Materjaliteaduse üldaluste eksamiküsimused vastustega 2013 (0)

Eksamiküsimused 2013
KYP0040 Materjaliteaduse üldalused
1. Polükristalsed, monokristalsed ja amorfsed materjalid (2.4), antud joon 2-19 ja 2-20
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) (joon 2-17). Üksikute terade pinnal muutub kristallvõre orientatsioon . Kui kristallisatsioon algab vormi pinnalt, on orientatsioon veidi erinev.
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 tõmbamise skeem sulandist on joonisel 2-19. 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 ebasümmeetrilisemon 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.
Amorfsetes materjalides puudub osakeste paiknemise kaugem korrapära, esineb ainult
lähikorrapära. Sisuliselt on amorfsed ained allajahutatud vedelikud, nad ei ole jõudnud kristalliseeruda. Joonisel 2-20 on esitatud kvartsi kristalli ja kvartsklaasi (paremal; amorfne ) struktuur.
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:
n = N⋅C⋅ exp(− E*/kT)
kus N – aatomite üldine kontsentratsioon;
C – mingi konstant;
E* - aktiveerimise energia.
Vastavalt võrranile 4.1 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 (joon 4-2). E* on seda suurem, mida kõrgem on metalli sulamis- temperatuur. 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 (joon 4-3 all). 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), antud joon 4-4
Üldiselt sõltub difusiooniprotsess ajast. Statsionaarne difusioon on ajas püsiv difusiooniprotsess.
Difusioonivoog J – ainehulk (mass või moolide arv), mis difundeerub ajaühikus läbi ühikulise
pinna:
J =m/ S⋅t; või J=1/S(dm/dt)
kus m- ainehulk;
S – pindala:
t – aeg.
Kui J ei muutu ajas, ongi tegemist statsionaarse difusiooniga. Statsionaarset difusiooni illustreerib joonis 4-4: toimub mingi gaasi difusioon läbi vaheseina pindalaga S, kusjuures gaasi rõhku mõlemal pool vaheseina hoitakse konstantsena.
Kontsentratsiooni sõltuvust koordinaadist x nimetatakse kontsentratsiooni profiiliks (joon 4-4b). Selle sõltuvuse kalle mingis punktis dC/dx on kontsentratsiooni gradient . Statsionaarse difusiooni korral on kontsentratsiooni profiil lineaarne ja gradient konstantne :
dC/dx=ΔC/Δx= Ca-Cb/Xa-Xb= const
Statsionaarse difusiooni korral on difusioonivoog võrdeline kontsentratsiooni gradiendiga:
J =−D dC / dx Fick’i I seadus
kus J – difusioonivoog suunas x;
D – võrdetegur e difusioonitegur.
Miinusmärk on seetõttu, et difusioon toimub kontsentratsiooni vähenemise suunas.
Kui D = const; S = const ja dC/dx = const, saame integreerimisel:
m = −D⋅S⋅ dC/ dx⋅t
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
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 avaldub:
σ = F/ A0 [Pa] ja deformatsioon avaldub δ= Δl/ l0 (ühikuta).
Metalli survetugevuse määramisel loetakse jõud negatiivseks, kuna ka deformatsioon on
negatiivne. Nihkedeformatsiooni määramisel (joon 5-2c) leitakse nihkepingeτ= 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 (joon 5-2d). Väändepinge τ on võrdeline jõuga T, väändedeformatsioon avaldub aga γ = tgΦ, kus Φ on väändenurk.
