Speciální materiály, příprava a vlastnosti
Kovové kompozity
Nanokrystalické kovové materiály
Nekrystalické kovové materiály (kovová skla)
Kovové kompozity
Kompozitní materiály
• Proč máme třídy a typy kompozitních materiálů?
• Proč jsou kompozity používány přednostně před kovy,
keramikou nebo polymery?
• Jak určíme pevnost a tuhost materiálu?
• Jaké jsou některé typické aplikace?
• Kompozit:
-- Mnohofázový materiál s významnými
podíly každé fáze
• Matrice:
-- Souvislá fáze
-- Smyslem je:
- přenést napětí na další fázi(e)
- ochránit další fázi(e) od okolí
-- Klasifikace: MMC, CMC, PMC
• Rozptýlené fáze:
--Cíl: zlepšit vlastnosti matrice.
MMC: zvýšit σy, TS, creepovou odolnost
CMC: zvýšit Kc
PMC: zvýšit E, σy, TS, creepovou odolnost
--Klasifikace: částice, vlákno, strukturní
kov keramika polymer
woven
fibers
cross
section
view
0.5 mm
0.5 mm
D. Hull and T.W. Clyne, An
Introduction to Composite Materials,
2nd ed., Cambridge University Press,
New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47.
Terminologie/Klasifikace
σy …. napětí v tahu, TS …. pevnost v tahu, creep … tečení, Kc …. lomová
houževnatost, E … elastický modul pružnosti, MC … Matrix Composite
Vyztužení částicemi Fiber -reinforced Structural
• Příklady:
-Spheroidite
steel
matrix:
ferrite ( α)
(ductile)
particles:
cementite
(Fe 3C)
(brittle)
-WC/Co
cemented
carbide
matrix:
cobalt
(ductile)
particles:
WC
(brittle,
hard)
-Automobile
tires
matrix:
rubber
(compliant)
particles:
C
(stiffer)
60 µm
Vm:
10-15vol%! 600 µm
0.75 µm
Fig. 10.10, Callister
6e. (Fig. 10.10 is
copyright United
States Steel
Corporation, 1971.)
Fig. 16.4, Callister 6e.
(Fig. 16.4 is courtesy
Carboloy Systems,
Department, General
Electric Company.)
Fig. 16.5, Callister 6e.
(Fig. 16.5 is courtesy
Goodyear Tire and
Rubber Company.)
Přehled kompozitů: Částice
-Perlitická
ocel
matrice:
ferit (α)
(kujný)
částice:
cementit
(Fe3C)
(křehký)
-WC/Co
slinutý
karbid
matrice:
kobalt
(kujný)
částice:
WC
(křehký,
tvrdý)
matrice:
guma
(měkký)
-Auto
pneu
částice:
C
(plnidlo)
Vyztužení vlákny Strukturní
TTřříídděěnníí kkoommppoozziittůů
Kompozit
Vyztužený
ČÁSTICEMI
Vyztužený
VLÁKNY
STRUKTURNÍ
Velké
částice
Disperzně
zesílený
Souvislá
(pravidelná)
Nesouvislá
(krátká)
Lamináty Sendvičové
desky
Pravidelné
Nahodile
orientované
• Nesouvislá, náhodná, 2D vlákna
Vyztužení vláknyParticle-reinforced Structural
• Příklad: Uhlík-uhlík
-- proces: vlákno / dehet, pak
vypálit (pyrolýza) na 2500ºC.
-- použití: kotoučové brzdy,
pro plynové turbíny, kabiny
kosmických lodí ap.
• Další varianty:
-- Nesouvislá, náhodná 3D
-- Nesouvislá, 1D
fibers lie
in plane
view onto plane
C fibers:
very stiff
very strong
C matrix:
less stiff
less strong
F.L. Matthews and R.L. Rawlings, Composite
Materials; Engineering and Science, Reprint ed.,
CRC Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig.
4.24(a), p. 151; (b) Fig. 4.2(b) p. 351. Press, Boca
Raton, FL.
