Transcript Document 7444517

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
„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)
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)
Klasyfikacja kompozytów:
Podział w zależności od pochodzenia:
 „kompozyty naturalne”
 kompozyty zaprojektowane i wytwarzane przez człowieka
Podział według rodzaju osnowy:

kompozyty o osnowie niemetalicznej:
- polimerowej,
- ceramicznej,
- półprzewodnikowej
 kompozyty o osnowie metalicznej
Ceramika + Metal = Kompozyt
Cel:
Zwiększenie zakresu stosowania ceramiki
Nowoczesne materiały o osnowie ceramicznej o
podwyższonym w wyniku modyfikacji wpółczynnika
KIC doskonale konkurują z metalami
Zmiana właściwości elektrycznych i magnetycznych
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
omijania cząstek lub płytek
Mostkowanie pęknięcia
przez cząstki
Ekranowanie pęknięcia
przez przemianę fazową
cząstek ZrO2
METODY FORMOWANIA KOMPOZYTÓW
CERAMIKA-METAL
o osnowie ceramicznej
• Formowanie z mas sypkich
• Formowanie z mas lejnych:
– slip casting
– tape castig
9
Kompozyty infiltrowane
Ceramika
porowata
Ciekły
metal
Kompozyt
Metoda polega na odlewaniu masy lejnej otrzymanej z mieszaniny proszku
ceramicznego i metalicznego w formie gipsowej.
ZASTOSOWANIE METODY
„SLIP-CASTING” DO
OTRZYMYWANIA
KOMPOZYTÓW
CERAMIKA-METAL
http://www.ceradvance.co.za
http://www.syhongyang.cn/doce/n2.html
11
MODEL PODWÓJNEJ WARSTWY ELEKTRYCZNEJ
GOUYA-CHAPMANA ZMODYFIKOWANEJ PRZEZ
STERNA
Warstwa Helmholza
Warstwa Sterna
Warstwa dyfuzyjna
Cząstka stała
Płaszczyzna
ścinania
V
V0
ζ
x
R. Pampuch, K. Haberko, M. Kordek, Nauka o procesach ceramicznych, Wyd. Naukowe
PWN, Warszawa 1992.
12
WPŁYW ŁADUNKU PODWÓJNEJ WARSTWY
ELEKTRYCZNEJ NA STRUKTURĘ KOMPOZYTU
CERAMIKA-METAL
- proszek Al2O3
- proszek Fe
Możliwość otrzymania
kompozytu z gradientem
stężenia cząstek metalu
- proszek Al2O3
- proszek Ni
Kompozyty o
równomiernym rozkładzie
stężenia cząstek metalu
K. J. Konsztowicz, Wpływ heteroflokulacji zawiesin koloidalnych Al2O3-ZrO2 na mikrostruktury
13
i właściwości mechaniczne ich kompozytów, Polskie Towarzystwo Ceramiczne, Kraków 2004.
Pomiar potencjału zeta dla stosowanych
proszków
Zetasizer 3000 firmy Malvern Instruments Ltd.
Fe
Al2O3
Ni
14
SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTÓW METODĄ
„SLIP-CASTING”
15
SCHEMAT ZESTAWU DO FORMOWANIA
KOMPOZYTÓW
1
2
3
Siła magnetyczna
[mT]
4
1. Rurka
polietylenowa
2. Masa lejna
3. Forma gipsowa
4. Magnes
Odległość od źródła
pola magnetycznego:
200
150
12 mm
100
20 mm
36 mm
50
0
-30
-20
-10
0
10
20
30
odległość od środka magnesu [mm]
16
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 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 Al2O3 – 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
Biomedycyna, implanty
Powłoki ochronne
Ceramiczne materiały kompozytowe
 Celem techniki kompozytowej jest połączenie bardziej
korzystnych właściwości różnych materiałów pod kątem
określonego zastosowania.