Metallide deformatsiooni aste sõltub rakendatud pingest. Mitte väga suurte pingete korral on
suurema osa metallide deformatsioon võrdeline pingega
σ = Eδ
Hooke ’i seadus
kus E – elastsusmoodul
Sellist deformatsiooni, kus δ on võrdeline σ-ga, nimetatakse elastseks deformatsiooniks. Vastav graafik on sirge (joon 5-3a). 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 nihke-deformatsiooni 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 – punkt P joonisel 5-4. Seda punkti 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 (vt joonis 5-4) nimetatakse voolamistugevuseks (piiriks). Voolamistugevus näitab, millise pingeni avaldab materjal vastupanu deformatsioonile. Erinevatel metallidel on ta vahemikus MPa (Al) kuni 1400 MPa ( eriterased ). Täielik δ – σ sõltuvus on esitatud joonisel 5-5. Pärast voolamise tekkimist kasvab pinge kuni maksimum-punktini M, millele vastavat pinget TS nimetatakse tõmbetugevuseks. Seejärel tekib katsekehale „ kael “, pinge hakkab näiliselt vähenema kuni katkemiseni (p F). See on nn tehniline pinge (kõver 1 joonisel 5-5). Tehnilise pinge arvutamisel kasutatakse esialgset ristlõike pindala A0, mis ei ole õige, kuna deformatsiooni käigus ristlõike pindala veidi väheneb. Alates punktist M tekib katsekehas nn „kael” ja ristlõike pindala hakkab väga kiiresti vähenema. Tegeliku pinge muutusele vastab joonisel 5-5 kõver 2.
5. Plastiline deformatsioon ja libisemispinnad. Metallide tugevdamise meetodid (5.4,5.5), antud joon 5-9 ja 5-13
Teoreetiliselt peaks täiuslike kristalsete ainete mehaaniline tugevus olema tunduvalt suurem kui katseliselt saadud. Selle üheks põhjuseks on dislokatsioonide esinemine kristallides. Nimelt toimub metallide plastiline deformatsioon just dislokatsioonide liikumise kaudu. Illustratsioon ääredislokatsiooni liikumise kohta jõu toimel on joonistel 5-9 ja 5-10. Dislokatsiooni liikumine läbi kristalli on analoogiline kapsaussi liikumisele. Makroskoopiliselt näeb see välja nii, nagu näidatud joonisel 5-11. Deformatsioon saab toimuda ka vintdislokatsiooni liikumisel (joon 5-12). 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 ja neil omakorda libisemissuundadeks suunad (joon 5-13).
Millised on libisemispinnad ja libisemissuunad RTK ja SPH võre korral?
Monokristallides toimub plastiline deformatsioon libisemispindadel ( slip planes) toimuva
libisemise tulemusel. Polükristalse materjali korral toimub selle tulemusel terade pikenemine.
Võib toimuda ka kaksikute tekkimine.
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.
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. Joonisel 5-15a on näidatud, kuidas väiksem lisandi aatom tekitab tõmbepingeid ja takistab seega aatomite nihkumist .
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. Terase mikrostruktuur . Perliit (6.7), antud joon 6-16 ja 6.18
Faasidiagramm süsteemile Fe – C puhtast rauast kuni süsiniku 6,7%-ni on esitatud joonisel 6-17.
Puhtal raual esineb allpool sulamistemperatuuri (1538oC) kaks kristallstruktuuri muutust.
Madalal temperatuuril on stabiilne α-raud (ferriit), mis omab RTK võret.Temperatuuril 912oC
läheb see üle γ-rauaks (austeniidiks), mis omab TTK võret. Temperatuuril 1394oC 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 727oC, 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.
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%).
Vatleme teraste mikrostruktuuri sõltuvalt süsiniku sisaldusest. Eutektoidse sulami (0,76% C) jahutamisel tekib struktuur, mis koosneb α ja Fe3C vahelduvatest kihtidest. Sellist struktuuri nim. 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 (6.8), antud 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 (low) terased sisaldavad kuni 2,5% lisandeid, suur sisaldus (high) on üle 10%.
Süsiniku sisalduse suurenemisega suurenevad tõmbetugevus ja voolamispiir, väheneb plastilisus ja halveneb keevitatavus .
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 vägakõvad. 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 (oC).
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 piisavalt 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)
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 (joon 6-12) 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 (terasel 7,9). 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 tekkiv 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: 660oC. Al mehaanilist tugevust saab suurendada külmtöötlemisega ja sulamite kasutamisega. Sulamid sisaldavad peamiselt Cu, aga ka Mg, Si, Mn, Zn, Cr. Al sulamite tugevus saavutatakse pretsipitaatide tekitamisega. Pretsipitaadid on väikesed uue
väljasadeneva faasi alged tahkes lahuses.
