-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
1/44
PJENE - ĆELIJASTI MATERIJALI
Prof.dr.sc. Tomislav Filetin
Napredne tehnologije materijala (2+2), 2015.
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
2/44
1. UVOD
2. METALNE PJENE
3. POLIMERNE PJENE
4. KERAMIČKE PJENE
5. UGLJIČNE PJENE
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
3/44
1. UVOD
Oponašanje prirodnih struktura i materijala: drvo,ko sti , ko ral j i ...
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
4/44
plutodrvo balza
spužva kost
koraljsipina kost
list
irisa
stabljika
biljke
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
5/44
1. UVOD
Ćelijasta (porozna) struktura omogućuje:
Optimalnu kombinaciju mehaničkih svojstva ifunkcionalnosti
pri minimalnoj težini
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
6/44
1. UVOD
Materijali koji se koriste za izradu ćelijastih nosivihstruktura:
• Metali – Al, Mg, Ni, Ti, Zn, Pb, Fe, Cu
• Polimeri
• Keramika i staklo
• Ugljični materijali
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
7/44
VRSTE ĆELIJA
• Pravilne: kuglaste, heksagonske, cijevaste….
• Nepravilne: poligonalne
Kontinuirane
Diskontinuirane
Zatvorene
Otvorene
Makro
Mikro
Nano
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
8/44
Danas se uglavnom rade pjene na bazi aluminijskihlegura i to zbog sljedećih svojstava:
niska gustoća stijenki ćelija
nisko talište
dovoljna žilavost
otpornost na koroziju
2. METALNE PJENE
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
9/44
2. POSTUPCI PROIZVODNJE METALNIH PJENA
1. Ubrizgavanje plina u taljevinu Al-SiC i Al2O3 (Al, Mg);
2. U aluminijsku taljevinu dodaje se agens (TiH2) koji se
raspada i tvori mjehuriće pri određenom tlaku itemperaturi (Al);
3. Mješavina metalnog praha i agensa (TiH2) zagrijava sepri čemu se oslobađaju mjehurići u taljevini i stvara sepjena (Al, Zn, Fe, Pb, Au);
4. Ubrizgavanje pod tlakom metalne taljevine u kalup od
polimerne pjene ili voska koji je premazan keramičkimprahom (Al, Mg, Ni- Cr, Cu, nehrđajući čelik);
5. Kemijsko taloženje metala iz parne faze na kalup odpolimerne pjene koji se kasnije uklanja izgaranjem
(Ni, Ti);
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
10/44
2. METALNE PJENE - Postupci proizvodnje
5. Vrućim izostatičkim prešanjem praha inertni plin pod visokom
tlakom biva zarobljen u porama. Povišenjem temperature dolazido ekspanzije plina (Ti);
7. Kuglaste šupljine koje nastaju procesom atomizacije ilitaloženjem iz parne faze na polimerne kugle (Ni, Co, Ni-Cr legure);
8. Spajanje dvaju metala u obliku praha od kojih je jedan topljiv.
Otopljiva komponenta uklanja se otapalom i ostaje metalna
porozna građa (Al + sol u obliku praha);
9. Otapanje plina (obično H2) u taljevini pod visokim tlakom. Porozni
materijal nastaje eutektičkom reakcijom plina i metala (Cu, Ni, Al);
Novije – RP postupci:- lasersko sinteriranje - SLS
- sinteriranje snopom elektrona sloj po sloj
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
11/44
UBRIZGAVANJE PLINA U TALJEVINU
Dodatak čestica (10-20 vol.%):
SiC, Al2O3, ZrO2, MgO ili TiB2
Povećavaju viskoznost Al
i sprječavaju sušenje opne ćelije
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
12/44
PLINOM OSLOBOĐENE ČESTICE RASTVORENE U TALJEVINI
ALPORAS PJENE
Povećavanje
viskoznosti taljevine:CaO, CaAl2O4, Al4Ca
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
13/44
PRECIZNO LIJEVANJE POMOĆU KALUPA ODVOSKA ILI POLIMERA
ERG-DUOCEL PJENE – OTVORENE ĆELIJE
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
14/44
TALOŽENJE METALA NA ĆELIJASTE PRAOBLIKE Ni PJENE S OTVORENIM ĆELIJAMA - INCO
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
15/44
PLINOM OSLOBOĐENE ČESTICE RASTVORENE U POLUČVRSTOJ FAZI
PM postupak: FOAMINAL-ALULIGHT PJENE
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
16/44
2. METALNE PJENE - PM (powder metallurgy) postupak
Priprema mješavine
Miješanje praha Al legure + agens (TiH2)
(60-200 m) (5 m, 0.4-1 %)
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
17/44
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
18/44
2. METALNE PJENE - PM postupak
proizvodnja prekursora
Stvaranje dugačkih profila vrućim ekstrudiranjem
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
19/44
2. METALNE PJENE - PM postupak
pjenjenje prekursora u kalupu
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
20/44
2. METALNE PJENE
Primjeri dijelova nastalih ubrizgavanjem pjene u kalup
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
21/44
2. METALNE PJENE
Utjecaj gustoće pjene na veličinu poraAlSi12Mg1 legura
0,753 0,591 0,502 0,460 0,411Gustoća (g/cm3)
Veličina pora raste s povećanjem poroznosti
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
22/44
2. METALNE PJENE – NAJVAŽNIJA SVOJSTVA AL PJENA
mala težina (gustoća 250-900 kg/m3)
visok omjer mase i krutosti
apsorpcija udarne energije
prigušenje vibracija
apsorpcija zvuka
dobra elektromagnetna svojstva
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
23/44
APSORPCIJA ENERGIJE UDARA
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
24/44
2. METALNE PJENE
Nosač motora BMW-a koji je bio izložen frontalnom udaru.
