Materjaliteaduse üldalused eksamiküsimused (0)

Eksamiküsimused 2015
KYP0040 Materjaliteaduse üldalused
1. Polükristalsed, monokristalsed ja amorfsed materjalid (2.4)
1) Valdav osa tahkeid aineid on polükristalse ehitusega, nad koosnevad suurest hulgast väikestest korrapäratult orienteeritud kristallidest. Tekib, kui kristallide kasv algab korraga paljudes kohtades (tavaliselt lisandid, kolloidosakesed jne). Üksikute terade pinnal muutub kristallvõre orientatsioon . Kui kristallisatsioon algab vormi pinnalt, on orientatsioon veidi erinev.
2) Monokristall on tahke keha, kus aatomite korrapärane paiknemine jätkub kogu keha ulatuses, st on üksainus suur kristall . Looduslikud monokristallid (näiteks mäekristall) on tavaliselt korrapärase hulktahuka kujulised. Tehnilistel eesmärkidel kasvatatakse monokristalle kunstlikult. Monokristalli on ka oma kindel tõmbamise skeem sulandist. Nii saadakse näiteks suuri pooljuhtmaterjalide monokristalle läbimõõduga kuni 40 cm ja pikkusega üle meetri.
Anisotroopia on nähtus, kus monokristalli omadused eri suundades on erinevad. See on seotud osakeste erineva tihedusega erinevates suundades. Anisotroopia on seda suurem, mida ebasümmeetrilisem on kristall. Anisotroopsed omadused on näiteks elastsusmoodul , peegeldustegur, elektrijuhtivus . Polükristalne materjal on isotroopne, omadused on keskmised. Võimalik on valmistada polükristalseid materjale, milles kristallid on orienteeritud kindlas suunas. Selline polükristalne materjal võib olla anisotroopne.
3) Amorfsetes materjalides puudub osakeste paiknemise kaugem korrapära, esineb ainult lähikorrapära. Sisuliselt on amorfsed ained allajahutatud vedelikud, nad ei ole jõudnud kristalliseeruda. Amorfseid materjale saab valmistada kiirel jahutamisel (klaasi tootmine). Amorfsete materjalide hulgas eristatakse nn klaasitaolisi materjale. Neil on tahke (klaasitaolise)oleku ja vedela (voolava) oleku vahel nn viskoelastne olek. Siia kuuluvad paljud polümeerid.
Metallid – kristalsed .
Keraamilised materjalid – suurem osa kristalsed.
Polümeerid – suurem osa amorfsed.
2. Difusiooni mehhanismid (4.1)
Aatomid on kristallis pidevas vibratsioonliikumises. Energia fluktuatsioonide tõttu võib mõni aatom omandada energia, mis ületab keskmise energia sedavõrd, et aatom saab võres liikuda . Seda energiabarjääri, mida aatom liikumiseks peab ületama (vajalikku lisaenergiat) nimetatakse difusiooni aktiveerimise energiaks. Aatomid, mis omavad seda lisaenergiat, on difusiooni mõttes aktiivsed. Nende kontsentratsioon sõltub temperatuurist Boltzmani võrrandi järgi:
kus N – aatomite üldine kontsentratsioon;
C – mingi konstant;
E* - aktiveerimise energia.
Vastavalt võrranile on n seda suurem, mida väiksem on E* ja mida suurem on T. Seejuures kasvab n temperatuuri tõusul eksponentsiaalselt. E* on vajalik sidemete lõhkumiseks ja võre deformeerimiseks liikumisel.
Aatomi liikumiseks kristallvõres peab olema täidetud kaks tingimust:
1) kõrval peab olema tühi koht (vakants või võrevaheline tühik), kuhu minna;
2) aatom peab olema aktiivne.
Metallides toimub difusioon kahe mehhanismi järgi.
4.1.1 Vakantsmehhanism
Aatom ja kõrvalolev vakants vahetavad kohad. Aatomi difusiooni korral selle mehhanismi alusel toimub vakantsi difusioon vastupidises suunas. E* on summa vakantsi tekkeenergiast ja kohavahetuse energiast. E* on seda suurem, mida kõrgem on metalli sulamistemperatuur . Selle mehhanismi järgi võib toimuda ka lisandi difusioon, kui A on lisandi aatom. Vakantsmehhanism on põhiline omadifusioonis ja difusioonis tahketes lahustes.
4.1.2 Võrevaheline mehhanism
Aatom liigub ühest võrevahelisest asendist teise. Selle mehhanismi alusel toimub peamiselt väikeste mõõtmetega aatomite (H, C, O, N) difusioon asendustüüpi tahketes lahustes. Difusioon toimub kiiremini kui vakantsmehhanismi alusel, kuna võrevahelisi tühemikke on tunduvalt rohkem kui vakantse. Metallide omadifusioonis võrevaheline mehhanism on vähetähtis, küll aga on märgatav keraamilistes materjalides, mille kristallid ei oma suurimat pakketihedust.
3. Statsionaarne difusioon (4.2)
Üldiselt sõltub difusiooniprotsess ajast. Statsionaarne difusioon on ajas püsiv difusiooniprotsess. Difusioonivoog J – ainehulk (mass või moolide arv), mis difundeerub ajaühikus läbi ühikulise pinna:
(4.2)
kus m- ainehulk;
S – pindala:
t – aeg.
Kui J ei muutu ajas, ongi tegemist statsionaarse difusiooniga.
Kontsentratsiooni sõltuvust koordinaadist x nimetatakse kontsentratsiooni profiiliks. Selle sõltuvuse kalle mingis punktis dC/dx on kontsentratsiooni gradient . Statsionaarse difusiooni korral on kontsentratsiooni profiil lineaarne ja gradient konstantne :
Statsionaarse difusiooni korral on difusioonivoog võrdeline kontsentratsiooni gradiendiga:
Fick’i I seadus
kus J – difusioonivoog suunas x;
D – võrdetegur e difusioonitegur.
Miinusmärk on seetõttu, et difusioon toimub kontsentratsiooni vähenemise suunas.
Avaldame võrrandist 4.2 dm: dm = J·S·dt ja asendame seal J Fick’i I seadusest:
Kui D = const ; S = const ja dC/dx = const, saame integreerimisel:
See võrrand annab aja t jooksul läbi pinna S difundeerunud ainehulga . Kui S = 1; dC/dx = -1; t = 1, siis m = D Seega difusioonitegur võrdub ainehulgaga, mis ajaühikus difundeerub läbi ühikulise pinna, kui
kontsentratsiooni gradient on 1. D mõõtühik on m2/s.
4. Materjalide tugevus. Mehaaniline pinge ja deformatsioon . Elastne ja plastiline deformatsioon (5.1, 5.2), antud joon 5-1 ja 5-2
5.1 Materjalide tugevus ja selle määramine
Materjalide mehaanilised omadused väljendavad materjali käitumist mingi mehaanilise jõu toimel. Tähtsamad mehaanilised omadused on tugevus, kõvadus , voolavus ja jäikus. Materjali tugevuse iseloomustamiseks uuritakse materjali deformatsiooni sõltuvana mehaanilisest pingest . Jõu rakendamiseks on seejuures 4 võimalust: tõmbe-, surve, nihke ja väändejõud. Seda, kuidas nimetatud jõud deformeerivad objekti, on näidatud joonistel 5-1 ja 5-2.
Metalli tõmbetugevuse määramiseks kinnitatakse katsekeha kahest otsast ja hakatakse tõmbama. Tavaliselt kasvab tõmbejõud ühtlase kiirusega. Katsekeha külge kinnitatakse tensomeeter, mis mõõdab keha lineaarmõõtmete muutumist. Saadakse katsekeha pikenemise Δl sõltuvus rakendatud jõust. Kuna selle sõltuvuse kuju oleneb katsekeha ristlõike pindalast, siis sõltuvus normeeritakse (jagatakse jõud ristlõike pindalaga ja Δl algpikkusega). Saadakse sõltuvus koordinaatides pinge – deformatsioon (suhteline pikenemine ).
Mehaaniline pinge ja deformatsioon:
Mehaaniline pinge avaldub:
[Pa] ja deformatsioon avaldub
(ühikuta). Metalli survetugevuse määramisel loetakse jõud negatiivseks, kuna ka deformatsioon on negatiivne. Nihkedeformatsiooni määramisel leitakse nihkepinge τ = F/A0, kus jõud on rakendatud vastassuunaliselt kahele paralleelsele pinnale suurusega A0. Nihkedeformatsioon avaldub γ = tgΘ , kus Θ on nihkenurk . Väändedeformatsiooni uurimisel rakendatakse tangensiaalsete jõudude paari T. Väändepinge τ on võrdeline jõuga T, väändedeformatsioon avaldub aga γ = tgΦ, kus Φ on väändenurk.
5.2 Elastne ja plastiline deformatsioon
Metallide deformatsiooni aste sõltub rakendatud pingest. Mitte väga suurte pingete korral on suurema osa metallide deformatsioon võrdeline pingega σ = Eδ (5.1) Hooke ’i seadus kus E – elastsusmoodul.
Sellist deformatsiooni, kus δ on võrdeline σ-ga, nimetatakse elastseks deformatsiooniks. Vastav graafik on sirge. Elastne deformatsioon on pöörduv – pinge kõrvaldamisel taastuvad endised mõõtmed. Mõnede metallide korral on ka elastses piirkonnas sõltuvus veidi mittelineaarne. Sellisel juhul iseloomustatakse materjali kahe elastsusmooduliga E1 ja E2. Elastsusmoodul sõltub temperatuurist – temperatuuri tõusul E väheneb. Elastsusmoodul on seotud osakestevaheliste sidemete tugevusega materjalis . Mida tugevam on side, seda suurem on E (seda vähem deformeerub ). Keraamilistel materjalidel on võrreldes metallidega suurem E, polümeeridel aga väiksem. Elastsetel materjalidel on ka nihkepinge τ ja nihkedeformatsiooni γ vahel võrdeline seos τ = Gγ , kus G – nihkemoodul (G ≈ 0,4 E).
Suuremal osal metallidel esineb elastne deformatsioon kuni väärtuseni 0,005 (0,5%). Vastavat pinget nimetatakse elastsuspiiriks. Seda on katseliselt raske määrata.
Kui deformeerida materjali üle selle piiri, siis ei ole δ enam võrdeline σ-ga ja tekib plastiline deformatsioon ( voolamine ). Plastilise deformatsiooni käigus katkevad osakestevahelised sidemed, toimub aatomite libisemine üksteise suhtes ja seejärel uute sidemete tekkimine. Pinge eemaldamisel säilib nn jääkdeformatsioon. Jääkdeformatsioonile 0.002 vastavat pinget σy nimetatakse voolamistugevuseks ( piiriks ).
Täielik δ – σ sõltuvus. Pärast voolamise tekkimist kasvab pinge kuni maksimumpunktini M, millele vastavat pinget TS nimetatakse tõmbetugevuseks. Seejärel tekib katsekehale „ kael “, pinge hakkab vähenema kuni katkemiseni (p F). Metallide tõmbetugevused ja plastilise voolamise piirkonnad on küllalt erinevad. Materjale, millel on väike plastilise voolamise piirkond, nimetatakse rabedateks.
Venitatavus on materjali suhteline pikenemine enne katkemist:
, kus - pikkus katkemisel.
Suuremal osal metallidest on Ve vahemikus 30 – 45 %. Venitatavus ja rabedus sõltuvad temperatuurist. Temperatuuri tõusul Ve suureneb ja rabedus väheneb.
5. Libisemispinnad. Metallide tugevdamise meetodid (5.4, 5.5), antud joon 5-9 ja 5-13
5.4 Plastiline deformatsioon ja libisemispinnad
Metallide plastiline deformatsioon just dislokatsioonide liikumise kaudu. Illustratsioon ääredislokatsiooni liikumise kohta jõu toimel on joonistel 5-9. Dislokatsiooni liikumine läbi kristalli on analoogiline kapsaussi liikumisele. Deformatsioon saab toimuda ka vintdislokatsiooni liikumisel. Metalli tugevus seejuures ei vähene, kuna katkevate sidemete asemel tekivad uued.
