Fysikaaliset ominaisuudet
Ominaisuuksien alkuperä Mistä materiaalien ominaisuudet syntyvät? Minkälainen on materiaalin rakenne? Onko rakenteellisesti samankaltaisilla materiaaleilla samankaltaiset ominaisuudet? 2
Aineen rakenne ja ominaisuudet 3
4
Atomi Massa Sidokset 5
11.3 kg/l 2.7 kg/l 6
Atomisidos Kimmokerroin Sulamispiste Äänen nopeus Sähkönjohtavuus Lämpölaajenemiskerroin Lämmönjohtavuus Sähkönjohtavuus 7
Kiteen ominaisuudet Lujuus Kovuus Tiheys Muovattavuus Sitkeys 8
9
Mikrorakenne 10
Kidevirheiden ominaisuudet Lujuus Sähkönjohtavuus Sitkeys Muovattavuus 11
Faasirakenne Lujuus Muovattavuus Sitkeys Sähkönjohtavuus 12
Miten ominaisuuksiin vaikuttaminen Materiaaliryhmän tai perusaineen valinta Koostumus Lämpökäsittely Muovaus (takominen, valssaus) Valmistus (valaminen, hitsaaminen, jne.) 13
Ominaisuuksia 14
Kimmokerroin Kuvaa materiaalin jäykkyyttä E Young s modulus Modulus of elasticity 15
16
Metallit: 50-500 GPa Keraamit: 100-1000 GPa Polymeerit: 0.0001-10 GPa 17
Lämpökapasiteetti Kuvaa materiaalin kykyä absorboida lämpöenergiaa Energia varastoituu atomien värähtelynä 18
Metallit: 100-900 J/kg K Keraamit: 700-1000 J/kg K Polymeerit: 1000-2000 J/kg K Huom: tiheyden vaikutus ominaislämpökapasiteettiin suuri 19
Lämpölaajenemiskerroin Suurin osa materiaaleista laajenee lämpötilan noustessa 20
Atomisidoksen muoto 21
Keraamit: 0.5-15 µm/m C Metallit: 5-25 µm/m C Polymeerit: jopa 50-400 µm/m C 22
Lämmönjohtavuus Lämpö johtuu materiaaleissa: kiteen värähtelyn levitessä vapaiden elektronien mukana 23
Metallit: 20-400 W/m K Keraamit: 2-50 W/m K Polymeerit: 0.3 W/m K Polystyreeni: 0.08 W/m K 24
Sähkönjohtavuus Vapaiden elektronien määrä Metalleissa runsaasti vapaita elektroneja Puolijohteissa ja eristeissä tarvitaan energiaa elektronien vapauttamiseksi sähkön johtamiseen (esim. lämmön tai valon muodossa) Vapaiden elektronien liikkeen helppous elektronien siroamimen hilavirheistä 25
Esimerkkejä lämpötilariippuvuu desta 26
Lämpötilariippuvuus 27
28
29
30
Esimerkkejä 31
Jarrulevyt Vaatimukset: Tasainen kitkakerroin Kestävyys Kuormitukset Kitkalämpö - nopea lämpeneminen/jäähtyminen - korkeat lämpötilat Jarrutusmomentin mekaaninen kuorma 32
Kestettävä toistuvia nopeita kuumennus-jäähdytyssyklejä korkeaan lämpötilaa ja kuormituksia korkeassa lämpötilassa Lämpökapasiteetti Lämmönjohtavuus Lujuus korkeassa lämpötilassa Sitkeys korkeassa lämpötilassa Keveys 33
Valurauta 34
Hiilikuitu-Hiili 35
Keraamiset 36
Hiili-keraami Hiilikuitulujitteinen piikarbidi 37
38
Patentti, 2009 Thermal barrier coating for thermal mechanical fatigue resistance 40
Patentti, Siemens, 2009 Vane assembly with metal trailing edge segment 41
Vaatimukset Turbiinin siivet altistuvat korkeille lämpötiloille pakokaasuille Mikään materiaali ei ole ideaalinen Tarvitaan konstruktio joka yhdistää eri materiaalien ominaisuuksia 42
Keraamikomposiitit Keraamikomposiitit sopivat etuosaan sillä: kestävät korkeita lämpötiloja matala lämmönjohtavuus - voidaan jäähdyttää pienellä ilmamäärällä Eivät sovi jättöreunaan sillä: reunan pitää olla ohut (ei voida valmistaa eikä pinnoittaa TBC:llä) ei ole valmistusteknisesti mahdollinen jännitykset epäoptimaalliseen suuntaan 43
Metallit Sopivat jättöreunaan, sillä: valmistustekniikka ja lämmönjohtavuus sallivat hyvän jäähdytyksen voidaan valmistaa ohut jättöreuna Eivät sovi etuosaan sillä: paksussa etureunassa vaikea jäähdyttää altistuvat korroosiolle ja korkealle lämpötilalle 44
Ratkaisu Valmistetaan siipi kahdesta tai useammasta osasta Ei voida suoraan liittää materiaalien erilaisen lämpölaajenemisen vuoksi 45
Ratkaisu Liitetään osat joustavasti toisiinsa Voidaan joustavasti hyödyntää eri materiaalien ominaisuuksia 46