ΑΣΚΗΣΗ 7 ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ «Κατασκευή δοκιμίων από αλούμινα και μετρήσεις μηχανικών ιδιοτήτων»

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 7 ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ ΥΛΙΚΩΝ «Κατασκευή δοκιμίων από αλούμινα και μετρήσεις μηχανικών ιδιοτήτων»

2 Σύνθετα Βιολογικά υλικά Πολυμερή ΥΛΙΚΑ Μέταλλα Ελατά Όλκιμα Κεραμικά Τσιμέντο Γύψος Συνδετικά Κεραμικά Εύθραυστα (ψαθυρά) Ύαλοι Δεν μορφοποιούνται (machining, machineability) Έλαση-σφυρηλάτηση, ολκιμότητα, χρήση τόρνου και φρέζας) Παραδοσιακά Τούβλα Κεραμίδια Πλακίδια δαπέδου Πλακίδια τοίχου Είδη υγιεινής Είδη εστίασης Προηγμένα Οξείδια Νιτρίδια Βορίδια Καρβίδια Al 2 O 3

3 ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΚΕΡΑΜΙΚΩΝ πρέπει να γίνει πριν φτάσουμε στο τελικό προϊόν? ΣΧΗΜΑ ΜΟΡΦΟΠΟΙΗΣΗ ΥΛΙΚΩΝ Δεν μορφοποιούνται (machining, machineability) Έλαση-σφυρηλάτηση, ολκιμότητα, χρήση τόρνου και φρέζας) ΧΥΤΕΥΣΗ πυρομεταλλουργικά Σε τι φούρνο θα τήξουμε Al 2 O 3 ; (T m = 2323 K) Σε τι χωνευτήριο θα τήξουμε Al2O 3 ; ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑ ΚΟΝΕΩΝ (powder technology) κονιομεταλλουργικά Πυροσυσσωμάτωση (sintering) Τ s 0.7 Τ m Έψηση (firing)

4 Ορυχείο Χημική σύνθεση Ανακύκλωση Κονιορτοποίηση Κοκκομετρία (1-5 μm) Γραμμή Παραγωγής Κεραμικών Υλικών Πρώτες Ύλες Άλεση Ανάμιξη Ξηρές μέθοδοι Συμπίεση (pressing) Μονοαξονική Uniaxial pressing Εν ψυχρώ Εν θερμώ Διαξονική Bi-axial pressing Ισοστατική Isostatic Ισοστατική συμπίεση εν θερμώ Hot isostatic pressing (HIP) Πυροσυσσωμάτωση (sintering) Υάλωση (glazing) Επισμάλτωση (enameling) Μηχανικές ιδιότητες Μορφοποίηση Green sample Ξήρανση Έψηση Επιφανειακό φινίρισμα Ποιοτικός έλεγχος Υγρές μέθοδοι Αιώρημα (suspension) ΟΧΙ διάλυμα Πλαστικές μέθοδοι Εξώθηση Extrusion Παραδοσιακά κεραμικά Moulding Injection moulding Χύτευση (casting) Χύτευση αιωρήματος (slip casting) Χύτευση ταινίας (tape casting)

5 Συνδέτης λιπαντικό (lubricant) Συμπίεση σκόνης Ισοστατική Μονοαξονική Εν θερμώ Διαξονική

6 Η σημασία της κοκκομετρίας

7 Συνδέτης (binder) Al 2 Ο 3 MgO ευτηκτικό T s Πυροσυσσωμάτωση (sintering) T s ~0.80T m 70% πορώδες κλείνουν οι πόροι Συνδέτης (binder) Υαλώδης φάση 3-5% πορώδες Συρρίκνωση

8 Συνδέτης (binder) Υαλώδης φάση

9 Ξήρανση Έψηση Πλακίδια

10 Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Συνδέτης (binder) Διασκορπιστής (dispersant ) Πλαστικοποιητής (plasticizer) ΣΤΟΧΟΣ: μεγιστοποίηση φόρτωσης αιωρήματος (loading of the suspension) 40% 60% - 70%? Συσσωματώματα (aggregations) Αντιθρομβωτικά (defloculants) Αντικροκιδωτικά

11 Αιώρημα Απαέρωση Φιλτράρισμα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Συνδέτης (binder) Διασκορπιστής (dispersant ) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Slip casting Γύψος

