UNIVERZA V LJUBLJANI FAKULTETA ZA STROJNIŠTVO
doc. dr. Roman Šturm
NEKOVINSKA IN KOMPOZITNA GRADIVA 1. Različne vrste stekel: kemična sestava, gostota, modul elastičnosti, mehanske lastnosti, tlačna trdnost, lomna žilavost, specifična toplota, toplotna prevodnost, koeficient toplotne razteznosti, temperatura mehčanja, temperatura steklenja, temperatura termičnega šoka. Na kakšni temperaturi se uliva, na kakšni oblikuje? Ali se po oblikovanju popušča, na kakšni temperaturi, koliko časa? Aplikacije, trgovska imena 2. Keramike: Al2O3, SiC, SiO2, ZrO2. Izdelovalni postopek, velikost prahu, temperatura sintranja, tlaki stiskanja, čas sintranja. Mehanske lastnosti: upogibna trdnost, trdota, modul elastičnosti, gostota, poroznost, lomna žilavost, koeficient toplotne razteznosti, toplotna prevodnost. Temperatura tališča, temperatura termičnega šoka. Aplikacije, trgovska imena 3. Združevanje keramik: adhezivno (razna lepila). Vrste adheziv: Epoksi smola, poliuretan, fenolna smola, akrili. Kemična sestava, lastnosti. Način nanašanja, debelina, temperatura nanašanja. Mehanske lastnosti, strižni modul, čas strjevanja oz. želiranja, temperaturna obstojnost, trdnost, lomna žilavost. Aplikacije, trgovska imena 4. Polimeri: termoplasti (PE, PP, PA, PET, PTFE). Različne vrste in njihove mehanske lastnosti, natezna trdnost, trdota, modul elastičnosti, gostota, koeficient toplotne razteznosti, toplotna prevodnost. Temperatura mehčanja, viskoznega toka, steklenja (Tg), steklene krhkosti. Barva, gorljivost. Aplikacije, trgovska imena 5. Polimeri: termoplasti (PVC, PS, PC, PMMA, ABS). Različne vrste in njihove mehanske lastnosti, natezna trdnost, trdota, modul elastičnosti, gostota, koeficient toplotne razteznosti,
toplotna prevodnost. Temperatura mehčanja, viskoznega toka, steklenja (Tg), steklene krhkosti. Barva, gorljivost. Aplikacije, trgovska imena 6. Polimeri: duroplasti (fenolna smola PF, poliesterska smola UP, epoksi smola EP. Različne vrste in njihove mehanske lastnosti, natezna trdnost, trdota, modul elastičnosti, gostota, koeficient toplotne razteznosti, toplotna prevodnost. Temperatura mehčanja, viskoznega toka, steklenja (Tg), steklene krhkosti. Barva, gorljivost. Aplikacije, trgovska imena 7. Dodatki polimerom: kaj dodajamo, kakšna je kemijska sestava, zakaj dodajamo, v kakšni količini. Popisati glede na namen: gladila, stabilizatorji, antistatiki, protivžigni dodatki, barvila, fleksibilizatorji, oprijemalna sredstva, polnila, ojačitve, penila, tehnološki dodatki. 8. Les: hrast, bukev, smreka, kostanj, breza, oljka. Mehanske lastnosti lesa,modul elastičnosti, natezna in tlačna trdnost, cepilna trdnost, trdota, gostota, voda v lesu, krčenje in nabrekanje, toplotna prevodnost, obrabljivost. Vpliv usmerjenosti zrn. Trajnost in zaščita, gorljivost, kurilna vrednost. Aplikacije 9. Kompoziti z delci ojačani: WC in Co (volframov karbid in kobalt). Lastnosti WC in Co posebej, modul elastičnosti, trdnost, temperatura tališča vsakega, temperatura sintranja kompozita, čas sintranja. Lastnosti kompozita, trdnost, trdota, delež WC in Co, modul elastičnosti, odvisnost trdnosti od temperature, toplotna prevodnost, temperatura termičnega šoka. Aplikacije 10. Kompoziti s kratkimi vlakni: steklena vlakna v poliestru. Lastnosti steklenih vlaken in poliestra posebej, modul elastičnosti, trdnost, temperatura tališča vsakega, način izdelave kompozita. Lastnosti kompozita, trdnost, trdota, delež vlaken in matrice, odvisnost trdnosti od temperature, toplotna prevodnost, temperatura termičnega šoka. Aplikacije 11. Kompoziti z dolgimi vlakni: Borova vlakna v aluminijevi litini. Lastnosti borovih vlaken in aluminijeve litine posebej, modul elastičnosti, trdnost, temperatura tališča vsakega, način izdelave kompozita. Lastnosti kompozita, trdnost, trdota, delež vlaken in matrice, odvisnost trdnosti od temperature, toplotna prevodnost, temperatura termičnega šoka. Aplikacije
K.1.
STEKLO
23070322
Kaj je steklo Fizikalne in kemijske lastnosti Vrste in uporaba stekla Steklena vlakna in akrilno steklo Področja uporabe in lastnosti stekla
Kaj je steklo? V širšem pomenu je steklo produkt taljenja silicijevega dioksida z drugimi oksidnimi primesmi. Znanost pojmuje stekla kot trdne snovi, ki nastanejo pri hlajenju taline in se nahajajo v amorfnem (brez enotne strukture), nekristaliničnem stanju. Načeloma je steklo torej podhlajena tekočina ali talina. Lahko je produkt organskih (npr. sladkor) ali anorganskih tekočin (npr. stopljen pesek), kot tudi večine tekočin pod pogojem, da je hitrost hlajenja dovolj velika, da njihova struktura "zamrzne" preden se pojavi kristalizacija. Če je hitrost hlajenja pri neki talini dovolj velika, praktično vsako staljeno snov lahko pripeljemo v "stekleno stanje". Zato pod stekla ne štejemo samo produkte iz kremena, temveč tudi substance kot so steklo iz akrila, celuloze in kovin. V ožjem pomenu razumemo pod steklom samo strjeno talino nekaterih silikatov. Pri teh trdnih telesih ni moč govoriti o nobeni določeni kristalni strukturi, saj jih sestavljajo silikatni ioni zgrajeni iz tetraedrov Si04, ki se držijo skupaj s kovinskimi ioni in so popolnoma neenakomerno razporejeni.
Fizikalne in kemijske lastnosti Pri amorfni (nekristalinični) snovi, kot je steklo, so (drugače kot pri kristaliničnih snoveh) molekule ali ioni neurejeni oz. urejeni le na zelo majhnih razdaljah ("podhlajena talina"), zato te snovi nimajo ostro omejenega tališča, ampak se zmehčajo v širših temperaturnih intervalih. Tako je tališče stekla med 500°C in 1650°C, odvisno od njegove sestave. Natezna trdnost, ki ponavadi znaša med 280 in 560 kg na kvadratni centimeter, lahko pri posebno obdelanem steklu preseže 7000 kg/cm2. Relativna gostota znaša od 2 do 8, tj. od vrednosti, ki je nižja od tiste pri aluminiju, do gostote jekla. Tudi pri optičnih in električnih lastnostih so vrednosti v velikem razponu. S pihanjem, valjanjem, vlečenjem in ulivanjem je steklo moč obdelati v vse možne oblike. Steklo je posebej pomembno zato, ker je pri njegovi izdelavi moč v veliki meri vplivati na njegove lastnosti. Je higienično, ker ne prevzema nobenega okusa. Steklo prav tako nima vonja, njegovo gladko površino pa je lahko očistiti. Ker površina nima por, steklo ne prepušča plinov. Ob majhnih obremenitvah reagira elastično, pri velikih pa je drobljivo. Steklo je izolator in slabo prevaja toploto. Steklo je odporno proti skoraj vsem kemičnim vplivom, relativno
hitro ga najedajo le flourovodikova kislina in taline hidroksidov alkalijskih kovin. Za jedkanje stekla uporabljajo flourovodikovo kislino in nekatere druge flourove kisline. Alkalne raztopine steklo le najedajo, tako da npr. alkalna pralna sredstva v pomivalnih strojih praske na kozarcih le povečajo.
Vrste in uporaba stekla Kremenovo steklo je izdelano brez primesi, je obstojno pri visokih temperaturnih spremembah in prepustno za ultravijolične žarke, zato ga uporabljajo za halogenske žarnice in ultravijolične mikroskope. Poleg tega ima zelo majhen koeficient razteznosti, tako da pri veliki spremembi temperature ne poči.
Natrijevo-kalcijevo steklo vsebuje 71 do 75 odstotkov kremenčevega peska, 12 do 16 odstotkov sode in 10 do 15 odstotkov apnenca. Sodo lahko nadomesti tudi natrijev sulfat (IV) in oglje. To steklo se lahko tali, saj se zmehča že pri 500 do 600 °C. To steklo je v veliki meri odporno proti kemijskim vplivom, le alkalne raztopine ga hitro najedajo. To je ceneno "običajno steklo", ki se uporablja za okna, kozarce, ogledala in žično steklo. Steklo za steklenice izdelujejo iz še cenejših (manj čistih) surovin, zato vsebuje tudi železove silikate, ki dajo steklu zeleno barvo, pa tudi alumosilikate.
Boral steklo ali jensko steklo (borosilikatno), kjer je del SiO2 zamenjan z B2O3 oziroma Al2O3, vsebuje 70 do 80 odstotkov kremenčevega peska (SiO2), 7 do 13 odstotkov borovega trioksida (B2O3), 5 do 10 odstotkov sode in 2 do 7 odstotkov aluminijevega oksida (Al2O3). To steklo je zelo odporno proti kemikalijami in temperaturi. Zato ga uporabljajo za kemijsko steklovino in kuhinjsko posodje.
Kalijevo-kalcijevo steklo vsebuje kremenčev pesek (SiO2), apnenec (CaCO3) in pepeliko (K2CO3). Ta vrsta stekla je težko taljiva, saj se zmehča pri 700 do 800 °C, zato ga uporabljajo za epruvete, kot "češko kristalno steklo" in "kronsko steklo" za optične naprave.
"Kristalno" steklo vsebuje 54 do 65 odstotkov kremenčevega peska (SiO2), 18 do 38 odstotkov svinčevega oksida (minij, Pb3O4, rumen do škrlatno rdeč svinčev (II, IV) oksid) in 13 do 15 odstotkov pepelike (K2CO3). Ker svinčevo steklo močno lomi svetlobo, je cenjeno kot okrasno steklo. Je težko taljivo. Uporabljajo ga kot optično steklo, "kristalno steklo" npr. za vaze, sklede in kozarce, obarvanega pa za imitacijo dragih kamnov. Zaradi absorpcije močnih energijskih žarkov, pa ga uporabljajo tudi kot zaščitno steklo pred žarčenjem.
Steklena vlakna Iz taline pridobivamo tudi niti, katerih premer znaša le nekaj mikronov. Te steklene niti se uporabljajo v gradbeni industriji kot steklena volna za toplotno in zvočno izolacijo.
Steklena vlakna se uporabljajo tudi za krepitev plastičnih delov, kot na primer v proizvodnji vozil, pri športnih napravah in zaščitnih čeladah. Različna posebna stekla Sem spadajo: termometrsko steklo; stekla prepustna za ultravijolično svetlobo; modro kobaltovo steklo (v talino dodajo Co3O4); mlečno steklo, ki je motno zaradi dodanega TiO2; svetlobno občutljiva (fototropna, fotokromna - spreminja svojo barvo pri različnih stopnjah osvetlitve) stekla na svetlobi reverzibilno potemnijo in so temnejša, čim bolj je svetlo (vsebujejo srebrov (I) klorid, AgCl); glazure, ki so lahka taljiva stekla; nesilikatna stekla (fosfatna, boratna stekla); "organsko steklo", polimetilmetakrilat, bolj znano kot pleksi steklo.
Akrilno steklo Akrilno steklo (tudi "organsko steklo") je umetna plastična masa, ki jo kemična industrija proizvaja v velikih količinah. Pred anorganskim steklom ima dve prednosti: specifična teža je za polovico manjša, oblikovanje pa izredno enostavno.
Lastnosti: GOSTOTA: 1,19 g/cm3 BARVA: je prozorno, z visokim površinskim sijajem, kristalno čisto, transparenteno v vseh barvah. MEHANSKE IN KEMIJSKE LASTNOSTI: je trdo in togo, toda krhko. Ima dobro natezno, tlačno in upogibno trdnost ter majhno sposobnost preoblikovanja. Odporno je proti praskam. ELEKTRIČNE LASTNOSTI: ima dobro površinsko upornost. Elektrostatično se naelektri. TERMIČNE LASTNOSTI: maksimalna temperatura uporabe je do 70°C. Dobro je obstojno proti temperaturnim spremembam, tudi pri nižjih temperaturah. Gori s svetlečim in prasketajočim plamenom, ne kaplja pri gorenju, gori praktično brez ostankov. OBSTOJNOST: Ima dobro obstojnost proti staranju na svetlobi in je odporno na različne vremenske vplive. Neobstojno v bencinu, alkoholu, nitrolakih in nitrorazredčilih, koncentriranih kislinah, določenih mehčalih. FIZIOLOŠKRE LASTNOSTI: fiziološko nenevarno. Prepušča ultravijolične in rentgenske žarke, zadržuje pa toplotno žarčenje. LEPLJENJE: z diklorometanom; možna je tudi uporaba epoksidnih smol, kontaktnih, polimerizacijskih in adhezivnih lepil. Posebno lepilo je npr: Acrifix VARJENJE: varimo z vročimi plini in dodatkom okroglega materiala PMMA; uporabni so tudi PVC dodatki
Primeri uporabe: V optiki - stekla za očala, urna stekla, lupe, leče, prizme, optične vodnike... Gospodinjski aparati: pribor, ohišja, posoda...
V elektrotehniki: deli stikal, prekritja, skale, pokrovi luči, optični zbiralci... Vozila: vzvratne luči, smerokazi, prekrivna stekla, zasteklitve za vozila in letala... V pisarniški opremi: pisalni stroji, nalivna peresa, risalni pribor.. V gradbeništvu: zasteklitev streh, nadsvetlobe, pregradne stene za rastlinjake in zimske vrtove, sanitarne instalacije, kadi, tuši, kabine za tuširanje, ročaji, pohištvo, prozorni cevovodi... Ostalo: svetlobne reklame, prometni in signalni znaki, modni in okrasni artikli, izložbena stojala, ortopedske naprave zobje...
LASTNOSTI STEKLA STEKLO
kemična sestava
Velja za več vrst stekla
gostota 2-6Mg/m3
modul elastičnosti
mehanske lastnosti
48000-83000 Mpa
je krhko,dobro prenaša tl.nap.
toplotna prevodnoost
koef. topl. razteznosti
temperatura ulivanja
temperatura mehčanja
1 W/mK
8,05 1/MK
1000-1600°C
500 do 1000 °C
tlačna trdnost
specifična toplota
lomna žilavost
500-2000MPa
900-1000 cpJ/kgK
0.7 MPa√m
temperatura steklenja
temp oblikovanja
temp termičnega šoka
200-500°C
1500°C
85 K
Slika 1: Lastnosti silikatnih stekel (Šturm-internet)
Slika 2: Pomembne temperature (viskoznosti v steklu) (Šturm-internet)
Uporabljena literatura -www2.arnes.si/~dgjura1/steklo.htm -www.druga.org/~raz00a/2a/zasolo/kb_steklo.doc -gcs.gi-zrmk.si/Svetovanje/Clanki/Grobovsek/PT155.htm -GRADIVA; Janez Grum, Dimo Ferlan:Tehniška založba Slovenije, 1987
K.2.
KERAMIKE: Al2O3, SiC, SiO2, ZrO2 23070375 Aluminijev oksid – Al2O3
Aluminijev oksid je amfoteričen oksid iz aluminija s kemijsko formulo Al2O3. Prav tako je ponavadi naveden kot aluminijev oksid, korund, safir, rubin ali aloxite [3] v rudarstvu, keramiki in materialni znanosti. Pridobiva se s postopkom Bayer iz boksita. Njegova najpomembnejša uporaba je v proizvodnji aluminija, čeprav se uporablja tudi kot abraziv zaradi svoje trdote in je odporna materiala zaradi svojega visokega tališča.
