1
Materialer
Materialer
for konstruksjon og struktur
for innkapsling
som leder eller isolerer elektrisk, har magnetiske egenskaper etc.
med optiske egenskaper
som tåler høy temperatur, ildfast
.. og annet ..
I vårt fag skal vi kun omtale materialer for konstruksjon og innkapsling. Hvilke egenskaper har de?
Materialer for struktur og innkapsling:
har
fasthet
seighet – duktilitet
stivhet
skjermingsevne og tetteevne
kjemisk og fysisk bestandighet før og etter oppskyting, for eksempel
motstand mot korrosjon og lav stoffavdamping (outgassing)
Dessuten kombinasjonsegenskaper: ledningsevne for varme / el. strøm og magnetiske egenskaper i
kombinasjon med mekaniske egenskaper
2
Materialklasser
Materialklasser
Hvilke materialer taler vi om?
Metaller
Keramer og glasser
Polymermaterialer = plaster
Komposittmaterialer (sammensatte)
Materialers kjemi
Materialer (en delmengede av stoffene)
atomære –
metaller (edelgasser)
ioniske -
Ionegitre Al2O3 - keram, her er det Al3+
og O2- -ioner
(NaCl, Na+ og Cl- -ioner, ikke et material)
molekylære I noen stoffer gjentas en formelenhet gjentas i meget stort
antall i en romslig struktur.
Eks.: grafitt (en type karbongitter, C )
diamant (en annen type karbongitter),
Kvarts (SiO2).
Polymerer, store, lange molekyler
Sammensatte
blandinger - Blandingsplast (f.eks. en kopolymer av polyeten og
polypropen)
- Plastkompositter så som GRP (kan kalles GAP på norsk,
glassfiber armert plast, plasten er f.eks. polyester eller
epoxy, men kan også være polypropen)
- Granitt (en bergart, blanding av flere mineraler som
foreligger krystallinsk, egl. en kompositt)
- Trevirke (en komplisert blanding av cellulosefibre og
naturlige limstoffer), bein, hår (andre kompliserte
blandinger, og dermed en kompositt).
3
4
Egentlig er ingen materialer ”helt rene”.
•
Plaster:
•
Stål:
•
Messing:
•
•
•
•
•
Herderrester og tilsettingsstoffer kommer i
tillegg til den eller de kjemiske komponenter
som omtales i "enklere lærebøker"
Mest jern, men har også: Skadelige
forurensninger – f.eks. svovel, fosfor og div. andre
metaller i uønsket mengde. Ønskede tilsetninger –
passe mye karbon, silisium, mangan mm
Kobber og sink i ønsket blandingsforhold, avhenger
av ønskede egenskaper
Fremstillings-historikken kan være meget viktig:
plast – passe lang reaksjonstid
trevirke – rette vekstforhold
metaller – størknetid og varmebehandling, evt.
valsing og smiing.
Struktur
•
•
•
•
Polymermaterialer:
– Lange molekylkjeder kveiler seg mer eller mindre tilfeldig opp
Krystallinske materialer:
– Metaller og keramer, atomer, ioner eller molekyler danner et
relativt enkelt, strengt repetert mønster og utgjør en krystall. I et
material kalles et krystall også et korn. Kornene henger
sammen, møter hverandre vanligvis uten hulrom, men med en
uordnet overgang, kalt korngrenser. Kornstørrelse er viktig for
egenskapene.
Amorfe materialer
– Atomer og molekyler har en tilfeldig pakning. Glasser, de fleste
plaster, sot
Kompositter
– Sammensetninger av de tre ovennevnte grupper, glassfiber
armert plast, betong armert med stålstenger, gummi armert med
ståltråder, plast med bitte små gummipartikler, naturlige
kompositter så som trevirke, sener og bein.
5
6
Bindingskreftene
•
•
•
•
•
Materialenes enkeltdeler (atomer, molekyler, krystaller og partikler,
fibere) henger sammen av ”kjemiske årsaker”.
(Inne i atomkjernene:
Kjernekjemi, hører ikke med til materiallæra)
Mellom atomkjernen og elektronene:
– Forståelsen av dette har betydning for forståelsen stoffenes
kjemiske egenskaper. Dette er undervist i kjemifaget. De av atomets
elektroner som deltar i bindingene kalles valenselektronene.
Mellom atomer, primære bindinger. Primære bindinger holder atomene
sammen, 3 hovedgrupper.