Sellist plastilist deformatsiooni nimetatakse libisemiseks. Pinda, mida mööda dislokatsioon liigub, nimetatakse libisemispinnaks. Dislokatsioonid ei liigu kõigil kristallograafilistel pindadel ühesuguse kergusega. Iga kristallstruktuuri korral on eelistatud pinnad, mis ongi libisemispindadeks. Neil pindadel on omakorda eelistatud suunad, mida nimetatakse libisemissuundadeks. Libisemispinnad ja libisemissuunad on need, kus osakeste paiknemise tihedus on suurim e kus osakesed puutuvad üksteisega vahetult kokku. Sellisel juhul osakese liikumine jõu toimel lükkab naaberosakese võresõlmest välja. TTK võ pinnad (joon 5-13) ja neil omakorda libisemissuundadeks suunad
5.5 Metallide tugevdamise meetodid
Metalli plastiline deformatsioon on seotud väga suure hulga dislokatsioonide samaaegse liikumisega. Seega mida kergemini dislokatsioonid metallis liiguvad, seda kergemini metall plastiliselt deformeerub. Metalli tugevusomadused (elastsuspiir, voolamispiir, tõmbetugevus, kõvadus) sõltuvad aga sellest, kui kergesti metall plastiliselt deformeerub. Seetõttu kõik metallide tugevdamise meetodid põhinevad tegelikult dislokatsioonide liikumise takistamises.
Kasutatakse järgmisi metallide tugevdamise meetodeid .
1) Terade mõõtmete vähendamine.
Kristalliitide vahelisel pinnal lõpeb dislokatsiooni liikumine (libisemine), kuna:
- katkeb osakeste vahetu kontakt;
- muutub kristalli orientatsioon ja seega libisemispind
Seetõttu on väikeste kristalliitidega (teradega) metallid tunduvalt tugevamad, nende elastsuspiir on suurem ja plastiline deformatsioon toimub raskemini. Voolamispiiri sõltuvus terade läbimõõdust avaldub järgmiselt:
kus D – terade keskmine läbimõõt;
σ0 ja KV – konstandid antud metalli korral.
Üheks lihtsaks võimaluseks terade mõõtmete vähendamiseks on kiire jahutamine ( karastamine ). Karastamisel muutuvad metallid elastseks, kuid jäigaks (rabedaks).
2) Tahkete lahuste kasutamine.
Selleks legeeritakse metalli lisanditega, mis lähevad põhiaine kristallvõresse (tekitavad tahke lahuse). Need lisandi aatomid tekitavad võres pingeid – tõmbe- või survepingeid, olenevalt nende mõõtmetest. Lisapinged kompenseeruvad kõige paremini dislokatsioonidel, seega kogunevad lisandid peamiselt dislokatsioonidel ja dislokatsioonid on nagu seotud lisandite aatomitega. See takistab dislokatsioonide liikumist ja suurendab metalli tugevust
3) Külmtöötlemine.
Plastilised materjalid tugevnevad külmtöötlemise käigus, kus neid deformeeritakse plastiliselt madalal temperatuuril. Sellisteks külmtöötlemise liikideks on külmalt stantsimine, valtsimine , traadiks tõmbamine jne ( vaatleme hiljem). Tugevnemise põhjuseks on, et:
- tekib palju dislokatsioone, nende vahekaugus on väike ja nad takistavad üksteise liikumist;
- muutub kristalliitide kuju – nad litsutakse laiaks ( liistakud ) või venitatakse välja (kiud). See muudab metalli elastsemaks ja jäigemaks.
6. Faasidiagramm Fe – C (6.7), antud joon 6-16
Faasidiagramm süsteemile Fe – C puhtast rauast kuni süsiniku 6,7%-ni on esitatud joonisel 6-16.
Puhtal raual esineb allpool sulamistemperatuuri (1538 C) kaks kristallstruktuuri muutust. Madalal temperatuuril on stabiilne α-raud ( ferriit ), mis omab RTK võret. Temperatuuril 912 C läheb see üle γ-rauaks (austeniidiks), mis omab TTK võret. Temperatuuril 1394 C muutub struktuur uuesti RTK võreks (erineva võrekonstandiga) ja tekib δ-raud. Diagramm on välja joonistatud kuni 6,7%-ni süsinikku, mis vastab keemilisele ühendile – Fe3C ( tsementiit ). Süsiniku lahustumisel rauas läheb ta võrevahelistesse tühimikesse kõigi tahkete lahuste korral. α ja δ-rauas (st RTK võres) on lahustuvus väga väike, kuna tühimikud on sellise kujuga, et C aatomid ei mahu ära. Austeniit on stabiilne ülalpool 727 C, seal on C lahustuvus tunduvalt suurem (max 2,14%).Terase termilisel töötlemisel on faasiüleminekud seoses austeniidiga väga suure tähtsusega. Tsementiit tekib, kui süsinikku on rohkem, kui lahustub α või γ-rauas. Ta on äärmiselt kõva ja rabe . Diagrammil on eutektiline, eutektoidne ja peritektiline isoterm, kus toimuvad vastavad reaktsioonid:
Raud ja tema sulamid süsinikuga jaotatakse kolme rühma:
1) puhas raud (α-raud) – sisaldab süsinikku vähem kui 0,008%;
2) teras - sisaldab süsinikku 0,008 – 2,14%
3) malm – sisaldab süsinikku 2,14 – 6,7% (tavaliselt kuni 4,5%).
Vaatleme teraste mikrostruktuuri sõltuvalt süsiniku sisaldusest. Eutektoidse sulami (0,76% C) jahutamisel tekib struktuur, mis koosneb α ja Fe3C vahelduvatest kihtidest. Sellist struktuuri nimetatakse perliidiks. Kui sulamis on vähem süsinikku, kui 0,67% (hüpoeutektoidne sulam ), tekib struktuur, kus on ferriidi kihid ja vahel perliit Kui sulamis on rohkem süsinikku, kui 0,67% (hüpereutektoidne sulam), tekib struktuur, kus on tsementiidi kihid ja vahel perliit. Faaside (ferriit ja tsementiit) koostised on kõigil juhtudel ühesugused, mikrostruktuur on aga erinev ja seetõttu ka erinevad omadused.
7. Faasiüleminekud ja struktuurimuutused terase termilisel töötlemisel (joon 6-21)
Nagu nägime, tekib sulamite jahutamisel, mis sisaldavad süsinikku 0,008 – 2,1%, austeniidist kihiline struktuur, kus on vaheldumisi ferriidi (α-raua) ja tsementiidi (Fe3C) kihid. Sellist struktuuri nimetati perliidiks. Tegelikult tekib perliit ainult austeniidi aeglasel jahutamisel. Perliit on keskmise tugevuse, kõvaduse ja venitatavusega. Austeniidi jahutamisel mõõduka kiirusega saadakse beiniit . Ta koosneb tsementiidi peentest nõeltest ferriidis, kuna süsinik ei jõua kaugele difundeeruda ja moodustada paksemaid tsementiidi kihte. Seetõttu on beiniit suurema tugevuse ja kõvadusega ning vähem plastiline. Austeniidi väga kiirel jahutamisel (karastamisel) saadakse martensiit , mis on mittetasakaaluline faas. C ei jõua üldse difundeeruda ja austeniidi struktuur nagu „külmutatakse kinni“. Martensiit on väga tugev, kõva ja rabe. Martensiidi painduvuse ja venitatavuse suurendamiseks teda tempereeritakse, st kuumutatakse allpool eutektoidset temperatuuri. Kuumutamise käigus tekib ferriit, milles on üliväikesed tsementiidi terakesed. Materjali nimetatakse tempereeritud martensiidiks. Tal on säilinud martensiidi tugevus ja kõvadus, kuid paranenud on painduvus ja venitatavus (siiski väiksem, kui perliidil). Perliidi või beiniidi kuumutamisel veidi allpool eutektoidset temperatuuri küllalt pika aja jooksul (ööpäev) tekib sferoidiit, kus C tsementiidi osakesed omandavad kerakuju (sealt ka nimetus). Sferoidiit on eriti pehme teras ja allub hästi plastilisele deformatsioonile.
8. Terase ja malmi liigid (7.1), antud joon 7-5
Raua sulamid on sellised, kus enamuskomponendiks on raud (nimetatakse ka mustad metallid).
Nende klassifitseerimine põhineb süsiniku ja teiste lisandite sisaldusel.
Kõigepealt jagunevad raua sulamid teraseks (alla 2,1% C) ja malmiks (2,1 – 4,5% C)
7.1.1 Terase liigid
Teraseid klassifitseeritakse sõltuvalt süsiniku ja teiste lisandite sisaldusele. Madala lisandite sisaldusega terased sisaldavad kuni 2,5% lisandeid, suur sisaldus on üle 10%. Süsiniku sisalduse suurenemisega suurenevad tõmbetugevus ja voolamispiir, väheneb plastilisus ja halveneb keevitatavus .
Teraste klassifikatsioon :
1) Väikese C sisaldusega (kuni 0,25% C) terased.
Nad ei sobi termiliseks töötlemiseks martensiidi saamiseks, tugevdamine toimub külmtöötlemise kaudu. Mikrostruktuur koosneb ferriidist ja perliidist. Suhteliselt pehmed , plastilised, kergesti korrodeeruvad, odavad. Peale C sisaldavad tavaliselt ka kuni 1% Mn. Tugevdamiseks lisatakse vahel Si, V, Mo (sajandikud kuni kümnendikud %). Kõige enamkasutatavamad terased, kuna kõige odavamad. Tüüpilised kasutusalad: autokered, profiilterased (torud, vardad , talad, nurkrauad), keevitatavad konstruktsioonid .
2) Keskmise C sisaldusega (0,25 – 0,6% C) terased. Neid saab termiliselt töödelda martensiidiks, kasutatakse peamiselt tempereeritud martensiidi kujul. Seetõttu tugevamad, aga ikkagi hea plastilisusega. Tugevdamiseks ja korrosiooni vähendamiseks lisatakse Cr, Ni, Mo. Valmistatakse näit raudteerelsse.
3) Suure C sisaldusega (0,6 – 1,4% C) terased. Kõige tugevamad, kõvemad ja ka veel küllalt plastilised. Kasutatakse samuti peamiselt tempereeritud martensiidi kujul. Tööriistateras, mis on eriti tugev, sisaldab Cr, V, W ja Mo (1 –10%). Cr, V ja W annavad eriti suure tugevuse, kuna tekivad vastavad karbiidid , mis on väga kõvad. Valmistatakse: tööriistad, lõiketerad, noad, vedrud , traat .
4) Roostevaba teras
See on korrosioonikindel teras. Sisaldab Cr vähemalt 11%, vahel ka Ni ja Mo. Roostevabad terased jaotatakse sõltuvalt mikrostruktuurist ferriitsed, martensiitsed ja austeniitsed. Kaks esimest on ferromagneetikud. Roostevabade teraste hulka kuuluvad ka eriti kuumakindlad terased, mis töötavad oksüdeerivates tingimustes kuni 1000 kraadini (C). Kasutatakse gaasiturbiinides, lennukites, elektriahjudes, tuumareaktorites.
7.1.2 Malmi liigid
Malm sisaldab üle 2,1% C, tavaliselt 3 – 4,5%. Malmi sulamistemperatuur on madalam kui terasel ja seetõttu sobib detailide valuks. Malm on ka rabe, mistõttu ei sobi töötlemiseks plastilise deformatsiooni abil. Tsementiit Fe3C on ebastabiilne ühend ja võib laguneda mitmekordsel kuumutamise ja jahutamisel ferriidiks ning grafiidiks: Fe3C →3Fe(α) + C( grafiit )
Grafiidi tekkimist saab reguleerida lisandite ja jahutamise kiirusega. Grafitiseerumist soodustab Si sisaldus ja aeglane jahutamine. Enamik valumalme sisaldab süsinikku grafiidi kujul. Tähtsamad malmi liigid on valge malm, hall malm, tempermalm ja ülitugev malm.