Aluminijev oksid
Pojav v naravi Korund je najpogostejša, naravno nastala kristalna oblika aluminijevega oksida. Veliko manj pogosti so rubini in safirji. Imajo svojo značilno barvo zaradi sledi nečistoč v korundovi strukturi. Rubini dobijo svojo značilno temno rdečo barvo in njihove laserske lastnosti, ki so sledi kovinskega elementa kroma. Safirji prihajajo v različnih barvah, ki jih povzročijo različne druge nečistoče, kot so železo in titan.
Proizvodnja Minerali aluminijevega hidroksida so glavna sestavina boksita, glavni rude iz aluminija. Boksita rude je sestavljen iz mešanice mineralov gibbsite (Al (OH) 3), boehmite (γ-Alo (OH)), in dijaspori (α-Alo (OH)) skupaj z železovih oksidov in hidroksidov, kremen in mineralov gline. Boksit prečiščen s postopkom Bayer: Al2O3 + 3 H2O + 2 NaOH → 2NaAl(OH)4 Drugih sestavnih delov boksita ne raztopi. SiO2 raztopi kot silikat Si (OH)6 . Po filtriranju se Fe2O3 odstrani. Ko je tekočina Bayer hlajena, usedlina Al (OH) 3, odstrani silikate v raztopini. Mešanica se nato žge (močno ogrevana), da dobimo aluminijev oksid. 2 Al(OH)3 → Al2O3 + 3 H2O Proizvodnja aluminijevega oksida ima več faz. Proizvodni proces se zato lahko optimizirana za proizvodnjo prilagojenega izdeleka. Vrsta faz vpliva, na primer na: topnost
in pore v strukturi proizvoda, kar pa vpliva na stroške proizvodnje aluminija in nadzor onesnaževanja.
Značilnosti Aluminijev oksid je električni izolator, vendar ima za keramični material relativno visoko toplotno prevodnost (40 Wm-1K-1). V svoji najpogostejši kristalni obliki, ki se imenuje korund ali α-aluminijev oksid, je zelo trd, zaradi česar je primern za uporabo kot abraziv in kot sestavina rezalnih orodij
Značilnosti Molekulska formula Molska masa Izgled Vonj Gostota Tališče Vrelišče Natezna trdnost (300 o c) Natezna trdnost (1460 o c) Modul elastičnosti Toplotna prevodnost Trdota - Vickers(VH) Poroznost Lomna žilavost Temperatura sintranja Tlak sintranja Koeficient toplotne razteznosti
Al2O3 101.96 g mol−1 bela trdina, zelo higroskopski brez vonja 3.95-4.1 g/cm3 2072 °C 2977 °C 0.2317 GPa 0.01034 GPa 344.83 .. 408.99 GPa 25.08 W/m/K 1440 kg/mm2 0 4 MPa•m1/2 1350 in 1700 ° C 800 MPa 8.4 *10–6/°C
Uporaba Tipična Uporaba: Laserske plinske cevi Visoko temperaturni električni izolatorji Visokonapetostni izolatorji Linijske cevi v peči Žice in vodniki Balistični oklepi Abrazijsko odporne cevi Cevi za laboratorijske instrumente in vzorce
Silicijev karbid (SiC) Silicijev karbid (SiC), znan tudi kot karborund je spojina silicija in ogljika, s kemijsko formulo SiC. V naravi se pojavlja kot izjemno redek mineral moissanite Silicijev karbid v prahu je v serijski proizvodnje od leta 1893, za uporabo kot abraziv. Zrna silicijevega karbida lahko vežemo skupaj s sintranjem, da tvorijo zelo trde keramike, ki se široko uporabljajo v aplikacijah, ki zahtevajo veliko vzdržljivosti, kot so avtomobilske zavore in keramične ploščice v neprebojni jopičih. Elektronski izdelki iz silicijevega karbida kot svetleče diode in detektor v začetnih radijih so od leta 1907. Danes se pogosto uporablja v visoko temperaturnih polprevodniških elektronikah. Velike enotne kristale silicijevega karbida, lahko dobimo po Lely metodi.
Proizvodnja Zaradi redkosti naravnih kristalov silicijevega karbida se običajno umetno izdelujejo . Najpogosteje se uporablja kot abraziv in v zadnjem času kot polprevodnik in simulant diamant. Najenostavnejša proizvodni proces je združevanje kremenčevega peska in ogljika v grafitni Achesonovi električni uporovni peči pri visoki temperaturi, med 1600 in 2500 ° C. Iz SiO2 delcev in iz rastlinskega materiala (npr. riževih lupin), se lahko pretvori v SiC s segrevanjem ob presežeku ogljika iz organskih snovi.
Značilnosti Molekulska formula Molska masa Izgled Vonj Gostota Tališče Vrelišče Natezna trdnost (20 o c) Natezna trdnost (1460 o c) Modul elastičnosti Toplotna prevodnost Trdota - Vickers(VH) Poroznost Lomna žilavost Temperatura sintranja Tlak sintranja Koeficient toplotne razteznosti
SiC 40.0962 g/mol Podoben črnemu smodniku 3.21 g/cm3 2730 ° C (razpade) 2977 °C 0.2 GPa 410.37 GPa 3.6 W cm-1 °C -1 2800 kg/mm2 0 4,6 MPa•m1/2 °C MPa 4 *10–6/°C
Struktura glavnih struktur SiC:
(β)3C-SiC
4H-SiC
(α)6H-SiC
Uporaba: • • • • • • • • •
Brusi in orodja za rezanje Strukturni material (plinske turbine, neprebojni jopiči) Automobilski deli ("keramični" zavorni diski, Sintran v fitrih trdih delcev pri dizelski vozilih) Elektronski elementi vezja (schottky diode in visoko temperaturni tiristorji za visokomočnostno preklapljanje Astronomija (material za ogledala za astronomske teleskope) Grelni elementi Elementi jedrskih goriv (kot plast tristrukturne-izotropne prevleke za jedrske gorivne elemente za visoko temperaturno plinsko hlajene reaktorje) Nakit Proizvodnja jekla
Silicijev dioksid – SiO2
Kemična spojina silicijevega dioksida, znana tudi kot kremen (iz latinske silex), je oksid silicija s kemijsko formulo SiO2 in je bil znan po trdoti že od antike. Kremen se najpogosteje pojavlja v naravi kot pesek. Kremen je najbolj obilen mineral iz zemeljske skorje. Aplikacije Kremenica je dokaj pogosto uporabljen keramični material, tako kot predhodnik za izdelavo drugih keramičnih izdelkov in kot material za izdelke same. Možno je tudi sintranje, izvaja pa se ga z laserjem.
Tetraedarski strukturna enota silicijevega dioksida (SiO2), najbolj idealni osnovni gradnik stekla.
Značilnosti Molekulska formula Molska masa Izgled Vonj Gostota Tališče Vrelišče Natezna trdnost (20 o c) Odpornost na termični šok Modul elastičnosti Toplotna prevodnost Trdota - Vickers(VH) Poroznost Lomna žilavost Koeficient toplotne razteznosti
SiO2 60.0843 g/mol bel prah 2.634 g/cm3 1650(±75) °C 2230 °C 55 MPa Odlična 70 GPa 1,3 Wm-1 K 1120 kg/mm2 / 0,7 MPa•m1/2 12.3*10–6/°C
Uporaba: •
Sol-gel postopek je mokra kemična tehnika, uporablja se za izdelavo steklastih in keramičnih materialov. V tem procesu se sol (ali raztopina) postopoma razvija v smeri oblikovanja želatinastih omrežij, ki vsebujejo tekoče faze in trdno fazo. Osnovna struktura ali morfologija trdne faze lahko sega od kateregakoli diskretnega koloidnega delca do neprekinjene verige podobnih polimernih mrež. Sol-gel pridobljeni sestavni deli imajo različne vloge v optiki, elektroniki, energiji, vesolju, pri fizikalnih in kemijskih senzorjih, biosenzorjih, pri nadzorovanem sproščanju zdravil v medicini in kemičnem ločevanju na celični ravni. Keramični prah iz različni kemični sestavi se lahko tvori s takšnimi tehnikami.
Sveženj optičnih vlaken v sestavi visoke čistosti kremena.
Silicijeva vlaknena mreža za toplotno izolacijo
Cirkonijev oksid - ZrO2
ZrO2, pojavlja se kot bel prah
Glavni surovini sta minerala cirkon (cirkonijev silikat, ZrO2.SiO2) in baddelyit (ZrO2). Grobe vrste ZrO2 se da dobiti s termičnim razkrojem cirkona v plamenskem obloku nad 1800°C. Fin ZrO2 prah submikronske velikosti dobijo s kompliciranimi postopki, ki vključujejo razklop rud, raztapljanje, precipitacijo in kalcinacijo. Za inženirsko keramiko ponujajo prizvajalci poleg čistega ZrO2 (vsebnost nečistoč, razen hafnija, pod 1%) tudi ZrO2 z dodatkom MgO in Y2O3. Poraba cirkonijevega oksida v keramiki v začetku devetdesetih let ni bila velika, vendar ima material zaradi izerdno ugodnih mehanskih lasnosti velike perspektive. Večje količine porabi industrija ognjevarnih izdelkov in abrazivov. V sodobni tehnični keramiki je ZrO2 pomembna surovina za izdelavo elektronske keramike (piezoelektriki in senzorji) in inženirske keramike (rezalna orodja, šobe za ekstruzijo, abrazijsko odporna keramika). Ima tudi zelo nizko toplotno prevodnost, kar je privedlo do njegove uporabe kot toplotno prevleko ali TBC v letalske in dizelske motorje, kar omogoča delovanje pri višjih temperaturah. Termodinamsko višja temperatura delovanja motorja pomeni večjo možno učinkovitost (glej Carnot toploto motorja).
Značilnosti Molekulska formula Molska masa Izgled Vonj Gostota Tališče Vrelišče Natezna trdnost Modul elastičnosti Toplotna prevodnost Trdota - knoop (kg/mm2) Poroznost Lomna žilavost Temperatura sintranja Odpornost na termični šok Koeficient toplotne razteznosti
ZrO2 123.218 g/mol Bel prah / 5.68 g/cm3 2715 °C 4300 °C 248 MPa 207 GPa 2.7 Wm-1 K 1600 kg/mm2 / 900 MPa 900 – 1540°C 280 – 360 ∆T (ºC) 11.0 *10–6/°C
Literatura • • • • • • •
http://www.americanelements.com/newpage3.htm http://www.ferroceramic.com/zirconia.htm http://www.azom.com/Details.asp?ArticleID=1114 http://en.wikipedia.org/wiki/Sio2 http://en.wikipedia.org/wiki/ZrO2 http://en.wikipedia.org/wiki/SiC http://en.wikipedia.org/wiki/Al2O3
K.3.
1. 2. 3. 4.
ZDRUŽEVANJE KERAMIK
23060277
Zahtevane naloge Uvod Adhezivno združevanje (razna lepila) Vrste adheziv 4.1. Epoksi smola 4.2. Poliuretan 4.3. Fenolna smola 4.4. Akrili
5. Načina nanašanja, debelina in temperatura nanašanja 6. Mehanske lastnosti 6.1. Strižni modul 6.2. Čas strjevanja oz. želiranja 6.3. Temperaturna obstojnost 6.4. Trdnost
7. Aplikacije in trgovska imena 8. Literatura
1. Zahtevane naloge: Združevanje keramik,: adhezivno (razna lepila). Vrste adheziv: epoksi smola, poliuteran, fenolna smola, akrili. Kemična sestava, lastnosti. Način nanašanja, debelina, temperatura nanašanja. Mehanske lastnosti, strižni modul, čas strjevanja oz želiranja, temperaturna obstojnost, trdnost, lomna žilavost. Aplikacije, trgovska imena.
2. Uvod V seminarski bom na poskusil na kratko opisati združevanje oziroma lepljenje keramik. Keramika je v strojništvu zelo uporabna snov predvsem zaradi svojih mehanskih lastnosti. Keramika se deli na klasično ter sodobno tehnično keramiko. Sodobna keramika se v nadaljevanju deli še na dve glavni skupini, in sicer inženirsko ter keramiko za elektroniko. Glavni izdelki iz keramike so: silikatni izdelki, ognjevarna gradiva, glazure in abrazivi,… Na splošno je keramika v inženirstvu zelo uporabna, saj se je v zadnjih desetletjih tehnologija izdelave korenito spremenila.
3. Adhezivno združevanje (razna lepila) Najprej bi rad nekaj besed posvetil samemu lepljenju. Lepljenje je adhezijsko spajanje kovinskih ali nekovinskih materialov s posebnimi lepili. Temperatura pri lepljenju je lahko sobna ali povišana. Spoj nastane zaradi sekundarnih vezi. Poznamo 2 vrsti sekundarnih vezi. To so Wan der waalsove vezi ter vodikove vezi. Nastali spoj je lahko fizikalne narave in govorimo o absorbciji (reverzibilni spoj) ali pa je kemijske narave (ireverzibilni spoj). Za uspešno lepljenje potrebujemo prava lepila. O lepilih bom več povedal v naslednjem poglavju.
Slika 1: Primeri lepljenih spojev (Vir: Bezjak Jožica: Tehnologija materiala; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1997)
4. Vrste adheziv Za lepila se uporabljajo predvsem sintetični organski polimeri. Če je temperatura povišane se uporablja anorganske materiale, za visoke temperature pa modificirana stekla in keramične materiale. Poleg osnovnega lepila so lahko prisotni še stabilizatorji, snovi za oprijem, snovi za razteljivost, prožnost in elastičnost elastomernega lepila. Postopek lepljenja pričnemo z kvalitetno in ustrezno pripravo podlage, nato pa nanos lepila.
4.1. Epoksi smola Epoksidna lepila sodijo med najdražja lepila na trgu, vendar so zelo zanesljiva in imajo mnogo dobrih lastnosti. Epoksi smole se strjujejo s kemično reakcijo. Njihova odlika je visoka trdnost, odporna so na obrabo, in delovanje vode, imajo nizko viskoznost, nizko stopnjo krčenja in dobro omakajo površino lepljenca. Epoksi smole se lahko nanašajo v hladnem ali v toplem. Smole se dobavljajo v pastah, v tekočem stanju, v prašku, v ti. filmih,… Uporabljajo se tam, kjer potrebujemo visoko trdnost, odpornost na temperaturo, vlago in lezenje ter za velike komponente. Z njimi lahko povezujemo praktično vse materiale (beton, jeklo, steklo, keramike, les). Zanje je značilno, da se zelo malo krčijo.
4.2. Poliuretan Njegova največja prednost je v tem, da se zelo hitro strjuje. Sestavljen je isocianata. Dobavlja se ga v tekoči fazi oziroma kot pasto. Snov reagira z okoliškim zrakom, ki deluje, kot trdilec. Nanaša se ga lahko tako kot epoksi smole v hladnem ali v toplem. Njegovi slabosti so, v primerjavi z epoksi smolo), da je od njega šibkejši, ter da je zelo občutljiv na vlago. Primeren, je za spajanje različnih materialov (npr. plastika in les).
4.3. Fenolna smola Fenolne smole se lahko kombinirajo s formaldehidom in delno polimerizirajo v obliki kot duroplastno lepilo. Pod pritiskom in pri povišani temperaturi se ustvari stik s površino lepljenca, nakar se konča polimerizacija. Smole se dobavljajo v obliki prahu, tekočine ali tankega filma. Pri nekaterih tekočih fenolnih smolah, je potreben katalizator. Uporabljajo se za lepljenje abrazivnih materialov (korund), v letalski industriji, lesni industriji laminatov,… Stranski produkt strjevanja je H2O (para).
