1. Materiaalien rakenne

Transkriptio

1 1. Materiaalien rakenne 1.10 Komposiittien rakenne 8. Luento

2 Mitä on komposiittimateriaali Materiaali, joka makroskooppisessa skaalassa yhdistää eri koostumuksen tai muodon omaavia materiaaleja erityisten ominaisuuksien aikaansaamiseksi. Makro on käytännössä suuruusluokka mikrometristä ylöspäin. Tämä määritelmä voidaan yleistää nanoskaalaan: nanokomposiitit. Perusajatusta voidaan kuvata yhdistetyn vaikutuksen periaate : komposiitit ovat monifaasisia materiaaleja, joiden kokonaisvaikutus muodostuu osafaasien ominaisuuksista niin, että saavutetaan ominaisuuksien edullinen kombinaatio. Luonnollisesti on mahdollista tehdä komposiitteja, joilla heikommat kokonaisominaisuudet. 2

3 Mitä on komposiittimateriaali Esimerkki: moderni slalomsuksi on kehittynyt komposiitti 3

4 Types of Composites Matrix phase/reinforc ement Phase Metal Metal Ceramic Polymer Powder metallurgy parts combining immiscible metals Cermets (ceramicmetal composite) Brake pads Ceramic Cermets, TiC, TiCN Cemented carbides used in tools Fiber-reinforced metals SiC reinforced Al2O3 Tool materials Fiberglass Polymer Kevlar fibers in an epoxy matrix Elemental (Carbon, Boron, etc.) Fiber reinforced metals Auto parts aerospace Rubber with carbon (tires) Boron, Carbon reinforced plastics MMC s CMC s PMC s Metal Matrix Composites Ceramic Matrix Comp s. Polymer Matrix Comp s

5 Composites Offer High Strength Light Weight Design Flexibility Consolidation of Parts Net Shape Manufacturing

6 Fiber Reinforced Polymer Matrix Matrix Transfer Load to Reinforcement Temperature Resistance Chemical Resistance Reinforcement Tensile Properties Stiffness Impact Resistance

7 Matrix Considerations End Use Temperature Toughness Cosmetic Issues Flame Retardant Processing Method Adhesion Requirements

8 Mitä on komposiittimateriaali: luonnollisia ja keinotekoisia komposiitteja Monissa materiaaleissa on luonnostaan eri faaseja. Esimerkiksi nk. perliittiteräs on ferriitin ja cementiitin sekoitus ferriitti on pehmeä ja muotoiltava cementiitti on kova ja hauras Perliittiteräs on muotoiltava ja luja => hyvä kombinoitu kokonaisvaikutus Samoin esimerkiksi puu ja luu ovat komposiitteja Mutta keskitymme keinotekoisiin komposiitteihin, jotka määritellään seuraavasti: Ei muodostu itsestään Sisältää kemiallisesti tai atomirakenteiden osalta eri faaseja, jotka erottaa toisistaan hyvin määritelty rajapinta. 8

9 Mitä on komposiittimateriaali: matriisi ja dispersi faasi Usein komposiitti muodostuu kahdesta faasista: jatkuva, joka ympäröi toisistaan erillään olevia toisen faasin osia. Jatkuva on matriisi ( matrix ) erilliset ovat dispersi faasi. Dispersillä faasilla voi olla useita tilakonfiguraatioita: konsentraatio koko muoto jakauma suuntautuminen 9

10 Komposiittien luokittelu Komposiitit voidaan luokitella sen mukaisesti, kuinka ne on vahvistettu. Vahvistuksen osat: 0D: hiukkaset 1D: kuitu 2D: laminaatti Ero suurhiukkasten ja dispersiovahvistusmekanismien välillä: suurhiukkaset: makroskooppinen jännityksen siirto hiukkasille dispersio: mikroskooppinen, hiukkaset vahvistavat ainetta molekyylitasolla (estää dislokaatioiden liikkumisen ja särön etenemisen ( crack propagation )) 10

11 Komposiittien luokittelu Esimerkkejä eri tyypeistä: Kuitu määritellään tässä yhteydessä kappaleeksi, joka on pitempi kuin 100 µm ja aspektisuhde (= pituus/leveys) > 10:1 KUITUKOMPOSIITTI HIUKKASKOMPOSIITTI LAMINAARIKOMPOSIITTI HIUTALEKOMPOSIITTI TÄYTETTY KOMPOSIITTI 11

