Konstruktionsmaterial, 4H1068, 4p Re-entry T Distribution Kursination Sista Lab 4, ges idag (26/9). Kontakta Matilda Tehler, matildat@mse.kth.se om missade laborationer och labtest. Du kommer därefter att bli kontaktad för ev. omtest/lab. Föreläsningen: Onsdag 27/9, sal B2, kl 15-17, var inställd. först C-C (1650 C) Adjunkt Anders Eliasson KTH/ITM/Metallernas gjutning Kisel plattor (400-1260 C) nylonfibrer, kiselgummi coating (400 C) "The Shuttle Orbiter Thermal Protection System" Föreläsning 11: Keramiska material, användning och framställning Förstå material Välja material Utveckla material Kontrollskrivningen: Resultatet av denna anslås på kurshemsidan samt på kursanslagstavlan för MSE, i entrén BR23, senast 2006-10-09 men troligare något tidigare. Kurslitteratur säljs fortfarande på Tekn.exp. MSE. Rum M125A. Må-Ti 12-14, On 11-13, To-Fr 10-12. Obs, endast kortbetalning, ej kontanter. Repetion: Polymerers mikrostruktur Polymer = många merer mer mer mer H H H H H H H H H H H H H H H H H H C C C C C C C C C C C C C C C C C C H H H H H H H Cl H Cl H Cl H CH3 H CH3 H CH3 Polyeten (PE) Polyvinylklorid (PVC) Polypropen (PP) Repetion: Plast - gummimaterial Kovalenta bindingar i kolkedjan ger styrka: sekundär bindning Linjär Förgrenad Tvärbunden Nätverk Ökande hårdhet Plastmaterial Materialen är mer eller mindre hårda och beständiga vid användningstemperaturen. Härdplaster: Nätverkspolymerer Termoplaster: Linjära och grenade polymerer Gummimaterial (Elaster) Gummimaterial är mycket elastiska. De töjs vid belastning och återfår sin ursprungliga dimension efter avlastning. Repetion: Termoplaster och härdplaster T Termoplaster: -- Få tvärbindningar -- Duktila -- Mjuknar vid värmning -- Polyeten Polypropen Polykarbonat Polystyren lättflytande kristallin viskös Callister, gummi Fig. 16.9 hårdplast Tsmält Tglas delvis kristallin Repetion: Inverkan av temperatur/tid E-modul påverkan Härdplaster: -- Stor andel tvärbindningar (10 till 50% av mererna) -- Hårda och spröda -- Mjuknar INTE vid värmning -- Vulkaniserat gummi, epoxy, polyester, fenolhartser Molekylvikt Visko-elasticitet Polymera material förändrar kraftigt sina mekaniska egenskaper under olika yttre betingelser som tid, temperatur, belastning, bearbetning mm 1
Repetion: Inverkan på E-modul (styvhet/barhet) Temperaturen Molekylvikten Tvärbindningar Kristallinitet Repetion: Kompositmaterial Kompositer: -- Flerfasiga material med signifikanta mänder av varje fas. Grundmassa (matrix): -- Den sammanhängande fasen -- Dess betydelse är: överföra spänningen till andra faser skydda faser från omgivningen -- Klassificering: MMC, CMC, PMC vävda fibrer 0.5mm tvär sektion Metall Keram Polymer Dispergerad fas: 0.5mm -- Avsikt: förbättra grundmassans egenskaper. MMC: öka σy, σ B, kryphållfasthet. CMC: öka Kc (brottseghet) PMC: öka E, σy, σ B, kryphållfasthet. -- Klassificering: Partiklar, fiber, strukturell Repetion: Partikelförstärkta kompositer Repetion: Fiberförstärkta kompositer Partikelförstärkt Exempel: - Mjukglödgat Matrix: stål (MMC) ferrit ( α) (duktil) - WC/Co Hårdmetall (MMC) - Bildäck (PMC) Matrix: kobolt (duktil) Vm: 10-15vol%! Matrix: gummi (mjukt) Fiberförstärkt 60μm 600μm 0.75μm Partiklar cementit (Fe3C) (spröd) Partiklar WC (spröd och hård) Partiklar C (styva) Strukturell Partikelförstärkt Fiberförstärkt Strukturell Diskontinuerliga, slumpmässigt ordnade 2D fibrer Exempel: Kol+Kolfiber -- Process: fibrer och pulver hettas upp till 2500 o C. -- Användning: skivbromsar, klaffar för utblås från gasturbin, noskon för flygplan Andra varianter: -- Diskontinuerliga, slumpmässingt ordnade i 3D -- Diskontinuerliga i 1D (a) (b) bild av ytan C fibrer: mycket styva och starka C matrix: Mindre styv och stark Fibrerna ligger i planet Repetion: Strukturella kompositer Partikelförstärkt Fiberförstärkt Packande och fogade fiberförstärkta skivor -- Packordning: t.ex 0/90 -- Fördel: balanserad styvhet i planet Sandwichpaneler -- låg vikts bikake centrum -- fördel: låg vikt, stor böjstyvhet ytteryta fogyta bikaka Strukturella Viktigt:.. Föreläsning 11 Keramiska material och deras användning Hur skiljer sig tillverkning av keramer från metaller? Hur klassificeras keramer? Exempel på användning av keramer? Lektion 1 11 2
