ΕΒΕΝΣΕΚΙΔΗ ΠΑΝΑΓΙΩΣΗ

Transcript

1 ΑΡΙΣΟΣΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΗΜΙΟ ΘΕΑΛΟΝΙΚΗ ΣΜΗΜΑ ΜΗΥΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΥΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΗΡΙΟ ΜΕΣΑΛΛΟΓΝΩΙΑ Διπλωματική Εργασία: Παραγωγι και χαρακτθριςμόσ μικροδομισ και γεωμετρίασ πόρων αφροφ χαλκοφ ΕΒΕΝΣΕΚΙΔΗ ΠΑΝΑΓΙΩΣΗ ΑΕΜ 4958 Επιβλέπων: Αναπ. Καθηγητής Ν. ΜΙΥΑΗΛΙΔΗ σνεπιβλέποσσα: Δρ. Φ. ΣΕΡΓΙΟΤΔΗ ΘΕΑΛΟΝΙΚΗ ΜΑΡΣΙΟ

2 Περιεχόμενα 1 Ειςαγωγι Θεωρθτικό υπόβακρο Μζκοδοι παραγωγισ αφροφ χαλκοφ Κονιομεταλλουγία Aκρακικό κάλιο ωσ αφροποιθτισ Χλωριοφχο νάτριο ωσ αφροποιθτισ) Nαφκαλίνθ ωσ αφροποιθτισ Ρολυμερζσ (PMMA) ωσ αφροποιθτισ Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ από υγρι κατάςταςθ Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με χφτευςθ ςε καλοφπι Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με ςυνεχι χφτευςθ Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με κερμικι αποςφνκεςθ αφροποιθτϊν Αντιγραφι προτφπων Hλεκτροχθμικζσ τεχνικζσ (Electroplating ι electrodeposition) Άλλεσ μζκοδοι παραγωγισ Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με τθ μζκοδο του slurry foaming Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με χθμικι αντίδραςθ Ραραγωγι αφροφ χαλκοφ με δθμιουργία διαλφματοσ με αργό ςε κρυογενι κερμοκραςία Ιδιότθτεσ των αφρϊν χαλκοφ Μθχανικζσ ιδιότθτεσ Ιδιότθτεσ μετάδοςθσ κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ Συνικεισ εφαρμογζσ αφρϊν χαλκοφ Σκοπόσ τθσ εργαςίασ Εργαςτθριακόσ εξοπλιςμόσ Ηυγαριά ακριβείασ Sartorius BP 310 P Υδραυλικι Ρρζςα Ξθραντιριο Melag Φοφρνοσ

3 4.5 Λειαντικόσ τροχόσ Imptech Οπτικά μικροςκόπια Leica Στερεοςκόπιο Leica Ρειραματικι διαδικαςία Υλικά Ρεριεκτικότθτεσ ςτθν ανάμειξθ ςυςτατικϊν Συμπίεςθ Υδατοδιάλυςθ Ξιρανςθ Ρυροςυςςωμάτωςθ Σφνοψθ τθσ διαδικαςίασ παραγωγισ Ρροετοιμαςία για οπτικό μικροςκόπιο Ρροετοιμαςία για μελζτθ τθσ μορφολογίασ των πόρων Αποτελζςματα Ρορϊδεσ αφρϊν Mορφολογία των αφρϊν χαλκοφ Μικροδομι των αφρϊν Συμπεράςματα

4 Πρόλογοσ Αντικείμενο τθσ παροφςασ διπλωματικισ εργαςίασ, είναι θ παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν χαλκοφ, και θ μελζτθ τθσ μορφολογίασ και τθσ μικροδομισ τουσ. Θ μζκοδοσ παραγωγισ των αφρϊν, περιλαμβάνει τθν πυροςυςςωμάτωςθ κόνεων χαλκοφ, χρθςιμοποιϊντασ για αφροποιθτι κόκκουσ ηάχαρθσ. Θ μελζτθ τθσ μορφολογίασ τθσ πορϊδουσ δομισ, ζγινε με τθ χριςθ λογιςμικοφ Υ/Θ, ενϊ θ μελζτθ τθσ μικροδομισ ζγινε με εξζταςθ δοκιμίων ςτο οπτικό μικροςκόπιο. Στο ςθμείο αυτό κα ικελα να ευχαριςτιςω τον αναπλθρωτι κακθγθτι κ. Νικόλαο Μιχαθλίδθ για τθν ανάκεςθ του κζματοσ τθσ διπλωματικισ, και τθ δυνατότθτα εργαςίασ ςτο εργαςτιριο Μεταλλογνωςίασ. Τζλοσ κα ικελα να ευχαριςτιςω τθν διδάκτορα Φ. Στεργιοφδθ για τθν πολφτιμθ βοικειά τθσ ςτο πειραματικό και ςυγγραφικό κομμάτι τθσ εργαςίασ. 4

5 1. Ειςαγωγι Θ παραγωγι και θ χριςθ τεχνολογικά προθγμζνων υλικϊν, όπωσ οι μεταλλικοί αφροί, αποτελεί ζναν ολοζνα αυξανόμενο κλάδο τθσ μθχανικισ. Οι μεταλλικοί αφροί, διατθροφν τισ φυςικζσ και χθμικζσ ιδιότθτεσ τθσ πρϊτθσ φλθσ τουσ, και ο χαλκόσ λόγω των εξαιρετικϊν κερμικϊν, θλεκτρικϊν και χθμικϊν ιδιοτιτων του, αποτελεί πρϊτθ επιλογι για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν. Αφροί χαλκοφ χρθςιμοποιοφνται αποτελεςματικά ςε διεργαςίεσ μετάδοςθσ κερμότθτασ, υψθλισ ι χαμθλισ ενεργειακισ πυκνότθτασ, και ακόμα περιςςότερο ςε εφαρμογζσ όπου απαιτείται πολφ καλι θλεκτρικι αγωγιμότθτα με ςυνδυαςμό χαμθλοφ βάρουσ. Επίςθσ οι αφροί χαλκοφ χρθςιμοποιοφνται και ςε ςυνδυαςμό με άλλα υλικά ςε χθμικζσ διεργαςίεσ, όπωσ διεργαςίεσ φιλτραρίςματοσ και απομάκρυνςθσ ουςιϊν. Για τθν παραγωγι αφρϊν χαλκοφ χρθςιμοποιοφνται πολλζσ μζκοδοι, που μπορεί να ςτθρίηονται ςτθ φυςικι μεταλλουργία (παραγωγι από ςτερει ι υγρι κατάςταςθ), είτε θλεκτροχθμικϊσ. Οι μζκοδοι αυτζσ ζχουν πολλζσ διαφορζσ μεταξφ τουσ. Οι διαφορζσ αυτζσ, επθρεάηουν φυςικά τθν τελικι ποιότθτα του αφροφ, τθν ομοιομορφία τθσ δομισ δθλαδι, και το μζγιςτο πορϊδεσ που μπορεί να επιτευχκεί. Θ επιλογι μιασ μεκόδου για τθν παραγωγι του αφροφ χαλκοφ λοιπόν, κα πρζπει να επιλζγεται βάςει τθσ τελικισ επικυμθτισ ποιότθτασ, αλλά και τθσ πολυπλοκότθτασ τθσ μεκόδου. Στθν ςυγκεκριμζνθ εργαςία, παρουςιάηεται θ παραγωγι αφροφ χαλκοφ με τθ μζκοδο τθσ κονιομεταλλουργίασ, χρθςιμοποιϊντασ ςαν αφροποιθτι κόκκουσ ηάχαρθσ. Θ μζκοδοσ είναι ιδιαίτερα απλι, χωρίσ να είναι αναγκαία θ χριςθ πολφπλοκου εξοπλιςμοφ. Οι παραγόμενοι αφροί μελετϊνται και εξετάηονται με βάςθ τισ παραμζτρουσ που επθρεάηουν τθν μορφολογία και τθν πορϊδθ δομι του αφροφ. Θ κονιομεταλλουργικι μζκοδοσ που κα χρθςιμοποιθκεί παράγει αφροφσ χαλκοφ ελεγχόμενθσ μορφολογίασ, απλά προςαρμόηοντασ κατάλλθλα τισ παραμζτρουσ ςτισ επικυμθτζσ τιμζσ. 5

6 2. Θεωρθτικό υπόβακρο Τα πορϊδθ μεταλλικά υλικά (ι αλλιϊσ μεταλλικοί αφροί) αποτελοφν μια νζα και ιδιαίτερα χριςιμθ οικογζνεια μεταλλικϊν υλικϊν. Οι φυςικζσ τουσ ιδιότθτεσ γενικά περιλαμβάνουν, χαμθλι πυκνότθτα, καλι απορρόφθςθ μθχανικισ ενζργειασ και κερμικι διαπερατότθτα, ενϊ οι αφροί με ανοικτά κελιά (open cell), είναι διαπερατοί ςτα ρευςτά. Στθν ςυγκεκριμζνθ εργαςία κα μασ απαςχολιςουν οι μζκοδοι παραγωγισ, οι ιδιότθτεσ και οι εφαρμογζσ των μεταλλικϊν αφρϊν χαλκοφ. H πολφ υψθλι κερμικι και θλεκτρικι αγωγιμότθτα του χαλκοφ, ςε ςυνδυαςμό με τθν καλι ςυμπεριφορά ςε περιβάλλον που είναι διαβρωτικό για τα περιςςότερα μζταλλα, κακιςτά τον χαλκό υλικό πρϊτθσ επιλογισ για πλικοσ εφαρμογϊν. Ππωσ είναι φυςικό οι μζκοδοι παραγωγισ αφροφ για ζνα ευρζωσ χρθςιμοποιοφμενο υλικό είναι πολλζσ. Ο τρόποσ παραγωγισ και οι παράμετροι τθσ διαδικαςίασ (π.χ. κερμοκραςία, πίεςθ, αφροποιθτισ κ.τ.λ.) επθρεάηουν άμεςα τισ προκφπτουςεσ ιδιότθτεσ και τθ δομι. Θα μποροφςαμε λοιπόν να ποφμε, ότι ο μεταλλικόσ αφρόσ χαλκοφ είναι ζνα ευζλικτο υλικό, ςτο οποίο μπορεί να ελζγχκεί το πορϊδεσ και το μζγεκοσ των πόρων, ςτα ηθτοφμενα κάκε εφαρμογισ. Στθν ςυνζχεια παρουςιάηονται οι γνωςτζσ μζκοδοι παραγωγισ του αφροφ χαλκοφ, οι ιδιότθτεσ και οι εφαρμογζσ του. 2.1 Μζκοδοι παραγωγισ αφροφ χαλκοφ Για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν υπάρχει ζνασ μεγάλο εφροσ επιλογϊν μεκόδων *1-3]. Οι πιο διαδεδομζνεσ μζκοδοι παραγωγισ του μεταλλικοφ αφροφ χαλκοφ είναι θ κονιομεταλλουργία και θ παραγωγι από υγρι κατάςταςθ. Το πορϊδεσ που επιτυγχάνεται με τισ μεκόδουσ αυτζσ μπορεί ζχει μεγάλο εφροσ (10-85%). Οι μθ ςυμβατικζσ μζκοδοι για τθν παραγωγι του αφροφ, όπωσ θ επικάλυψθ προτφπων (template electrodeposition), επιτυγχάνουν ςυνικωσ πολφ υψθλό πορϊδεσ και νανοδομθμζνθ δομι του αφροφ. Λόγω των πολφ ςθμαντικϊν διαφορϊν των παραπάνω μεκόδων παρουςιάηεται θ κάκε μια ξεχωριςτά. Εικόνα 1 Αριςτερά κονιομεταλλουργικά παραγόμενοσ αφρόσ χαλκοφ 71% πορϊδθσ [4], δεξιά αφρόσ χαλκοφ με τθ μζκοδο του electrodeposition [5], πολφ υψθλοφ πορϊδουσ. Διακρίνονται ξεκάκαρα οι διαφορζσ ςτθ δομι. 6

7 Κονιομεταλλουγία Θ κονιομεταλλουργία είναι θ πιο γνωςτι μζκοδοσ για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν. Θ απλότθτα τθσ μεκόδου τθσ κονιομεταλλουργίασ και ο εφκολα χειριηόμενοσ εξοπλιςμόσ, κάνουν τθ μζκοδο ευρζωσ χρθςιμοποιοφμενθ. Βαςικόσ ςυςτατικά τθσ μεκόδου είναι θ πρϊτθ φλθ χαλκοφ ςε ςκόνθ και ο αφροποιθτισ (space holder). Θ πορϊδθσ δομι προκφπτει τεχνθτά εξαναγκάηοντασ τισ ςκόνεσ χαλκοφ να δθμιουργιςουν τθν πορϊδθ γεωμετρία. Αυτό γίνεται με ςυμπίεςθ τθσ ςκόνθσ γφρω από τον αφροποιθτι. Θ αντοχι του παραγόμενου προϊόντοσ εξαςφαλίηεται από τουσ μεταλλικοφσ δεςμοφσ μεταξφ των κόνεων, που δθμιουργοφνται κατά τθ διάρκεια πυροςυςςωμάτωςθσ ςε υψθλι κερμοκραςία και μια ελάχιςτθ χρονικι διάρκεια (πολφ ςθμαντικζσ παράμετροι και οι δφο). Εικόνα 2 Μικρογραφία κόνεων χαλκοφ ςυναρτιςει του χρόνου και τθσ κερμοκραςίασ πυροςυςςωμάτωςθσ. *6] Θ γεωμετρία τθσ ςκόνθσ γενικά επθρεάηει το αποτζλεςμα τθσ πυροςυςςωμάτωθσ *7+, αλλά ςτα πλαίςια τθσ ςυγκεκριμζνθσ παρουςίαςθσ των μεκόδων δεν κα μασ απαςχολιςει ιδιαίτερα. Αξίηει όμωσ να επιςθμανκεί και θ ςθμαςία του αφροποιθτι. Γενικά πορϊδθσ δομι μπορεί να δθμιουργθκεί πυροςυςςωματϊνοντασ απλϊσ μεταλλικι ςκόνθ χωρίσ πρόςκετα. Θ δομι φυςικά δεν είναι ανοικτοφ τφπου (open cell). Ο ρόλοσ του αφροποιθτι εκτόσ από τον ζλεγχο του πορϊδουσ και του μεγζκουσ των πόρων, είναι και θ δθμιουργία ανοικτοφ τφπου δομισ, θ οποία επιτυγχάνεται με τθν απομάκρυνςι του πριν τθν πυροςυςςωμάτωςθ. Χρθςιμοποιoφνται παγκοςμίωσ διάφορα υλικά ωσ αφροποιθτζσ με αντίςτοιχα πλεονεκτιματα και μειονεκτιματα. Ο κατάλλθλοσ αφροποιθτισ κα πρζπει να απομακρφνεται εφκολα, χωρίσ να μολφνει το μζταλλο και θ δομι των πόρων πρζπει να μπορεί να προβλεφκεί. Θ βαςικι διαδικαςία όμωσ παραμζνει θ ίδια για όλουσ τουσ αφροποιθτζσ : 1. Μζτρθςθ ποςοτιτων (ςε βάροσ ι όγκο ανάλογα), των ςυςτατικϊν ςκόνθσ και αφροποιθτι για τθν επίτευξθ ςυγκεκριμζνου πορϊδουσ. 2.Ανάδευςθ των ςυςτατικϊν και ςυμπίεςθ ςε καλοφπι επικυμθτοφ ςχιματοσ υπό ςυγκεκριμζνθ πίεςθ. 3.Απομάκρυνςθ του αφροποιθτι και βοθκθτικϊν ουςιϊν. 4.Ρυροςυςςωμάτωςθ ςε φοφρνο υπό υψθλι κερμοκραςία. Για ποιοτικότερθ επιφάνεια ςτα τοιχϊματα του αφροφ, θ πυροςυςςωμάτωςθ γίνεται ςε ελεγχόμενθ ατμόςφαιρα που περιζχει αδρανζσ αζριο. Συνικωσ αργό (Ar). Θ κονιομεταλλουργικζσ μζκοδοι κα μποροφςαν να διαφοροποιθκοφν όπωσ ειπϊκθκε και προθγουμζνωσ ςφμφωνα με τον αφροποιθτι. Ζτςι ζχουμε : 7

8 Aκρακικό κάλιο ωσ αφροποιθτισ, μζκοδοσ LCS (Lost Carbonate Sintering) [8-13] Στθ μζκοδο LCS χρθςιμοποιείται μαηί με τθ ςκόνθ χαλκοφ ωσ αφροποιθτισ ανκρακικό κάλιο (K2CO3). Το ανκρακικό κάλιο ωσ αφροποιθτισ δοκιμάςτθκε με επιτυχία λόγω τθσ καλισ του μθχανικισ αντοχισ και των χθμικϊν του ιδιοτιτων. Καταφζρνει να διατθριςει το ςχιμα του ςε υψθλι κερμοκραςία χωρίσ να διαβρϊνει τον χαλκό. Επίςθσ κατά τθν παραγωγι δεν δθμιουργοφνται τοξικά αζρια, επικίνδυνα για το περιβάλλον. Το μζγεκοσ των ςωματιδίων του αφροποιθτι ζχει άμεςθ ςχζςθ με το μζγεκοσ των πόρων που κα προκφψουν, ςυνεπϊσ κα πρζπει να εκλζγεται κατάλλθλα. Θ κοκκομετρία του χαλκοφ δεν ζχει ιδιαίτερθ ςθμαςία, αν είναι ςθμαντικά μικρότερθ από το μζγεκοσ του αφροποιθτι. Θ διαδικαςία παραγωγισ ςυνεχίηεται με τθν ανάδευςθ των ςυςτατικϊν ςτθν κατάλλθλθ αναλογία, για τθν επίτευξθ φυςικά ςυγκεκριμζνου πορϊδουσ. Ππωσ ειπϊκθκε και προθγουμζνωσ το μίγμα πρζπει να ςυμπιεςτεί. Ρρωτοφ όμωσ γίνει αυτό πρζπει να εξαςφαλιςτεί ότι το ςυμπιεςμζνο μίγμα (preform) κα ζχει τθν ελάχιςτθ αντοχι για να υποςτεί χειριςμοφσ πριν πυροςυςςωματωκεί. Aυτό εξαςφαλίηεται προςκζτοντασ τθν ουςία ςυγκρατθτι (binder) μεταξφ τθσ ςκόνθσ χαλκοφ και του ανκρακικοφ καλίου. Σαν binder ςτθν μζκοδο του LCS χρθςιμοποιείται θ αικανόλθ (ethanol). Tα τρία ςυςτατικά τοποκετοφνται ςε καλοφπι και ςυμπιζηονται υπό πίεςθ με τθ βοικεια πρζςασ (θ πίεςθ είναι τθσ τάξθσ των εκατοντάδων MPa). To μίγμα ςε αυτι τθ μορφι (preform), ζχει τον χαλκό ςτθν επικυμθτι γεωμετρία, και θ διαδικαςία ςυνεχίηεται με τθν απομάκρυνςθ των βοθκθτικϊν υλικϊν και τθν πυροςυςςωμάτωςθ. H αικανόλθ απομακρφνεται πλιρωσ με κζρμανςθ ςε κερμοκραςίεσ κοντά ςτουσ 200 βακμοφσ, κάτι το οποίο είναι εφκολο να επιτευχκεί αποδεικνφοντασ τθν καταλλθλότθτα τθσ χριςθσ τθσ. Το ανκρακικό κάλιο όμωσ είναι πιο ανκεκτικό ςε υψθλζσ κερμοκραςίεσ, με ςθμείο τιξθσ τουσ 891 ο C. Μπορεί να απομακρυνκεί είτε κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ όταν γίνεται ςε κερμοκραςία μεγαλφτερθ των 891, είτε με υδατοδιάλυςθ όταν θ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ είναι χαμθλότερθ (Εικ.3). Εικόνα 3 Σχθματικι παράςταςθ τθσ διαδικαςίασ του LCS [8]. Πποιοσ τρόποσ και να επιλεγεί για να διεκπεραιωκεί θ διαδικαςία αυτισ τθσ μεκόδου, κα πρζπει να γνωρίηουμε ότι κζρμανςθ ςε υψθλι κερμοκραςία για μικρό χρονικό διάςτθμα με γριγορθ απομάκρυνςθ του αφροποιθτι, οδθγεί ςε παραμόρφωςθ τθσ δομισ του αφροφ και των κελιϊν (shrinkage τθσ τάξθσ μζχρι και του 20%) [8]. Θ επιλογι τθσ μεγαλφτερθσ διάρκειασ κζρμανςθσ ςε χαμθλότερθ κερμοκραςία και τθσ υδατοδιάλυςθσ ζχει ωσ αποτζλεςμα τθν ακριβι ''αντιγραφι'' τθσ δομισ του preform. Αυτό μπορεί να εξθγθκεί, λόγω τθσ παραμονισ του αφροποιθτι κατά τθ διάρκεια που δθμιουργοφνται οι δεςμοί μεταξφ των κόνεων του χαλκοφ. Το ανκρακικό κάλιο όπωσ αναφζρκθκε ςτθν αρχι, ζχει τθν μθχανικι αντοχι για να υποςτθρίξει τισ τάςεισ που τείνουν να αναπτυχκοφν ςτα τοιχϊματα των πόρων. Συνεπϊσ θ κερμοκραςία και θ 8