Kõige enamkasutatavam ja odavam on hall malm, mis saadakse mitte väga kiirel jahutamisel. Grafiit sadeneb seal välja lamellide (liistakute) kujul Gf. Sisaldab räni 1 – 3%. Ta ei ole eriti tugev ja on väga rabe. Survetugevus on parem kui tõmbetugevus. Head omadused – summutab vibratsiooni ja hõõrdetugevus suur, valamistemperatuuril hea voolavus. Kasutatakse näiteks sisepõlemismootorite plokkide, silindrite, kolbide jm valmistamiseks.
Kiirel jahutamisel saadakse valge malm, kuna C ei jõua välja sadeneda grafiidi kujul, vaid tekib tsementiit Fe3C, küll peamiselt pinnal. Valge malm on väga kõva ja rabe. Kasutatakse näiteks kuullaagrite ja kuulveskite kuulide valmistamiseks. Kui valget malmi lõõmutada, sadeneb C välja helvestena Gr ja malm muutub plastilisemaks. Sellist malmi nimetatakse tempermalmiks. Sobib hästi sepistamiseks Kui sulametalli lisada enne valamist veidi Mg ja/või Ce, sadeneb C välja kerajate moodustistena Gn ( struktuurilt sarnane tempermalmile). Tekib ülitugev malm, mis on ka piassava plasiline. Tõmbetugevuselt ja plastilisuselt lähedane terasele, kuid odavam. Kasutatakse näiteks mootorite klappide , pumpade korpuste, hammasrataste jm valmistamiseks.
9. Vask ja alumiinium , nende sulamid (7.2, 7.3), antud joon 7-6
7.2 Vask ja tema sulamid
Puhas vask on suure elektri- ja soojusjuhtivusega, kuid samal ajal väga pehme ja plastiline (tõmbetugevus 220 MPa). Puhast vaske saab elektrolüüsi teel. Väga hästi külmalt töödeldav ja korrosioonikindel. Puhtal kujul kasutamist takistabki pehmus. Termilise töötlemisega mehaanilisi omadusi ei saa parandada. Seda saab teha külmtöötlemisega ja lisandite sisseviimisega (sulamid).
Sulamitest on tähtsaim valgevask ehk messing . Tavaline koostis on 70% Cu ja 30% Zn. Nagu diagrammilt näha, esineb tahke lahus α, mis on TTK võrega. α-messing on mehaaniliselt tunduvalt tugevam, kuid ikkagi üsna plastiline ja hästi külmalt deformeeritav.
Kui sulam sisaldab Zn üle 35%, tekib ka β’ faas, mis on RTK võrega ja mehaaniliselt veelgi tugevam ja kõvem, kuid vähem plastiline. Mehaaniline töötlemine detailideks toimub kuumalt . Sobib ka detailide valuks.
Tähtsuselt teised vase sulamid on pronksid . Pronksid on Cu sulamid peamiselt tinaga (Sn), aga ka selliste elementidega nagu Al, Si, Ni, Be, P. Pronksid on palju tugevamad ja elastsed, korrosioonikindlamad.
Eriti tugev on berülliumpronks (1,9% Be) – tõmbetugevus > 1100 MPa ( terasest tugevam). Seejuures väga suure elektrijuhtivusega, kulumiskindlusega ja külmalt töödeldavusega. Kasutatakse näiteks elektrit juhtivate vedrude valmistamiseks. Pronkside suur tugevus on tingitud lisandite pretsipitaatide (väljasadenenud kogumid) tekkest .
Tähtsad on veel Cu sulamid nikliga, näit konstantaan – suure takistusega. Kasutatakse reostaatide valmistamiseks ja termopaarides (Cu – konstantaan termopaar).
7.3 Alumiinium ja tema sulamid
Al on väga väikese tihedusega (kerge) metall: ρ = 2,7 g/cm3. Ta on hea elektri- ja soojusjuhtivusega ( halvem kui Cu), suure soojusmahtuvusega väga pehme metall (tõmbetugevus 50 MPa). Ta on aktiivne metall, oksüdeerub intensiivselt õhu käes juba toatemperatuuril, kuid tkkiv Al2O3 on väga tihe ja kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Oksiidikihi paksust saab suurendada elektrolüüsi teel, kus Al on anoodiks ja oksüdeerub. Sellist Al nimetatakse anodeeritud alumiiniumiks (veidi kollaka värvusega) ja teda kasutatakse küllalt palju ehitusmaterjalina. Kuna väga plastiline, siis saab valmistada väga õhukest kilet – fooliumi. Omab TTK võret. Tema kasutamist piirab suhteliselt madal sulamistemperatuur: 660C.
Al sulamite tugevus saavutatakse pretsipitaatide tekitamisega. Cu lisamine Al-le 0,12% suurendab tema tõmbetugevust ligi 2 korda (90 MPa). Selliseid Al sulameid kasutatakse väga laialdaselt toidunõudena, kemikaalide säilitusanumatena, soojusvahetajatena, reflektoritena.. Eriti tugevaid sulameid kasutatakse lennuki- ja autotööstuses. Väljatöötamisel on uued Al ja Li sulamid, mis on tugevad ja töötavad hästi ülimadalatel temperatuuridel . Kasutusalad: kosmosetehnika, krüotehnika. Kallid, kuna nõuavad eritehnoloogiaid Li suure keemilise aktiivsuse tõttu.
10. Titaan ja tema sulamid. Väärismetallid. Nikkel ja tema sulamid (7.4.2, 7.4.4, 7.4.5)
7.4.2 Titaan ja tema sulamid
Titaan on suhteliselt uus konstruktsioonimaterjal. Temas on ühendatud terve rida väga häid omadusi:
- väike tihedus (4,5 g/cm3);
- kõrge sulamistemperatuur (1668 C)
- suur tugevus (tõmbetugevus ≈ 500 MPa), suurem kui tavalisel terasel;
- plastilisus, väga hea töödeldavus.
Ti sulamid (peamiselt Al, V ja Cr) on eriti tugevad, parimatel tõmbetugevus kuni 1400 MPa. Puuduseks on asjaolu, et kõrgematel temperatuuridel keemiliselt väga aktiivne. Seega sulatamiseks ja valuks vaja erilisi materjale, see teeb detailide valmistamise kalliks. Madalatel temperatuuridel on Ti ja tema sulamid väga korrosioonikindlad nii õhus, merevees kui ka tööstuslikes agressiivsetes keskkondades . Kasutatakse peamiselt lennukitööstuses, kosmoselaevades, nafta - ja keemiatööstuses. Titaaniga üsna sarnane metall on tsirkoonium Zr.
7.4.4 Väärismetallid
Siia kuuluvad hõbe (Ag), kuld (Au), plaatina (Pt) ja pallaadium (Pd).
Omadused:
- äärmiselt passiivsed, korrosioonikindlad;
- pehmed ja plastilised;
- kallid.
Kasutatakse ehete valmistamiseks. Ag ja Au saab tugevdada lisanditega, peamiselt vasega. Näit lauahõbe on Ag + 7,5% Cu. Ag ja Au on väga suure elektrijuhtivusega, Ag üldse suurimaga. Kuna ka korrosioonikindlad, siis kasutatakse elektroonikas (mikroskeemides) väikeste voolude juhtmetena ja kontaktidena, kõrgsagedustehnikas pinnakatetena jne. Ag siiski õhu käes aeglaselt oksüdeerub (tumeneb). Pt kasutatakse keemialaboratooriumis: tiiglid, elektroodid , termopaarid. Pt on ka üks olulisemaid katalüsaatoreid paljudele reaktsioonidele . Pd omab väga suurt vesiniku neelamisvõimet.
7.4.5 Nikkel ja tema sulamid
Ni on korrosioonikindel paljudes keskkondades, eriti aluselistes. Ni-ga kaetakse teisi metalle kaitseks korrosiooni eest ja ka ilusa välimuse saavutamiseks (nikeldamine). Katmine toimub galvaaniliselt – elektrolüüsi teel. Väga tähtsad on Ni sulamid vasega. Konstantaanist oli juttu . Väga tugev ja vastupidav agressiivsele keskkonnale on sulam 65% Ni, 28% Cu, ülejäänud Fe. Kasutatakse kohtades, kus on kokkupuude hapete ja naftasaadustega. Ni on supersulamite põhikomponent ja kuulub ka roostevabade teraste koostisse. Ni ja Cr sulamit ( nikroom ) kasutatakse vastupidava takistustraadi valmistamiseks kütteelementidele ( elektripliidid , triikrauad jne).
11. Metallide ja sulamite töötlemine (7.5)
Mingi materjali, sh metalli kasutamise mingi detaili valmistamiseks määrab selle materjali töötlemise kergus detailiks ja materjali hind.
7.5.1 Vormimine
Vormimise meetodid on sellised, kus metalli kuju muudetakse plastilise deformatsiooni käigus.Selleks tuleb rakendada jõudu, millele vastav pinge ületab voolamispiiri. Kui deformeerimine viiakse läbi emperatuuril, kus toimub metalli rekristalliseerumine (pärast deformatsiooni), nimetatakse seda kuumtöötlemiseks. Vastasel juhul on tegemist külmtöötlemisega. Kuumtöötlemisel on võimalik tunduvalt suurem deformatsioon ja selleks kuluv energia on väiksem. Teiselt poolt kulub aga energiat kuumutamiseks ja piirab ka see, et suurem osa metalle oksüdeerub õhu käes kõrgematel temperatuuridel, mistõttu saadavate detailide pind ei ole hea.Külmtöötlemisel tuleb rakendada suuremat jõudu ja selleks kulub rohkem energiat. Eeliseks on aga, et detailid on täpsemate mõõtmetega, paremate pinnaomadustega ja ka mehaaniliselt tugevamad.Deformatsiooni aste ei saa olla liiga suur ja deformeerida tuleb tavaliselt mitmes astmes
Stantsimisel saadakse kõige paremate mehaaniliste omadustega detailid. Jaguneb ruumiliseks ja plaatide (lehtede) stantsimiseks. Ruumilisel stantsimisel deformeeritakse kogu metallist toorikut. Teraslehtede stantsimise teel valmistatakse näiteks autokerede detaile.
Sepistamisel deformeeritakse kuuma toorikut löökidega alasi ja haamri vahel. Kõige enamkasutatavam on valtsimine. Valtsid pöörlevad , materjali lükatakse ja tõmmatakseToimub paksuse vähendamine valtside vahel ( plekk ), aga ka mitmesuguse profiili andmine (I – talad, raudteerelsid, nurkrauad jne). Valtsimine toimub mitmes astmes.
Survemeetodeid kasutatakse tavaliselt kuumtöötlemisel, kuna külmalt ei ole materjalid küllalt plastilised ja tuleks rakendada ülisuurt jõudu. Nimetatakse ekstrusiooniks. Seda meetodit kasutatakse peamiselt Al ja Cu ning nende sulamite töötlemiseks. Valmistatakse näiteks vardaid ja torusid. Ekstrusiooni kasutatakse rohkem plastide töötlemisel.
Tõmbamine toimub tavaliselt läbi ava, nii valmistatakse traati. Terastraadi tõmbamisel tuleb kasutada ava valmistamiseks suure kõvadusega materjale, näit karbiide. Libisemise soodustamiseks kasutatakse määrdeaineid ja vahel on vajalik ka mõõdukas soojendamine . Valmistatakse ka kalibreeritud vardaid ja õhukeseseinalisi torusid.
7.5.2 Valamine (valu)
Valumeetodil valatakse sulametall vormi, kus ta omandab vormi kuju. Valuks sobivad metallid ja sulamid, millel on vedelas olekus hea voolavus (väike viskoossus ).
Kasutatakse, kui:
- detail on nii suur või keerulise kujuga, et vormida ei saa;
- sulami deformeeritavus nii külmalt kui kuumalt on liiga väike;
- valu on odavam kui vormimine.