 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
Nanokompozyty ceramika-polimer o osnowie polimerowej
Pierwsze nanokompozyty były opisane już w latach 50-tych XX wieku,
1976r – 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 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 3D
„proszkowe”
aglomeraty i
równomierny rozkład
dobre rozdrobnienie, aglomeraty i
ale nierównomierny nierównomierny
rozkład
rozkład
dobre rozdrobnienie i
dobry rozkład
przestrzenny
Nanocząstki 2D
włókniste
agregaty w postaci
pęczków włókienek
źle rozłożone w
objętości
włókienka rozproszone,
dobrze rozłożone w
objętości, ale ułożone
jednokierunkowo
Metodyka otrzymywania kształtek kompozytowych
ceramika - polimer
 Przygotowanie kształtek ceramicznych o różnej porowatości
 Spiekanie otrzymanych kształtek
 Wprowadzenie monomeru do porów w otrzymanych
kształtkach i polimeryzacja w porach
Gotowy materiał kompozytowy
SPOSÓB OTRZYMYWANIA KOMPOZYTU
CERAMIKA - POLIMER
•
Przygotowanie folii ceramicznych o różnej
porowatości
•
•
Spiekanie otrzymanej kształtki
Wprowadzenie monomeru do porów w
otrzymanej kształtce i polimeryzacja w
porach.
•
Laminowanie otrzymanych folii
•
Gotowy materiał kompozytowy
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 with porosity gradient
(without polymer)
Ceramics- polymer
composite
MICROSTRUCTURE OF PHOSPHATE CERAMICS SAMPLES
Porous material
Ceramics-polymer composite
(30% filling of pores with
polymer)
Ceramics-polymer composite
(50% filling of pores with
polymer)
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/m3]
 [%]
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
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 ceramika-polimer do zastosowań stomatologicznych
10 μm
50% obj. SiO2 + 10% obj. R709(nano)
0 % wag. UM1
40 % wag. UM1
100 % wag. UM1
Monomery:
– Bis-GMA
– TEGDMA
– UM1 – nowy wielofunkcyjny monomer uretanowo-metakrylowy
Heterodesmiczne związki warstwowe posiadają w swoich strukturach
wiązania metaliczne i kowalencyjne.
Są to m.in. związki w układach:
Ti-Al-C-N
Ti-Si-C-N
}
np. Ti2AlC, Ti3AlC2
Ti2SiN, Ti3Si(C,N)2
Są to związki o wysokiej sztywności (E320 GPa),
Ttop>3000oC
Hv=4,26 GPa (bardzo niska) – łatwość obrabiania metodami skrawania
Wysoka odporność na kruche pękania (KIC12 MPam0,5 )
Bardzo wysoka odporność chemiczna
Dobre przewodnictwo elektryczne 4,5·106 -1m-1
Słabe wiązania między warstwami – możliwość interkalacji – kataliza chemiczna
L.Stoch, Materiały ceramiczne, nr 2/2004 s.43-52
Prognozy rozwojowe ceramicznych
materiałów specjalnych
10,0%
Wielka Brytania
20,0%
Korea Południowa
•
30,0%
Francja
•
40,0%
Niemcy
•
Podniesienie wytrzymałości, a tym
samym niezawodności tworzyw
oraz wyrobów.
Poprawa właściwości
wysokotemperaturowych.
Optymalizacja struktury dla
każdego przypadku zastosowania.
Zmniejszenie kruchości materiałów
ceramicznych i tym samym
zawężenie tolerancji uszkodzeń.
USA
•
Japonia
Główne cele badawcze:
0,0%
Skala aktywności wiodących krajów w
zakresie zgłoszeń patentowych
związanych z ceramiką specjalną
(1981-1995)
ZESTAWIENIE NAKŁADÓW NA BADANIA NAUKOWE I
ROZWOJOWE W DZIEDZINIE PROJEKTOWANIA
MATERIAŁÓW W NIEMCZECH
W LATACH 2001-2002
C
E
R
A
M
I
K
A
36%
P
O
L
I
M
E
R
Y
28%
M
E
T
A
L
E
24%
I
N
N
E
12%
Nanonauka
Nanotechnologie
Nanomateriały
Nanonauka to badanie zjawisk i manipulacja elementami materii na
poziomie atomowym, molekularnym i makromolekularnym (zakres od
jednego do stu nanometrów), gdzie właściwości materii różnią się w
istotny sposób od właściwości w wiekszych skalach wymiarowych
Nanotechnologia to projektowanie i wytwarzanie struktur,
których przynajmniej jeden rozmiar jest poniżej 100 nm i które
posiadają nowe właściwości wynikające z nanorozmiaru
Nanomateriały ceramiczne
Nanomateriałem nazywa się polikrystaliczną substancję złożoną z ziaren,
których rozmiar nie przekracza 100 nm. Bardziej właściwe może okazać się
podejście, w którym nanomateriały zdefiniowane są nie przez wymiary, lecz
przez zmianę właściwości fizycznych.