Väikestel Cu kontsentratsioonidel tekib tahke lahus α, suurematel kontsentratsioonidel tekib α ja Θ mehaaniline segu (Θ – ühend CuAl2). Sulamit, mis sisaldab Cu umbes 4% kuumutatakse
temperatuuril T1 (tekib α) ja jahutatakse siis temperatuurini T2, kus hoitakse teatud aeg.
Tekkivad Θ-faasi osakesed annavad suure tugevuse, kuna ühendis on Cu ja Al vaheline kaugus väiksem, kui Al vaheline kaugus metallis. See tekitab Θ-faasi osakestes kokku-tõmbejõu. Seejuures on oluline temperatuuril T2 hoidmise aeg. Joonisel 7-4 on näidatud, et suurim tugevus tekib kindla suurusega pretsipitaatide tekkimisel.
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 tugevad on kaks Al sulamit:
1) Al + 4,4% Cu + 1,5% Mg + 0,6% Mn – tõmbetugevus 470 MPa
2) Al + 1,6% Cu + 2,5% Mg + 5,6% Zn + 0,23% Cr – tõmbetugevus 570 MPa.
Neid 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)
Titaan on suhteliselt uus konstruktsioonimaterjal . Temas on ühendatud terve rida väga häid
omadusi:
- väike tihedus (4,5 g/cm3);
- kõrge sulamistemperatuur (1668oC);
- 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.
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.
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 mehaaniline töötlemine (7.5), antud joon 7-6
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 temperatuuril, kus toimub metalli rekristalliseerumine (pärast deformatsiooni), nimetatakse seda kuumtöötlemiseks. Vastasel juhul on tegemist külm-töötlemisega. 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 tavalisel tmitmes astmes. Vormimise meetodid on stantsimine (ka
sepistamine), valtsimine, survetöötlemine (ekstrusioon) ja tõmbamine (joon 7-6).
Stantsimisel (a) 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 (b). Valtsid pöörlevad, materjali lükatakse ja tõmmatakse.
Toimub paksuse vähendamine valtside vahel ( plekk ), aga ka mitmesuguse profiili andmine (I –talad, raudteerelsid, nurkrauad jne). Valtsimine toimub mitmes astmes. Survemeetodeid (c) 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 (d) 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 . Ühekordsed vormid valmistatakse tavaliselt keraamilistest
materjalidest , mis pärast sulami tahkumist purustatakse. Kasutatakse ka korduvkasutatavaid
(avatavaid) vorme, mis on tsemendist või metallist ja on detaili kättesaamiseks avatavad. See
võimaldab ühte vormi kasutada palju kordi. Metallvormi nimetatakse kokilliks. Kokillid on
suurema soojusjuhtivusega, mistõttu tekib peenkristalne struktuur, mis on tugevam, kuid nad on kallid.
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, kus sideaineks on termoplastiline polümeer.
Ümbervalu korral valmistatakse detaili täpne koopia vahast või madala sulamistemperatuuriga
plastikust . Selle ümber valmistatakse kõvenev vorm (kipsist, savist, tsemendist). Pärast vormi
kõvenemist sulatatakse või põletatakse vaha või plast vormist välja ja sinna valatakse sula metall või sulam. 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). Poolkristalse, amorfse ja vedelkristalse polümeeri olekute võrdlus vedelas ja tahkes olekus on toodud joonisel 8-9.
8.3.2 Termoreaktiivsed polümeerid
Kõvastuvad kuumutamisel ja enam ei pehmene enne hävimist (degradeerumist). Esmakordsel
kuumutamisel tekivad ahelatevahelised ristsidemed, mis enam ei katke.
Siia kuuluvad tihedal ristsidumisel tekkivad võrestikstruktuuriga tõelised termoreaktiivid ehk
reaktoplastid, nagu näiteks fenool -formaldehüüdvaik ( fenoplast ) ja melamiin-formaldehüüdvaik. 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). Nende elastsusmoodul muutub mehaanilise pinge muutumisel, st pinge –deformatsiooni sõltuvus on mittelineaarne. Pinge eemaldamisel taastavad nad oma esialgse pikkuse. Kummide termoreaktiivsus avaldub vastupanus kuumutamisele (ei pehmene enne degradeerumist).