Kõige tavalisem on vormivalu . Nii valatakse näiteks autode mootoriplokke, tuletõrje hüdrante, kanalisatsiooni luuke jne. Survevalu korral surutakse vedel sulam vormi ja jahutatakse surve all. Saavutatakse vormi parem täitumine ja detailide parem kvaliteet. Valuvormid valmistatakse terasest (kokillid) ja neid saab kasutada väga palju kordi. Kiirus tunduvalt suurem kui vormivalul, kuid võimalik kasutada ainult madala sulamistemperatuuriga metallide (Al, Mg, Zn) ja sulamite korral. Kasutatakse väga palju ka plastdetailide valmistamiseks.
Ümbervalu korral valmistatakse detaili täpne koopia vahast või madala sulamistemperatuuriga plastikust . Selle ümber valmistatakse kõvenev vorm (kipsist, savist , tsemendist ). Sellist meetodit kasutatakse, kui on vajalik detaili suur täpsus, reprodutseeritavus ja viimistletus. Näiteks juveelitööstuses, hambakroonide ja proteeside valmistamisel jne.
Pidevat valu kasutatakse paljude metallide ja sulamite esmaseks kristalliseerimiseks. Vedel metall voolab pideva joana liikuvasse vormi, kus ta jahtub (tavaliselt veega jahutatav) ja tahkub. Seejärel läheb kohe edasisele kuum- või külmtöötlemisele.
7.5.3 Pulbermeetodid
Pulbermetallurgia seisneb selles, et sulami või erinevate sulamite segust koosnevast pulbrist pressitakse vajaliku kujuga detailid ja need kuumutatakse temperatuuril, kus toimub ümberkristalliseerumine. Saadaksegi valmis detail.
Kasutatakse siis, kui
1)metallid või sulamid on väga kõrge sulamistemperatuuriga (näit raskeltsulavad metallid);
2)nad on väga erineva sulamistemperatuuriga (näit W ja Cu);
3)nad on väga väikese deformeeritavusega või
4)vajalik on väga suur detailide täpsus.
Pulbermeetodite alla liigitatakse ka metallide keevitamise ja kokkujootmise meetodid.
Keevitamisel kasutatakse metallide ühendamiseks molekulide- või aatomitevahelisi jõude. Nende jõudude mõjule pääsemiseks tuleb materjalide pinnal olevad osakesed viia üksteisele väga lähedale.
Selleks sulatatakse keevitatavad pinnad või kuumutatakse plastilise voolamise temperatuurini ja surutakse kokku. Peamised keevitamise liigid on gaaskeevitus, elektrikeevitus ja kontaktkeevitus (surve all).
Jootmisel sulatatakse ainult madala sulamistemperatuuriga joodis , mis tahkumisel nakkub joodetavate metallidega. Joodised jaotatakse pehmejoodisteks (peamiselt Pb ja Sn baasil) ja kõvajoodisteks (Cu, sulamid Cu-Zn baasil). Jootmisel kasutatakse räbusteid (lahustavad oksiide )
7.5.4 Detailide valmistamine lõikamisega
Peamised metalldetailide valmistamise viisid lõikamisega on treimine , puurimine , freesimine ja lihvimine . Lõikamisel eraldatakse lõikeriista abil metalli kiht laastuna või pulbrina. Lõikeriistaks on vastavalt treitera, puur , freestera ja lihvketas ( lint ), mis on valmistatud tööriistaterasest või muust kõvasulamist ( lihvimise korral abrasiivmaterjalist).
12. Polümeeride tüübid. Termoplastid , vedelkristalsed polümeerid, termoreaktiivsed polümeerid, elastomeerid (8.3), antud joon 8-8 ja 8-9
Termokäitumise järgi liigitatakse polümeerid termoplastseteks ja termoreaktiivseteks.
8.3.1 Termoplastid
Termoplastid on lineaarsed või vähehargnenud polümeerid, mis korduvalt kuumutamisel pehmenevad (vedelduvad) ja jahtudes tahkestuvad. Võivad olla amorfsed või poolkristallilised. Amorfsed võivad olla näiteks polümetüülmetakrülaat, polüstürool, polüvinüülkloriid jt. Osaliselt kristallilised on näiteks polüetüleen (eriti kõrgtihe), polütetrafluoretüleen, polüpropüleen , polüamiidid ( nailon ), polüetüleen-tereftalaat (polüester) jt.
Esinevad ka vedelkristalsed polümeerid. Neis esinevad vedelas olekus korrastatud alad. Korrastus võib olla ühedimensionaalne (nemaatilised) või kahedimensionaalne (smektilised) (joonis 8-8). Vedelkristalses olekus võivad olla näiteks täisaromaatsed polüestrid (polüarülaadid) ja täisaromaatsed polüamiidid (polüaramiidid).
8.3.2 Termoreaktiivsed polümeerid
Kõvastuvad kuumutamisel ja enam ei pehmene enne hävimist (degradeerumist). Esmakordsel kuumutamisel tekivad ahelatevahelised ristsidemed, mis enam ei katke. Termoreaktiivsete polümeeride hulka kuuluvad ka kummid , mis saadakse elastomeeride vulkaniseerimisel.
Elastomeeridel on väga paindunud, keerdunud ja pikk lineaarne ahel, mida on kerge sirgeks tõmmata. Neil on lai elastse oleku piirkond ja suur elastne deformatsioon (väike elastsusmoodul). Pinge eemaldamisel taastavad nad oma esialgse pikkuse.
Kummide termoreaktiivsus avaldub vastupanus kuumutamisele (ei pehmene enne degradeerumist). Kummid saadakse elastomeeride harval ristseostamisel (vulkaniseerimisel). Vulkaniseerimine likvideerib täielikult elastomeeride ahelate omavahelise libisemise (plastsuse) ja laiendab elastse oleku piirkonda. Vulkaniseerimise põhireaktsioon on ristsidumine küllastamata sidemete arvel väävli abil. Ristsidemeid saab tekitada ka funktsionaalsete rühmade kaudu, mis on ainuvõimalik küllastatud elastomeeride korral. Kui ristsidemeid on palju, siis kummi jäigastub – tekib kõvakummi (eboniit), mis on tõeline termoreaktiiv.
13. Polümeeride mehaanilised ja termomehaanilised omadused (8.4), antud joon 8-11 kuni 8-14
Polümeeride mehaanilised omadused on üsna sarnased metallidega, eriti nende käitumine deformeerimisel. Erinevused on selles, et polümeeridel sõltub deformatsioon jõu rakendamise kiirusest, samuti temperatuurist ja keskkonnatingimustest (vee, hapniku, orgaaniliste lahustite juuresolek). Elastsusmoodul, tõmbetugevus ja venitatavus määratakse polymerise samuti, nagu metallidel. Polümeeride tõmbetugevus võib olla väiksem või suurem kui elastsuspiir. Polümeeride elastsusmoodul ja tõmbetugevus võivad olla väga väikesed aga ka võrreldavad metallidega (küllalt suured). Polümeeride venitatavus võib olla väga suur
Temperatuuri mõju polümeeride mehaanilistele omadustele iseloomustab joonis 8-12, kus on toodud polümetüül-metakrülaadi pinge – deformatsiooni sõltuvused. On näha, et temperatuuridel üle 40 kraadi muutub materjal täiesti plastiliseks.
Amorfsed termoplastid võivad sõltuvalt temperatuurist olla kolmes olekus: klaasitaolises (tahkes), viskoelastses ja viskoosses (vedelas) olekus. Sulamistemperatuur Tm ja klaasistumitemperatuur Tg määratakse nagu klaasidelgi ruumala muutuse alusel sõltuvana temperatuurist. Joonisel 8-13 on toodud täielikult amorfse (A), osaliselt kristalse (B) ja täielikult kristalse (C) polümeeri sõltuvused. Osaliselt kristalsel polümeeril esinevad mõlemad temperatuurid. Tavaliselt Tg ≈ 2/3 Tm, kus T on Kelvinites.
Mida väiksem on ahelate painduvus ja mida rohkem on ristsidemeid, seda kõrgem on Tg. Mida suurem on molekulmass , seda kõrgemad on mõlemad temperatuurid.
Allpool klaasistumistemperatuuri on polümeerid veidi elastsed, ülalpool sulamistemperatuuri aga viskoossed (vedelad). Sulamis- ja klaasistumistemperatuuride vahel on nad aga omapärases olekus, mis on elastse ja viskoosse oleku vahepealne ning mida nimetatakse viskoelastseks (kummivoolavaks) olekuks. Deformatsiooni sõltuvus ajast nendes kolmes olekus on esitatud joonisel 8-14. Joonise a osas on pinge sõltuvus ajast, b, c ja d osas aga deformatsiooni sõltuvus ajast vastavalt elastses, viskoelastses ja viskoosses materjalis. Viskoelastses materjalis toimub pinge rakendamisel algul elastne deformatsioon, seejärel hakkab toimuma viskoelastne deformatsioon ja voolamine. Pinge kadumisel kaob kohe elastne deformatsioon ja aeglaselt viskoelastne deformatsioon. Voolamise tulemusena tekkinud plastne deformatsioon säilib.
14. Polümeeride vormimine ja kasutamine (8.5.2, 8.5.3), antud joon 8-15 ja 8-16
8.5.2 Polümeermaterjalide vormimine
Termoplastide korral on enamkasutatavateks meetoditeks ekstrusioon ja survevalu.
Ekstrusioon on meetod, kus sula polümeer surutakse läbi vormiva otsiku konstantse ristlõikega tooteks (plaat, kile, toru, varras , profiiltooted). Ekstrusioon-puhumisvormimisel surutakse materjalist ekstrudeeritud toru sulguva vormi poolte vahele ja puhutakse vormi õõnsuse kujuliseks (kanistrid, mahutid jne).
Survevalu korral surutakse sula polümeer valuvormi ja tahkestatakse vormi õõnsuse kujuliseks
tooteks (joonis 8-15). Võimaldab saada keerulise kujuga tooteid.
Reaktoplastide korral kasutatakse ka survevalu, kui kõvenev polümeer on piisavalt vedel.
Rohkem kasutatakse aga kuumpressimise (pressvormimise) meetodit, kus lähtematerjalist
pressitakse detail kuumutatavas vormis (joon 8-16).
8.5.3 Polümeeride kasutamine
Polümeere kasutatakse järgmisel kujul:
- plastid (kompaktplastid ja kiled);
- kummid ja elastomeerid;
- kiud ja kiudmaterjalid ;
- liimid ja sideained ;
- pinnakattematerjalid;
- komposiitmaterjalid jm.
Plastid. Kõige laialdasem polümeeride kasutusala ongi kompaktplastide sideainena ja kilematerjalina. Plastides kasutatakse nii termoplastilisi kui termoreaktiivseid polümeere. Valmistatakse väga erinevaid detaile. Vahtplaste (peamiselt vahtpolüstürool) kasutatakse heli- ja soojusisolatsiooniks ning pakkematerjalina.
Kile valmistamiseks kasutatakse kõige enam polüetüleeni, aga ka PVC-d ja polüpropüleeni, looduslikest tselluloosi baasil valmistatud tsellofaani.
Kummide kasutusala on väga lai: autode, mootorrataste, traktorite, jalgrataste jne rehvid , mitmesugused tihendid , rihmad , jalanõud jne.
Eraldi väärib märkimist polüsiloksaanahelaga kautšuk (vt joonis 9-10). Temast saadavat kummit nimetatakse silikoonkummiks. Tema töötemperatuuri piirkond on tunduvalt laiem kui teistel, ta on ilmastiku- ja õlikindel.
Sünteetiliste kiudude valmistamiseks saab kasutada polümeere, mida saab tõmmata peenteks kiududeks. Tähtsamad on polüamiidid (nailon, kapron ) ja polüester. Poolsünteetilistest polümeeridest kasutatakse atsetaat -tselluloosi (atsetaatsiid). Looduslikud polümeersed kiudmaterjalid on teatavasti puuvill, vill , siid, lina, kanep jt.
