Kompozyty materiay wspczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikoaj

  • Slides: 53
Download presentation
Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran

Kompozyty - materiały współczesnej techniki Technologia i zastosowanie Mikołaj Szafran

 Nowoczesne kompozyty w technice kompozyty ceramika–metal-polimer METAL POLIMER CERAMIKA kompozyty ceramika-metal kompozyty ceramika-polimer

Nowoczesne kompozyty w technice kompozyty ceramika–metal-polimer METAL POLIMER CERAMIKA kompozyty ceramika-metal kompozyty ceramika-polimer

„Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach

„Kompozyt jest to materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób, że ma właściwości lepsze i (lub) właściwości nowe (dodatkowe) w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych właściwości – kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami między komponentami”. (Encyklopedia Powszechna, PWN 1988, t. 5, s. 187)

Kompozyty 1. Kompozyt jest materiałem wytworzonym przez człowieka 2. Kompozyt musi składać się z

Kompozyty 1. Kompozyt jest materiałem wytworzonym przez człowieka 2. Kompozyt musi składać się z co najmniej dwóch różnych (pod względem chemicznym) materiałów z wyraźnie zaznaczonymi granicami rozdziału między tymi komponentami (fazami) 3. Komponenty kompozytu tworzą go przez udział w całej objętości 4. Kompozyt powinien mieć właściwości różne od jego komponentów Definicja (czteroczłonowa) Krocka i Broutmana (1967)

Kompozyty Klasyfikacja Podział w zależności od pochodzenia: „kompozyty naturalne” Ø kompozyty zaprojektowane i wytwarzane

Kompozyty Klasyfikacja Podział w zależności od pochodzenia: „kompozyty naturalne” Ø kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka Ø Podział według rodzaju osnowy: Ø kompozyty o osnowie niemetalicznej: - polimerowej, - ceramicznej, - półprzewodnikowej Ø kompozyty o osnowie metalicznej

Ceramika + Metal = Kompozyt Cel: üZwiększenie zakresu stosowania ceramiki üNowoczesne materiały o osnowie

Ceramika + Metal = Kompozyt Cel: üZwiększenie zakresu stosowania ceramiki üNowoczesne materiały o osnowie ceramicznej o podwyższonym w wyniku modyfikacji wpółczynnika KIC doskonale konkurują z metalami üZmiana właściwości elektrycznych i magnetycznych

RODZAJE KOMPOZYTÓW CERAMIKA- METAL Cząstkowe Infiltrowane Kompozyty z nanocząstkami metalu Cząstki metalu w osnowie

RODZAJE KOMPOZYTÓW CERAMIKA- METAL Cząstkowe Infiltrowane Kompozyty z nanocząstkami metalu Cząstki metalu w osnowie ceramicznej Porowata ceramika infiltrowana ciekłym metalem Metal osadzony na proszku ceramicznym przed konsolidacją

Podstawowe mechanizmy wpływające na odporność na kruche pękanie materiałów kompozytowych Odchylanie się pęknięcia wskutek

Podstawowe mechanizmy wpływające na odporność na kruche pękanie materiałów kompozytowych Odchylanie się pęknięcia wskutek omijania cząstek lub płytek Mostkowanie pęknięcia przez cząstki Ekranowanie pęknięcia przez przemianę fazową cząstek Zr. O 2

Kompozyty infiltrowane Ceramika porowata Ciekły metal Kompozyt

Kompozyty infiltrowane Ceramika porowata Ciekły metal Kompozyt

Wpływ ładunku podwójnej warstwy elektrycznej na mikrostrukturę kompozytu ceramika-metal (1) N. Hernandez, A. J.

Wpływ ładunku podwójnej warstwy elektrycznej na mikrostrukturę kompozytu ceramika-metal (1) N. Hernandez, A. J. Sanchez-Herencia, R. Moreno, Forming of nickel compacts by a colloidal filtration route, Acta Materialia, 2005. 53. 919 -925

WPŁYW ŁADUNKU PODWÓJNEJ WARSTWY ELEKTRYCZNEJ NA STRUKTURĘ KOMPOZYTU CERAMIKA-METAL - proszek Al 2 O

WPŁYW ŁADUNKU PODWÓJNEJ WARSTWY ELEKTRYCZNEJ NA STRUKTURĘ KOMPOZYTU CERAMIKA-METAL - proszek Al 2 O 3 - proszek Fe Możliwość otrzymania kompozytu z gradientem stężenia cząstek metalu - proszek Al 2 O 3 - proszek Ni Kompozyty o równomiernym rozkładzie stężenia cząstek metalu K. J. Konsztowicz, Wpływ heteroflokulacji zawiesin koloidalnych Al 2 O 3 -Zr. O 2 na mikrostruktury i 11 właściwości mechaniczne ich kompozytów, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2004.

