Tehnoloko-metalurki fakultet Univerzitet u Beogradu

KOMPOZITNI MATERIJALI SA METALNOM MATRICOM OJAANI NANOESTICAMA

Student: Bojana Simovi 4006/2011

Profesor: Dr Radmila Jani-Hajneman

Beograd, 2012.

Sadraj strana 1. UVOD------------------------------------------------------------------------------------------- 3 2. PROCESI PROIZVODNJE KOMPOZITNIH MATERIJALA SA METALNOM MATRICOM OJAANI NANOESTICAMA --------------------------------------------------5 3. NANOESTINI KOMPOZITI NA BAZI ALIMINIJUMA -----------------------------11 4. NANOKOMPOZITI NA BAZI MAGNEZIJUMA-----------------------------------------15 5. KOMPOZITI NA BAZI LEGURA TITANA OJAANOG NANOESTICAMA------16 6. METALNI KOMPOZITI POSEBNIH ELEKTRINIH SVOJSTAVA-------------------17 7. ZAKLJUAK---------------------------------------------------------------------------------- 22 LITERATURA------------------------------------------------------------------------------------24

2

1. UvodU poslednje vreme raste interesovanje za razvojem novih kompozitnih materijala koja e imati izuzetna svojstva. Upotreba inovativnih materijala igra vanu ulogu u proizvodnji kompozitnih materijala sa poboljanim svojstvima. Zapravo, na raspolaganju stoji veliki broj kombinacija metalnih materijala koji se koristi kao osnova (Al, Ti, Cu, Ni, Co, Mg, Fe, intermetalna jedinjenja itd.) i materijala kojima se vri ojaavanje osnove (nanoestice oksida, dijamanta, karbida itd.). Za estice u podruju od 1-100 nm moe se rei da su nanoestice. Mehanizmi interakcija izmeu nanoestica i matrice su na atomskom i molekulskom nivou i oni odreuju stepen ojaavanja. Kod ovih kompozitnih materijala matrica trpi celokupno opterenje dok je uloga nanoestica u spreavanju dislokacija. Dobrim izborom matrice i kombinacijom sastava, rasporeda, oblika i udela materijala kojim se matrica ojaava, kao i tehnologije dobijanja proizvoda, mogu se napraviti kompoziti sa poboljanim svojstvima u skladu sa potrebama. Kompoziti s metalnom matricom (MMC Metal Matrix Composites), mogu se ojaavati sekundarnom fazom u obliku nanoestica razliite morfologije i veliine. Ovaj tip materijala koristi se obino u avio, automobilskoj i raketnoj industriji pa zbog odgovornih funkcija koje obavljaju, moraju da poseduju dobra svojstva.

Slika 1. Primeri upotrebe delova od kompozitnih materijala sa metalnom matricom ojaanih nanoesticama3