Nagu näha, sisaldavad osa ahelaid kaksiksidet (küllastamata polümeerid), osa aga mitte.
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).Tüüpilised pinge – deformatsiooni sõltuvused on esitatud joonisel 8-11. A – rabe materjal; B –plastiline materjal (sarnane metallidega, ainult lõpus pinge kasvab); C – elastne materjal (lai elastse oleku piirkond). Elastsusmoodul, tõmbetugevus ja venitatavus määratakse polümeeridelsamuti, 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 -16
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 8-10). 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. Kasutatakse näiteks epoksüüdliime. See koosneb epoksüüdvaigust ja kõvendajast, millele lisatakse vahel ka plastifikaatorit ning täiteaineid. Epoksüüdvaigud on vedelad või poolvedelad ained. Kõvendajatena kasutatakse amiine või hapete anhüdriide. Amiinide abil toimub kõvenemine toatemperatuuril, anhüdriidide korral tuleb kuumutada üle 100OC. Kõvenemise käigus katkeb üks hapniku side süsinikuga ja ta liidab endaga vesiniku aatomi amiinorühmast. Tugevalt polaarsete OH-rühmade tõttu nakkub väga tugevalt metallide ja teiste polaarsete ainetega. 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)
Metallides on suur vabade elektronide arv – kõigi kristalli aatomite valentselektronide arv – ja
see ei sõltu temperatuurist. Metalli erijuhtivus on määratud vabade elektronide kontsen -tratsiooniga n ja nende liikuvusega: σ=n ⋅μn ⋅e , kus e on elektroni laeng (1,6·10-19 C).
Suurima juhtivusega metallid on hõbe ja vask, nende erijuhtivused on:
Ag 6,8·107 S/m
Cu 6,0·107 S/m
Need on puhaste metallide erijuhtivused. Lisandid ja defektid suurendavad elektronide
hajutamist, vähendavad liikuvust ja seega ka erijuhtivust. Veel mõnede puhaste metallide ja
sulamite erijuhtivused: Kuld (Au) 4,3·107 S/m; Alumiinium (Al) 3,8·107 S/m; Messing (70%Cu+30%Zn) 1,6·107 S/m; Raud (Fe) 1,0·107 S/m; Plaatina (Pt) 0,94·107 S/m; Süsinikteras 0,6·107 S/m; Roostevaba teras 0,2·107 S/m
Metallide korral kasutatakse juhtivuse iseloomustamiseks rohkem eritakistust. Eritakistust seega lisandid ja defektid suurendavad. Metalli summaarne eritakistus avaldub võrrandiga:
ρΣ = ρt + ρl + ρd
kus ρt – oma-eritakistus;
ρl – lisandite poolt tingitud eritakistus;
ρd – defektide (deformatsiooni) poolt tingitud eritakistus.
Kui lisand moodustab tahke lahuse, siis ρl = A⋅Xi (1− Xi ), kus A–konstant, mis sõltub metallist ja lisandist; Xi–lisandi moolimurd tahkes lahuses. Kui sulam koosneb tahkete lahuste α ja β segust, siis;ρl =ραVα+ρβVβ , kus V tähistab vastava faasi ruumalaosa.
Eritakistuse sõltuvus temperatuurist. Temperatuuri tõusul elektronide liikuvus väheneb, kuna hajutamine aatomite poolt suureneb. Samal ajal elektronide kontsentratsioon ei muutu, seega eritakistus kasvab. Lineaarses osas on sõltuvus avaldatav kujul:ρt =ρ0(1+αρ⋅T) , kus ρ0 ja αρ on antud metalli korral konstandid. αρ on eritakistuse temperatuuritegur.
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.
Takistussulamitena kasutatakse peamiselt manganiini (86% Cu + 12% Mn + 2% Ni), konstantaani (60% Cu + 40% Ni), nikroomi (80% Ni + 20% Cr) ja fekraali (80% Fe + 15% Cr + 5% Al). Manganiini kasutatakse täppistakistite, nikroomi ja fekraali aga kütteelementide valmistamiseks.
