POLIMERI

- polimeri - kondenzirani sustavi makromolekula

- podjela polimera prema vrsti veza između makromolekula (prema ponašanju pri zagrijavanju):

1. Plastomeri 2. Elastomeri 3. Duromeri 4. elastoplastomeri - mogućnost prerade kao plastomeri, a svojstva kao elastomeri 5. Plastomerni kapljeviti kristali (LCP)

-podjela prema vrsti veza između makromolekula:

1. linearne makromolekule npr. polietilen visoke gustoće

2. rahlo umrežene makromolekule npr. vulkanizirani kaučuk

3. potpuno (prostorno) umrežene makromolekule npr. fenol-formaldehidna smola

POLIMERNI KAPLJEVITI KRISTALI (liquid cristalline polymers, LCP)

- LCP - dio krute (obično aromatske) centralne jezgre elastične(najčešće alkilne) skupine mezogene strukture

- do pojave „tekuće kristalnosti“ dolazi kada molekule sadrže ukrućene strukture, mezogene, koje su u niskomolkulnim tvarima čitave molekule, a u makromolekulama dijelovi usporedivi s ponavljanim jedinicama

POLIMERNI MATERIJALI

Tehnički uporabivi polimerni materijali = polimer + dodaci

dodaci čistim polimerima:

• reakcijske tvari - pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti, umrežavala

• dodaci za poboljšanje preradljivosti - maziva, odvajala, punila, toplinski stabilizatori, regulatori viskoznosti, tiksotropni dodaci

• modifikatori mehaničkih svojstava - ommekšavala, dodaci za povišenje žilavosti, punila, prijanjala, ojačala

• modifikatori površinskih svojstava - regulatori adhezivnosti, vanjska maziva, antistatici, dodaci za smanjenje sljubljivanja, za smanjenje neravnina na površini

• modifikatori optičkih svojstava - bojila , pigmenti

• dodaci za poboljšanje postojanosti - svjetlosni stabilizatori (UV), antioksidansi, antistatici, biocidi

• ostalo - miris, dezodoransi

SVOJSTVA POLIMERNIH MATERIJALA

svojstva - reakcija ili promjena stanja materijala izazvana djelovanjem raznih (unutarnjih ili vanjskih) čimbenika

značajka (karakteristika)- sva bitna i mjerljiva tj. brojčano iskazljiva svojstva određena dogovornim i/ili normiranim metodama ispitivanja

Svojstva polimernih materijala: - unutarnja (intrinzička, stvarna, prava) svojstva

- procesna (proizvodnja transport i skladištenje obrada dorada uporaba te otpadna i reciklična svojstva)

- svojstva proizvoda (preformanse)

svojstva :

1. Svojstva tvari – neovisna o obliku i dimenzijama izratka (modul elastičnosti E, modul smičnosti G, Poissonov omjer ν, gustoća ρ, te toplinska, električna, optička i akustička svojstva)

2. svojstva poluproizvoda – (samo nekoliko stupnjeva prerade i obrade- šipke, limovi, profili)

3. svojstva gotovog proizvoda - promjena sastava, strukture usljed konačnog oblikovanja i primjene

PLASTOMERI

Mehanička svojstva plastomera

plastomeri – najzastupljenija skupina polimera (90% ukupne proizvodnje)

relativno dobra čvrstoća

najrašireniji predstavnici po opsegu proizvodnje i primjeni: polietilen (PE), polipropilen (PP), poli(vinil-klorid) (PVC), polistiren (PS), poli(etilen-terftalat) (PET)

zajedno preko 85% svjetske potrošnje polimera

relativno niska cijena, zadovoljavajuća mehanička svojstva

Konstrukcijski plastomeri

poliamidi (PA 6 i PA66), poli(oksi-metilen) (POM) ( ili poliacetal), poli(butilen-tereftalat) (PBT), poli(tetrafluoretilen) (PTFE), poli(metil-metakrilat) (PMMA), polikarbonat (PC),

znatno bolja mehanička svojstva važna za konstrukcijsku primjenu

viša cijena

DUROMERI

ne postoje u svom konačnom stanju prije polimerizacije- objedinavanje procesa umnožavanja i proizvodnog postupka

glavni predstavnici: - fenol-formaldehidne smole (PF) – kućišta, elektroizolacijski elementi

- melamin- formaldehidne smole (MF) – kućišta, elektroinstalacije

- nezasićeni poliesteri (UP) – konstrukcijski elementi, dijelovi autokaroserija (npr. Smart, trupovi plovila)

