Szerkezeti anyagok Nem fmes szerkezeti anyagok Nem fmes

Szerkezeti anyagok Nem fémes szerkezeti anyagok

Nem fémes anyagok A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása

A nem fémes szerkezeti anyagokat két csoportba oszthatjuk. Ezek: · szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek · a szervetlen nem fémes szerkezeti anyagok vagy kerámiák

Szerves nem fémes szerkezeti anyagok vagy polimerek A polimerek óriásmolekulákból felépülő szerves eredetű anyagok. Lehetnek: • természetes és • mesterséges polimerek azaz műanyagok

Természetes eredetű polimerek A természetes eredetű polimerek olyan kémiai vegyületekből állnak, melyeket organizmusok állítanak elő. Legfontosabbak: • a fa és a faszerkezeti anyagok, • a bőr • a rostok.

Fa és fa szerkezeti anyagok • A fa természetes összetett anyag, amely cellulózrostokból és kötőanyagból ( lignin) áll. Mikroszkópos szerkezetét a hosszan elnyújtott, cső alakú, egymással kapcsolatban lévő szállító sejtek jellemzik.

Fa és fa szerkezeti anyagok A fatörzs három jellegzetes metszete: • a sugármetszet • a húrmetszet • bűtűmetszet

Fa és fa félgyártmányok A fa félgyártmányok makroszerkezetét rendszerint forgácsolással kialakított alak, méretek és felületminőség eredményezi

Faanyagok tulajdonságai A fa erősen anizotróp és inhomogén. A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 830 szoros különbséget mutathat. A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.

A fa tulajdonságai Szakítószilárdsága mintegy kétszerese nyomószilárdságának. A hossz és a keresztirányú értékek jelentős eltérést mutatnak.

„Nemesített fatermékek” • a fa természetes anizotrópiáját rostirányban keresztezett rétegek összeragasztásával lehet megszüntetni. Lehet rétegelt fa vagy furnér, több egymáshoz enyvezett faréteg

„Nemesített fatermékek” • Bútorlap • farostlemez, amely a többfokozatban őröl fából nedves vagy száraz eljárással készült lemez, vagy forgácslemez, amely faforgácsból műgyanta kötőanyag felhasználásával állítanak elő

Rostok A • • • rostok hosszirányban elnyújtott kis keresztmetszetű anyagok, amelyeknek molekulái, vagy alkotó részei párhuzamos elrendezésűek, és ezért jó a hajlító és a szakítószilárdságuk. Lehetnek természetes növényi rostok, állati , és selymek mesterséges rostok pl. cellulóz , fehérje

• A bőr a gerinces állatok kültakarója, amely három fő rétegből áll, a hámból, az irhából és a hájashártyából. A bőrfeldolgozás szempontjából a bőr vastag kb. 85 -88%-át kitevő irharétegnek van jelentősége. • Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik. Bőr

Papír • A papír növényi rostokból filcesítéssel, ragasztással és préseléssel előállított lapos szerkezeti anyag. • Alapanyaga a fa csiszolása utján nyert faköszörület és a fa kémiai feltárásával nyert cellulóz. Felhasználnak újrahasznosított papír és rongyhulladékot is.

Papír • Töltőanyagokkal (pl. titánoxid vagy kaolin) és enyvező anyagokkal a fehérségi fok, a felületi minőség befolyásolható. • Az alap és a töltőanyagokból vizes szuszpenziót készítenek, aminek a kiszáradása folyamán a benne lévő rostok filcesednek és ezután a cellulóz OH csoportjainak közvetítésével szilárdan összekötődnek. • A papír folyadékkal szembeni ellenállás műgyanta, enyv, keményítő hozzáadásával javítható

Mesterséges polimerek, műanyagok • A műanyagok mesterséges úton előállított szerves vegyületek. • Az óriásmolekulákat (polimereket) kismolekulákból az un. monomerekből állítják elő • polimerizációval, • polikondenzációval vagy • poliaddícióval,

Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH 2 = CH 2 az etilén a polietilén PE alapanyaga. • A polimerizációval láncmolekulás szerkezet alakul ki. Így állítják elő pl. a polipropilént PP, a polivinilcloridot PVC, a polisztirolt PS. a politetrafluoretilent a PTFE stb.

Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása • A polikondenzáció estében a monomerek melléktermék legtöbbször víz képződés mellett kapcsolódnak össze. pl. a poliamid. PA, a polikarbonát PC stb. • A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán, PUR, epoxigyanták stb.

