kratkotrajno mogu funkcionirati i do 2700 °C Kompoziti ojačani s česticama disperzije (do 0,1 μm, Vp < 15 %) velike čestice (od 0,1 μm, Vp > 20% ) veličina čestica, volumni udio, razmak između čestica - tipovi mješanja ovisno o raspodjeli i raspršenosti - Vlaknima ojačani kompoziti - viskeri sićušni monokristali, extremno veliki omjer duljina/promjer, pravilna građa, Rm , najčvršći poznati materijal, cijena (npr. TiB visker) - vlakna polimerna i / ili keramička, polikristalna ili amorfna - žica čelik, Mo, W, relativno veliki promjer ( pneumatici, cijevi) - poboljšana : čvrstoća, krutost, žilavost
-
dva značajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povišenim temperaturama
- vlakna se razlikuju prema: - vrsti, duljini, promjeru, orijentaciji i hibridizaciji - materijal matrice prenosi opterećenje na vlakna te osigurava duktilnost i žilavost, budući da vlakna nose veći dio operećenja à važna veza između matrice i vlakana - dijagram naprezanje- istezanje za vlaknima jednosmjerno ojačan kompozit - usporedba s ponašanjem vlakna i matrice - vlaknima ojačani kompoziti – česta je pojava anizotropnosti, čvrstoća veća u smjeru vlakna Svojstva vlaknima ojačanih kompozita: 1. 2. 3. 4. 5. 6.
svojstva vlakana svojstva matrice omjer duljina/promjer volumni udio vlakana usmjerenost (raspored) vlakana Usmjerenost (orijentacija)
-
Razdioba ojačala: a) kontinuirana jednosmjerna vlakna b) slučajno usmjerena diskontinuirana vlakna c) ortogonalno raspoređena vlakna d) višesmjerno usmjerena vlakna
-
za vlakna (kompozitni materijali ojačani vlaknima) uveden je pojam specifična krutost à omjer modula elastičnosti i gustoće materijala te konstante gravitacije:
Staklena vlakna: - E-staklo (do 500 °C) – električna vodljivost - S-staklo (do 1050 °C) – čvrstoća - C-staklo promjer: 3-20 μm, dobra površinska svojstva, čvrstoća, cijena - mana: krutost - primjena: - sportska oprema i rekreacijska plovila - u zrakoplovstvu: interjer Boeing 767 (meh. i teh. svojstva + nezapaljivost), Boeing 777 – 200 djelovi stabilizatora Ugljična vlakna 40 godina u komercijalnoj upotrebi 1990-ih svojstva/cijena 80i- 200 $/kg (planovi do 11 $/kg) zahtjevi: 16.000 t/god ––30 % zrakoplovna industrija, 30% sportska oprema30 indust Promjer 8 --10 μm, kontinuirana i rezanam, rezana U usporedbi s Al 6061: 7x veća Rm , 2x veća krutost; 1,5x manja gustoaa Najveći specifični modul i visoka specifična čvrstoća a Toplinska vodljivost 3x bolja nego kod Cu C vlakna + odgovarajuća matrica = najbolja korozijska postojanosta Tipovi prema E modulu: - standardni modul (220 GPa; 50 $/kg) - srednji modul (240 GPa; 80 $/kg)
- visok modul (300 GPa; 150 $/kg) - ultravisokultravisokmodul (450 GPa; 1000 $/kg) - Podjela prema polaznom materijalu: - PAN (poliakrilonitril) - katran - celulozna vlakna - Primjena polimernih kompozita ojačanih C-vlaknima - CFRP u zrakoplovstvu oko 7450 kg kompozita – 71% CFRP (podni nosači, horizontalni i vertikalni stabilizatori...), lopatice vjetroelektrana, Aramidna vlakna U primjeni od 1970. godine, najprije kao strateški materijal poli(p-fenilentereftalamid) ili p-amid trgovačka imena: KEVLAR (49, 29, 149...), NOMEX, TWARON najviša s specifiččna na čvrstovrstoća od svih komercijalno dostupnih ojačala, krutost Tlačnana čvrstovrstoća lošija od ugljičnih vlakana, slaba adhezija sa matricom, higroskopan, skuplji od staklenih vlakana Nisu krhka – tkanine Primjena: balistika, sport, zaštita od potresa obnova zgrada, PREDNOSTI I NEDOSTATCI VLAKANA ??? E – staklo, S- staklo Specifična čvrstoća, cijena Krutost, dinamička izdržljivost Aramidna vlakna Specifična čvrstoća Tlačna čvrstoća, upijanje vlage Visokočvrsta ugljična vlakna (HS) Specifična čvrstoća, krutost Cijena Ultravisoko modulna ugljična vlakna (UHM) Izuzetno visoka krutost Čvrstoća, cijena
Hibridni kompoziti - Kombinacije vlakna u hibridim kompozitima:
1. ugljik / aramid - dobra žilavost + vlačna čvrstoća od aramida 2.