12 Komposiittien luokittelu Hiukkaskomposiitit on vahvistettu erillään olevilla hiukkasilla. Alaluokat ovat Suurhiukkaskomposiitit Dispersiovahvistetut komposiitit Ero johtuu siitä, kuinka vahvistus on aikaansaatu. Suurhiukkaskomposiitit: Hiukkaset niin suuria, että niitä voidaan käsitellä jatkumodynamiikan avulla: dynaamiset atomaariset vuorovaikutukset rajapinnan kanssa ovat merkityksettömät komposiitin makroskooppisten mekaanisten ominaisuuksien kannalta. Vahva (staattinen) sidos välillä matriisi - hiukkanen Tyypillisesti hiukkaset kovempia kuin matriisi Hiukkaset vastaavat enemmän mekaanisesta kovuudesta. 12

13 Komposiittien luokittelu Dispersiovahvistetut komposiitit: Hiukkaset ovat pienempiä, tyypillisesti nm. Ne vahvistavat materiaalia pysäyttämällä liikkuvat dislokaatiot. Dislokaatiot ovat pääsyy aineen plastisille deformaatioille. 13

14 Komposiittien ominaisuudet Komposiittien ominaisuudet ovat yleensä niiden osien ominaisuuksien kombinaatio. Yksinkertaisimmassa tapauksessa komposiitin ominaisuudet ovat osafaasien ominaisuuksien summa (tietysti osuuksilla pinotettuna) Suurhiukkaskomposiittien tapauksessa sekoitussääntö ( rule of mixtures ) kertoo, että komposiitin elastinen moduuli (kovuuden mitta) E c on välillä ja Kaavoissa on c komposiitille, m matriisille, p hiukkaselle, E elastiselle moduulille ja V tilavuusosuudelle. 14

15 Komposiittien ominaisuudet Esimerkki: arvioidut ylä- ja alarajat sekä mitatut arvot W- hiukkasille Cu:ssa 15

16 Eri komposiitteja Suurhiukkaskomposiitteja voidaan valmistaa aineiden kolmen päätyypin (metallit, polymeerit ja keraamit) kombinaatioina. Kermetit ( cermets ) ovat keraamien ja metallien kombinaatioita. Tavallinen esimerkki on sementoitu karbidi, jossa hyvin kovat keraamiset hiukkaset on sidottu metallimatriiseihin. Keraamisina hiukkasina esimerkiksi WC, TiC Metalleina esimerkiksi Co, Ni Kuvassa WC-Co Kermettejä käytetään usein leikkaustyökalujen pinnoitteina. Keraami antaa kovan leikkauspinnan, mutta on hauras; metalli vahvistaa niin, rikkoonnu. että se ei 16

17 Eri komposiitteja Sekä kumia että muoveja vahvistetaan usein hiukkasilla. Tavallisissa kumeissa on usein nk. hiilimustaa ( carbon black ) Hiilimusta koostuu hyvin pienistä, lähes pallomaisista hiukkasista, joita muodostuu, kun öljyä poltetaan happivajaassa ilmassa. Perinteinen nanomateriaali, hyvin halpaa Yksi noen muoto, mutta hyvin pienet hiukkaset => suuri pinta-tilavuus-suhde Suhteellisen kovat hiukkaset (amorfisessa hiilessä on tietty osuus sp 3 -sidoksia, jotka samoja kuin timantissa) Hiilimusta vahvistaa vulkanisoidun kumin lähes kaikkia mekaanisia ominaisuuksia. Autonrenkaissa tilavuus-% hiilimustaa Hiilimustalla vahvistettu kumi, 17 x Aukot ovat ilmakuplia.