A műanyagok szerkezete és termikus viselkedése Hőre lágyuló, termoplasztok • Ha csak egy irányban a szál irányában van elsődleges, vegyérték kapcsolat a szálak egymáshoz laza molekulák közötti erőkkel (Van der Waals) kapcsolódnak. Ezek a másodlagos kötések a hőmérséklet hatására felszakadnak, a műanyag meglágyul. Lehetnek • amorf • részben kristályos szerkezetűek

Hőre lágyuló termoplaszt amorf Részben kristályos

Elasztomerek • A térben ritkán hálósodott polimereket rugalmas műanyagoknak, elasztomereknek nevezik. A főlánc néhány száz atomjára egy keresztkötés jut, így lehetővé válik az egész polimerháló mozgása. Ennek eredményeként a műanyag rugalmas. Pl. PUR, szilikon, sztirolbutadien gumi

Duroplasztok • Ha az óriásmolekulák minden irányban valódi vegyérték kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, a térben három dimenziós háló alakul ki. Ezt térhálós szerkezetnek nevezzük. Az ilyen anyagok hővel szembeni viselkedése irreverzibilis.

Viszkoelesztikus viselkedés A feszültség-deformáció kapcsolat eltér a fémekétől Jellemzi: a feszültség-nyúlás kapcsolata nem lineáris – függ a hőmérséklettől – a terhelési szinttől – az igénybevétel időtartamától

Eltérések a fémek és a műanyagok között A meghatározott értékeket befolyásolja: • az alakváltozás sebessége • a nedveségtartalom • a hőmérséklet

Viszkoelesztikus viselkedés Adott igénybevétel hatására kialakuló alakváltozás: ö= r + k + m r k m pillanatnyi rugalmas késleltetett rugalmas maradó alakváltozás

Összes alakváltozás az idő függvényében

Az egyes deformációkomponensek egymáshoz viszonyított részaránya A deformációkomponensek részaránya függ a terhelési szinttől!

A viszkoelesztikus viselkedés következménye • Kúszás • relaxáció A tervezőknek tehát figyelembe kell venni a terhelés időtartamát is!

Kúszás Az alakváltozás sebessége a terhelés a hőmérséklet függvénye!

Relaxáció Ugrásszerű megnyúlást létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatestben ébredő feszültség monoton csökken

Kerámia • Kerámiának nevezünk, minden ember által készített szervetlen anyagot, amely nem fém és nem szerves. • A fémektől a kerámiák elsősorban abban különböznek, hogy a részecskék között kovalens vagy ionos kötés van.

A kerámiák általános tulajdonságai 1 · kis sűrűség · nagy olvadáspont · nagy keménység és kopásállóság · nagy nyomószilárdság · ridegség, törékenység · nagy melegszilárdság korrózióállóság és

A kerámiák általános tulajdonságai 2 · nagy kémiai stabilitás · nagy villamos ellenállás ( szigetelők) · a villamos vezetőképesség nő vagy speciálisan változik a hőmérséklettel · kis hősokk állóság, de pl. a Si. N kivétel · magas ár

Kerámia anyagok csoportosítása (1) • Alkotók szerint: – Oxidkerámiák (pl. Al 2 O 3) – Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) – Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt) • Gyártás szerint – Olvasztás (üveggyártás) – Hidrát kötés (cement) – Nedves formázás (agyag árúk) – Porkohászat (műszaki kerámiák)

Kerámia anyagok csoportosítása (2) • Szerkezet szerint: – Amorf (pl. üveg) – Kristályos (pl. bórnitrid) – Vegyes • Eredet szerint: – Természetes anyagok (pl. kő) – Mesterséges kerámiák (pl. sziliciumkarbid)

Kerámia anyagok csoportosítása (3) • Tisztaság szerint: – Hagyományos kerámia tömegáru (téglától a fajanszig) • Jellemző: mérsékleten érzékeny a szennyezésre – Finomkerámiák (porcelánok, szigetelők, speciális üvegek) • Jellemző: fokozott tisztasági igények

Kerámiák

Kerámia anyagok csoportosítása (3) • Tisztaság szerint: – Műszaki kerámiák • pl. szerszámok, chip gyártás, Előírás: igen nagy tisztaság – nagy tisztaságban előállított elemekből, alkotókból gyártják – mivel ridegek nagyon érzékenyek a belső hibákra

Egyatomos kerámiák • a színállapotban használható karbont • grafit pl. elektródák, tégelyanyagok stb. • gyémánt pl. ékszerek, szerszámok, a karát 0, 2 g tömegegység • de ide tartoznak a félvezető gyártás alanyagai az egykristályos alakban előállított szilícium és germánium

Oxidmentes vegyületkerámiák Tulajdonságok: • nagy keménység • nagyon magas az olvadáspontjuk. Keménységüket magas hőmérsékleten is megtartják. Lehetnek: nitridek, karbonitridek, boridok. Ide sorolhatjuk a porkohászati úton előállított keményfémeket is.

Oxidmentes vegyületkerámiák Felhasználás: • szerszámanyagokként pl. Vágóélek • Bevonatokat is készítenek belőlük

Nitrid és karbidkerámiák • titánnitrid (felületi bevonat), • köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. • szilícium nitridek Si 3 N 4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégető-ill. örvénykamra anyaga

Nitrid és karbidkerámiák • SIALON (pl. Si 3 Al 3 O 3 N 5) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. • A szilíciumkarbid (Si. C) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.

