Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák

Az előadások a következő témára: "Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák"— Előadás másolata:

1 Nem fémes szerkezeti anyagok Polimerek, kerámiák

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

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

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

5 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.

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

7 Faanyagok tulajdonságai
A fa erősen anizotróp és inhomogén. A szálirányú és arra merőleges igénybevehetőség 8-30 szoros különbséget mutathat. A fának kicsi a sűrűsége. Szilárdsága jelentősen függ az igénybevétel irányától. Vízfelvételre hajlamos, mechanikai tulajdonságai függnek a víztartalomtól.

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

9 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

10 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 %-át kitevő irharétegnek van jelentősége. Az iparilag feldolgozott bőr cserzéssel és kikészítéssel (pl. hengerléssel, zsírozással, impregnálással) készítik. Bőr

11 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.

12 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

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

14 Mesterséges polimerek, műanyagok előállítása
A polimerizáció során a monomerek kettőskötéseinek aktiválásával létrehozott reakcióképes vegyértékek hozzák létre a polimert. pl. CH2 = CH2 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.

15 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.

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

17 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

18 Hőre lágyuló termoplasztok
amorf Részben kristályos

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

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

21 Polimer piramis

22 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

23 Hőre lágyuló, elasztomerek

24 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.

25 Hőre keményedő, duroplasztok

26 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

27 Eltérések a fémek és a műanyagok között
A meghatározott értékeket befolyásolja: a hőmérséklet Amorf Kristályos Deformáció Feszültség

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

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

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

31 Összes alakváltozás az idő függvényében

32 A viszkoelesztikus viselkedés következménye
Kúszás Relaxáció

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

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

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

36 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

37 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.

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

39 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 SiN kivétel magas ár

40 Kerámia anyagok csoportosítása (1)
Alkotók szerint: Oxidkerámiák (pl. Al2O3) Vegyületkerámiák (pl. karbid, borid, nitrid) Egyatomos kerámiák (pl. szén – gyémánt) Gyártás szerint Olvasztás (üveggyártás) Hidrát kötés (cement) Nedves formázás (agyag árúk) Porkohászat (műszaki kerámiák)

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

42 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

43 Kerámiák

44 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

45 Egyatomos kerámiák Karbon Szilícium Germánium Köbös bór-nitrid

46 Egyatomos kerámiák Gyémánt: Köbös bór-nitrid (CBN)
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

47 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

48 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 .

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

50 Nitrid és karbidkerámiák
titánnitrid (felületi bevonat), köbös bórnitrid amely nagysebességű forgácsoló szerszámanyag mivel nem lép reakcióba a fémmel. szilícium nitridek Si3N4 a legnagyobb szilárdságú, viszonylag ütésálló, kopásálló, hősokkálló kerámia. Ezen tulajdonságai miatt a járműiparban hengerbélés, dugattyúcsap, turbófeltöltő kerék, előégető-ill. örvénykamra anyaga lehet.

51 Nitrid és karbidkerámiák
SIALON (pl. Si3Al3O3N5) tulajdonságai a szilíciumnitridhez hasonlók, többek között izzólámpák szálainak húzására alkalmas szerszámok anyaga. A szilíciumkarbid (SiC) különlegesen kemény, csiszolóanyag, de készítenek belőle szilitrudakat is.

52 Műszaki kerámia bevonatok

53 Műszaki kerámiák

54 Műszaki kerámiák

55 Műszaki kerámiák

56 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.

57 Műszaki oxidkerámiák A szinterezett műszaki oxidkerámiák négy csoportba oszthatók: Alumíniumoxid vagy műkorund (Al2O3). Nagy keménységű forgácsolószerszámok anyaga, nagy hővezetőképességű és viszonylag olcsó

58 Műszaki oxidkerámiák

59 Műszaki oxidkerámiák 2 Cirkóna vagy cirkóniumoxid (ZrO2). Erős koptatóhatásnak kitett szelepekhez, fúvókákhoz, csapágyakhoz, szerszámokhoz használják. Termikusan stabil, hősokk álló.

60 Műszaki oxidkerámiák 3 magnézium oxid MgO (2800 C )
Az Al2O3-hoz 2050 C és a ZrO2-hoz (2690 C) képest még nagyobb olvadási hőmérsékletű), a MgO a ZrO2-hoz adagolva részleges stabilitást eredményez, azaz akadályozza a ZrO2 termékek hőmérséklettől függő átalakulását és az ebből adódó térfogatváltozást.

61 Műszaki oxidkerámiák 4 A fémoxid (MeO) tartalmú mágnesezhető, szigetelő tulajdonságú, így kis örvényáram veszteségű lágymágneses ferritek(MeO.Fe2O3, Me = Mn, Cr, Co, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd) ill. keménymágneses ferritek (MeO.6Fe2O3, Me= Ba, Sr, Co).

62 Üveg Az üveggyártás alapanyaga a földkéreg 25 %-át adó SiO2 (pl. homok). A tiszta, kristályos SiO2 1700oC-on olvad. Jellegzetessége, hogy már mérsékelt lehűlési sebesség esetén sem kristályosodik, hanem amorf szerkezetűvé dermed (kvarcüveg).

63 Üvegek Biztonsági üveg

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

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

66 Optikai kábel

67 Üvegkerámiák részben polikristályos anyagok, amelyeket amorf üvegmátrix hőkezelésével állítanak elő. A hőkezelés a nagyhőmérsékleten olvadó csiraképzőkkel ( pl TiO2 és ZrO2) 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 % lehet

68 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

69 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

70 Beton szerkezetek: híd

71 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)