18 Eri komposiitteja Betoni on komposiitti, jossa molemmat osat ovat keraameja. Sementti on sidosaine. Materiaali, joka veteen sekoitettuna muodostaa tahnan, joka kovettuu itsestään. Teiden asfaltti on (tässä määrittelyssä) eräänlainen betoni, jota voitaisiin kutsua asfalttibetoniksi. Itse sidosmassa on asfaltti, joka muodostuu bitumista, eli raakaöljyn raskaimmasta osasta. Siis hiilivety-yhdiste Asfaltilla on ilmeisesti kolloidirakenne. Asfalttibetoni on sekoitus asfalttia ja soraa. 18

19 Eri komposiitteja Tavallisinta sementtityyppiä kutsutaan portland-sementiksi. Se tehdään sekoittamalla savea ja poltettua kalkkia, kuumennetaan ja sekoitetaan vähän kipsiä. Lopputulos käsittää useita eri yhdisteitä, joista tärkeimmät ovat trikalsium-silikaatti 3CaO-SiO 2 ja dikalsium-silikaatti 2CaO-SiO 2 Portland-sementti-betoni on sekoitus portland-sementtiä, hienoa hiekkaa, karkeaa hiekkaa (sora) ja vettä. Hiekka ja sora vähentävät materiaalin hintaa. Ne ovat halpoja verrattuna sementtiin. Syy sille, että sekoitetaan hiekkaa ja soraa, on saada aikaan tiheä pakkaus. Puhdas portland-sementti-betoni on hauras materiaali, ja sillä on suuri lämpölaajenemiskerroin. Tämän johdosta lisätään vahvistusta ja lisäaineita. 19

20 Eri komposiitteja Betonia vahvistetaan yleensä lisäämällä siihen terästä. Teräs voi olla eri muodoissa, sauvoina, lankoina, palkkeina tai verkkona, jotka lisätään betoniin sen kovettuessa. Vahvistuksesta johtuu, että edes säröt eivät etene betonissa vaan pysähtyvät niihin. Vitsikäs yksityiskohta on, että itse asiassa vahvistusmateriaali saa hyvinkin olla vähän ruosteinen, sillä ruoste lisää pinta-alaa ja siten sitoutuminen betoniin on vahvempaa. Teräs soveltuu hyvin, koska sillä on hyvin tarkkaan sama lämpölaajenemiskerroin kuin betonilla. Betonia voidaan vahvistaa myös muilla materiaaleilla, kuten lasin nylonin tai polyetyleenin kuiduilla. 20

21 Eri komposiitteja; esijännitetty betoni Toinen tapa betonin vahvistamiseksi on esikäsitellä sitä niin, että siihen jää puristusjännitys valmistusvaiheessa. Sellaista materiaalia kutsutaan esijännitetyksi betoniksi ( prestressed concrete ) Tämä toimii, koska hauraat keraamit ovat kovempia puristusjännityk-sessä kuin vetojännityksessä. Jotta betoni voitaisiin rikkoa vetämällä, täytyy vetojännityksen olla suurempi kuin materiaalin esijännitys. Esijännitetty betoni voidaan valmistaa esimerkiksi siten, että vetojännitetyt terästangot pitävät yllä puristusjännitystä betonissa. Betoni saa kovettua, mutta sen jälkeen jännitys on terästangoissa. Ne vetäytyvät, mutta samanaikaisesti aiheuttavat puristusjännityksen betoniin. 21

22 Eri komposiitteja; esijännitetty betoni Ja kerran vielä kertauksena, esijännitetty betoni on... materiaali jännitystilassa...metalli-keraami-komposiitti Keraami-komposiitti (betoni) on keraami-keraami-komposiitti, jossa kolme komponenttia: sementti, hieno hiekka ja karkea sora. Sementti on sekoitus eri kemikaaleja. 22

23 Eri komposiitteja; dispersiovahvistetut komposiitit Dispersiovahvistetut komposiitit ovat metalleja, jotka vahvistetaan sekoittamalla niihin useita tilavuus-% hyvin pieniä hiukkasia kovaa ja kemiallisesti stabiilia materiaalia. Pienet hiukkaset voivat olla metallisia tai epämetallisia; usein oksideja. Vahvistus riippuu dislokaatioista: metallien mekaaniset ominaisuudet dominoivat. Oksidi-hiukkaset pysäyttävät dislokaatiot ja estävät siten materiaalin hajoamisen. 23

24 Eri komposiitteja; dispersiovahvistetut komposiitit Esimerkki: ODS steels : oxidi-dispersio-vahvistettu teräs: Teräs, jossa Y-Ti-O-hiukkasia nanoskaalassa Tämän teräksen virumisasteen on raportoitu olevan korkeissa lämpötiloissa 6 kertalukua pienempi kuin tavallisen teräksen. tations/simonson_mike_nanomaterials_thur.pdf 24

