Nauka o Materijalima- Fuad Catovic

Fuad Catovi6

NAUKAO MATERIJALIMA - NOVI MATERIJALI-

POLIMERI I{ERAMIKE KOMPOZITI

IvIostar - Bihac, 200.l"

NOYI MATERIJALl

Fuad Catovi6 NAUKA 0 MATERIJALIMA - NOYI MATERIJAL!Polimeri - Keramike - Kompoziti Recenzenti: Prof. dr. Bozo Banjanin Prof. dr. Milan Jurkovic Izdavac: Univerzitet "Dzemal Bijedi6" Mostar, Masinski fakultet Univerzitet u BilJaCll, Tehnicki fakultet Stampa: "SLOYO" Mostar Za stampariju Alija Drljevit Kompjuterska obrada teksta: Institut za razvoj pri Univerzitetu "Dzernal BijediC" Mostar Tehnicki fakultet Bihae

'firaz: 500 kom.

en) ~ Katalogizacija u publikaciji Nacionalna i univerzitetska biblioteka Basne i Hercegovine, Sarajevo 678.6/.7(075.8) 666.3/.7.(075.8) CATOYIC, FUBd Nauka 0 materijalima: polimeri, keramika, kompoziti I Fuad Catovic. - Mostar: Univcrzitct "Dzemal BijediC" (etc.), 2001. - 166 str.: ilustr.; 25 em

BibJiografija: str.166 ISBN 9958-604-03-5

-lD 9809158

Na osnovu misljcnja Fcderalnog rninistarstva ohrazovanja; nauke i sparta broj 04-15~040/o1 knjiga "Nauka 0 matcrijalima", Polimeri-Kcramike-oKompoziti autom dL Fuadll Catovica, oslobodenaje p!a6anja porcza na promet proizvodaf'SJuzbene novine Fedcracije BiR", br.6/95, 25/97,13/00,36100,54/00 i 22/(1),

SADRZAJ Pred!!ovor. I. POLIMERl..

.......... !

.......... 5 .......... 5 .......... 6 . ......... 7 .......... 9 ....... 16 .. ...... 17 ....... 19

Uvo..Q .. 1.1. Razvoj po\imera .. 1. '). Or!!unski ~oicvj ( uglilkovodici ) . J .3. Polirneri i niihova grada. 1.3.1. Dodaci poJimerizatu. 1.3.2. Stmktura plasticnih masa .. 1.3.3, Pqlimerni proizvodi. 1,3.4. Fizicka grada nolimera .. 10.1.5. Svoistva DQlirnera. IJ.S.l. KJasjfikacija svoistay.~J2QJimera ... 1.3.5.2. Specificnosti svoistava polimernih lA. Podjela Dolimerq .. 1A.L Tcrmoplasticni polimeri ....

...... 21

matcrijala~

.

IA.!.1. POLIETILENJ. POL.IPROPILEN ..

1.2.4.7. POLIVINJ!,J ... Polivinil

~

ielorid ..

§ill:ill! ...

Polistirol . Ahilonitril-butaqien-stiIcn kOl2olimer.

........ 23 ........ 24 ........ 25 .. ...... 29 .. ...... 31 ........ 31 . ....... 32 ........ 32 . ....... 32 ........ 33 . ....... 3]

.. ...... 34 ........ 34

Pol i(bu1il en-tereftalat),.

poli(fenilen-oksid) .. ........ 3~) .. ..... 35 ........ 36 .. ...... 36

Polivinil - acetaL. Po]ivinil- alkoho]. Polivinil -:: acetali .. Polivinil formal .. Polivinil butirali .. 8,cetaL. POLIFLlJORETENI..

. ....... 36

politetrafluoretilel1 .... Politrifluorhloretilen .. Poliviliden -j"!uoriq .. Polivinil- tluorid .. Trifluor ..:..llloretilc!l.::_ vinijidcn hlO!jQ .. Fluorirani etilcn-propilcn ..... POLlAMIDl. AKRIU\Tl ..

......... 36 ......... 37 .. ....... 37 ......... 3K .. ....... 3g ......... 39 ......... 39 . ........ 39 .. ..... ,.:W :tO

PoJiaJcrjlati. PolimS!ttl·- lIlctakrilat .

......... 4-1

.. ....... ,H)

Poliakrilo _. nitril .. POLIURETAtrr .. PALlKARBQNATl..

