Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI. Jaroslav Krucký, PMB 22

Transkript

1 Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI Jaroslav Krucký, PMB 22

2 SYMBOLY Řecká písmena θ: kontaktní úhel. σ: napětí. ε: zatížení. ν: Poissonův koeficient. λ: vlnová délka. γ: povrchová energie. ρ: rádius trhliny nebo hustota. γ p : povrchová energie. μ: koeficient tření. ΔT: odolnost proti tepelným šokům

3 Symboly Římská písmena E: Youngův modul. G: modul střihu. K: objemový modul. a 0 : mřížkový prostor. c: délka trhliny. K IC : trhlinu iniciující napětí. P S : pravděpodobnost přežití Weibullova rozdělení. m: Weibullův modul. V: objem. t f : doba do poruchy. Římská písmena n: časová exponenciální konstanta F: posuvná síla. A: oblast. k: výnos ve smyku. H: tvrdost. K: konstanta opotřebení. C: konstanta. T: teplota. d: průměr zrna G: Gibbsova volná energie w: práce

4 Povrchové vlastnosti materiálu se vztahují k jeho odolnosti vůči lomu a jeho náchylnosti ke korozi. Kromě toho reakce tkání na keramiku a polymery je úzce spojena s vlastnostmi povrchu. Odhaduje se, že maximální deformace (σ / E) dokonalé mřížky je asi 0,1, proto lze povrchovou energii zapsat jako:

5 V případě oxidu hlinitého je Youngův modul 380 GPa a a 0 je asi 4 Å, která dává γ 0 hodnotu 1,2 J/m 2 Povrchová volná energie lze odhadnout i jinými prostředky, než je štěpení krystalu, například měřením sublimační energie. Přibližný vztah byl dán Brucem:

6 kde γ * 0 je povrchová energie při 0 K, C je konstanta, a T je absolutní teplota. Rovnice (3.58) je lépe aplikovatelná na jednotlivé krystaly, protože polykrystalické keramiky mají hranice zrn a pórů, které mají tendenci ke zvýšení povrchové energie na daleko vyšší hodnoty (až J/m 2 ). Proto, pokud je velikost zrna je zvýšená, účinná povrchová energie se snižuje, jak je znázorněno na obr

7 OBR Povrchové vlastnosti

8 Povrchové napětí je přímým důsledkem atomové nebo molekulární síly nerovnovážné ve dvou fázích, jak je znázorněno na obr Molekula na tomto povrchu je přitahována k vnitřku, který je obklopen jednotným průměrným polem sousedních molekul. Proto má povrch vyšší volnou energii než objem a má tendenci se smršťovat, aby minimalizoval svůj povrch

9 Obrázek Dvou-dimenzionální reprezentace rozhraní kapalina-pára

10 Konvenční jednotkou pro povrchové napětí jsou dyny na centimetr a pro povrchové energie to jsou ergy na čtvereční centimetr, ale obě jednotky jsou naprosto stejné 1 erg se rovná 1 dyne-cm. SI (International System) jednotka N/m je rovna J/m 2 nebo 1000 dyn/cm.

11 Je-li tekutina kápnuta na plochý pevný povrch, pak se kapky tekutiny rozprostřou kolem nebo vytvoří kulovou bublinu, jak je znázorněno na obr

12 Obrázek Smáčení a nesmáčení kapaliny na plochém povrchu pevné látky. Všiměte si kontaktního úhlu θ.

13 Úhel θ se nazývá stykový úhel a smáčecí charakteristiky pro danou kapalinou a pevnou látku mohou být generalizované jako Θ = 0 (úplné smáčení), 0 < θ < 90 (částečné smáčení), Θ > 90 (nesmáčení).

