Materiaaliryhmien taksonomia

Transkriptio

1 Komposiitit

2 Komposiitit Useamman materiaalin / materiaaliryhmän yhdistelmä Materiaalin ja rakenteen välimaastossa Matriisi lujite (tai funktionaalisesti valitut materiaalit)

3 Materiaaliryhmien taksonomia Metallit Komposiitit Keraamit Polymeerit Timo Kiesi

4 Materiaali Rakennesuunnittelu Kudotut rakenteet Functionally graded Komposiitit ALM Vaahdot

5 Jatkumo Materiaali Mikrorakenne Komposiitit Monimateriaalirakenteet Rakenne

6

7 Laaja kirjo materiaaleja Paljon materiaaleja => Paljon paljon yhdistelmiä n materiaalia => n! mahdollista eri yhdistelmää

8 Materiaaliyhdistelmät Matriisi Lujite Muovi Keraami (hiilikuitu, lasikuitu) Keraami Muovi (muovilujitetut keraamit) Muovi Metalli (esim. hiontarakeet) Metalli Keraami (kovametallit, MMC) Keraami Metalli (teräsbetoni)

9 "Korkeamman asteen komposiitit" Vaahtoydinrakenteet Ply-steel

10 Kevytrakennetekniikka "Perinteiset" komposiitit Hiilikuitu epoksi / polymeeri Lasikuitu epoksi / polymeeri Aramid ym. polymeerikuitu

11 Kulutusta kestävät kohteet Leikkaimet, kulutuspinnat, TBC-pinnoitteet, jne. Metallimatriisikomposiitit Kovametallit

12 Matriisi vs. lujite Venymien tulee olla jatkuvia rajapinnalla Kimmokerrointen sopivuus Lämpölaajenemiskertoimien sopivuus

13 Timo Kiesi 13

14 Timo Kiesi 14

15 Timo Kiesi 15

16 Terminologiaa Komposiitit Monifaasisia materiaaleja, joissa merkittävä määrä kyseisiä faaseja Matriisi Jatkuva, yhtenäinen faasi Tarkoitus: - siirtää kuormitus toisiin faaseihin - suojata sisäosan usein hauraita faaseja ympäristöltä Jaetaan ryhmiin matriisin mukaan: - Metalli- (MMC), polymeeri- (PMC) ja keraamimatriisikomposiitit (CMC) Lujite Tarkoitus. Parantaa matriisin ominaisuutta - MMC: lujuus, viruminen - PMC: jäykkyys, lujuus, viruminen - CMC: sitkeys, kuluminen woven fibers 0.5mm cross section view 0.5mm Reprinted with permission from D. Hull and T.W. Clyne, An Introduction to Composite Materials, 2nd ed., Cambridge University Press, New York, 1996, Fig. 3.6, p. 47. Timo Kiesi 16

17 Lujitemateriaali komposiitissa periaatteellisella tasolla: a) määrä, b) koko, c) muoto d) Jakauma & e) suunta Timo Kiesi 17

18 Timo Kiesi 18

19 E c u = E m V m + E p V p WC-Co cermet (kovametalli) Wolframikarbidia kobolttimatriisissa E m E p E c l = E m V p + E p V m Timo Kiesi 19

20 Auton rengas: synteettinen kumi lujitettuna erittäin hienojakoisella (20 50 nm) hiilellä ( hiilimusta ) Kuvan suurennos X Timo Kiesi 20

21 Timo Kiesi 21

22 Yleisimpiä kuitumateriaaleja: (huomaa GPa)! Timo Kiesi 22

23 Matriisin ja kuidun rajapinta siirtää kuormituksen matriisista kuitumateriaaliin Timo Kiesi 23

24 Jotta kuormitus siirtyy tehokkaasti kuituun, tulee kuidun olla riittävän pitkä l c = σ f d 2τ c Timo Kiesi 24

25 Timo Kiesi 25

26 Komposiitin kimmokerroin - suunnatut, jatkuvat kuidut Kuitu on jatkuva kun: l l c yleensä l > 15 l c Kimmokerroin kuitujen suuntaan: E cl = E m V m + E f V f Kimmokerroin kuitujen poikkisuuntaan: E ct = E me f E f V m +E m V f Timo Kiesi 26