12 Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Συνδέτης (binder) Διασκορπιστής (dispersant ) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Slip casting

13 Αιώρημα Κεραμική σκόνη Διαλύτης Συνδέτης (binder) Διασκορπιστής (dispersant ) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Slip casting

14 Αιώρημα Tape casting Κεραμική σκόνη Διαλύτης Συνδέτης (binder) Διασκορπιστής (dispersant ) Πλαστικοποιητής (plasticizer) Κεραμική ταινία

15 Solid Oxide Fuel Cells (SOFC) Tape casting

16 Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης

17 Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης Extrusion

18 Πλαστικές μέθοδοι μορφοποίησης Extrusion

19 Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών

20 Ασταθώς διαδιδόμενη ρωγμή Σταθερά διαδιδόμενες ρωγμές Η θραύση των κεραμικών ξεκινάει από το πιο αδύνατο σημείο τους που είναι τυχαία διεσπαρμένο μέσα στο δοκίμιο Σταθερά διαδιδόμενες ρωγμές α) Εφελκυσμός β) Θλίψη

21 Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών 3 σημείων 4 σημείων συμμετρική notch 4 σημείων ασύμμετρη

22 Αντοχή σε κάμψη κεραμικών υλικών notch notch

23 F W=4 mm H=3 mm L=35 mm Force (N) 60 N 3FL 3 x 60 x 35 Flexural Strength = = = 87.5 N/mm 2 = 87.5 MPa 2WH 2 2 x 4 x 3 2 Ε (Al 2 O 3 ) ~400 GPa Σκληρότητα (Al 2 O 3 ) ~ 1500 HV Διαμάντι Ε 1000 Gpa Μέταλλα Ε 100 Gpa Πολυμερή Ε 3 Gpa (Οι τιμές εξαρτώνται από τη θερμοκρασία) 0 N 0 mm 0.03 mm Deflection (mm) Μετατόπιση κεφαλής (παραμόρφωση) Al 2 O 3 Αντοχή σε θλίψη: MPa Αντοχή σε κάμψη: MPa Αντοχή σε εφελκυσμό: MPa

24 Η δοκιμή σε εφελκυσμό με τη δοκιμή σε κάμψη (τριών ή τεσσάρων σημείων) είναι δυο διαφορετικά πράγματα. Η αντοχή σε εφελκυσμό έχει άλλη τιμή από την αντοχή σε κάμψη. Απλά, στην κάμψη, οι κάτω «ίνες» του δοκιμίου βρίσκονται σε εφελκυσμό. Το «κλειδί» είναι η ροπή, δηλ. το δοκίμιο σπάει κάτω από μέγιστη ροπή. Αν αλλάξουμε τις διαστάσεις του δοκιμίου ή τη διατομή του, F θα χρειαστούμε μεγαλύτερη ή μικρότερη δύναμη, αλλά η μέγιστη ροπή θα παραμένει ίδια, άρα και η τάση (δηλ. η αντοχή). Συνεπώς, καμία μηχανική ιδιότητα του υλικού δεν εξαρτάται L/2 L/2 από τη συσκευή ή το μέγεθος του δοκιμίου (βέβαια υπάρχουν standard (πρότυπες) w διαστάσεις, γιατί μπορεί να υπάρχει κάποια επίδραση). θλίψη θλίψη Διάγραμμα ελεύθερου σώματος F h εφελκυσμός L εφελκυσμός L Καμπτική τάση Q - Διατμητικές δυνάμεις Αντοχή σε κάμψη (σ) σ = (Μ / Ι) Υ max M Διάγραμμα ροπής κάμψης M = ½ FL/2 = FL / 4 σ = [(FL/ 4) / (wh 3 /12)] (h/2) σ = 3FL / (2wh 2 ) (σε μονάδες πίεσης, π.χ. MPa) Ροπή αδράνειας (για δοκίμιο ορθογώνιας διατομής = Ι = w h 3 / 12 (είναι ανεξάρτητο από το τις μηχανικές ιδιότητες του υλικού και εξαρτάται μόνο από τις διαστάσεις του, δηλ. τη διατομή του). Υ max = h/2 εφελκυσμός θλίψη άξονας