4.4. Akrili Značilno za akrilna lepila je, da je debelina nanosa zelo majhna ter da se nanašajo v hladnem. V nadaljevanju jih delimo na 3 podskupine: a) Anaerobni: So enokomponentni, brez kisika se trdijo zelo dolgo. b) Cianokrilatni: So, enokomponentni, strjujejo se samo v tankem filmu, katalizator pa je površinska vlaga. c) Žilavi akrilni: so dvokomponentni, smolo nanesemo na eno površino, katalizator pa na drugo. Značilnost akrilov je, da se lepi s pritiskom, spoj je prožen in lepljiv v svežem stanju.
5. Načina nanašanja, debelina in temperatura nanašanja Nanašanje, debelina sloja ter temperatura nanašanja je odvisna od vrste uporabljenega adheziva. Že v 4. točki sem opisal, kako se kaj nanaša, kakšne so temperature ter debeline, zato bom samo ponovil. Začel bom z epoksi smolami. Nanašajo se lahko v hladnem ali toplem, trdnost stika ni odvisna od debeline plasti, tako da je poljubna.
Poliuretan se nanaša s pomočjo tlaka v embalaži. Glede temperature se ga nanaša tako v hladnem kot v toplem. Debelina nanosa je zelo odvisna od njegove uporabe. Za mehanske lastnosti debelina nanosa pri poliuretanu ni pomembna. Fenoli se nanašajo v toplem, pomembno je, da imamo poleg višje temperature še povečan tlak (stiskanje). Debelina naj bom čim manjša. Za akrile pa je pomembno, da se nanašajo v hladnem. Pomembna je debelina sloja, saj se zahteva, da so nanosi čim tanjši.
Slika 2: Togost lepljenega spoja v odvisnosti od debeline nanosa lepila (Vir: Rak Inoslav: Tehnologija varjenja; Modrijan, Ljubljana, 2008)
6. Mehanske lastnosti
Slika 3: Lepila in njihove mehanske lastnosti. Na razpredelnici so prikazani tudi pogoji za spoj (Vir: Jež Mario, Kolar Dragi in drugi, Strojno – tehnološki priročnik; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1998)
6.1. Strižni modul Strižni modul pri lepljencih je funkcija odvisnosti od vlage. Spodnji graf nam prikazuje, da je pri nižji vlažnosti strižni modul večji.
Graf 1: Strižni modul v odvisnosti od vlage (Vir: predavanje pri predmetu Nekovinska in kompozitna gradiva, prof. Šturm Roman, 21.12.2009)
6.2. Čas strjevanja oz. želiranja Odvisen je od zunanjih pogojev, kot je temperatura in vlaga. Pri povišani temperaturi se čas strjevanja skrajša, spremenijo pa se tudi mehanske lastnosti spoja. Enako velja tudi za % vlage. Višja je vlaga v prostoru, kjer se strjuje oz želira adhezivo, daljši čas traja.
6.3. Temperaturna obstojnost Velika večina adhezivov je obstojna na nizkih temperaturah, pri višjih pa izgubljajo svoje mehanske lastnosti. Iz tega razloga se največ uporabljajo pri ti. sobnih oziroma povišanih temperaturah. Iz slike 2 lahko razberemo, da je epoksidna smola najmanj temperaturno obstojna, poliimidna pa največ.
6.4. Trdnost Trdnost stika je odvisna od lepljivosti adheziva, pogojev nanosa,.... Podatke se lahko razbere iz slike 2. Zanimiv podatek je za epoksidno smolo, če jo spajamo pri sobni temperaturi ali pri povišani. Trdnost se pri povišani temperaturi drastično poveča. Spodnji graf nam prikazuje vpliv vlage in temperature na trdnost adheziva.
Graf 2: Vpliv temperature in vlage na trdnost adhezivnega spoja (Vir: predavanje pri predmetu Nekovinska in kompozitna gradiva, prof. Šturm Roman, 21.12.2009)
7. Aplikacije in trgovska imena Na trgu je mnogo adhezivov, katere proizvajajo svetovna podjetja, med njimi so tudi slovenska. Najbolj znano slovensko podjetje je Helios, kateri proizvaja predvsem zaščitne premaze (le ti ne spadajo med adhezive), akrilne smole s trgovskim imenom Domacryl ter smole za mehke pene (domopoli). Ta lepila spadajo med umetna sintetična lepila. Proizvajajo pa še mnogo vrst drugih različnih lepil, in sicer: škrobna lepila, kazeinska lepila, dekstrinska lepila in talilna lepila. Podjetje Sika d.o.o. na trgu nudi različne vrste lepil, najbolj razširjeno med njimi je lepilo SikaFast®-5211. Obenem je to lepilo tudi tesnilo. Na trgu je več proizvajalce poliuretanskih lepil. Največji tržni delež na Slovenskem ima podjetje TKK s proizvodom Tekapur, to je enokomponentna poliuretanska montažna pena. Po nanosu reagira z vlago. Izdelujejo tudi PU-pene obstojne na mrazu ter na drugi strani tudi ognjeodporne. V prodajnem programu podjetja TKK najdemo tudi druga različna lepila. Njihovo trgovsko ime je Tekafiks.
Slika 4: Tekapur PU – pena (Vir: http://www.tkk.si/default.asp?id=778)
8. Literatura: • Jež Mario, Kolar Dragi in drugi, Strojno – tehnološki priročnik; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1998 • Rak Inoslav: Tehnologija varjenja; Modrijan, Ljubljana, 2008 • Bezjak Jožica: Tehnologija materiala; Tehniška založba Slovenije, Ljubljana, 1997 • Žarnić Roko: Lastnosti gradiv, Fakulteta za gradbeništvo in geodzijo, Katedra za preizkušanje materialov in konstrukcij, Ljubljana, 2005 • Kolar Drago: Tehnična keramika I. in II. knjiga, Zavod Republike Slovenije za šolstvo in šport, Ljubljana, 1993 • Kraut Bojan; Krautov strojniški priročnik, 13. izdaja, 2. natis, Littera picta, Ljubljana, 2002 • www.sika.si • www.tkk.si • www.helios.si
K.4.
POLIMERI : TERMOPLASTI
23070219
Termoplasti (lahko jim rečemo tudi plastomeri) so nezamreženi polimerni materiali sestavljeni iz dolgih linearnih ali delno razvejanih polimernih verig, ki so prostorsko vezane s šibkimi molekulskimi vezmi. Termoplasti niso odporni proti povišani temperaturi, tako ob segretju najprej postanejo plastični primerni za oblikovanje, nato pa tekoči primerni za brizganje. Po ohladitvi talina otrdi in obdrži dano obliko. Procesi oblikovanja so reverzibilni, kar pomeni, da lahko termoplaste recikliramo. Postopek recikliranja lahko večkrat ponovimo. Postopki predelave so naslednji: 1)brizganje 2.)pihanje 3.)valjanje 4.)stiskanje 5.)vlečenje pri nizkem tlaku Danes obstaja več različnih termoplastičnih materialov. Na področju strojništva jih največkrat delimo na: amorfne termoplaste delnokristalne termoplaste Splošno se amorfni materiali po predelavi manj krčijo in so zato dimenzijsko manj problematični, poleg tega pa so tudi izotropični, za razliko od delnokristaliničnih materialov, ki se bolj krčijo in so anizotropični.
PE = POLIETILEN Kemijska sestava :
Njegove značilnosti: majhna gostota (manj kot 1g/cm3), ima voskast oprijem in vonj po parafinu(če gori). So relativno ceneni in enostavni za preoblikovanje. Polietileni se odlikujejo po dobri kemični obstojnosti in odličnih elektroizolacijskih lastnostih. Zaradi enostavne predelave in nizke cene predstavljanjo eno izmed najpomembnejših skupin plastičnih materialov.
Pridobivanje: pridobivamo ga z polimerizacijo etilena po različnih postopkih kar vpliva tudi na gostoto PE. Gostota : od 0,91g/cm3 do 0,97g/cm3 Barva: neobarvan je mlečno bel, pri zelo tankih folijah je skoraj prozoren. Obarvan je lahko v vse barve. Mehanske lastnosti: z naraščanjem gostote se mu povečajo lastnosti kot so: natezna in upogibna trdnost, togost, trdota, temp.obstojnost, odpornost proti kemikalijam in topilom. Električne lastnosti : Ima odlične elektroizolacijske sposobnosti. Pogosto ima močan elektrostatičen naboj. Termične lastnosti: Zgornja temperaturna uporabnost je pri mehkem PE 60°C, trdem pri 95°C. Lomljivost nastopi pri -50°C. Obstojnost : Je obstojen v razredčenih kislinah, bazah, raztopinah soli; vodi, alkohollih, estrih, oljih in trdi PE tudi v bencinu. Neobstojen v močnih oksidacijskih sredstvih. Fiziološke lastnosti: PE je brez vonja in okusa ter fiziološko neoporečen. V glavnem se lahko uporablja v kontaktu z živili. Lepljenje : Nima visoke sposobnosti lepljenja. Lepimo ga z adhezivnimi kontaktnimi dvokomponentnimi lepili Varjenje : najboljši spoji nastanejo z varjenjem z vročim zrakom in toplotnimi elementi Uporaba: Elementi za stroje in vozila: tesnila, pokrovi za zapiranje, zaščita pred korozijo, ohišja za akumulatorje, notranje preobleke... Elektromehanika: izolacija visokonapetostnih kablov, cevi za instalacije, koluti... Gradbeni elementi: cevi za pitno in odpadno vodo, prekrivne folije, umetna trava.. .Transportni elementi: zaboji za steklenice, razne posode, folija za pakiranje, steklenice, tube, doze, koši za smeti, razne folije za nošenje Razno: igrače, posode za gospodinjstvo, deske za jadranje, rezervoarji... Glede na kristaličnost in molekulsko maso, se lahko tališče in meja steklenega prehoda spreminjata. Temperatura, pri kateri pride do prehodov in tališč se močno razlikuje s tipom polietilena. Za skupne tržne razrede za srednje in polietilena visoke gostote, so tališča običajno v območju od 120-130 ° C . Tališče za povprečno komercialno, iz polietilena nizke gostote je običajno 105-115 ° C . Večina LDPE, HDPE MDPE in razredov imajo odlično kemično odpornost in se ne raztopijo pri sobni temperaturi zaradi svoje kristaličnosti Polietilen je razvrščen v več različnih kategorij, ki temeljijo predvsem na njegovo gostoto Mehanske lastnosti PE so odvisna od spremenljivk, kot so kristalna struktura in molekulska masa.
Poznamo jih več vrst : UHMWPE – polietilen z ultra visoko molsko masp ULMWPE – polietilen z ultra majhno molsko maso HDPE – polietilen z visoko gostoto MDPE – polietilen s srednjo gostoto LDPE – polietilen z nizko gostoto Podatki za HDPE : Modul elastičnost (E) Natezna trdnost Upogibna trdnost Trdota Talilno področje Temparatura raztezanja Toplotna prevodnost
0,7-1,4 kN/mm2 18-35 N/mm2 36 N/mm2 40-65 N/mm2 125-135 ۫ C 2 ×10-4 K-1 0,50 W/m×K
Podatki za LDPE Modul elastičnost (E) Natezna trdnost Trdota Talilno področje Temparatura raztezanja Toplotna prevodnost
0,2-0,5 kN/mm2 8-23 N/mm2 13-20 N/mm2 110-150 ۫ C 2,5 ×10-4 K-1 0,35 W/m×K
Plastomere lahko utrjujemo še dodatno. Utrdimo jih s steklenimi vlakni. S utrjevanjem se jim močno poveča gostota, trdnost, razteznost pa se jim močno zmanjša.
PP = POLIPROPILEN Kemijska sestava:
Polipropilen (PP) je termoplastični material, ki ga odlikuje zelo ugodno razmerje med ceno in kvaliteto. Je eden izmed najlažjih termoplastov na tržišču. Polipropileni imajo gostoto od 0,9 - 0,91 kg/dm3 . Je podoben PE, le da ima boljše termične in mehanske lastnosti, vendar pa je na nizke temperature manj odporen.
Razpoznavni znaki: PP je lahko vnetljiv, kaplja in gori dalje, gori s svetlim plamenom in modrim jedrom, vonj po parafinu (ugasnjeni sveči). Odporen proti: polarnim topilom pod 500C, kislinam, raztopinam soli, olju in sadnim sokovom. Neodporen proti: kloriranim ogljikovodikom, izogibati se kontaktu s bakrom, manjša podvrženost zarezni napetosti. Se zelo enostavno predeluje, ima nizko gostoto, je trd in dobro obstojen proti večini kemikalij, oblika ima zelo visoko temperaturno obstojnost (nad 100°C), je fiziološko neoporečen material in je primeren za kontakt z živili. Polipropilen lahko modificiramo z različnimi polnili in mu na ta način izboljšamo lastnosti, kot sta togost in trdota, ter tudi temperaturno obstojnost. Tako mu v primerjavi s čistim polipropilenom bistveno izboljšamo lastnosti Polipropilen se lahko zelo učinkovito predeluje z različnimi predelovalnimi postopki.Primeren je tako za ekstruzijo, ekstruzijsko pihanje, injekcijsko vbrizgavanje kot tudi za termoformiranje. Zelo primeren je tudi za vse vrste varjenja, kjer njegova kakovost še posebaj pride do izraza. Uporaba : Polipropilen se uporablja vključno za embalažo, za tekstil (npr. vrvi, kopalniške preproge), pisarniški material, plastični deli in večkratno uporabo posode različnih vrst, laboratorijsko opremo, zvočnike, avtomobilskih komponent uporablja se tudi za plošče, cevi, plašče za kable, v avtomobilske industriji, beli tehniki, za izolacije. Modul elastičnost (E) Natezna trdnost Upogibna trdnost Trdota Talilno področje Temparatura raztezanja Toplotna prevodnost Zarezna žilavost Tališče
1,0-1,3 kN/mm2 21-37N/mm2 43 N/mm2 36-37 N/mm2 157-170 ۫ C 1,6 ×10-4 K-1 0,22 W/m×K 3-17 kJ/m2 160 ۫ C
PA – POLIAMIDI Poliamid je termoplast, ki ga odlikujejo izjemno dobre mehanske lastnosti, še posebej natezna, upogibna in tlačna trdnost, kakor tudi visoki E-modul, izjemna žilavost, nizek koeficient trenja in velika odpornost na obrabo. Zato je poliamid termoplast, ki ima v primerjavi z vsemi ostalimi inžinerskimi termoplasti, največ možnosti uporabe v industriji. Zelo uspešno se uporablja za izdelavo različnih zobnikov, verižnikov, valjev, drsnih letev, drsnih puš in veliko strojnih elementov, ki so izpostavljeni udarnim obremenitvam.
