Испитивање магнетних и електричних својстава нанокомпозита поли(метил метакрилат-а) и легуре никл-гвожђе-волфрама

Transcript

1 Испитивање магнетних и електричних својстава нанокомпозита поли(метил метакрилат-а) и легуре никл-гвожђе-волфрама Александар Миловановић Факултет техничких наука, Чачак Електротехничко и рачунарско инжењерство, електроенергетика 2013/2014 Ментор рада: др Павле Спасојевић, доцент Апстракт Овај рад имао је за циљ испитивање магнетних и електричних својстава нанокомпозита поли(метил метакрилата) и узорака са одређеним процентима никл-гвожђе-волфрама. Детаљно је описано шта су композитни матреријали и основне карактеристике поли(метил метакрилата) а посебан акценат је стављен на поступак лабораторијских испитивања и свих уређаја који су коришћени за добијање резултата. Кљтчне речи нанокомжоеже, жлгкржглар, лггспг, нжкл, гводђг, волтпам,магнгено жољг, магнгежеацжја 1 УВОД За потребе писања овог рада испитивани су узорци од никл-гвожђе-волфрама са различитим уделом процента ових композита и узорак од плексигласа или стручно названог поли(метил метакрилат). Испитивања су имала за циљ добијање магнетних и електричних карактеристика поменутих узорака према тачно дефинисаним изразима. На основу тих образаца формиране су зависности са којих се може прецизно видети како се понашају својства узорака композита и својства плексигласа и која су међусобна одступања карактеристика. 2 КОМПОЗИТНИ МАТЕРИЈАЛИ Композитни материјали или композити добијају се спајањем два или више материјала различитих карактеристика у циљу добијања материјала таквих својстава каква не поседује нити једна компонента сама за себе. На такав начин могу се постићи необичне, односно код других материјала неуобичајене комбинације својстава, као што су крутост, чврстоћа, тврдоћа, густина, понашање при високим температурама, хемијска постојаност (антикорозивност), или проводљивост (електрична и топлотна). Добар део оваквих материјала састоји се од одговарајућег пуниоца, односно ојачавајућег материјала и компатибилног везива, тзв. матрице, која повезује носећи материјал. Структура композитних материјала Структура композита састоји се од континуалне фазе у коју је уграђена једна или више дисконтинуалних фаза. Континуална фаза назива се матрица, а дисконтинуална фаза назива се активан пунилац или ојачање, у зависности од функције коју обавља у композиту. Преглед улога које обављају ојачање, матрица и граничне површине између ојачања и матрице у композитним материјалима дат је на слици 1. Слжка 1. Ппожеводња рпгбпо-волтпам комжоежеа Класификација композитних материјала Класификација се може извршити на следећи начин: 1. Према облику дисперговане фазе композитни материјали ојачани честицама честицама ојачани композити са металном матрицом композитни материјали ојачани влакнима ламинарни композитни материјали 2. Према врсти матрице синтетички природни 1

