Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών

Transcript

1 Εργαστήριο Τεχνολογίας Υλικών Εργαστηριακή Άσκηση 01 Κατηγοριοποιήση υλικών-επίδειξη δοκιμίων Διδάσκοντες: Δρ Γεώργιος Ι. Γιαννόπουλος Δρ Θεώνη Ασημακοπούλου Δρ ΘεόδωροςΛούτας Τμήμα Μηχανολογίας ΑΤΕΙ Πατρών Πάτρα 2011

2 Εισαγωγή: Ιστορική αναδρομή Λίθινη εποχή ( π.χ.) Χρήση ξύλου και πέτρας Εποχή χαλκού ( π.χ.) Χρήση χρυσού, χαλκού και αργύρου Εποχή σιδήρου (1400 π.χ μ.χ.) Μεταλλουργία (19ος αιώνας) Νέα μέταλλα και κράματα, πλαστικά, κεραμικά, σύνθετα υλικά 2

3 Αντικείμενο Τεχνολογίας Υλικών Σκοπός: Επιλογή υλικού στο σχεδιασμό κατασκευών με γνώμονα με μέσο Ασφάλεια Λειτουργικότητα Κόστος Οικολογία Χαρακτηρισμό ιδιοτήτων και συμπεριφοράς υλικών Βελτίωση ιδιοτήτων και ανάπτυξη προηγμένων υλικών 3

4 Ταξινόμηση υλικών 1. Μεταλλικά 2. Πολυμερή Πλαστικά 3. Κεραμικά 4. Σύνθετα 5. Νανοϋλικά 4

5 1. Μεταλλικά υλικά: Κατηγορίες Καθαρά Κράματα (ορισμός: ανάμειξη 2 ή περισσοτέρων χημικών στοιχείων σε κατάσταση τήξης (μία εκ των συνιστωσών πρέπει να είναι μέταλλο) Παραδείγματα κραμάτων: μπρούντζος = Cu + Sn ορείχαλκος = Cu + Zn χάλυβας, χυτοσίδηρος = Fe + C 5

6 1. Μεταλλικά υλικά: Ιδιότητες Ηλεκτρική αγωγιμότητα Θερμική αγωγιμότητα Κρυσταλλική δομή Υψηλή μηχανική αντοχή και πλαστικότητα Αντιδρούν με Ο 2 (οξείδωση) Υψηλό ειδικό βάρος Μεταλλική λάμψη 6

7 1. Μεταλλικά υλικά: Μικροδομή Κρυσταλλική δομή (περιοδικότητα) 7

8 1. Μεταλλικά υλικά: Μικροδομή Μεταλλικός δεσμός: δεσμός μεταξύ κατιόντων και νέφους ηλεκτρονίων σθένους Χαρακτηριστικά δεσμού: μη προσανατολισμένος δομή μέγιστης πυκνότητας συμμετρική τοποθέτηση κατιόντων μικρή αντοχή στη θερμοκρασία 8

9 1. Μεταλλικά υλικά: Μικροδομή Μεταλλικός δεσμός: δεσμός μεταξύ κατιόντων και νέφους ηλεκτρονίων σθένους Οδεσμός ευθύνεται για: ηλεκτρική/θερμική αγωγιμότητα ολκιμότητα μεταλλική λάμψη 9

10 1. Μεταλλικά υλικά: Σφυρήλατος Σίδηρος Σύσταση: 99.5% Fe Ικανοποιητικές μηχανικές ιδιότητες Σφυρηλασιμότητα Δυσθραυστότητα (ολκιμότητα) Μαγνητικές ιδιότητες Χαμηλό κόστος Οξείδωση (πορώδες οξείδιο του σιδήρου) 10

11 1. Μεταλλικά υλικά: Σίδηρος (Fe) Οι ενδιαφέρουσες ιδιότητες του σιδήρου οφείλονται στην αλλοτροπία: μπορεί να κρυσταλλωθεί σε περισσότερους από έναν τύπο πλέγματος γ-fe a-fe 11

12 1. Μεταλλικά υλικά: Χάλυβας Κράμα περιεκτικότητας τουλάχιστον 50% Fe με % C (τόσο μαλακότερος όσο μικρότερο το ποσοστό C) Υψηλές μηχανικές ιδιότητες Επιδέχεται θερμική κατεργασία Κατεργασιμότητα Ολκιμότητα Χαμηλό κόστος 12

13 1. Μεταλλικά υλικά: Χυτοσίδηρος Κράμα Fe-C περιεκτικότητας % σε C (τόσο ψαθυρότερος όσο υψηλότερο το ποσοστό C) Χυτευτότητα Αντοχή σε θλιπτικό φορτίο και τριβή Ευθραυστότητα Απορροφητικότητα στους κραδασμούς Αντίσταση στην οξείδωση Χαμηλό κόστος 13