Poliamid PA6 in PA 66: [PA 6] Ta material nudi optimalno kombinacijo mehanske trdnosti, trdote in žilavosti, zmožnosti mehanskega dušenja in odpornosti na obrabo. Te lastnosti, skupaj z dobro električno izolativnostjo in dobro kemično odpornostjo izkazujejo, da je PA 6 vsestransko uporabna inženirska kvaliteta za mehansko konstruiranje in vzdrževanje. [PA 66] To je material z večjo mehansko trdnostjo in žilavostjo ter odpornostjo na toploto in obrabo v primerjavi z PA 6. Ima tudi boljšo odpornost proti lezenju, toda njegova udarna trdnost in zmožnost mehanskega dušenja sta nekoliko slabši. PA 66 je zelo primeren za obdelavo na avtomatskih stružnicah. Modul elastičnosti Natezna trdnost Upogibna trdnost Trdota Talilno področje Temparatura raztezanja Toplotna prevodnost
PA 6 1,4kN/mm2 70-85 N/mm2 27 N/mm2 75 N/mm2 220 ۫ C 0,8 ×10-4 K-1 0,23 W/m×K
PA 66 2,0kN/mm2 77-84 N/mm2 50 N/mm2 100 N/mm2 225-265 ۫ C 0,9 ×10-4 K-1 0,27 W/m×K
PET = POLIETILEN TERAFTALAT Polietilen tereftalat pogosto skrajšano PET, PETE. Polietilen tereftalat je polimer termoplastične smole ki se uporabljajo za plastenke za pijačo, hrano in druge tekočine. Uporablja se tudi za različne folije prozorne, trdne in žilave. Formula za polietilen tereftalat : (C10H8O4)n Modul elastičnost (E) Gostota Natezna trdnost Tališče Toplotna prevodnost Zarezna žilavost Elastična meja Temparatura steklenja Koef.toplotne prevodnosti Specifična toplota (c) Cena Upogibna trdnost Trdota Temparatura raztezanja
2800–3100 MPa 1370-1455 kg/m3 3,9N/mm2 ۫225-285 C 0.24 W/m×K 4-5 kJ/m2 50-150% 75 °C α =7×10−5/K 1.0 kJ/(kg·K) 0.5–1.25 €/kg 80 N/mm2 / 0,8 ×10-4 K-1
PTFE = POLITETRAFLUOROETILEN Kemična sestava :
Teflon je trgovsko ime politetrafluoroetilena, PTFE. Izdeluje se z adicijsko polimerizacijo tetrafluoroetilena, CF2=CF2 (tetrafluoroeten). PTFE je zaradi zelo gladke površine izjemno obstojen napramv skoraj vsem znanim kemikalijam. Uporablja se v širokem temperaturnem področju, od -270° do 385°C. Zaradi teh lastnosti iz njega izdelujejo izdelke, ki so izpostavljenim različnim kemikalijam pod visokimi temperaturami. Iz njega so izdelane tudi nekatere prevleke na posodah in kvalitetna laboratorijska oprema. PTFE se uporablja kot premaz za ponev in za premaz drugih kuhinjskih pripomočkov. Ta je zelo nereaktiven, deloma zaradi trdnosti ogljika in zato se pogosto uporablja za posode in cevi ketere so izpoztavljene tudi reaktivnimi in jedkimi kemikalijami. Kadar se uporablja kot mazivo, PTFE zmanjšuje trenje, obrabo in porabo energije strojev. PTFE ima eno najnižjih koeficientov trenja. PTFE ima pri sobni temp. gostoto približno 2,2g/cm3. tališče ima pri 327 °C, vendar pa se njegove lastnosti razgradijo pri temp. 260 °C. koeficient trenja iz plastičnih mas se meri s trenjem poliranega jekla. Koeficint je 0,1 ali manj. PFTE ima odlične dialektrične lastnosti, in zaradi tega se uporablja kot izolator pri kablih in konektorjih. Ima tudi zelo visoko talilno temparaturo. Teflon je zelo dober kot tesnilo. Ker ima tako nizko trenje se uporablja v namene, kjer je drsenje delov potrebno (ležaji, gredi, potisne ploščice). PFTE je izredno odporen proti koroziji, zaradi česar je idealen za laboratorijska okolja (npr. za cevi za visokokorozivne kemikalije, kot je fluorovodikova kislina). Modul elastičnost (E) Gostota Natezna trdnost Tališče Toplotna prevodnost Zarezna žilavost Koeficient trenja Specifična toplota (c) Upogibna trdnost Trdota Temparatura raztezanja Dialektrična konstanta
0.41 kN/mm2 2200 kg/m3 25-36N/mm2 ۫325 C 0,24 W/m×K 13-15kJ/m2 0.05-0.10 1 kJ/(kg·K) 18N/mm2 27-35 N/mm2 1,6 ×10-4 K-1 ε=2.1,tan(δ)<5(-4)
K.5.
POLIMERI : TERMOPLASTI
23060236
UVOD Polimerni materiali so umetne snovi, katerih glavna sestavina so polimeri. Polimeri nastanejo s polimerizacijo monomerov, ki so med seboj povezani s kovalentnimi vezmi. Glede na značilne lastnosti jih delimo v naslednje tri skupine: 1. TERMOPLASTI, PLASTOMERI ALI VERIŽNI POLIMERI 2. DUROPLASTI 3. ELASTOPLASTI Moja seminarska vsebuje obravnavo petih amorfnih termoplastov: PVC, PMMA, PC, PS, ABS Termoplasti so polimerni materiali, katerih molekule so med seboj le fizikalno vezane. Po stanju so bolj ali manj zelo viskozne tekočine. Lahko so amorfni ali delno kristalni. Pri temperaturi okolice so trdi, pri segrevanju pa se povračljivo mehčajo in talijo. Lahko se preoblikujejo in varijo. Praviloma so topni v posebnih organskih topilih. Njihov odpadek se lahko reciklira in ponovno uporabi. -Amorfni termoplasti se trdijo oziroma mehčajo do taline zvezno v širokem temperaturnem območju: PVC, PS, ABS, PC, PMMA, CN -Delno kristalni plastomeri se strjujejo iz taline v ozkem temperaturnem območju: PE,PP, SAN, POM, PTFE, PA, PET MEHNSKA STANJA POLIMEROV Mehanska stanja polimerov so močno odvisna od temperature. To predstavlja naslednji graf:
Vir: http://www.fs.uni-lj.si/lap/html/img/pool/PT_5-Plastika-studenti.pdf
1. TRDOELASTIČNO PODROČJE=PODROČJE STEKLENE KRHKOSTI Obsega nizke temperature. V tem področju so polimerni materiali trdi in krhki in je zanje značilna omejena elastična deformacija z velikim modulom elastičnosti., ki se z višanjem temperature znižuje
TSTEKLENE _ KRHKOSTI < 0,8 ⋅ Tg 2. PODROČJE MEHČANJA=PREHOD V STEKLASTO STANJE je pri temperaturah pri katerih je že omogočeno premikanje molekul. V področju mehčanja prehajajo polimeri iz krhkega v žilavo stanje.
0,8 ⋅ Tg < TMEHČANJA < Tg 3. GUMIELASTIČNO PODROČJE sega od področja mehčanja do taljenja polimera. Za to področje je značilna zelo velika elastična deformacija z majhnim modulom elastičnosti. Strižni modul je v tem področju le malo odvisen od temperature. Mehčanje in gumielastično stanje se pojavita le pri amorfnih snoveh. Pri kristalnih snoveh sega trdoelastično področje vse do talilnega področja, pri delno kristalnih snoveh pa sta mehčanje in gumielastično področje odvisna od kristalizacijske stopnje. Tg < TGUMIELASTIČNA < 1, 4 ⋅ Tg 4. TALILNO PODROČJE=PODROČJE VISKOZNEGA TOKA se pri amorfnih snoveh kaže v postopnem prehodu snovi iz gumielastičnega stanja skozi plastično stanje (z izrazitim tečenjem snovi) do popolnega taljenja TVISKOZNEGA _ TOKA < 1, 4 ⋅ Tg
NEKAJ PRIMEROV IZDELKOV
SLIKA 1: vodovodna cev iz PVC Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Two_PVC_pipes.jpg
SLIKA 2: plastenka za vodo iz polikarbonata Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Polycarbonate_water_bottle.JPG
SLIKA 3: stiropor iz polistirena Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Styrofoam.jpg
SLIKA 4: jogurtov lonček iz polistirena Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Envase_de_yogur.jpg
SLIKA 5: trup kitare iz akrilnega stekla Vir: http://en.wikipedia.org/wiki/File:Perspex_bass_guitar.jpg MATERIAL
PVC
PS
PC
PMMA
ABS
LASTNOST
ENOTA
Kemijska formula
/
Natezna trdnost Trdota
MPa
50-80
45-80
55-80
50-80
32-45
N mm 2
75-155
120-130
110
180-200
80-120
Modul elastičnosti Gostota
GPa
1-4
3-4
2-3
2-3,2
1,9-2,7
1050
1200-1220
1190
1050
0,7
0,7
0,7
1
0,16
0,17
0,21
0,19
0,25
70-87
80-100
140-150
80-100
90-105
Koeficient toplotne razteznosti Toplotna prevodnost Temperatura mehčanja Temperatura viskoznega toka Temperatura steklenja Temperatura steklene krhkosti
1390 kg m3 10−4 ⋅ K − 0,8
W m⋅K 0 C 0
C
110-260
240
220-260
130-140
150-200
0
C
87
100
150
100
110
0
C
<69
<80
<120
<80
<88
Zarezna žilavost
kJ m2
2-50
2-3
20-30
2-6
7-20
Aplikacije
/
Okvirji oken in vrat, izolacija, folije, pene, profili, igrače, umetno usnje, cevi za kanalizacijo, gramofonske plošče, lepilni trakovi….
Embalaža za enkratno uporabo, ovitki za CD, stiropor, ohišja gospodinjski h aparatov, izolatorji,…
Očala, CD, DVD, leče, čelade, prozorni pokrovi
Sončna očala, zaščitna očala, leče, povečevalna stekla, vzratne luči, smerokazi, embalaža za tablete, kemiki,….
Ohišja mobilcev, računalnikov, plastike na motorju, gospodinjski aparati,..
Gorljivost
/
Gori s svetlim, močno dimastim plamenom, ki ima sladkoben vonj
Gori s svetlim plamenom, sajast dim, vonj po fenolu
Lahko vnetljiv, presketajoč, svetel plamen, gori sam, vonj po sadju, sajast dim
Vnetljiv in samostojno gorljiv
Trgovska imena Barva
/
Gori s svetlo rumenim plamenom in sajastim dimom. Ugasne sam (noče goreti sam). hlapi pri gorenju so strupeni Polivinil klorid
polistiren
polikarbonat
Akrilno steklo
Rumenkasto prosojna
Prosojen, bel
Prozoren
Prozoren, z visokim površinskim sijajem, kristalno čist, transparenten v vseh barvah
Akrilonitril butadienstiren Mlečno motna
Cena
/
€/kg
0,5-1,25
5-9
Podatki varirajo zaradi različnih stopenj polimerizacije
LITERATURA http://ro.zrsss.si/~puncer/mase/index.htm http://en.wikipedia.org/wiki/Acrylonitrile_butadiene_styrene http://en.wikipedia.org/wiki/Poly(methyl_methacrylate) http://en.wikipedia.org/wiki/Polycarbonate http://en.wikipedia.org/wiki/Polystyrene http://en.wikipedia.org/wiki/Polyvinyl_Chloride http://www.tangram.co.uk/TI-Polymer-Introduction.html http://www.fs.uni-lj.si/lap/html/img/pool/PT_5-Plastika-studenti.pdf Bojan Kraut: Strojniški priročnik: 2003: Ljubljana : Littera picta, 2003
K.6.
POLIMERI, DUROPLASTI
23070615
Duroplasti
Duroplasti so duroplastične, prostorsko ozko zamrežene mase za oblikovanje. V primerjavi s termoplasti so trdnejši, trši, termično stabilnejši in imajo višji e. So krhki - zato jim dodajamo polnila ter sredstva za ojačanje. V utrjenem stanju so te mase netopne, prav tako negorljive. Nekateri predstavniki: Fenoplasti (pf)- so poceni in se uporabljajo predvsem za tehnične izdelke, kot so vtične doze, kontaktne letve, zavorne obloge, deli pekačev, .... Aminoplasti (mf) - so zelo podobni fenoplastom, le da se na svetlobi ne razbarvajo. Tudi uporaba je podobna. Nenasičene poliesterske smole (up) - so lahko v obliki vlivnih smol, oblikovalnih mas ali v obliki prepreg. Lastnosti končnih izdelkov so odvisne od sredstev za ojačitev, njih količine in predelovalnih pogojev (npr. Ročno laminiranje, nabrizgavanje vlaken, prešanje, navijanje, ... ). Epoksi smole (ep)
Lastnosti: toge snovi,visoka trdnost,žilave ali do zelo žilave snovi,z dodajanjem vlaken jim povečajo mehanske lastnosti do primerjalne vrednosti jekel. Temperaturna obstojnost 80°C do 180°C, za specialne tipe do 250°C gorijo s sajastim rumenim plamenom. Trgovska imena za epoksidne smole so epoksin, adalit, epikute. Poliesterske smole (up)
Lastnosti: izdelki so togi, delno občutljivi na udarce, kar lahko izboljšajo z dodajanjem steklenih vlaken ali izdelkov iz njih, to jim daje mehanske vrednosti nelegiranih jekel temperaturna obstojnost je 100-180°C, pri nekaterih tipih pa 230°C gorijo z sajastim rumenim plamenom,vonj je močan po stirolu. Uporabne so za propelerje helikopterjev, čolne, materiale za tiskana vezja, smuči, hokejske palice, jambore, preobleke občutljivih električnih delov, ...... Trgovska imena za poliesterske smole so polyleit, HRS – poliester, trevira, diolen,… Tabela 1: Lastnosti poliestra Gostota (g/cm3) Električna prevodnost (S/m) Toplotna prevodnost W/(m×k) Raztezek (%) Temperatura tališča (°C)
1,05 10-16 0,08 3-4 240
Slika 1: Mehansko termične razmere pri duroplastih. Fenolna smola (pf)
Lastnosti: temperaturna obstojnost pri anorganskih polnilih do 150°C, pri organskih polnilih 100 do 120°C, obstojni na organska topila, olja, masti, bencin, benzen, alkohol neobstojni na močne kisline in baze plamen je sajast, ugasne, vonj po fenolu fiziološko niso primerni, ni dovoljen stik z živili predelava: s stiskanjem, brizganjem, slojnim stiskanjem. za izdelke splošne uporabe dodajo masi še polnila (lesna moka, celulozna vlakna) Duromeri
So sestavljeni iz linearnih in razvejanih verig, ki so medsebojno povezane v dvodimenzionalne ali tridimenzionalne mreže. Predelujemo jih tako, da jih pred zamreženjem oblikujemo v želeni predmet in potem tako oblikovane zamrežimo oz. Utrdimo. S prvim segrevanjem postanejo najprej plastični, zatem pa se strdijo v netaljive in netopne. Zaradi trajne oblike nista možna regeneracija in varjenje. Prodajajo jih kot trde predpolimerizirane mase za oblikovanje ali kot tekočine. V novejšem času so pripravljeni tudi taki zamreženi polimeri, pri katerih so verige povezane s slabimi ionskimi vezmi, ki se pri segrevanju trgajo, pri ohlajevanju pa se verige zopet povezujejo v mreže. Tako jih lahko pri višji temperaturi oblikujemo z ekstruzijo in vbrizgavanjem. Temperaturno odporni duroplasti ustrezajo dolgotrajni uporabi pri 260°C in kratkotrajni pri 370°C. Dielektrične lastnosti duroplastov omogočajo njihovo uporabo pri igradnji letal, ki reducirajo radarske signale.
Sintetični polimeri
Pridobivamo jih iz nafte, zemeljskega plina, premoga in vegetabilnih surovin. -
Termoplasti: polietilen, polipropilen, polivinilklotid, polistiren, polimetilmetakrilat, fluoroplasti, poliamidi, polikarbonati, Duroplasti:, aminoplasti, fenoplasti, poliestrske smole, epoksidne smole Elastomeri: poliuretani, stiren-butadien, akrilonitril-butadien, poliizopropen. Za razliko od termoplastov, katerih proizvodnja nenehno narašča, pa je področje duroplastov mnogo bolj mirno. Vzrok temu je verjetno v tem, da duroplastov ne moremo reciklirati, preoblikovanje se namreč lahko opravi le enkrat. Ko se pri termoreaktivni snovi pod vplivom visoke temperature sproži kemična reakcija, pri kateri snov polimerizira, se makromolekule, ki so med seboj mrežasto prepletene, čvrsto združijo na zelo kratkih razdaljah v toge, trde členkaste spoje, tako da je celotno telo ena sama velika, prostorskoumrežena makromolekula z amorfno strukturo. To duroplastom omogoča veliko trdnost in obstojnost oblike (od tod tudi ime duros = trd) vez, ki nastane med makromolekulami se ne sprosti niti s segrevanjem, zato so te snovi po reakciji nerazstaljive in se razkrojijo šele pri sežigu. Kljub temu pa so duroplasti na številnih področjih nezamenljivi. Odlikuje jih predvsem velika temperaturna obstojnost in trdnost.
K.7.