Konvencionalni kompozitni materijali sa metalnom matricom ojaani keramikim esticama pokazuju visoku vrstou i visok modul elastinosti. Ovi materijali su od posebnog interesa zbog lakoe proizvodnje po relativno niskoj ceni. Kompozitni materijali ija je Al-osnova ojaana esticama SiC ili Al2O3 koriste se u automobilskoj industriji kao materijal za koione diskove i cilindre jer pokazuju bolja mehanika svojstva na radnim temperaturama od konvencionalnih Al-legura. Kod letilica je potrebno smanjiti njihovu masu to se moe postii upravo korienjem ovakvih kompozita sa osnovom alumijuma i titana. Dimenzije keramikih estica su velike, obino u rasponu od nekoliko do nekoliko stotina mikrometara. Velike keramike estice su sklone pucanju tokom mehanikih optereenja, to dovodi do prevremenog loma i niske duktilnosti kompozita. Veliina estica ima bitan uticaj na vrstou i duktilnost kompozita sa Al-osnovom. Naime, zatezna vrstoa i duktilnost opadaju sa poveanjem veliine estica. Prema tome, smanjenje veliine keramikih estica dovodi do znaajnih poboljanja mehanikih svojstava kompozita sa metalnom matricom. Mehanika svojstva MMC-a mogu biti dodatno poboljana smanjenjem veliine keramikih estica i/ili zrna matrice do nanometarskih dimenzija. Ovakvi materijali se nazivaju nanokompoziti [1]. Zrna matrice mogu biti preraena do submikronskih ili nanometarskih dimenzija primenom jakih plastinih deformacija i mehaniki legirajuih procesa. Tako na primer, nanoestice sekundarne faze, kao to su SiC ili Al2O3, mehanikim legiranjem u visokoenergetskim mlinovima, hladno se zavaruju u matricu osnovne legure i na taj nain je mogu ojaati. Kompozitni materijali sa metalnom matricom ojaani nanoesticama odlikuju se poveanom vrstoom, poveanom krutou i veom otpornou na povienim temperaturama, a ova izuzetna svojstva proizilaze upravo iz nano dimenzija nanoestica. Dakle, fiziko-mehanika svojstva vrste materije znatno se menjaju sa velikim smanjenjem dimenzija estica, a taj efekat materijala postaje izraeniji kad se postigne veliina estica nanometarskih dimenzija. Materijal sveden na nano dimenzije moe odjednom prikazati vrlo razliita svojstva u odnosu na ono to pokazuju na makro nivou, omoguujui jedinstvena svojstva. Smanjenjem veliine estica, vei deo atoma nalazie se na povrini u odnosu na one unutra. Shodno tome, nanoestice imaju znatno veu povrinu po jedinici mase u poreenju s veim esticama i kao takve poseduju nove karakteristike poput hemijske reaktivnosti, elektrinih svojstava itd. Nekontrolisana aglomeracija praha zbog Van der Valsove sile moe dovesti do nehomogenosti u strukturi i kao posledica toga moe doi do irenja pukotina u materijalu. Tako, na primer, keramike nanoestice4

sklone su grupisanju u klastere tokom procesiranja kompozita, ali uprkos injenici grupisanja, nanokompoziti postaju ojaani i otporniji na puzanje nego mikrokompoziti sa mnogo veim sadajem estica. Bolje disperzije keramikih nanoestica u metalnoj matrici mogu se postii upotrebom odgovarajuih tehnika procesiranja, Shodno tome, upotrba nanoestica za ojaavanje metalnih materijala je inspirisala veliki broj istraivanja poslednjih godina, jer predstavlja veliki potencijal u razvoju novih kompozita sa jedinstvenim mehanikim i fizikim svojstvima. Proizvodnja takvih kompozita bi mogla da otvori nove tehnoloke mogunosti i izazove. Da bi se postigla eljena mehanika svojstva nanokompozita, ojaavajue nanoestice moraju biti ravnomerno rasporeene u sklopu metalne matrice kompozita. Meutim, homogena disperzija keramikih nanoestica u metalima teko se postie. Zapravo, nanoestice su skone nagomilavanju u klastere prilikom procesiranja tenom metalurgijom. U skladu sa tim obino se koriste visoke frekvencije ultrazvunih talasa, za uniformno raporeivanje keramikih nanoestica u rastopljenom metalu. Ovaj proces je jos uvek u ranoj fazi ravoja. Mehaniko legiranje je dobro razvijen proces za dobijanje ravnomerne disperzije nanoestica u metalnoj matrici. Uopteno, kompoziti sa metalnom matricom koji su ojaani nanoesticama imaju niz prednosti kao to su visoka vrstoa, visoka vrednost modula elastinosti, velika ilavost, dobre udarne karakteristike, mala senzitivnost na termalne okove, velika povrinska postojanost i mala osetljivost na povrinske defekte, velika elektrina i toplotna provodljivost kao i odlina mogunost proizvodnje i oblikovanja. Svojstva kompozitnih materijala sa nanoesticama zavise od sadraja konstituenata, svojstva konstituenata, interakcije konstituenata, raspodele knstituenata, geometrije i orijentacije ojaanja. Stepen uticaja nanoestica na svojstva kompozita zavisi od: zapreminskog udela, oblika, prenika, rasporeda i orijentacije nanoestica. Za optimalan efekat ojaanja, nanoestice bi trebale da budu sferinog oblika i da budu ravnomerno dispregovane u matrici. Odnos zapremine nanoestica i matrice znaajno utie na mehanika svojstva kompozitnih materijala. Nanoesticama ojaani kompozitni matrijali sadre velike koliine nanoestica razliite geometrije ali priblino istih dimenzija u svim pravcima. Dakle svojstva ovog tipa kompozita zavise od veliine estica i njihove koncentraije. Da bi se postiglo uspeno ojaavanje potrebno je da nanoestice budu ravnomerno rasporeene unutar matrice.