(b)
(a)
Přehled kompozitů: Vlákna II
C vlákna
velmi tuhé
velmi pevné
Matrice C:
méně tuhé
méně pevné
Vlákna leží v
rovině
pohled na rovinu
Vyztužení částicemi Strukturní
• Pravidelná, souvislá vlákna
Vyztužení vláknyParticle-reinforced Structural
• Příklady:
W. Funk and E. Blank, “Creep deformation
of Ni3Al-Mo in-situ composites", Metall.
Trans. A Vol. 19(4), pp. 987-998, 1988.
fracture
surface
matrix: α (Mo) (ductile)
fibers: γ’ (Ni3Al) (brittle)
2µm
--Kov: γ'(Ni3Al)-α(Mo)
při eutektickém tuhnutí.
-- Sklo s vlákny SiC tvořené sklářským
kalem, Esklo = 76GPa; ESiC = 400GPa.
F.L. Matthews and R.L. Rawlings,
Composite Materials; Engineering
and Science, Reprint ed., CRC
Press, Boca Raton, FL, 2000. (a) Fig.
4.22, p. 145 (photo by P. Davies); (b)
Fig. 11.20, p. 349 (micrograph by
H.S. Kim, P.S. Rodgers, and R.D.
Rawlings). Press, Boca Raton, FL.
(a)
(b)
Přehled kompozitů: Vlákna I
matrice: α (Mo) (kujný)
vlákna: γ' (Ni3Al) (křehký)
plocha
lomu
Vyztužení částicemi Strukturní
Fiber -reinforcedParticle-reinforced Strukturní
• Vsazené a spojené, vlákny vyztužené plochy
-- kolmý sled vrstvení: např. 0º/90º/..
-- výhoda: vyvážené, mezi vrstvami tuhé
Lamináty
• Sendvičové desky
-- malá hustota, plástvový vnitřek
-- výhoda: malá váha, velká pevnost v ohybu
From Fig. 16.16,
Callister 6e.
From Fig. 16.17,
Callister 6e. (Fig. 16.17 is
from Engineered Materials
Handbook, Vol. 1, Composites, ASM International, Materials Park, OH, 1987.
Přehled kompozitů: Strukturní
honeycomb
adhesive layer
face sheetčelní vrstva
adhezní vrstva
plástvová strukt.
Vyztužení částicemi Vyztužení vlákny
Nanokrystal. kovové materiály
Specifikace:
Malé částice velikosti 10-100 nm (kvantové tečky)
Příprava:
Přístup od shora dolů (Rozklad soustavy)
- mechanické mletí
- litografie (hybridní technologie) (kamenotisk) - broušení
- elektrická exploze (tepelná / chemická)
- laserová ablace
Přístup odzdola nahoru (Syntéza)
- sol-gelová technika (koloid a koagul. koloid v roztoku)
- aerosolový proces (pevné nebo kapalné částice v plynu)
- Chemical Vapour Deposition (CVD)
- Molekulární kondenzace
- Electrospinning
- Self Assembly (sestavování)
Tzn.
- srážení
- odprášení (laser, výboj, e,
ionty apod.)
- chemické reakce (CVD)
Vlastnosti:
- ovlivnění na atomární úrovni (elektrické, optické, ….)
- velký povrch
(velká absorpční schopnost a povrchová reaktivita)
- jako další příspěvek ke Gibbsově energii nutno zahrnout
povrchovou energii což vede k posunu fázových
hranic ve fázových diagramech k nižším teplotám
- absence šíření dislokací (ovlivnění mech. vlastností -
pevnější)
Využití:
- snížení bodu tání čistých kovů a jejich slitin k přípravě
pájkových materiálů s nižším bodem tání
(např. pro oblast bezolovnatých pájek)
- jako katalyzátory
- látek s magnetickými vlastnostmi jako transportní nosiče
léčiv
- pro přípravu materiálů s malým počtem poruch
Kovová skla