25 Eri komposiitteja; kuituvahvistetut komposiitit Kuitukomposiittien kehityksessä pyritään saamaan aikaan materiaaleja, joilla suuri lujuus ja suuri elastisuusmoduuli verrattuna aineen painoon. Yleensä niitä kuvataan erityisellä lujuudella ja erityisellä moduulilla; materiaalin vetolujuuden ja elastisen moduulin suhde ja verrattuna tiheyteen. Jos materiaalia jännitetään, siirtyy se ensin matriisiin ja sitten osittain kuituihin. Jos kuidut vahvempia kuin materiaali, ne vahvistavat sitä. 25

26 Eri komposiitteja; historiallisia kuitukomposiitteja Ensimmäinen tunnettu komposiittimateriaali on tiili, jota vahvistettiin oljella. Esimerkiksi kirjallisuudessa on raportoitu, että Egyptin hallitsija pakotti israelilaiset hankkimaan itse olkia tiilien valmistamiseksi. [II Mooseksen kirja 5:6-7] [ 26

27 Eri komposiitteja; kuitukomposiitti; kuidun pituuden vaikutus Keskeistä sille kuinka kuidut voivat vahvistaa ainetta on se, kuinka paljon matriisin jännityksestä voi siirtyä kuiduille. Kuvassa on kuidun venyminen (matriisia vedetään yhteen suuntaan ja kuitua vastakkaiseen): Kuidun päässä ei ole jännityksen siirtymistä matriisiin, vaan siirtyminen kasvaa kuidun pituuden mukana. Efektiivisen siirtymisen aikaansaamiseksi kuituihin niillä on oltava jokin kriittinen pituus. 27

28 Eri komposiitteja; kuitukomposiitti; kuidun pituuden vaikutus * f d Kriittinen pituus on lc 2 c missä * f on kuidun vetolujuus, d sen halkaisija ja c on kuitumatriisi-poikkileikkauksen lujuus Tyypillisille lasi- ja hiilikuitukomponenteille kriittinen pituus on suuruusluokkaa 1 mm, kertaa kuidun halkaisija. 28

29 Eri komposiitteja; kuitukomposiitti; kuidun pituuden vaikutus Kun pituus lyhyempi kuin kriittinen pituus, ei saavuteta suurinta mahdollista jännityksen siirtoa, (c). Kriittisellä pituudella saadaan maksimaalinen siirto tasan yhdessä kohtaa, (a) Pidemmille kuiduille kuin l c saadaan se pitemmällä matkalla, (b). Kuituja, joiden l >> l c kutsutaan jatkuviksi kuiduiksi. Muita kutsutaan epäjatkuviksi tai lyhyiksi; niillä ei saada hyödyllistä vahvistusta, vaan ne toimivat kuten hiukkasvahvistetut komposiitit. 29

30 Eri komposiitteja; kuitukomposiitti; kuidun suunnan ja tiheyden vaikutus On useita mahdollisuuksia kuinka kuidut voivat sijaita matriisissa. Jatkuvasti ja järjestäytyneesti (a) Epäjatkuvasti ja järjestäytyneesti (b) Epäjatkuvasti ja täysin epäjärjestäytyneesti (c) Nämä voidaan yleistää 3 dimensiossa: esimerkiksi; kaikki kuidut samassa z-tasossa ja x- tai y-suuntaisia Jos materiaali on venytyksessä tiettyyn suuntaa, on edullista, että kuidut ovat samansuuntaisia. 30

31 Eri komposiitteja; kuidun ominaisuuksia, whiskerit Yksi avainsyy kuitukomposiittien etuihin on, että aineen yksi kuitu voi olla vahvempi kuin makroskooppinen materiaali! Tämä voidaan ymmärtää siten, että on hyvin epätodennäköistä, että kuitumateriaalissa olisi mikros- tai makrosskooppisia virheitä, joista materiaali alkaisi hajota. Kuidut voidaan luokitella whiskereiksi ( whiskers, partakarvat), kuiduiksi ja langoiksi. Whiskerit ovat hyvin ohuita yhtenäiskiteitä, joilla hyvin suuri aspektisuhde (=pituus/halkaisija) Johtuen hyvin pienestä koosta ne voivat kristallograafisesti olla lähes täydellisiä ja siten hyvin kovia. Ne ovat periaatteessa erinomaisia, mutta kalliita, mikä rajoittaa käyttöä. Esimerkkejä: grafiitti, hiilinanoputki, piikarbidi, piinitridi 31