14 Nicméně, metoda kontaktního úhlu může být používána k měření kritického povrchového napětí dané kapaliny a pevné látky, které má hodnotu blízkou vnitřnímu povrchovému napětí. Série homologních kapalin se používá k měření kontaktního úhlu s pevnou látkou, a tyto úhly mohou být vyneseny v grafu Zisman (viz Obr. 3.27)

15 Obrázek Zismanův graf Teflonu. Jsou prezentovány kontaktní úhly Teflonu s každou z řady čistých kapalin.

16 DEFINICE Objemový modul: Tuhost materiálu, definována jako změna na jednotku objemu aplikovaným tlakem. Dislokace: Linie nedokonalosti, kterou lze považovat za hranici mezi oblastí vnitřního povrchu, na které došlo ke skluzu a oblastí, na které nedošlo ke skluzu. Hranové a šroubové dislokace mohou působit na krystaly. Leštění ohněm: Tepelný proces aplikován na křehké materiály, jako jsou skla a keramiky, aby se zzvýšila jejich pevnost snížením velikosti trhliny a žíháním řetězců v povrchu. Griffithova teorie: Brzy vyvinutá teorie lomu křehkých materiálů týkající se vnitřních vlastností (modul, povrchová energie) a vnějších vlastnosti - hlavně velikost trhlin pro předpovědění jejich pevnosti v tahu.

17 DEFINICE Hookův zákon: Lineární vztah mezi napětím a namáháním přes modul pružnosti. Rázová pevnost: Pevnost materiálu měřena na vysokorychlostních zatěžovacích (silových) aplikacích. Iontová vazba: Vazba tvořena mezi iontovými atomy nebo molekulami, jako jsou soli (NaCl). Kovová vazba: Pozitivní ionty sdílejí valenční elektrony volně ("moře" nebo "oblak" elektronů), a tak vytvoří mnohem menší směrové vazby ve srovnání s kovalentními vazbami. Plastická deformace: Pokud je materiál deformován nad mez pružnosti (mez skluzu), podstupuje plastickou deformace. Kovy a plasty mají toto chování stále, zatímco keramiky a skla se takto chovají jen za vysokých teplot nebo ve stavu blízkému roztoku.

18 DEFINICE Poissonovo číslo: Poměr napětí v kolmém směru v důsledku deformace. Keramika a sklo mají nízké Poissonovo číslo (0.15-0,25), zatímco kovy a plasty mají vyšší hodnoty (> 0,3). Voda má hodnotu téměř 0,5, což je nestlačitelné. Kalení: Tepelný proces náhlého snižování teploty, díky kterému se zachová stav (fáze) materiálu. Tento proces je nerovnovážný, takže stav přejde do rovnováhy v teplotách nad 0 K. Některé kalené materiály, jako jsou skla, přechází k rovnováze pomalu. Modul pružnosti ve smyku: Poměr mezi smykovým napětím a smykovou deformací: obvykle mnohem nižší hodnota než modul tahu nebo tlaku (~ 1 / 3, v závislosti na Poissonově čísle). Systém skluzu: Počet rovin skluzu a směrů pro danou (krystalickou) strukturu. Povrchové krystalizace: Za účelem zvýšení pevnosti křehkého (amorfního) materiálu je jeho povrch vykrystalizován, aby rozložil tlakové napětí nebo deformaci na povrchu v poměru k vnitřnímu objemu. Tento nevyvážený stav energie zvýší jeho pevnost (vyšší energetický stav).

19 DEFINICE Povrchová energie: Nadměrná povrchová energie vytvořena méně pevně vázánými povrchovými atomy a molekulami. Tuhost: Energie materiálu absorbována před zlomením. Materiály jako kovy a některé plasty mají vysokou tuhost, zatímco většina keramiky a skla mají velmi nízké hodnoty tuhosti. Weibullovo rozdělení: Na rozdíl od normálního rozdělení, statistická funkce pevnosti materiálu ukazuje poněkud jinou distribuci (funkci). Navržena Waloddi Weibullovem v roce Whisker: Monokrystal materiálu v podobě vlákna bez dislokace. Tyto materiály mohou být teoreticky pevné, protože nejsou přítomny žádné dislokace a vady. Youngův modul: Tuhost materiálu definována jako změna v napětí na jednotku deformace.

20 Děkuji za pozornost