DODATKI POLIMEROM – ADITIVI 23060640
Vsebinsko kazalo 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23.
Vsebinsko kazalo .................................................................................................................. Kazalo slik ............................................................................................................................ Kaj so aditivi? ....................................................................................................................... Gladila................................................................................................................................... Mehčala................................................................................................................................. Žilavost ................................................................................................................................. Ojačitve ................................................................................................................................. Toplotni stabilizatorji............................................................................................................ Svetlobni stabilizatorji .......................................................................................................... Maziva............................................................................................................................... Ločilna sredstva ................................................................................................................ Regulatorji viskoznosti in tiksotropnosti .......................................................................... Zamreževala...................................................................................................................... izboljšanje oprijemanja ..................................................................................................... Gorljivost .......................................................................................................................... Antistatiki.......................................................................................................................... Dodatki za samogasnost:................................................................................................... Barvila............................................................................................................................... Metali in metalni oksidi .................................................................................................... Dodatki za povečano udarno žilavost ............................................................................... Polnila ............................................................................................................................... Zaključek........................................................................................................................... Viri ....................................................................................................................................
Kaj so aditivi? Aditivi so sredstva ki se uporabljajo kot dodatek polimeru za izboljšanje njegovih lastnosti. V nekaj odstavkih vam bom opisal nekaj najbolj znanih aditivov v vsakdanjem življenju.
Gladila Pod gladila spadajo vsa sredstva ki preprečujejo obrabo delov. Nam izboljšajo drsnost in nam zmanjšujejo obrabo plastičnih delcev. Posebna maziva dodajamo za boljše ločevanje izdelka od kalupa. Največ o gladilih sem našel v avto industriji. Primer avtoindustrije: TURMOGEAROIL je bilo razvito za močno obremenjene industrijske obrate. LUBCON olje za zobata gonila TURMOGEAROIL se uporablja za mazanje čelnih, kegelnih in polžjih pogonov, za zobate pogone in ležaje, za potopno in obtočno mazanje,
kakor za sklopke na pažlje, tlačne ležaje valjčnih čepov in za močno obremenjene drsne ploskve (zgibe). Posebno so se izkazala olja na zobatih pogonih in ležajih pri valjalnih strojih, kalandrih, rudniških strojih in strojih za drobljenje smole. LUBCON olje za zobata gonila TURMOGEAROIL vsebuje močno učinkujoče dodatke, ki zavirajo obrabo (tako imenovani EP-aditivi), proti oksidante in snovi, ki preprečujejo korozijo. Kot osnovno material se dodaja rafinate visoke vrednosti.[1] Lastnosti • • • • • • •
visoka zmogljivost mazalnega filma za prenašanja bremen Preprečitev začetnega nažiranja in začetnih pitingov (korozija kovinskih površin v obliki jamic) Podaljšanje dobe porabe olja, visoka obstojnost staranja Ne emulgira, zato dober postopek mehanske priprave, kot je odložitev, centrifugiranje in filtriranje vode in ločevanje od ostalih tujkov Dobra korozijska zaščita. Ne nažira jekla, barvnih in lahkih kovin, kot tudi njihovih zmesi Je nevtralno na manšete in tesnila Se ne peni
Na voljo v vseh viskoznostih. Če aditivov ne uporabljamo se zgodi naslednje: Zmanjšanje moči motorja, povečana poraba goriva, »klenikanje« dieselskih motorjev, sajavost izpuha, več škodljivih plinov v izpuhu. Z Liqui moly aditivi odstranimo obstoječe obloge in preprečimo nastajanje novih. Zgorevanje optimiramo, kar pomeni, večjo moč motorja, manjšo porabo goriva in boljšo skrb za okolje. Primer Gladil: IRGALUBE® F
Mehčala Mehčala izboljšujejo elastičnost in predelavo, znižajo jakost interakcij, povečajo prosti vol, zato se poveča gibljivost makrom in elastičnost, znižujejo Tg, poslabšajo mehanske lastnosti, obstojnost na toploto, topila.
Žilavost Za povečanje žilavosti polimerom dodajamo elastične dodatke za izboljšanje žilavosti, duktilnosti in fleksibilnosti, preprečuje nastajanje mikrorazpok.
Ojačitve Ojačitve povečajo trdoto in izboljšajo mehanske lastnosti polimera. Uporabljamo jih za izboljšanje obstojnosti.
Toplotni stabilizatorji Toplotni stabilizatorji zmanjšajo oksidacijo, to so antioksidanti, ki reagirajo z radikali, da nastanejo neaktivni.
Svetlobni stabilizatorji Svetlobni stabilizatorji ščitijo pred UV žarki, spojine absorbirajo velik del energije. Primer stabilizatorja: UV-3529 N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6hexanediamine
Forumula: (C33H60N80)n Številka v registru: 193098-40-7 Slika 1. Svetlobni stabilizatorji [2]
Maziva Maziva zmanjšajo trenje pri predelavi. Poznamo dve vrsti maziv: zunanja(se ne mešajo s polimerom) notranja(s polimerom s mešajo pri višjih T). Primer: 10/726662
Sika 2. Maziva [3]
Ločilna sredstva Ločilna sredstva preprečujejo lepljenje polimerov na kovinsko površino kalupa.
Regulatorji viskoznosti in tiksotropnosti Delci z veliko površino, se uporabljajo za doseganje optimalnega tečenja pri predelavi, tiksotr je pojav znižanja viskoznosti pod vplivom mehanskih obremenitev in je reverzibilen proces.
Zamreževala Zamreževala kemijsko poveujejo makrom, nastanejo zamreženi produkti.
izboljšanje oprijemanja Dodajamo dodatki ki nam izboljšajo oprijemljivost. Primer: Organic compounds Epostar
Slika 3. Oprijemljivost [4]
Gorljivost Aditivi za zmanjšanje gorljivosti: LOI-mejni index kisika je najmanjša kolk isika v zmesi kisik-dušik, pri kateri p gori, do 21 gorijo, do 27 so samougasljivi in slabo gorljivi, nad 40 pa imajo polimeri s halogenimi elementi, ki zavirajo gorenje.
Primer: FLAMESTAB®, MELAPUR®
Antistatiki Statično nabita površina privlači prašne delce, preprečuje ločevanje plasti folij, zaradi preskoka iskre se lahko zaneti tudi požar. Zato dodamo antistatike, ki izničijo te lastnosti. Za njih pa je znano tudi da povečajo električno prevodnost površine in preprečijo nastanek elektrostatskega naboja kovine, saje, grafit. Primer antistatikov: Irganox E 201 Molekularna struktura • • • • • • • •
Ime:VITAMIN E Številka:1406-18-4 Formula:C29H50O2 Molekularna teža:430.71 EINECS:215-798-8 Gostota:0.93 g/cm3 Vrelišče:485.9 °C at 760 mmHg Plamenišče:210.2 °C Slika 4. Antistatiki [5]
Dodatki za samogasnost: Imajo nalogo povišati tempraturo vžiga, kakor tudi zmanjšati ali upočasniti gorljivost plastičnih mas. Ti dodatki so organski ali anorganski. CC Master (Masterbatchi) –. Uporabljajo se aditivi za uv obstojnost, parfumi, ognjeodporni, lasersko markirni, antistatični, antimikrobni itd. Primeri: CC MASTER PP FR50 - ognjeodporni dodatek CC MASTER PP 90150 FR - ognjeodporni dodatek CC MASTER PP 70350 FR - ognjeodporni dodatek
Primeri:
Slika 5. Dodatki za samogasnost [6]
Barvila Barvila za plastične mase so posebno pripravljeni netopni anorganski ali organski pigmenti. Le majhen del predstavljajo barvila, ki so topljiva v plastiki. Anorganski pigmenti so praviloma stabilnejši, organski pa so briljantnejši. Primer barvil: VIBRACOLOR®, PURICOLOR®
Metali in metalni oksidi Z njimi povečamo toplotno in električno prevodnost
Dodatki za povečano udarno žilavost Polimeri pri nizkih temperaturah postanejo krhki, zato jim dodajamo aditive da do tega ne pride.
Polnila Polnila največkrat dodajamo v prašnati ali drobnozrnati obliki in se običajno dobro sprimejo z osnovnim materialom. Z njimi izboljšamo končne lastnosti osnovnega materiala. So nevtralni dodatki, znižujejo ceno, izboljšajo trdoto, žilavost, tečenje, električno in toplotno prevodnost, trdnost. Poznamo dve vrsti polnil: •
organska polnila: celulozna moka in kavčuk
•
anorganska polnila: aluminijeve in barijeve spojine, karbonati, silikati
Primer:
Slika 6. Polnila [7]
Zaključek Pri izdelavi te seminarske naloge sem ugotovil kje vse se uporabljajo additivi oz dodatki polimerom in kako pomembni so za vsakdanje življenje. Ugotovil sem tudi da ni veliko literature v slovenskem jeziku.
Viri [1] http://images.google.si/imgres?imgurl=http://www.chemblink.com/structures/1 93098-40-7.gif&imgrefurl=http://www.chemblink.com/products/193098-407.htm&usg=__T4OrhyQoDDwD9xtnEIdclxP6f58=&h=164&w=225&sz=2&hl= sl&start=11&sig2=s4KN1Z9IVWCwInCwzQ2Rmg&um=1&tbnid=bD74mIQd Dd0cZM:&tbnh=79&tbnw=108&prev=/images%3Fq%3Dlight%2Bstabilizers %2Bstructure%26hl%3Dsl%26sa%3DN%26um%3D1&ei=gBEtS6iNqCSmwOCisDHBw [2] http://images.google.si/imgres?imgurl=http://www.chemblink.com/structures/1 93098-40-7.gif&imgrefurl=http://www.chemblink.com/products/193098-407.htm&usg=__T4OrhyQoDDwD9xtnEIdclxP6f58=&h=164&w=225&sz=2&hl= sl&start [3] http://images.google.si/imgres?imgurl=http://www.freepatentsonline.com/69921250large.jpg&imgrefurl=http://www.freepatentsonline.com/6992125.html&usg=__wF9 we_9lMMYcMGtUxRN10acyWSA=&h=411&w=574&sz=15&hl=sl&start=6&sig2 =eOQOYy2fQcJegspOB2vevg&um=1&tbnid=QvSABtaVViRDQM:&tbnh=96&tb nw=134&prev=/images%3Fq%3Dluwax%2Bstructure%26hl%3Dsl%26sa%3DN% 26um%3D1&ei=ehMtS5iEFZLkmwO60rTJBA [4] http://www.shokubai.co.jp/eng/products/images/pic_epostar_02.gif [5] http://www.lookchem.com/cas-140/1406-18-4.html [6] http://www.chemistry.wustl.edu/~edudev/LabTutorials/Ferritin/FerritinGraphi cs/tyr_asp_val.jpg [7] http://www.chemdrug.com/databases/dataimg/7/65723.png [8] Plastics additives handbook, 6th edition, HANSER
K.8.
LES
23040030
Ključne besede: Mehanske lastnosti lesa, modul elastičnosti, natezna in tlačna trdnost, cepilna trdnost, trdota, gostota, voda v lesu, krčenje in nabrekanje, toplotna prevodnost, obrabljivost, vpliv usmerjenosti zrn, trajnost in zaščita, gorljivost, kurilna vrednost. Povzetek: Različne vrste lesa imajo različne fizikalne in mehanske lastnosti, na podlagi katerih kasneje izberemo primerno vrsto lesa za tisti izdelek oz. stvar, ki jo nameravamo izdelati. Vsaka vrsta lesa ima svoje specifične lastnosti, na podlagi katerih nato sledi seveda tudi primerna obdelava. Ravno zaradi tega je potrebno poznavanje razlike med različnimi lesovi. Uvod: Glavni namen te naloge je raziskati posamezne lastnosti lesa, katerih poznavanje je potrebno za nadaljnje delo z lesom. V praksi je bilo dostikrat opaženo, da se različne vrste lesov različno odzivajo na naše ravnanje z njimi, zato želim tokrat priti do dejstev, zakaj do takšnih odzivov prihaja. Zgradba debla: Ko je drevo posekano, naposled odkrije skrivnost in naravo lesa, iz katerega je. Prerez debla kaže različna tkiva, ki so razporejena v koncentričnih krogih in kažejo posamezne faze rasti. Zunanji krog je lubje (1), ki varuje drevo pred vremenskimi vplivi, škodljivci in poškodbami. Sestavljajo ga tri plasti: povrhnjica, plutasta plast in sekundarna skorja. Skorja je nemalokrat močno nagubana ter močno in globoko razpokana. Vrste dreves se med seboj razlikujejo po različnih skorjah. Za skorjo je plast ličja (2), to je najmlajša plast, v kateri so elastična likova vlakna, po katerih krožijo hranljive snovi. Te prihajajo iz kambija po posebnih vodovodnih ceveh in strženovih žarkih. Plast za ličjem se imenuje kambij (3): to je elastično tkivo, sestavljeno iz celic, ki imajo tanko celulozasto mrenico. V vsakoletnem obdobju rasti nastajajo v kambiju obroči - branike, ki predstavljajo vsakoletni prirastek. S štetjem teh obročev lahko ugotovimo starost drevesa. Za kambijem je na vrsti beljava (4) - to je nov les v nastajanju. Ta plast je še zelo občutljiva in rada nagnije. Osrednja plast je plast jedra ali pravega lesa ali črnjave (5): v njem je pravi, zreli les. Les je gost, ker so cevke že stisnjene olesenele ter po njih ne priteka več življenjski sok. Vlakna rastnih obročev so tako stisnjena, da jih ni več videti. Ko drevo raste, pridobiva vedno več lesa, saj cevi lesenijo od jedra navzven. Na sredi debla je stržen iz mehkih gobastih celic, ki so običajno svetle barve; te se med staranjem drevesa počasi krčijo in pri nekaterih vrstah tudi popolnoma izginejo.
Slika 1: sestava debla Tlačna trdnost lesa: Tlačna trdnost je odpor lesa proti maksimalni sili, ki stiska, tlači les vzporedno, s smerjo lesnih vlaken ali pa pravokotno nanje. Tlačna trdnost v smeri lesnih vlaken je približno polovico manjša kakor natezna trdnost v isti smeri. Tlačna trdnost lesa je pomembna pri lepljenju lesa, pri železniških pragovih, pri pilotih, stebrih, strešnih in drugih nosilnih konstrukcijah, nogah pri stolih in mizah.
Slika 2: Prikaz tlačnih sil na vlakna
Natezna trdnost lesa: Natezna trdnost je odpor lesa proti maksimalni zunanji sili, ki vleče (razteza) les vzporedno z lesnimi vlakni ali pravokotno nanje. Natezna trdnost niha v velikem razponu že pri isti drevesni vrsti. Delovanje natezne sile pravokotno na lesna vlakna in vzporedno z lesnimi vlakni :
Slika 3: Prikaz nateznih sil, glede na vlakna. V smeri lesnih vlaken je natezna trdnost zelo velika zaradi zgradbe celične stene, ker celulozne molekule potekajo pretežno v aksialni smeri. Celuloza ima v aksialni smeri veliko natezno trdnost. To se odraža v raztržni dolžini. Raztržna dolžina je dolžina palice, ki se pretrga zaradi lastne teže, če bi jo na enem koncu obesili. Pri palici iz ciste celuloze bi se palica raztrgala med 18 in 28 km, kar je primerljivo z jeklom, ki ima raztržno dolžino okrog 32 km. Pri uporabi lesa za lesne konstrukcije se izogibamo natezni obremenitvi, ki bi delovala prečno na smer lesnih vlaken. Kaj je trdota lesa: Trdota lesa je lastnost , ki pove, kakšen odpor nudi površina lesa na neko silo s katero delujemo na to površino. Taka sila je lahko orodje s katerim obdelujemo les, čevlji s katerimi drsamo, naprimer po parketu ali pa trud s katerim zabijamo žebelj v les. Vrste lasa bi lahko v grobem razdelili na trde in mehke. Trde lesove težje obdelujemo in so bolj odporni na površinsko obrabo. Mehke lesove pa lažje obdelujemo, se površinsko hitro obrabijo in so praviloma lažji ob trdih lesov. Trd les praviloma uporabljamo za talne obloge, stopnice, pohištvo… medtem ko mehak les bolj za embalažo, gradbeni les, rezbarijo,modelarstvo in podobno. Trdi lesovi so: gaber, akacija, hruška, hrast, brest, bukev, jesen, javor…Mehki lesov pa so: smreka, jelka, bor, macesen, lipa, topol, jelša, breza, kostanj, vrba,…
Trdota Brinell je količnik med preizkusno obremenitvijo (50 kg sile na kroglo 10 mm premera) in površino nastalega odtisa. Spodnja tabela prikazuje količnike trdote za najbolj pogoste vrste lesa. Vrsta Oreh Češnja Jesen Bukev Hrast Javor Bambus Oljka
Stopnja trdote po Brinnellu 2,5 3,0 3,5 3,7 3,7 4,0 4,0 5,9
Smeri določanja trdote lesa: a) na prečnem prerezu sila deluje v smeri lesnih vlaken, b) na (vzdolžni) radialni ploskvi sila deluje pravokotno na smer lesnih vlaken, c) na (vzdolžni) tangencialni ploskvi sila deluje pravokotno na smer lesnih vlaken.