Warunek otrzymania gradientu stosując metodę „slip casting” M. Szafran, E. Bobryk, K. Konopka, Wytwarzanie

Warunek otrzymania gradientu stosując metodę „slip casting” M. Szafran, E. Bobryk, K. Konopka, Wytwarzanie kompozytów gradientowych Al 2 O 3 -Fe metodą odlewania z mas lejnych, Kompozyty 6(2006)1,

Rzeczywiste odległości między cząstkami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. Zawiesina zaglomeryzowana rzeczywista. M. Szafran,

Rzeczywiste odległości między cząstkami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. Zawiesina zaglomeryzowana rzeczywista. M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, Ceramic matrix compositew with gradient concetration of metal particles, Journal of the European Ceramic Society. 27. 2007. 651 -654 - proszek ceramiczny - proszek metaliczny

Rzeczywiste odległości między ziarnami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. Zawiesina zaglomeryzowana rzeczywista. - proszek

Rzeczywiste odległości między ziarnami zawiesiny Zawiesina o wysokiej dyspersji. Zawiesina zaglomeryzowana rzeczywista. - proszek ceramiczny - proszek metaliczny

Mikrostruktura kompozytów a Mikrostruktura kompozytów ceramika-metal wykonanymi metodą odlewania masy lejnej o stężeniu fazy

Mikrostruktura kompozytów a Mikrostruktura kompozytów ceramika-metal wykonanymi metodą odlewania masy lejnej o stężeniu fazy stałej 39, 5%obj. : a) otrzymanej na drodze swobodnej sedymentacji, b) przy dodatkowym wymuszeniu ruchu cząstek żelaza w polu magnetycznym. M. Szafran, K. Konopka, E. Bobryk, K. J. Kurzydłowski, „Ceramic matrix composites with gradient concentratrion of metal particles”, J. Eur. Ceram. Soc. , 27 (2007) 651 -654 K. Konopka, M. Szafran, „Fabrication of Al 2 O 3 – Al composites by infiltration method and their characteristic”, Journal of Materials Processing Technology 175 (2006) 266 -270. b

ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Materiały konstrukcyjne Części maszyn i łożyska Części silników Materiały ścierne Narzędzia skrawające

ZASTOSOWANIE KOMPOZYTÓW Materiały konstrukcyjne Części maszyn i łożyska Części silników Materiały ścierne Narzędzia skrawające Biomedycyna, implanty Powłoki ochronne

Ceramiczne materiały kompozytowe Ø Celem techniki kompozytowej jest połączenie bardziej korzystnych właściwości różnych materiałów

Ceramiczne materiały kompozytowe Ø Celem techniki kompozytowej jest połączenie bardziej korzystnych właściwości różnych materiałów pod kątem określonego zastosowania. Ø Ceramika kompozytowa może zawierać takie składniki jak: metale, polimery czy też odmienną fazę ceramiczną jak np. whiskery (mikroskopijne pojedyncze kryształy w kształcie igieł). Kompozyt wzmocniony włóknami Kompozyt wzmocniony cząstkami stałymi Kompozyt infiltrowany Kompozyt warstwowy

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1550°C Powiększenie

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1550°C Powiększenie 10 000 x w skaningowym mikroskopie elektronowym

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1600°C Powiększenie

Zdjęcie przedstawia kształtkę z kompozytu tlenku glinu z tlenkiem cyrkonu wypaloną w 1600°C Powiększenie 10 000 x w skaningowym mikroskopie elektronowym

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Pierwsze nanokompozyty były opisane już w latach 50 -tych

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Pierwsze nanokompozyty były opisane już w latach 50 -tych XX wieku, 1976 r – opracowanie nanokompozytów poliamidowych W latach 90 -tych Toyota rozpoczyna prace nad kompozytami polimerowymi z mineralnymi napełniaczami (warstwowe glinokrzemiany). Najbardziej znane nanonapełniacze dostępne handlowo: Naturalne krzemiany 6 -30 $/kg Syntetyczne krzemiany 20 -40 $/kg Nanostrukturalna krzemionka 10 -200 $/kg Nanoceramika (np. tlenek glinu, azotek krzemu, itp. ) 200 -280 $/kg Nanorurki 200 -400 $/kg