9.5 Ülijuhtivus
Suuremal osal ülipuhastel metallidel väheneb eritakistus temperatuuri lähenemisel
0 K-le mingile väikesele väärtusele ρ0. Mõnedel metallidel (nagu joonisel Hg) 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 ja kasutamine (9.7), antud joon 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.Kondensaatori mahtuvus avaldub
C = Q/ U
kus Q on laeng kondensaatori plaadil. Kui kondensaatori plaatide vahel on dielektrik ,
avaldub mahtuvus valemiga: C = ε ⋅ S/ l kus S – plaadi (ja dielektriku) pindala;
l – dielektriku paksus; ε – võrdetegur, mida nimetatakse dielektriliseks läbitavuseks.
Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus.
Kasutatakse ka suhtelise dielektrilise läbitavuse mõistet εr:
εr =ε/εo=C/Co
kus C0 – kondensaatori mahtuvus, kui plaatide vahel on tühjus (vaakum);
ε0 – vaakumi dielektriline läbitavus (8,85·10-12 F/m)
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 läbilöök sädeme või elektrikaare kujul. Vastavat pinget nimetatakse läbilöögipingeks Ul.
9.7.2 Dielektrikute kasutamine
Dielektrikuid kasutatakse elektriisolatsioonimaterjalidena ja kondensaatorite dielektrikuna.
Isolatsioonimaterjalil peab olema võimalikult suur eritakistus ja väike dielektriline läbitavus st ta peab olema mittepolaarne . Peale selle on oluline veel läbilöögipinge Ul, mis peab olema
võimalikult suur. Polümeeridest on paremad elektriisolatsiooniomadused mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel: polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil. Nende ruumieritakistus ρV on 1014 – 1016 Ωm, ε on 2 – 2,5, Ul on 20 – 40 kV/mm, kuumakindlus kuni 100oC, teflonil kuni 300 oC.
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 K2O · 3Al2O3 · 6SiO2 · 2H2O
- flogopiit K2O · 6MgO · Al2O3 · 6SiO2 · 2H2O
Muskoviit on läbipaistev aine ja üldse üks paremaid elektriisolatsioonimaterjale. Eriti suur on
tema läbilöögipinge (100 kV/mm) ja kuumakindlus (600 OC). 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. Seega võime kirjutada:
I0 = Ip + In + Il
kus I0 – pealelangeva valguse intensiivsus;
Ip – peegeldunud valguse intensiivsus;
In – neeldunud valguse intensiivsus;
Il – läbinud valguse intensiivsus.
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 röntgenja 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 Joonis 10-2(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).
10.6 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. Väga palju kasutatakse optilisi kaableid, mida valmistatakse klaaskiududest. Neid vaatleme punktis 12.5.
19. Materjalide soojuslikud omadused: soojusmahtuvus , soojuspaisumine ja
soojusjuhtivus (11.1), antud joon 11-1 ja 11-2
11.1.1 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:
C =lim Q/ΔT= dQ/ dT
Tehakse vahet soojusmahtuvusel jääval ruumalal Cv ja jääval rõhul Cp.
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 soojus-mahtuvus. 0 K lähedal saab ta peaaegu võrdseks nulliga. Soojusmahtuvuse sõltuvus temperatuurist on toodud joonisel 11-1. Madalatel temperatuuridel kasvab soojusmahtuvus kiiresti vastavalt võrrandile: Cv = AT 3, kus A on konstant.
Edasi kasv aeglustub ja alates mingist temperatuurist ΘD jääb püsivaks. Temperatuuri ΘD nimetatakse Debye temperatuuriks. Faasiülemineku käigus (sulamine, aurustumine ) muutub Cv hüppeliselt. Gaasilistel ainetel on Cv maksimaalväärtus 3R.
Suurim soojusmahtuvus on polümeersetel materjalidel, väiksem keraamilistel materjalidel ja
metallidel. Metallidest on suurim soojusmahtuvus alumiiniumil.
11.1.2 Soojuspaisumine
Suurem osa materjale paisub temperatuuri tõusul. Materjali lineaarmõõtmete muut avaldub:
l- l0/l0=Δl/ l0= αl(T-T0) = αlΔT
kus l0 ja T0 – algpikkus ja algtemperatuur; l ja T – lõpp-pikkus ja lõpptemperatuur;
αl – joonpaisumise tegur.