9 διάρκεια τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ κα πρζπει να εκλεγοφν βάςει τθσ προτεραιότθτασ που ζχει δοκεί ςτο χρόνο ςε ςχζςθ με τθν ποιότθτα. Θ μζκοδοσ παρουςιάηεται αναλυτικά ςτθν βιβλιογραφία *8-13]. Εικόνα 4 Μικρογραφίεσ SEM από αφρό χαλκοφ που ζχει πραχκεί με τθ μζκοδο του LCS [9]. Αντί για ανκρακικό κάλιο χρθςιμοποιείται πολλζσ φορζσ και ανκρακικό αμμϊνιο ωσ αφροποιθτισ *14+. Το βαςικό μειονζκτθμα του ωσ αφροποιθτισ είναι θ χαμθλι κερμοκραςία ςτθν οποία αποςυντίκεται (200 ο C), και θ επακόλουκθ μεγάλθ ςυρρίκνωςθ του αφροφ κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ [8] Χλωριοφχο νάτριο ωσ αφροποιθτισ, μζκοδοσ του SDP (Sintering Dissolution Process) [4,15,16] Στθν κονιομεταλλουργικι μζκοδο αυτι, ςαν αφροποιθτισ χρθςιμοποιείται το χλωριοφχο νάτριο (NaCl) ςε μορφι ςωματιδίων. To χλωριοφχο νάτριο ςαν αφροποιθτισ βρίςκει ευρεία εφαρμογι ςε παραγωγι αφρϊν πολλϊν διαφορετικϊν μετάλλων. Εκτόσ από τουσ αφροφσ χαλκοφ για τουσ οποίουσ κα αςχολθκοφμε ςτθν ςυγκεκριμζνθ παρουςίαςθ, με NaCl παράγονται ςε μεγάλθ κλίμακα αφροί Ti, Ni, Al [17-20]. Θα μποροφςαμε να ποφμε ότι είναι το πιο ςυνθκιςμζνο υλικό, λόγω τθσ ευκολίασ απόκτθςισ του, του χαμθλοφ κόςτουσ του, τθσ γριγορθσ απομάκρυνςθσ του από τον αφρό και τθσ φιλικότθτάσ του προσ το περιβάλλον. Θ διαδικαςία παρουςιάηει πολλζσ ομοιότθτεσ με τθν μζκδοδο του LCS, κακϊσ όπωσ και αναφζρκθκε όλεσ οι κονιομεταλλουργικζσ μζκοδοι είναι ςυγγενικζσ. Θ διαδικαςία ξεκινάει και πάλι με ανάμειξθ των ςυγκεκριμζνων επικυμθτϊν ποςοτιτων τθσ ςκόνθσ χαλκοφ και του χλωριοφχου νατρίου. Mικρι ποςότθτα αικανόλθσ ςαν binder μπορεί επίςθσ να χρθςιμοποιθκεί. Θ ςυμπίεςθ του μίγματοσ (green sample) ςτο καλοφπι απαιτεί προςεκτικι επιλογι του επιπζδου τθσ πίεςθσ. Ρολφ υψθλι πίεςθ κα προκαλζςει κραφςθ των ςωματιδίων NaCl, ενϊ χαμθλι πίεςθ κα προκαλζςει χαμθλι πυκνότθτα των τοιχωμάτων του αφροφ με αποτζλεςμα χαμθλι μθχανικι αντοχι. Το εφροσ τθσ πίεςθσ που προτείνεται να χρθςιμοποιθκεί είναι μεταξφ MPa [4]. Θ απομάκρυνςθ του NaCl γίνεται κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ. Το ςθμείο τιξθσ του NaCl είναι οι 801 ο C, κερμοκραςίεσ πυροςυςςωμάτωςθσ πάνω από το ςθμείο αυτό κα απομακρφνει το χλωριοφχο νάτριο. Βζβαια ςυνιςτάται το μίγμα να κρατθκεί για χρονικι διάρκεια μερικϊν ωρϊν λίγο πιο κάτω από το ςθμείο τιξθσ του NaCl. Με τον τρόπο αυτό κα υπάρχει θ δυνατότθτα να ιςχυροποιθκοφν περιςςότερο οι δεςμοί μεταξφ των κόνεων του χαλκοφ, πριν απομακρυνκεί ο αφροποιθτισ που παρζχει μθχανικι υποςτιριξθ. Μετά τθν πυροςυςςωμάτωςθ λοιπόν (θ 9

10 κερμοκραςία τθσ οποίασ κα πρζπει να είναι υψθλότερθ του ςθμείου τιξθσ του NaCl), ο αφρόσ χαλκοφ κα πρζπει αφεκεί να κρυϊςει ςε κερμοκραςία περιβάλλοντοσ. Με επακόλουκθ βφκιςθ ςε νερό εξαλείφονται τυχόν υπολείμματα του χλωριοφχου νατρίου. Εικόνα 5 Αφρόσ χαλκοφ 71,3 % πορϊδθσ, παραγόμενοσ με NaCl ωσ αφροποιθτι. *4+ Οι παράμετροι λοιπόν που αφοροφν τθν ςυγκεκριμζνθ μζκοδο παραγωγισ είναι θ πίεςθ του μίγματοσ και θ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ του. Αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ δθμιουργεί ιςχυρότερουσ δεςμοφσ, αλλά υπερβολικι αφξθςθ (πάνω από 960 ο C, κοντά ςτο ςθμείο τιξθσ του χαλκοφ 1083 ο C), οδθγεί ςε ανομοιογζνειεσ τισ προκφπτουςασ δομισ. Ππωσ και με τθν πίεςθ υπάρχει λοιπόν ζνα βζλτιςτο εφροσ για τθν κερμοκραςία ( ο C). To μζγεκοσ και θ γεωμετρία των πόρων ζχει και πάλι άμεςθ ςχζςθ με τα ςωματίδια του αφροποιθτι. Ραραλλαγι ςτθν μζκοδο SDP με αφροποιθτι το χλωριοφχο νάτριο, μπορεί να κεωρθκεί θ μζκοδοσ του FPC (Friction Powder Compaction) [16]. Αν και ο αφροποιθτισ είναι και πάλι το NaCl ςθμαντικι διαφορά ςτθ μζκοδο αυτι είναι ότι για τθν κζρμανςθ του μίγματοσ χαλκοφ-nacl δεν χρθςιμοποιείται φοφρνοσ αλλά κερμότθτα που δθμιουργείται με τριβι. Θ ανάλυςθ τθσ μεκόδου αυτισ ξεφεφγει από τα όρια τθσ κλαςςικισ κονιομεταλλουργίασ, τα αποτελζςματα όμωσ είναι εξίςου καλά. Σθμαντικά πλεονεκτιματα είναι ο εξαιρετικά ςφντομοσ χρόνοσ που απαιτείται και θ απλότθτα του εξοπλιςμοφ. Το μίγμα ςκόνθσ χαλκοφ και χλωριοφχου νατρίου ςυγκεντρϊνεται ςε καλοφπι το οποίο κερμαίνεται λόγω τθσ τριβισ με κυλινδρικό εργαλείο (Eικ.5). Εικόνα 6 Σχθματικι παράςταςθ τθσ διαδικαςίασ του FPS [16]. Θ διαδικαςία διαρκεί μόλισ 60 δευτερόλεπτα, και θ κερμοκραςία που αναπτφςςεται μπορεί να ξεπεράςει τουσ 900 Κ ανάλογα με τισ ςτροφζσ και το φορτίο του εργαλείου. Στθ ςυνζχεια το παραγόμενο προϊόν είναι ζτοιμο να βυκιςτεί ςε νερό, όπου κα απομακρυνκεί το NaCl με υδατοδιάλυςθ. 10

11 Nαφκαλίνθ ωσ αφροποιθτισ [21,22] Σωματίδια ναφκαλίνθσ ωσ αφροποιθτζσ ζχουν χρθςιμοποιθκεί με επιτυχία για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ. Θ ςκόνθ χαλκοφ αναμειγνφεται με τα ςωματίδια και ςυμπιζηεται ακολουκϊντασ τθν ςυνθκιςμζνθ διαδικαςία των κονιομεταλλουργικϊν μεκόδων. Θ πίεςθ υπό τθν οποία κα ςυμπιεςτεί το μίγμα είναι ςθμαντικι παράμετροσ, και το βζλτιςτο εφροσ είναι μεταξφ Mpa [21]. Ρολφ υψθλι πίεςθ δθμιουργεί ρωγμζσ, ενϊ ιδιαίτερα χαμθλι πίεςθ, οδθγεί ςε ανωμαλίεσ ςτθ γεωμετρία των αφρϊν και πικανι καταςτροφι του αφροφ. Θ ναφκαλίνθ απομακρφνεται από το μίγμα μζςω κζρμανςθσ ςτουσ 350 ο C. Θ διαδικαςία ςτθ ςυνζχεια μπορεί να προχωριςει ςτθν πυροςυςςωμάτωςθ, με ςταδιακι αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ μζχρι το επικυμθτό επίπεδο. Θ ρυκμόσ αφξθςθσ τθσ κερμοκραςίασ κα πρζπει να κρατθκεί ςε επίπεδα τθσ τάξθσ των 5 ο C /min, για να επιτραπεί ςε τυχόν ατμοφσ ναφκαλίνθσ να απομακρυνκοφν από το μίγμα, χωρίσ να δθμιουργιςουν ρωγμζσ και κραφςεισ ςτον αφρό. Θ ποςότθτα τθσ ναφκαλίνθσ είναι επίςθσ πολφ ςθμαντικι παράμετροσ τθσ ποιότθτασ των προϊόντων. Θ αναλογία ναφκαλίνθσ/ ςκόνθσ χαλκοφ εκτόσ ότι επθρεάηει το τελικό πορϊδεσ άμεςα, πρζπει να κρατθκεί εντόσ ελαχίςτων τιμϊν, ϊςτε να υπάρξει χϊροσ για τθν ζξοδο των ατμϊν τθσ κατά τθ κζρμανςθ. Οι ατμοί είναι επίςθσ υπεφκυνοι για τθν δθμιουργία πόρων από τουσ οποίουσ εξζρχονται των αφρϊν. Θ τελικι κερμοκραςία τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ για το χαλκό ορίηεται μεταξφ των ο C, και μπορεί να επιλεγεί ςφμφωνα με το επικυμθτό πορϊδεσ. Αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ ι τθσ διάρκειασ πυροςυςςωμάτωςθσ, οδθγεί ςε μειωμζνα επίπεδα πορϊδουσ, για τθν ίδια ποςότθτα ναφκαλίνθσ. Το φαινόμενο μπορεί να εξθγθκεί λόγω των εκτεταμζνων δεςμϊν που δθμιουργοφνται μεταξφ των κόνεων χαλκοφ, μειϊνοντασ τον όγκο των πόρων Πολυμερζσ (PMMA) ωσ αφροποιθτισ [23-24] Ζνασ ακόμθ τρόποσ για τθν παραγωγι του αφροφ χαλκοφ είναι να χρθςιμοποιθκεί ωσ αφροποιθτισ ςωματίδια πολυμεροφσ (PMMA). Ραρόλο που θ μζκοδοσ δεν παρουςιάηει ςθμαντικζσ διαφορζσ από τισ υπόλοιπεσ, υπάρχει ενδιαφζρον λόγω τθσ ακριβισ γεωμετρίασ κάκε ςωματιδίου του αφροποιθτι (Eικ.6). Συνζπεια αυτοφ είναι και θ μεγάλθ ομοιογζνεια των πόρων του αφροφ χαλκοφ. Το πολυμερζσ PMMA αφαιρείται από το μίγμα με κζρμανςθ. Ο ρυκμόσ κζρμανςθσ πρζπει και πάλι να είναι ελεγχόμενοσ, γιατί το πολυμερζσ απομακρφνεται και πάλι μζςω εξάτμιςθσ. Εικόνα 7 Μικρογραφία SEM αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με αφροποιθτι πολυμερζσ PMMA. Αριςτερά 35% πορϊδεσ *23+, δεξιά 55% πορϊδεσ *

12 2.1.2 Παραγωγι αφροφ χαλκοφ από υγρι κατάςταςθ Μεταλλικοί αφροί γίνεται να παραχκοφν όταν το μζταλλο βρίςκεται ςε υγρι κατάςταςθ με διείςδυςθ αερίων (gas injection), ι δθμιουργία αερίων ςτον πυρινα του υργοφ μετάλλου [3]. Τα αζρια δθμιουργοφν πόρουσ κατά τθν ζξοδό τουσ, και το ςτερεοποιθμζνο μζταλλο παίρνει τθν επικυμθτι πορϊδθ δομι. H παραγωγι αφροφ από τθν υγρι μζκοδο είναι γενικά γριγορθ και εφκολθ διαδικαςία. Σθμαντικό πλεονζκτθμά *1+ τθσ υγρισ μεκόδου ζναντι τθσ κονιομεταλλουργίασ είναι το χαμθλό τθσ κόςτοσ, κάτι το οποίο είναι χριςιμο ςε εφαρμογζσ όπου απαιτείται μεγάλοσ όγκοσ αφροφ. Γενικά όμωσ όμωσ οι μζκοδοι υγρισ κατάςταςθσ δίνουν αφροφσ χαμθλισ ποιότθτασ με μεγάλεσ ανιςοτροπίεσ μθχανικϊν ιδιοτιτων *1,3,25]. Στθ βιβλιογραφία υπάρχουν διακζςιμεσ πολλζσ πλθροφορίεσ αναλυτικά για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν από υγρι κατάςταςθ, κυρίωσ για αφροφσ αλουμινίου λόγω του μεγάλου όγκου παραγωγισ τουσ. Στθν περίπτωςθ των αφρϊν χαλκοφ θ μζκοδοσ που ζχει μελετθκεί και παρουςιαςτεί εκτενϊσ είναι θ Lotus-type (Lotus-Type method for fabrication of porous metals).θ μζκοδοσ Lotus-type [26], εκμεταλλεφεται τθν διαφορά διαλυτότθτασ αερίων ςτο υγρό μζταλλο, ςε ςχζςθ με το ςτερεό (Εικ.8). Το ςτερεό μζταλλο διαλφει ςθμαντικά λιγότερθ ποςότθτα αερίου, και κατά τθν ςτερεοποίθςθ (unidirectional solidification) τα αζρια εξαναγκάηονται να εγκαταλείψουν το υπζρκορο διάλυμα ςχθματίηοντασ τουσ πόρουσ. Τα αζριο που χρθςιμοποιείται για τθν παραγωγι του αφροφ χαλκοφ είναι το υδρογόνο μαηί ςυνικωσ με αργό. Εικόνα 8 Αριςτερά κάκετθ τομι αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με τθ μζκοδο Lotus [25], θ ςυγκεκριμζνθ διεφκυνςθ των πόρων προκαλεί ανιςοτροπίεσ ιδιοτιτων ςτισ κάκετεσ διευκφνςεισ. Δεξιά, αςυνζχεια τθσ ικανότθτασ διάλυςθσ αερίων κατά τθν ςτερεοποίθςθ μετάλλων [27]. Θ βάςθ τθσ Lotus-Type μεκόδου περιλαμβάνει τθν παραπάνω κεϊρθςθ, ο εξοπλιςμόσ όμωσ που κα χρθςιμοποιθκεί διαχωρίηει τθν μζκοδο ςε τεχνικζσ που κα αναλυκοφν παρακάτω. Ππωσ και ςτισ κονιομεταλλουργικζσ μεκόδουσ, οι παράμετροι για τον ζλεγχο του πορϊδουσ και των πόρων γενικότερα ιταν θ κερμοκραςία, ο αφροποιθτισ και οι χρόνοι κζρμανςθσ, ζτςι και ςτθ μζκοδο Lotus-Type υπάρχουν παράμετροι. Οι παράμετροι που επθρεάηουν τθν ποιότθτα του αφροφ χαλκοφ για αυτι τθ μζκοδο είναι: 1. Θ κερμοκραςία του τιγματοσ. 2. Ο ρυκμόσ ςτερεοποίθςθσ. 3. Οι πιζςεισ των αερίων κατά τθν τιξθ και τθ ςτερεοποίθςθ. 12

13 Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με χφτευςθ ςε καλοφπι (mold-casting technique) [25-30] H πιο απλι μζκοδοσ για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ από υγρι κατάςταςθ είναι θ χφτευςθ ςε καλοφπι, υπό πίεςθ αφροποιθτικϊν αερίων (mold-casting technique). Θ διάταξθ μζςω τισ οποίασ λειτουργεί θ μζκοδοσ είναι ςυγκεντρωμζνθ ςε κάλαμο ςτεγανοποιθμζνο από το περιβάλλον, και ο βαςικόσ εξοπλιςμόσ περιλαμβάνει εκτόσ από το καλοφπι, δοχείο ςυγκζντρωςθσ για τθν τιξθ του χαλκοφ, πθνία κζρμανςθσ και ςφςτθμα ψφξθσ του καλουπιοφ. Στθν εικόνα 9 δίνεται μια ςχθματικι παράςταςθ τθσ διάταξθσ. H διαδικαςία μπορεί να ξεκινιςει αφοφ πρϊτα ζχει επιτευχκεί κενό ςτο κάλαμο. Τα πθνία κζρμανςθσ ςτθ ςυνζχεια λιϊνουν το χαλκό ο οποίοσ διατθρείται μζςα ςτο δοχείο. Τα αζρια που χρθςιμοποιοφνται ςτθ μζκοδο είναι το υδρογόνο και το αργό, τα οποία ειςζρχονται ςτο κάλαμο υπό ςυγκεκριμζνεσ πιζςεισ οι οποίεσ επθρεάηουν το πορϊδεσ και τθ δομι του αφροφ. Είναι πολφ ςθμαντικό να μθν ζχει απομείνει οξυγόνο ςτο κάλαμο λόγω τθσ πικανότθτασ να αναφλεγεί το υδρογόνο [29]. Σφμφωνα με το νόμο του Sievert το αζριο υδρογόνο διαλφεται ςτο υγρό μζταλλο, και κρατϊντασ τισ ςυνκικεσ ςτακερζσ για διάςτθμα άνω των 30 λεπτϊν, διαλφεται ομοιόμορφα. Θ φάςθ τθσ ςτερεοποίθςθσ ξεκινά όταν ο υγρόσ χαλκόσ πζφτει ςτο καλοφπι λόγω τθσ βαρφτθτασ χρθςιμοποιϊντασ τουσ μθχανιςμοφσ τθσ διάταξθσ (stopper ςτθν εικόνα). Ππωσ ειπϊκθκε και προθγουμζνωσ το ςτερεό μζταλλο διαλφει πολφ λιγότερο υδρογόνο, ζτςι το αζριο απορρίπτεται κατά τθν ςτερεοποίθςθ ςτθ διεπιφάνεια ςτερεοφ-υγροφ δθμιουργϊντασ τουσ πόρουσ. Ο αφρόσ λοιπόν δθμιουργείται ςτθ διεπιφάνεια και iδιαίτερθ ςθμαςία πρζπει να δοκεί και ςτο ςφςτθμα ψφξθσ του καλουπιοφ, το οποίο επθρεάηει το ρυκμό ςτερεοποίθςθσ. Για να επιτευχκεί διευκετθμζνθ ςτερεοποίθςθ (unidirectional solidification), γφρω από το καλοφπι τοποκετείται το ςφςτθμα ψφξθσ και θ ςτερεοποίθςθ κακϊσ και οι πόροι ακολουκοφν τθν ίδια διεφκυνςθ. Υπάρχει θ δυνατότθτα εκτόσ τθσ ςυνθκιςμζνθσ παράλλθλθσ διάταξθσ των πόρων να δθμιουργθκεί και αφρόσ με ακτινικά διανεμθμζνουσ πόρουσ [29]. Στθν εικόνα 10 παρουςιάηονται διάφορεσ δυνατότθτεσ διεφκυνςθσ των πόρων ανάλογα με τθν τοποκζτθςθ τθσ ψφξθσ. Εικόνα 9 Διάταξθ για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ Lotus-type με τθν τεχνικι του mold casting [30]. 13

14 Εικόνα 10 Διεφκυνςθ των πόρων ανάλογα με τθν τοποκεςία του ςυςτιματοσ ψφξθσ. [29]. H ςυνάρτθςθ του πορϊδουσ από τισ μερικζσ πιζςεισ των αερίων (υδρογόνο-αργό), είναι αντιςτρόφωσ ανάλογθ, και επθρεάηει ςθμαντικά τθ δομι του αφροφ. Οι πιζςεισ που χρθςιμοποιοφνται, μποροφν να ςυγκεντρωκοφν ςε πίνακα ι διαγράμματα, δείχνοντασ τθ ςυνάρτθςθ του πορϊδουσ (Εικ.11). Εικόνα 11 Αριςτερά αφρόσ χαλκοφ που παραςκευάςτθκε υπό πίεςθ υδρογόνου 0.4 Mpa, το πορϊδεσ μετρικθκε 44,9%. Δεξιά υπό πίεςθ 0,8 Mpa, το πορϊδεσ μετρικθκε 36,6% *29+. H επίδραςθ τθσ κερμοκραςίασ χφτευςθσ ζχει επίςθσ μελετθκεί για τθν επίδραςι τθσ ςτο πορϊδεσ και τθν μορφολογία των πόρων. Οι πλθροφορίεσ μποροφν να αναηθτθκοφν αναλυτικά ςτθ βιβλιογραφία *30+. Αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ χφτευςθσ προκαλεί μια μικρι αυξθτικι τάςθ ςτο πορϊδεσ, λόγω τθσ αφξθςθσ διαλυτότθτασ του υδρογόνου ςτο χαλκό. Θ επίδραςθ ςτθν μορφολογία των πόρων είναι όμωσ εμφανισ και πιο ζντονθ. Αυξάνοντασ τθ κερμοκραςία χφτευςθσ, θ μζςθ διάμετροσ των πόρων ελαττϊνεται, ενϊ το πλικοσ των πόρων και θ ομοιομορφία αυξάνουν. Το φαινόμενο εξθγείται ςφμφωνα με τουσ μθχανιςμοφσ πυρθνοποίθςθσ που ςυμβαίνουν κατά τθ χφτευςθ, ςε ςυμφωνία φυςικά με τθν επίδραςθ του ρυκμοφ ψφξθσ 14

15 ςτθν τελικι δομι του αφροφ. Αφξθςθ του ρυκμοφ ψφξθσ οδθγεί ςε μείωςθ του μεγζκουσ των πόρων [31]. Εικόνα 12 Αριςτερά, διάγραμμα τθσ ςυνάρτθςθσ του πορϊδουσ από τθν κερμοκραςία χφτευςθσ. Δεξιά, θ ςυνάρτθςθ τθσ πυκνότθτασ των πόρων ςε αφρό χαλκοφ, από τθ κερμοκραςία χφτευςθσ. Θ μζςθ διάμετροσ των πόρων ακολουκεί τθν αντίςτροφθ ςυνάρτθςθ *30+. υκμίηοντασ λοιπόν τισ παραμζτρουσ τθσ διαδικαςίασ (πίεςθ αερίων, κερμοκραςία χφτευςθσ, τοποκεςία ψυκτικοφ και ρυκμόσ ψφξθσ), είναι δυνατόν να παραςκευαςτεί αφρόσ χαλκοφ, με διαφορετικό πορϊδεσ, πυκνότθτα, μζγεκοσ και διεφκυνςθ πόρων. Θ μζκοδοσ mold-casting που περιγράφθκε παραπάνω, αν και απλι είναι χρονοβόρα λόγω του κενοφ που απαιτείται να επιτευχκεί και τθσ υψθλισ πίεςθσ υδρογόνου. Σαν παραλλαγι τθσ μεκόδου mold-casting, αναπτφχκθκε με επιτυχία θ τεχνικι τθσ φυγοκεντρικισ χφτευςθσ (centrifugal casting)για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ [32]. Στθν φυγοκεντρικι χφτευςθ για να δθμιουργθκεί ο μεταλλικόσ αφρόσ, δεν απαιτείται υψθλι πίεςθ υδρογόνου, και το πορϊδεσ χειραγωγείται από τθν περιςτροφικι ταχφτθτα τθσ διάταξθσ (Εικ.13). Οι πίεςθ του υδρογόνου που χρθςιμοποιείται είναι χαμθλι (0,1 MPa), και θ διαδικαςία παραγωγισ είναι αςφαλζςτερθ. Στθ βιβλιογραφία *32] περιγράφεται αναλυτικά θ μζκοδοσ και οι μθχανιςμοί πυρθνοποίθςθσ κατά τθ χφτευςθ, που οδθγοφν ςε δθμιουργία και ανάπτυξθ των πόρων κατά τθ ςτερεοποίθςθ. Εικόνα 13 Αριςτερά, ςχθματικι παράςταςθ τθσ διάταξθσ που χρθςιμοποιείται ςτθν μζκοδο centrifugal casting για τθν παραγωγι του αφροφ χαλκοφ. Δεξιά, θ ςυνάρτθςθ του πορϊδουσ από τθν περιςτροφικι ταχφτθτα, το μζςο μζγεκοσ των πόρων μειϊνεται επίςθσ με αφξθςθ τθσ περιςτροφικισ ταχφτθτασ *32]. 15