Smjer udara
Zaštićena zona
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
25/44
2. METALNE PJENE - APSORPCIJA ZVUKA
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
100 125 160 200 250 315 400 500 630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3150 4000 5000 6000
Frequency [Hz]
Soundabsorptioncoefficient[%]
PU pjena
Al pjena
Staklena vlakna
Neporozni Al
Frekvencija [Hz]
K o e f i c i j e n t a p s o r c i j e z v u k a ( % )
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
26/44
2. METALNE PJENE - MOGUĆNOSTI SPAJANJA
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
27/44
2. METALNE PJENE - MOGUĆNOSTI SPAJANJA
TIG zavarivanje Vijci
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
28/44
3. POLIMERNE PJENE
Mogu imati otvorene ili zatvorene ćelije.
Ako su joj ćelije otvorene, polimerna pjena jefleksibilna (traži se dobra izdržljivost pod statičkim
opterećenjem i trajnost).
Kod zatvorenih ćelija pjena je kruta i koristi senajčešće kao toplinski izolator.
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
29/44
3. POLIMERNE PJENE
Najvažniji faktori koji utječu na određenukombinaciju svojstava jesu:
izbor odgovarajućeg osnovnog materijala,
izbor proizvodnog postupka i
kontrola morfologije ćelija i strukture.
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
30/44
3. POLIMERNE PJENE – VRSTE MATERIJALA
plastomeri; u ovu skupinu spadaju:polistiren (PS), polimetilmetakrilat (PMMA), polietilen (PE)
poliuretan (PUR) itd.
duromeri; u ovu skupinu spadaju razne vrste epoksida idrugih smola.
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
31/44
3. POLIMERNE PJENE - PROIZVODNJA
Faze proizvodnje polimernih pjena:
priprema sirovine,
miješanje,rast i
stvaranje ćelija.
Prva faza je priprema kemijske mješavine koja
se izlaže povišenim temperaturama. Za pjenjenje nužno je dodavanje agensa(najčešće CO2 uz dodatke različitih vrsta
silikona).
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
32/44
3. POLIMERNE PJENE - SVOJSTVA
Polimerne pjene imaju vrlo nisku toplinsku
vodljivost (izolacijski materijal).
Vrijednosti mehaničkih svojstava značajnopadaju povišenjem temperature.
Pokazuju dovoljnu vatrootpornost, otpornost na
kiseline i organska otapala itd.
Prigušuju zvuk i manja udarna opterećenja(pakiranja)
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
33/44
3. POLIMERNE PJENE - PRIMJENA
Filtri od poliuretanske
pjene
Blokovi od polistirenske
pjene za izolacije u
građevinarstvu
Primjer primjene
PE pjene za
pakiranje
Č
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
34/44
4. KERAMIČKE PJENE - SVOJSTVA
izuzetno mala masa,
niska toplinska vodljivost ,
mala dielektrična konstanta,
velika specifična površina,
visoka permeabilnost,
visoka otpornost na toplinske šokove,
visoka specifična čvrstoća,
korozijska postojanost u slanoj vodi, srednjim islabijim kiselinama i lužinama,
visoka vatrootpornost,
slaba otpornost na trošenje.
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
35/44
4. KERAMIČKE PJENE – OSNOVNI POSTUPCI PROIZVODNJE
Novije – RP postupci:- lasersko sinteriranje - SLS
- sinteriranje snopom elektrona sloj po sloj
4 KERAMIČKE PJENE – Postupak prevlačenjem polimernih pjena
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
36/44
Najčešće se keramikom prevlače polimerne pjene (obično PUR).
Polimerna spužva je prevučena tiksotropnom keramičkom
smjesom pod određenim tlakom kako bi se osiguralopopunjavanje praznina. Nakon toga takva kombinacija prolazi
kroz sustav valjaka čime se uklanja suvišni dio keramičke
smjese.
Slijedi sušenje i izgaranje polimerne pjene.
Zadnji korak je sinteriranje kojim se dobiva keramička pjena s
jednakom strukturom kao i polazna polimerna pjena.