Zaobserwowano, że w nanoskali pojawiają się specyficzne zjawiska,
nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych.
Wymiar, przy którym występuje zmiana, bądź pojawiają się nowe właściwości
jest graniczną wielkości definiującą nanomateriały.
Jurczyk M., Jakubowicz J., Nanomateriały Ceramiczne, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 2004.
Struktura nanomateriału
Udział atomów na granicy międzyziarnowej w zależności od
rozmiaru ziaren. Przy założeniu grubości granicy od 0,5 do 1 nm.
Zych Ł., Formowanie i spiekanie nanometrycznego proszku tlenku cyrkonu. Praca doktorska. Akademia Górniczo Hutnicza, Kraków 2006.
Materiały nanokrystaliczne – oczekiwane właściwości
•Wytrzymałość mechaniczna i twardość
•Dyfuzyjność
•Własności magnetyczne
•Oporność elektryczna
•Współczynnik rozszerzalności cieplnej
•Plastyczność
•Odporność na kruche pękanie
•Moduł sprężystości
•Przewodnictwo cieplne
Gdy ziarno < 100 nm
właściwości materiałów
zmieniają się gwałtownie:
wytrzymałość mechaniczna
rośnie ok. 4x
przewodnictwo cieplne
spada kilka razy
przesuwa się granica
plastyczności materiału
mikrotwardość wzrasta dwa razy,
np. n-Al2O3-SiC (10%obj.)
odporność na ścieranie wzrasta ok. 4 x,
np. n-Al2O3-TiO2 (13%obj.)
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
Wielkość nanokryształu jest zbliżona
do wielkości komórki elementarnej
B.Pałosz, Kompozyty 4(2004)9
powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jego wnętrze
symulacja metodami
dynamiki molekularnej
pojedyńczy nano-kryształ ma budowę dwufazową
wnętrze-powierzchnia (core-shell)
Spiekanie
Pora między ziarnami
proszku
Aglomerat
Pora między
aglomeratami
W wyniku spiekania małe pory
między ziarnami zanikają, duże pory
między aglomeratami rozrastają się.
Advantages
The improved thermal, electrical and mechanical properties of
this composite are:
•Anisotropic thermal conductivity of a ratio of 3:1 in the
aligned plane
•Electrical conductivity 13 orders of magnitude higher
than that of pure alumina (near the metallic conduction
threshold)
•Fracture toughness three times that of pure alumina
Applications
Commercial applications for this material include:
•Ruggedized circuitry substrates
•Electrically conductive components
•Advanced ceramics for aerospace and defense
•High temperature severe load conditions
•Cutting tools and wear component
Carbon nanotube ceramic (alumina) nanocomposite
Spieki z nanoproszku ZrO2 (8% mol. Y2O3, ziarno <50 nm)
Dahl P, Kaus I., Zhao Z., Johnsson M., Nygren M., Wiik K., Grande T., Einarsrud M.-A., Densification and properties of zirconia
prepared by three different sintering techniques. Ceramics International, 2007, 33, 1603 – 1610.
Zdjęcia SEM szlifów próbek spiekanych wg
następującego programu:
metoda spiekania – temperatura
spiekania[ºC] – ciśnienie [MPa] – czas
przetrzymania w temperaturze szczytowej
[min]:
a)
SPS – 1200 – 50 – 0
b)
SPS – 1200 – 50 – 10
c)
SPS – 1100 – 110 – 8
d)
SPS – 1300 – 70 – 5
e)
HP – 1250 – 25 – 0
f)
HP – 1250 – 25 – 3
g)
CS – 1500 – 0 – 12
Dahl P, Kaus I., Zhao Z., Johnsson M., Nygren M., Wiik K.,
Grande T., Einarsrud M.-A., Densification and properties of
zirconia prepared by three different sintering techniques.
Ceramics International, 2007, 33, 1603 – 1610.