16 Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με ςυνεχι χφτευςθ (continuous casting technique) [26,29,33,34] Πταν υπάρχει θ ανάγκθ για μεγάλο όγκο παραγωγισ αφροφ χαλκοφ, θ τεχνικι mold-casting γίνεται αςφμφορθ. Για το λόγο αυτό ζχει αναπτυχκεί θ τεχνικι τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ (continuous casting technique), όπου οι διαςτάςεισ των παραγόμενων αφρϊν περιορίηονται μόνο από τισ δυνατότθτεσ του εξοπλιςμοφ [29]. Το κεωρθτικό υπόβακρο πίςω από τθν τεχνικι αυτι είναι ακριβϊσ το ίδιο όπωσ και ςτθν προθγοφμενθ μζκοδο. Οι πόροι δθμιουργοφνται ςτθ διεπιφάνεια ςτερεοφ-υγροφ κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςθσ, με τθ διαφορά ότι το ςτερεοποιθμζνο μζταλλο μετακινείται μζςω μθχανιςμοφ δίνοντασ χϊρο για επιπλζον ςτερεοποίθςθ υλικοφ. Σχθματικι παράςταςθ του μθχανιςμοφ τθσ διάταξθσ δίνεται παρακάτω (Εικ.14), κακϊσ και θ γεωμετρία των αφρϊν που παράγονται με αυτι τθ μζκοδο. Ο εξοπλιςμόσ περιλαμβάνει και πάλι κάλαμο υψθλισ πίεςθσ και ςφςτθμα ψφξθσ, ενϊ το δοχείο που πραγματοποιείται θ τιξθ και το καλοφπι επικοινωνοφν άμεςα. Ο όγκοσ του εξοπλιςμοφ είναι ςυγκριτικά με τισ άλλεσ μεκόδουσ μεγάλοσ, για να εξυπθρετεί τισ ανάγκεσ του μεγαλφτερου όγκου παραγωγισ. Τα αζρια που χρθςιμοποιοφνται είναι και πάλι το υδρογόνο ςε ςυνεργαςία με το αργό. Μετά τθν τιξθ, το μίγμα υγροφ χαλκοφ-αερίου, προχωράει λόγω βαρφτθτασ διαμζςου του καλουπιοφ, γφρω από το οποίο ζχει τοποκετθκεί ςφςτθμα ψφξθσ. Ο ςτερεοποιθμζνοσ αφρόσ χαλκοφ ςτθρίηεται ςε ράβδο θ οποία μετακινείται (Dummy bar, Stopper, ςτθν εικόνα 14). Ιδιαίτερθ ςθμαςία ζχει ςτθν μορφολογία του αφροφ θ ταχφτθτα με τθν οποία μετακινείται ο αφρόσ (transference velocity), και μπορεί να κεωρθκεί νζα παράμετροσ για τθ μζκοδο. Οι υπόλοιπεσ παράμετροι όπωσ πίεςθ αερίων, κερμοκραςία και ρυκμόσ ςτερεοποίθςθσ, ζχουν τθν ίδια επίδραςθ όπωσ και ςτθ μζκοδο του mold-casting. Εικόνα 14 Αριςτερά ςχθματικι παράςταςθ του μθχανιςμοφ που χρθςιμοποιείται ςτθν τεχνικι τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ[33]. Δεξιά, μορφολογία αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με τθ μζκοδο τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ [29]. Θ εξωτερικι γεωμετρία του αφροφ εξαρτάται από το καλοφπι τθσ διάταξθσ που χρθςιμοποιείται. 16

17 H ςυνάρτθςθ που ακολουκεί το πορϊδεσ και θ μζςθ διάμετροσ των πόρων ςε ςχζςθ με τθν ταχφτθτα μετακίνθςθσ τθσ ράβδου παρουςιάηεται ςτα διαγράμματα παρακάτω (Εικ.15). O ρυκμόσ πυρινωςθσ των πόρων, είναι ανάλογοσ του βακμοφ υπόψυξθσ, γεγονόσ που εξθγεί ότι με αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ θ πυκνότθτα των πόρων μεγαλϊνει και θ μζςθ διάμετροσ των πόρων ελαττϊνεται [34]. Εικόνα 15 Αριςτερά, θ ςυνάρτθςθ που ακολουκεί το ςυνολικό πορϊδεσ ςε ςχζςθ με τθν ταχφτθτα μετακίνθςθσ τθσ ράβδου *34+. Δεξιά, θ μζςθ διάμετροσ των πόρων *34+. Τζλοσ όπωσ και ςτθν τεχνικι mold-casting γίνεται να ελεγχκεί θ διεφκυνςθ των πόρων με βάςθ τθ διεφκυνςθ ςτερεοποίθςθσ, (λόγω τθσ διεφκυνςθσ μετάδοςθσ κερμότθτασ) ζτςι και ςτθν τεχνικι τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ, αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ τθσ ράβδου προκαλεί αλλαγι ςτθν διεφκυνςθ των πόρων. Αυτό οφείλεται ςτθν αλλαγι του προφίλ τθσ διεπιφάνειασ ςτερεοφυγροφ. Σε αργζσ ταχφτθτεσ θ διεπιφάνεια παραμζνει ςχετικά επίπεδθ, ενϊ με αφξθςθ τθσ ταχφτθτασ το προφίλ τθσ επιφάνειασ αποκτά κλίςθ (Εικ.16). Αυτό οδθγεί με αλλαγι τθσ διεφκυνςθσ των πόρων, που όπωσ είναι φυςικό ακολουκοφν τθν κατεφκυνςθ τθσ ςτερεοποίθςθσ. Εικόνα 16 Αριςτερά, το προφίλ ςτερεοποίθςθσ και θ γωνία ανάπτυξθσ των πόρων ςυναρτιςει τθσ ταχφτθτασ τθσ διαδικαςίασ *34+. Δεξιά, φωτογραφίεσ από δοκίμια αφροφ χαλκοφ που παριχκθςαν ςτισ αντίςτοιχεσ ταχφτθτεσ *34+. Σαν ςυμπζραςμα λοιπόν μποροφμε να ποφμε ότι θ μζκοδοσ τθσ ςυνεχοφσ χφτευςθσ είναι επίςθσ ευζλικτθ, και με επιλογι των παραμζτρων (κερμοκραςία χφτευςθσ, πίεςθ αερίων, και ταχφτθτα 17

18 διαδικαςίασ) ο αφρόσ χαλκοφ μπορεί να παραχκεί ςτο επικυμθτό πορϊδεσ και με ςυγκεκριμζνθ μορφολογία πόρων Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με κερμικι αποςφνκεςθ αφροποιθτϊν [3,26,35] Θ μζκοδοσ τθσ κερμικισ αποςφνκεςθ αφροποιθτϊν χρθςιμοποιείται ευρζωσ για τθν παραγωγι διαφόρων μεταλλικϊν αφρϊν από τθν υγρι κατάςταςθ. Μεταλλικοί αφροί κυρίωσ Al ι Ti [36-40], παράγονται με επιτυχία από τθν υγρι κατάςταςθ χρθςιμοποιϊντασ ςαν αφροποιθτι ςκόνθ υδριδίου του τιτανίου. Οι ςυγκεκριμζνοι αφροποιθτζσ αναφζρονται πολλζσ φορζσ ςτθν βιβλιογραφία και ωσ blowing agents. To υδρίδιο του τιτανίου τοποκετείται ςτο υγρό μζταλλο, και λόγω τθσ υψθλισ κερμοκραςίασ του τιγματοσ αποςυντίκεται απελευκερϊνοντασ υδρογόνο το οποίο δθμιουργεί τουσ πόρουσ, κατά τθ διάρκεια τθσ ςτερεοποίθςθσ. H διαδικαςία ςυμβαίνει ςε κάλαμο, υπό πίεςθ αδρανοφσ αερίου (αργό). Το υδρίδιο του τιτανίου μπορεί να τοποκετθκεί είτε απευκείασ ςτο δοχείο όπου ςυμβαίνει θ τιξθ του χαλκοφ, είτε ςτο καλοφπι όπου πρόκειται να ςτερεοποιθκεί ο χαλκόσ. Θ ςτερεοποίθςθ είναι και πάλι διευκετθμζνθ προσ μια κατεφκυνςθ (unidirectional) λόγω του ςυςτιματοσ ψφξθσ ςτο καλοφπι. Θεωρθτικά θ μζκοδοσ διαφζρει από τισ προθγοφμενεσ μόνο ςτθν πθγι και τον τρόπο παροχισ των αφροποιθτικϊν αερίων, ενϊ ο μθχανιςμόσ αφροποίθςθσ παραμζνει ίδιοσ. Τονίηεται ότι λόγω τθσ απουςίασ υδρογόνου ςε υψθλι πίεςθ, θ μζκοδοσ αφροποίθςθσ με κερμικι αποςφνκεςθ είναι αςφαλισ. Επίςθσ τα οξείδια του τιτανίου που προκφπτουν ςαν παράγωγα τθσ διαδικαςίασ, εξυπθρετοφν τθν δθμιουργία πόρων ςαν ςθμεία ετερογενοφσ πυρθνοποίθςθσ. Το αποτζλεςμα είναι ο μεταλλικόσ αφρόσ να ζχει πολφ καλφτερθ ομοιογζνεια πόρων από τισ προθγοφμενεσ μεκόδουσ (Εικ.17). Εικόνα 17 Αφρόσ χαλκοφ που παραςκευάςτθκε με τθ μζκοδο τθσ αφροποίθςθσ με κερμικι αποςφνκεςθ υδριδίου τιτανίου. Αριςτερά θ όψθ παράλλθλα ςτθν διεφκυνςθ ςτερεοποίθςθσ [35]. Δεξιά, κάκετα ςτθ διεφκυνςθ ςτερεοποίθςθσ. Για τθν παραγωγι χρθςιμοποιικθκαν 200g χαλκοφ και 0,13g TiH2 [35]. H παράμετροσ μζςω τθσ οποίασ ελζγχεται το πορϊδεσ του αφροφ ςε αυτι τθ μζκοδο είναι θ ποςότθτα (ι αναλογία), του υδριδίου τιτανίου που κα τοποκετθκεί ςτο λιωμζνο χαλκό. Ραρατθρείται ότι αφξθςθ τθσ ποςότθτασ του αφροποιθτι προκαλεί αφξθςθ ςτο πορϊδεσ μζχρι ζνα ςθμείο, μετά το οποίο είναι ςτακερό και ανεξάρτθτο τθσ ποςότθτασ υδριδίου. Αυτό μπορεί να εξθγθκεί επειδι το υδρογόνο που δθμιουργεί τουσ πόρουσ, ςυνειςφζρει μόνο ςτθν ποςότθτα τθν οποία μπορεί να διαλφςει ο υγρόσ χαλκόσ [35]. Ρζραν του ορίου διαλυτότθτασ, θ επιπλζον 18

19 ποςότθτα δεν ζχει επίδραςθ ςτο πορϊδεσ (Eικ18). Επίςθσ θ μορφολογία των πόρων δεν δείχνει να επθρεάηεται από τθν παράμετρο τθσ ποςότθτασ του αφροποιθτι, αλλά μόνο από τθν πίεςθ του αργοφ που χρθςιμοποιείται ςτθ διαδικαςία. Εικόνα 18 Διάγραμμα τθσ ςυνάρτθςθσ που ακολουκεί το πορϊδεσ και θ θ μζςθ διάμετροσ των πόρων, ςε ςχζςθ με τθν αναλογία του υδριδίου τιτανίου προσ τθν ποςότθτα του χαλκοφ [35] Αντιγραφι προτφπων (templates) Oι προθγοφμενεσ μζκοδοι, κονιομεταλλουργία και παραγωγι από τθν υγρι κατάςταςθ, χρθςιμοποιοφςαν αντίςτοιχα, ςωματίδια και αζρια για αφροποιθτζσ. Θ μζκοδοσ τθσ αντιγραφισ προτφπων δεν περιλαμβάνει απευκείασ αφροποίθςθ του χαλκοφ, αλλά καταςκευι τθσ πορϊδθσ δομισ βάςθ ενόσ προτφπου, το οποίο ζχει ιδθ πορϊδθ δομι [1,3,41]. Οι δφο πιο γνωςτζσ τεχνικζσ για τθν επίτευξθ τθσ αντιγραφισ είναι μζςω θλεκτροεναπόκεςθσ (electrodeposition) και μζςω χφτευςθσ (investment casting). Το πρότυπο αφροφ είναι φτιαγμζνο από πολυμερζσ υλικό, ςυνικωσ πολυουρεκάνθ (polyurethane), λόγω τθσ εφκολθσ μετζπειτα απομάκρυνςθσ του. Οι δφο διαφορετικζσ τεχνικζσ που αναφζρκθκαν παραπάνω, είναι εντελϊσ διαφορετικζσ ωσ προσ τον τρόπο αντιγραφισ. Οι αφροί όμωσ που παράγονται με τισ δφο αυτζσ τεχνικζσ, είναι ανϊτερθσ ποιότθτασ από τουσ μεταλλικοφσ αφροφσ τθσ κονιομεταλλουργίασ και τθσ παραγωγισ από υγρι (Lotus-type) κατάςταςθ. Μπορεί να επιτευχκεί πάρα πολφ μεγάλο πορϊδεσ (Eικ.19), το οποίο είναι αδφνατο να γίνει με άλλεσ μεκόδουσ και απόλυτθ ομοιογζνεια πορϊδουσ και μεγζκουσ πόρων [3]. Θ μζκοδοσ όμωσ είναι ακριβότερθ και πιο χρονοβόρα. Εικόνα 19 Αριςτερά φωτογραφία S.E.M. από αφρό πολυουρεκάνθσ. Δεξιά φωτογραφία τθσ ίδιασ περιοχισ αφροφ που ζχει επικακιςει ψευδάργυροσ, το πορϊδεσ είναι 92,2%. Οι φωτογραφίεσ είναι από διαδικαςία παραςκευισ αφροφ χαλκοφ με θλεκτροχθμικι τεχνικι *

20 Hλεκτροχθμικζσ τεχνικζσ (Electroplating ι electrodeposition) [3,5,42] Oι τεχνικζσ τθσ παραγωγισ αφροφ με θλεκτροχθμικζσ μεκόδουσ, ξεκινοφν από τα μζταλλα ςε μορφι ιόντων. Το μζταλλο επικάκεται θλεκτροχθμικά ςε κάποιο πρότυπο, το οποίο είναι ςυνικωσ φτιαγμζνο από κάποιο πολυμερζσ υλικό (PU foams). Το πρότυπο ζχει ιδθ τθν επικυμθτι δομι αφροφ αλλά για να γίνει θ επικάλυψθ με μζταλλο, πρζπει να επεξεργαςτεί κατάλλθλα ϊςτε να γίνει αγϊγιμο. Aυτό μπορεί να επιτευχκεί με διάφορεσ μεκόδουσ (PVD, CVD επικαλφψεισ ι electroless plating) [5]. Στθ ςυνζχεια με δθμιουργία ηεφγουσ ανόδου κακόδου χαλκόσ επικαλφπτεται γφρω από το πρότυπο, το οποίο ςτθ ςυνζχεια μπορεί να αφαιρεκεί με κζρμανςθ ςε υψθλι κερμοκραςία. Θ διαδικαςία ςυνοψίηεται ςτθν παρακάτω εικόνα (Εικ20), και εξαρτάται από πολλοφσ παράγοντεσ, όπωσ θ ζνταςθ του ρεφματοσ που κα χρθςιμοποιθκεί και το διάλυμα του θλεκτρολφτθ. Θ ανάλυςθ των παραμζτρων ξεφεφγει από το ςκοπό τθσ παρουςίαςθσ και για περιςςότερεσ πλθροφορίεσ ο αναγνϊςτθσ κα πρζπει να ανατρζξει ςτθ βιβλιογραφία. Οι αφροί χαλκοφ που παράγονται με αυτι τθ μζκοδο ζχουν τθ μορφι που παρουςιάηεται ςτθν εικόνα 21. Εικόνα 20 Συνοπτικι ςχθματικι παράςταςθ τθσ διαδικαςίασ επικάλυψθσ πολυμερικϊν προτφπων για τθν παραςκευι μεταλλικϊν αφρϊν *3+. Εικόνα 21 Φωτογραφίεσ από μικροςκόπιο S.E.M. αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με τθ μζκοδο αντιγραφισ προτφπων με επικάλυψθ [5]. 20

21 Σαν πρότυπα ςτισ θλεκτροχθμικζσ μεκόδουσ, ςαν αφροποιθτζσ εκτόσ από τα πρότυπα πολυμερικϊν αφρϊν χρθςιμοποιοφνται και φυςαλίδεσ αερίων όπωσ το υδρογόνο *43,44+. To υδρογόνο δθμιουργεί τουσ πόρουσ, ενϊ ταυτόχρονα ο χαλκόσ επικάκεται γφρω από τισ φυςαλίδεσ με τθ χριςθ ρεφματοσ. Το διάλυμα και θ ζνταςθ του ρεφματοσ επθρεάηουν ςε πολφ μεγάλο βακμό το αποτζλεςμα, όπωσ φαίνεται ςτθν παρακάτω εικόνα (Εικ.22). Εικόνα 22 Ράνω φωτογραφίεσ S.E.M. αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με θλεκτροεναπόκεςθ, γφρω από φυςαλίδεσ υδρογόνου [43]. Κάτω πίνακασ που περιγράφεται το είδοσ θλεκτρολφτθ που χρθςιμοποιικθκε και θ επίδραςι του ςτθ μορφολογία του αφροφ χαλκοφ *43+. H παραπάνω τεχνικι χρθςιμοποιείται και ςε διάφορα άλλα μζταλλα με καλι θλεκτρικι αγωγιμότθτα, όπωσ ο χρυςόσ και ο άργυροσ *

22 2.1.5 Άλλεσ μζκοδοι παραγωγισ Εκτόσ από τισ κφριεσ μεκόδουσ παραγωγισ αφροφ χαλκοφ που αναφζρκθκαν (κονιομεταλλουργία, παραγωγι από υγρι κατάςταςθ και θλεκτροεναπόκεςθ), ςτθ βιβλιογραφία υπάρχουν αναφορζσ και για άλλεσ μεκόδουσ. Ραρακάτω γίνεται μια ςφντομθ παρουςίαςθ μεκόδων για τθν παραγωγι μεταλλικοφ αφροφ χαλκοφ, για τισ οποίεσ οι αναφορζσ ςτθ διακζςιμθ βιβλιογραφία είναι λιγότερο ςυνθκιςμζνεσ Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με τθ μζκοδο του slurry foaming [46-47] H μζκοδοσ του slurry foaming είναι γενικά μια ςυνθκιςμζνθ τεχνικι για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν *3+. Σκόνεσ μετάλλου αναμειγνφονται με τα κατάλλθλα πρόςκετα και τον αφροποιθτι (blowing agent), ςχθματίηοντασ ζνα υψθλοφ ιξϊδουσ μίγμα. Ο αφροποιθτισ κάτω από τθν επίδραςθ υψθλισ κερμοκραςίασ, δθμιουργεί τουσ πόρουσ και ςτθ ςυνζχεια ακολουκείται μια διαδικαςία που είναι παρόμοια με τισ κονιομεταλλουργικζσ διαδικαςίεσ (ξιρανςθ και πυροςυςςωμάτωςθ). Μποροφν να επιτευχκοφν πολφ χαμθλζσ ςχετικζσ πυκνότθτεσ, τθσ τάξθσ του 7% *3+, δθλαδι πολφ υψθλό πορϊδεσ (Εικ.23). Ζχει αναφερκεί ότι θ μζκοδοσ, ζχει προβλιματα ωσ προσ τθν αντοχι του αφροφ και ρωγμζσ που πικανότατα μπορεί να δθμιουργθκοφν *3+. Εικόνα 23 Αφρόσ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με τθν μζκοδο του slurry foaming. Το πορϊδεσ είναι 96% [47]. 22