Kaj je trdnost lesa: Trdnost lesa je lastnost , ki pove koliko obremenitve les prenese preden se zlomi. Trden les prenese veliko obremenitev preden se zlomi, in obratno, šibak les ne prenese velikih obremenitev. Na trdnost lesa močno vpliva teža (gostota) lesa. Težji, torej gostejši lesovi, so bolj trdni od lažjih lesov. Po trdnih lesovih sežemo, ko gradimo razne konstrukcije, pohištvo in vsepovsod tam kjer mora les prenašati veliko obremenitev. Trdni les je les hrasta, jesena, bresta, bukve, akacije, gabra, macesna.
zelo mehek les
bor, smreka, jelka, lipa
mehek les
macesen, breza, jelša
srednje trd les
brest
trd les
gaber, javor, hrast, oreh
zelo trd les
dren
Cepilna trdnost: Cepljivost je razdvajanje lesa v vzdolžni smeri. Cepljivost je včasih zaželjena. S cepljenjem izdelujemo drva, doge za sode, skodle za prekrivanje streh, vinogradniške kole, cepanice … Nezaželjena pa je v mizarstvu in rezbarstvu. Primer zelo cepljivega lesa je smrekov les, izredno težko cepljiv pa je npr. les platane.
Najpomembnejši kriteriji cepljivosti: - Lesne vrste z ravnim potekom lesnih vlaken imajo nižji razcepni odpor kakor vrste z zavito rastjo. - Razcepni odpor praviloma narašča z gostoto lesa. - Vlažen les ima nižji razcepni odpor kakor suh. - Razcepni odpor je najmanjši, če postavimo cepilni klin na prečni prerez lesa v smeri lesnih trakov oz. v radialni smeri in nato cepimo les v smeri vlaken. Voda v lesu: Higroskopičnost je lastnost , ki pove, da je les sposoben vpijanja in oddajanja vode, torej vlaženja in sušenja. Les lahko vpija vodo iz zraka (zračna vlaga), lahko pa vpija vodo, ki je v tekočem stanju. To je proces vlaženja lesa. Takrat les nabreka. Ravno tako les v primernih okoliščinah oddaja vodo v zrak, torej se suši. Pri tem se krči, običajno poka in se zvija (še posebno če so hitrosti sušenja prevelike).Ko se hlodi razžagajo v deske, je les v deskah vlažen. Take deske moramo, preden jih predelamo v izdelke, posušiti. To storimo tako, da deske zložimo v kup, med njih pa vstavimo prečne letve. Tako pripravljen les potem sušimo na zraku ali pa v posebnih zaprtih prostorih (sušilnicah), pri višjih temperaturah. Šele v sušilnicah posušen les je pripravljen za predelavo v izdelke kot so pohištvo , talne obloge, vrata , okna… Posušen les se lahko v vlažnem zraku ali vodi ponovno navlaži. Glavne posledice vpijanja in oddajanja vlage v zrak pri lesu so: spremembe dimenzij (les nabreka, ko vpija vlago in se krči, ko vlago oddaja v okoliški zrak), zvijanje lesa in razpoke, ki nastanejo vzdolž vlaken v lesu. - vlažnost lesa To je eden od osnovnih podatkov o lesu. Ugotavljamo ga lahko na dva načina: - metoda tehtanja - metoda merjenja električne prevodnosti lesa Vlažnost lesa merimo v odstotkih, označimo pa z u%. Do tega odstotka pridemo s sledečo formulo: m − mo u (% ) = u mo Objasnitev oznak v formuli: mu – masa vzorca vlažnega lesa mo – masa vzorca sušilniško suhega lesa Krčenje ali nabrekanje: Kadar se les suši, se njegova prostornina zmanjšuje in posledica tega je krčenje lesa. Les se krči zaradi oddajanja vezane vode, ki je vezana v celični steni na celulozne molekule. Les se v različnih smereh različno krči (anizotropija): vzdolžno 0,5%, prečno – radialno (1-5%), prečno – tangencialno (5-10%). Nasproten pojav pa je nabrekanje lesa, ki se pojavi ob vlaženju lesa, saj se tedaj njegova prostornina in gostota povečata.
Oba pojava sta v praksi precej moteča in povzročata težave pri izdelavi in vzdrževanju lesnih izdelkov. Za zaščito lesa pred tovrstnimi pojavi se uporabljajo različni premazi, ki les zaščitijo pred izgubo vlage ali pretiranim vlaženjem. Vrednosti krčenja so odvisne od drevesne vrste in so podane v tabeli:
radialno
tangencialno
Gostota lesa pri 12% vlažnosti lesa
BUKEV
5,80
11,80
720
HRAST
5,00
9,86
760
JAVOR
3,00
8,00
600
KOSTANJ
4,30
6,40
570
MAHAGONIJ
3,20
5,10
600
MACESEN
3,30
7,80
590
OREH
5,00
7,30
720
OLJKA
1,80
3,50
950
SMREKA
3,60
7,40
470
Drevesna vrsta
Krčenje lesa od 30-0% vlažnosti lesa
Trajnost lesa: Trajnost lesa je lastnost lesa , ki pove kako, je les odporen na gnitje in razpadanje oziroma koliko časa obdrži svoje prvotne lastnosti. Trajen les je naravno bolj odporen na gnitje in razpadanje, medtem ko, netrajen les hitreje razpada. Lastnost trajnih lesov je, da dlje vzdržijo v pogojih , ki so ugodni za začetek razpadanja (visoka vlažnost lesa, ugodne temperature). To lastnost izkoriščamo povsod tam kjer je les stalno v stiku z vlago, bodisi v zemlji, vodi ali zraku. Tako iz takih vrst izdelujemo razne drogove, pilote, konstrucije , ki so izpostavljene dežju in podobno. Les v glavnem uničujejo insekti, glive, vremenski vplivi (dež, sonce, zrak) ter mehanska obraba. Noben les ni varen pred škodljivci, so samo bolj in manj odporni. Trajni lesovi so: hrast, kostanj , akacija, macesen, bor, deloma brest, oreh …Izrazito netrajni lesovi pa so: topol, lipa, jelka, bukev , javor, pa tudi jesen.
V ugodnih pogojih les bolj ali manj hitro razpada. Še najbolje se obdrži, če je popolnoma suh ali pa popolnoma potopljen v vodo. V takih razmerah so pogoji za razvoj insektov in gliv najmanjši. Dokaz za to so ostanki starih lesenih ladij in čolnov, ki jih arheologi odkrivajo na dnu morja in močvirji, ali pa pohištvo iz faraonovih grobnic, zgrajenih pod zemljo v suhih puščah. V takih razmerah les lahko vzdrži tudi tisoče let. Gostota: Gostota lesa (pri določeni vlažnosti) je razmerje med maso in volumnom danega telesa. Izračunamo jo po formuli:
Gostota lesa je odvisna predvsem od: - poroznosti - deleža tkiv - vode v lesu Gostota lesa je odvisna od njegove vlažnosti. Zato razlikujemo: - gostoto pri drugih vlažnostih, npr. gostoto sveže posekanega lesa - gostoto zračno suhega lesa pri vlažnosti 12 – 15 % -gostoto lesa v absolutno suhem stanju pri vlažnosti 0 % Kolikšna je gostota zračno suhega lesa pri posameznih drevesnih vrstah je razvidno iz naslednje tabele: VRSTA
GOSTOTA kg/m3
bukev
720
gaber
830
hrast
700
jesen
690
kostanj
570
lipa
530
oreh
680
bor
520
jelka
450
macesen
590
smreka
470
Gostota lesa je nezaželjena pri transportu in ravnanju (prekladanju) z lesom, saj pravimo les je težek. Pri obdelavi lesa pa je večja gostota zaželjena, saj je znano, da se redki lesovi ne obdelujejo dobro, medtem ko je obdelava gostih praviloma zelo dobra. Npr.: struženje, brušenje Za rezljanje pa je zaželjen redkejši les. Gorljivost in kurilna vrednost lesa: Osnovna lastnost goriv je kurilnost. Kurilnost lesa je količina toplote, ki nastane pri popolnem izgorevanju enote goriva, pri čemer se produkti izgorevanja ne ohladijo pod temperaturo rosišča vodne pare. Izražamo jo v kWh/kg, MJ/kg, kWh/m3 ali MJ/m3.
Na kurilno vrednost lesa vplivajo naslednji dejavniki: 1. Vsebnost vode ali vlažnost lesa
2. Kemična zgradba lesa 3. Gostota lesa 4. Drevesna vrsta in deli drevesa 5. Zdravstveno stanje
Primerjava energijskih vednosti drevesnih vrst na osnovi mase (osnova je energijska vrednost Bora)
Primerjava energijskih vednosti drevesnih vrst na osnovi prostornine (osnova je energijska vrednost Robinije)
Primerjava
grafikonov
kaže
na
naslednje:
Če kupimo 1 m3 topolovega lesa bomo dobili kar 39 % manj energije kot če bi kupili 1 m3 bukovega lesa. Na osnovi prostornine (m3) se nam poleg bukve izplača kupovati še les hrasta, robinije in gabra. Razlike v energijski vrednosti so manjše če kupujemo lesno biomaso po teži (t ali kg). V tem primeru bi pri nakupu 1 t topolovega lesa kupili le 1 % manj energije kot če bi kupil 1 t bukovega lesa. Pri kupovanju glede na težo pa moramo upoštevati vsebnost vode! Zdravstveno stanje: ohranjenost lesa bistveno vpliva na kurilno vrednost (trohneč les ima manjšo gostoto in s tem tudi nižjo kurilno vrednost). Toplotna prevodnost: Les ima pomembne toplotne lastnosti. Te lastnosti so posebno dobro opazne v lesenih stavbah – v njih nam pozimi ni mrzlo, poleti pa ne prevroče. Toplota je notranja energija snovi, ki prehaja skozi snov od toplejšega k hladnejšemu delu. Lastnost materiala, da prevaja toploto, imenujemo toplotna prevodnost (T). Pri lesu je sorazmerno nizka, zato je les dober toplotni izolator. Dobri toplotni izolatorji so tudi zrak, voda, stiropor in podobno, slabi toplotni izolatorji (torej dobri prevodniki) pa so na primer kovine. Listavci so bolje toplotno prevodni kot iglavci. Toplotna prevodnost je za določen material stalna, pove pa, koliko joulov toplote v eni sekundi preide skozi material s prečnim prerezom 1 m2 in dolžino 1 m pri temperaturni razliki 1 K. Toplotna prevodnost lesa je odvisna od smeri širjenja toplote glede na smer lesnih vlaken. Les namreč bolje prevaja toploto v vzdolžni smeri kot v prečni smeri glede na lesna vlakna. Gostejši les tudi bolje prevaja toploto kot les nižje gostote. Z večanjem vlažnosti lesa v higroskopskem območju narašča tudi njegova prevodnost. Te lastnosti lesa so pomembne pri načrtovanju toplotne zaščite stavb in pri ogrevanju. Obrabnost lesa: Les je različno odporen proti obrabi. Večji odpor lesa proti obrabi pomeni, da z obrabo (npr. s krtačenjem ali brušenjem lesnih površin) odstranimo (odbrusimo) s površine manjšo maso lesa. Na odpor lesa proti obrabi vplivajo predvsem gostota (z gostoto lesa narašča njegov odpor proti obrabi), vlažnost (suh les ima večji odpor proti obrabi kot vlažen les) ter prerez lesa (na prečnem prerezu lesa je odpor največji in na radialnem prerezu najmanjši). Odpor proti obrabi je pomemben pri lesu, ki ga vgradimo v talne obloge, stopnice in lesen tlak. Pri lesenem tlaku je površina, po kateri hodimo, sestavljena iz prečnih prerezov lesa. Površino masivnega lesa iglavcev lahko oplemenitimo tako, da obrabimo vrhnji sloj, npr. s krtačenjem. Rani les se prej obrabi kakor kasni, zato kasni les in grče izstopijo. Po krtačenju dobimo reliefno oblikovano površino in močno poudarjeno vidno zgradbo lesa. Viri in literatura: http://www.parketar.si/index.php?pageid=103 http://www.cpi.si/files/cpi/userfiles/Lesarstvo_tapetnistvo/4-LES_LASTNOSTI.pdf http://www.zavod-irc.si/docs/Skriti_dokumenti/Povrsinska_obd._in_zacsita_lesa_vajePeserl.pdf http://ro.zrsss.si/~puncer/les/les1.htm http://www2.arnes.si/~evelik1/les/trdnost_lesa.htm
K.9. KOMPOZITI Z OJAČITVIJO 23060459 VOLFRAMOVEGA KARBIDA IN KOBALTA Zgodovina kompozitov: Kompozitne materiale – kompozite je pričel človek uporabljati zelo zgodaj, le da jih danes poimenujemo z bolj zvenečimi imeni. Tudi prva bivališča so bila namreč narejena iz mešanice blata in veznega materiala, najpogosteje so uporabili slamo, šibje in bambus, kasneje pa se v gradbeništvu začne pogosteje pojavljati les. Od nekdaj se je pri uporabi lesa izkazala predvsem njegova sposobnost kljubovanja visokim temperaturam in požarom, saj se poruši bistveno kasneje, kot na primer jeklo. S pogostejšo uporabo tega naravnega materiala, pa so se konstruktorji znašli pred novim izzivom, ki je hkrati skupen vsem kompozitom. Njihova vzdolžna trdnost in odpornost na udarce je mnogo višja od prečne. V primeru lesa so to rešili z mletjem in križnim lepljenjem ter predelavo lesa v vezane plošče. http://www.veplas.si/index.php?page=static&item=40&tree_root=39 Razdelitev kompozitov: Polimeri: so substance, katerih velike, dolge verižne molekule so sestavljene iz ponavljajočih se monomernih enot. Poznamo naravne in umetne polimere. Med naravne sodijo protein, škrob, celuloza, hitin, lignin in lateks. Med umetne polimere pa plastične mase. Polimerne materiale lahko razvrstimo na način pridobivanja, glede na njihovo molekulsko zgradbo, glede na kemijske sorodnosti ali glede na njihove mehanske in termične lastnosti. Polimerne materiale na temelju njihovih mehanskih in termičnih lastnosti delimo na termoplaste, duroplaste in elastomere. Nekompoziti: raziskave na vlaknih, poimenovanih nanodelci, kažejo, da so polimerni nanokompoziti bistveno lažji od izdelkov, narejenih iz običajnih materialov, ter imajo bistveno boljše mehanske in termične lastnosti. Zanimivo je, da se z uporabo nanodelcev izboljša tako trdnost kot žilavost materiala, saj se običajno ob izboljšanju ene lastnosti druga poslabša. Če kot primer vzamemo folije, ki jih uporabljamo za zavijanje in shranjevanje živil, ugotovimo, da so narejene vsaj iz treh pa tja do devetih plasti različnih polimerov. Z uporabo nanokompozitov lahko izdelamo folijo iz enega samega polimera, kar seveda olajša tako njeno izdelavo kot recikliranje. Nanodelci, ki se največ uporabljajo za pripravo polimernih nanokompozitov so predvsem plastni silikati (glina, montmorilonit) in ogljikove nanocevke. Termoplasti so sestavljeni iz dolgih linearnih ali delno razvejanih polimernih verig s šibkimi intermolekularnimi vezmi. Če jih segrejemo postanejo plastični, tako da jih lahko predelujemo in pri ohlajanju zadržijo obliko izdelka. Vsi ti procesi so reverzibilni, kar pomeni, da lahko termoplaste recikliramo. Termoplasti so linearni razvejani polimeri, ki se največkrat predelujejo pri povišani temperaturi. Pri višjih temperaturah postane polimer tekoč in primeren za brizganje. Po ohladitvi talina otrdi in obdrži dano obliko. Njihova
slaba lastnost je v tem, da niso odporni proti povišani temperaturi, saj se dokaj hitro začnejo mehčati in zgubijo svoje mehanske lastnosti. Termoplaste delimo na amorfne in delnokristalinične. Amorfni materiali se po predelavi manj krčijo in so zato dimenzijsko manj problematični, poleg tega pa so tudi izotropični, za razliko od delnokristaliničnih materialov, ki se bolj krčijo, poleg tega pa so anizotropični. V Veplasu te materiale predelujemo s tehnologijo brizganja, ekstrudiranja, pihanja, termoformiranja in stiskanja. Duroplasti: so sestavljeni iz polimernih verig, ki so med seboj povezane z močnimi kovalentnimi vezmi in tvorijo tridimenzionalno zamreženo strukturo. Reakcijo tvorbe primarne kemijske vezi med makromolekulami imenujemo zamreženje. Obseg oziroma stopnja zamreženosti določa lastnosti teh materialov. Z naraščanjem stopnje zamreženosti imajo duroplasti večjo trdnost, material postaja bolj trd in krhek in ga ni mogoče več staliti. Pri segrevanju razpade zamrežena tridimenzionalna zgradba v atome ali atomske skupine. Duroplastov po zamreženju ne moremo več preoblikovati, odlikuje jih predvsem velika temperaturna obstojnost in trdnost. Elastomeri: imajo manjšo stopnjo zamreženosti kot duroplasti. Pri delovanju zunanje sile se te vezi razklopčičijo, po razbremenitvi pa se ponovno zvijejo v klobčič – elastični učinek. Elastomeri imajo sposobnost velike elastične deformacije, ne da bi pri tem spremenili svojo začetno obliko. Makromolekulske verige so tako kot pri ostalih amorfnih polimernih materialih zvite v klobčič, ker je takšno stanje energijsko ugodnejše. SESTAVA KOMPOZITOV POLIMEROV:
V sami osnovi je kompozitni material sestavljen iz najmanj 2 elementov, ki s skupnim delovanjem producirata material oziroma lastnosti, ki niso enake lastnostim posameznega elementa. Večina kompozitov se sestoji iz masnega materiala (matrica) in ojačitve, ki zagotavlja moč in žilavost. Ojačitev je ponavadi v obliki vlakna. Kompozite lahko delimo v 3 glavne skupine: Polimerni matrični kompoziti (PMC) So najbolj pogosti. Poznani so tudi pod oznako FRP (Fibre Reinforced Polymers ali Plastics). Ti materiali uporabljajo kot matrico smolo na bazi polimerov in različne tipe ojačitev: steklena vlakna, karbon, aramid.... Metalni matrični kompoziti (MMC) Največ jih najdemo v avtomobilski industriji. Ti materiali uporabljajo kot matrico metale, kot je npr. Al, ki so ojačeni z vlakni, kot npr. silicon carbide. Keramični matrični kompoziti (CMC) Uporabljeni so v okoljih za katera je značilna visoka temperatura. Ti materiali uporabljajo za matrico keramiko. Kot ojačitev služijo kratka vlakna (silicon carbide, boron nitride).