Liimideks (adhesiivideks) sobivad paljud polümeerid, kuna neil on hea nakkuvus paljude materjalidega.
Kõvendajatena kasutatakse amiine või hapete anhüdriide. Amiinide abil toimub kõvenemine toatemperatuuril, anhüdriidide korral tuleb kuumutada üle 100 oC.
Polümeerseid kattekihte kasutatakse aluse kaitseks agressiivse keskkonna eest, välimuse parandamiseks ja ka elektroisolatsiooniks. Väga levinud on näiteks PVC katted (plekk-katused, vihmaveesüsteemid jne).
15. Metallide elektrijuhtivus ja ülijuhtivus (9.4, 9.5)
Metallide elektrijuhtivus:
Metallides on suur vabade elektronide arv – kõigi kristalli aatomite valentselektronide arv – ja see ei sõltu temperatuurist. Suurima juhtivusega metallid on hõbe ja vask. Lisandid ja defektid suurendavad elektronide hajutamist, vähendavad liikuvust ja seega ka erijuhtivust. Metallide korral kasutatakse juhtivuse iseloomustamiseks rohkem eritakistust. Eritakistust seega lisandid ja defektid suurendavad.
Eritakistuse sõltuvus temperatuurist.
Temperatuuri tõusul elektronide liikuvus väheneb, kuna hajutamine aatomite poolt suureneb. Samal ajal elektronide kontsentratsioon ei muutu, seega eritakistus kasvab.
Juhtivusmaterjalidena ( juhtmed , kaablid ) kasutatakse kõige rohkem külmalt töödeldud (traadiks
tõmmatud) vaske. Väga nõrga voolu ja ülikõrgsagedusvoolu korral kasutatakse hõbedat ja eriti
kulda, kuna need ei korrodeeru. Kõrgsagedusvool koguneb teatavasti pinnale ja vajalik on suur
pinnajuhtivus, korrosiooniproduktid ( oksiidid ) on aga suure takistusega.
9.5 Ülijuhtivus
Suuremal osal ülipuhastel metallidel väheneb eritakistus temperatuuri lähenemisel 0 K-le mingile väikesele väärtusele ρ0 .Mõnedel metallidel saab eritakistus peaaegu võrdseks nulliga juba enne 0 K saavutamist. Selliseid materjale nimetatakse ülijuhtideks ja nähtust ülijuhtivuseks. Kõigist tuntud metallidest umbes pooltel esineb ülijuhtivus, kuid ülijuhtivuse tekkimise temperatuur on erinev ja asub vahemikus 0,01 K ( volfram ) kuni 9,2 K ( nioobium ). Ülijuhis praktiliselt puudub energiakadu . Peale metallide on ülijuhtivus leitud ka mitmetes ühendites, kusjuures tunduvalt kõrgemal temperatuuril. Ülijuhtivad materjalid on äärmiselt perspektiivsed elektrienergia ülekandmisel.
16. Dielektrikud ja isolatsioonimaterjalid, nende omadused ( polarisatsioon , juhtivus , läbilöök) ja kasutamine. Elektriisolatsioonimaterjalid, (9.7), antud joon 9-19 ja 9-20
9.7.1 Dielektrikute omadused
Dielektrikute (isolaatorite) kõige iseloomulikum omadus on nende polariseerumine välises elektriväljas. Polarisatsioon – see on laengute nihkumine dielektriku sees nii, et tekib sisemine elektriväli, mis on suunatud vastupidi välisele väljale. Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus.
Peamised polarisatsiooni liigid (laengute nihkumise liigid) on järgmised (joon 9-20):
A – elektronpolarisatsioon – elektronpilve deformatsioon.
B – ioonide polarisatsioon – ioonide nihkumine võresõlmedest välja.
C – orientatsioon-polarisatsioon – polaarsete molekulide orienteerumine välise välja suunas
Puhtad dielektrikud ei sisalda vabu laengukandjaid ja ei oma juhtivust. Reaalsed dielektrikud sisaldavad alati lisandeid, mis tekitavad teatud juhtivuse. Kõrgematel temperatuuridel on võimelised liikuma ka dielektriku ioonid (kui ta on ioonilise ehitusega) ja tekib ioonjuhtivus. Vahelduvas elektriväljas tekib dielektrikus polarisatsioonivool, mis on seotud laengute nihkumine ühes suunas ja teises suunas. Küllalt suure pinge juures kaotab dielektrik oma isoleerivad omadused ja toimub elektriline Joonis 9-20 läbilöök sädeme või elektrikaare kujul. Vastavat pinget nimetatakse läbilöögipingeks.
Isolatsioonimaterjalil peab olema võimalikult suur eritakistus ja väike dielektriline läbitavus st ta peab olema mittepolaarne . Peale selle on oluline veel läbilöögipinge, mis peab olema võimalikult suur.
9.7.2 Dielektrikute kasutamine
Dielektrikuid kasutatakse elektriisolatsioonimaterjalidena ja kondensaatorite dielektrikuna. Polümeeridest on paremad elektriisolatsiooniomadused mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel: polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil.
Polaarsetest lineaarsetest polümeeridest kasutatakse polüvinüülkloriidi (PVC), orgaanilist klaasi (polümetüülmetakrülaat), lavsaani, polüamiide (kapron, nailon) ja polüuretaani. Nende elektroisolatsiooniomadused on veidi halvemad (eritakistus umbes 2 suurusjärku väiksem)
Vilk on looduses esinev kristalne aine, mis on kihilise ehitusega (laguneb kergesti õhukesteks kihtideks). Keemiliselt koostiselt on vilk mitmesuguste kristallvett sisaldavate alumosilikaatide segu, millest tähtsamad on: - muskoviit - flogopiit
Muskoviit on läbipaistev aine ja üldse üks paremaid elektriisolatsioonimaterjale. Eriti suur on tema läbilöögipinge (100 kV/mm) ja kuumakindlus (600 C). Need andmed on vilgul risti kihtidega.
Isolatsioonimaterjalidena kasutatakse veel anorgaanilisi klaase ja eriti keraamilisi materjale. Konkreetsetest materjalidest võib nimetada tavalist isolaatoriportselani, mille põhikomponent on kristalne aine mulliit 3Al2O3·2SiO2. Mulliit saadakse kaoliini ja korundi (Al2O3) kooskuumutamisel.
17. Valguse koosmõju tahke kehaga . Metallide optilised omadused (10.2, 10.3), antud joon 10-2
10.2 Valguse koosmõju tahke kehaga :
Kui valgus läheb ühest keskkonnast teise (näiteks õhust mingisse tahkesse materjali), siis juhtub nii mõndagi. Osa valgusest võib peegelduda keskkondade piirpinnalt, osa neelduda (absorbeeruda) selles ja osa läbida selle tahke materjali.
Materjale, mis lasevad suurema osa pealelangenud valgusest läbi ( neeldunud ja peegeldunud osa on väike) nimetatakse läbipaistvateks. Läbipaistmatud materjalid neelavad või peegeldavad kogu pealelangeva valguse. Osa materjale laseb küll valgust mingil määral läbi, kuid mitte otse, vaid hajunud kujul. Sellised materjalid näivad matid.
Metallid on läbipaistmatud, isolaatorid on tavaliselt läbipaistvad, pooljuhid võivad olla nii läbipaistvad kui ka läbipaistmatud. Pooljuhid on läbipaistvad valguse suhtes, mille footoni energia on väiksem keelutsooni laiusest, st kui λ > h·c/Eg.
10.3 Metallide optilised omadused:
Suur tühjade elektronide energianivoode olemasolu metallides veidi kõrgemal täidetud nivoodest tingib selle, et metallid neelavad kogu pealelangeva nähtava valguse (joon 10-2 a). Footonid annavad oma energia elektronidele, ergastades nad kõrgematele tühjadele nivoodele. Seetõttu on metallid läbipaistmatud kogu elektromagnetilise kiirguse pikemalainelisele osale kuni ultravioletse kiirguse keskosani. Metallid on läbipaistvad röntgen- ja gammakiirguse suhtes.
Suurem osa neeldunud valgusest kiiratakse metalli poolt uuesti välja. Ergastatud elektronid lähevad tagasi madalamatele tühjaks jäänud nivoodele ja kiirgavad välja footoni ligikaudu sama lainepikkusega (joon 10-2 b). See on samaväärne valguse peegeldumisega. Metallid (eriti lihvitud ja poleeritud pinnaga) peegeldavad umbes 90 – 95 % pealelangevast valgusest. Ülejäänud osa kiirguse energiast eraldub soojusena. Selle tõttu on peegeldunud valgus veidi väiksema footoni energiaga (pikema lainepikkusega).
Sellise protsessi tulemusena omavad suurem osa metalle hõbedast värvust, kui neid valgustada valge valgusega. Mõnede metallide peegeldusspektris on rohkem pikemalainelist valgust, mistõttu nad on kollase värvusega (kuld) või punakas-oranži värvusega (vask).
18. Materjali värvus. Polümeeride ja komposiitide optilised omadused. Optiliste omaduste kasutamine (10.4.4, 10.5, 10.6), antud joon 10-6 ja 10-8
10.4.4 Materjali värvus
Valguse neeldumistegur läbipaistvas materjalis sõltub valguse lainepikkusest. Joonisel 10-6 on toodud peegeldunud, neeldunud ja läbinud valguse osakaal rohelises klaasis. Näeme, et kõige rohkem neeldub roheline valgus, läbib aga sinine ja kollakas-oranž. Viimased annavadki kokku rohelise värvuse. Kui materjal neelab kõiki lainepikkusi ühtlaselt, siis on ta värvitu, nagu näiteks ülipuhas klaas, ülipuhas monokristalne teemant ja safiir (Al2O3).
Dielektrikutes tekib neeldumine ja sellele järgnev kiirgamine juhul, kui on sisse viidud lisandeid, mis tekitavad lubatud energiaga nivoosid keelutsoonis. Näiteks kui viia safiiri Cr3+ ioone, siis omandab ta punase värvuse ja saame rubiini. Joonisel 10-7 on toodud rubiini neeldumisspekter . Rubiini värvust ei määra aga mitte niivõrd läbinud valguse lainepikkused, kuivõrd valguse poolt ergastatud elektronide tagasilangemisel valentstsooni (läbi lisandinivoode) eralduv kiirgus. Värvilise klaasi saamiseks lisatakse talle erinevaid ioone.
Materjali värvus langeva valguse poolsel küljel on määratud peegeldumisteguri sõltuvusega lainepikkusest. Näiteks joonisel 10-7 toodud roheliselt klaasilt peegeldub valgus kõige rohkem samadel lainepikkustel, kus läbibki. Seega peegeldunud valguses on värvus sama, kuid see ei ole alati nii. Küljelt vaadatuna määrab värvuse hajunud valgus, mis on tavaliselt sama lainepikkusega kui läbinud valgus, kuid mitte alati.
10.5 Polümeeride ja komposiitide optilised omadused
Polümeerides ja komposiitides on tavaliselt kristalsed osad suurema murdumisnäitajaga ja amorfne keskkond väiksema murdumisnäitajaga. Tulemusena suur osa valgusest materjalis hajub (peegeldub ja murdub) ning materjali läbipaistvus väheneb. Selline materjal on valges valguses matt (joon 10-8).
Optiliste omaduste kasutamine
Materjalide optilisi omadusi kasutatakse kõige rohkem pooljuhtmaterjalide korral. Näiteks valmistatakse igasuguseid valgustundlikke andureid , mis on tundlikud erinevas spektri piirkonnas infrapunasest kuni ultravioletse valguseni. Päikesevalgust võib vahetult muuta elektrienergiaks pooljuht -päikeseelementide abil. Nad töötavad põhimõttel, et pooljuhis p-n siirdealas (p – juhtivusega ja n – juhtivusega alade kokkupuutepiirkond) neeldunud valgus tekitab seal auk- elektron paari, mis sisemise elektrivälja toimel liiguvad eri suundades ja tekitavad välisahelas pinge. Väga lai optiliste omaduste kasutusala on laserid ( rubiinlaser , pooljuhtlaserid) ja valgusdioodid , mida kasutatakse indikaatorites – neid võib teha väga väikeseid, valgustäpi suurusi.