23 Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με χθμικι αντίδραςθ *48+ Μεταλλικόσ αφρόσ χαλκοφ γίνεται να παραςκευαςτεί μζςω χθμικισ αντίδραςθσ, μεταξφ του οξειδίου του χαλκοφ (CuO), και κόνεων αλουμινίου (Al) και άνκρακα (C). Οι ςκόνεσ αναμειγνφονται, ςυμπιζηονται και μζςω εξωτερικισ πθγισ κερμότθτασ πραγματοποιοφνται οι παρακάτω αντιδράςεισ : Θ ςκόνθ άνκρακα ςυνειςφζρει ςτο ςυνολικό πορϊδεσ, μζςω τθσ παραγωγισ μονοξειδίου του άνκρακα κατά τθν καφςθ τθσ. Θ ςκόνθ αλουμινίου, ςυνειςφζρει ςτθν τελικι μθχανικι αντοχι του αφροφ χαλκοφ, ο οποίοσ ουςιαςτικά πρόκειται για ζνα ςφνκετο υλικό ςε αυτι τθ μζκοδο παραγωγισ, αφοφ είναι ενιςχυμζνοσ με ςωματίδια οξειδίου του αλουμινίου (alumina) (Εικ.24). Το πορϊδεσ και θ μορφολογία των πόρων (ανοικτι ι κλειςτι δομι) ελζγχεται με επιλογι του μεγζκουσ τθσ ςυμπίεςθσ και με τθν χριςθ κατάλλθλθσ ποςότθτασ ςκόνθσ άνκρακα όπωσ φαίνεται και ςτθν παρακάτω εικόνα (Εικ24). [48] Εικόνα 24 Αριςτερά φωτογραφία αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί με χθμικι αντίδραςθ, και είναι ενιςχυμζνοσ με ςωματίδια οξειδίου του αλουμινίου *48+. Δεξιά, φωτογραφίεσ αφροφ χαλκοφ και μορφι πόρων για διαφορετικι ςυγκζντρωςθ μίγματοσ, ςε ςκόνθ άνκρακα (αναφζρεται ςαν Χ ςτθν χθμικι εξίςωςθ) [48] Παραγωγι αφροφ χαλκοφ με δθμιουργία διαλφματοσ με αργό ςε κρυογενι κερμοκραςία *49+ Το κεωρθτικό υπόβακρο πίςω από αυτι μζκοδο είναι ότι ςυμπυκνωμζνο αργό (Ar), μπορεί να ειςζλκει ςτθ δομι όλκιμων μετάλλων όπωσ ο χαλκόσ, και ςτθ ςυνζχεια να δθμιουργιςει πόρουσ, όταν το μζταλλο κερμανκεί ςε υψθλι κερμοκραςία [49]. Για τθν παραγωγι αφροφ χαλκοφ με αυτι τθ μζκοδο χρθςιμοποιικθκε ςκόνθ χαλκοφ, θ οποία αρχικά, αναδεφτθκε ςε ςτεγανοποιθμζνθ ςυςκευι, για χρονικό διάςτθμα πάνω από 1 ϊρα, ψυχόμενθ από υγρό άηωτο (θ διαδικαςία αναφζρεται ωσ cryomilling ςτθ βιβλιογραφία) [49]. Το αργό που περιλαμβάνεται μζςα ςτθ διάταξθ, λόγω τθσ χαμθλισ κερμοκραςίασ του ψυκτικοφ (υγρό άηωτο), μπορεί να πάρει υγρι ι και ςτερει μορφι. Θ κερμοκραςία βραςμοφ του υγροφ αηϊτου είναι -195, 85 ο C, ενϊ το 23

24 αργό ςυμπυκνϊνεται ςτουσ -185,9 ο C. Θ ςκόνθ ςτθ ςυνζχεια ςυμπιζηεται ςε υψθλι πίεςθ (2GPa), για να αποκτιςει τθν απαιτοφμενθ αντοχι, προκειμζνου να κερμανκεί και να πυροςυςςωματωκεί. Το πορϊδεσ πριν τθ κζρμανςθ είναι τθσ τάξθσ του 9%, ενϊ μετά τθ κζρμανςθ ςτουσ 1020 ο C, φτάνει το 47,4% (Εικ.25). Θ κερμοκραςία τθσ κζρμανςθσ, κεωρείται παράμετροσ ζλεγχου του πορϊδουσ και είναι ανάλογθ προσ το πορϊδεσ *49+. Εικόνα 25 Φωτογραφίεσ S.E.M. αφροφ χαλκοφ με 47,4 % πορϊδεσ, που ζχει παραχκεί με τθ μζκοδο τθσ δθμιουργία διαλφματοσ με αργό, ςε κρυογενείσ κερμοκραςίεσ *

25 2.2 Ιδιότθτεσ των αφρϊν χαλκοφ Oι μεταλλικοί αφροί αποτελοφν μια νζα και καινοτόμα κατθγορία υλικϊν, με διάφορεσ μεκόδουσ παραγωγισ αυτϊν και πολλζσ εφαρμογζσ. Λόγω τθσ ολοζνα αυξανόμενθσ χριςθσ τουσ, οι φυςικζσ και χθμικζσ ιδιότθτεσ αυτϊν μελετϊνται ςυνεχϊσ. Mελζτθ των ιδιοτιτων γίνεται ςυνικωσ με πειραματικό τρόπο, όπου προςδιορίηονται θ αντοχι ςε ςυμπίεςθ και εφελκυςμό, ι χθμικζσ ιδιότθτεσ, όπωσ π.χ. αντοχι ςε διάβρωςθ, ι χθμικι αντίδραςθ με ουςίεσ. Θ μελζτθ των ιδιοτιτων δεν περιορίηεται όμωσ ςε πειραματικζσ μελζτεσ, αλλά τα τελευταία χρόνια μζςω υπολογιςτϊν, θ φυςικι ι χθμικι ςυμπεριφορά των αφρϊν, μπορεί να μοντελοποιθκεί χρθςιμοποιϊντασ αρικμθτικά μοντζλα, για τθν προςομοίωςθ π.χ. τθσ ροισ ρευςτϊν μζςω του αφροφ ι τθσ μετάδοςθσ κερμότθτασ Μθχανικζσ ιδιότθτεσ Οι κφριεσ μθχανικζσ ιδιότθτεσ που μελετϊνται ςτουσ αφροφσ χαλκοφ και ςτουσ μεταλλικοφσ αφροφσ γενικότερα [50], αφοροφν τθν ςυμπεριφορά ςε ςυμπίεςθ, εφελκυςμό, τθν απορρόφθςθ ενζργειασ κατά τθ διάρκεια αυτϊν και τουσ μθχανιςμοφσ κραφςθσ (Εικ.26). Θ μθχανικι ςυμπεριφορά των μεταλλικϊν αφρϊν γενικότερα, εξαρτάται από δφο κφριεσ παραμζτρουσ, τθν πυκνότθτά τουσ ι αλλιϊσ το πορϊδεσ και τθ διεφκυνςθ φόρτιςθσ *51+ Αυξθμζνθ πυκνότθτα αφροφ οδθγεί ςε υψθλότερθ μθχανικι αντοχι, ενϊ ανομοιογζνειεσ ςτθν μορφολογία του αφροφ, που οφείλονται ςτθν μζκοδο παραγωγισ, οδθγοφν με τθ ςειρά τουσ ςε διαφοροποίθςθ των μθχανικϊν ιδιοτιτων ςε διαφορετικζσ διευκφνςεισ. Εικόνα 26 Αριςτερά, θ τυπικι ςυμπεριφορά μεταλλικϊν αφρϊν ςε ομοαξονικό φορτίο *51+. Δεξιά, θ απορρόφθςθ ενζργειασ κατά τθ φόρτιςθ μεταλλικοφ αφροφ, ςε ςφγκριςθ με το αντίςτοιχο ςυμπαγζσ υλικό *51+. Οι πλθροφορίεσ που υπάρχουν ςτθ βιβλιογραφία ςχετικά με τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ μεταλλικϊν αφρϊν, αφοροφν κυρίωσ μεταλλικοφσ αφροφσ αλουμινίου, οι οποίοι χρθςιμοποιοφνται περιςςότερο από κάκε άλλο τφπο αφροφ. Eπίςθσ και για το χαλκό, οι πλθροφορίεσ για τισ μθχανικζσ ιδιότθτζσ των αφρϊν του είναι πολλζσ, λόγω του μεγάλου εφρουσ εφαρμογϊν του. Συνικωσ ςε κάκε μελζτθ μεκόδου παραγωγισ, ερευνϊνται και παρουςιάηονται και οι μθχανικζσ ιδιότθτεσ. Ακολουκεί μια παρουςίαςθ των μθχανικϊν ιδιοτιτων του χαλκοφ, με δεδομζνα τα 25

26 οποία προζρχονται από δθμοςιεφςεισ ςχετικά με τισ μεκόδουσ παραγωγισ, αλλά και ξεχωριςτζσ μελζτεσ των μθχανικϊν ιδιοτιτων.h μθχανικι ςυμπεριφορά των αφρϊν χαλκοφ μελετάται ςυνικωσ ξεχωριςτά ςε κάκε μζκοδο παραγωγισ. To πείραμα ςυμπίεςθσ, δείχνει ότι αφξθςθ ςτο πορϊδεσ μειϊνει τθν αντοχι του αφροφ, ανεξάρτθτα τθσ μεκόδου παραγωγισ (Εικ.27.28). Από τισ καμπφλεσ του πειράματοσ, προςδιορίηονται θ ελαςτικι και θ πλαςτικι περιοχι, όπωσ κα γίνονταν και ςε ζνα ςυμπαγζσ μεταλλικό υλικό. Στθν βιβλιογραφία *14+, γίνεται εκτενισ αναφορά πάνω ςτθν ςυμπεριφορά και αντοχι ςτθ ςυμπίεςθ, για κονιομεταλλουργικοφσ αφροφσ χαλκοφ ςε μεγάλο εφροσ ςχετικϊν πυκνοτιτων (0,22-0,96). Εικόνα 27 Μθχανικι ςυμπεριφορά αφροφ χαλκοφ ςε ςυμπίεςθ, ο οποίοσ ζχει παραχκεί κονιομεταλλουργικά χρθςιμοποιϊντασ πολυμερζσ για αφροποιθτι. Στο διάγραμμα παρουςιάηονται οι καμπφλεσ από αφροφσ με διαφορετικό πορϊδεσ [23]. Εικόνα 28 Mθχανικι ςυμπεριφορά αφροφ χαλκοφ ςε ςυμπίεςθ, ο οποίοσ ζχει παραχκεί από τθν υγρι κατάςταςθ, με ομοδιευκετικι ςτερεοποίθςθ, παρακζτονται καμπφλεσ από διάφορα πορϊδθ, ςε δφο κάκετεσ διευκφνςεισ φόρτιςθσ [27]. 26

27 Θ αντοχι ςε ςυμπίεςθ (yield strength) και το μζτρο ελαςτικότθτασ (Young's modulus), αποδεικνφεται ότι ακολουκοφν τισ παρακάτω ςχζςεισ αντίςτοιχα, για όλα τα πορϊδθ μεταλλικά υλικά. Θ αριςτερι ςχζςθ περιγράφει τθν αντοχι ςε ςυμπίεςθ του αφροφ ςy, ςυναρτιςει τθσ ςχετικισ πυκνότθτασ του αφροφ. Ππου θ αντοχι του αντίςτοιχου ςυμπαγοφσ υλικοφ, C γεωμετρικι ςτακερά, ενϊ n ςτακερά που εκφράηει τθν εξάρτθςθ τθσ αντοχισ από τθν πυκνότθτα του αφροφ. Στθ δεξιά ςχζςθ το μζτρο ελαςτικότθτασ, δίνεται ςυναρτιςει και πάλι τθσ ςχετικισ πυκνότθτασ και αντίςτοιχων ςτακερϊν. Iδιαίτερθ ςθμαςία ςτουσ αφροφσ χαλκοφ και ςτουσ μεταλλικοφσ αφροφσ γενικότερα, πρζπει να δοκεί ςτθν ιςοτροπία των ιδιοτιτων. Ππωσ φαίνεται ςτθν εικόνα 28, θ διεφκυνςθ φόρτιςθσ κακϊσ και θ γεωμετρία των πόρων (Εικ.29), οδθγοφν ςε ανομοιογενι μθχανικι ςυμπεριφορά. Θ ροι τθσ τάςθσ είναι διαφορετικι για κάκε είδοσ πόρων ι διεφκυνςθσ φόρτιςθσ, γεγονόσ που εξθγεί τθν ανομοιογζνια ςτθ μθχανικι ςυμπεριφορά. [14] Εικόνα 29 Συμπίεςθ αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί από υγρι κατάςταςθ (lotus-type). Ράνω φωτογραφίεσ από φόρτιςθ, με τθ διεφκυνςθ των πόρων παράλλθλα ςτθ ςυμπίεςθ, κάτω κάκετα ςτθ ςυμπίεςθ *27+. H επίδραςθ τθσ μορφολογίασ των κελιϊν (ι πόρων) και των τοιχωμάτων ςτισ μθχανικζσ, μπορεί να μελετθκεί με υπολογιςτικζσ μεκόδουσ *52+. Αποδεικνφεται ότι όςο καλφτερθ είναι θ ομοιογζνεια των πόρων (Εικ.30), είναι πιο εφκολο να προβλεφκοφν οι μθχανικζσ ιδιότθτεσ. Ενϊ τυχαία μορφολογία των πόρων και πάχουσ των τοιχωμάτων, οδθγεί ςε μεγάλθ διαςπορά των 27

28 τιμϊν τθσ μθχανικισ αντοχισ. Φπαρξθ όμωσ ταυτόχρονα διακυμάνςεων ςτθ μορφι των πόρων και ςτου πάχουσ των τοιχωμάτων, οδθγεί ςε ιςοτροπικζσ ιδιότθτεσ, πλθςιάηοντασ τθν ιςοτροπία τθσ τζλειασ δομισ. Θα μποροφςαμε λοιπόν να ποφμε ότι αφροί που ζχουν παραχκεί αντιγράφοντασ πρότυπα, ι κονιομεταλλουργικϊσ, ζχουν καλφτερθ ιςοτροπία ιδιοτιτων από αφροφσ με διευκετθμζνουσ πόρουσ παραςκευαςμζνουσ από υγρι κατάςταςθ. Εικόνα 30 Γραφικι απεικόνιςθ των κελιϊν μεταλλικοφ αφροφ. Αριςτερά απεικόνιςθ τζλειασ δομισ, με ομοιόμορφα κατανεμθμζνα κελιά (πόρουσ). Στθ μζςθ απεικόνιςθ δομισ με μζςθ διαςπορά τθσ ομοιομορφίασ των κελιϊν, ενϊ δεξιά εντελϊσ τυχαία μορφι κελιϊν *52+. Θ ςυμπεριφορά ςε εφελκυςμό των αφρϊν χαλκοφ, αν και μελετάται λιγότερο ςυχνά από τθ ςυμπίεςθ, ακολουκεί όμοια πορεία με τθ αυτι. Θ τάςθ αυξάνει και ξεπερνϊντασ τθν ελαςτικι περιοχι και με πλαςτικι παραμόρφωςθ και απορρόφθςθ ενζργειασ, ο αφρόσ χαλκοφ οδθγείται ςε όλκιμθ κραφςθ (Εικ.31). Θ ςχζςθ μεταξφ τάςεων και παραμορφϊςεων (Young's modulus), ακλουκεί επίςθσ τθν αναμενόμενθ ςυμπεριφορά, αυξάνοντασ μζχρι ζνα ςθμείο και ςτθν ςυνζχεια μειϊνεται [46]. H μθχανικι αντοχι και πάλι εξαρτάται κυρίωσ από το πορϊδεσ, όπωσ και ςτθ ςυμπίεςθ, ενϊ οι αφροί παραγωγισ από υγρι κατάςταςθ παρουςιάηουν και πάλι ζντονεσ ανιςοτροπίεσ *27+. Εικόνα 31 Αριςτερά διάγραμμα τάςθσ-παραμόρφωςθσ από αφρό χαλκοφ που φορτίηεται ςε εφελκυςμό [47]. Δεξιά μικρογραφία S.E.M. του αφροφ χαλκοφ ςσ περιοχι κραφςθσ [47]. 28

29 2.2.2 Ιδιότθτεσ μετάδοςθσ κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ Εκτόσ των μθχανικϊν ιδιοτιτων των αφρϊν χαλκοφ, μελετάται επίςθσ και θ ςυμπεριφορά τουσ ςτθν αγωγι κερμότθτασ και θλεκτριςμοφ, λόγω τθσ πολφ καλισ ςυμπεριφοράσ που ζχει εκεί ο χαλκόσ ςαν μζταλλο. Μελζτθ των κερμοθλεκτρικϊν ιδιοτιτων, γίνεται ςυνικωσ ςτα πλαίςια εφαρμογϊν, οι οποίεσ κα παρουςιαςτοφν ςτθν επόμενθ ενότθτα, οι παράμετροι όμωσ που επθρεάηουν αναλφονται παρακάτω. Γενικά, ςτθ μετάδοςθ κερμότθτασ, ι αλλιϊσ ςτθν κερμικι αγωγιμότθτα των μεταλλικϊν αφρϊν, οι παράμετροι που επθρεάηουν είναι πολλοί (πορϊδεσ, μζγεκοσ και μορφολογία πόρων, οξειδωμζνο ι όχι επιφανειακό ςτρϊμα, μζκοδοσ παραγωγισ του αφροφ), καταλυτικι όμωσ παράμετροσ είναι και πάλι το ςυνολικό πορϊδεσ. Θ ελάττωςθ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ, ςε ςχζςθ με το πορϊδεσ, παρατθρείται για κάκε μζκοδο παραγωγισ, αποδεδειγμζνα και με πειραματικζσ μεκόδουσ αλλά και με υπολογιςτικά μοντζλα (Εικ.32,33). Εικόνα 32 Διαγραμματικι παράςταςθ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ (effective thermal conductivity), αφροφ χαλκοφ που ζχει παραχκεί από τθν υγρι μζκοδο (Lotus-type). Ραρατίκενται καμπφλεσ από πειρατικά και υπολογιςτικά μοντζλα [53]. Εικόνα 33 Συνάρτθςθ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ κονιομεταλλουργικοφ αφροφ χαλκοφ, ςε ςχζςθ με το ςυνολικό πορϊδεσ. Ραρατίκενται καμπφλεσ από πειραματικά δεδομζνα και διάφορα υπολογιςτικά μοντζλα [54]. 29

30 Εκτόσ από το μζγεκοσ του πορϊδουσ όμωσ, θ κερμικι αγωγι επθρεάηεται και από το είδοσ τθσ πορϊδθσ δομισ. Μεταλλικοί αφροί με μεμονωμζνουσ πόρουσ (convex porosity), κα ζχουν καλφτερθ κερμικι αγωγιμότθτα από αφροφσ με μθ διαςυνδεδεμζνουσ πόρουσ (non-convex porosity), λόγω τθσ ζλλειψθσ bulk μετάλλου που άγει τθν κερμότθτα (Εικ.34). Εικόνα 34 Σχθματικι παράςταςθ τθσ αγωγισ κερμότθτασ γφρω από μεταλλικό αφρό με δφο διαφορετικά είδθ πορϊδουσ, convex (αριςτερά)και non-covex porosity (δεξιά) *55+. Κρατϊντασ λοιπόν κατάλλθλα κατανεμθμζνουσ τουσ πόρουσ, ο μεταλλικόσ αφρόσ ςυγκεκριμζνου πορϊδουσ, μπορεί να άγει καλφτερα τθ κερμότθτα από μεταλλικό αφρό, μεγαλφτερθσ πυκνότθτασ αλλά με μθ ςυνδεδεμζνθ διάταξθ πόρων (Εικ.35) [55]. H παράμετροσ είναι ςθμαντικι και πρζπει να λαμβάνεται υπόψθ, υποδεικνφοντασ ότι θ ποιότθτα και θ ομοιορφία των πόρων, μποροφν να οδθγιςουν ςε ελαφρφτερο εξίςου αποδοτικό μεταλλικό αφρό. Εικόνα 35 Διάγραμμα που παρουςιάηει τθ κερμικι αγωγιμότθτα μεταλλικοφ αφροφ, ςυναρτιςει του πορϊδουσ, με παράμετρο το είδοσ διάταξθσ των πόρων (convex, non-convex) [55]. 30

31 Τζλοσ όπωσ ειπϊκθκε και προθγουμζνωσ, επίδραςθ ςτθν κερμικι αγωγιμότθτα ζχουν και άλλεσ παράμετροι τθσ μορφολογίασ του αφροφ χαλκοφ όπωσ θ παρουςία ι όχι οξειδίων ςτισ εξωτερικζσ επιφάνειεσ και το μζγεκοσ τθσ ςκόνθσ που κα χρθςιμοποιθκεί (εφόςον πρόκειται για κονιομεταλλουργικό αφρό χαλκοφ). Θ παρουςία οξειδίων δρα ςαν μονωτισ μειϊνοντασ τθν κερμικι αγωγιμότθτα (Εικ.36), ενϊ αφξθςθ τθσ κοκομετρίασ τθσ ςκόνθσ, οδθγεί ςε μείωςθ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ λόγω των μεγαλφτερων κενϊν ςτο τελικό μθτρικό υλικό (Εικ.37) Εικόνα 36 Διάγραμμα που παρουςιάηεται θ ςυνάρτθςθ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ ςε ςχζςθ με το πορϊδεσ, ςε αφρό χαλκοφ με οξειδωμζνο (πυροςυςςωμάτωςθ ςε κενό χωρίσ αδρανι αζρια) και μθ οξειδωμζνο εξωτερικό ςτρϊμα (πυροςυςςωμάτωςθ υπό πίεςθ Αργοφ) *56+. Εικόνα 37 Διάγραμμα τθσ ςυνάρτθςθσ τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ, ςε κονιομεταλλουργικό αφρό χαλκοφ για διάφορεσ κοκομετρίεσ ςκόνθσ που χρθςιμοποιικθκε *54+. H επίδραςθ τθσ πορϊδουσ δομισ ςτθν θλεκτρικι αγωγιμότθτα είναι αντίςτοιχθ με αυτι τθσ κερμικισ αγωγιμότθτασ, όπωσ φυςικά και αναμζνεται. Πςο πιο πορϊδθσ είναι ζνασ μεταλλικόσ 31