2 3 ПОЛИ(МЕТИЛ МЕТАКРИЛАТ) ПММА ПММА је прозирни аморфни полимер. Густина му је 1,18 g/cm 3 и има врло мали степен апсорбције воде. Индекс преламања се креће 1,49 до 1,51, зависно од типа ПММА. Производи направљени од ПММА се одликују високом механичком јачином и добром димензионoм стабилношћу. Термичка стабилност је око 80 C, мада темпратурно стабилизовани типови ПММА могу да издрже темпратуре и читавих 100 C. Општа формула ПММА-а је : Слжка 2. Ожшеа топмсла жолж(мгежл мгеакпжлае-а) Основне физичке карактеристике плексигласа су : Транспарентност - У безбојној форми плексиглас је транспарентан као најфиније оптичко стакло, Његова укупна провидност је 92%. Отпор на лом - Плексиглас има 6-17 пута већи отпор на лом од обичног стакла. Отпорност на временске услове - Ниједан други транспарентни пластични материјал нема отпорност на временске утицаје какву поседује плексиглас. Отпорност на топлоту - на њега не утичу хладноћа и ниске температуре, тако да не постаје крт и склон ломовима. Електрична отпорност - идеалан је изолатор. Једноставност израде - може да се сече, буши и машински обрађује попут дрвета или метала. Мала маса - више него двоструко лакши од стакла. Димензионална стабилност - познат је по својој отпорности на скупљање и деформисање током дугог периода експлоатације. Основне хемијске карактеристике плексигласа су : Хемијска отпорност - плексиглас има одличну отпорност на већину хемикалија, укључујући и неорганске базе и киселине. Тестиран је на бензин, ароматичне раствараче, етил и метил алкохол, разређиваче лака, органске киселине итд. Запаљивост - Плексиглас је запаљива термопластика и треба да се третира као обични запаљиви материјал као што је дрво. 4 КАРАКТЕРИСТИКЕ ДОБИЈЕНЕ ИСПИТИВАЊЕМ НАНОКОМПОЗИТА У овом делу описана су досадашња испитивања светских и европских научника који су се бавили нанокомпозитима поли(метил метакрилата) са другим материјалима тј праховима. Такође, други део овог поглавља говори и о нанокомпозитима никл-гвожђе-волфрама са неким киселинама. Цело поглавље је сачињено од резултата приказаних графичким путем, као и дискусија везаних за те резултате. 5 MAГНЕТНА И ЕЛЕКТРИЧНА СВОЈСТВА УЗОРАКА Магнетна својства узорака Добијање магнетних карактеристика извршено је термомагнетним испитивањима помоћу модификоване Фарадејеве методе. Принцип мерења се састоји у томе да се у нехомогено магнетно поље унесе узорак и измери магнетна сила која на њега делује. Нехомогеност поља мора да буде таква да је производ поља и његове промене по вертикалној оси константан. Овај услов се постиже посебном конструкцијом полова магнета. Када је магнетно поље успостављено, поред силе земљине теже на узорак делује и додатна магнетна сила у правцу градијента поља. Привидна промена тежине, односно масе узорка мери се вагом велике осетљивости. 2

3 Слжка 3. Иеглгд глгкепонркг вагг оргељжвореж 10-7 кг Код ове апаратуре као извор нехомогеног магнетног поља искоришћен је соленоид дужине 370 мм, унутрашњег пречника 36 мм на који је намотано 1020 навојака. Соленоид је прикључен на извор једносмерне струје. Узорак је помоћу кварцног носача унешен у магнетно поље у нивоу горње базе вертикално постављеног соленоида. Koд термомагнетних испитивања у првом плану било је испитивање зависности магнетизације од јачине магнетног поља - M=f(H) и магнетизације од температуре - М=f(Т) за узорке од никл-гвожђе-волфрама и плексигласа. По утврђеним обрасцима долази се до жељених карактеристика: ( и ( где су: g=10 m/s 2 -убрзање Земљине теже, m - маса узорка (плочице) од никл-гвожђе-волфама, Δm - разлика у масама плочице са и без утицаја магнетног поља на њу Електрична својства узорака Приликом термоелектричних испитивања задатак је био одредити зависности специфичне густине од температуре - ρ=f(т) за узорке од никл-гвожђе-волфрама и узорак од плексигласа и добијене зависности упоредити на заједничком дијаграму. Узорци који су испитивани постављани су у комору за загревање где му се посматрала промена отпорности у временском интервалу (20-140)оС. Повишење температуре једноставно је урађено уз помоћ грејача, прикљученом на извор једносмерног напона. Такође, помоћу изведених образаца добијају се тражени дијаграми: (, где су: ρ специфична електрична отпорност узорка, R отпорност узорка. 6 РЕЗУЛТАТИ МЕРЕЊА Резултати термомагнетних испитивања а) Испитивање зависности М=f(Н) На почетку испитивања измерена је маса празног суда у кога су смештани узорци плочица од никл-гвожђеволфрама (20%, 40%, 60%) и она је износила 0,4005 грама. ms=0,4005g Уследила су 4 огледа из којих су добијени резултати: 1. У суд је постављен узорак са 20% Ni-Fe-W и измерена је његова маса без утицаја магнетног поља m1= 0,5483g - ms= 0,5483 0,4005 = 0,1478g Након тога калем је прикључен на извор једносмерне струје и добијене су следеће вредности табеларно и графички: Табгла 1. Вглжчжнг капакегпжрежчнг еа сеопак 20% Ni-Fe-W 3 Слжка 4. Завжрноре М=f(Н) еа сеопак 20% Ni-Fe-W