- tlačna i vlačnačvrstoća od ugljičnih valkana - mala gustoća, ali relativno visoka cijena aramid / staklo - mala gustoća, žilavost, vlačna čvrstoća od aramida
3.
- tlačna i vlačna čvrstoća od stakla - niska cijena!! ugljik / staklo - tlačna i vlačna čvrstoća, krutost, gustoća od ugljika - dobra svojstva, cijena od stakla - niska cijena!!
Tkanine – dobivaju se tanjem kontinuiranih ugljičnih, staklenih, armidih vlakana ili njihovom kombinacijom u svrhu dobivanja jednoslojnih ili višeslojnih (3D) tkanina
SENDVIČ KONSTRUKCIJE - strukturni kompoziti: svojstva ne ovise samo o svojstvima matrice i ojačala već i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije - savojna čvrstoća grede – E·I3 Relativna krutost 100 700 3700 Relativna čvrstoća 100 350 925 Relativna masa 100 103 106 - tanka kora jezgre preuzima tlačna opterećenja – mehanička svojstva jezgre - primjena: branik automobila (sendvič – jezgra od PP pjene s česticama) - jezgre sendviča: - pjene (PVC, PS, PU, polieterimid (PEI), akrilne pjene) - u primjeni gustoće od 40 – 200 kg/m3 - debljine od 5 – 50 mm - saće (Al, aramid, ABS, PC,PP,PE) - Al- najbolja specifična čvrstoća, opasnost od galvanske korozije - aramid (Kevlar, Nomex – otpornost na gorenje avioni) - plastomeri – mogućnost recikliranja - drvo (balza, cedar) - saćasta konstrukcija
KOMPOZITI S METALNOM MATRICOM – MMC- Metal Matrix Composites - dobra svojstva: - vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću - visoka toplinska i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost - vrlo dobra otpornost na trošenje - vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama - Loše strane: - komplicirana proizvodnja - vrlo visoka cijena – cijena će padati sa širenjem primjene - nedovoljno podataka o svojstvima materijala - još uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala - loša recikličnost - ovi materijali su postali vrlo zanimljivi budući da se postupcima njihove proizvodnje mogu vrlo uspješno kombinirati legure Al, Cu, Mg i Ti s karbidnim, oksidnim ili nitridnim fazama čime se značajno poboljšavaju svojstva matrice
Metalni kompoziti ojačani česticama - Diskretne jednolično raspršene čestice, tvrde ikrhke, obavijene mekanijom i duktilnijom matricom - Struktura liči onoj mnogih dvofaznih disperzijski ojačanih metalnih legura, a razlika je u tome što se kod kompozitnih materijala za ugradnju disperznih čestica ne primjenjuje transformacija faza - podjela: - kompoziti s disperzijom (čestice promjera 0,1 μm) - kompoziti s velikim česticama (čestice promjera 1,0 μm) - čestice su najčešće oksidi, nitridi, karbidi, kao npr. Al2 O3 , SiC, BN, ZrO2 ,TiC, ThO2 ,SiO2 ,WC, B4C - volumni udio čestica je najčešće do 25 % Metalni kompoziti ojačani vlaknima metalni kompoziti ojačani kratkim vlaknima – SFRM (Short Fibre Reinforced Metal) u ovu skupinu mogu se ubrojiti i matrice ojačane viskerima WRM (Wishker Reinforced Metal) metalni kompoziti ojačani kontinuiranim vlaknima – CFRM (Continuous Fibre Reinforced Metal) vlakna ojačavala najčešće imaju promjer < 20 μm - mogu biti od : Sic, Al2 O3 , SiO2 / Al2 O3 , C, B, Al, Be, Cu, Mo, W, čelik itd. - MMC ojačani s vlaknima promjera > 100 μm – MFRM (Monofilament Reinforced Metal)
KERAMIČKI KOMPOZITI (CMC) - Jedan od najstarijih keramičkih kompozita je beton - keramički kompozitni materijal sačinjen od agregata (grubi granularni materijal) povezanog u matrici od cementne paste (obično cementni prah + voda) - u uporabi od 1980-tih kao potencjalno visokotemperaturno postojan materijal - matrica: Al2 O3 , SiO2 , MgO ili kombinacija - daju kristalne matrice - problem povezanosti matrica ojačalo - ojačala: - porozni SiC - anorganski polimeri (na osnovi Si) – polisilani, polikarbosilani, polisiloksani - primjena: komponente turbina za svemirske letjelice, komponente za svemirske letjelice, razne industijske primjene - nedostatci: relativno skupi materijali, slaba otpornost na oksidaciju međupovršinskih premaza