32 αφρόσ χαλκοφ, τόςο μειϊνεται θ θλεκτρικι του αγωγιμότθτα, ενϊ όςο αυξάνεται το μζγεκοσ των πόρων, αυξάνεται και θλεκτρικι αγωγιμότθτα (Εικ.38). Ρλθροφορίεσ ςχετικά με τθ μζκοδο μζτρθςθσ τθσ θλεκτρικισ αγωγιμότθτασ μποροφν να βρεκοφν ςτθν αντίςτοιχθ βιβλιογραφία *57+. Εικόνα 38 Ρίνακασ μετριςεων τθσ θλεκτρικισ αγωγιμότθτασ (Ms/m), για αφρό χαλκοφ ςυναρτιςει διάφορων μεγεκϊν πόρων και ςυνολικοφ πορϊδουσ * υνικεισ εφαρμογζσ αφρϊν χαλκοφ Οι αφροί χαλκοφ χρθςιμοποιοφνται ςε πολφ μεγάλο εφροσ, τόςο ενεργϊν, όςο και πειραματικϊν εφαρμογϊν. Στα πλαίςια αυτισ τθσ εργαςίασ δεν είναι δυνατόν να καλυφκοφν όλεσ οι πικανζσ χριςεισ των αφρϊν χαλκοφ, γίνεται όμωσ να παρουςιαςτοφν κατθγοριοποιθμζνεσ εφαρμογζσ, ςφμφωνα με το είδοσ χριςθσ και τθν εκμετάλλευςθ ςυγκεκριμζνων ιδιοτιτων. Ζτςι λοιπόν οι εφαρμογζσ των αφρϊν χαλκοφ χωρίηονται ςε: 1.Ενεργειακζσ εφαρμογζσ μετάδοςθσ κερμότθτασ. 2.Ενεργειακζσ θλεκτρικζσ εφαρμογζσ. 3.Χθμικζσ εφαρμογζσ που ςχετίηονται με καταλφτεσ και φίλτρα. Πλεσ οι ενεργειακζσ εφαρμογζσ ςτισ οποίεσ χρθςιμοποιείται ι μελετάται θ χριςθ των αφρϊν χαλκοφ, εκμεταλλεφονται τθν εξαιρετικι κερμικι και θλεκτρικι αγωγιμότθτα του χαλκοφ, και τθν πολφ καλι ςυμπεριφορά ςε διαβρωτικό για άλλα ςτοιχεία περιβάλλον. Οι κερμικζσ εφαρμογζσ περιλαμβάνουν ςυςτιματα κζρμανςθσ αλλά και ψφξθσ. Aφροί χαλκοφ μελετϊνται και χρθςιμοποιοφνται ςε διατάξεισ και εναλλάκτεσ μετάδοςθσ κερμότθτασ με εργαηόμενα μζςα αζρια [58] και ρευςτά [59] καλφπτοντασ ζνα μεγάλο φάςμα εφαρμογϊν. Αφροί χαλκοφ επίςθσ χρθςιμοποιοφνται ωσ πτερφγια, ι αδρανι αποκθκευτικά μζςα για κερμότθτα, ςε θλεκτρονικά ςυςτιματα [60] αλλά και διατάξεισ που διαχειρίηονται μεγάλα ενεργειακά ποςά κερμότθτασ [61]. Ραραδείγματα εφαρμογϊν παρουςιάηονται ςτισ εικόνεσ παρακάτω (Εικ.39,40). Οι αφροί χαλκοφ χρθςιμοποιοφνται πολλζσ φορζσ και ςε ςυνεργαςία με διάφορα υλικά με τα οποία είναι επικαλυμμζνοι ςυνδυάηοντασ διάφορεσ ιδιότθτεσ, για παράδειγμα επικάλυψθ αφροφ χαλκοφ με ηεόλικο *62+, όπου βρίςκει χριςθ ςτθ δθμιουργία αντλιϊν κερμότθτασ. Θα μποροφςαμε λοιπόν να ποφμε ότι οι αφροί χαλκοφ καλφπτουν όλο το φάςμα των εφαρμογϊν μετάδοςθσ κερμότθτασ, από ςχετικά μικρά ποςά ενζργειασ, μζχρι μεγάλεσ διατάξεισ με υψθλζσ κερμοκραςίεσ και ενζργεια. Το μοναδικό μειονζκτθμα των αφρϊν χαλκοφ ςε αυτζσ τισ εφαρμογζσ, είναι το υψθλό κόςτοσ παραςκευισ τουσ, ςε ςχζςθ με ανταγωνιςτικά υλικά όπωσ το αλουμίνιο ι κράματα χάλυβα. 32

33 Εικόνα 39 Διάταξθ μετάδοςθσ κερμότθτασ ςτθν οποία ο αφρόσ χαλκοφ βρίςκει εφαρμογι ςαν υλικό καταςκευισ καλάμου ατμϊν. Θ χριςθ του αφροφ χαλκοφ ςτθ ςυγκεκριμζνθ εφαρμογι επεκτείνει τα όρια λειτουργίασ τθσ ςυςκευισ, ςε μεγαλφτερα ποςά μετάδοςθσ κερμότθτασ [61]. Εικόνα 40 Συςκευι ψφξθσ επεξεργαςτϊν ςε θλεκτρονικά ςυςτιματα, όπου ο αφρόσ χαλκοφ χρθςιμοποιείται ςαν μζςο για τθν εναλλαγι κερμότθτασ μεταξφ του ψυκτικοφ και τθσ πθγισ κερμότθτασ. Λόγω των καλϊν κερμικϊν ιδιοτιτων του, ο αφρόσ χαλκοφ επεκτείνει το εφροσ κερμοκραςιϊν που μποροφν να χρθςιμοποιθκοφν τα θλεκτρονικά ςυςτιματα [60]. Στον τομζα των θλεκτρικϊν εφαρμογϊν, ο αφρόσ χαλκοφ βρίςκει ολοζνα και περιςςότερεσ εφαρμογζσ, λόγω τθσ ανάπτυξθσ και εξζλιξθσ των κυψζλων καυςίμου (fuel cells), αλλά και γενικότερα ςε εφαρμογζσ ςχετικά με τθν αποκικευςθ ενζργειασ με τθ μορφι θλεκτριςμοφ. Συγκεκριμζνα ο αφρόσ χαλκοφ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί με επιτυχία για τθν καταςκευι των διπολικϊν πλακϊν (bipolar plates) ςτισ κυψζλεσ καυςίμου, αντικακιςτϊντασ τον ψακυρό γραφίτθ, και αυξάνοντασ τθν απόδοςθ τθσ ςυςκευισ λόγω τθσ καλφτερθσ θλεκτρικισ 33

34 αγωγιμότθτασ *63+. Άλλεσ εφαρμογζσ που ςχετίηονται με αποκικευςθ και χριςθ τθσ θλεκτρικισ ενζργειασ, περιλαμβάνουν μπαταρίεσ λικίου, όπου ο αφρόσ χαλκοφ χρθςιμοποιείται ωσ υλικό ανόδου, με καλφτερθ απόδοςθ από τον γραφιτοποιθμζνο άνκρακα [64], επίςθσ ςε πυκνωτζσ μεγάλθσ χωρθτικότθτασ *65+, αλλά και ςτισ ευρζωσ χρθςιμοποιοφμενεσ μπαταρίεσ μολφβδου [66]. Πςον αφορά τισ εφαρμογζσ που ζχουν ςχζςθ με καταλφτεσ, φίλτρα και χθμικζσ αντιδράςεισ γενικότερα, οι αφροί χαλκοφ βρίςκουν και πάλι πλικοσ εφαρμογϊν, αν και ο τομζασ αυτϊν των εφαρμογϊν ανικει ςτουσ κεραμικοφσ αφροφσ κυρίωσ. Ο χαλκόσ ςαν μζταλλο (bulk), χρθςιμοποιείται ευρζωσ ςαν καταλφτθσ, για τθν οξείδωςθ πολλϊν τφπων αλκοόλθσ [67,68], ζτςι και ο αφρόσ χαλκοφ βρίςκει χριςιμθ εφαρμογι ςε αυτζσ τισ αντιδράςεισ, προςφζροντασ τισ χθμικζσ ιδιότθτεσ του χαλκοφ με μεγαλφτερθ επιφάνεια από το bulk μζταλλο, και με χαμθλότερο βάροσ. Άλλεσ καταλυτικζσ εφαρμογζσ ςτισ οποίεσ βρίςκει χριςθ ο αφρόσ χαλκοφ ςαν καταλφτθσ είναι θ παραγωγι αερίου υδρογόνου [69], και θ κερμικι αποςφνκεςθ του υπερχλωρικοφ αμμωνίου [70], το οποίο χρθςιμοποιείται ςε μθχανζσ πυραφλων. Tζλοσ κα πρζπει να αναφερκοφμε και ςτισ πολφ ςθμαντικζσ εφαρμογζσ του αφροφ χαλκοφ, ςε ςυςτιματα αφαίρεςθσ βλαβερϊν παραγόντων από υγρά διαλφματα όπωσ το νερό. Τζτοιεσ εφαρμογζσ είναι θ χριςθ του αφροφ χαλκοφ, ςε ςφςτθμα αποχλωρίωςθσ νεροφ (Εικ.41), όπου ο αφρόσ χαλκοφ ανταποκρίνεται πολφ αποτελεςματικότερα από άλλουσ αφροφσ, όπωσ π.χ. νικελίου ι άνκρακα [71]. Εικόνα 41 Σφςτθμα αποχλωρίωςθσ νεροφ που προζρχεται από απόβλθτα εργοςταςίων. Ο αφρόσ χαλκοφ μπορεί να χρθςιμοποιθκεί ςτθν διαδικαςία αποχλωρίωςθσ του τριχλωροαικυλενίου, το οποίο περιζχεται ςτα μολυςμζνα φδατα. Ο αφρόσ χαλκοφ αποδεικνφεται πιο αποτελεςματικόσ από ανταγωνιςτικοφσ αφροφσ [71]. 34

35 3 κοπόσ τθσ εργαςίασ Σκοπόσ τθσ παροφςασ εργαςίασ είναι θ παραγωγι και θ μελζτθ των ιδιοτιτων, μεταλλικϊν αφρϊν (οpen cell) κακαροφ χαλκοφ, με τθ μζκοδο τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ, ςυνεπϊσ μιλάμε για μζκοδο ςτερεισ κατάςταςθσ με τισ όποιεσ ομοιότθτεσ με τισ άλλεσ μεκόδουσ που παρουςιάςτθκαν ςτο κεωρθτικό υπόβακρο. Ωσ αφροποιθτισ χρθςιμοποιείται ακατζργαςτθ κρυςταλλικι ηάχαρθ. Θ ηάχαρθ διατίκεται ςε διάφορα μεγζκθ (περιοριςμζνου και ςυγκεκριμζνου εφρουσ), για τθν παραγωγι αφρϊν διαφορετικισ μορφολογίασ (πορϊδεσ και μζγεκοσ πόρων). Θ μζκοδοσ χωρίηεται ςε ςτάδια (Εικ.42), των οποίων θ ςωςτι διεξαγωγι και θ βελτιςτοποίθςθ, είναι αναγκαία για να επιτφχουμε τθν επικυμθτι μορφι ςτο τελικό προϊόν αφροφ. Tα ςτάδια ςτα οποία μπορεί να χωριςτεί θ διαδικαςία είναι θ μζτρθςθ βάρουσ και θ ανάδευςθ των ςυςτατικϊν, θ ςυμπίεςθ του μίγματοσ, θ υδατοδιάλυςθ και ςτθ ςυνζχεια θ πυροςυςςωμάτωςθ ςε υψθλι κερμοκραςία. Eικόνα 42 Σχθματικι παράςταςθ τθσ διαδικαςίασ παραςκευισ των αφρϊν. Μθ ςωςτι διεξαγωγι των παραπάνω ςταδίων, οδθγεί ςυνικωσ ςε ανεπικφμθτα αποτελζςματα όπωσ, χαμθλι μθχανικι αντοχι του αφροφ, πικανι φπαρξθ προςμίξεων ι οξείδωςθσ, ι υπερβολικι παραμόρφωςθ και ςυρρίκνωςθ του αφροφ. Μζςα ςτουσ ςτόχουσ τθσ εργαςίασ είναι θ μελζτθ των παραμζτρων (π.χ. πίεςθ ςυμπίεςθσ, κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ), και θ επίδραςι τουσ ςτθν τελικι ποιότθτα, τθ μορφολογία και τθν φπαρξθ ι όχι ανεπικφμθτων αποτελεςμάτων ςτον αφρό χαλκοφ. Θ μελζτθ των ιδιοτιτων και τθσ μορφολογίασ των αφρϊν, μπορεί να γίνει με πολλοφσ τρόπουσ. Στο κεωρθτικό υπόβακρο παρουςιάςτθκαν δεδομζνα και φωτογραφίεσ, από μεκόδουσ μελζτθσ όπωσ, θ οπτικι μικροςκοπία, το θλεκτρονικό μικροςκόπιο (S.E.M.), δοκιμζσ ςυμπίεςθσ και εφελκυςμοφ, δοκιμζσ κραφςθσ κ.τ.λ. Στθν παροφςα εργαςία θ παρατιρθςθ τθσ μικροδομισ των δοκιμίων του αφροφ χαλκοφ κα πραγματοποιθκεί ςτο οπτικό μικροςκόπιο, μετά από κατάλλθλθ προετοιμαςία αυτϊν. Σκοπόσ είναι να αποκαλυφκοφν οι διαφορζσ ςτθν μικροδομι, ςε δοκίμια που ζχουν παραχκεί ςε διαφορετικι κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ, ι ζχει χρθςιμοποιθκεί ςκόνθ χαλκοφ διαφορετικισ κοκκομετρίασ. Θ κατανομι των πόρων του αφροφ, μπορεί να προςομοιωκεί με τθν χριςθ του κατάλλθλου λογιςμικοφ (Image J), με ςκοπό να μελετθκεί θ μακροςκοπικι μορφολογία του αφροφ, κακϊσ και κατά πόςο οι πόροι ακολουκοφν τισ διαςτάςεισ του αφροποιθτι. 35

36 4 Εργαςτθριακόσ εξοπλιςμόσ 4.1 Ζυγαριά ακριβείασ Sartorius BP 310 P Εικόνα 43 Ηυγαριά ακριβείασ για τθ μζτρθςθ ποςοτιτων των υλικϊν. Στθ ηυγαριά τθσ εικόνασ 43 πραγματοποιικθκαν οι μετριςεισ τθσ μάηασ των κόνεων του χαλκοφ και τθσ ηάχαρθσ. Θ ακρίβεια τθσ ηυγαριάσ είναι μεγάλθ και ςυγκεκριμζνα παρουςιάηεται θ μετροφμενθ μάηα μζχρι και το χιλιοςτό του γραμμαρίου. Οι αναλογίεσ των μαηϊν των ςυςτατικϊν είναι οι παράμετροι που λαμβάνονται υπόψθ για τον υπολογιςμό του κεωρθτικοφ πορϊδουσ, ςυνεπϊσ θ ακρίβεια των μετρθτικϊν οργάνων είναι ςθμαντικι για το τελικό αποτζλεςμα. 4.2 Τδραυλικι Πρζςα Εικόνα 44 Υδραυλικι πρζςα για τθν ςυμπίεςθ των δοκιμίων, ςτα δεξιά τθσ εικόνασ διακρίνεται ο μοχλόσ χειριςμοφ και θ ζνδειξθ τθσ πίεςθσ. 36

37 Θ πρζςα τθσ εικόνασ 44 χρθςιμοποιικθκε για τθν ςυμπίεςθ του μίγματοσ χαλκοφ ηάχαρθσ, ϊςτε να αποκτιςει τθν απαιτοφμενθ αντοχι για περεταίρω χειριςμοφσ. Θ ςυγκεκριμζνθ πρζςα ζχει τθν δυνατότθτα άςκθςθσ πίεςθσ τθσ τάξθσ των εκατοντάδων Bar. Για να αποκτιςει το μίγμα ςυγκεκριμζνο όγκο και ςχιμα το τοποκετείται ςτο καλοφπι τθσ παρακάτω εικόνασ (Εικ.45), μζςα ςτο οποίο διεξάγεται θ ςυμπίεςθ. Εικόνα 45 Καλοφπι μζςα ςτο οποίο διεξάγεται θ ςυμπίεςθ των δοκιμίων. Αριςτερά το μικρό βοθκθτικό ζμβολο, δεξιά το κυρίωσ ζμβολο. Μετά τθ φάςθ τθσ ςυμπίεςθσ τα δοκίμια τοποκετοφνται ςε λουτρό νεροφ για υδατοδιάλυςθ. Θ φάςθ αυτι μπορεί να πραγματοποιθκεί ςε οποιοδιποτε δοχείο γεμάτο με νερό, θ παρουςίαςθ του οποίου κεωρείται άςκοπθ. 4.3 Ξθραντιριο Melag Εικόνα 46 Ξθραντιριο μζςα ςτο οποίο πραγματοποιείται θ απομάκρυνςθ τθσ υγραςίασ από τα δοκίμια. Το ςυγκεκριμζνο μθχαάνθμα τθσ εικόνασ 46, διακζτει μεγάλο χϊρο ξιρανςθσ μζςα ςτον οποίο κυκλοφορεί κερμόσ αζρασ, με εφροσ λειτουργίασ ο C. H ξιρανςθ των δοκιμίων απομακρφνει εντελϊσ το νερό από αυτά μετά τθ φάςθ τθσ υδατολιάλυςθσ. 37

38 4.4 Φοφρνοσ Εικόνα 47 Φοφρνοσ κζρμανςθσ, για πυροςυςςωμάτωςθσ των δοκιμίων. Ο φοφρνοσ τθσ εικόνασ 47 αποτελείται από μια ςφνκετθ διάταξθ. Εκτόσ από τθν δυνατότθτα κζρμανςθσ ςε κερμοκραςίεσ μζχρι, υπάρχει και θ δυνατότθτα κζρμανςθσ ςε ελεγχόμενο περιβάλλον υπό κενό ι αδρανζσ αζριο. Τα επί μζρουσ ςτοιχεία τθσ διάταξθσ (Εικ.48) είναι: 1) Σωλινασ χαλαηία, μζςα ςτον οποίο τοποκετοφνται τα δοκίμια, ςτεγανοποιθμζνα από το περιβάλλον. 2) Αντλία, θ οποία αναλαμβάνει τθν απομάκρυνςθ του ατμοςφαιρικοφ αζρα από το ςωλινα, αφοφ ζχουν τοποκετθκεί τα δοκίμια. 3) Σφςτθμα ςωλθνϊςεων, το οποίο ςυνδζει τθν αντλία με το ςωλινα κενοφ, αλλά και τθ δεξαμενι αδρανοφσ αερίου. 4) Φιάλθ αδρανοφσ αερίου (Ar), το οποίο πλθρϊνει τον ςωλινα κενοφ για τθν επίτευξθ μθ οξειδωτικισ ατμόςφαιρασ κατά τθ κζρμανςθ. 38

39 Εικόνα 48 Ράνω αριςτερά, ο ςωλινασ χαλαηία μζςα ςτον οποίο κερμαίνονται τα δοκίμια. Δεξιά θ αντλία για τθν επίτευξθ των επικυμθτϊν ςυνκθκϊν πίεςθσ. Κάτω αριςτερά το ςφςτθμα ςωλθνϊςεων και οι βαλβίδεσ ελζγχου, που ςυνδζουν τα ςτοιχεία τθσ διάταξθσ. Δεξιά φιάλθ με αδρανζσ αζριο (Ar). 4.5 Λειαντικόσ τροχόσ Imptech Ο λειαντικόσ τροχόσ τθσ παρακάτω εικόνασ (Εικ.49) μπορεί να φτάςει επιλεγόμενο αρικμό ςτροφϊν ανά λεπτό, με ταυτόχρονθ και ςυνεχι παροχι νεροφ κατά τθ διάρκεια τθσ λείανςθσ. Χρθςιμοποιοφνται εναλλάξιμα λειαντικά χαρτιά, και μπορεί να πραγματοποιθκεί και ςτίλβωςθ δοκιμίων ςτο ίδιο μθχάνθμα, προετοιμάηοντασ τα δοκίμια για το οπτικό μικροςκόπιο. Εικόνα 49 Λειαντικόσ τροχόσ με παροχι νεροφ και επιλογι των ςτροφϊν λειτουργίασ (δεξιά). 39

40 4.6 Οπτικά μικροςκόπια Leica Eικόνα 50 Μικροςκόπια του εργαςτθρίου που χρθςιμοποιικθκαν για τθν παρατιρθςθ των δοκιμίων αφροφ χαλκοφ. Υποςτθρίηεται θ απευκείασ παρατιρθςθ ςε υπολογιςτι μζςω κάμερασ. Tα μικροςκόπια τθσ εικόνασ (Εικ.50) που χρθςιμοποιοφνται για τθν παρατιρθςθ των δοκιμίων, διακζτουν πολλζσ επιλογζσ μεγζκυνςθσ (50, 100, 200, 500, 1000Χ), κακϊσ και φίλτρα, όπωσ πολωτι και αναλυτι για απευκείασ βελτίωςθ τθσ εικόνασ. Θ κάμερα του μικροςκοπίου ςυνδζεται μζςω κφρασ usb απευκείασ ςτον υπολογιςτι, για τθν εξαγωγι των εικόνων που κα παρουςιαςτοφν ςτθ ςυνζχεια. 4.7 τερεοςκόπιο Leica To ςτερεοςκόπιο του εργαςτθρίου (Εικ.51), παρζχει τθ δυνατότθτα μακροςκοπικισ παρατιρθςθσ των δοκιμίων, και εξαγωγισ φωτογραφιϊν, μζςω ςφνδεςθσ με υπολογιςτι. Ππωσ και τα μικροςκόπια, διακζτει επιλογζσ μεγζκυνςθσ και προςαρμογισ φωτεινότθτασ. Εικόνα 51 Φωτογραφία του ςτερεοςκοπίου του εργαςτθρίου, το οποίο υποςτθρίηει ςφνδεςθ ςε υπολογιςτι για τθν εξαγωγι φωτογραφιϊν. 40

41 5. Πειραματικι διαδικαςία 5.1 Τλικά Tα ςυςτατικά τθσ μεκόδου είναι θ ςκόνθ χαλκοφ και θ καςτανι ηάχαρθ. Θ μζκοδοσ που παρουςιάηουμε δεν απαιτεί binder για τθν περιοχι κεωρθτικοφ πορϊδουσ από 72% και κάτω, ςε αντίκεςθ με τισ περιςςότερεσ κονιομεταλλουργικζσ μεκόδουσ που παρουςιάςτθκαν ςτο κεωρθτικό υπόβακρο. Σκόνθ χαλκοφ είναι διακζςιμθ εμπορικϊσ από πολλοφσ καταςκευαςτζσ (Εικ.52), ςε πολλά διαφορετικά μεγζκθ κοκκομετρίασ. Θα χρθςιμοποιθκοφν δφο διαφορετικοί τφποι ςκόνθσ χαλκοφ με βάςθ τθν κοκκομετρία, για τθ διερεφνθςθ των διαφορϊν ςτθ μικροδομι. Φωτογραφίεσ από τουσ δφο διαφορετικοφσ τφπουσ κόνεων χαλκοφ παρουςιάηονται παρακάτω (Εικ.53). Εικόνα 52 Οι εμπορικζσ ςυςκευαςίεσ των καταςκευαςτϊν των δφο διαφορετικϊν τφπων ςκόνθσ χαλκοφ. Αριςτερά θ ςυςκευαςία τθσ χοντρισ ςκόνθσ ( μm), δεξιά θ λεπτι ςκόνθ (<75μm). Εικόνα 53 Αριςτερά φωτογραφία τθσ χοντρισ ςκόνθσ χαλκοφ ( μm), δεξιά θ λεπτι ςκόνθ (<75μm). Οι ςκόνεσ φωτογραφικθκαν ςτθν μορφι που ζχουν απευκείασ από τον καταςκευαςτι, διακρίνεται θ διαφορά ςτθν κοκκομετρία. Οι διαφορά ςτο μζγεκοσ τθσ κοκκομετρίασ των κόνεων είναι ορατι και με γυμνό μάτι. Οι κόνεσ μποροφν επίςθσ να φωτογραφθκοφν ςτο οπτικό μικροςκόπιο για τθν παρατιρθςθ του μεγζκουσ και του ςχιματοσ αυτϊν. Φωτογραφίεσ των κόνεων από οπτικό μικροςκόπιο παρουςιάηονται παρακάτω (Εικ.54). 41