Műszaki kerámiák

Műszaki kerámiák

Oxidkerámiák • Az oxidkerámiák alapanyaga alumíniumoxid, cirkóniumoxid, titánoxid, magnéziumoxid és berilliumoxid. • Alkalmazási területük a tűzálló anyagoktól a kémiai ill. mechanikai hatásnak kitett anyagok, szigetelő anyagok, vágószerszámok, csiszolóanyagok és orvosi implantátumok.

Műszaki oxidkerámiák A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók: · Alumíniumoxid vagy műkorund (Al 2 O 3). Nagy keménységű forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó

Műszaki oxidkerámiák 2 · Cirkóna vagy cirkóniumoxid (Zr. O 2). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló.

Műszaki oxidkerámiák 3 · magnézium oxid Mg. O (2800 C ) · Az Al 2 O 3 -hoz 2050 C és a Zr. O 2 -hoz (2690 C ) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), · a Mg. O a Zr. O 2 -hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a Zr. O 2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást.

Műszaki oxidkerámiák 4 A fémoxid (Me. O) tartalmú mágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségű lágymágneses ferritek(Me. O. Fe 2 O 3, Me = Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd) ill. keménymágneses ferritek (Me. O. 6 Fe 2 O 3 , Me= Ba, Sr, Co).

Üveg • Az üveggyártás alapanyaga a földkéreg 25 %-át adó Si. O 2 (pl. homok). • A tiszta, kristályos Si. O 2 1700 o. C-on olvad. Jellegzetessége, hogy már mérsékelt lehűlési sebesség esetén sem kristályosodik, hanem amorf szerkezetűvé dermed (kvarcüveg).

Üvegek Biztonsági üveg

Különleges üvegek • Matt üveg Ca foszfát, kriolit vagy cinkdioxid adagolással • optikai üvegek hibamentes, speciális tulajdonságokkal pl. előírt törésmutató, áteresztési, elnyelési és visszaverődési tényezö

• Üvegszálak folyékony nyersüvegből kis átmérőjű fúvókákon átfúvással vagy centrifugálással állítják elő

Optikai kábel

Üvegkerámiák • részben polikristályos anyagok, amelyeket amorf üvegmátrix hőkezelésével állítanak elő. A hőkezelés a nagyhőmérsékleten olvadó csiraképzőkkel ( pl Ti. O 2 és Zr. O 2) adalékolt anyag lehűtés utáni megeresztése. Ilyenkor az üvegmátrixba ágyazott kristályok képződnek, amelyek különleges optikai és elektromos tulajdonságokat, csekély hőtágulást ill. hőingadozás állóságot eredményeznek. A kristályos rész 50 -95 % lehet

Nem fémes szerkezeti anyagok Kompozitok

Kompozitok • A kompozitok vagy társított anyagok olyan szerkezeti anyagok, amelyeket két vagy több különböző anyag pl. fémkerámia, kerámia - műanyag, kerámia, fém - műanyag, műanyag - üveg stb. egyesítésével állítanak elő.

Kompozitok A kompozitok alapvetően két ill három részre bonthatók: • a mátrixra (alapanyag) • és az abba beépülő második fázisra illetve a két anyag találkozási felületére.

Kompozitok • A kompozitok előállításánál a két anyag előnyös tulajdonságait kombináljuk. • A kompozitok szerkezetüket tekintve lehetnek: · · · • részecskékből összetett ( diszperzió) szálas ( rövid vagy hosszúszálas) rétegelt felületi réteges ( bevonatos)

Részecskékből összetett, szemcsés kompozitok • A mátrixanyagba, 1 m-tól a mm-ig részecskék vannak beágyazva. • Ilyen pl. a beton, a keményfémek ( WC, Ti. C részecskék vannak a fém Co-ba beágyazva. ), a fémkerámiák (cermet = ceramic + metals) oxidkerámiák pl. Al 2 O 3 vagy Zr. O 2 van fémes mátrixba pl. Fe, Cr, Co, Mo ágyazva.

Szálas kompozitok • Ilyenek: az üvegszál erősítésű műanyagok, a polimerszál erősítésű műanyagok, a szénszál erősítésű műanyagok. A mátrix általában valamilyen duroplaszt. De lehetnek pl. Ni szálal erősített kerámiák A szálak irányításával az anyag izotróppá tehető. Igen fontos anyag a vasbeton.

• a szerkezeti anyagok síkok mentén kapcsolódnak egymáshoz, és előállítsuk legtöbbször alakítással történik. • Pl. a szendvicsszerkezetű nagyszilárdságú alumínium vagy titánlemezek közötti teret méhsejtszerűen elhelyezett polimerekkel kitöltött repülőgép burkolóelemek, ajtók, az alumíniummal bevont papír, a lakkal bevont alumínium stb. Réteges kompozitok