Vilka konstruktionsmaterial finns det? Utmärkande egenskaper för Keramiska material Keramiska materials utmärks av att de: Dåliga ledare av elektricitet (isolatorer) Hög smälttemperatur Låg värmeutvidgning Kemiskt stabila och bra korrosionsmotstånd Hög hållfasthet (speciellt i tryck) Hög hårdhet, spröda Låg värmeledningsförmåga Keramer = Oorganiska kristallina material Glas = Amorft material (ingen kristallstruktur). Material som används vid tillverkning av produkter indelas i metalliska och icke-metalliska material. Icke-metaller indelas i polymerer och keramer. Kompositer är specialfall då de kan vara metalliska, ickemetalliska eller en blandning av dessa klasser. Glasning Pressning: Parison ämne Blåsning: hängande Parison Tillverkning av keramer Specialning Cement Pressning Tryckluft Fiberdragning: trådvinda Byggsten: 4- Si04 tetrahedron Si 4+ Kvarts är kristallint SiO2: Vad är glas? Glasäramorft Amorfa strukturen gynnas av tillsats av föroreningar (Na +,Mg 2+,Ca 2+, Al 3+ ) Föroreningarna: stör uppbyggnaden av ett kristallint gitter. Na + Si 4+ (Soda glas) Avslutande Egenskaper för glas (1) Egenskaper för glas (2) Specifika volymen (1/ρ) relativt temperaturen (T): Kristallina material: -- Kristalliserar under smälttemperaturen, Tm -- Har en diskontinuerlig ändring av specifika volymen vid Tm Glaser: -- Kristallierar inte. -- Specifika volymen varierar kontinuerligt med T --Glasomvandlings temperatur, Tg (där entropin för glasfasen blir densamma som för kristallina fasen) Specifika volymen Underkyld Glas (amorf fastfas) T glas (oordnad) Kristallin (dvs ordnad) fastfas T smält T Viskositet: -- Samband mellan skjuvspänning och gradienten av belastningshastigheten τ glas τ τ=η dv dy dy dv dv dy hastighetsgradient 3
Viskositeten för glas som funktion av T och föroreningar 96% kvarts Pyrex sodaglas Viskositeten minskar med T Föroreningar minskar Tde Värmebehandling av glas Glödgning: -- Avlägsnar inre spänningar orsakade av kylningen. Härdning: -- Utsätter ytan av glaset för tryckspänningar -- Undertrycker tillväxten av repor och sprickor från ytan. smält kvarts Viskositet [Pa s] 10 14 10 10 Glödgnings temperatur 10 6 Tde: tillräckligt mjuk att eras 10 2 1 200 600 1000 1400 1800 T( C) Före kylning het Ytan kyls kallare het kallare --Resultat: tillväxt av ytsprickor förhindras Mer kylning tryckspänningar dragspänningar tyckspänningar Tillverkning av keramer (IIA) Glasning Specialning Cement Malning och siktning: för önskad partikelstorlek Blandning av partiklar och vatten: ger en uppslammad lera" Forma en "grönkropp" -- Vatten-plastisk ning (Extrusion, strängpressning): tryck leran genom en kraft A o pistong behållare ämne behållare fäste extruderat A d Lera är billigt Tillsats av vatten -- Gör att materialet skjuvas lätt längs de svaga van der Waals bindn. -- Möjliggör extrusion -- Möjliggör gjutning Struktur förkaolinlera: Egenskaper hos en lera laddnings neutral Skjuvning Skjuvning laddnings neutral svaga van der Waals bindningar Si 4+ Al 3+ - OH Torkning och bränning Torkning: skiktens storlek och avstånd minskar. Kompakt detalj Slamgjutning Häll leran i en Vattnet absorberas av en grön kropp Gips Våt lera Delvis torr Grönkropp Bränning: -- Temperaturen höjs till 900-1400 o C -- Vitrifikation: glas bildas av leran och fyller ut mellan SiO2 partiklarna (smältfassintring). Tunnväggig detalj Häll leran i en Töm en grönkropp Mikrobild av porslin Si02 partikel Gips (kvarts) Glas bildad runt partikeln En finkorning råmaterialblandning är uppslammad i vatten (slurry). Den hälls i en negativ av gips. Gipset absorberar vatten och ett tunt skal av fast massa bildas. 70μm En fast produkt bildas efter torkning och bränning. 4