42 Εικόνα 54 Φωτογραφίεσ από οπτικό μικροςκόπιο των κόνεων χαλκοφ. Ράνω, αριςτερά φωτογραφία τθσ χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ χαλκοφ, μεγζκυνςθ 50Χ, δεξιά φωτογραφία τθσ λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, μεγζκυνςθ 100Χ. Κάτω, αριςτερά, φωτογραφία τθσ χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ χαλκοφ, μεγζκυνςθ 100Χ, δεξιά φωτογραφία τθσ λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, μεγζκυνςθ 200Χ. Θ ηάχαρθ ςαν αφροποιθτισ ζχει χρθςιμοποιθκεί και ςτο παρελκόν για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν. Ρολφ ςθμαντικά πλεονεκτιματα χριςθσ τθσ είναι, θ φιλικότθτά τθσ απζναντι ςτο περιβάλλον και ςτο μζταλλο προσ αφροποίθςι, αλλά και θ πολφ εφκολθ απομάκρυνςι τθσ με υδατοδιάλυςθ. Αυτά ςε ςυνδυαςμό με εφκολθ εμπορικι διακεςιμότθτά τθσ, τθν κακιςτοφν κατάλλθλθ για τθν παραγωγι μεταλλικϊν αφρϊν, με ιδιαίτερα απλι διαδικαςία, όπωσ κα παρουςιαςτεί ςτθ ςυνζχεια. Φωτογραφία τθσ καςτανισ ηάχαρθσ παρατίκεται παρακάτω ςτθν εικόνα 55. Το μζγεκοσ των κόκκων τθσ ηάχαρθσ επιλζγεται ςτα 0.7mm ενϊ είναι διακζςιμθ και ηάχαρθ κοκκομετρίασ 0.35mm, θ οποία επίςθσ κα χρθςιμοποιθκεί για τθν παραγωγι δοκιμίων με μικρότερο μζγεκοσ πόρων μορφολογία και το μζγεκοσ των πόρων όπωσ ειπϊκθκε και ςτθ κεωρία, εξαρτϊνται από τον αφροποιθτι, ουςιαςτικά ''αντιγράφοντάσ'' τον. Τα ςυςτατικά αφοφ ηυγιςτοφν αναμειγνφονται με ελάχιςτθ ποςότθτα νεροφ (τθσ τάξθσ των δεκάτων του ml), το οποίο απορροφάται από τισ ςκόνεσ δίνοντασ μια πιο ςυμπαγι και ενιαία μορφι ςτο μίγμα. Το νερό που κα χρθςιμοποιθκεί δεν είναι ανάγκθ να είναι αποςταγμζνο, αλλά μπορεί να χρθςιμοποιθκεί και απλό νερό βρφςθσ. Θ αναγκαία ποςότθτα του νεροφ προκφπτει εμπειρικά, και κα πρζπει να είναι αρκετι ζτςι ϊςτε ο χαλκόσ να αποκτιςει αρκετι πρόςφυςθ πάνω ςτουσ κόκκουσ ηάχαρθσ, αλλά όχι υπερβολικι ϊςτε το μίγμα να γίνει ρευςτό. Θ ανάδευςθ μπορεί να 42

43 γίνει ςε οποιοδιποτε πλαςτικό δοχείο, ςτθ ςυνζχεια το μίγμα υποβάλλεται ςε ςυμπίεςθ, όπωσ κα παρουςιαςτεί παρακάτω. Εικόνα 55 Καςτανι ηάχαρθ που κα χρθςιμοποιθκεί ωσ αφροποιθτισ, αριςτερά ηάχαρθ με 0,7 mm κοκομετρία, δεξιά 0.35 mm κοκκομετρία. 5.2 Περιεκτικότθτεσ ςτθν ανάμειξθ ςυςτατικϊν Το κεωρθτικό πορϊδεσ όπωσ ειπϊκθκε και προθγουμζνωσ υπολογίηεται με τθν αναλογία όγκου ι μάηασ (με μετατροπι λαμβάνοντασ υπόψθ τισ πυκνότθτεσ των ςυςτατικϊν). Οι αφροί χαλκοφ κα παραχκοφν ςε 3 διαφορετικζσ αναλογίεσ : 1) Θεωρθτικό πορϊδεσ 72%, με 4g ηάχαρθσ και 8,5g ςκόνθσ χαλκοφ, ςε 0,5ml νεροφ. 2) Θεωρθτικό πορϊδεσ 80%, με 4,42g ηάχαρθσ και 6,26g ςκόνθσ χαλκοφ, ςε 0,3ml νεροφ. 3) Θεωρθτικό πορϊδεσ 90%, με 4,97g ηάχαρθσ και 3,13g ςκόνθσ χαλκοφ, ςε 0,25 ml νεροφ. Οι ποςότθτεσ νεροφ είναι οι βζλτιςτεσ για κάκε περίπτωςθ, ζτςι ϊςτε τα δοκίμια να περάςουν επιτυχϊσ ςτθ φάςθ τθσ ςυμπίεςθσ. Αν το νερό που προςτίκεται είναι υπερβολικό, κα αποβλθκεί από το μίγμα κατά τθ ςυμπίεςθ παραςφροντασ και χαλκό μαηί, οδθγϊντασ ςε λάκοσ αποτελζςματα. 5.3 υμπίεςθ Θ διαδικαςία τθσ ςυμπίεςθσ είναι ζνα πολφ ςθμαντικό κομμάτι τθσ μεκόδου παραγωγισ αφροφ χαλκοφ. Το επικυμθτό ςχιμα αλλά και θ αντοχι των δοκιμίων εξαρτάται από τισ ςυνκικεσ ςυμπίεςθσ, δθλαδι τθν γεωμετρία του καλουπιοφ και τθν αςκοφμενθ πίεςθ. Τα μίγματα ςυμπιζηονται κάκε φορά ςε ςυγκεκριμζνο κυλινδρικό καλοφπι, με εςωτερικι διάμετρο 16mm. Το καλοφπι δζχεται από τθν κάτω πλευρά το μικρό βοθκθτικό ζμβολο, και ςτθ ςυνζχεια ο κφλινδροσ πλθρϊνεται με το μίγμα, προςπακϊντασ πάντα να ελαχιςτοποιθκοφν οι απϊλειεσ. Το μεγάλο κφριο ζμβολο τοποκετείται ςτθν πάνω πλευρά και πλζον θ διάταξθ είναι ζτοιμθ να ςυμπιζςει το μίγμα. Θ πίεςθ αςκείται από τθν πρζςα ςτο κφριο ζμβολο, και ςτθ ςυνζχεια ςτο μίγμα χαλκοφηάχαρθσ-νεροφ. Οι ςκόνεσ χαλκοφ παραμορφϊνονται μεταξφ τουσ, και το μίγμα αποκτά μθχανικι αντοχι, θ οποία κα αποδειχκεί απαραίτθτθ για τα επόμενα ςτάδια. Κατά τθ ςυμπίεςθ 43

44 παρατθρείται επίςθσ και θ αποβολι νεροφ από το καλοφπι, ςυμπαραςφροντασ μαηί και ελάχιςτθ ποςότθτα χαλκοφ. Θ διαδικαςία επαναλαμβάνεται ακόμα μια φορά, προσ τθν αντίκετθ ςτθν προθγοφμενθ κατεφκυνςθ, για τθν επίτευξθ ομοιογζνειασ. Το πρϊτο ζμβολο, αφοφ αφαιρεκεί προςεκτικά, κα τοποκετθκεί ςτθ βάςθ τθσ διάταξθσ, ενϊ το προθγουμζνωσ βοθκθτικό ζμβολο, αναλαμβάνει τϊρα το ρόλο τθσ μετάδοςθσ τθσ πίεςθσ από τθν πρζςα ςτο μίγμα. Θ πίεςθ κρατείται ςτα ίδια επίπεδα με προθγουμζνωσ. Τζλοσ, αφαιρϊντασ το μικρό ζμβολο το δοκίμιο εξάγεται εφκολα με το χζρι ι με τθν άςκθςθ ελάχιςτθσ πίεςθσ από τθν πρζςα. H μζςθ διάμετροσ των δοκιμίων είναι 16.4 mm, ακολουκεί δθλαδι τισ διαςτάςεισ του καλουπιοφ. Θ βζλτιςτθ πίεςθ που προτείνεται να αςκθκεί για τθν ςκόνθ τθσ μικρισ κοκκομετρίασ επιλζγεται ςτα 210 MPa, για τα δοκίμια που περιζχουν 0,7mm κόκκουσ ηάχαρθσ, ενϊ για τα δοκίμια με 0,35mm ηάχαρθσ θ πίεςθ πρζπει να μειωκεί ςτα 200 Mpa. Για τθν ςκόνθ με τθν μεγαλφτερθ κοκκομετρία, οι τιμζσ αυτζσ πρζπει να αυξθκοφν κατά Mpa αντίςτοιχα. Θ μεγάλθ ςκόνθ αφινει μεγαλφτερα κενά και ζτςι απαιτείται αφξθςθ τθσ δφναμθσ για τθν επίτευξθ καλφτερθσ μθχανικισ αντοχισ. Το ςυγκεκριμζνο εφροσ τθσ πίεςθσ είναι το βζλτιςτό, και καταλιξαμε ςε αυτό μετά από αςτοχίεσ των δοκιμίων. Τονίηεται ότι μικρζσ αποκλίςεισ (τθσ τάξθσ των 1-5 Mpa) από αυτζσ τισ τιμζσ, δεν κα προκαλζςουν προβλιματα, αλλά μεγάλεσ αποκλίςεισ κα οδθγιςουν πικανότατα ςε ρωγματϊςεισ των δοκιμίων κατά τθν εξαγωγι τουσ ι αργότερα κατά τθν υδατοδιάλυςθ. Ππωσ ιταν αναμενόμενο τα εξαγόμενα δοκίμια με κεωρθτικό πορϊδεσ 72%, είναι πιο ανκεκτικά από τα άλλα δοκίμια με 80 και 90% πορϊδεσ. Ειδικά για τα δοκίμια με 90% πορϊδεσ, θ εξαγωγι από το καλοφπι και οι περεταίρω χειριςμοί οδιγθςαν ςε κραφςεισ των δοκιμίων για τα περιςςότερα από αυτά. Αν και ςτθ μζκοδο που παρουςιάηεται ςτθν παροφςα εργαςία δεν χρθςιμοποιείται binder, προτείνεται θ χριςθ του για παραγωγι δοκιμίων πορϊδουσ 80% και άνω. 5.4 Τδατοδιάλυςθ Για να είναι ζτοιμα τα δοκίμια για πυροςυςςωμάτωςθ πρζπει πρϊτα να απομακρυνκεί ο αφροποιθτισ, δθλαδι θ ηάχαρθ. Αυτό μπορεί να γίνει πολφ απλά, τοποκετϊντασ τα ςε λουτρό νεροφ, μζςα ςε ζνα οποιοδιποτε δοχείο. Τα δοκίμια κα πρζπει να αφεκοφν προςεκτικά μζςα ςτο νερό και να βρίςκονται ςε τζτοια κζςθ ϊςτε να ανακτθκοφν εφκολα μετά τθν υδατοδιάλυςθ. Πταν θ ηάχαρθ απομακρυνκεί τα δοκίμια κα ζχουν μειωμζνθ μθχανικι αντοχι, ςυνεπϊσ θ τοποκζτθςθ ςε κζςεισ εφκολθσ ανάκτθςθσ είναι ςθμαντικι. Θ ανοικτι δομι των κελιϊν (open cell), απομακρφνει τθ ηάχαρθ εντελϊσ από το χαλκό με παραμονι των δοκιμίων για 12 ϊρεσ ςτο νερό. Δεν δόκθκε ιδιαίτερθ ςθμαςία ςτο χρόνο υδατοδιάλυςθσ, παραμονι όμωσ 12 ωρϊν αποδείχκθκε περιςςότερο από αρκετι απομακρφνοντασ τθ ηάχαρθ. Τυχόν μεγάλθ ποςότθτα εναπομζνουςασ ηάχαρθσ κα είχε ωσ αποτζλεςμα, τθν κραφςθ των δοκιμίων κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ, κάτι το οποίο δεν παρατθρικθκε. Σε περίπτωςθ που θ ςυγκεκριμζνθ μζκοδοσ χρθςιμοποιθκεί για παραγωγι μεγάλθσ ποςότθτασ δοκιμίων αφροφ χαλκοφ, ο χρόνοσ υδατοδιάλυςθσ ίςωσ μπορεί να βελτιςτοποιθκεί και ελαττωκεί. Τα δοκίμια με κεωρθτικό πορϊδεσ 90% δεν κατάφεραν να περάςουν επιτυχϊσ τθν υδατοδιάλυςθ. Είτε διαλφκθκαν εντελϊσ ςτο νερό είτε καταςτράφθκαν κατά τθν απομάκρυνςι τουσ από το λουτρό. Τα δοκίμια με κεωρθτικό πορϊδεσ 80%, κατάφεραν να περάςουν επιτυχϊσ τθ φάςθ τθσ υδατοδιάλυςθσ, αν και υπιρξαν αςτοχίεσ για κάποια από αυτά, όπωσ ρωγματϊςεισ ι μεγάλθ απϊλεια χαλκοφ. Για τα δοκίμια με κεωρθτικό πορϊδεσ 72% δεν παρουςιάςτθκαν κάποια προβλιματα. Θ απϊλεια 44

45 χαλκοφ ιταν ελάχιςτθ, ενϊ κατεςτραμμζνα παρουςιάςτθκαν μόνο τα αρχικά δοκίμια, τα οποία είχαν παραχκεί εκτόσ του βζλτιςτου εφρουσ πίεςθσ, ςτο προθγοφμενο ςτάδιο τθσ μεκόδου. Τα δοκίμια τα οποία αποτελοφνται πλζον από κακαρό χαλκό, είναι ζτοιμα να περάςουν ςτο ςτάδιο τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ, υπό ατμόςφαιρα αδρανοφσ αερίου, για τθν εξαγωγι των τελικϊν προϊόντων. Ρριν γίνει αυτό όμωσ απαραίτθτθ είναι θ ξιρανςθ των δοκιμίων. Θ μζκοδοσ τθσ παραγωγισ αφροφ χαλκοφ με αφροποιθτι τθ ηάχαρθ, μζχρι ςτιγμισ χαρακτθρίηεται από ιδιαίτερθ απλότθτα. Άλλεσ μζκοδοι πυροςυςςωμάτωθσ που αναφζρκθκαν ςτο κεωρθτικό υπόβακρο, είναι πιο ςφνκετεσ περιλαμβάνοντασ, και βιματα απομάκρυνςθσ του αφροποιθτι κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ. Θ παραμονι του αφροποιθτι όμωσ προςδίδει μια επιπλζον μθχανικι αντοχι για χειριςμοφσ, επιτρζποντασ τθν αφξθςθ του πορϊδουσ ςε επίπεδα άνω του 80%. Υπενκυμίηεται λοιπόν ότι θ μζκοδοσ αφροποίθςθσ με ηάχαρθ που παρουςιάηεται ςτθν ςυγκεκριμζνθ εργαςία, αν και ίςωσ θ απλοφςτερθ όλων, υςτερεί ςτο κζμα παραγωγισ αφρϊν με πολφ υψθλό πορϊδεσ. Θ μθχανικι αντοχι των δοκιμίων μετά τθν υδατοδιάλυςθ, προζρχεται αποκλειςτικά από το προθγοφμενο ςτάδιο τθσ ςυμπίεςθσ, λόγω των παραμορφϊςεων μεταξφ των κόνεων. Ρροτείνεται λοιπόν θ χριςθ binder ι και κάποιασ άλλθσ μεκόδου για τθν παραγωγι αφρϊν χαλκοφ με πορϊδεσ άνω του 80%, ϊςτε θ επιτυχία να είναι εξαςφαλιςμζνθ. 5.5 Ξιρανςθ Για να πυροςυςςωματωκοφν με επιτυχία οι ςκόνεσ χαλκοφ ςτα δοκίμια, πρζπει να απομακρυνκεί πλιρωσ το νερό που ζχει ειςχωριςει ςτουσ πόρουσ του αφροφ. Αν παραμείνει ζςτω και ελάχιςτθ ποςότθτα υγραςίασ, τα δοκίμια μπορεί να καταςτραφοφν κατά τθ κζρμανςθ τουσ, είτε το ςτάδιο δθμιουργίασ κενοφ να χρειαςτεί πολφ περιςςότερο χρόνο. Ραραμονι ςτο ξθραντιριο για διάςτθμα 30 λεπτϊν και κερμοκραςία γφρω ςτουσ 120 ο C, είναι αρκετι για απομακρφνει τθν υγραςία από τα δοκίμια. Τονίηεται ότι οι χειριςμοί των δοκιμίων κα πρζπει να είναι πολφ προςεκτικοί κατά τθν ειςαγωγι και εξαγωγι τουσ από το ξθραντιριο. Στθ ςυνζχεια μποροφμε να περάςουμε ςτο ςτάδιο τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ. 45

46 5.6 Πυροςυςςωμάτωςθ Θ πυροςυςςωμάτωςθ είναι το ςτάδιο κατά το οποίο οι μεταλλικζσ ςκόνεσ δθμιουργοφν μεταλλικοφσ δεςμοφσ μεταξφ τουσ, όταν εκτεκοφν ςε υψθλι κερμοκραςία, κάτω όμωσ του ςθμείου τιξθσ (για το χαλκό 1084 ο C). Ππωσ ειπϊκθκε και ςτο κεωρθτικό υπόβακρο, θ δθμιουργία κονιομεταλλουγικϊν αφρϊν με πυροςυςςωμάτωςθ είναι μια πολφ διαδεδομζνθ μζκοδοσ. Oι παράμετροι που ζχουν να κάνουν με τθν προκφπτουςα δομι και τισ μθχανικζσ ιδιότθτεσ κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ, είναι θ κερμοκραςία και θ διάρκεια τθσ κζρμανςθσ. Αφξθςθ των παραμζτρων ταυτόχρονα ι μεμονωμζνα, οδθγεί κεωρθτικά ςε ιςχυροποίθςθ των μεταλλικϊν δεςμϊν και ςυνεπϊσ αφξθςθ των μθχανικϊν ιδιοτιτων. Για τθν μελζτθ των διαφορϊν ςτθ μορφολογία και ςτισ ιδιότθτεσ, κα γίνει πυροςυςςωμάτωςθ των δοκιμίων ςε 4 διαφορετικζσ κερμοκραςίεσ. Συγκεκριμζνα πυροςυςςωμάτωςθ κα πραγματοποιθκεί ςτουσ 780, 840, 890 και 950 ο C. Θ διαδικαςία προετοιμαςίασ τθσ διάταξθσ του φοφρνου είναι όμοια για όλεσ τισ περιπτϊςεισ τελικισ κερμοκραςίασ. Αρχικά τα δοκίμια τοποκετοφνται προςεκτικά ςτον γυάλινο ςωλινα τθσ διάταξθσ, ο οποίοσ ςτθ ςυνζχεια ςυνδζεται με το ςφςτθμα ςωλθνϊςεων, με τθν αντλία κενοφ. Το πρϊτο βιμα είναι να επιτευχκεί πίεςθ Torr, ϊςτε ο χϊροσ να πλθρωκεί με αργό. O χρόνοσ που απαιτείται, εξαρτάται κυρίωσ από τισ δυνατότθτεσ τισ αντλίασ, και για τθν περίπτωςι μασ είναι περίπου λεπτά. Θ πίεςθ ςτο χϊρο που κα πραγματοποιθκεί θ κζρμανςθ (ςωλινασ κενοφ), παρακολουκείται ςυνεχϊσ, αναγραφόμενθ ψθφιακά ςε μετρθτικό όργανο τθσ αντλίασ. Μόλισ το εςωτερικό του ςωλινα φτάςει ςτθν ηθτοφμενθ πίεςθ που αναφζρκθκε παραπάνω, γίνονται οι πρϊτεσ πλθρϊςεισ με αργο. Το αργό απελευκερϊνεται ελεγχόμενα από τθ φιάλθ, και ο αρικμόσ των πλφςεων ςυνιςτάται να γίνει 3-5 φορζσ. Στθ ςυνζχεια, ο φοφρνοσ ρυκμίηεται ςε αφξθςθ κερμοκραςίασ, από αυτι του περιβάλλοντοσ ςτουσ 300 ο C. Πςο θ κερμοκραςία αυξάνεται, θ πίεςθ ςτο χϊρο παρατθρείται να αυξάνεται επίςθσ. Θ αφξθςθ αυτι είναι αναμενόμενθ κακϊσ υπολείμματα ηάχαρθσ που ζχουν παραμείνει ςτα δοκίμια αποςυντίκενται δθμιουργϊντασ αζρια. Αν τα δοκίμια κερμαίνονταν απευκείασ ςτθν τελικι κερμοκραςία, πικανότθτα κα καταςτρζφονταν από τθν απότομθ αφξθςθ πίεςθσ. Μόλισ θ κερμοκραςία ςτακεροποιθκεί, αναμζνουμε θ πίεςθ να πζςει και πάλι ςτα Torr, και θ κερμοκραςία ρυκμίηεται ςε αφξθςθ 50 ο C. H ςταδιακι αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ αφοφ θ πίεςθ πζφτει ςτα Torr, ςυνεχίηεται μζχρι τουσ 600 ο C. Με τθ κερμοκραςία ςτακεροποιθμζνθ ςτουσ 600 ο C, πραγματοποιοφνται μια ακόμθ ςειρά πλθρϊςεων του χϊρου με αργό. Από το ςθμείο αυτό και μετά, θ ατμόςφαιρα κεωρείται αδρανισ και ο φοφρνοσ ρυκμίηεται ςτθ ηθτοφμενθ τελικι κερμοκραςία. O κερμικόσ κφκλοσ που ακολουκείται παρουςιάηεται ςε διάγραμμα (Εικ.56). Μετά τθν παραμονι για 4 ϊρεσ ςτθν επικυμθτι κερμοκραςία, τα δοκίμια αφινονται να κρυϊςουν ςτο χϊρο κζρμανςθσ, και ςτθ ςυνζχεια αφαιροφνται από το ςωλινα. Τα δοκίμια είναι πλζον ζτοιμα, παρουςιάηοντασ ολοκλθρωμζνθ δομι μεταλλικοφ αφροφ, ενϊ οι περεταίρω χειριςμοί δεν είναι ανάγκθ να είναι προςεκτικοί κακϊσ ζχει αποκτθκεί μθχανικι αντοχι λόγω των μεταλλικϊν δεςμϊν μεταξφ των κόνεων. Κάτι ακόμα που παρατθρείται εκ πρϊτθσ όψεωσ ςτα δοκίμια είναι θ ςυρρίκνωςθ. Στο κεωρθτικό υπόβακρο αναφερκικαμε ςτθ ςυρρίκνωςθ των αφρϊν κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ, και ο λόγοσ που ςυμβαίνει είναι, ότι κατά τθ δθμιουργία των μεταλλικϊν δεςμϊν μεταξφ των κόνεων, εξαλείφονται τα προχπάρχοντα κενά. Συνεπϊσ όςθ υψθλότερθ ιταν θ κερμοκραςία τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ, τόςο μεγαλφτερθ ςυρρίκνωςθ και παραμόρφωςθ υπιρξε ςτα τελικά προϊόντα όπωσ και ιταν αναμενόμενο. Συνοπτικά, τα ςθμαντικά ςθμεία τθσ διαδικαςίασ πυροςυςςωμάτωςθσ είναι : 46