- epoksidne smole (EP) – cijevi, djelovi elektroinstalacija, polimerni beton, prototipovi proizvoda

- poliuretan (PUR) – izolacijski elementi, djelovi autokaroserija

MEHANIČKA SVOJSTVA

prilikom primjene polimera u konstrukcijske svrhe treba uzeti u obzir:

Velika ovisnost njihovih mehaničkih svojstava o uvijetima okoline, prvenstveno toplini

Ovisnost mehaničkih svojstavao vrsti i tajanju opterećenja, te brzini opterećivanja

Način deformiranja: pri opterećivanju uz konstantno naprezanje σ0 ukupna deformacija εu ovisi o trajanju djelovanja sile

• nominalni dijagram rastezno naprezanje - istezanje

Rastezna vlačna čvrstoća

vrijednosti rastezne čvrstoće polimernih materijala je oko 10 puta manja od vrijednosti čvrstoće metala

Utjecaji koji mjenjaju rasteznu čvrstoću: molekulna masa (veličina makromolekule)

obrada i naknadna obrada

sutpanj kristalnosti ili umreženosti

temperatura, vlažnost

opterećenja

punila

Kritično istezanje

• izokroni dijagram naprezanje istezanje

Kritično itezanje εkrit - vrijednost istezanja pri kojem niti nakon vrlo dugog opterećenjane dolazi do pojave mikroskopskih oštećenja

Modul elastičnosti

modul elastičnost - mjera za krutost materijala

svojstvo krutosti - veličina elastične deformacije pod definiranim vlačnim, talčnim, savojnim ili torzijskim opterećenjem

* modul elastičnosti E

* modul smičnosti G (torzijsko i smično napreznaje)

odnos E i G određen je Poissonovim omjerom μ

E = 2G (1 + μ)

- vrijednosti modula elastičnosti polimernih materijala približno je 10 do 100 puta manja nego ona metala

- nije konstanta kao kod metala: utjecaj stupnja polimerizacije i stupnja urteđenosti strukture

- utjecaji koji još dodatno mjenjaju modul elastičnosti: stupanj umreženosti, temperatura, vlažnost, vrijeme (trajanje opterećenja), punila, okolišni medij

• Postupak određivanja modula elastičnosti polimernih materijala

dugotrajna opterećenja

statičko opterećenje – puzanje (uz povišenu temperaturu)

značajka: statička izdržljivost – najveće dugotrajno naprezanje koje materijal može izdržati praktički beskonačno dugo (bez loma ili dostizanja neke graničen deformacije)

Visokolelastičnost

pri opterećivanu uz konstantno naprezanje σ0 ukupna deformacija εu ovisi o trajanju djelovanja sile – visokoelastičnost

- deformacija se sastoji od: - plastične deformacije (istezanja), koja je nepovratana, vremenski i temperaturno ovisna pojava

-elastične deformacije (istezanje) -vremenski je ovisna i reverzibilna , sastoji se od dva doprinosa: energijskog i entropijskog

- ukupna deformacija čvrstog tijela εu = εel + εp

*εel – elastična (povratna) deformacija

εpl – plastična (nepovratna)deformacija

elastična deformacija εel = εEN + εET

*εEN – energijski elastična deformacija

εET – entropijski elastična deformacija

Dinamičko opterećenje

uz dinamičko opterećenje javlja se umor materijala

dinamička izdržljivost – ono najveće dinamičo opterećenje koje materijal može izdržati praktički beskonačno velik broj ciklusa

osim mehaničkih svojstava istuču se:

suština boje kemijske postojanosti polimera pred metalima:

postojanje afiniteta polimer – medij

najčešće samo fizikalne promjene (promjena mase i volumena)

mogućnost reverzibilnosti procesa

uglavnom dobra postojanost na djelovanje kiselina, lužina i otopina soli, ali su uglavnom dosta nepostojani na organska otapala

TRIBOLOŠKA (TARNA) SVOJSTVA POLIMERA

ponašanje materijala u uvjetima treja, a s time povezano i trošenje

trenje- OTPOR USLJED relativnog gibanja jednog tijela u odnosu na drugo (svojstvo sustava)

okolni medij __________ - protutijelo

međumedij

__________ - osnovno tijelo

mali faktor trenja

dobra otpornost na trošenje

nema mikrozavarenih spojeva

udubine neravnina popunjavaju se proizvodima trošenja polimernog materijala

relativna neosjetljivost prema stranim česticama

TEMPERATURA TRAJNE PRIMJENE

područje trajne primjene za većinu polimernih materijala je ispod ili do 100°C

noviji toplinski postojani plastomeri: poliimidi (PI) trajni rad do 350°C

poli(fenilen-sulfid) (PPS) – trajni rad do 260°C (kratkotrajno do 500°C)

poli(eter-eter-keton) (PEEK) – trajni rad do 280 °C (kratko do 500°C) sličan poli(eter-keton-keton) (PEKK)