Struktura -Al2O3 keramičke pjene
4. KERAMIČKE PJENE – Postupak prevlačenjem polimernih pjena
Č
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
37/44
Dobra mehanička svojstva, a lošija strana je nedovoljnokontroliranje veličine pora tijekom procesa.
Prvo se stvara mješavina keramičkog materijala, sredstva koje
potiče stvaranje gela i sredstva koje potiče stvaranje pjene. Kao
sredstvo za stvaranje gela najčešće se koristi agar , a kao
sredstvo za pjenjenje najčešće se koristi Tergito l TMN 10 .
Agar je hidrofilno koloidno sredstvo koje se dobiva ekstrakcijom
iz Agarophyte Gelidium ili ostalih vrsta crvenih algi, a Tergitol
TMN 10 je agens za ovlaživanje i penetrant koji se dobiva
reakcijom 2,6,8-trimetil-4-nonanola s etilen-oksidom.
Pjena se stvara raznim vrstama mješalica. Nakon stvaranja
pjena dolazi do stvaranja gela, slijedi kalciniranje te sinteriranje
čime nastaje keramička pjena.
4. KERAMIČKE PJENE – Lijevanje gela
4 KERAMIČKE PJENE – Metoda šupljih blokova
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
38/44
Prvo se stvaraju šuplji blokovi tzv. žrtvenom tehnikom
prevlačenja. Za jezgre se rabe sferni materijali polimernog ili
biološkog porijekla (granule stirena, kapsule želatine, grašak,
sjemenje itd.).
Slijedi prevlačenje žrtvene jezgre keramičkom smjesom, nakon
čega se ulaže u kalup i prevlači drugi puta. Tijekom drugog
prevlačenja dolazi do spajanja šupljih blokova. Jezgre se
uklanjanju izgaranjem, nakon kojih slijedi sinteriranje pri oko
1700 °C.
Šuplji Al2O3-blokovi dobiveni od: a) šupljih kuglica; b) šupljih cjevčica i c) šupljih elipsi
4. KERAMIČKE PJENE Metoda šupljih blokova
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
39/44
4. KERAMIČKE PJENE - PRIMJENA
Filtri od keramičke pjene
Filtri od SiC-pjene za vrućeispušne plinove
5 UGLJIČNE PJENE
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
40/44
5. UGLJIČNE PJENE
Razlikuju po svojstvima, strukturi, načinu proizvodnje itd.
Zajednička svojstva:kemijska inertnost,
vrlo visoke temperature eksploatacije,
vrlo niska toplinska rastezljivost,
električna i toplinska vodljivost koje se možeprilagoditi točno određenoj namjeni.
Grafitne imaju visoku toplinsku i električnu vodljivost teniža mehanička svojstva, a negrafitne bolja mehaničkasvojstva i niže troškove proizvodnje.
Č
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
41/44
5. UGLJIČNE PJENE - PROIZVODNJA
Početkom 1990-ih godina kao
prekursori najčešće su se koristili:ugljen, smola i katran.
Prekursor se stavlja u kalup, a
zatim se dodaje raspršujući agens
i cijela se smjesa izlaže visokim
temperaturama i tlakovima.
Slijedi:
sniženje tlaka,
oksidacijsko stabiliziranje,
karboniziranje pri 1050 °C igrafitiziranje pri 2400 °C.
Č
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
42/44
Oak Ridge National Laboratorij (ORNL) razvio je proces u
kojem nisu potrebni raspršujući agens i faza oksidacijskog
stabiliziranja. Na taj se način dobivaju pjene s ravnomjerno
raspoređenim grafitnim vezama i vrlo visokom toplinskom
vodljivošću.
5. UGLJIČNE PJENE - PROIZVODNJA
Č
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
43/44
5. UGLJIČNE PJENE - PRIMJENA
Ugljične pjene pokazuju najveći potencijal u području elektromagnetske
zaštite - do sada su se uglavnom koristili metali koji su vrlo teški i brzo
korodiraju u slanoj vodi) i u području apsorpcije (mehanička opterećenja i
elektrotehnika).
RVC se najčešće koristi za izradu toplinskih izolatora i električnih vodiča
(najčešći primjer primjene su porozne elektrode u elektrokemijskim
ćelijama). Ugljične pjene dobivene ORNL postupkom najčešće se koriste:
za izradu dijelova hladnjaka (teška vozila, trkaća vozila, zrakoplovi itd),
elemenata za hlađenje elektroničkih uređaja,
hlađenje kočnica i spojki,kompozitnih materijala,
jezgru nuklearnih reaktora,
elemenata u akustici itd.
Hladnjak s jezgrom od grafitne ORNL pjene
-
8/17/2019 1432890371-0-ntmpjene_15
44/44
5. UGLJIČNE PJENE - PRIMJENA
Heat sink od ugljične pjene koji se u računalima koristi od kraja 1998. godine