32 Eri komposiitteja; kuidun ominaisuuksia, kuidut Kuidut luokitellaan pitkiksi materiaaleiksi, jotka ovat joko monikiteisiä tai amorfisia ja niillä on lyhyt halkaisija. Polymeeri-aramiidit, lasi, hiili, boori, oksidit, karbidit Langat ovat vastaavia, mutta makroskooppisessa kokoluokassa. Tyypillisiä kovia metalleja: teräs, molybdeeni, wolframi Esimerkiksi autojen vanteet vahvistetaan usein teräslangoilla. 32

33 Eri komposiitteja; esimerkkejä kuitumateriaalien lujuuksista Hiilinanoputket ~

34 Eri komposiitteja; esimerkkejä kuitumateriaalien lujuuksista 34

35 Eri komposiitteja; esimerkkejä kuitumateriaalien lujuuksista 35

36 Eri komposiitteja; matriisifaasi Matriisifaasi voi olla mitä ainetta tahansa. Mutta mekaanisissa sovelluksissa käytetään yleensä metalleja tai polymeereja, koska ne eivät ole hauraita. Kuitukomposiiteille matriisifaasilla on useita merkityksiä. Se sitoo kuidut yhteen. Se välittää ulkoisen jännityksen kuituihin; matriisi kantaa vain hyvin pienen osan jännityksestä. Se suojaa kuituja ympäristöltä, esimerkiksi mekaanisilta vaurioilta tai kemiallisilta vaikutuksilta. Se estää säröjen siirtymisen suoraan kuidusta toiseen. Matriisin ja kuidun täytyy olla riittävän vahvasti sidottu toisiinsa, että kuidut eivät tule ulos materiaalista. 36

37 Eri komposiitteja; polymeerimatriisikomposiitit Polymeerimatriisikomposiitit koostuvat polymeerihartsista matriisina ja kuiduista vahvistajana. Hartsi on raskasmolekyylipainoinen muovimateriaali, joka kovettuu. Hartsit ovat tavallisia materiaaleja, koska niitä on edullista valmistaa ja niillä on hyviä ominaisuuksia. Tärkeä luokka on lasikuituvahvisteiset polymeerikomposiitit ( glass fiber-reinforced polymer composites, GFRP) Lasi on suosittua komposiiteissa, sillä se on kevyttä ja siitä voidaan vetää pitkiä lankoja sulasta faasista. Lasi on aika vahvaa, ja kun se on muovimatriisissa, muodostuu hyvin kovia komposiitteja. Lasi on kemiallisesti hyvin stabiili. 37

38 Eri komposiitteja; hiilikuitukomposiitit Hiilikuti tarkoittaa nyt monikiteistä grafiitin ja amorfisen hiilen sekoitusta. Siis yhtenäiskiteisiä grafiittiwhiskereitä tai nanoputkia. Hiilikuitukomposiiteilla on seuraavat edut verrattuna lasikuituun: Hiilikuiduilla on parhaat spesifiset mekaaniset ominaisuudet. Ne ovat termisesti hyvin stabiileja (korkea kiehumispiste, mekaaniset ominaisuudet eivät huonone korkeissa lämpötiloissa) Ne eivät heikkene kosteuden tai tavallisten liuottimien vaikutuksesta. Niitä voidaan valmistaa suhteellisen edullisesti ja ne ovat siten laajasti käytössä. 38

39 Eri komposiitteja; aramidkuitu ja Kevlar Kevlar on kaupallinen nimi aramidkuiduille Ne ovat suoria, jäykkiä, pitkiä hiilivetyketjuja, joissa benseeni, ja ne on sidottu yhteen vetysidoksilla. Niillä on hyvät mekaaniset ominaisuudet pituussuunnassa ja ovat siksi paljonkäytettyjä. Niitä käytetään usein polymeerimatriisien kanssa kuten epoxia tai polyesteriä: polymeeripolymeerikomposiittimateriaali. Niitä voidaan käsitellä kuten tekstiilejä ja ovat siten suosittuja luodinkestävissä liiveissä. 39