27 t16_01_pg592 Timo Kiesi 27

28 Suunnattu, jatkuva Suunnattu, epäjatkuva Ei suunnattu, epäjatkuva Timo Kiesi 28

29 Komposiitin murtolujuus Pitkittäinen suunta, jatkuva ja suunnattu kuitu: σ cl = σ m 1 V f + σ f V f Pitkittäinen suunta, epäjatkuva ja suunnattu kuitu (l > l c ): σ cd = σ f V f 1 l c + σ 2l m 1 V f Pitkittäinen suunta, epäjatkuva ja säikeinen kuitu (l < l c ): σ cd = lτ c d V f + σ m 1 V f Timo Kiesi 29

30 Lasikuidun ominaisuudet Timo Kiesi 30

31 Timo Kiesi 31

32 Timo Kiesi 32

33 Timo Kiesi 33

34 Timo Kiesi 34

35 Muita komposiitteja Metallimatriisikomposiitit Erityisesti korkean käyttölämpötilan kohteita, rakenteiden keventäminen Keraamimatriisikomposiitit Esimerkiksi whiskerilujitetut, sitkeyden parantaminen Hiili-hiili-komposiitit Erittäin korkean lämpötilan kohteet Timo Kiesi 35

36

37 Timo Kiesi 37

38 Laminoidut kerrosrakenteet Kuitumatot eri orientaatiossa kerroksittain Timo Kiesi 38

39 Sandwitch-rakenteet Keveät, jäykät rakenteet Timo Kiesi 39

40 Pinta esim. metallit Täyte esim. vaahto Saadaan yhdistelmärakenteita, joilla saadaan jäykkiä, mutta keveitä rakenteita. Timo Kiesi 40

41 By José A. Montes (Flickr: Boeing 787 Dreamliner N787BX) [CC-BY-2.0 ( via Wikimedia Commons US Marine Corps Flickr image, used under Creative Commons license. Timo Kiesi 41

42 Timo Kiesi 42

43 Sähköiset ominaisuudet

44 Sähkönjohtavuus

45

46

47

48

49 Vastus Elektronien sironta Hilavirheistä Epäpuhtauksista jne

50 Suprajohtavuus

51 Hylkii magneettikentän

52 Selitettävissä elektroniparien avulla

53 Elektroniparit muodostavat verkoston Elektroniparien liike muuttuu energeettisesti suotuisaksi Parit muodostavat kattavan verkoston Sironta muodostuu energeettisesti kalliiksi sironta vähenee dramaattisesti vastus vähenee dramaattisesti

54 Lämpötilat Kriittinen lämpötila T C tai kriittinen magneettikenttä rikkoo ilmiön

55 "Korkean lämpötilan" suprajohteet Uudemmat "korkean lämpötilan" suprajohteet (~ 77K) Perustuvat monimutkaisen kiteen ominaisuuksiin (magneettisiin ja sähköisiin), ei selitettävissä

56 Käyttö Ylläpidetään voimakkaita magneettikenttiä Sensorit Mag-lev junat jne

57 Yhteenveto

58 Kurssin oppimistavoitteet Ennen Nyt Kiderakenne Mikrorakenne

59 Ennen Nyt

60 Ennen Nyt Ominaisuudet E Lujuus Metalli Muovi Keraami Koostumus Mikrorakenne Vauriomuodot Korroo sio Väsym inen Väsym inen

61 Show me the money!

62 Tärkeää koska Materiaalinvalintapäätöksillä kauaskantoisia seurauksia Yleistason käsitys materiaaleista Huijarisuoja Riskiarvio

63 ... ja lisäksi Pohja jatko-opinnoille Peruskäsitteet materiaaliopista

64