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Ograniczenia materiałowe: Aby działanie nanonapełniacza było efektywne, stosunek długości

Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej Ograniczenia materiałowe: Aby działanie nanonapełniacza było efektywne, stosunek długości do grubości włókna powinien być większy od 20. Zawartość 5% nanonapełniacza prowadzi do wzmocnienia porównywalnego z wywołanym 12 -15% włókna szklanego

KOMPOZYTY Z UDZIAŁEM NANONAPEŁNIACZY - rozkład przestrzenny nanocząstek w objętości kompozytu Nanocząstki 3 D

KOMPOZYTY Z UDZIAŁEM NANONAPEŁNIACZY - rozkład przestrzenny nanocząstek w objętości kompozytu Nanocząstki 3 D „proszkowe” aglomeraty i równomierny rozkład dobre rozdrobnienie, ale nierównomierny rozkład aglomeraty i nierównomierny rozkład dobre rozdrobnienie i dobry rozkład przestrzenny Nanocząstki 2 D włókniste agregaty w postaci pęczków włókienek źle rozłożone w objętości włókienka rozproszone, dobrze rozłożone w objętości, ale ułożone jednokierunkowo

KOMPOZYTY STOMATOLOGICZNE Nowoczesne materiały stomatologiczne oparte są na kompozytach, w których fazą ciągłą jest

KOMPOZYTY STOMATOLOGICZNE Nowoczesne materiały stomatologiczne oparte są na kompozytach, w których fazą ciągłą jest polimer, a proszki ceramiczne są wypełniaczami. Dlatego poszukuje się stale nowych rozwiązań, które zwiększyłyby wytrzymałość na zginanie, odporność na kruche pękanie, ścieralność, a jednocześnie zmniejszyłyby skurcz polimeryzacyjny.

Kompozyty o zastosowaniu stomatologicznym są kompozytami ceramiczno-polimerowymi zbudowanymi z trzech faz: l Organicznej l

Kompozyty o zastosowaniu stomatologicznym są kompozytami ceramiczno-polimerowymi zbudowanymi z trzech faz: l Organicznej l Nieorganicznej l Preadhezyjnej

Faza organiczna (ciągła) Stanowi ona od 20 do 40%obj. materiału. Typową mieszaniną monomerów jest

Faza organiczna (ciągła) Stanowi ona od 20 do 40%obj. materiału. Typową mieszaniną monomerów jest Bis-GMA/TEGDMA. Bis-GMA- dimetakrylan eteru diglicydowego bisfenolu A TEGDMA- dimetakrylan glikolu trietylenowego Dodatki: l fotoinicjator l aktywator

Faza nieorganiczna Stanowi od 50 do 80%obj. materiału kompozytowego. Najczęściej jest to krzemionka, szkło

Faza nieorganiczna Stanowi od 50 do 80%obj. materiału kompozytowego. Najczęściej jest to krzemionka, szkło strontowe, barowe lub borowokrzemianowe o wielkości ziaren: makro-, mikro- i nano-. Cząstki wypełniacza: – – – zapewniają trwałość wypełnienia poprawiają właściwości mechaniczne (twardość, ścieralność) zmniejszają skurcz polimeryzacyjny zmniejszają sorpcję wody obniżają współczynnik rozszerzalności cieplnej

Faza preadhezyjna Umożliwia połączenie fazy nieorganicznej z organiczną poprzez modyfikację powierzchni ziarna wypełniacza. Najpopularniejszym

Faza preadhezyjna Umożliwia połączenie fazy nieorganicznej z organiczną poprzez modyfikację powierzchni ziarna wypełniacza. Najpopularniejszym środkiem wiążącym jest γ-metakryloksypropylotrimetoksysilan o następującym wzorze: silanizacja + żywica

Schemat przygotowywania kształtek: Przygotowanie proszków Modyfikacja powierzchni otrzymanych proszków - silanizacja Przygotowanie żywicy Wprowadzanie

Schemat przygotowywania kształtek: Przygotowanie proszków Modyfikacja powierzchni otrzymanych proszków - silanizacja Przygotowanie żywicy Wprowadzanie proszku (proszków) do żywicy Forma teflonowa (mała adhezja masy kompozytowej) Mieszanie Formowanie Utwardzanie Kształtki Lampa MEGALUX o natężeniu światła 750900 m. W/cm 2 i mocy żarówki 75 W