Tillverkning av keramer (IIB) Tillverkning av keramer Pressning, Sintring, HIP Glasning Specialning Cement Pressning och Sintring (LPS) Sintring: användbart för både leror och andra keramer. -- Mal samman keram och glasbildare till små partiklar -- Häll dem I en -- Tryck och värm vid hög temperatur för att få bort porer. Extrudering Formsprutning Aluminiumoxidpulver: -- Sintrad vid 1700 C, under 6 minuter. porer Trycksintring och HIP (Varmisostatpressning) 15μm Termisk sprutning Tillverkning av keramer (III) Glasning Specialning Cement Produceras i mycket stora kvantiteter. Portland cement : -- Blanda lera (SiO 2 ) med kalksten (CaO) -- Värm till 1400 o C -- Huvudbeståndsdelar: trikalciumsilikat Ca 3 SiO 5 dikalciumsilikat, Ca 2 SiO 4 Tillsätt vatten -- Ger en mjuk pasta som snabbt hårdnar -- Hårdheten beror på hydrering (kemiska reaktioner med vattnet). Formning: måste ske snabbt efter att hydreringen har börjat. Användningsområden för keramer Glaser Lera HögtemperaturSlitmaterial Cement Funktionella keramer -optisk -badrum -kompositer -tegel förstärkning -behållare/ -hushållsgods -tegel för -sandpapper-komposit höga T -skärade -strukturell (brännugn) -polering motor -rotorblad -kolvar -lager -detektorer Egenskaper: -- Tsmält för glas är inte så hög som för andra keramer. -- Dålig slagseghet och duktilitet; hög E-modul, bra kryphållfasthet. Användning: -- Höga temperaturer, slitstyrka, lågt pris. Tillverkning: -- Glasmaterial kan as relativt lätt -- De flesta andra keramerna är svåra att a. Tillämpning: Höga temperaturer Tillämpning: Formar Material för ugnar med höga temperaturer. Kvarts(SiO2) - Korundum (Al2O3) systemet. I fasdiagrammet finns: mullite, korundum och kristoballit (högtemp av SiO2) som möjliga konstruktionsmaterial. Formmaterial: --Måstevaraslitstarkt! Ao Dragning Ad drag kraft 2200 T( C) 2000 1800 kristobalit + L 1600 1400 0 3Al2O3-2SiO2 mullit Liquid (L) mullite + L mullit + kristobalit korundum + L korundum + mullit 20 40 60 80 100 (wt% korundum) Ytan på en: -- 4 μm polykristallina diamant partiklar som har sintrats på ett substrat av hårdmetall (Co+WC) -- Polykristallin diamant hjälper till att undvika brott och ger en enhetlig hårdhet I alla riktningar. 5
Tillämpning: skärande verktyg Tillämpning: Detektorer Starka verktyg behövs -- För att slipa glas, wolframkarbid, keramer -- För att skära Si-wafers -- För oljeborrning Oljeborr Lösning: -- Enkristaller eller polykristallin diamant i en metallmatris. -- Ytbeläggning av t.ex., Ti för att få diamanterna att legeras med en Co matrix) -- Polykristallina diamanter är bättre då de under användning självskärper sig genom uppsplittring av olika kristallplan sågblad ytbelagda enkristaller av diamanter polykristallin diamant i en matris Ex: Syre sensor: ZrO2 Krav: Diffusionen av joner går snabbare för snabb detektion. Metod: Addera lite Ca för att: -- Öka antalet vakanser -- Vilket underlättar diffusionen av Funktion: -- Elektriska spänningsskillander som skapas när joner diffunderar mellan extern och referensgas Ca 2+ gas med okänd (högre) syrehalt En Ca 2+ föroreningsatom ersätter enzr 4+ och en jon. sensor diffusion referens gas med känd halt av syre + - elektrisk spänningsskillnad skapas! Termiska egenskaper För alla material men speciellt för keramer är det viktigt