Szerkezeti anyagok Nem fmes szerkezeti anyagok Polimerek kermik

Szerkezeti anyagok Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák

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 • 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 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.

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, a polietiléntereftalát PET stb. • A poliaddicióban a kapcsolódást funkciós csoportok hozzák létre. pl. poliuretán PUR, epoxigyanták stb.

Mesterséges polimerek, műanyagok Hővel szembeni viselkedés alapján: • Hőre lágyuló • Hőre keményedő Tulajdoságok alapján: • Tömegműanyagok • Műszaki műanyagok • Különleges tulajdonságú műanyagok

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. Fajtái: • amorf • részben kristályos

Hőre lágyuló termoplasztok amorf Részben kristályos

Hőre lágyuló, termoplasztok Amorf hőre lágyuló műanyagok: rendezetlen polimer lánc

Hőre lágyuló, termoplasztok Részben kristályos hőre lágyuló műanyagok: rendezett és rendezetlen részek váltják egymást

Polimer piramis

Hőre lágyuló, 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

Hőre lágyuló, elasztomerek

Hőre keményedő, 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.

Hőre keményedő, duroplasztok

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 Feszültség A meghatározott értékeket befolyásolja: • a hőmérséklet Deformáció Amorf Deformáció Kristályos

Eltérések a fémek és a műanyagok között Feszültség A meghatározott értékeket befolyásolja: • az alakváltozás sebessége Deformáció

Eltérések a fémek és a műanyagok között Feszültség A meghatározott értékeket befolyásolja: • a nedveségtartalom PA Deformáció

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

A viszkoelesztikus viselkedés következménye • Kúszás • Relaxáció

Kúszás Ugrásszerű feszültség gerjesztést létrehozva, majd állandó értéken tartva a próbatest nyúlása monoton nő

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

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

Összefoglalás • Óriásmolekulákat monomerek építik fel • Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő • A mesterséges polimerek lehetnek hőre lágyulóak, vagy keményedőek • Tulajdonságuk függ a vizsgálati sebességtől, a hőmérséklettől és a nedvességtartalomtól • Viszkoelasztikus viselkedés jellemzi

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 (4) • 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 • • Karbon Szilícium Germánium Köbös bór-nitrid

Egyatomos kerámiák • Gyémánt: – Természetes: bányásszák – Mesterséges: 3000 Co-on, 7500 MPa nyomáson szénből kristályosítják • Köbös bór-nitrid (CBN) – Csak mesterségesen állítható elő bór-nitrid ásványból – 1500 Co feletti hőmérsékleten, 8500 MPa nyomással képződik

Egyatomos kerámiák alkalmazása • Elektródák, tégelyanyagok • Félvezetők • Húzógyűrűk volfrám és egyéb nagy hőmérsékleten alakítható fémekhez (elsősorban mesterséges gyémántból) • Forgácsoló szerszámok: – A szerszám élére raknak fel vékony rétegben kis szemcséket – Nagy sebességű forgácsolás köbös bórnitriddel előnyösebb

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, előégetőill. örvénykamra anyaga lehet.

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 kerámia bevonatok

Műszaki kerámiák

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

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 tényező

• 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

Hidrátkerámiák: cementgyártás • Nyersanyag: mészkő és agyag • Előkészítés: őrlés, keverés • Kiégetés: 1300… 1500 Co-on, forgó kemencében • Aprítás ez a cement • Felhasználás: a cement vízzel keverve megköt

A cement átalakulása betonná • A cement és a homok (sóder) víz hatására stabil hidrátkristállyá alakul át • A folyamat szobahőmérsékleten megy végbe, végleges kikeményedés 28 nap után

Beton szerkezetek: híd

Összefoglalás • A kerámiák rideg, kemény, hőálló és korrózióálló anyagok • Természetes és mesterséges alapanyagokból állíthatók elő • A mindennapi alkalmazásuk széleskörű (üveg, tégla, cserép, beton) • A műszaki kerámiák a nagy terhelésnek kitett szerkezetekben használatosak (pl. jármű motorok)