Kapitola 3.6 Charakterizace keramiky a skla POVRCHOVÉ VLASTNOSTI Jaroslav Krucký, PMB 22
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
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
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:
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:
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 10-50 J/m 2 ). Proto, pokud je velikost zrna je zvýšená, účinná povrchová energie se snižuje, jak je znázorněno na obr. 3.23.
OBR. 3.23 Povrchové vlastnosti
Povrchové napětí je přímým důsledkem atomové nebo molekulární síly nerovnovážné ve dvou fázích, jak je znázorněno na obr. 3.25. 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
Obrázek 3.25. Dvou-dimenzionální reprezentace rozhraní kapalina-pára
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.
Je-li tekutina kápnuta na plochý pevný povrch, pak se kapky tekutiny rozprostřou kolem nebo vytvoří kulovou bublinu, jak je znázorněno na obr. 3.26.
Obrázek 3.26. Smáčení a nesmáčení kapaliny na plochém povrchu pevné látky. Všiměte si kontaktního úhlu θ.
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).
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)
Obrázek 3.27. Zismanův graf Teflonu. Jsou prezentovány kontaktní úhly Teflonu s každou z řady čistých kapalin.
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.
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.
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).
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 1939. 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.
Děkuji za pozornost