47 Θερμοκραςία. 1) Θ επίτευξθ κενοφ, το οποίο είναι χρονοβόρο και εξαρτάται από τισ δυνατότθτεσ τθσ αντλίασ. 2) Θ ςταδιακι κζρμανςθ των δοκιμίων, για τθν αποφυγι απότομθσ αφξθςθσ τθσ πίεςθσ. 3) Θ πλιρωςθ του χϊρου κζρμανςθσ με αργό, κατά τθν προετοιμαςία του φοφρνου, για τθν επίτευξθ φιλικισ προσ το μζταλλο ατμόςφαιρασ Ροετοιμαςία. Α Β Γ Δ Χρόνοσ min. Εικόνα 56 Θερμικόσ κφκλοσ τθσ διαδικαςίασ που ακολουκείται για τθν πυπορυςςωμάτωςθ του αφροφ χαλκοφ. Θ προετοιμαςία του χϊρου κζρμανςθσ είναι ίδια για όλεσ τισ τελικζσ κερμοκραςίεσ. Μετά τουσ 600 ο C, ο φοφρνοσ ρυκμίηεται απευκείασ ςτθν τελικι κερμοκραςία, Α (780 ο C), B (840 ο C), Γ (890 ο C), Δ (940 ο C). Φωτογραφίεσ ζτοιμων δοκιμίων αφροφ χαλκοφ, από διαφορετικζσ κερμοκραςίεσ πυροςυςςωμάτωςθσ, κοκκομετρίασ ςκόνθσ χαλκοφ και ηάχαρθσ, παρουςιάηονται παρακάτω (Εικ 57-60). 47

48 Eικόνα 57 Φωτογραφίεσ δοκιμίων αφροφ χαλκοφ 72% κεωρθτικοφ πορϊδουσ. Αριςτερά αφρόσ χαλκοφ για τον οποίο χρθςιμοποιικθκε θ ςκόνθ χαλκοφ χοντρισ κοκκομετρίασ, δεξιά αφρόσ χαλκοφ από ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ. Λόγω των ζντονων παραμορφϊςεων κατά τθ ςυμπίεςθ, θ εξωτερικι επιφάνεια παρουςιάηει λεία υφι. Αυτό διακρίνεται πιο ζντονα ςτα δοκίμια από λεπτι ςκόνθ. Εικόνα 58 Φωτογραφία των κάκετων όψεων των προθγοφμενων δοκιμίων. Στο αριςτερό δοκίμιο, ζχει χρθςιμοποιθκεί ηάχαρθ κοκκομετρίασ 0.7 mm, ενϊ ςτο δεξιά ηάχαρθ 0.35 mm. Θ διαφορά ςτο μζγεκοσ των πόρων διακρίνεται με γυμνό μάτι. 48

49 Eικόνα 59 Φωτογραφία δοκιμίου αφροφ χαλκοφ από ςτερεοςκόπιο, μεγζκυνςθ 6.3 Χ. Αριςτερά θ πλάγια όψθ, δεξιά θ κάκετθ. Το ςυγκεκριμζνο δοκίμο ζχει πυρος/τωκεί ςτουσ 950 ο C, από λεπτι ςκόνθ χαλκοφ και αφροποιθτι ηάχαρθ κοκκομετρίασ 0.7 mm. Το πορϊδεσ του δοκιμίου μετρικθκε 66%. Εικόνα 60 Φωτογραφίεσ του προθγοφμενου δοκιμίου από ςτερεοςκόπιο. Αριςτερά μεγζκυνςθ 16Χ, δεξιά μεγζκυνςθ 25Χ. 49

50 5.7 φνοψθ τθσ διαδικαςίασ παραγωγισ Θ μζκοδοσ παραγωγισ του αφροφ χαλκοφ με ηάχαρθ ωσ αφροποιθτι, μπορεί να παρουςιαςτεί ςχθματικά, με τα ςτάδια τθσ μεκόδου ςε ςειρά όπωσ ςτθν παρακάτω εικόνα. Μετά και το πζρασ τθσ τελευταίασ φάςθσ τα δοκίμια είναι ζτοιμα προσ μελζτθ και διερεφνθςθ των ιδιοτιτων. Ηφγιςμα των υλικϊν (χαλκόσ και ηάχαρθ, τθσ επιικυμθτισ κοκκομετρίασ) κατά το επικυμθτό κεωρθτικό πορϊδεσ, και ανάδευςθ αυτϊν ςε δοχείο. Συμπίεςθ του μίγματοσ υπό τθ βζλτιςτθ πίεςθ. Υδατοδιάλυςθ των δοκιμίων, με προςεκτικοφσ χειριςμοφσ πριν και μετά. Κατά το ςτάδιο αυτό απομακρφνεται ο αφροποιθτισ. Ξιρανςθ των δοκιμίων. Ρυροςυςςωμάτωςθ των δοκιμίων ςτθν επικυμθτι κερμοκραςία, με ςταδιακι αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ και πλθρϊςεισ αδρανοφσ αερίου ςτο χϊρο κζρμανςθσ. 5.8 Προετοιμαςία για οπτικό μικροςκόπιο Για τθν παρατιρθςθ τθσ μορφολογίασ και τθσ μικροδομισ του αφροφ χαλκοφ ςτο οπτικό μικροςκόπιο, απαιτείται μια ςυγκεκριμζνθ προετοιμαςία. Τα βιματα προετοιμαςίασ δεν διαφζρουν από τθν προετοιμαςία των ςυνθκιςμζνων μετάλλων όπωσ χάλυβεσ και αλουμίνια. Θ προετοιμαςία ξεκινάει με τθ λείανςθ των δοκιμίων ςτο λειαντικό τροχό. Λόγω τθσ μικρισ ςκλθρότθτασ του χαλκοφ ςε ςχζςθ με τα λειαντικά χαρτιά (καρβίδια του πυριτίου), θ λείανςθ ξεκινάει απευκείασ από τα χαρτιά με λεπτόκοκκα καρβίδια (800 ι 1000P). Το ςτάδιο τθσ λείανςθσ τελειϊνει όταν χρθςιμοποιθκεί και το τελευταίο και πιο λεπτόκοκκο χαρτί (1200P). Τα δοκίμια ςτθ ςυνζχεια ςτιλβϊνονται ςε διάλυμα αλοφμινασ με νερό. Στο ςθμείο αυτό κα πρζπει να αναφερκοφμε ςτισ δυςκολίεσ που υπιρξαν ςτθ ςτίλβωςθ. Θ χαμθλι ςκλθρότθτα του χαλκοφ αν και βοθκάει ϊςτε θ λείανςθ και θ ςτίλβωςθ να γίνουν γριγορα, κακιςτά τθν επιφάνεια των δοκιμίων επιρρεπι ςε ςωματίδια, τα οποία μπορεί να καταςτρζψουν τθν λεία ςτιλβωμζνθ επιφάνεια. Συγκεκριμζνα τα δοκίμια με χοντρι ςκόνθ χαλκοφ και τα δοκίμια τα οποία πυροςυςςωματϊκθκαν ςτισ χαμθλότερεσ κερμοκραςίεσ (720 και 770 ο C), ζχουν τθν χαμθλότερθ μθχανικι αντοχι, θ οποία κατά τθ ςτίλβωςθ προκαλεί αποκολλιςεισ μεγάλων ςωματιδίων χαλκοφ, τα οποία ςτθ ςυνζχεια καταςτρζφουν τθν ςτιλβωμζνθ επιφάνεια όταν ζρχονται ςε επαφι με αυτι. Για να αντιμετωπιςτεί το πρόβλθμα αυτό, θ επιφάνεια του τροχοφ ςτθν οποία πραγματοποιείται θ ςτίλβωςθ πρζπει να κακαρίηεται ςυνεχϊσ για να απομακρφνονται αυτά τα ςωματίδια. Θ διαδικαςία είναι λοιπόν πολφ χρονοβόρα 50

51 για τα δοκίμια με τθν χαμθλότερθ μθχανικι αντοχι, αλλά απαραίτθτθ για μπορζςουμε να τα παρακολουκιςουμε ςτο οπτικό μικροςκόπιο. Μετά τθν ςτίλβωςθ τα δοκίμια είναι ζτοιμα (Εικ.61) για παρακολοφκθςθ ςτο οπτικό μικροςκόπιο, και επιπλζον θ επιφάνεια μπορεί να διαβρωκεί χθμικά για τθν αποκάλυψθ μικροδομϊν. Εικόνα 61 Φωτογραφίεσ λειαςμζνων και ςτιλβωμζνων δοκιμίων. Αριςτερά ap;o λεπτι ςκόνθ χαλκοφ, δεξιά χοντρι ςκόνθ χαλκοφ. Για τθν χθμικι προςβολι του χαλκοφ χρθςιμοποιοφμε διάλυμα νιτρικοφ οξζωσ διαλυμζνο κατά 10% ςε νερό, με παραμονι 3 λεπτϊν ςτθν επιφάνεια των δοκιμίων. Θ χθμικι προςβολι ενδζχεται να αποκαλφψει μικροδομζσ και κόκκουσ, ςε περίπτωςθ που είναι αρκετά μεγάλα για να παρατθρθκοφν ςτο οπτικό μικροςκόπιο. 5.9 Προετοιμαςία για μελζτθ τθσ μορφολογίασ των πόρων Θ μακροςκοπικι μελζτθ τθσ μορφολογίασ των πόρων, πραγματοποιείται με τθ χριςθ λογιςμικοφ ςε Υ/Θ, και ςυγκεκριμζνα μζςω τθσ ελεφκερθσ εφαρμογισ image J. Μζςω του image j δίνεται θ δυνατότθτα να προςομοιωκοφν οι πόροι με βάςθ διάφορα μοντζλα (κφκλοι, ελλείψεισ κ.τ.λ.), ειςάγοντασ προθγουμζνωσ φωτογραφία τθσ επιφάνειασ του αφροφ χαλκοφ. Απαραίτθτα όμωσ, πρζπει θ επιφάνεια των τοιχωμάτων να ζχει ζντονθ αντίκεςθ από τθν επιφάνεια των πόρων, ϊςτε τα αποτελζςματα που εξάγονται από το λογιςμικό να είναι ςωςτά. Αφοφ οι πόροι πλθρωκοφν με μπογιά ςκοφρου χρϊματοσ, τα δοκίμια λειαίνονται, και είναι ζτοιμα προσ φωτογράφθςθ (Εικ. 62). Εικόνα 62 Δοκίμια προσ μελζτθ μορφολογίασ των πόρων. Αριςτερά από 0.35 mm ηάχαρθ, δεξιά 0.7 mm. 51

52 Πορϊδεσ μετά τθν πυροςυςςωμάτωςθ ςε % επί του όγκου 6 Αποτελζςματα 6.1 Πορϊδεσ αφρϊν To κεωρθτικό πορϊδεσ των αφρϊν χαλκοφ, είναι πάντα ίςο με τθν αναλογία τθσ ηάχαρθσ ςτο αρχικό μίγμα (ςυμπίεςμα), λόγω τθσ υπόκεςθσ ότι θ ηάχαρθ είναι ομοιόμορφα κατανεμθμζνθ ςτο ςυμπίεςμα και ςτθ ςυνζχεια διαλφεται εντελϊσ. Τα παραγόμενα δοκίμια αφροφ χαλκοφ, μετρικθκαν ωσ προσ τισ διαςτάςεισ τουσ και το βάροσ τουσ, για τον υπολογιςμό του πραγματικοφ τουσ πορϊδουσ. Το μετρθμζνο πορϊδεσ των δοκιμίων, παρουςιάηεται κάκε φορά μειωμζνο ςχετικά με το κεωρθτικό πορϊδεσ. Συγκεκριμζνα παρατθρείται μια διαφορά τθσ τάξθσ του 7 % για αφροφσ από λεπτι ςκόνθ χαλκοφ, και 2-3 % για χοντρι ςκόνθ (μζςοσ όροσ των δοκιμίων). Τα αποτελζςματα παρουςιάηονται γραφικά ςτο παρακάτω διάγραμμα (Eικ.63) κεωρθτικό πορϊδεσ δοκίμια λεπτισ ςκόνθσ, πραγματικό πορϊδεσ δοκίμια χοντρισ ςκόνθσ, πραγματικό πορϊδεσ 40 0,7 0,72 0,74 0,76 0,78 0,8 0,82 Αναλογία ηάχαρθσ ςτο μίγμα Εικόνα 63: Διάγραμμα του κεωρθτικοφ και του μετρθμζνου πορϊδουσ των δοκιμίων αφροφ χαλκοφ, για τουσ δφο διαφορετικοφσ τφπουσ κόνεων. Θ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ για τα μετροφμενα δοκίμια είναι 890 ο C. H λεπτι ςκόνθ χαλκοφ δθμιουργεί αποκλίςεισ τθσ τάξθσ του 7%, ενϊ θ χοντρι 2-3%. Θ απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ, οφείλεται ςτθν εξάλειψθ κενϊν μεταξφ των κόνεων και τθ ςυρρίκνωςθ κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ. Το κεωρθτικό πορϊδεσ υπολογίηεται βάςθ των πυκνοτιτων τθσ ηάχαρθσ και του χαλκοφ κατά όγκο, υποκζτοντασ τθν ομοιομορφία τθσ ηάχαρθσ ςτο ςυμπίεςμα και τθν μθ φπαρξθ κενϊν. Στθν πραγματικότθτα όμωσ, ςε ζνα μίγμα κόνεων, πάντα υπάρχουν κενά. Ππωσ αναφζρκθκε και ςτο κεωρθτικό υπόβακρο, ακόμα και χωρίσ τθ χριςθ αφροποιθτι θ πυροςυςςωμάτωςθ κόνεων δθμιουργεί ζνα χαμθλισ τάξεωσ πορϊδεσ. Θ φπαρξθ κενϊν ςτο ςυμπίεςμα μπορεί να μετρθκεί για τα δοκίμια χαλκοφ, και τα αποτελζςματα ςυνοψίηονται ςτο παρακάτω διάγραμμα (Εικ.64). Τα κενά αυτά εξαλείφονται μζχρι κάποιο βακμό κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ, λόγω τθσ δθμιουργίασ μεταλλικϊν δεςμϊν μεταξφ των 52

53 Κατ'όγκο ςυρρίκνωςθ δοκιμίων Πορϊδεσ ςυμπιζςματοσ (preform) κόνεων. Θ ςυρρίκνωςθ και θ παραμόρφωςθ που ςυμβαίνει ςυνολικά ςτο δοκίμιο, ςυμβαίνει και ςτουσ πόρουσ. Ο όγκοσ δθλαδι που είχε προθγουμζνωσ δθμιουργθκεί από τον αφροποιθτι, υφίςταται ςυρρίκνωςθ, δθμιουργϊντασ αρνθτικι απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ. Θ ςυρρίκνωςθ εξαρτάται φυςικά από τθ κερμοκραςία τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ (Εικ.65). 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 λεπτθ ςκόνθ 0,06 χοντρι ςκόνθ 0,04 0,02 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 Αναλογία χαλκοφ ςτο ςυμπίεςμα Εικόνα 64 Διάγραμμα του πορϊδουσ των ςυμπιεςμάτων (preform), για τουσ δφο διαφορετικοφσ τφπουσ ςκόνθσ, ςυναρτιςει τθσ αναλογίασ του χαλκοφ. Θ μεγαλφτερθσ κοκκομετρίασ ςκόνθ οδθγεί ςε μεγαλφτερα κενά. Τα δοκίμια λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ ςυμπιζςτθκαν ςτα 210 MPa, ενϊ τα δοκίμια χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ ςτα 225 MPa. 0,35 0,3 0,33 0,25 0,2 0,15 0,19 0,21 0,25 0,1 0, Θερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ Εικόνα 65 Διάγραμμα τθσ ςυρρίκνωςθσ των δοκιμίων, ςυναρτιςει τθσ κερμοκραςίασ. Τα δεδομζνα προζρχονται από δοκίμια καταςκευαςμζνα με λεπτι ςκόνθ χαλκοφ και 72% κεωρθτικό πορϊδεσ. Τα μζχρι ςτιγμισ αποτελζςματα, προζρχονται από μακροςκοπικι εξζταςθ των δοκιμίων. Ραρατιρθςθ των δοκιμίων ςτο οπτικό μικροςκόπιο, επιβεβαιϊνει τα αποτελζςματα. Τα 53

54 τοιχϊματα (bulk), του αφροφ παρουςιάηουν μεγαλφτερα κενά όςο θ κερμοκραςία πυρος/τωςθσ ελαττϊνεται ( για τον ίδιο πάντα τφπο ςκόνθσ) (Εικ.66,67). Θ απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ είναι επίςθσ μικρότερθ. Για τα δοκίμια που καταςκευάςτθκαν με χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ τα κενά είναι αυξθμζνα, και ορατά ακόμα και ςε χαμθλζσ μεγεκφνςεισ, (ςυγκρινόμενα με αυτά τθσ λεπτισ ςκόνθσ ςτθν ίδια κερμοκραςία) (Εικ ). Οι φωτογραφίεσ από το οπτικό μικροςκόπιο παρουςιάηονται παρακάτω. Eικόνα 66 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 500Χ,μετά από χθμικι προςβολι, από δοκίμιο αφροφ χαλκοφ πυροςυ/τωμζνου ςτουσ 780 ο C, από ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ. Το μετρθμζνο πορϊδεσ του δοκιμίου είναι 69%. Ραίρνοντασ ςε αυτζσ τισ υψθλζσ μεγεκφνςεισ είναι πλζον ευδιάκριτα τα μεγαλφτερα κενά που αφινει θ χαμθλότερθ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ (780 ο C), ςε ςχζςθ με κάτω (Εικ.67, 890 ο C). Το κεωρθτικό πορϊδεσ των δφο δοκιμίων είναι 72%. Εικόνα 67 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 500Χ, μετά από χθμικι προςβολι, από δοκίμιο αφροφ χαλκοφ, πυροςυ/τωμζνου ςτουσ 890 ο C, από λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ. Το μετρθμζνο πορϊδεσ του δοκιμίου είναι 66%. Τα κενά ςτα τοιχϊματα του αφροφ παρουςιάηονται μειωμζνα ςε ςχζςθ με πάνω (Εικ.66, 780 ο C), λόγω τθσ υψθλότερθσ κερμοκραςίασ πυρος/τωςθσ. 54

55 Eικόνα 68 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 100Χ, δοκιμίου αφροφ χαλκοφ πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C, από ςκόνθ χοντρισ κοκκομετρίασ. Το μετρθμζνο πορϊδεσ του δοκιμίου είναι 70%, πολφ κοντά ςτο κεωρθτικό 72%. Τα κενά ςτα τοιχϊματα, είναι ευδιάκριτα ακόμα και ςε αυτι τθ χαμθλι μεγζκυνςθ, ςυγκρινόμενα με τθν κάτω εικόνα (Εικ.69, ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ, 950 ο C). Εικόνα 69 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 100Χ, δοκιμίου αφροφ χαλκοφ πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C, από ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ. Το μετρθμζνο πορϊδεσ του δοκιμίου είναι 65.5%. H δομι των τοιχωμάτων παρουςιάηεται περιςςότερο ςυμπαγισ, με λιγότερα κενά ςε ςχζςθ με τθν πάνω εικόνα (Εικ.68, ςκόνθ χοντρισ κοκκομετρίασ, 950 ο C). 55

56 Eικόνα 70 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 500Χ, αφροφ χαλκοφ πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C, από ςκόνθ χοντρισ κοκκομετρίασ, με κεωρθτικό πορϊδεσ 72%. Τα μεγάλα κενά που παρατθροφνται ςτθ δομι των τοιχωμάτων, υποδθλϊνουν το τρόπο με τον οποίο πυρος/τϊκθκαν οι κόνεσ του χαλκοφ (με κόκκινο χρϊμα οι πικανζσ κζςεισ των κόνεων πριν τθ κζρμανςθ). Τζλοσ κα πρζπει να αναφερκοφμε ςτθν ανομοιομορφία τθσ ςυρρίκνωςθσ, θ οποία δεν είναι ίδια για όλεσ τισ περιοχζσ του αφροφ χαλκοφ. Στα δοκίμια φτιαγμζνα από λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, θ ανομοιομορφία τθσ ςυρρίκνωςθσ είναι ορατι με γυμνό μάτι (Εικ.71 ). Αυτό ςυμβαίνει λόγω τθσ πλαςτικισ παραμόρφωςθσ κατά τθν ιςτοαξονικι ςυμπίεςθ ςτθν οποία υποβλικθκαν οι κόνεσ. Θ κατανομι των τάςεων ςε αυτι τθν περίπτωςθ φόρτιςθσ, δεν είναι ομοιόμορφθ, με αποτζλεςμα και ο βακμόσ ανακρυςτάλλωςθσ κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ να διαφοροποιείται ςτον όγκο του αφροφ. Οι περιοχζσ λοιπόν με τθ μεγαλφτερθ παραμόρφωςθ κατά τθ ςυμπίεςθ, παρουςιάηουν μεγαλφτερθ ςυρρίκνωςθ. Σφμφωνα με τα αποτελζςματα λοιπόν, θ απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ, εξαρτάται από τθ ςυρρίκνωςθ των κενϊν. Οι παράμετροι τθσ μεκόδου που επθρεάηουν τθν απόκλιςθ αυτι ςφμφωνα με τα παραπάνω, είναι : 1) Θ κοκκομετρία τθσ ςκόνθσ χαλκοφ που χρθςιμοποιείται. Πςο μεγαλφτερθ είναι θ κοκκομετρία των κόνεων, τόςο μεγαλφτερα κενά προχπάρχουν ςτο ςυμπίεςμα. Συνεπϊσ, θ μικρότερθ απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ, είναι αναμενόμενθ ςτα δοκίμια με χοντρι ςκόνθ. 2) Θ κερμοκραςία τθσ πυροςυςςωμάτωςθσ. Αφξθςθ τθσ κερμοκραςίασ πυροςυςςωμάτωςθσ, δθμιουργεί εντονότερθ ςυρρίκνωςθ ςτον αφρό χαλκοφ. Συνεπϊσ θ απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ, είναι ανάλογθ τθσ κερμοκραςίασ. 56