– Ionebindinger
– Kovalente bindinger
– Metallbindinger
Mellom molekyler, sekundære bindinger
– Van der Waalske bindinger (rene)
– Sterkere molekylbindinger pga. polaritet, evt. hydrogenbindinger
7
Kovalente bindinger
H H
:C:
H
H :C:
H
H
Etanmolekylet
”prikk-modell”
O
O
O :Si: O :Si:
O
O
O
:Si:
:Si:
Silisiumoksid, SiO2
Et kovalent gitter
H
H
H
C
C
H
H
Etanmolekylet
”strekmodell”
H
8
Metallbinding
Metallbindinger
Bindingsformen oppstår i metaller. Ett eller flere av hvert
metallatoms valenselektroner avgis til en elektronsky eller
”gass”. Denne flyter fritt mellom ionene (metallatomer som har
avgitt ett
+
+
+ + + +
+ + + + +
+ + + + + +
9
Sekundære bindinger
H
H
H
H
H
H
H
H
H
H
C
H
C
H
H
H
H
H
H H
H
H H
H H
C
H H
C
C
H H
C
C
H
H
C
C
H H
C
H H
H H
C
H
H
H
H
C
C
C
H
H
C
C
H
H
Cl
H
C
C
H
H
H
C
C
C
C
C
H
H
C
H
..
..
..
H
Repeterende enhet i hhv. PE og PVC
Utsnitt av to polyetylenmolekyler (PE).
Kovalente bindinger internt i molekylene. Van
der Waalske krefter mellom molekylene.
..
H
Cl -d
C
C
..
+d
H
Cl
..
H
-d
C
H
C
..
+d
H
H
Polarkovalent binding i PVC
fører til forsterket
intermolekylær binding
..
Materialer for romteknologi
•
•
•
•
•
•
•
10
Materialer til bruk i romteknologi
– Den høye nyttelastkostnaden, LEO-bane kan variere fra 20.000 $ pr
kg for små raketter til under 10.000 $ for store raketter
– Det er i nært utenkelig å foreta service og reparasjoner på utstyr
som er plassert i bane
Det store kravet til driftssikkerhet
– best tilgjengelige materialet til formålet. Avgrense til delene som
plasseres i bane, ikke rakettrinnene, (varmeutvikling og
drivstoffhåndtering)
Av metaller har høyfaste og høylegerte stål: mindre bolter og fester.
Til grovere bolter og komponenter er titan, lettere, nesten like høy
styrke som stål ”Grade 5”-type, dvs. Ti6Al4V.
Til ytre plater dominerer aluminium, oftest av ”2000”- og ”7000” typen
Legeringer med høyt berylliuminnhold har eksepsjonelt gode
egenskaper mht vekt og stivhet
– men brukes pga. sin giftighet ikke i Europa.
Magnesium er det letteste av alle bruksmetaller, men får problemer i
vakuum pga. høy sublimeringsrate
Materialer for romteknologi
11
•
Alle bruksmetaller: krystaller, metallbindinger, polykrystallinske. I metallurgien
kalles krystallene ”korn”, kornstørrelsen har innvirkning på metallets
egenskaper.
– Mange metaller har forskjellige krystalltype avhengig av temperatur, en helt
spesiell gruppe: ”hukommeles-legeringene” (shape memory alloys), kan
brukes til aktuatorer (brytere, utløsere).
•
Fiberarmerte plastkompositter tar mer og mer over, Airbus 380, brukes
karbonfiberarmerte bærere i omfang og lengder som ikke er gjort tidligere, ca
30% av vekten
Fiberarmerte kompositter til romformål, dominert av karbonfibere, stive og
sterke i gunstigste retning
– Vi kan betrakte en karbonfiber som ett langt molekyl, der karbonatomene
henger sammen med kovalente bindinger.
– En ”fremtidsslektning” hevdes å være nano-materialer, enhetene eksakt
kjemisk oppbygget, f.eks. som et C60-moleky - ingen strukturelle
anvendelser ennå.
•
•
Plaster: til duker til forskjellige formål (tildekking, termiske tepper mm.), der er
ofte svært tynne.
– Alle plaster er polymermaterialer, med en karbonkjede som ”ryggrad”.
12
Metaller
• Metallene kjennetegnes mekanisk ved at de kan være
meget duktile. Konstruksjonsmetaller har alltid en viss
duktilitet og dermed seighet.
• Kjemisk er metaller kjennetegnet ved at de består av
atomer bundet til hverandre av metallbindinger.
Metallbindingene er ikke rettede, de er like sterke selv
om atomer flytter seg litt i forhold til hverandre, som
ved plastisk deformasjon.
• Metallene har oppstått ved størkning av smelter og
har krystallinsk oppbygning. Krystallene har ved
størkning vokst tett sammen og betegnes korn. De
fleste bruksmetaller er utsatt for korrosjon.