4 Са овог дијаграма се јасно може приметити да са порастом јачине струје тј повећањем јачине магнетног поља расте и магнетизација, скоро линеарно. 2. Следећи узорак који је био постављен у суд је 40% Ni-Fe-W. Након мерења масе, где је добијена вредност m2= 0,5683g ms= 0,5683 0,4005 = 0,1678g, а после тога и остале вредности потребне за тражену зависност. Табгла 2. Вглжчжнг капакегпжрежчнг еа 40% Ni-Fe-W Слжка 5. Завжрноре М=f(Н) еа сеопак 40% Ni-Fe-W Као и у претходном случају, магнетизација има све већу вредност са повећањем јачине магнетног поља, само што је, за разлику од првог примера, она знатно већа % Ni-Fe-W узорак имао је масу m3= 0,5365g ms= 0,5683 0,4005 = 0,1360g, а применивши наведене обрасце добијени су остали подаци неопходни за попуњавање табеле и цртање графика Табгла 4. Вглжчжнг еа сеопак 60% Ni-Fe-W Слжка 6. Завжрноре М=f(Н) еа сеопак 60% Ni-Fe-W Трећи случај је показатељ да ће магнетизација поново расти са повећавањем јачине струје кроз калем. Закључује се да што је већи проценат Ni-Fe-W, магнетизација је још већа. 4. У последњем испитивању узорак од плексигласа је стављен у суд и на основу мерења масе са и без магнетног поља примећено је да се маса не мења. Дошло се до закључка да плексиглас није феромагнетик и да ће без обзира на јачину струје кроз калем маса узорка остати непромењена. Све три зависности приказане су на истом дијаграму, како би се видела разлика и одступања узорака са различитим процентима Ni-Fe-W. Слжка 7. Завжрноре М=f(Н) еа рвг сеопкг Постављањем све три зависности на исти дијаграм уочљивије је оно што је напоменуто код трећег случаја. Што је већи проценат Ni-Fe-W у узорку, магнетизација ће имати већу вредност при појачавању струје кроз калем. б) Испитивање зависности М=f(Т) Овом испитивању подвргнут је био узорак са 60% Ni-Fe-W, за опсег температуре од 20 до 130оС. Кроз калем се приликом испитивања пропустала констанатна вредност једносмерне струје од 7А. Добијено је следеће: 4

5 Табгла 5. Ргеслеаеж добжјгнж жржжежвањгм Слжка 8. Завжрноре М=f(Т) За магнетизацију се при овом испитивању може рећи да је скоро константна, без обзира на температуру. Резултати термоелектричног испитивања Код испитивања електричних својстава на самом почетку измерена је отпоност узорка 60% Ni-Fe-W на собној температури, а након тога у температурном интервалу (20-140) о С. Резултати мерења су унети у таблицу, на основу чијих се вредности, убачених у наведене обрасце добија тражена зависност и одговарајући график. Табгла 6. Мгпгњг оежопнореж еа 60% Ni-Fe-W Слжка 9. Гпатжчкж жпжкае еавжрнореж ρ=f(т)код 60% Ni-Fe-W На основу термоелектричног испитивања може се рећи да отпорност узорка од Ni-Fe-W расте са повећањем температуре, а самим тим и густина узорка имаће повећану вредност. Након мерења електричних карактеристика узорка од никл-гвожђе-волфрама, одрађено је исто мерење и за плочицу од плексигласа. Добијени су следећи резултати: Табгла 7. Мгпгњг оежопнореж сеопка од жлгкржглара Слжка 10. Гпатжчкж жпжкае еавжрнореж ρ=f(т) код жлгкржглара За разлику од Ni-Fe-W, што је температура већа, узорак од плексигласа имаће све мању вредност специфичне електричне отпорности, а то се баш идеално види на дијаграму. На крају овог испитивања могу се упоредити добијене карактеристике: Слжка 11. Мгђсробнж однор еавжрнореж ρ=f(т) жемгђс жлгкржглара ж лггспг Ni-Fe-W 5