. ........................... 41 . ..... ",42

42

TennoDlasli urirec1eni putem tckuCill ~S.2 Termoreaktivni poiimerl ...

po!im~fnih

krislala ..

. .........1:')

..1...4.2.1. ALDEHIDNE ELASTH:HE .MASE .. /.':.~minoplalli

.

.Urea - forlnaldchidnc J)iasticlic Mtlaminske Dlasticne mast. J(arbai1lictrr~.J?lI\.sticl1e mgs.Q·

. ... , .•.. '1-/

nl('!s~ .....

... ,............ ,47

SADRZAJ

SADRZAJ .1.4.2.2. POLIESTRI.. Zasiceni poliestri.. Nezasieeni poliestri .. 1.4.2.3. EPOKSIDNE SMOLE .. J .4.2.4. SILIKONl ..

.. ... 48 ................................................. 49 . ... 49

.. ............... 50 .. ... 51

1.4.3. ElastiCni polimeri (elastomerD.

.............. .....

.52

Silikonski elastomeri . .

..... 53 ............................. .................. 53 Polisulfidni elastomer. ............... ................................. ............. 53 PoJicterski blok-amidi.. . .................................. 53 li:1.. Specijalni polimerni materijali 54 .5. Biorazgradnja sintetskih polirnera ... ... ........ .................. ................. ............... ..56 15. i. Bioraze:radivi polimeri ................. .................. ............................... 56 1.5.2. SkIab kaD biorazgradivo punilo.. .................... .................... .. .................... 58 .L.5.3. Biorazeradivi polirneri-.Lokolll.'!.. .. .... ........................ ................................. 58 1.6. M.ehanicka [email protected]..... .......................... . ...... 59 Eril()~: .. . ............ 63 2. K"EbMIK];C ................. ............... ...65 lJvotl ............................................. .... ........... .............. ....... .... ...... ... 65 1.1. Vrste Iq:ramickih materijala.. .66 2.1 1. Jednost.{lYm' struktl!f~ . ..................... . ....... 66 NaCllip ..... .......... .. ........... 66 fluQJilni tip ............... ................. ..... ... .............. 66 Dijamant ......... 66 Volframov monokarbid . . 66 AlB Llill. ....................... ...................... 67 Korund ili gljnic)] Al&} ..... 67 FezB~CuAIL1i12.h .. - ....... 67 2.1.2. Slo;7,enije ,s1r_uk1ure .. ....... 67 2.2. Oksidna keramika, .... .......................... :.... 68 2.2.1 Aluminij oksid AI,)O~ (glini~a, safir. kOfundJ .. .. ... 68 2.':1.1.1. Kristalo!!rafilli........... 69 .................................................. 70 ;;;.2.2. Cirkonij oksid - Zr02" 2.3. Neoj~~iJ:;tna keramika .. .. .. 72 ....... 72 2.~ili~;jj ntU·td - Sht:I4." .72 SinrcfOVimi ShN4 (SSN) Vmee presovani -Si,1N~~ ..... .. .. 72 .. .......... 73 Rcakciono sjntero\'ani-Sh~4 .(BJ;lSl\I,) .... SialQ!1j.. _.._.73 2.3.2. SiliciU",arbid ~ SiC:::. .. ..... ...... ....... 73 . .................... .. ..... 73 Sinterovani SiC (SSe) ... ymce presovani SiC (HPSC) . .. .................................................. 74 ............................ .74 Inrill.rirani SiC (oSiSC) .. 2.:J,.3. Osobine SiC i. Si_,N 4 keramike .. . ............ 74 2.4.,J):finG.ralni izvorjj l~;;;'iiils si~t~';a ..................................................................... ,........ 74 2.4.1 ...B,astoplieni i t.

