Nem fémes szerkezeti anyagok

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

1 Nem fémes szerkezeti anyagok

2 A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása
Nem fémes anyagok A nem fémes szerkezeti anyagok csoportosítása

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

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

5 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.

6 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.

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

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

9 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.

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

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

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

13 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

14 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

15 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.

16 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

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

18 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.

19 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.

20 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

21 Hőre lágyuló termoplaszt
amorf Részben kristályos

22 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 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.

24 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

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

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

27 Összes alakváltozás az idő függvényében

28 Az egyes deformációkomponensek egymáshoz viszonyított részaránya
A deformáció- komponensek részaránya függ a terhelési szinttől!

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

30 Kúszás Az alakváltozás sebessége a terhelés a hőmérséklet függvénye!

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

32 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.

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

34 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

35 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)

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

37 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

38 Kerámiák

39 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

40 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

41 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 .

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

43 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.

44 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.

45 Műszaki kerámiák

46 Műszaki kerámiák

47 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.

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

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

50 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.

51 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).

52 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).

53 Üvegek Biztonsági üveg

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

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

56 Optikai kábel

57 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

58 Nem fémes szerkezeti anyagok
Kompozitok

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

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

61 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)

62 Részecskékből összetett, szemcsés kompozitok
A mátrixanyagba, 1m-tól a mm-ig részecskék vannak beágyazva. Ilyen pl. a beton, a keményfémek ( WC, TiC részecskék vannak a fém Co-ba beágyazva.), a fémkerámiák (cermet = ceramic + metals) oxidkerámiák pl. Al2O3 vagy ZrO2 van fémes mátrixba pl. Fe, Cr, Co, Mo ágyazva.

63 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.

64 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