19. Materjalide soojuslikud omadused: soojusmahtuvus , soojuspaisumine ja soojusjuhtivus (11.1), antud joon 11-1 ja 11-2
Soojusmahtuvus
Keskmine soojusmahtuvus on soojushulk Q, mida materjalile tuleb anda, et tõsta tema temperatuuri 1 kraadi võrra. Tegelik soojusmahtuvus C on piirväärtus, millele läheneb keskmine soojusmahtuvus, kui temperatuuri vahemik ΔT läheneb nullile. Soojusmahtuvus on seotud kristallvõre sõlmedes olevate osakeste võnkumisega. Need võnkumised toimuvad tasakaaluasendi ümber väga suure sagedusega ja väikese amplituudiga. Kuna osakesed on omavahel seotud sidemetega, siis on naaberosakeste võnkumine omavahel seotud ja kristallis tekib lainetuse taoline nähtus. Võnkeenergia ei saa omada igasugust väärtust (energia on kvanditud).
Väikseim võnkeenergia ühik kannab nimetust foonon .
Kuna võnkumiste intensiivsus temperatuuri alanemisel väheneb siis väheneb ka soojusmahtuvus. 0 K lähedal saab ta peaaegu võrdseks nulliga.
Suurim soojusmahtuvus on polümeersetel materjalidel, väiksem keraamilistel materjalidel ja metallidel. Metallidest on suurim soojusmahtuvus alumiiniumil.
Soojuspaisumine
Suurem osa materjale paisub temperatuuri tõusul.
Atomaarsel tasemel tähendab materjali paisumine aatomitevahelise kauguse suurenemist . Seda on võimalik selgitada aatomite potentsiaalse energia (sidemeenergia) sõltuvusega aatomite vahelisest kaugusest (joon 13-2a).
Kõrgematele temperatuuridele vastavad vibratsiooni energiad E1, E2 jne. Koos energia kasvuga kasvab ka vibratsiooni amplituud – näidatud nooltega. Kuna potentsiaalse energia sõltuvus vahekaugusest on ebasümmeetriline, siis suureneb temperatuuri tõusul ka keskmine vahekaugus (vastavalt r1, r2 jne). Kui potentsiaali auk oleks sümmeetriline , siis paisumist ei toimuks .
Mida tugevam on side aatomite vahel, seda järsem ja kitsam on potentsiaali auk ning seda väiksemad on αl ja αv. Suurim paisumine esineb polümeeridel, väiksem metallidel ja veel väiksem keraamilistel materjalidel. Mida väiksem on αv, seda paremini talub materjal termilisi lööke. Kõige väiksem αv on sulatatud kvartsil, mida võib valge hõõgumise temperatuurilt asetada vette.
Soojusjuhtivus
Materjali soojusjuhtivust iseloomustab soojusjuhtivuse tegur k.
Soojuse ülekanne toimub kahe mehhanismi kaudu:
1) kristallvõre võnkeenergia (foononite) ülekandumisena;
2) vabade elektronide energia ülekandumisena.
Metallidel on peamine ülekandemehhanism – vabade elektronide abil.
Metallide soojusjuhtivus ongi suurim, väiksem on see keraamilistel materjalidel ja veel väiksem polümeeridel.
Termoisolatsiooniks kasutatavatel materjalidel peab olema võimalikult väike soojusjuhtivus.
20. Ferromagnetism ja ferrimagnetism (11.2.1), antud joon 11-5 ja 11-7
Välist magnetvälja iseloomustab magnetvälja tugevus H. Magnetvälja materjali sees iseloomustab magnetiline induktsioon ehk magnetvoo tihedus B.
Sõltuvalt μ väärtusest jaotatakse materjalid kolmeks:
1) ferromagneetikud ( magnetmaterjalid )mille μr >>1
2) paramagneetikud , mille μr ≥1
3) diamagneetikud , mille μr ≤1
Magnetmomentide tekkimine magnetmaterjalides on seotud elektronide spinnidega.
Ferromagneetikutes esinevad makroskoopilised osad – domeenid – mille piires on kõigi elektronide spinnid orienteeritud paralleelselt (joon 13-4). Üksikud domeenid on orienteeritud juhuslikult, mistõttu materjalil summaarne magnetmoment puudub.
Magnetilise induktsiooni sõltuvust materjalis välise magnetvälja tugevusest B = f(H) nimetatakse magneetimiskõveraks (joonised 13-5 ja 13-7). Magneetimisel toimub kaks efekti:
1) domeenide kasv (kasvavad need domeenid, mille orientatsioon on lähedane välise magnetvälja suunale);
2) domeenide magnetmomentide pöördumine välise välja suunda.
Kui need protsessid lõpevad, saavutatakse küllastus, millele vastab küllastusinduktsioon Bs.
Magneetimiskõveralt saab leida magnetilise läbitavuse μ. Välise magnetvälja perioodilisel muutmisel tekib nn hüstereesisilmus.
Ferrimagneetikud erinevad ferromagneetikutest selle poolest, et neis on osa spinne orienteeritud vastupidises suunas ja nende magnetmomendid on väiksemad. Neid nimetatakse ferriitideks. Tüüpiline esindaja on magnetiit Fe₃O₄. Nende μ ja Bs on veidi väiksemad kui ferromagneetikutel.
Magnetilised omadused (näiteks μ) sõltuvad temperatuurist. Ülalpool teatud temperatuuri (Curie temp) ferromagnetilised omadused kaovad, kuna domeenide struktuur kaob.
21. Magnetmaterjalid. Magnetiliselt pehmed ja kõvad materjalid. (11.2.2)
Tüüpilised ferromagnetilised materjalid on Fe, Co ja Ni. Mitmed keraamilised materjalid (ferriidid) on ferrimagneetikud.
Magnetmaterjalid jaotatakse magnetiliselt pehmeteks ja magnetiliselt kõvadeks. Erinevus on hüstereesisilmuses. Magnetiliselt pehme materjali hüstereesisilmus on kitsas , neil on suur μ ja väike Hc. Magnetiliselt kõvadel on väiksem μ, aga suur Hc.
Magnetiliselt pehmeid materjale kasutatakse vahelduvas magnetväljas ( trafode ja poolide südamikud jne). Kuna esinevad energiakaod pöörisvoolude tekkimise tõttu, siis eelistatakse suurema eritakistusega materjale.
Kasutatakse järgmisi materjale:
1) Ülipuhas raud – tal on ülisuur μ: μmax = 1430000 H/m.
Väikese ρ tõttu kasutatakse ainult püsiva magnetvoo juhina .
2) Elektrotehniline lehtteras: sisaldab 4% Si, mis suurendab eritakistust. Kasutatakse isoleeritud lehtede kihina, mis takistab pöörisvoolude tekkimist.
3) Permalloidid – Fe ja Ni sulamid. Paremate omadustega, kuid kallimad.
4) Ferriidid – kõrgsageduslikud materjalid, kuna suur eritakistus.
Magnetiliselt kõvasid materjale kasutatakse püsimagnetite, magnetlintide ja magnetiliste mäluelementide valmistamiseks.
Kasutatakse järgmisi materjale:
1) legeeritud ja karastatud terased;
2) magnetiliselt kõvad sulamid (näit alniko Fe – Al – Ni – Co);
3) magnetiliselt kõvad ferriidid.
Nende tähtsaim omadus on väljapoole antav maksimaalne energia, mis võrdub korrutise B·H maksimumiga. Suurima energiaga on alniko, SmCo5 ja eriti mõned ferriidid (Nd2Fe14B).
22. Silikaatne keraamika , SiO2, silikaadid , süsiniku modifikatsioonid (12.2), antud joon 12-7, 12-10 kuni 12-12.
Silikaatne keraamika
Silikaadid koosnevad peamiselt ränist ja hapnikust, on peamised koostisosad kivimites , savis , liivas .On iseloomulik räni ja hapniku tetraeedrite (SiO tetraeedrite) esinemine (joon 8-7). Side Si ja O vahel on suunatud, st on teatud määral kovalentne .Erinevate silikaatide struktuurides on need SiO tetraeedrid ühendatud erinevateks ühe-, kahe- või kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
Ränidioksiid SiO2 :
Keemiliselt lihtsaim silikaatne materjal on SiO2, mis on liiva põhikoostisosa. SiO2 struktuur koosneb vaadeldud tetraeedritest, kus tetraeedri tipus olev hapnik on ka teise tetraeedri tipuosakeseks. Kui need tetraeedrid paiknevad korrapäraselt, tekibkristallstruktuur. SiO2 omab kolme polümorfset kristallmodifikatsiooni: kvarts , kristobaliit ja tridimiit.Kuna side on osaliselt kovalentne ja suunatud, siis on võre üsna hõre ja materjali tihedus on väike. . Kuna side on tugev, siis omab SiO2 kõrget sulamistemperatuuri.
SiO2 võib olla ka mittekristalses e klaasitaolises olekus, kus tetraeedrite paigutus on mingil määral juhuslik. Tetraeedrid esinevad ka vedelas SiO2-s, kus nad paiknevad juhuslikult. Silikaatklaasid on sisuliselt allajahutatud vedelikud, kus tetraeedrid ei ole jõudnud omandada korrapärast paiknemist.
On veel oksiide, mille jahtumisel on kristallide teke raskendatud ja mis seetõttu moodustavad klaasi. Koos SiO2-ga nimetatakse neid klaasimoodustavateks oksiidideks (veel B2O3 ja P2O5).
Tavalised anorgaanilised klaasid (näit aknaklaas ) on silikaatklaasid (klaasimoodustaja SiO2), kuhu on lisatud ka teisi oksiide ( Na2O , CaO jt)
Silikaadid
Silikaatsetes mineraalides esinevad need SiO₄⁴⁻ tetraeedrid üksikult või kompleksidena kahest, kolmest jne tetraeedrist (joon 8-10). On võimalik ka tsüklite ja ahelate tekkimine tetraeedritest.
Ühe tetraeedriga on näiteks mineraal fosteriit (Mg₂SiO₄), kahe tetraeedriga mineraal akermaniit (Ca₂MgSi₂O₇).
Tetraeedritest võivad moodustuda ka kihid. Nende kihtide struktuur on analoogiline kristalse kvartsi struktuuriga.
Savi ühes põhikomponendis – kaoliinis – on need (Si₂O₅)²⁻ kihid seotud Al₂(OH)₄²⁺ kihtidega (joon
8-23). Need kaks kihti on seotud omavahel tugevate iooniliste – kovalentsete sidemetega ja moodustavad kaksikkihi. Sellistest paralleelsetest kaksikkihtidest koosnevadki õhukesed savi „libled“, läbimõõduga kuni 1 μm. Kihilise ehitusega on ka paljud teised silikaatsed mineraalid.
Süsiniku modifikatsioonid
Süsinik esineb mitme polümorfse modifikatsioonina ja ka amorfsena.
Teemant on toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul metastabiilne modifikatsioon . Ta tekib ülikõrgel rõhul. Sidemed on puhtalt kovalentsed. Iga süsiniku aatomi naabrid moodustavad jällegi tetraeedri. Võre on võrdlemisi hõre
Teemandi füüsikalised omadused on äärmiselt atraktiivsed. Ta on kõige kõvem kõigist tuntud materjalidest. Elektrijuhtivus on äärmiselt väike, kuid soojusjuhtivus on ebanormaalselt suur mittemetallilise aine jaoks. Ta on optiliselt läbipaistev nähtavas ja infrapunases spektriosas. Tal on suur murdumisnäitaja . Tööstuses kasutatakse teemanti lõikeriistades. Teemanti saadakse ka sünteetiliselt, peamiselt polükristalse kilena, gaasifaasis toimuva reaktsiooni abil. Kilet kasutatakse igasuguste pindade kõvendamiseks (lõike, puurimise , lihvimise jm tööriistad).