PREDNOSTI POLIMERNIH MATERIJLA

• mala gustoća (0,8 do 2,2 gcm-3 , oko 7 puta manja od metala)

• dobra kemijska postojanost

• dobra otpornost na trošenje

• mali faktor trenja

• dobro prigušivanje vibracija

• dobra izolacijska svojstva (toplinska i električna)

• preradljivost deformiranjem pri relativno malo povišenim temperaturama

• ekonomična serijsa izrada dijelova (nisu jeftini)

NEDOSTATCI POLIMERNIH MATERIJALA

• ovisnost svojstava o raznim utjecajnim faktorima (pogotovo plastomeri i elastomeri)

• veća toplinsa istezljivost

• nizak modul elastičnosti

• mala površinska tvrdoća

• podložnost starenju (jer su organskog podrijetla)

• mala toplinska vodljivost

• utjecaj preradbe na svojstva

• neekonomična proizvodnja malih količina proizvoda

KOMPOZITNI MATERIJALI

kompozitni materijali ili kompoziti su proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili vše materijala različitih svojstava s ciljem dobivanja materijala takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe

neke od općih prednosti kompozitnih materijala pred konvencionalnim materijalima jesu sljedeće: - mogućnost izrade vrlo složenih oblika

- smanjenje troškova naknadne obrade dijelova

- mogućnost spajanja djelova tjekom samog postupka proizvodnje

- dimenzijska stabilnost pri extremnim radnim uvjetima

- otpornost na koroziju

- podjela: - materijal matrice

- oblik ojačala

- matrica: - metalna

- keramička

- polimerna (polimeri, ugljik)

-prema vrsti ojačala: - kompozti ojačani česticama

- kompoziti ojačani vlaknima

- strukturni kompoziti: - slojeviti kompoziti (laminati)

- sendvič konstrukcije

konačna svojstva kompozita ovisit će o: - svojstvima matrice i ojačala

- veličini i raspodjeli konstituenata

- volumnom udjelu konstituenata

- obliku konstituenata

- prirodi i jakosti veza između konstituenata

Matrice

matrice metalne (MMC), polimerne (PMC), keramičke (CMC)

neki karakteristični materijali koji se koriste kao matrice:

- metali – legure Al, Ti, Cu, Mg, superegure itd.

- polimeri – poliesterske smole, vinilesterske smole, epoksidne smole, PA, PP, ABS, PPS, PEEK, PEI itd.

- keramika – Al2O3 , SiC , ZrO2

u novije vrijeme se proizvode i tzv. ugljik – ugljik kompoziti ovi materijali mogu podnjeti vrlo visoke temperature, bez ikakvih problema mogu biti izloženi temperaturi od 1700 °C, a kratkotrajno mogu funkcionirati i do 2700 °C

• usporedba specifičnog modula elastičnosti i specifične čvrstoće nekih metala i kompozita

Kompoziti ojačani s česticama

disperzije (do 0,1 μm, Vp < 15 %)

velike čestice (od 0,1 μm, Vp > 20% )

veličina čestica, volumni udio, razmak između čestica

• tipovi mješanja ovisno o raspodjeli i raspršenosti

Vlaknima ojačani kompoziti

viskeri sićušni monokristali, extremno veliki omjer duljina/promjer, pravilna građa, Rm , najčvršći poznati materijal, cijena (npr. TiB visker)

vlakna polimerna i / ili keramička, polikristalna ili amorfna

žica čelik, Mo, W, relativno veliki promjer ( pneumatici, cijevi)

poboljšana : čvrstoća, krutost, žilavost

dva značajna svojstva vlakana su visoka toplinska stabilnost i kontrolirana rastezljivost pri povišenim temperaturama

vlakna se razlikuju prema: - vrsti, duljini, promjeru, orijentaciji i hibridizaciji

materijal matrice prenosi opterećenje na vlakna te osigurava duktilnost i žilavost, budući da vlakna nose veći dio operećenja važna veza između matrice i vlakana