Podczas procesu polimeryzacji może dojść do dwóch zjawisk: l Skurcz polimeryzacyjny Polega na zbliżaniu

Podczas procesu polimeryzacji może dojść do dwóch zjawisk: l Skurcz polimeryzacyjny Polega na zbliżaniu się do siebie cząsteczek na skutek oddziaływania sił Van der Waalsa. Jest to zjawisko niekorzystne, powodujące ogólny spadek wytrzymałości wypełnienia. l Inhibicja tlenowa Zjawisko wywołane obecnością tlenu w otoczeniu. Zjawisko te jest bardzo niepożądane, ponieważ powoduje spowolnienie procesu polimeryzacji oraz niecałkowite przereagowanie wiązań podwójnych.

Inhibicja tlenowa c. d. l l Stopień inhibicji tlenowej zależy między innymi od: –

Inhibicja tlenowa c. d. l l Stopień inhibicji tlenowej zależy między innymi od: – rodzaju i ilości zastosowanego – grubości polimeryzowanej fotoinicjatora – temperatury – reaktywności układu – lepkości układu warstwy – stężenia tlenu w układzie – natężenia i długości fali światła Sposobem przeciwdziałania inhibicji tlenowej może być: – zastosowanie światła o dużej intensywności – zastosowanie osłon z gazu obojętnego – zastosowanie barier z przezroczystych folii, tworzyw sztucznych lub wosków parafinowych – tworzenie przez monomery wiązań wodorowych – zastosowanie monomerów wielofunkcyjnych

Skład poszczególnych mas: Parametr Bis-GMA/TEGDMA UM 1 Lepkość [Pa · s] 0, 479 (T

Skład poszczególnych mas: Parametr Bis-GMA/TEGDMA UM 1 Lepkość [Pa · s] 0, 479 (T = 25°C) 5, 132 (T = 25°C) Gęstość [g / cm 3] 1, 129 (T = 20°C) 1, 139 (T = 20°C) 10, 3 2, 5 Skurcz polimeryzacyjny [%]

Wyniki – mikrotwardość (bez napełniacza):

Wyniki – mikrotwardość (bez napełniacza):

Wyniki – mikrotwardość (z napełniaczem):

Wyniki – mikrotwardość (z napełniaczem):

Wyniki – wytrzymałość na zginanie (z napełniaczem):

Wyniki – wytrzymałość na zginanie (z napełniaczem):

Metodyka otrzymywania kształtek kompozytowych ceramika - polimer Ø Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości

Metodyka otrzymywania kształtek kompozytowych ceramika - polimer Ø Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości Ø Spiekanie otrzymanych kształtek Ø Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanych kształtkach i polimeryzacja w porach Gotowy materiał kompozytowy

SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTU CERAMIKA - POLIMER l Przygotowanie folii ceramicznych o różnej porowatości Spiekanie

SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTU CERAMIKA - POLIMER l Przygotowanie folii ceramicznych o różnej porowatości Spiekanie otrzymanej kształtki l Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanej kształtce i polimeryzacja w porach. l l l Laminowanie otrzymanych folii Gotowy materiał kompozytowy

Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie (σsc) i na rozciąganie (σr) kształtek sporządzonych z frakcji elektrokorundu

Wytrzymałość mechaniczna na ściskanie (σsc) i na rozciąganie (σr) kształtek sporządzonych z frakcji elektrokorundu 500 μm 600 μm o średniej wielkości porów 258 m infiltrowanych wybranymi polimerami z podanymi stopniami zapełnienia porów (Sp) bez dodatku oraz z dodatkiem środka preadhezyjnego Stopień zapełnienia porów Sp[%] Wytrzymałość na ściskanie sc [MPa] Wytrzymałość na rozrywanie r [MPa] Ceramika porowata 0 5, 7+1, 4 1, 9+0, 6 Ceramika porowata +polimer PMM 75 77 40, 5+4, 2 44, 1+3, 9 7, 2+1, 9 10, 9+2, 7 Ceramika porowata +polimer PMM ze środkiem preadhezyjnym 83 88 61, 2+4, 7 62, 4+5, 0 11, 8+2, 9 13, 5+3, 1

MICROSTRUCTURE OF ALUMINA CERAMICS SAMPLES - porous material with porosity gradient Porous ceramic material