-

IvtuHit-ZrOo

-

,

Cvrstoca na savijanje (Mpa)

i I

600-S00 lOOO,2000

700 (600)'

400 (270f U zagrach Sll date Vfl]e-c:nostl za matncll

Tvrdoca (HV)

(MP"m)

1300 1300

6-10 B- 12

KIcl/2

Kocficijent tcrmickog sirenja

Tnplo\tla vodljivost (Wm·1l("J)

(lO" K')

-

,

7,5 (5.5)" 4.5 (3)'

9~10

9-10 -

-

i,

2 3 -

i

-

Ukoliko su tetragonalne Zr02 cestice manje od nelee kriticne dimenzije, one 5e za vrijemc hladenja ne transformiraju u lImit modifikaciju. Meautim, taj se prijelaz moze indu·cirati vanjskim naponom. Dio energije trosi se za fazuu transformaciju. Istovfiemeno se zbog promjene volumena kod fazne transformacije stvaraju llnutrasnji naponi, a sye fezultira Jakim usporavanjem rasta pukotine. Tnj se mehanizam nazi va poboljsanje Zilavosti POlTIOCll transformacije (transformation toughening), a povecavaju se pri tom zilavost i 6vr8t06a, Zr02 je pogodan kao kOl1strukcioni materijal radi sljedeCih osobina: niska toplotml vodljivost (iz01ator), visoki koeficijent termickog sirenja (kompatibilan s metalima), visoka cvrsto(~a i 2i1avost (upotrebljiv za izradu dijelova, koji Stl inace ad metal a, bez promjene koncepta konstrllkcije; postojan nn tennicki sok),

,Dunas se 85O/~.Zr02 upotrehljava za izradu vatrostalnih materij ala i gJazura,

~~i~\:~~ij(,~;,:a ~~O:~~~~'!'~nj:~'rel11ene

keramike gotovo 80%

2r02

namljenjeno

2r02 [Jostoji u 3 kristalnc modifikacije. Do oko 1000 '.lC stnbilna je mon?~dinsJ(a raza, slijcdi (rcvcrzibilna) transformacija 1.1 t.etnu!onalnu modIi'JkaciJll (pracena smanjcnjem volumcna "";:)0(\ 0(',' 1 ' ' . ' - za oklO '2o,;,,); 1'0;"ju "1'; . 1 ..;:,_() ~:'e .aZI .~1 kt {hUll, .:T1~)(~ifikaciju, ~b~.g pro:l1jenc voJumena kod t-n'.1 tr~msformacije ~lStr ZlI.)2 tchnid(l Je ncupotreb~Jlv, air 5e ta lnnsfonnacija D lOZC koristiti 73. ~zradu ,kefmr:,ike s ncobicno visokom zilavogcu, ':i pod nckilT; lll" jcti'~na i visol~o~;l ";,/fs1ocom (Claussen, 1982). ' ,J /("

.. r

.Ld

70

\.

f

~udu l.i cesti,ce Z1'02 ravnomjemo dispergirane u nekoj k( .~ramicl;:oj matrici, \'113cme h}.acien.Fl sa temperatllre sin1erovnllj'a ic C('stl'C'" "]" ~'l'l~e ;~ I;,n ','\-l FI'1," , "'1"_,L"lL L j1 •• '

Meoutim. postoje i nedostatei: U llsporedivanju S ostalom konstrukcionom keramikom ima visoku

gustOCll, TTZ je niskotcmpcraturni materijal. II, tennodinamickih razloga efekt povisenja zilavosti i cvrsto6e najveci je pri sobnoj tempcraturi j naglo opada priblizavaqjem temperaturi t-m fazne transformacije, niska tvrdoca, zbog toga Z1'02 nije upotrebljiv za izradll reznih a18i8, visoka cijena polo.znog prahu. Od 21'0 2 pokusno se izradujll dijelovi motora .

l'1V

v IlV!J UbKlJA.LI

2.3. Neoksidna keramika

Reakciono sinterovani Si,N4 (RBSN)

Osnova su te grupe neki kemijski spojevi izmedu lakih elemenata B, N, Si i C, za koje je karakteristicna kovalentna veza. To su SiC, Si 3 N4 , BN i B 4 C. Bar nitrid, BN, postoji u tri kristalne modifikacije. Kubna i heksagonalna gusto pakovana modifikacija-umjetni dijamant, upotrebljava se za izradu reznag alata. Heksagonalna grafitna modifikacija je meka. To je izvrstan elektricni izolator i suhi lubrikant. Bor karbid, B 4C, zbog niske gustoce i visoke tvrdooe (MV 4500) veorna je atraktivan materijal za izradu svih vrsta oklopa i dijelova izlozenih abraziji. Zbog nuklearnih osobina bora B4C upotrebljava se kao kontrolni medij u nuklearnim reaktorima. Zajednicka osobina svih tih neoksidnih materiljala je vrlo losa sillterabilnost. Zbog toga 8U za postianje visokih gustoca p,otrebni vrlo fini prahovi i specijalne tehnike sinterovanja na visokim temperaturama 1500-2200 °C, npr. toplo presovanje, aktivirano sinterovanje pomo6u sinter aditiva, reakciono sinterovanje, sinterovanje u prisutnosti tekuce faze. Rezultat toga je da postoji viSe modifikacija jednog materijala, koje se razIikuju po svojim mehani6kim i terrnickim osobinama, pa su 1m zbog toga primjene razliCite.