- dijagram naprezanje- istezanje za vlaknima jednosmjerno ojačan kompozit - usporedba s ponašanjem vlakna i matrice

- vlaknima ojačani kompoziti – česta je pojava anizotropnosti čvrstoća veća u smjeru vlakna

svojstva vlaknima ojačanih kompozita:

1. svojstva vlakana

2. svojstva matrice

3. omjer duljina/promjer

4. volumni udio vlakana

5. usmjerenost (raspored) vlakana

1. Usmjerenost (orijentacija)

•

- Razdioba ojačala: a) kontinuirana jednosmjerna vlakna

b) slučajno usmjerena diskontinuirana vlakna

c) ortogonalno raspoređena vlakna

d) višesmjerno usmjerena vlakna

za vlakna (kompozitni materijali ojačani vlaknima) uveden je pojam specifična krutost omjer modula elastičnosti i gustoće materijala te konstante gravitacije:

staklena vlakna: - E-staklo (do 500 °C) – električna vodljivost

- S-staklo (do 1050 °C) – čvrstoća

- C-staklo

promjer: 3-20 μm, dobra površinska svojstva, čvrstoća, cijena

mana: krutost

primjena: - sportska oprema i reklreacijska plovila

- u zrakoplovstvu: interjer Boeing 767 (meh. i teh. svojstva + nezapaljivost), Boeing 777 – 200 djelovi stabilizatora

Ugljična vlakna

40 godina u komercijalnoj upotrebi

1990-ih svojstva/cijena 80i- 200 $/kg (planovi do 11 $/kg)

zahtjevi: 16.000 t/god ––30 % zrakoplovna industrija, 30% sportska oprema30 indust

Promjer 8 --10 μm, kontinuirana i rezanam, rezana

U usporedbi s Al 6061: 7x veća Rm , 2x veća krutost; 1,5x manja gustoaa

Najveći specifični modul i visoka specifična čvrstoća a

Toplinska vodljivost 3x bolja nego kod Cu

C vlakna + odgovarajuća matrica = najbolja korozijska postojanosta

Tipovi prema E modulu: - standardni modul (220 GPa; 50 $/kg)- srednji modul (240 GPa; 80 $/kg)

- visok modul (300 GPa; 150 $/kg)

- ultravisokultravisokmodul (450 GPa; 1000 $/kg)

Podjela prema polaznom materijalu: - PAN (poliakrilonitril)

- katran

- celulozna vlakna

Proizvodnja ugličnih vlakana

Primjena polimernih kompozita ojačanih C-valknima - CFRP u zrakoplovstvu oko 7450 kg kompozita – 71% CFRP (podni nosači, horizontalni i vertikalni stabilizatori...), lopatice vjetroelektrana,

Aramidna vlakna

U primjeni od 1970. godine, najprije kao strateški materijal poli(p-fenilentereftalamid) ili p-amid

trgovačka imena: KEVLAR (49, 29, 149...), NOMEX, TWARON

najviša s specifiččna na čvrstovrstoća od svih komercijalno dostupnih ojačala, krutost

Tlačnana čvrstovrstoća lošija od ugljičnih vlakana, slaba adhezija sa matricom, higroskopan, skuplji od staklenih vlakana

Nisu krhka – tkanine

Primjena: balistika, sport, zaštita od potresa obnova zgrada,

PREDNOSTI I NEDOSTATCI VLAKANA

OJAČALO PREDNOSTI NEDOSTATCIE – staklo, S- staklo Specifična čvrstoća,

cijenaKrutost, dinamička izdržljivost

Aramidna vlakna Specifična čvrstoća Tlačna čvrstoća, upijanje vlage

Visokočvrsta ugljična vlakna (HS)

Specifična čvrstoća, krutost

Cijena

Ultravisoko modulna ugljična vlakna (UHM)

Izuzetno visoka krutost

Čvrstoća, cijena

Hibridni kompoziti

Kombinacije vlakna u hibridim kompozitima:

1. ugljik / aramid - dobra žilavost + vlačna čvrstoća od aramida

- tlačna i vlačnačvrstoća od ugljičnih valkana

- mala gustoća, ali relativno visoka cijena

2. aramid / staklo - mala gustoća, žilavost, vlačna čvrstoća od aramida

- tlačna i vlačna čvrstoća od stakla

- niska cijena!!

3. ugljik / staklo - tlačna i vlačna čvrstoća, krutost, gustoća od ugljika

- dobra svojstva, cijena od stakla

- niska cijena!!