13
Keramer
• Keramer er sprø, aldri duktile. De kjemiske bindingene
i keramer er rettede og har spesielle vinkler, avhengig
av de kjemiske komponentene. Bindingene kan enten
være kovalente eller ionebindinger. Keramene er også
krystallinske. De sterkeste keramene er bygget opp av
romgitre, i prinsippet er det et kjempemolekyl. Glasser
er ikke krystallinske. Bindingene er likevel rettet slik
som de ble under størkingen. Glassene er også sprø
og kan sorteres i sammen gruppe som keramer med
hensyn til mekaniske egenskaper. Keramiske
materialer er oftest svært
korrosjonsmotstandsdyktige.
14
Polymermaterialer
• Polymermaterialer er bygget opp av lange
molekylkjeder der en grunnenhet repeteres et stort
antall ganger. Konstruksjonsmaterialer av denne
typen betegnes også plast og gummi. De kan være
både sprø og seige, men ingen plast eller gummi tåler
høye temperaturer. De kjemiske bindingene er
kovalente, men molekylkrefter (Van der Waalske
bindinger og krefter) spiller en viktig rolle.
Polymermaterialer har gode korrosjonsegenskaper,
men de fleste skades av løsemidler og spesielle
kjemikalier. Polymermaterialer siger, dvs. de er utsatt
for brudd ved langtidsbelasning og forhøyet
temperatur.
15
Komposittmaterialer
• Komposittmaterialer er blandinger av de foregående
materialgruppene. Den kontinuerlige fasen betegnes
”matriks”. F.eks. glassfiber armert plast (GAP), kalkog gummifylt polymer (støtfangerplast), metallmatriks
kompositter (metall med korte keramiske fibre),
polyeten armert med tråder av strukket polypropen
eller betong (keram + keram). I komposittmaterialene
søker man å oppnå fordelaktige egenskaper ved å
blande komponentene.
16
Metaller
17
Metallenes ”indre”
• Atomært stoff
• Metallbinding
• Krystallinsk
– 3 aktuelle krystallsystemer: fcc, bcc og hcp
– dette gir forskjellige egenskaper
• Forskjellig herdetilstand
– herde metall = øke flytegrensen
• Forhold vedr. krystallene som har betydning for plastisk
flyt og herdetilstand
– både fra naturlige urenheter, tilsatte
legeringselementer, mekaniske og termiske
påvirkninger (ønsket eller uønsket / ”med på kjøpet”)
18
bcc
Jern (Fe, stål) i kald
tilstand (<ca 720
°C)
Krom
Titan i varm tilstand
(>ca 800 °C)
m.fl.
19
fcc (tettpakket)
Jern (Fe, stål) i varm
tilstand (> 720 - 925
°C)
Aluminium, Al
Sølv, Ag
Gull, Au
Nikkel, Ni
mange flere
.. de mest duktile
Se også
http://ansatte.hin.no/ra/undervisn/
mtrbearb/Kulemodeller/kulemod.h
tm
20
hcp (tettpakket)
Sink, Zn
Magnesium, Mg
Titan i kald tilstand
(<ca 800 °C)
m.fl.
21
Forskjellen mellom fcc og hcp
22
Plastisk flyt
• Plastisk flyt skjer ved skjærdeformasjon
• I metaller skjer dette ved glidning langs atomplan
• Plastisk flyt skjer lettest langs tette plan
• - vi må ha en måte å angi planene på
Atomplan, Millers indeks
23
24
Polymermaterialer - betegnelser
• Polymermaterialer – plast og gummi (i tillegg til naturlige
polymerer)
– Herdeplast – kan ikke smelte
– Termoplast – er smeltbar
• Etablering av Van der Waalske bindinger
– plast og gummi kan stivne (glasstilstand) eller mykne
med temperaturen – (termoplast kan smeltes)
– glassomvandlingstemperaturen tg skiller
– gummi brukes over tg. Harde plaster brukes under tg
• En viss grad av ordnet struktur kan forekomme krystallinitet
25
Polymermaterialer 1
26
Polymermaterialer 2
27
Polymermaterialer 3
Produsent
Merkenavn
Generisk navn
28
29
30
31
Oppgaver
1. Beskriv helt kort de mekaniske egenskapene som særlig kjennetegner
materialgruppene metaller, keramer, polymerer og kompositter.
2. Skisser atom-arrangementet i (0001) planet i hcp-struktur.
3. Hvilke kjemiske bindingstyper forekommer i polymerer? Beskriv
hvor/hvordan!
4. Benytt figurene og beregn pakningstetthetene for hhv. i) fcc og ii) bcc.
(svar for bcc: 0,68)
5. --6. --7. Hvor mange atomplan i fcc-strukturen er tettpakket, dvs. inngår i {111}?
8. Tegn atomplasseringen for (110) i bcc.
9. Tegn atomplasseringen for (100) i fcc.
10. --11. Skisser en kurve som viser E-modul som funksjon av temperaturen for en
termoplast
12. Skisser en kurve som viser spenning som funksjon av tøyning for en
termoplast og for en gummi.