Teine modifikatsioon on grafiit, mis on tavatingimustes stabiilne. Grafiit on kihilise ehitusega.
Kihtides on iga C aatom seotud kolme teise C aatomiga tugeva kovalentse sidemega. Neljas süsiniku valentselektron võtab aga osa kihtidevahelisest van der Waalsi sidemest (nõrk side). Sellised kihid libisevad väga kergelt üksteise suhtes ja grafiiti saab kasutada määrdeainena (grafiitmääre). Grafiidi kristallid on väga anisotroopsete omadustega. Näiteks elektrijuhtivus piki kihte on suur nagu metallidel, risti kihte aga sadu kordi väiksem (nagu pooljuhtidel ). Polükristalse grafiidi juhtivus on vahepealne.
Grafiiti kasutatakse väga laialdaselt tänu tema keemilisele passiivsusele kõrgete temperatuurideni mitteoksüdeerivas (hapnikuvabas) keskkonnas. Kasutusalad: kütteelemendid, elektroodid, valuvormid, keemilised reaktorid, tiiglid ja konteinerid, takistid , galvaanielemendid, õhupuhastites jne.
Kolmas modifikatsioon on 1985.a avastatud nn fullereenid . Need on sfäärilised moodustised 60-st C aatomist, mida võib nimetada ka molekuliks (joon 8-12). Materjal kristalliseerub nii, et need fullereenid moodustavad PTK võre. Materjal on dielektrik, kuid sobivate lisandite sisseviimisel võib saada pooljuhi või elektri juhi.
Nanotoru. Siin moodustab C aatomite kiht (grafiidi üksikkiht) nanomõõtmetes toru – läbimõõt kuni 100 nm.
Toru otsad on sfäärilised nagu fullereenid ja toru pikkus võib olla tuhandeid kordi suurem läbimõõdust – mikromeetrites. Sellised nanotorud on väga tugevad ja jäigad, kuid suhteliselt hea venitatavusega. Tõmbetugevus on suurusjärk suurem kui süsiniku kiududel, seega tugevaim tuntud materjalidest. Samal ajal tihedus on suhteliselt väike. Väga perspektiivne materjal suure tugevusega komposiitide valmistamiseks.
23. Anorgaanilised klaasid. Klaasisordid ja klaasdetailide valmistamine (12.5), antud joon 12-19
Anorgaanilised klaasid peavad sisaldama vähemalt ühte klaasimoodustavat oksiidi, tavaliselt SiO2. Peale selle sisaldavad nad ka teisi oksiide: CaO, Na2O, K2O, Al2O3 jt. Tavalist klaasi kasutatakse aknaklaasina, klaastaarana, laboriklaasina, optiliste läätsede valmistamiseks, klaaskiu valmistamiseks jne. Klaasi lähteained on: räniliiv (SiO2), sooda (Na2CO3), potas (K2CO3), lubjakivi (CaCO3), booraks (Na2B4O7) jm.
Mõned klaasisordid, nende koostis, omadused ja kasutamine:
Klaas SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 Omadused Kasutamine
1. Sulatatud kvarts >99,5 Väga väike Tiiglid,
joonpais. tegur konteinerid
2. Kvartsklaas 96 4 Termolöökide kindel, Laboriklaas
(Vycor) keemil. vastupidav
3. Boorsilikaatklaas 81 3,5 2,5 13 - „ - Laboriklaas,
( Pyrex ) toidunõud
4. Aknaklaas 74 16 5 1 (4MgO)Madal sulamistemp, Aknaklaas
kerge töödelda
5. Klaaskiud 55 16 15 10(+4MgO) Kergelt kiududeks
tõmmatav
6. Optiline klaas 54 1 (+37 PbO+8K2O) Suure tiheduse ja Läätsed jm
murdumisnäitajaga
7. Klaaskeraamika 70 18 (+4,5TiO2 Toidunõud
+2,5Li2O)
Klaasid kui mittekristalsed materjalid ei oma kindlat sulamistemperatuuri. Kuumutamisel muutuvad nad järjest pehmemaks ja voolavamaks, kuni näivad vedelad. Üks erinevus kristalsete ainete ja klaaside vahel on veel see, et klaasidel ei toimu tahkumisel hüppelist mahu muutu. Klaasistumistemperatuuril Tg (seal muutuvad rabedaks) toimub ainult väike kalde muutus.
Joonisel 12-19 on esitatud mõnede klaasisortide viskoossuse sõltuvust temperatuurist (viskoossus –
vedelike omadus takistada teiste vedeliku kihtide voolamist ; mida suurem viskoossus, seda väiksem
voolavus). Joonisel on olulised järgmised punktid:
1) Sulamispunkt – viskoossus η on umbes 10 Pa·s – muutub vedelaks
2) Tööpunkt (η = 1000 Pa·s) – võimalik töödelda klaasimassi
3) Pehmenemispunkt (η = 5·10ˇ6 Pa·s) – hakkab deformeeruma
4) Lõõmutuspunkt – sellele vastaval temperatuuril toimub lõõmutus, mille käigus kõrvaldatakse termilised pinged , mis tekivad kiirel jahutamisel
5) Klaasistumispunkt – muutub rabedaks
Suurem osa klaasi vormimise operatsioone teostatakse tööpunkti ja pehmenemispunkti vahel. Seda nimetatakse töötlemise piirkonnaks . Selle piirkonna temperatuur sõltub klaasi sordist.
Klaasdetailide valmistamine:
Lähtematerjalid sulatatakse koos. Kui on vajalik läbipaistvus, siis peab klaasimass olema homogeenne ja mullivaba, st küllalt vedel. Detailide valmistamiseks kasutatakse peamiselt kolme tehnoloogiat:
1) pressimist; 2) puhumist; 3) tõmbamist.
Pressimist kasutatakse suhteliselt paksude detailide valmistamiseks, näiteks toidunõud. Pressvorm on grafiidiga kaetud malmvorm, mida kuumutatakse. Puhumist kasutatakse pudelite, elektripirnide jne valmistamiseks.
Puhumine võib toimuda samuti vormi sisse ja teostatakse tavaliselt automaat - seadmetega. Keeruliste ja kunstiesemete puhumine toimub käsitsi.
Tõmbamist kasutatakse aknaklaasi, torude ja varraste valmistamiseks.
Eraldi tehnoloogia on väga pikkade, ühtlase läbimõõduga ja peenikeste klaaskiudude tõmbamiseks. Neid kasutatakse näit klaasriide valmistamiseks ja komposiitides. Erikujulisi klaaskiude kasutatakse lainejuhtides (fiiberoptilised kaablid). Iga kiud koosneb kahest osast: keskmine suurema murdumisnäitajaga osa ja välimine väiksema murdumisnäitajaga kiht. Sellisel juhul toimub valguskiirte täielik sisepeegeldumine kahe kihi piirpinnalt ja kiired ei välju kiust. Küll toimub valguse intensiivsuse mõningane vähenemine (neeldumise tõttu) ja impulsside ajaline pikenemine. Kaabel koosneb kümnetest tuhandetest kiududest.
Veel mõnedest klaasisortidest.
Värviline klaas saadakse järgmiste oksiidide abil: CaO – sinine; Cr2O3 – roheline; MnO2 – pruun; UO2 – kollane.
Ultraviolettkiirgust läbilaskev klaas on sulatatud kvarts.
Karastatud klaas saadakse kiirel ja ühtlasel jahutamisel, tavaliselt külma õhu joas. Ta on raskesti purunev .
Klaaskeraamika on kristalliseerunud klaas. Kristalliseerumist püütakse tavaliselt klaasi valmistamisel vältida, kuna kristalne klaas on polükristalse ehitusega ja seetõttu läbipaistmatu (piimjas – valge). Aga tal on ka väga häid omadusi: tal on väga väike ruumpaisumise tegur ja ei karda seetõttu termilisi lööke; tal on suurem soojusjuhtivus ja mehaaniline tugevus kui klaasil jne. Seetõttu sobib keedunõude ja teiste termilisi lööke taluvate toidunõude valmistamiseks. Klaaskeraamika saamiseks tuleb viia klaasimassi lisandeid, mis tekitavad kristallisatsiooni idusid. Sellisteks lisanditeks sobivad TiO2 , Li2O jt.
24. Traditsiooniline keraamika. Keraamiliste detailide valmistamine (12.6)
Traditsiooniliseks nimetatakse savi baasil valmistatud keraamikat. Savi on keraamiliste materjalide kõige enamkasutatavam lähtematerjal, kuna ta on odav, teda on palju, teda saab kasutada ilma muude lisanditeta ja savi segu veega on väga plastiline ning hästi vormitav.
Savi baasil valmistatud keraamika jaguneb laias laastus ehituskeraamikaks ja portselaniks. Ehituskeraamika hulka kuuluvad tellised, kahhelkivid, keraamilised plaadid jne. Portselan on selline keraamika, mis põletamisel muutub valgeks. Portselanist valmistatakse toidu- ja muid nõusid, sanitaartehnikat, elektriisolaatoreid jne. Portselan sisaldab peale savi veel teisi komponente, mis mõjutavad detailide omadusi.
Savid on alumosilikaadid, st sisaldavad Al2O3-e, SiO2-e ja keemiliselt seotud vett (kristallvett). Savi põhikomponendi kaoliini Al2(Si2O5)(OH)4 valemi võib kirjutada ka Al2O3·2SiO2·2H2O, ta on kihilise ehitusega. Kui lisada savile vett ja segada, siis tungib vesi kihtide vahele ja on seal õhukese kilena. Seetõttu saavad niiskes savis kihid üksteise suhtes kergelt liikuda.
Peale savi sisaldab portselan veel täiteaineid ja sulandajaid. Täiteainena kasutatakse tavaliselt liiva ja sulandajana põldpagu. Põldpagu on samuti alumosilikaat, mis sisaldab Na+, K+ ja Ca+ ioone. Ta omab suhteliselt madalat sulamistemperatuuri ja tahkumisel moodustab klaasi. Tüüpilised portselanid sisaldavad umbes 50% savi, 25% puhast kvartsliiva ja 25% põldpagu.
Keraamiliste detailide valmistamine.
Komponentidest vormitakse mitmesuguste märg- ja kuivmenetluste teel detailid. Peamised meetodid on hüdroplastiline vormimine, vormivalu ja pulbri pressimine.
Järgneb kuivatamine (kui kasutati märgmenetlust). Kuivatamisel maht veidi väheneb, kuna vesi eemaldub savi kihtide vahelt. Niiskuse eemaldumine pinnalt auramise teel ei tohi olla liiga kiire, mitte kiirem kui vee difusioon sisemusest pinnale. Vastasel juhul kuivavad pinnakihid kiiremini ja pragunevad.
Järgneb põletamine, mis toimub vahemikus 900 – 1400 C ja sõltub lähtematerjalide koostisest ja detailide vajalikest omadustest. Põletamisel osa alumosilikaate sulab ja voolab tühimikesse. Jahtumisel see osa klaasistub ning seob omavahel kristalsed osad (peamiselt kvarts). Mida kõrgemal temperatuuril põletatakse, seda rohkem alumosilikaate sulab ning seda vähem jääb materjali sisse poore. Telliseid põletatakse umbes 900 C juures ja nad sisaldavad palju poore. Portselani põletatakse kõrgemal temperatuuril. Paljud keraamilised detailid kaetakse glasuuriga, mis on sisuliselt klaasikiht.
25. Osakestega tugevdatud komposiidid (13.2)
Siin on dispergeeritud faasi osakeste mõõtmed enam-vähem ühesugused erinevates suundades. Suureks loetakse osakesi siis, kui nad on tunduvalt suuremad molekulaarsetest mõõtmetest. Nano -osakeste korral on nende mõõtmed vahemikus 10 – 100 nm.