Analoogiliselt ruumala muut:
ΔV/ V0= αvΔT
Ruumpaisumise tegur αv on isotroopsete materjalide korral võrdne 3αl.
Atomaarsel tasemel tähendab materjali paisumine aatomitevahelise kauguse suurenemist . Seda on võimalik selgitada aatomite potentsiaalse energia (sidemeenergia) sõltuvusega aatomite vahelisest kaugusest (joon 11-2a). Tasakaalulisele aatomitevahelisele kaugusele 0K juures vastab r0. 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,
nagu näidatud joonisel 11-2b, 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 (klaasistunud SiO2) , mida võib valge hõõgumise temperatuurilt asetada vette.
11.1.3 Soojusjuhtivus
Materjali soojusjuhtivust iseloomustab soojusjuhtivuse tegur k. Ta on võrdeteguriks soojusvoo Jq (ajaühikus läbi pinnaühiku liikunud soojushulk) avaldises:
Jq =−k dT/ dx
Soojuse ülekanne toimub kahe mehhanismi kaudu:
1) kristallvõre võnkeenergia (foononite) ülekandumisena;
2) vabade elektronide energia ülekandumisena. Seega k = kv + kel .
Metallidel on peamine ülekandemehhanism – vabade elektronide abil. Seetõttu on nende k
võrdeline erijuhtivusega σ ja temperatuuriga T: k = L⋅σ⋅T
kus L on võrdne kõigile metallidele (Wiedemann – Franzi konstant). 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
11.2.1 Üldmõisted. Ferromagnetism ja ferrimagnetism
Välist magnetvälja iseloomustab magnetvälja tugevus H. Silindrilise pooli poolt tekitatud
magnetvälja tugevus avaldub:
H= n⋅I/ l, A/ m
Kus n – pooli keerdude arv; I – voolutugevus , A; L – pooli pikkus, m.
Magnetvälja materjali sees iseloomustab magnetiline induktsioon ehk magnetvoo tihedus B:
B = μ⋅H, T( tesla )
kus μ – materjali magnetiline läbitavus (H/m).
Tavaliselt kasutatakse suhtelist magnetilist läbitavust:
μr = μ/ μ0 kus μ0 on vaakumi magnetiline läbitavus.
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. Üksikud domeenid on orienteeritud juhuslikult, mistõttu materjalil summaarne magnetmoment puudub. Magnetilise induktsiooni sõltuvust materjalis välise magnetvälja tugevusest B = f(H) nimetatakse mag-neetimiskõveraks. 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. Väikestele väljatugevustele vastab esialgne magnetiline läbitavus μi.
Välise magnetvälja perioodilisel muutmisel tekib nn hüstereesisilmus (joon 11-7).
Hüstereesisilmust iseloomustavad parameetrid on küllastusinduktsioon Bs, jääkinduktsioon Br ja koertsitiivjõud Hc. 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.
21. Magnetmaterjalid (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 (joon 11-9a), neil on suur μ ja väike Hc. Magnetiliselt kõvadel (joon 11-9b) 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. See on leitav hüstereesisilmuse neljandast sektorist. 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.
Silikaadid koosnevad peamiselt ränist ja hapnikust, kahest maakoores enamlevinud elemendist. Silikaadid on peamised koostisosad kivimites, savis , liivas. Silikaatide struktuuri käsitlemisel ei vaadelda mitte niivõrd võre elementaarrakkude ehitust, kuivõrd räni ja hapniku seoseid . Nimelt on silikaatidele iseloomulik räni ja hapniku tetraeedrite (SiO4 4- tetraeedrite) esinemine. Side Si ja O vahel on suunatud, st on teatud määral kovalentne . Erinevate silikaatide struktuurides on need SiO4 4- tetraeedrid ühendatud erinevateks ühe-, kahe- või kolmemõõtmelisteks Joonis 12-7 struktuurideks.