http://www.veplas.si/index.php?page=static&item=106&tree_root=39
KOMPOZIT Z DELCI OJAČANI WOLFRAMOV KARBIT IN KOBALT:
LASTNOSTI VOLFRAMA:
Volfram v čistem stanju
Atomska struktura po lupinah
SPLOŠNE LASTNOSTI SIMBOL – slo. ime / ang. ime Vrstno število Molska masa Skupina / Perioda Agregatno stanje Opis izgleda
W – Volfram / Tungsten 74 183.85 g/mol VI. S. /stranska) / 6. P. Trden Siv prah
FIZIKALNE LASTNOSTI Gostota 19.3 g/ cm3 T tališče 3695 K T vrelišče 5825 K Entalpija uparevanja 422.58 kJ/ mol Toplotna prevodnost 174 W/mK (pri 300 K) Električna prevodnost 18.2 106 om/gcm Specifična toplotna 0.13 J/ gK (pri 300 K) kapaciteta
KEMIJSKE IN STRUKTURNE LASTNOSTI Oksidacijsko število +6 Elektronska konfiguracija [Xe]4f145d46s2 Elektronegativnost 2.36 Atomski radij 1.41 Å Kovinski radij 1.30 Å Kristalna struktura Kubična - telesno centrirana Kislinsko – bazične lastnosti Kisel
http://vsebine.svarog.org/periodni_sistem/elementi/074.htm MEHANSKE LASTNOSTI: 1. modul elastičnosti 400kn/mm2 2. natezna trdnost 750-4700n/mm2 3. trdota 275-410 HV LASTNOSTI KOBALTA:
SPLOŠNE LASTNOSTI SIMBOL – slo. ime / ang. ime Vrstno število Molska masa Skupina / Perioda Agregatno stanje Opis izgleda
Co – Kobalt / Cobalt 27 58.93 g/ mol VIII. S. (stranska) / 4. P. Trden Srebrno bela, rahlo rožnata kovina
FIZIKALNE LASTNOSTI Gostota 8.90 g/ cm3 T tališče 1768 K T vrelišče 3143 K Entalpija uparevanja 373.3 kJ/ mol Toplotna prevodnost 100 W/mK (pri 300 K) Električna prevodnost 17.9*106 om/gcm Specifična toplotna 0.421 J/ gK (pri 300 K) kapaciteta
KEMIJSKE IN STRUKTURNE LASTNOSTI Oksidacijsko število +3, +2 Elektronska konfiguracija [Ar]3d74s2 Elektronegativnost 1.70 Ionski radij 0.63 Å Kristalna struktura Heksagonalna Kislinsko – bazične lastnosti Amfoteren
http://vsebine.svarog.org/periodni_sistem/elementi/027.htm MEHANSKE LASTNOSTI: 1. modul elastičnosti: 2. natezna trdnost: 3. trdota: KOMPOZIT Z OJAČITVIJO VOLFRAMOV KARBIT IN KOBALT:
Mikrostruktura jekla 1045
po normalizaciji matriko, ki prikazuje perlitne mikrostrukturo.
MIKROSTRUKTURE:
Mikrostruktura kompozitov z delci FeB-WC/Co. Opomba: obsežno raztapljanje WC / Co.
na sliki je prikazano zmes WC/Co ter zraven postavljena matrica. TRDNOST MATRICE:
[kg/mm2] Ti podatki so bli dobljeni z preizkušanjem samih kompozitov. Površine so bile zbrušene. Vzorci so bili narezani na domenzije 10mmx10mm.
normaliziran premik Prikaz trdnosti nezarezanih vzorcev kjer lahko vodimo da ojačite z v WC/CO doseže trdnost tam od 500-700MPa
normaliziran premik Prikaz trdnosti matrice kjer so vzorci zarezani in lahko vidimo da ima jeklo z ojačitvojo WC/Co trdnost okoli 400MPa.
PRIKAZ ENERGIJE KI JE POTREBNA DA ZLOMIMO DOLOČENI KOMPOZIT:
http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=4F14AF609E47CCA80638AFF8A515 2439?purl=/820934-Kcz06m/native/ SINTRANJE:
Sintranje izvajamo v komornih ali polkontinuirnih pečeh v vakuumu, vodikovi ali inertni atmosferi. Pri 400-500 °C izpari vosek in uparjeno mazivo se kondenzira zunaj peči. Končno sintranje poteka pri 1300-1600 °C. Dejanska temperatura je odvisna od dežela kobalta: več kot je Co, nižja je temperatura. Končna temperatura sintranja je nad evtektično temperaturo sistema karbid-vezivo. Odlična omočitev WC s Co omogoči hitro sintranje s tekočo fazo, ki stimulira koalescenco delcev WC in proizvede popolnoma gosto mikrostrukturo, navidez brez poroznosti. Linearni skrček pri sintranju je 15-25 %. Prednosti vročega izostatskega stiskanja (HIP – Hot Isostatic Pressing) izkoriščamo od leta 1970. Pri delih, ki zahtevajo veliko zanesljivost in površinsko integriteto, izvedemo HIP, da odstranimo preostalo poroznost, luknjice in napake. Material segrejemo nad likvidus in komoro napolnimo z inertnim plinom s tlakom nekaj manj kot 100 MPa. Kombinacija tlaka in maziva prisili vezivo v preostale luknjice in poroznost. V zadnjem obdobju se sintranje s tekočo fazo in HIP združujeta v enoten postopek. Sinter-HIP uporablja nižje tlake in temperature kot konvencionalni HIP, ne da bi trpela zanesljivost delov. Mikrostruktura je enakomernejša, cena pa sprejemljivejša. VIRI: 1. 2. 3. 4.
http://www.veplas.si/index.php?page=static&item=40&tree_root=39 http://www.veplas.si/index.php?page=static&item=106&tree_root=39 http://vsebine.svarog.org/periodni_sistem/elementi/027.htm http://www.osti.gov/bridge/purl.cover.jsp;jsessionid=4F14AF609E47CCA80638AF F8A5152439?purl=/820934-Kcz06m/native/ 5. Krautou strojniški priročnik 6. podatki tehnnologa iz podjetja Veplas
K.10.
KOMPOZITI
23060259
Zahteva naloge seminarja: Kompoziti s karakimi vlakni: steklena vlakna v poliestru. Lastnosti steklenih vlaken in poliestra posebej, modul elastičnosti, trdnost, temperatura tališča vsakega, način izdelave kompozita. Lastnosti kompozita, trdnost, trdota, delež vlaken in matrice, odvisnost trdnosti od temperature, toplotna prevodnost, temperatura termičnega šoka, aplikacije. POLIMERNE OSNOVE: Imajo manjšo trdnost in modul elastičnosti kot kovinske in keramične osnove Imajo zelo majhno gostoto in so dobro odporni proti kemikalijam in vodi Osnove iz plastomerov so žilave, iz duromerov pa krhke V večini slabo prevajajo toploto in električni tok. Najpogosteje uporabljene polimerne osnove so duromeri: epoksidne smole, nenasičeni poliestri, fenolne smole, seveda pa je še kar nekaj plastomerov.
Utrjevalna faza je nezvezna sestavina kompozita, ki izboljša mehanske lastnosti zvezne sestavine – osnove; s tem dosežemo željene lastnosti. Utrjevalna faza je lahko amorfna ali kristalna. Glede na obliko pa delimo utrjevalno fazo na: delce, kosmiče, vlakna, lističe ali polnila.
Kompoziti z utrjevalno fazo iz vlaken z zelo majhnim premerom imajo veliko večjo trdnost in togost kot pa material z večjimi dimenzijami. Vzrok temu je, da imajo
tanka vlakna bistveno manj napak, kot pa isti material večjih dimenzij. Prav zaradi te lastnosti se kompoziti z vlakni veliko uporabljajo kot konstrukcijski material. Vlakna, ki jih uporabljamo za kompozitne materiale lahko razdelimo na: - viskerje - kratka (diskontinuirana) vlakna - dolga (kontinuirna) vlakna Viskerji so zelo tanki monokristali, ki imajo veliko razmerje dolžina/premer. Njihova kristalna mreža vsebuje izredno majhno število napak, zato so viskerji izredno trdni. Njihova slabost je visoka cena, kar onemogoča dostopnost. Kratka in dolga vlakna so amorfna, lahko pa so tudi kristalna. Za uspešno utrditev osnove morajo imeti vlakna naslednje lastnosti: - majhno gostoto - velik modul elastičnosti - veliko natezno trdnost - majhno topnost v osnovi - termodinamično stabilnost - kemijsko obstojnost - nestrupenost - ustrezne tehnološke lastnosti Vlakna, ki se v večini uporabljajo danes, imajo veliko trdnost in majhno gostoto, atomi v vlaknih pa so ponavadi povezani z kovalentno vezjo za zagotovitev velikega modula elastičnosti. Z vlakni utrjeni kompoziti Ta vrsta kompozitov je najbolj znana in se tudi veliko uporablja, saj se odlikuje z veliko trdnostjo in togostjo pri zelo majhni gostoti Kompozite utrjene z vlakni delimo glede na dolžino vlaken na kompozite z dolgimi vlakni ali kontinuirne kompozite in kompozite s kratkimi vlakni ali diskontinuirne kompozite Diskontinuirni kompoziti nimajo bistveno večje trdnosti od osnove, saj so vlakna prekratka, da bi se lahko napetosti iz osnove uspešno prenesla na njih
Slika nam prikazuje prenos napetosti z osnove na vlakno Napetost, ki jo osnova prenese na vlakno, se povečuje z oddaljenostjo od koncev vlaken. Pri določeni vrednosti x doseže napetost največjo vrednost. Vlakno ima kritično dolžino takrat, kadar velja l=2x, torej kadar je vlakno dolgo za dve vrednosti
x. Kritična dolžina vlakna pa je odvisna tudi od premera vlakna, natezne trdnosti vlaken ter od jakosti kemijske vezi. Če poznamo vse te parametre, lahko izračunamo kritično dolžino vlaken: LC=dσF/ σC. Če delujemo na kompozit z napetostjo σ= σF in je l=LC, potem dosežemo največjo napetost točno na sredini vlakna. Če je l>LC je utrjanje z vlakni še bolj uspešno, saj se poveča tisti del vlakna, ki je obremenjen z največjo napetostjo. Kadar pa je l15LC imenujemo zvezna (kontinuirna) vlakna, tista, ki imajo pa manjšo dolžino pa imenujemo nezvezna (diskontinuirna) vlakna. Kompoziti z vlakni, ki so krajši od LC, pa so po lastnostih podobni kompozitom utrjenimi z delci.
Slika nam prikazuje porazdelitev napetosti po vlaknu v odvisnosti od dolžine vlaken in jakosti kemijske vezi
Prikaz enega izmed vlaken Zelo dobra lastnost kompozitnih materialov je, da lahko veliko lastnosti že vnaprej izračunamo.