57 Εικόνα 71 Φωτογραφίεσ δοκιμίων αφροφ χαλκοφ πυρος/τωμζνων ςτουσ 890 ο C, με 72% κεωρθτικό πορϊδεσ. Αριςτερά δοκίμιο καταςκευαςμζνο από λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, το μζςο του δοκιμίου παρουςιάηει μεγαλφτερθ ςυρρίκνωςθ από τα άκρα. Δεξιά, δοκίμιο καταςκευαςμζνο από χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ, λόγω τθσ πολφ μικρότερθσ ςυρρίκνωςθσ από το προθγοφμενο, δεν παρατθροφνται ανομοιομορφίεσ. 57

58 6.2 Mορφολογία των αφρϊν χαλκοφ Για τθ μελζτθ τθσ μορφολογίασ των αφρϊν χαλκοφ, δθλαδι τθ μελζτθ του μεγζκουσ και του ςχιματοσ των πόρων, γίνεται χριςθ του λογιςμικοφ image J. Θ ςυγκεκριμζνθ θλεκτρονικι εφαρμογι, εξάγει δεδομζνα ςχετικά με το μζγεκοσ, τθν κυκλικότθτα, και το πλικοσ των πόρων, χρθςιμοποιϊντασ υπολογιςτικά μοντζλα. Το image J επίςθσ, μπορεί να προςομοιϊςει τουσ πόρουσ βάςει ελλείψεων. Για τθν εξαγωγι των αποτελεςμάτων οι εικόνεσ πρζπει να είναι δυο χρωμάτων. Θ διαδικαςία που ακολουκείται περιγράφεται ςτθν παρακάτω ςειρά εικόνων (Εικ.72), για δοκίμιο λεπτισ ςκόνθσ χαλκοφ και 0.7 mm κόκκουσ ηάχαρθσ (72% κεωρθτικό πορϊδεσ). Ειςάγοντασ τθν αςπρόμαυρθ εικόνα, ςτο image j, μζςω του αλγόρικμου watershed, προςομοιϊνονται οι πόροι. Eικόνα 72 Ρροςομοίωςθ πόρων δοκιμίου λεπτισ ςκόνθσ χαλκοφ και ηάχαρθσ 0.7mm κοκκομετρίασ, ςτουσ 890 ο C (72% κεωρθτικό πορϊδεσ). Ράνω αριςτερά φωτογραφία του δοκιμίου, δεξιά θ ίδια εικόνα μετά τθν εφαρμογι threshold. Κάτω αριςτερά εφαρμογι του αλγορίκμου watershed, δεξιά προςομοίωςθ των πόρων. 58

59 Θ προςομοίωςθ των πόρων ακολουκικθκε με παρόμοιο τρόπο (Εικ.73) για δοκίμιο λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, αλλά 0.35 mm κοκκομετρίασ ηάχαρθσ ( επίςθσ 72% κεωρθτικό πορϊδεσ). Εικόνα 73 Ρροςομοίωςθ (Image J) πόρων δοκιμίου λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ και 0.35 mm κόκκων ηάχαρθσ, ςτουσ 890 ο C, (72% κεωρθτικό πορϊδεσ). Οι μικρότεροι πόροι είναι ευδιάκριτοι ςε ςχζςθ με το δοκίμιο που χρθςιμοποιικθκε 0.7 mm κοκκομετρία ηάχαρθσ (Εικ.69). Θ προςομοίωςθ με τον αλγόρικμο watershed, δείχνει ότι το ςυνολικό πορϊδεσ αποτελείται όχι μόνο από τουσ κυρίωσ πόρουσ, και από μικροπόρουσ ςτα τοιχϊματα. Εκτόσ από τισ φωτογραφίεσ εξάγονται και υπολογιςτικά δεδομζνα από το image j, βάςθ των οποίων καταςκευάηονται τα παρακάτω ιςτογράμματα (Eικ.74), για τθν ποςοτικι ςφγκριςθ των διαφορϊν ςτθ μορφολογία. Συγκεκριμζνα, για τα δοκίμια που παραςκευάςτθκαν με αφροποιθτι κοκκομετρίασ 0.7 mm, θ μζςθ επιφάνεια των πόρων είναι Στα δοκίμια αφροποιθτι 0.35 mm, θ μζςθ επιφάνεια προκφπτει Οι πόροι δθλαδι που δθμιουργικθκαν από τον αφροποιθτι 0.7 mm, παρουςιάηονται ςαφϊσ μεγαλφτεροι από τα δοκίμια αφροποιθτι λεπτισ ηάχαρθσ. Οι αποκλίςεισ από τισ τισ κεωρθτικζσ τιμζσ των επιφανειϊν του αφροποιθτι, οφείλονται φυςικά 59

60 frequency % frequency % frequency % ςτθ ςυρρίκνωςθ και είναι αναμενόμενεσ. H μζςθ κυκλικότθτα των πόρων υπολογίςτθκε ςτα ίδια επίπεδα, και αντίςτοιχα. 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Κλάςεισ (mm 2 ) Κλάςεισ 1 0,5 0,8 0,6 0,4 0, frequency % 0,4 0,3 0,2 0, Κλάςεισ (mm 2 ) Κλάςεισ Εικόνα 74 Ιςτογράμματα εμβαδοφ ςε (αριςτερά) και κυκλικότθτασ των πόρων (δεξιά). Ράνω για δοκίμια λεπτισ ςκόνθσ χαλκοφ και αφροποιθτι μζςθσ διαμζτρου 0.7 mm. Κάτω, αντίςτοιχα για αφροποιθτι 0.35 mm. Το κεωρθτικό πορϊδεσ των δφο δοκιμίων είναι 72%. H γεωμετρία των πόρων, μπορεί επίςθσ να προςομοιωκεί αποτελεςματικά με ελλείψεισ (Εικ.75). Τα αρικμθτικά ςτοιχεία που λαμβάνονται, περιγράφουν τθν γεωμετρία των ελλείψεων, δθλαδι των πόρων. Oι ελλείψεισ προςομοιϊνονται βάςει των αξόνων minor και major, δθλαδι τθ μικρι και τθ μεγάλθ διάμετρο των ελλείψεων αντίςτοιχα. Τα αποτελζςματα ςυνοψίηονται ςτα παρακάτω ιςτογράμματα (Εικ.76). Ο λόγοσ των αξόνων minor/major, δθλϊνει τθν κυκλικότθτα των ελλείψεων, και όπωσ είναι αναμενόμενο ακολουκεί τθ μορφι του προθγοφμενου ιςτογράμματοσ (circularity). Το μζςο μζγεκοσ των ελλείψεων, περιγράφεται ςτο ιςτόγραμμα average minor+major. Οι πόροι αφροποιθτι 0.7 mm, παρουςιάηουν ζνα μζςο μζγεκοσ 0.51 mm, ενϊ οι πόροι αφροποιθτι 0.35 mm, ζχουν μζςο μζγεκοσ 0,319 mm. Οι πόροι λοιπόν ακολουκοφν τισ διαςτάςεισ του αφροποιθτι, και λαμβάνοντασ υπόψθ τθ ςυρρίκνωςθ μποροφν να καταςκευαςτοφν αφροί χαλκοφ τθσ επικυμθτισ μορφολογίασ. Θ κατανομζσ των ιςτογραμμάτων, δείχνουν επίςθσ ότι υπάρχει πολφ ικανοποιθτικι ομοιομορφία ςτθν κατανομι και το μζγεκοσ των πόρων. Απόλυτθ ομοιομορφία, όπωσ π.χ. ςε αφροφσ χαλκοφ θλεκτροχθμικϊν μεκόδων, είναι αδφνατο να επιτευχκεί με κονιομεταλλουργικζσ μεκόδουσ. 60

61 frequency % frequency % frequency % frequency % Eικόνα 75 Ρροςομοίωςθ των πόρων δοκιμίων αφροφ χαλκοφ με ελλείψεισ. Αριςτερά δοκίμιο από αφροποιθτι 0.7 mm και λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, αριςτερά από αφροποιθτι 0.35 mm. Το κεωρθτικό πορϊδεσ των δοκιμίων είναι 72%. 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, ,35 0,3 0,25 0,2 0,15 0,1 0, Κλάςεισ Κλάςεισ (mm) 0,4 0,3 0,2 0, ,5 0,4 0,3 0,2 0, Κλάςεισ Κλάςεισ (mm) Εικόνα 76 Ιςτογράμματα του λόγου (αριςτερά) και του ακροίςματοσ των αξόνων, minor, major, των πόρων (δεξιά). Ράνω για δοκίμιο αφροφ χαλκοφ λεπτισ ςκόνθσ χαλκοφ και αφροποιθτι 0.7 mm. Κάτω για αφροποιθτι 0.35 mm. Το κεωρθτικό πορϊδεσ των δοκιμίων είναι 72%. H ςυρρίκνωςθ όπωσ αναφζρκθκε και ςτθν παράγραφο 6.1, επιδρά ςθμαντικά ςτισ τελικζσ διαςτάςεισ του αφροφ, και εκτόσ από τθ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ, αποδείχκθκε ότι 61

62 frequency % frequency % εξαρτάται και από τθν κοκκομετρία τθσ ςκόνθσ χαλκοφ. Για τθ μελζτθ τθσ επίδραςθσ τθσ κοκκομετρίασ ςτθ μορφολογία των πόρων, θ διαδικαςία ανάλυςθσ μζςω image J, επαναλαμβάνεται με όμοιο τρόπο. Χρθςιμοποιϊντασ λοιπόν χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ και αφροποιθτι κοκκομετρίασ 0.7 mm (κεωρθτικό πορϊδεσ επίςθσ 72%), τα αποτελζςματα ςυνοψίηονται ςτισ παρακάτω εικόνεσ και ιςτογράμματα (Εικ.77,78). Εικόνα 77 Ρροςομοίωςθ των πόρων δοκιμίου, χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ χαλκοφ και αφροποιθτι διαςτάςεων 0.7 mm (72% κεωρθτικό πορϊδεσ). Αριςτερά θ αρχικι εικόνα, δεξιά προςομοίωςθ των πόρων από το image j. 0,8 0,4 0,6 0,4 0, ,3 0,2 0, Kλάςεισ (mm 2 ) Κλάςεισ Εικόνα 78 Ιςτογράμματα επιφάνειασ (ςε ) και κυκλικότθτασ των πόρων (δεξιά), για δοκίμιο χοντρισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, αφροποιθτι 0.7 mm και κεωρθτικό πορϊδεσ 72%. Το μζςο εμβαδό των πόρων προκφπτει 0.237, μεγαλφτερο ζναντι του 0.20 πόρων για τθ λεπτι κοκκομετρία χαλκοφ. Υπενκυμίηεται ότι τα δοκίμια που καταςκευάςτθκαν από χοντρι ςκόνθ χαλκοφ, παρουςίαςαν μικρότερθ αρνθτικι απόκλιςθ από το κεωρθτικό πορϊδεσ. Θ κυκλικότθτα παρουςιάηεται ελαφρϊσ μειωμζνθ (μζςθ τιμι 0.699) ςε ςχζςθ με τα δοκίμια λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ. Ρροςομοιϊνοντασ τθν γεωμετρία των πόρων με ελλείψεισ, όπωσ ακριβϊσ ζγινε δθλαδι και ςτα προθγοφμενα δοκίμια, λαμβάνονται τα παρακάτω αποτελζςματα (Εικ.79, 80). 62

63 frequency % frequency % Εικόνα 79 Αριςτερά προςομοίωςθ των πόρων με ελλείψεισ, από δοκίμιο χοντρισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, αφροποιθτι 0.7 mm, και κεωρθτικό πορϊδεσ 72%. Δεξιά ο αλγόρικμοσ watershed, βάςθ του οποίου γίνεται θ προςομοίωςθ. Στθ δεξιά εικόνα, παρατθροφνται περιοχζσ με μεγάλα κενά τα οποία ο αλγόρικμοσ watershed, προςομοίωςε με πόρουσ. 0,4 0,3 0,2 0, ,4 0,3 0,2 0, Κλάςεισ Κλάςεισ (mm) Εικόνα 80 Ιςτογράμματα του λόγου (αριςτερά) και του ακροίςματοσ των αξόνων minor, major (δεξιά), των πόρων, δοκιμίου χοντρισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, αφροποιθτι 0.7 mm και κεωρθτικοφ πορϊδουσ 72%. Από τα ιςτογράμματα (Εικ.80) προκφπτει μια μζςθ τιμι mm, για το άκροιςμα των αξόνων minor, major, το μζγεκοσ δθλαδι των πόρων, το οποίο είναι μεγαλφτερο ςε ςφγκριςθ με τθσ λεπτισ κοκκομετρίασ δοκίμιο. Θ χοντρι κοκκομετρία ςυνεπϊσ ακολουκεί καλφτερα τισ διαςτάςεισ του αφροποιθτι, λόγω τθσ μικρότερθσ ςυρρίκνωςθσ. Κάτι το οποίο όμωσ δεν κα πρζπει να παραλείψουμε είναι θ ομοιομορφία τθσ πορϊδουσ δομισ. Θ λεπτι κοκκομετρία χαλκοφ, μπορεί να παρουςιάηει μεγαλφτερθ ςυρρίκνωςθ των πόρων αλλά, ζχει καλφτερθ ομοιομορφία, με μικρότερθ διαςπορά των μορφολογικϊν μεγεκϊν (διαςτάςεισ και επιφάνεια των πόρων), ςε ςχζςθ με τθσ χοντρισ κοκκομετρίασ αφροφσ χαλκοφ. Το γεγονόσ αυτό διακρίνεται εφκολα και ςτισ εικόνεσ όπου γίνεται θ προςομοίωςθ των πόρων (Εικ.72, 73,77) αλλά και ςτα ιςτογράμματα. To δοκίμιο λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ και αφροποιθτι 0.7 mm, παρουςίαςε μεταβλθτότθτα ωσ προσ το εμβαδό των πόρων, ενϊ το δοκίμιο χοντρισ κοκκομετρίασ χαλκοφ, παρουςίαςε μεταβλθτότθτα 0.103, ςχεδόν διπλάςια δθλαδι. Τζλοσ το δοκίμιο λεπτισ 63

64 κοκκομετρίασ και αφροποιθτι 0.35 mm, παρουςίαςε μεταβλθτότθτα εμβαδοφ πόρων , πολφ χαμθλότερθ δθλαδι από τα προθγοφμενα δοκίμια, αποδεικνφοντασ ότι ζχει τθν καλφτερθ ομοιομορφία και κατανομι. 6.3 Μικροδομι των αφρϊν H παρατιρθςθ τθσ μικροδομισ των αφρϊν χαλκοφ ζγινε ςτο οπτικό μικροςκόπιο. Φωτογραφίεσ από το οπτικό μικροςκόπιο παρουςιαςτικαν και ςτθν παράγραφο 6.1, για τθν παρατιρθςθ των κενϊν ςτα τοιχϊματα του αφροφ, όπου και εξθγικθκε θ εξάρτθςι τουσ από τθν κερμοκραςία. Για τθν αποκάλυψθ τθσ μικροδομισ ςε μεταλλικά υλικά, ςυνικωσ είναι απαραίτθτθ θ χθμικι προςβολι τθσ επιφάνειάσ τουσ, για τθν αποκάλυψθ των κόκκων. Στον αφρό χαλκοφ θ χθμικι προςβολι ζγινε ςε διάλυμα νιτρικοφ οξζωσ ςε νερό, με περιεκτικότθτα 10%. Οι διαφορζσ ςτθ δομι, πριν και μετά τθ χθμικι προςβολι είναι ευδιάκριτεσ (Εικ.81,82). Τα προχπάρχοντα κενά μεγαλϊνουν ακόμα περιςςότερο, ενϊ θ λεία παραμορφωμζνθ επιφανειακι ςτοιβάδα αποχωρεί λόγω τθσ διάβρωςθσ. Εικόνα 81 Φωτογραφία οπτικοφ μικροςκοπίου 100Χ, χωρίσ να προθγθκεί χθμικι προςβολι, δοκιμίου αφροφ χαλκοφ, πυρος/ςωματωμζνου ςτουσ 950 ο C, από ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ. Εικόνα 82 Φωτογραφία οπτικοφ μικροςκοπίου 100Χ, χωρίσ να προθγθκεί χθμικι προςβολι, δοκιμίου αφροφ χαλκοφ, πυρος/ςωματωμζνου ςτουσ 950 ο C, από ςκόνθ λεπτισ κοκκομετρίασ. 64

65 Στα δοκίμια τα οποία πυροςυςςωματϊκθκαν από ςκόνθ χαλκοφ λεπτισ κοκκομετρίασ, το μζγεκοσ των κόκκων, αυξάνεται ςε αναλογία με τθ κερμοκραςία πυροςυςςωμάτωςθσ. Αυτό ςυμβαίνει, γιατί θ εντονότερθ ανακρυςτάλλωςθ των προχπαρχόντων κόκκων, μεγεκφνει τθ μικροδομι, επιτρζποντασ ευκολότερθ παρατιρθςθ ςτο οπτικό μικροςκόπιο. Συγκεκριμζνα, ςτα δοκίμια τα οποία πυροςυςςωματϊκθκαν ςτουσ 780 και 840 ο C, θ μικροδομι δεν διακρίνεται, πθγαίνοντασ ακόμα και ςτθν υψθλότερθ μεγζκυνςθ (1000Χ) (Εικ.83). Στο δοκίμο των 890 ο C, παρουςιάηεται μια χαμθλισ ευκρίνειασ πρϊτθ εικόνα τθσ λεπτόκοκκθσ μικροδομισ (Εικ.83), ενϊ ςτουσ 950 ο C (Εικ.83,84), διακρίνονται οι κόκκοι, τθσ πυκνισ λεπτόκοκκθσ μικροδομισ. Συνεπϊσ θ λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, κα μποροφςε να χαρακτθριςτεί ιδιαίτερα λεπτόκοκκθ, αφοφ απαιτείται μεγάλθ ανακρυςτάλλωςθ για να εμφανιςτεί ςτο οπτικό μικροςκόπιο. Ακολουκεί θ παρουςίαςθ των αποτελεςμάτων, ςε μορφι εικόνων από το οπτικό μικροςκόπιο για τα δοκίμια λεπτισ κοκκομετρίασ ςκόνθσ χαλκοφ και κεωρθτικοφ πορϊδουσ 72%. Εικόνα 83 Φωτογραφίεσ οπτικοφ μικροςκοπίου 1000Χ, από δοκίμια λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ με κεωρθτικό πορϊδεσ 72%, πυροςυςςωματωμζνα ςε διαφορετικζσ κερμοκραςίεσ. Ράνω αριςτερά, 780 ο C, δεξιά 840 ο C. Κάτω αριςτερά, 890 ο C, δεξιά 950 ο C. Στο δοκίμιο που πυροςυςςωματϊκθκε ςτουσ 950 ο C, διακρίνεται λεπτόκκοκθ μικροδομι. Το κεωρθτικό πορϊδεσ των δοκιμίων είναι 72%. Το πραγματικό πορϊδεσ μετρικθκε 69, 67.6, 66.1 και 65.6 % αντίςτοιχα. 65

66 Εικόνα 84 Φωτογραφία οπτικοφ μικροςκοπίου 1000Χ, με χριςθ πολωτι, από δοκίμιο λεπτισ κοκκομετρίασ χαλκοφ πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C. Tα δοκίμια καταςκευαςμζνα από τθν χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ χαλκοφ, αποδείχκθκε πωσ είχαν πολφ μεγαλφτερθσ κοκκομετρίασ μικροδομι, ορατι και από χαμθλζσ μεγεκφνςεισ. Συγκεκριμζνα, ςε δοκίμιο πυροςυςςωματωμζνο από χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ, ςτουσ 950 ο C, οι κρυςταλλικοί κόκκοι είναι ευδιάκριτοι με μεγάλθ ευκολία, μετά από τθ χθμικι προςβολι με διάλυμα νιτρικοφ οξζωσ (Εικ.85,86). Εικόνα 85 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 500Χ, μετά από χθμικι προςβολι, αφροφ χαλκοφ, από χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ, πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C. Εκτόσ από τα μεγάλα κενά ςτθ δομι, διακρίνονται και οι κρυςταλλικοί κόκκοι τθσ μικροδομισ. Το κεωρθτικό πορϊδεσ του δοκιμίου είναι 72%. 66

67 Εικόνα 86 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 1000Χ, μετά από χθμικι προςβολι, αφροφ χαλκοφ, από χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ, πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C, με κεωρθτικό πορϊδεσ 72%. Τα κενά που παρεμβάλλονται ανάμεςα ςτουσ κρυςταλλικοφσ κόκκουσ, δθλϊνουν τθν ζντονθ ανακρυςτάλλωςθ που ςυμβαίνει κατά τθν πυροςυςςωμάτωςθ. Με προςεκτικι παρατιρθςθ των εικόνων 85 και 86, οι κόκκοι τθσ μικροδομισ φαίνεται να παρουςιάηουν διδυμίεσ (βλζπε επιςιμανςθ με βζλοσ και κφκλο). Λόγω τθσ ζντονθσ παραμόρφωςθσ των δοκιμίων κατά τθν ςυμπίεςθ, οι κόκκοι παραμορφϊνονται, με τα όρια των γειτονικϊν κόκκων να είναι ςυμμετρικά ωσ προσ κάποιο επίπεδο (Εικ 87). Το φαινόμενο τθσ παραμόρφωςθσ των κόκκων ςε διδυμίεσ είναι ςυνθκιςμζνο ςε μεταλλικά υλικά όπωσ ο χαλκόσ. Eικόνα 87 Φωτογραφία από οπτικό μικροςκόπιο 500Χ, μετά από χθμικι προςβολι, αφροφ χαλκοφ, από χοντρισ κοκκομετρίασ ςκόνθ, πυρος/τωμζνου ςτουσ 950 ο C. Διδυμίεσ των κόκκων λόγω παραμόρφωςθσ, διακρίνονται ξεκάκαρα από τθ μεγζκυνςθ 500Χ και πάνω. Στθ δεξιά εικόνα παρουςιάηεται μεγενκυμζνθ περιοχι όπου διακρίνονται διδυμίεσ κόκκων. 67