6 Са повећањем температуре приметна је разлика у понашању отпорности испитиваних узорака. Отпорност плексигласа опада, Ni-Fe-W расте и тек ће им се карактеристике изједначити када температура буде 140 ос. 7 ЗАКЉУЧАК Приликом термомагнетних испитивања дошло се до закључка да чист плексиглас није феромагнетик и да на њега не утиче било какво пропуштање струје кроз калем. Исто тако видело се да што је већи удео никлгвожђе-волфрама у узорку то је и магнетизација већа са повећањем јачине струје која се пропушта кроз калем (тј магнетизација је директно сразмерна јачини магнетног поља).што се тиче зависности магнетизације од температуре, резултати кажу да температура скоро да и не утиче на магнетизације. Након тога, одрађена су и термоелектрична испитивања за плексиглас и један узорак са 60% Ni-Fe-W. Приметно је да се отпорности ова два примерка супротно понашају. Плексиглас на собној темпетарури има велику отпорност која опада са повећањем температуре, а супротан случај је код 60% Ni-Fe-W. ЛИТЕРАТУРА 1. Павле М Спасојевић, Модификација поли(метил метакрилатних) материјала за базе зубних протеза диестрима итаконске киселине, Београд Гојко Марић, Композитни материјали, 2013 Загреб 3. Горан Раденковић, Композитни материјали, 2013 Крагујевац 4. Александра С. Калезић-Глишовић, Утицај структурне релаксације на функционална својства аморфних легура на бази гвожђа, 2012 Београд 5. Марица Иванковић, Полимерни нанокомпозити, Загреб E. Logakis, Ch. Pandis, P. Pissis, J. Pionteck, P. Pötschke, National Technical University of Athens, Zografou Campus, Athens, Greece, Leibniz Institute of Polymer Research Dresden, Dresden, Germany 7. М. Рогошић, З. Матусиновић и Ј. Шипушић,Универзитет у Загребу, Факултет хемијског инжењерства и технологије, Загреб Franciele Wolfart, Ana Luiza Lorenzen, Noemi Nagata, Marcio Vidotti, Nickel/cobalt alloys modified electrodes: Synthesis, characterization and optimization of the electrocatalytical response, Sebastian Balos, Branka Pilic, Dubravka Markovic, Jelena Pavlicevic, Ognjan Luzanin, Poly(methylmethacrylate) nanocomposites with low silica addition, Универзитет у Новoм Саду 10. Tapas Kuila, Saswata Bose, Partha Khanra, Nam Hoon Kim, Kyong Yop Rhee, Joong Hee Lee, Characterization and properties of in situ emulsion polymerized poly(methyl methacrylate)/graphene nanocomposites 11. Asit Kumar Gain, Ho-Yeon Song, Byong-Taek Lee, Microstructure and mechanical properties of porous yttria stabilized zirconia ceramic using poly methyl methacrylate powder 12. Niranjan Patra, Marco Salerno, Davide Cozzoli, Alberto Barone, Luca Ceseracciu, Francesca Pignatelli, Thermal and mechanical characterization of poly(methyl methacrylate) nanocomposites filled with TiO2 nanorods 13. Studies on the electrodeposition of ternary nickel-iron-tungsten alloys, Department of Chemistry, B anaras Hindu University, Varanasi (India), Qi-Long Zhu, Qiang Xu, Metal organic framework composites, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), Osaka Callister, W.D., Mateials Science and Engeeniring, An Introduction, 7th edition, John Willey&Sons, New York,