U tom se slucajn polazi ad silicij praha, koji se oblikuje u trazeni ablik, a' zatim pri temperaturi 1250-1450 °C istovremeno nitrira i sintel~uje. Za r~zliku od ostalih Si,N4 l11odifikacija, taj je materijal porozan. Meclutll11, ukohko so u polaznu smjesu dodaju sinter aditivi dobiva se gust m~terijal (oznak~. SRBSN?, po osobinama vIlo stiean HPSN. Posebna je ~tI~~~(C1Ja .. t~ga matenJa~a cia .lC polazna sirovina metalni silicij, koji je znatno jcftlmJI ad hmh prahova S13N4 .

2.3.1. Silicij nitrid - ShN4

Sinter aditivi MgO, Ah03 i Y 20 3 reagiraju na temperaturi sinlerovallja sa Si0 2 koji se uvijek nalazi na povrsini cestica Si 3N4 , pri tOlle nastaje tekuea faza koja omogucava sintrovanje do visoke gustoce("95% T.G.), a pri blaclenju stvara staklastu L'lZU, koja se nalazi na granicama izmedu zma. Ta staklasta faza stetno utjece na visokotemperaturne mehanlcke osobine, pogotovo kad se ima na umu da ko1iCina sinter aditiva doseze do 10 tez%. Telmicldm tretmanom staklasta se faza moze pretvoriti u kristalnu. Za takav materijal kanlkteristicna je visoka mehal1icka cvrstoca i otpornost na puzanje cak pri 1400°C.

@

KERAIvIIKE

Tablica 2.5. Osobinc SiC i Si.;N4 Gustoca (gfcm 3 )

Matcrijal

3,15 3,20 3,08 3,20 3.20 2,50 3,20 3,20

sse' HPSC' SiSC SSN

HPSN RBSf\:'

SRBSN ,

srALON

kcr~imjkc

Cvrsloca na savijallje (Mpa)

Tvrdoca (HV)

I I

Kkl12

(MP""')

400

3

4,5

700

5 5

4,6

400 550 700 250

4

5 2

600

4

700

8

,

4,4 3.3 3,2 3,0 3,3 3,0

Koeficijelll termickog sirellja (!0"6 Kl)

Tupluwa vodljivost (\Vm- 1 KI)

90 gO

< 1

ISO 20

1

32 15 2(] 17

:::: i !O-! 5 ,10

,

I

,

II

:;10 'C; lO

I

::. 10 2

Mehamcka cvrstoca konstantna ad sobne temperature do 1400 o C.'

Sialoni To su tipicne keramicke legure, koje se dobivaju c\jelomlcIlom supstitucijom Si i N sa Al i 0 u kris.talnoj mrezi Si3~I4. ~o mehanick~m osobinama slicni su Si j N4 , a po kemijskim osobinarna podsJecaJu na AhO]. Uz dodatak sinter aditiva mogu se sinterovati do prakticno teoretske g~Jstoce b~z primjene pritiska, i to na temperaturama kojc su nize od temperatura smterov~nJa Si3 N4 . Osobine sialona zavise od njegovog kemijskog sastava, a .to omogllcava . .. izradu keramike cije se osobine kontrolirano prilagoc1avaju apllkaclJl.

2.3.2. Siiicij karbid - SiC

Vruce presovunj SbN4 (RPSN)

Sintenwani SiC (SSe)

Zbog istovremenog djelovanja pritiska i tempenr~ure potrebni su znatno manji dodaci sinter aditiva a gustoca se priblizava te~oretskoj. Ta je tehnika prikladna samo za izradu jednostavnih geOlnctrija, a obrnda toga materij ala, zbog visoke tvrdo6e, vrlo je teska.

Visoke gnstoce (95-97(% T.G.) mogu se posti6i ~arno v~~~ f1ni~l1 I;JrH~10:1iT~~1 SiC (prosjecna velicina cestica