40 Eri komposiitteja; lasin, hiilen ja aramidin vertailu 40

41 Eri komposiitteja; muita kuitumateriaaleja Edellä mainitut kolme ovat dominoivat kuitumateriaalit polymeerikomposiiteissa. Näiden lisäksi käytetään pienemmässä määrin mm. booria, piikarbidia, alumiinioksidia Aivan uusia kuitumateriaaleja ovat ne, jotka perustuvat hiilinanoputkiin ja ovat tulossa markkinoille jopa Suomessa. Berner Oy valmistaa pesäpallomailoja, joissa hiilinanoputkia. Nanoputket aktivoidaan kemiallisesti epoxia muistuttavalla materiaalilla, joka mahdollistaa lujan sidoksen ympäröivään polymeeriin. 41

42 1. 10 Komposiittien rakenne Eri komposiitteja; metallimatriisikomposiitit Muotoiltavilla metalleilla on määrittelyn mukaan ominaisuus olla muotoiltavia korkeissa lämpötiloissa. Tämä ei ole hyvä korkean lämpötilan sovelluksissa. Ne saadaan tietyissä tapauksissa kovemmiksi korkeissa lämpötiloissa, jos niihin sekoitetaan sellaisen materiaalin kuituja, joka säilyttää lujuutensa korkeissa lämpötiloissa. Kuidut ovat sellaisia, joita käytetään polymeereissä ja voivat olla myös whiskereitä. Sekä jatkuvia että epäjatkuvia voidaan käyttää. Kuitujen osuus on usein suhteellisen korkea: 42

43 Eri komposiitteja; metallimatriisikomposiitit Metallimatriisikomposiitteja käytetään usein hyvin vaativissa korkean lämpötilan sovelluksissa. Alumiiniseoksia, jotka vahvistetaan alumiinioksidilla ja hiilikuiduilla käytetään autojen moottoreissa. Materiaalit ovat kevyitä, mutta termisesti stabiileja. Alumiiniseoksia, jotka vahvistetaan grafiittikuiduilla käytetään Hubblen avaruusteleskoopissa. 43

44 Eri komposiitteja; kerammatriisikomposiitit Keraamit ovat määritelmän mukaan hauraita, mutta niillä on muita hyviä ominaisuuksia kuten esimerkiksi korkean lämpötilan stabiilisuus. Haurauden estämiseksi on kehitetty keramkomposiitteja, joissa keraami on sekoitettu muuhun hiukkaseen, kuituun tai whiskeriin. Syy materiaalin hauraudelle on karkeasti sanottuna se, että jos niihin syntyy särö, se voi esteettä kasvaa makroskooppiseen mittaan. Ajatus on, että hiukkaset tai kuidut pysäyttävät särön etenemisen. 44

45 Eri komposiitteja; transformaatiovahvistus Erityisen mielenkiintoinen tapa muodostaa keraamikomposiitteja, jotka estävät säröjen etenemisen, on ns. transformaatiovahvistus ( transformation toughening ). Idea on, että muodostetaan komposiitti, jossa hiukkaset ovat metastabiilissa tilassa, jolla on pienempi tilavuus kuin stabiililla. Jos sitten syntyy särö, saa jännitys sen ympärillä aikaan faasimuutoksen stabiiliin tilaan, jolla suurempi tilavuus. Tämä puolestaan aiheuttaa puristusjännityksen särön ympärillä, joka estää sen etenemisen! 45

46 Eri komposiitteja; hiili-hiilikomposiitit Yksi edistyneimpiä komposiittiluokkia on nk. hiilikuituvahvistetut hiilimatriisikomposiitit, usein lyhyemmin kutsuttuna hiili-hiilikomposiitit tai hiilikuitu-hiilikomposiitit ( CFC ) Ne ovat kalliita, mutta niillä on joukko käyttöalueita. Ne ovat ainutlaatuisia siinä, että ne säilyttävät mekaaniset ominaisuudet korkeaan lämpötilaan saakka, ~ 2000 o C. Siksi niitä käytetään äärimmäisen termisesti vaativissa sovelluksissa kuten rakettimoottorit, avaruussukkulan lämpökilvissä ja fuusioreaktorin sisäseinissä. 46