att ha kännedom om de ingående materialens termiska egenskaper. Värmekapacitet: hur mycket temperaturen höjs för ett givet tillskott av värme. Termisk expansivitet: hur mycket volymen (längden) av ett material ändras med temperaturen (kan ge upphov till termiska spänningar, s.k. solkurvor för järnvägsräls). Termisk ledningsförmåga: hur mycket värme per tidsenhet ett material kan släppa igenom (isolationsmaterial för rymdskytteln). Material ändrar volym när de värms upp. L slut L start =α(t slut T start ) L start Atomistisk bild: Atomavståndet ökar med T. Bindningsenergi ökande T Koefficienten för termisk expansivitet (1/K) T5 T1 r(t1) r(t5) Termisk expansivitet Bindningsavstånd (r) Lstart Lslut Kurvan för bindningsenergin är osymetrisk Tstart Tslut Termisk expansivitet för olika material Termisk konduktivitet ökande α Material Polymerer Polypropen Polyeten Polystyren Teflon Metaller Aluminium Stål Volfram Guld Keramer Magnesia (MgO) Alumina (Al2O3) Sodaglas Kvartsglas (SiO 2 ) α (10-6 /K) vid rumstemp 145-180 106-198 90-150 126-216 23.6 12 4.5 14.2 13.5 7.6 9 0.4 Varför minskar α i allmänhet med ökande bindningsenergi? Generellt: Ett materials förmåga att överföra värme. Kvantitativt: q = k dt temperatur gradient Värmeflöde dx (J/m 2 -s) termisk konduktivitet (J/m-K-s) T1 x1 värme flöde T2 > T1 Atomistisk bild: Atomernas vibrationer i den värmare delen överför värme (vibrationer) till de kallare delarna. x2 6
Termisk konduktivitet för olika material ökande k Material Metaller Aluminium Stål Volfram Guld Keramer Magnesia (MgO) Alumina (Al2O3) Sodaglas Silica (kvarts. SiO2) Polymerer Polypropen Polyeten Polystyren Teflon k (W/m-K) 247 52 178 315 38 39 1.7 1.4 0.12 0.46-0.50 0.13 0.25 Energitransport Genom atomernas vibrationer och elektroner Genom atomernas vibrationer Genom vibrationer och rotationer av kedjemolekylerna Uppträder vid: --ojämn uppvärmning/kylning --olika termisk exansivitet. Exempel problem 17.1, p. 724, Callister 2e. --En mässingsstav är spänningsfri vid rumstemperatur (20C). --När den upphettas får den inte expandera I längd. --Vid vilken T blir spänningen -172MPa? Lrum tryckspänningσ håller ΔL = 0-172MPa Termisk spänning Trum ΔL T ΔL =ε termisk =α(t T rum ) L rum 100GPa 20 x 10-6 /C σ=e( ε termisk ) = Eα(T T rum ) Svar: 106C 20C Motstånd mot termisk chock Uppträder vid ojämn uppvärmning/kylning. Ex: Antag ett tunnt ytlager snabbt kyls från T1 till T2: snabbkylning σ Försöker dra ihop sig pga kylningt2 Spänning vid ytan Det inre vill inte dras ihop T1 σ= Eα(T 1 T 2 ) Temperaturskillnad som kan åstadkommas vid kylning: (T 1 T 2 ) = kylhastighet k Sätt lika Kritisk temperatur skillnad för brott (sätt σ = σ f) (T 1 T 2 ) brott = σ f Eα Svar:(kylhastigheten ) för brott σ fk Eα Stort motstånd mot termisk chock om föhållandet σ f k Eα är stort. Tillämpning: Rymdskytteln Värmesköld Re-entry T Distribution Kisel plattor (400-1260C): -- Storskalig tillämpning -- Mikrostruktur: först C-C Kisel plattor nylonfibrer, kiselgummi (1650 C) (400-1260 C) coating (400 C) "The Shuttle Orbiter Thermal Protection System" 100μm ~90% porositet! Si fibrer bundna till varandra genom en värmebehandling Sammanfattning Grundläggande typer av keramer: -Glas -Produkter av lera -Högtemperatur -Cement -Funktionella keramer Tillverkningsmetoder för keramer - Glasbildning (föroreningar ger nings temp.) - Speciell ning (om begränsad duktilitet) - Cement (stora mängder, rumstemp process) Värmebehandling: används till - Avlägsna restspänningar - Framställa detaljer med lägre känslighet mot ytsprickor genom att ytan får tryckspänningar Läsanvisningar Kapitel 13 Sidor: 553-559, 559-563 Typtal: 13.20 Kapitel 14 Sidor: 598-611 Typtal: 14.19, 14.34 Kapitel 17 Sidor: 17.1, 17.3 (CD-rom) 7