Tkanine – dobivaju se tanjem kontinuiranih ugljičnih, staklenih, armidih vlakana ili njihovom kombinacijom u svrhu dobivanja jednoslojnih ili višeslojnih (3D) tkanina

SENDVIČ KONSTRUKCIJE

strukturni kompoziti: svojstva ne ovise samo o svojstvima matrice i ojačala već i o geometrijskom rasporedu elemenata konstrukcije

savojna čvrstoća grede – E·I3

Relativna krutost 100 700 3700Relativna čvrstoća 100 350 925Relativna masa 100 103 106

tanka kora jezgra preuzima tlačna opterećenja – mehanička svojstva jezgre

primjena: branik automobila (sendvič – jezgra od PP pjene s česticama)

jezgre sendviča: - pjene (PVC, PS, PU, polieterimid (PEI), akrilne pjene)

- u primjeni gustoće od 40 – 200 kg/m3

- debljine od 5 – 50 mm

-saće (Al, aramid, ABS, PC,PP,PE)

- Al- najbolja specifična čvrstoća, opasnost od galvanske korozije

- aramid (Kevlar, Nomex – otpornost na gorenje avioni)

- plastomeri – mogućnost recikliranja

-drvo (balza, cedar)

Saćasta konstrukcija

KOMPOZITI S METALNOM MATRICOM – MMC- Metal Matrix Composites

dobra svojstva: - vrlo visoka čvrstoća i krutost uz vrlo malu gustoću

- visoka toplinsak i električna vodljivost i niska toplinska rastezljivost

- vrlo dobra otpornost na trošenje

- vrlo dobra svojstva na visokim temperaturama

Loše strane: - komplicirana proizvodnja

- vrlo visoka cijena – cijena će padati sa širenjem primjene

- nedovoljno podataka o svojstvima materijala

- jo uvijek nema dovoljno smjernica za konstruiranje s ovom vrstom materijala

- loša recikličnost

Ovi materijali su postali vrlo zanimljivi budući da se postupcima njihove proizvodnje mogu vrlo uspješno kombinirati legure Al, Cu, Mg i Ti s karbidnim, oksidnim ili nitridnim fazama čime se značajno poboljšavaju svojstva matrice

Metalni kompoziti ojačani česticama

Diskretne jednolično raspršene čestice, tvrde ikrhke, obavijene mekanijom i duktilnijom matricom

Struktura liči onoj mnogih dvofaznih disperzijski ojačanih metalnih legura, a razlika je u tome što se kod kompozitnih materijala za ugradnju disperznih čestica ne primjenjuje transformacija faza

podjela: - kompoziti s disperzijom (čestice promjera 0,1 μm)

- kompoziti s velikim česticama (čestice promjera 1,0 μm)

čestice su najčešće oksidi, nitridi, karbidi, kao npr. Al2 O3 , SiC, BN, ZrO2 ,TiC, ThO2

,SiO2 ,WC, B4C

- volumni udio čestica je najčešće do 25 %

Metalni kompoziti ojačani vlaknima

metalni kompoziti ojačani kratkim vlaknima – SFRM (Short Fibre Reinforced Metal)

u ovu skupinu mogu se ubrojiti i matrice ojačane viskerima WRM (Wishker Reinforced Metal)

metalni kompoziti ojačani kontinuiranim vlaknima – CFRM (Continuous Fibre Reinforced Metal)

vlakna ojačavala najčešće imaju promjer < 20 μm

mogu biti od : Sic, Al2 O3 , SiO2 / Al2 O3 , C, B, Al, Be, Cu, Mo, W, čelik itd.

MMC ojačani s vlaknima promjera > 100 μm – MFRM (Monofilament Reinforced Metal)

KERAMIČKI KOMPOZITI (CMC)

Jedan od najstarijih keramičkih kompozita je beton keramički kompozitni materijal sačinjen od agregata (grubi granularni materijal) povezanog u matrici od cementne paste (obično cementni prah + voda)

u uporabi od 1980-tih kao potencjalno visokotemperaturno postojan materijal

matrica: Al2 O3 , SiO2 , MgO ili kombinacija

daju kristalne matrice

problem povezanosti matrica ojačalo

ojačala: porozni SiC

anorganski polimeri (na osnovi Si) – polisilani, polikarbosilani, polisiloksani

primjena: komponente turbina za svemirske letjelice, komponente za svemirske letjelice, razne industijske primjene

nedostatci: relativno skupi materijali, slaba otpornost na oksidaciju međupovršinskih premaza