47 Eri komposiitteja Esimerkki: fuusioreaktorin ensiseinä 47

48 Hydrogen migration in diamond-like Si doped carbon films Retained D decreases with increasing D concentration, excluding high concentration (33 at. %) of Si 48

49 Hydrogen migration in diamond-like Si doped carbon films Activation energy of D diffusion decreases with increasing D concentration, excluding high concentration (33 at. %) of Si 49

50 Eri komposiitteja; hybridikomposiitit Hybridikomposiiteilla tarkoitetaan sellaisia, joissa kahden tai useamman tyyppisiä kuituja käytetään samassa matriisissa. Ne tarjoavat lisämahdollisuuksia saada aikaan parempia ominaisuuksia. Tavallinen esimerkki on lasikuitu-hiilikuitu-hybridit, jossa molemman tyyppiset kuidut kombinoidaan samassa polymeerimatriisissa. Lasikuitua käytetään hinnan laskemiseen puhtaaseen hiilikuitumateriaalin verrattuna. 50

51 Eri komposiitteja; rakennekomposiitit Rakennekomposiiteilla tarkoitetaan sellaisia, joiden ominaisuudet eivät riipu pelkästään rakenneosista vaan myös siitä kuinka ne on järjestetty geometrisesti. Nämä ovat usein makroskooppisia. Puumateriaalit ovat usein fanerilevyt, parketti, ym. rakennekomposiitteja; [ 51

52 Eri komposiitteja; laminaatit Laminaatilla tarkoitetaan kerroskomposiitteja, joissa jokaisella kerroksella on edullinen lujuussuunta. Nämä kerrokset asetetaan toistensa päälle siten, että kerrosten välillä on tietyt kulmat. Tyypillisesti 90 o Jokainen kerros on itsessään järjestäytynyt kuitukomposiitti. Kokonaislujuus on hyvä kaikkiin suuntiin. Mutta ei niin hyvä, jos kaikki kerrokset olisivat samansuuntaisia ja lujuus mitattaisiin tähän suuntaan. Esimerkki: fanerilevy 52

53 Eri komposiitteja; voileipäpaneeli Voileipäpaneeleilla (sandwichpaneeli) tarkoitetaan rakenteellisia komposiitteja, joissa ylimmät ja alimmat kerrokset ovat hyvin vahvat ja jotka ovat sisäkerroksen (ytimen) ympärillä, joka on paljon kevyempi ja ei niin vahva. Tavoite on säästää materiaalin hinnassa ja painossa. Mutta ydinosalla on joukko tehtäviä: Se estää painumisen korkeussuunnassa Se estää ylä- ja alakerrosten kiertymisen. 53

54 Eri komposiitteja; voileipäpaneeli Välikerros voi yksinkertaisimmillaan olla homogeeni materiaali, kuten polymeerivaahto, kumi, sementti, balsapuu, jne. Tärkeitä muunnoksia ovat ne, joissa ytimellä on rakenne. Usein putkirakenteita: heksagonaalisia, hyvin tilan. täyttävät 54

55 Eri komposiitteja; toiminnallisesti porrastettuja materiaaleja Erityinen muunnos hybridikomposiiteista on toiminnallisesti porrastettu (gradeerattu) materiaali. Niissä tavoitteena on kestää äärimmäisiä lämpötilaeroja. Esimerkiksi ajatus avaruuslentokoneesta 80-luvulla (joka myöhemmin hylättiin) olisi vaatinut materiaaleja, jotka kestävät äärimmäistä kuumuutta pinnalla, mutta jotka kuitenkin johtavat hyvin lämpöä, jotta eivät ylikuumenisi. Ajatus sellaisen aikaansaamiseksi oli sijoittaa keraamihiukkasia pinnalle metallia sisään ja kuituja väliin. 55

56 Eri komposiitteja; toiminnallisesti porrastettuja materiaaleja Toiminnallisesti porrastetut materiaalit voivat myös olla sellaisia materiaaleja, joilla konsentraatiogradientti, joka muuttuu pintakerroksessa. Pinnoitusmenetelmiä voidaan käyttää niiden valmistamiseen. Toiminnallisesti porrastettuja on myös luonnossa. Esimerkiksi maissilla ja bambulla on kovaa kuitua lähellä pintaa ja vähemmän sisällä: antaa lujuuden muodon säilyttämiseksi. materiaaleja 56