12.2.1 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. Nad on küllalt keerulise struktuuriga, joonisel 12-8 on esitatud kristobaliidi elementaarrakk. Kuna side on
osaliselt kovalentne ja suunatud, siis on võre üsna hõre ja materjali tihedus on väike (kvartsi tihedus ainult 2,65 g/cm3). Kuna side on tugev, siis omab SiO2 kõrget sulamistemperatuuri (kvartsil 1710oC).
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).
Sellisel juhul ioonid Na+, Ca2+ paigutuvad tetraeedrite vahele ja takistavad veelgi tetraeedrite korrapärast paiknemist, st soodustavad klaasi moodustumist.
12.2.2 Silikaadid
Silikaatsetes mineraalides esinevad need SiO4 4- tetraeedrid üksikult või kompleksidena kahest, kolmest jne tetraeedrist (joon 12-10). On võimalik ka tsüklite ja ahelate tekkimine tetraeedritest. SiO4 4-tetraeedrite laengu kompenseerivad katioonid Ca2+, Mg2+, Al3+ jne. Peale laengu kompenseerimise seovad katioonid omavahel neid SiO4 4- tetraeedreid ioonse sidemega. 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 (joon 2-20), ainult iga Si-ga on ühendatud neljas O risti tasapinnaga. Sellises kihilises struktuuris korduvad lülid (Si2O5)2-.
Joonis 12-10 Savi ühes põhikomponendis – kaoliinis – on need (Si2O5)2- kihid seotud Al2(OH)4 2+ kihtidega. Need kaks kihti on seotud omavahel tugevate iooniliste – kovalentsete
sidemetega ja moodustavad kaksikkihi. Need kaksikkihid on seotud teiste kaksikkihtidega aga
nõrkade van der Waalsi sidemetega. Seega koosneb kaoliin Al2(Si2O5)(OH)4 omavahel nõrgalt
seotud kaksikkihtidest. Sellistest paralleelsetest kaksikkihtidest koosnevadki õhukesed savi
„libled“, läbimõõduga kuni 1 μm.Kihilise ehitusega on ka paljud teised silikaatsed mineraalid,
millistest peale kaoliini on tuntumad talk Mg3(Si2O5)(OH)2 ja muskoviit (vilgu komponent)
KAl3Si3O10(OH)2.
12.2.3 Süsiniku modifikatsioonid
Süsinik esineb mitme polümorfse modifikatsioonina ja ka amorfsena. Teemant on toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul metastabiilne modifikatsioon . Ta tekib ülikõrgel rõhul.
Tema struktuur on sfaleriidi struktuuriga sarnane, ainult kõik osakesed on samad (C) (joon 12-11). Teemandi struktuuri saame, kui TTK võre sisse asetada teine samasugune võre, mis on esimese suhtes nihutatud ¼ kuubi diagonaali võrra. Koordinatsiooni arv on seal 4. See tuleneb sideme tüübist – sidemed on puhtalt kovalentsed (suunatud) ja tingitud sp3 hübriidsete
orbitaalide poolt. Iga süsiniku aatomi naabrid moodustavad jällegi tetraeedri. Võre on võrdlemisi hõre.
Samasuguse struktuuriga on ka pooljuhid Si ja Ge ning üks Sn modifikatsioon (hall tina).
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 12-12). Materjal kristalliseerub nii, et need fullereenid moodustavad PTK võre. Materjal on dielektrik, kuid sobivate lisandite
sisseviimisel võib saada pooljuhi või elektri juhi.
Mingil määral sarnase struktuuriga on süsiniku nanotorud, mis on viimase aja avastus (joon 12-13). 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.
Sulatatud kvarts, Kvartsklaas ,Boorsilikaatklaas,Aknaklaas,Klaaskiud,Optiline klaas,Klaaskeraamika.
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 (joon 12-18). 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 = 5·106 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 automaatseadmetega. 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 raskestipurunev.
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 (joon 12-23). 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 – 1400oC 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 900oC 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 keskkonnavahelised 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 lennuki-ehituses. Eriti suure eritugevusega on aramiidkiud (eritugevus kuni 2,8 GPa). Materjali
keemiline nimetus on polüparafenüleentereftaalamiid. 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 termo-plastiline, on tema töötemperatuuri piirkond üsna lai: -200 – 200 oC. 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 oC, 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 oC. 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 temp (0 oC 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.