14 1. Μεταλλικά υλικά: Αλουμίνιο (Αl) Χρησιμοποιείται σε κράματα σε ελαφρές κατασκευές και στην αεροναυπηγική Χαμηλό ειδικό βάρος Ολκιμότητα Διαμορφωσιμότητα Αντοχή στην οξείδωση (σχηματίζει αδιαπέραστο επιφανειακό στρώμα οξειδίου) 14

15 1. Μεταλλικά υλικά: Χαλκός (Cu) Περιορισμένη χρήση λόγω κόστους. Χρησιμοποιείται κατά κόρον σε καλώδια Υψηλή ηλεκτρική/θερμική αγωγιμότητα Ολκιμότητα Διαμορφωσιμότητα Αντοχή στην οξείδωση Υψηλό κόστος 15

16 1. Μεταλλικά υλικά: Παραγωγή Εξαγωγική μεταλλουργία: αρκετή πρώτη ύλη λαμβάνεται από ορυχεία και μεταλλεία Πυρομεταλλουργία (χρήση υψηλών θερμοκρασιών σε υψικάμινο) Υδρομεταλλουργία (χρήση υδατικών διαλυμάτων: εξαγωγή χρυσού) Ηλεκτρομεταλλουργία (ηλεκτρόλυση υδατικών διαλυμάτων, τηγμάτων αλάτων, οξειδίων) 16

17 2. Πολυμερή υλικά: Κατηγορίες Συνθετικά μακρομόρια C ή Si (λάστιχα, πλαστικά, σιλικόνη, Πολυβινυλοχλωρίδιο ) Θερμοπλαστικά: διαμορφώνονται με θέρμανση, είναι συγκολλήσιμα, ασθενείς δεσμοί van der Waals μεταξύ μακρομορίων Θερμοσκληρυνόμενα: δεν διαμορφώνονται με θέρμανση, δεν είναι συγκολλήσιμα, χημικοί δεσμοί μεταξύ μακρομορίων 17

18 2. Πολυμερή υλικά: Μικροδομή Κατά τον πολυμερισμό τα μακρομόρια διασυνδέονται με ομοιοπολικούς δεσμούς, οι οποίοι προσδίδουν στο υλικό την ελαστική του συμπεριφορά Προσανατολισμός μακρομορίων στη διεύθυνση της φόρτισης 18

19 2. Πολυμερή υλικά: Ιδιότητες Ελαστικότητα Χαμηλό ειδικό βάρος Κατεργασιμότητα Μικρή μηχανική αντοχή Αντίσταση στην οξείδωση Χαμηλό κόστος Μικρή αντίσταση στη θερμοκρασία Μονωτές ηλεκτρισμού/θερμότητας 19

20 2. Πολυμερή υλικά: Παραγωγή Πολυμερισμός: Πολυμερισμός ονομάζεται η συνένωση μικρών μορίων, που ονομάζονται μονομερή, προς σχηματισμό ενός μεγαλύτερου μορίου, που ονομάζεται πολυμερές. Πολυσυμπύκνωση: Σχηματισμό του πολυμερούς από τη σύνδεση των μορίων του μονομερούς και την αποδέσμευση νερού η παρόμοιας ουσίας. Πολυπροσθήκη: Σχηματισμό του πολυμερούς από τη σύνδεση διαφορετικών μορίων του μονομερούς χωρίς αποβολή προϊόντων. 20

21 3. Κεραμικά υλικά Ανόργανες μη μεταλλικές ενώσεις (γυαλί, τσιμέντο, πορσελάνη, αλουμίνα) Μικροδομή: Γενικά άμορφη (παράδειγμα κρυσταλλικής δομής:κρυσταλλοχαλαζίας) 21

22 3. Κεραμικά υλικά: Ιδιότητες Αντοχή στη θερμοκρασία Μονωτές ηλεκτρισμού/θερμότητας Χαμηλό ειδικό βάρος Αντίσταση σε παραμορφώσεις Ψαθυρότητα Χαμηλό κόστος Αντίσταση στην οξείδωση 22

23 3. Κεραμικά υλικά: Παραγωγή Εξόρυξη και μεταφορά πηλών και άλλων συστατικών και έπειτα μορφοποίηση Εξόρυξη και εξαγωγή μεταλλευμάτων, χημική παραγωγή κόνεων και έπειτα μορφοποίηση 23

24 4. Σύνθετα υλικά Σύνθεση 2 ή περισσότερων υλικών με σκοπό το συνδυασμό των ιδιοτήτων τους Διακριτές φάσεις μήτρας/ενίσχυσης: διεπιφάνειες ενίσχυση Παραδείγματα: πολυμερή με ίνες γυαλιού, σιδηροπαγές σκυρόδεμα μήτρα 24

25 5. Νανοϋλικά Κρυσταλλικές δομές μεγέθους 1-100nm (εξαιρετικές ιδιότητες λόγω έλλειψης ατελειών στη μικροδομή) γραφένιο φουλερίνα νανοσωλήνες άνθρακα 25