MICROSTRUCTURE OF ALUMINA CERAMICS SAMPLES - porous material with porosity gradient Porous ceramic material with porosity gradient (without polymer) Ceramics- polymer composite

MICROSTRUCTURE OF PHOSPHATE CERAMICS SAMPLES Porous material Ceramics-polymer composite (30% filling of composite (50%

MICROSTRUCTURE OF PHOSPHATE CERAMICS SAMPLES Porous material Ceramics-polymer composite (30% filling of composite (50% filling of pores with polymer)

Kompozyt ceramika-polimer Zachowanie pod obciążeniem ściskającym 30 [MPa] 25 20 15 Kompozyt 10 5

Kompozyt ceramika-polimer Zachowanie pod obciążeniem ściskającym 30 [MPa] 25 20 15 Kompozyt 10 5 Elastomer 0 5 10 15 20 25 30 [%]

Średnie wartości energii zaadsorbowanej przez materiał Szybkość ściskania 10 -3[s-1] Cykl ściskania U [MJ/m

Średnie wartości energii zaadsorbowanej przez materiał Szybkość ściskania 10 -3[s-1] Cykl ściskania U [MJ/m 3] [%] kompozyt 0, 81 1 2 3 7, 00+0, 71 0, 82+0, 06 0, 82+0, 07 30+1, 80 ceramika 0, 81 1 0, 03+0, 00 0, 70+0, 04 elastomer 0, 81 1 0, 8+0, 05 30+1, 80 Rodzaj próbki

Nanomateriałem nazywamy stan skondensowanej materii lub molekuł, który wykazuje nowe zachowania nie ujawnione przez

Nanomateriałem nazywamy stan skondensowanej materii lub molekuł, który wykazuje nowe zachowania nie ujawnione przez te materiały przy rozmiarach mniejszych bądź większych. . . . konkretny rozmiar, przy którym to ma miejsce zależy od otoczenia, w którym materiał się znajduje oraz od konkretnej badanej właściwości materiału. Navrotsky, 2002

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały Wielkość ziarna (na ogół) nm lecz nie większa niż 1 10

Nanostrukturalne (nanokrystaliczne) materiały Wielkość ziarna (na ogół) nm lecz nie większa niż 1 10 100 nm

Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie: wytrzymałość mechaniczna rośnie ok.

Gdy ziarno < 100 nm właściwości materiałów zmieniają się gwałtownie: wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4 x przewodnictwo cieplne spada kilka razy przesuwa się granica plastyczności materiału mikrotwardość wzrasta dwa razy, np. n-Al 2 O 3 -Si. C (10%obj. ) odporność na ścieranie wzrasta 4 razy, np. n-Al 2 O 3 -Ti. O 2 (13%obj. )

Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej B. Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

Wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej B. Pałosz, Kompozyty 4(2004)9

powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jeg symulacja metodami dynamiki molekularnej

powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jeg symulacja metodami dynamiki molekularnej

pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową wnętrze-powierzchnia (core-shell)

pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową wnętrze-powierzchnia (core-shell)

Nanoproszki – problemy z zagęszczaniem Spiekanie

Nanoproszki – problemy z zagęszczaniem Spiekanie

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych Warstwa wody na ziarnie tlenku glinu

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych Warstwa wody na ziarnie tlenku glinu

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych Nakładanie się warstw wody (R - promień ziarna; l - grubość

Upłynnianie nanoproszków ceramicznych Nakładanie się warstw wody (R - promień ziarna; l - grubość warstw wody; R+l – efektywny promień cząstki)

Influence of D-fructose on viscosity of nanometric alumina slurry (Al 2 O 3 30%vol)

Influence of D-fructose on viscosity of nanometric alumina slurry (Al 2 O 3 30%vol)

NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY Wielkość ziarna ( na ogół) 1÷ 10 nm, lecz nie większa

NANOSTRUKTURALNE (NANOKRYSTALICZNE) MATERIAŁY Wielkość ziarna ( na ogół) 1÷ 10 nm, lecz nie większa niż 100 nm Droga i skomplikowana produkcja nanoproszków PODSTAWOWE PROBLEMY OTRZYMYWANIA NANOPROSZKÓW Eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych Trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych Minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

Mikroreaktor ceramiczny R. Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)

Mikroreaktor ceramiczny R. Pampuch, Kompozyty, nr 12, 4(2004)