Spreminjanje modula elastičnosti kompozita utrjenega z zveznimi vlakni v odvisnosti od prostorninskega deleža vlaken pri vzdolžni (A) in prečni (B) obremenitvi
V snoveh, ki so utrjene z vlakni, je osnova lahko kovinska, keramična ali polimerna. Vlakna so zvezna ali kontinuirna in prekinjena ali diskontinuirna. Običajno je utrjevalni učinek večji, če je razmerje med dolžino L in premerom d vlaken veliko. Zaradi tehnoloških težav je težko izdelati vlakna, ki so tanjša od 1 µm. Osnovna težnja v razvoju materialov je izdelati material z ugodnim razmerjem med natezno trdnostjo in gostoto, z visoko žaroobstojnostjo ter s posebnimi lastnostmi površine. Teoretično bi imele najboljše lastnosti keramične snovi z majhnim povprečnim vrstnim številom: BeO, Al2O3, SiC, B. Toda te snovi imajo majhno preoblikovalnost in veliko zarezno občutljivost. Ustrezno trdnost imajo šele v obliki zelo tankih vlaken, ko se njihova trdnost približuje teoretični vrednosti. Trdnosti 1-4 µm debelih vlaken nekaterih snovi so podane v tabeli 1: Tabela 1: Trdnost 1-4 µm debelih vlaken Material Ge Cu Si C (grafit) Al2O3 SiC
Natezna trdnost [N/mm2] 12000 3000 7000 20000 16000 20000
Običajno so raztezki ob prelomu keramičnih vlaken, ki imajo največje trdnostne lastnosti, le 2-3 %. Trdnostne lastnosti vlaken pridejo do izraza le takrat, če so v žilavi kovinski ali polimerni osnovi. Za dobro prenašanje obremenitve z osnove na vlakno je nujna trdna povezava med vlakni in osnovo, ki je odvisna od zgradbe in lastnosti mejne površine osnova/vlakno. Osnova in vlakno morata biti kemično in mehansko združljiva ali kompatibilna (to v načelu velja za vse vrste kompozitnih materialov). Pod kemično združljivostjo razumemo termodinamsko in kinetično združljivost. Različne snovi so termodinamsko združljive, če so vse faze v termodinamskem ravnotežju. To pomeni, da se snovi med uporabo kemijsko ne spreminjajo, možna je le ogrobitev posameznih sestavin kompozita (npr. disperzoidov). Pri kompozitih je termodinamska združljivost redka (pri in-situ kompozitih), zato je toliko bolj pomembna kinetična združljivost. Faze so sicer v termodinamskem neravnovesju, vendar je prehod iz neravnotežnega v ravnotežno stanje močno upočasnjen zaradi kinetičnih dejavnikov. To so adsorbcija elementov na vmesni površini, difuzija in kinetika kemijskih reakcij. Mehanska združljivost zahteva podoben temperaturni razteznostni koeficient, elastične lastnosti... Če sta materiala združljiva, se lahko mehanska obremenitev prenaša iz ene na drugo fazo preko mejne površine. V kompozitih s kontinuirnimi vlakni se prenos obremenitve prekine s pretrgom vlakna. Če so vlakna diskontinuirna, se lahko prekine s pretrgom vlakna ali s porušitvijo mejne ploskve - izpulitvijo vlakna iz osnove. Vlakna so v matici razporejena v eni ali v več smereh. Način ojačitve je odvisen od zahtevanih lastnosti kompozita oziroma obremenitve konstrukcijskega elementa.
Lastnosti kompozita lahko predvidimo, če poznamo lastnosti sestavin. Lastnosti so odvisne od volumskega deleža sestavin, usmeritve vlaken, jakosti povezave med osnovo in vlakni... Ena od pomembnih lastnosti kompozita je modul elastičnosti. Pri izračunu modula elastičnost predpostavimo, da je oprijetje osnove in vlaken, ki ležijo le v eni smeri, zelo dobro. Če deluje obremenitev v smeri vlaken, je deformacija vlaken in osnove enaka: σo ≠ σv. Iz tega dobimo E⏐⏐ = EoVo + EvVv (Vo, Vv sta volumska deleža osnove in vlaken). Če deluje sila pravokotna na smer vlaken, velja σo = σv in εo ≠ εv. Odtod je
E⊥ =
Eo Ev EoVv + EvVo . Primeri kompozitov, ki so ojačani z vlakni so podani v tabeli 2.
Možna so vse kombinacije med osnovnimi gradivi.
Različne usmeritve vlaken v matici Tabela 2: Z vlakni ojačani kompoziti Osnova keramika kovina kovina polimer polimer
vlakno kovina keramika polimer kovina keramika
primer s kovinsko žico ojačano steklo ali beton z ogljikovimi vlakni ojačan aluminij z umetnimi vlakni ojačan aluminij s kovinskimi vlakni ojačana guma umetna snov ojačana s steklenimi vlakni
Elastično obnašanje kompozitov z vlakni
Elastično obnašanje kompozitov z vlakni Modul elastičnosti E – longitudinalno obremenjevanje Celotna obremenitev: F =F +F c
m
f
Indeks: f – vlakno, m – matrica Ali: σ A = σ A + σ A c
c
m
m
f
f
σ =σ A /A +σA /A c
m
m
c
f
c
m
m
f
f
c
Za neprekinjena vlakna: σ = σ V + σ V , (V [%]) f
Obe fazi imata enako deformacijo: ε =ε =ε ,E=σ/ε c
f
c
c
m
σ / ε = (σ / ε )V + (σ / ε )V m
c
E =E V +EV c
m
m
f
f
m
f
c
f
Elastično obnašanje kompozitov z vlakni Modul elastičnosti E – transverzalno obremenjevanje V tem primeru je napetost enaka v obeh fazah: σ =σ =σ c
f
m
c
m
m
c
c
In deformacija je vsota deformacij dveh faz: ε = ε V + ε V , (V [%]) f
f
ali: σ / E = (σ / E )V + (σ / E )V c
m
m
c
Tako da: E = (V / E + V / E ) c
m
m
f
E = E E / ((1 – V )E + V E ) c
m f
f
f
f m
f
f -1
f
Elastična anizotropija:
E = E , če je E = E (homogen, brez ojačitev) 1
2
f
m
Kompoziti z vlakni – natezna trdnost Vzdolžna Prečna Material (longitudinalna) (transverzalna) (vlakna–matrica) natezna trdnost natezna trdnost (MPa) (MPa) Steklo – poliester 700 20 Ogljik – epoksi 1000 35 Kevlar – epoksi 1200 20 Lastnosti poliestra ojačenega s steklenimi vlakni
Kompozit
Mas. % steklenih vlaken
Samo poliester S kratkimi naključnimi vlakni Z vlakni kot tkanina Z dolgimi vlakni
10 – 45
Natezna trdnost (MPa) 20 – 70 40 – 180
45 – 65 50 – 80
250 – 350 400 – 1200
Primeri: Kompoziti z epoksi matrico – lastnosti
Material (vlakno) Steklo Ogljik Kevlar
Vzdolžno R
m
(MPa) 1020 1240 1380
Prečno E
R
E
(GPa) 45 145 76
(MPa) 40 41 30
(GPa) 12 10 5,5
m
Primeri uporabe kompozitnih materialov
-Čelade za profesionalce: Izredno lahke, a trpežne -Kolo narejeno iz ogljikovih vlaken (tkanine) in epoksidne smole -Armiran beton vzdrži večje obremenitve kot navaden Reference: -doc. dr. Roman Šturm: GRADIVA – Kompozitni materiali -Internet: >http://fs-server.unimb.si/si/inst/itm/lm/GRADIVA%20predavanje/Teme%20predavanj/Kompoziti.DOC >http://fs-server.unimb.si/si/inst/itm/lm/Seminarji%20%C5%A1tudentov/KOMPOZITNI%20MATERIALI %20Harih%20zagovor.ppt
K.11.
KOMPOZITI Z DOLGIMI VLAKNI (BOROVA VLAKNA V ALUMINIJEVI LITINI)
23060549
KAZALO
1.
UVOD....................................................................................................................................
2.
KOMPOZITNI MATERIALI ............................................................................................... 2.1
ZGRADBA KOMPOZITOV .........................................................................................
2.1.1 KOVINSKE OSNOVE................................................................................................ 2.1.2 KERAMIČNE OSNOVE............................................................................................. 2.1.3 POLIMERNE OSNOVE ............................................................................................. 3.
LASTNOSTI BOROVIH VLAKEN..................................................................................... 3.1 MEHANSKE LASTNOSTI BOROVIH VLAKEN!..........................................................
4.
LASTNOSTI ALUMINIJEVE LITINE................................................................................
5.
LASTNOSTI BOR –ALUMINIJ KOMPOZITA IN IZDELAVA LE TEGA......................
6.
LITERATURA IN VIRI........................................................................................................
1. UVOD Kompoziti s kovinsko osnovo so dokaj nova generacija materialov, ki postajajo vse bolj uporabni v vsakdanji industrijski praksi. Sestavljeni so iz kovinske matrice in utrjevalne faze, ki ima lahko različno morfologijo (kontinuirna ali nekontinuirna vlakna, lamele, delci...). Z dodatkom utrjevalne faze spremenimo materialu njegove mehanske lastnosti, modul elastičnosti, elek-trično in toplotno prevodnost ter obrabno obstojnost. Na lastnosti kompozita vplivajo poleg kemijske sestave obeh faz predvsem velikost, morfologija, porazdelitev in delež utrjevalne faze. Zaradi nižjih stroškov se je v zadnjem desetletju razvoj kovinskih kompozitnih materialov usmeril predvsem na kompozite, utrjene z delci. Med postopki izdelave so najbolj razširjeni: mehansko legiranje, dodajanje delcev utrjevalne faze v talino ali dvofazno (S+L) mešanico matrice ter tvorba kompozita . Pri prvih dveh postopkih mehansko zmešamo matrico in utrjevalno fazo v zmes želene sestave, ki jo nato pri prvem konsolidiramo in visokotemperaturno sintramo, pri drugem pa kompozitno zmes z ohlajanjem popolnoma strdimo. Prednost obeh postopkov je predvsem v tem, da lahko vrsto in delež matice oziroma utrjevalne faze izbiramo poljubno, neodvisno od termodinamskih zakonitosti faznega sistema elementov, ki tvorijo matrico in utr-jevalno fazo. Problem omočljivosti delcev utrjevalne faze s kovinsko matrico je bil dokaj uspešno rešen s tehnologijo izdelave tako imenovanih kompozi-tov "in-situ", pri kateri nastane utrjevalna faza z kemijsko reakcijo in izločanjem reakcijskega produkta iz matice. Slabost te tehnologije pa je, da ne omogoča izbire vrste in variiranja deleža utrjevalne faze v kompozitu v dovolj širokih mejah. Namreč, pri izbrani kovinski matrici se lahko le nekatere utrjevalne faze od potencialnih kandidatk (oksidi, karbidi, nitridi, intermetalne faze...) tvorijo s kemijsko reakcijo in izločanjem iz trdne raztopine.
2. KOMPOZITNI MATERIALI Kompozitni materiali so sodobni materiali, ki so sestavljeni iz dveh ali več različnih materialov na makroskopskem nivoju. Vsak kompozitni material je sestavljen iz osnove ali matrice ter utrjevalne faze ali tudi ojačilnega elementa. Velika prednost kompozitnih materialov je, da lahko njihove lastnosti načrtujemo naprej. Lastnosti so predvsem odvisne od izbire matrice in utrjevalne faze, oblike, orientacije utrjevalne faze ter prostorninskega deleža faz. V zadnjem času kompozitni materiali dobivajo velik pomen, saj so postali nepogrešljivi v vesoljski, letalski in vojaški tehniki. Močno pa so se tudi že uveljavili v potrošniški industriji (avtomobilska, športni rekviziti,…) Material lahko prištevamo med kompozite, če izpolnjuje naslednje pogoje: ni naravna tvorba sestavljen je iz več sestavin, ki so med seboj jasno razmejene posamezne sestavne dele ločimo s prostim očesom njegove lastnosti se razlikujejo od lastnosti sestavnih delov. Kompozite delimo glede na material osnove na: Kovinske kompozite (MMCs) Keramične kompozite (CMCs) Polimerne kompozite (PMCs) Glede na obliko utrjevalne faze pa delimo kompozite na: Kompozite, utrejene z delci Kompozite, utrjene s kosmiči Kompozite, utrjene z vlakni Strukturne kompozite Kompozite s polnili
2.1
ZGRADBA KOMPOZITOV
2.1.1 KOVINSKE OSNOVE Običajno imajo veliko trdnost in žilavost Ponavadi želimo doseči večji modul elastičnosti, kar dosežemo z utrjanjem z vlakni Večina vlaken, ki se uporabi pri tem kompozitu pa ima tudi manjšo gostoto
2.1.2 KERAMIČNE OSNOVE: Imajo veliko trdnost in so zelo krhke. Atomi so med seboj povezani z ionsko ali kovalentno kemijsko vezjo. So odporni proti toplotnim in mehanskim šokom, imajo majhno toplotno prevodnost. Natezna napetost ni velika, modul elastičnosti je velik. Prenašajo lahko visoke temperature (nad 1500°C) in imajo majhno gostoto. Z izdelavo kompozitov želimo izboljšati lomno žilavost in temperaturno stabilnost.
2.1.3 POLIMERNE OSNOVE: Imajo manjšo trdnost in modul elastičnosti kot kovinske in keramične osnove. Imajo zelo majhno gostoto in so dobro odporni proti kemikalijam in vodi. Osnove iz plastomerov so žilave, iz duromerov pa krhke. V večini slabo prevajajo toploto in električni tok. Najpogosteje uporabljene polimerne osnove so duromeri: epoksidne smole, nenasičeni poliestri, fenolne smole, seveda pa je še kar nekaj plastomerov.
3. LASTNOSTI BOROVIH VLAKEN Borova vlakna so razvili, da bi povečali togost kompozitnih materialov. Borova vlakna se ne morejo primerjati z elastičnimi ogljikovimi vlakni, ki imajo veliko togost in nizko ceno, prav zaradi tega imajo borova vlakna precej omejeno uporabo. Borova vlakna izdelujejo s pomočjo kemične pare na debelino približno 12 pm (pikometra) premera wolframa oziroma ogljikovih vlaken. Zaradi te tehnologije imajo borova vlakna relativno velik premer od 100-200µm . So zelo krhka in občutljiva na površinske poškodbe. Tehnološke lastnosti borovih vlaken so prikazana na spodnjih grafih. V glavnem se uporabljajo v matricah kovinskih kompozitov, borova vlakna imajo nižjo temperaturo tališča kot matrica aluminija in titana (nad 500°C). Za preprečitev temperaturne razlike tališč na borova vlakna nanesemo sloj silicejevega karbida debeline 5 µm, takšna vlakna imenujemo borov karbid.
3.1 MEHANSKE LASTNOSTI BOROVIH VLAKEN! Natezna obremenitev: 2500 – 3700 Mpa Modul elastičnosti: 390 – 420 Gpa
Graf 1: Odvistnost napetosti na dolžino borovih vlaken. (Vasiliev in Morozov, 2001)
Graf 2: Distribucija moči za borova vlakna. (Vasiliev in Morozov, 2001)
4. LASTNOSTI ALUMINIJEVE LITINE Aluminijeva zlitina je zlitina aluminija ter večje ali manjše količine drugih zlitinskih elementov, kot denimo baker, mangan, magnezij, cink in podobno. V to skupino navadno uvrščamo tudi tehnično čisti aluminij, ki vsebuje več kot 99 % Al, vsebnost drugih elementov pa ne sme presegati dovoljenih vrednosti.
Graf 3: Diagram prikazuje odvisnost napetosti z raztezkom (Vasiliev in Morozov, 2001)
Graf 4: Diagram prikazuje odvisnosti med modulom elastičnosti, raztezkom in plastičnim raztezkom (Poisson), za aluminijevo zlitino. (Vasiliev in Morozov, 2001)
POLNA ČRTA: ogljikov-epoksi, ČRTKANA ČRTA: aluminijeva zlitina Graf 5: Diagram prikazuje tipično utrujenost ogljikovega-epoksija in aluminijeve zlitine. (Vasiliev in Morozov, 2001)
5. LASTNOSTI BOR –ALUMINIJ KOMPOZITA IN IZDELAVA LE TEGA
Graf 6: Shematičen prikaz izdelave kompozita pri sintezi dvofaznih mešanic iz sitema A-B (dostopno na: www.dlib.si)
Graf 7: Temperatura v odvisnosti od natezne trdnosti in togost vzdolž vlaken za boraluminijaste kompozitne. (Vasiliev in Morozov, 2001)
Graf Graf 8: Teoretični (polna črta) in eksperimentalni (črtkana črta) diagram v odvisnosti napetosti od raztezka za bor-aluminijeve kompozite. (Vasiliev in Morozov, 2001)
6. LITERATURA IN VIRI • Valery V. Vasiliev, Evgeny V. Morozov, Mechanics and Analysis of Composite Materials , 2001 Elsevier Science Ltd. • www.dlib.si •
Franc Zupanič, Ivan Anžel, Gradiv