13.2.1 Suurte teraliste osakestega komposiidid
Plastid, mis sisaldavad täiteaineid, on tegelikult suurte teraliste osakestega komposiidid. Teise rühma moodustavad betoonid, kus tsemendile on lisatud liiva või killustikku. Komposiitide tugevus sõltub keskkonna materjali ja dispergeeritud faasi osakeste vaheliste sidemete tugevusest.
Komposiite valmistatakse kõigist kolmest materjalist, so metallidest, polümeeridest ja keraamikast. Kõige sagedamini on keskkonnaks metall või polümeer, keraamikat aga kasutatakse sagedamini osakestena , mis annavad suurema tugevuse. Selline on metallkeraamika, kus keskkonnaks on metall ja osakesed keraamilised. Näiteks lisatakse niklile või kroomile WC ja TiC osakesi, mis on äärmiselt kõvad. Selline metallkeraamika sobib lõikeriistade valmistamiseks terase töötlemisel (treiterad jms).
Vulkaniseeritud kautšukile (kummile) lisatakse tahma . See suurendab tõmbetugevust, sitkust ja kulumiskindlust. Näiteks autorehvid sisaldavad umbes 15 – 30% tahma (siit ka must värv).
Betoonidest on tuntumad tsementbetoon ja asfaltbetoon . Tsementbetooni optimaalse tugevuse saavutamiseks peab ta sisaldama kahesuguse suurusega osakesi – väiksemaid (liiv) ja suuremaid (killustik). Lisandi osakesed võivad täita 60 – 80% betoonist, kuid vee ja tsemendi segu peab täielikult täitma kõik vahed. Suurema tugevuse saavutamiseks lisatakse betooni armatuur (so terasvardaid ja traati), saadakse raudbetoon. Eriti tugev on eelpingestatud raudbetoon, kus armatuur on enne kivistumist tõmbepinge all.
13.2.2 Nanoosakestega komposiidid
Osakeste mõõtmed on makromolekulide ja kolloidosakeste suurusjärgus. Osakeste ja keskkonna vahelised sidemed on molekulaarsel tasemel. Materjali tugevnemine toimub sama efekti tõttu, nagu sulamite korral vaadeldud pretsipitaatide tekkimisel: osakesed tekitavad materjali sisse suunatud jõud ja takistavad dislokatsioonide liikumist.
Nanomõõtmetes dispergeeritud faasi osakeste lisamist kasutatakse mitmete metallide ja sulamite tugevdamiseks. Lisatavad osakesed on tavaliselt keraamilised, kõige sagedamini oksiidid. Näit kasutatakse Ni sulameid, mida on tugevdatud umbes 3% ThO2 nanoosakestega ja Al, millele on lisatud Al2O3 nanoosakesi.
26. Komposiitide kiudude ja keskkonna materjalid (13.3.2, 13.3.3)
13.3.2 Kiudude materjalid
Kiudude valmistamiseks kasutatakse suure tugevusega materjale. Väga tähtis on kiu läbimõõt. Mida väiksem see on, seda suurem on komposiidi tugevus. Teiselt poolt on väga peenikesi kiude raskem valmistada ja nad on kallimad.
Jämeduse alusel jaotatakse kiud järgmiselt: udemed , kiud ja traat.
Udemed on väga peenikesed monokristallid. Kuna nad on väikesed, siis on nad praktiliselt ilma dislokatsioonideta ja seetõttu väga tugevad – kõige tugevamad tuntud materjalidest. Siiski ei kasutata udemeid komposiitides väga laialdaselt, kuna nad on väga kallid ja nende sisseviimine maatriksisse on keeruline. Peamised udemete valmistamise materjalid on grafiit, SiC ja Al2O3. Neist suurim eritugevus on grafiitudemetel – 9,1 Gpa
Kiumaterjalina kasutatakse kõige rohkem klaasi, mis on odav, tugev (eritugevus on 1,4 GPa) ja tehnoloogiline (kerge valmistada kiudu ja komposiiti). Klaaskiuga komposiite kasutatakse väga palju transpordis (igasugused konteinerid, auto-, paadi- ja laevakered).
Suurema tugevusega (eritugevus kuni 2,7 GPa) on süsinikkiud. Ei nimetata grafiidiks, kuna sisaldab peale grafiidi ka amorfseid osi. Süsinikkiududega komposiite kasutatakse väga palju sporditarvete valmistamiseks ( suusad , suusakepid, õngeridvad, golfikepid jne) ja lennukiehituses.
Eriti suure eritugevusega on aramiidkiud (eritugevus kuni 2,8 GPa). Materjali keemiline nimetus on polüparafenüleen- tereftaalamiid. Ahela skeem on esitatud. Iga lüli sisaldab kaks benseenituuma, mis on ahelaks ühendatud süsiniku ja lämmastiku aatomite kaudu, millel on side ka vastavalt O ja H aatomitega. Nende hapniku ja vesiniku aatomite vahel naaberahelates tekivad vesiniksidemed, mis võivad tekkida ka keskkonna materjaliga . Aramiidi tõmbetugevus on tunduvalt suurem, kui teistel polümeeridel, survetugevus aga väike. Kuigi ta on termoplastiline, on tema töötemperatuuri piirkond üsna lai: -200 – 200 C. Aramiidkiuga komposiite kasutatakse näiteks kuulivestides, samuti spordivahendites.
Kasutatakse ka SiC kiude ja hübriidseid komposiite, kus on kahest või enamast erinevast materjalist kiudusid. Enamlevinud on klaaskiu ja süsinikkiu kombinatsioonid. Traadina kasutatakse tugevat terast (eritugevus kuni 0,3 GPa), Mo ja W.
13.3.3 Keskkonna materjalid
Keskkonna materjali ülesanne on siduda omavahel kiudusid ja kanda neile üle mehaanilist pinget. Ise võtavad nad vastu ainult väikese osa pingest. Peale selle kaitseb keskkond kiudusid kulumise ja väliskeskkonna mõjude eest. Keskkonna materjali valikul on tähtis tugev nakkumine kiududega.
Keskkonna materjalidena kasutatakse peamiselt polümeere ja metalle, kuna keskkond peab omama venitatavust, st keskkonna elastsusmoodul peab olema tunduvalt väiksem kui kiududel. Keskkonna materjal määrab ära ka komposiidi kasutamise temperatuuri. Polümeerse keskkonna korral on see kuni 200 C, metallide korral tunduvalt kõrgem.
Polümeeridest kasutatakse väga palju polüestreid. Kuna siin on võimalikud erinevad vaikude koostised, siis on palju erinevate omadustega keskkonnamaterjale. Teiseks enamkasutatavaks materjaliks on epoksüüdvaigud, mis on odavamad. Epoksüüdvaikudest saadakse polümeer polükondensatsiooni teel hapete või alustega (kõvendajad, näiteks epoksüüdliimis). Nad on väga nakkuvad teiste materjalidega (eriti metallide, klaasi ja polaarsete ainetega), kuna sisaldavad ahelais polaarseid –OH rühmi.
Metallidest kasutatakse keskkonna materjalidena kergeid metalle ja nende sulameid: Al, Mg, Ti. Nende töötemperatuur tunduvalt kõrgem, eriti Ti keskkonnaga. Tugevusomadused ka mõnedel suuremad, kui polümeerse keskkonnaga komposiitidel.
Kasutatakse automootorites, kosmosetehnikas. Eriti kõrge töötemperatuuriga on supersulamite (Ni ja Co baasil) keskkonnaga, milles kiududeks on peenikesed volframtraadid. Kasutatakse turbiinides.
Omapärase keskkonnamaterjalina kasutatakse ka süsinikku. Nimelt valmistatakse komposiite, kus nii kiudude kui ka keskkonna materjaliks on süsinik. Valmistamine toimub nii, et süsinikkiud valatakse üle polümeeriga, töödeldakse detailiks ja allutatakse siis pürolüüsile. Pürolüüsi käigus laguneb polümeer süsinikuks ja gaasilisteks aineteks, mis eemalduvad. Valmistamine on keeruline ja kallis, seetõttu kasutamine esialgu piiratud. Töötemperatuur väga kõrge – üle 2000 C. Valmistatakse näiteks vormelautode piduriklotsid , mis kuumenevad valge hõõgumiseni.
27. Kiududega tugevdatud komposiitide valmistamine. Kihilised komposiidid (13.3.4, 13.4), antud joon 13-5, 13-6 ja 13-7.
13.3.4 Kiududega tugevdatud komposiitide valmistamine
Vaatleme mõningaid uuemaid kiududega tugevdatud komposiitide valmistamise viise polümeerse keskkonnaga.
Tõmbamismeetodiga saab valmistada materjale, mis on pidevad ja ühtlase ristlõikega (vardad, torud jne) (joon 13-5). Kiudude kimp tõmmatakse läbi immutusvanni, kus toimub immutamine termoreaktiivse vaiguga. Edasi läbib kimp terasest vormi, mis annab vajaliku ristlõike ja eemaldab liigse vaigu. Järgneb kuumutusvorm, mis määrab lõpliku ristlõike ja kus toimub vaigu polümerisatsioon.
Kuumpressimine kileliste materjalide saamiseks on kujutatud joonisel 13-6. Kiud koos termoreaktiivse vaiguga pressitakse kalandrite (kuumutatav rull) ja kahe paberikihi vahel. Üks paber jääb materjali kandekihiks, teine eemaldatakse. Kuumutustemperatuur on suhteliselt madal, nii et polümerisatsioon toimub ainult osaliselt. Saadavad lindid (paksusega tavaliselt 0,08 - 0,25 mm ja laiusega 25 – 1500 mm) keritakse rulli ja nad säilivad madalal temperatuuril (0 C juures) kuid. Lõplike detailide (näiteks laminaatide) saamiseks eemaldatakse aluspaber ja lindid kantakse vajadusel mitmes kihis alusele kuumpressimise teel.
Kerimise meetodit kasutatakse silindrilise kujuga detailide valmistamiseks (joon 13-7). Vaiguga immutatud kiud keritakse alusele mitmes kihis, kusjuures saab kasutada erinevaid kerimise viise, sõltuvalt saadava detaili tugevuse vajadustest . Esimesel juhul saadakse universaalse tugevusega, teisel juhul ristsuunalise tugevusega ja kolmandal juhul pikisuunalise tugevusega detail. Pärast kerimist toimub kuumutamine ja eemaldamine alusest.
13.4 Kihilised komposiidid
Kihilised komposiidid koosnevad erinevate materjalide kihtidest, mis omakorda võivad olla komposiidid.
Üks võimalus on tasapinnalised (laminaarsed) kihilised komposiidid. Seal asetatakse kohakuti kihid, millel on suurim tugevus erinevas suunas (joon 13-8). Sellisteks kihtideks võivad olla puidust, paberist või mingist muust kiudainest kihid. Näiteks vineer . Kihid ühendatakse liimi või mingi polümeerse sideaine abil.
Näited:
- getinaks saadakse fenool -formaldehüüdvaiguga immutatud paberikihtide kuumpressimisel;
- tekstoliit on sama, ainult paberi asemel on puuvillane riie ;
- klaastekstoliit saadakse epoksüüdvaiguga immutatud klaasriide kuumpressimise teel.
Kõiki neid kasutatakse trükiskeemide alusmaterjalina, tekstoliiti ka näiteks hammasrataste valmistamiseks. Klaastekstoliidil on väga suur (suurem kui terasel) hõõrdetugevus.
Teine võimalus on nn sandwich -tüüpi paneelid. Need koosnevad kahest tugevast materjalist lehest, millede vahel asub mingi väikese tiheduse ja tugevusega materjali kiht. Väliskihid on tavaliselt õhukesed metall-lehed või kiududega tugevdatud plastikud . Keskmine kiht võib olla näiteks vahtplast, kummi, tsement , puit. Kasutatakse ka meekärje kujulisi metallist struktuure. Sellise struktuuriga on mitmed ehitusmaterjalid ja ka lennukikered.