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. vilke 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 vilke materialer taler vi om? Metaller Keramer og glasser Polymermaterialer = plaster Komposittmaterialer (sammensatte)
Materialers kjemi 3 Materialer (en delmengede av stoffene) atomære metaller (edelgasser) ioniske - Ionegitre Al 2 O 3 - keram, her er det Al 3+ og O 2- -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 (SiO 2 ). 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).
4 Egentlig er ingen materialer helt rene. Plaster: erderrester og tilsettingsstoffer kommer i tillegg til den eller de kjemiske komponenter som omtales i "enklere lærebøker" Stål: 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 Messing: 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 5 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.
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 :C: :C: Etanmolekylet prikk-modell O O O :Si: O :Si: O O :Si: O :Si: Silisiumoksid, SiO 2 Et kovalent gitter C C Etanmolekylet strekmodell
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 + + + + + + + + + + + + + + + + +
Sekundære bindinger 9 C C C C C C C C C C C C C C C C C C C C.. Cl C C.... C C Repeterende enhet i hhv. PE og PVC.. Utsnitt av to polyetylenmolekyler (PE). Kovalente bindinger internt i molekylene. Van der Waalske krefter mellom molekylene. Cl -d.. C C.. +d Cl -d.. C C.. +d Polarkovalent binding i PVC fører til forsterket intermolekylær binding
Materialer for romteknologi 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 10
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.
Metaller 16
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 )
bcc 18 Jern (Fe, stål) i kald tilstand (<ca 720 C) Krom Titan i varm tilstand (>ca 800 C) m.fl.
fcc (tettpakket) 19 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.
Forskjellen mellom fcc og hcp 21
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) erdeplast 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 t g skiller gummi brukes over t g. arde plaster brukes under t g En viss grad av ordnet struktur kan forekomme - krystallinitet
Polymermaterialer 1 25
Polymermaterialer 2 26
27 Polymermaterialer 3 Produsent Merkenavn Generisk navn
28
29
30
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. vilke 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. vor 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. 31