2. Procesi proizvodnje kompozitnih materijala sa metalnom matricom ojaani nanoesticama

5

Procesi proizvodnje kompozita sa metalnom matricom dele se na primarne i sekundarne procese. Primarni procesi su postupci kojima se sintetizuju metalni kompoziti iz osnovnih materijala - npr. matrice i nanoestice, dok sekundarni procesi predstavljaju sve dodatne postupke koji su potrebni za preradu primarnog kompozita u konani proizvod. Osnovni postupci [2] za dobijanje MMC ojaanih nanoesticama su : Postupci u vrstom stanju Postupci u tenom stanju Postupci iz parne faze

Postupci u vrstom stanju se odvijaju na niim temperaturama uz mogunost bolje kontrole termodinamike i kinetike granine povrine. Jedna od takvih metoda je metalurgija praha koja se zasniva na procesima dobijanja prahova, oblikovanja (kompaktiranja), sinterovanja (tretiranje na temperaturama uglavnom ispod take topljenja materijala) i po potrebi, uobiajenim procesima prerade kao to su toplo presovanje, ekstruzija i toplo izostatsko presovanje kako bi se dobila maksimalna gustina proizvoda (slika 2.)

Slika 2. Osnovne operacije pri oblikovanju prahova Metalurgija praha ne obuhvata topljenje kao polaznu fazu ve se do proizvoda dolazi putem konsolidacije prahova metala (ili legura), a dobijeni komadi se termiki tretiraju u odgovarajuim peima ispod temperature6

topljenja (proces nazvan sinterovanje), posle ega sadre manji procenat poroznosti ili pak dostiu teorijsku gustinu. Postoje tri opte metode za dobijanje prahova [3]:1. mehanohemijske metode u koje spadaju drobljenje, mlevenje i

tehnike mehanikog legiranja. Mlevenjem se krti materijal pretvara u prah. Dakle, osnovna namena mlevenja je promena veliine i oblika estica, kao i homogenizacija prakastih sloenih smea koje mogu naknadno biti kompaktirane presovanjem ili sinterovanjem. Tokom mlevenja odigravaju se brojni procesi na makroskopskom, mikrskopskom i atomskom nivou: obrazovanje i kretanje jednodimenzionih defekata u strukturi, plastina deformacija, smicanje i lom estica, lokalno zagrevanje i emisija elektrona. Za mehanohemijski tretman prahova koriste se razliiti tipovi mlinova kao to su: vibracioni, atricioni, planetarni i horizontalni kuglini mlinovi. Prednost mehanohemijskih metoda je u njihovoj jednostavnosti, niskoj ceni opreme i mogunosti dobijanja mnogih materijala, dok se u nedostatke ubrajaju pojave aglomeracije praha, iroka raspodela veliine dobijenih estica. Ove metode se najee koriste za dobijanje neorganskih materijala i metala, ali ne i organskih materijala. Tipine veliine kristalita kod mehanohemijskih dobijenih nanokristala su od 5 nm do 20 nm. 2. sinteza iz tene faze. U ovu grupu metoda spadaju hidrotermalne metode, sol-gel metode i drugi procesi sinteze iz tene faze metodom taloenja. Osnova ovih metoda je meanje rastvora razliitih jona u tano definisanim odnosima pod kontrolisanom temperaturom i ptiriskom. Razmenom toplote se podstie formiranje nerastvornih kompleksa koji su dobijeni taloenjem iz rastvora. Ovakav materijal se onda skuplja putem filtriranja i sui pri emu se dobija prah. Ovim putem se mogu dobiti neorganski i organski materijali, kao i pojedini metali, uz korienje relativno pristupane opreme. 3. sinteza iz parne (gasne) faze koja se moe podeliti na:

metode koje ukljuuju isparavanje i kondezaciju. Osnova ove metode je prevoenje polaznog materijala u gasnu fazu isparavanjem i to bez ukljuivanja hemijskih reakcija. Nakon isparavanja sledi kondenzacija, pri kojoj se stvaraju estice koje se zatim izdvajaju iz gasne faze primenom ureaja za separaciju; metode kod kojih je sinteza praena hemijskim reakcijama u gasnoj fazi- u ovom sluaju keramiki prahovi se sintetiu hemijskim reakcijama izmeu polaznog materijala i odgovarajuih komponenata u gasnoj fazi. Ove tehnike sinteze su se razvile iz metode nanoenja filmova i prevlake. Podeavanjem uslova7

sinteze tako da se sprei rast filma, mogu se dobiti veoma iste nanoestice. Pri sintezi iz parne faze mogu se koristiti razliiti izvori energije za aktiviranje procesa (prevoenje u gasno stanje). To su npr. laseri, mikrotalasi, plazma, elektronski snop ili sagorevanje u plamenu.

Slika 3. Shematski prikaz prcesa dobijanja nanoestica iz pane faze Ove metode karakterie mogunost dobijanja veoma finih, neaglomerisanih, oksidnih i neoksidnih estica, velike homogenosti i istoe. Dobijeni prahovi nekom od navedenih metoda se potom mogu kompaktirati. Pri kompaktiranju prahova, pritiskanjem estica praha u kalupe dolazi do porasta njihove gustine. Gustina, odnosno poroznost sinterovanih materijala znaajno utie na njihova fiziko-mehanika svojstva. Sinterovanje je proces spajanja estica praha usled difuzije atoma ili jona i uzajamnim delovanjim sa atmosferom sinterovanja, to je praeno poveanjem kontaktne povrine, smanjenjem poroznosti i poveanjem mehanike vrstoe sinterovanog materijala. Dakle, sinterovanje je proces pri kome se kompaktirani skup finih estica praha transformie u vrsto neporozno polikristalno telo, putem zagrevanja i arenja u odrenom vremenu, pri odgovarajuim temperaturama, koje su nie od temperature toplenja polaznog praha. Postupci u tenom stanju su zasnovani na principu da se metalna matrica nalazi u vidu rastopa. U ovu metodu procesiranja spadaju:

livenje u kalupu je najei od svih livakih postupaka za proizvodnju velike koliine delova od MMC kompozita uz najniu cenu (slika 4).

8

Slika 4. Shematski prikaz dobijanja MMC kompozita livenjem u kalupu

livenje meanjem slino je klasinom postupku livenja metalnih legura, ali uz blago meanje rastopa radi obezbeivanja ravnomerne raspodele nanoestica u rastopu metala.(slika 5)

Slika 5. Shematski prikaz dobijanja MMC kompozita livenjem uz meanje rastopa metala

livenje pod pritiskom (infiltracija pod pritiskom) ukljuuje ubacivanje poroznog keramikog predoblika u predgrejan kalup, koji se kasnije ispunjava rastopom metala. Primenom pritiska rastopljeni metal ulazi u keramiki predoblik i nastaje vrst kompozit. Ovaj postupak je ekonomian, smanjuje utroak materijala i energije (slika 6).9

Slika 6. Shematski prikaz dobijanja MMC kompozita livenjem pod pritiskom rastopa metala

livenje u testastom stanju je postupak slian livenju meanjem, uz razliku to se nanoestice ojaanja meaju sa metalom koji je u testastom stanju. Testasti metal se mora snano meati, a ne blago kao kod livenja meanjem. livenje infiltracijom metala bez primene pritiska je postupak koji se obino koristi kod npr. legura Al-Mg koji se mogu infiltrirati u keramiku predformu. Ovaj proces se odvija na temperaturama 7501000 C u atmosferi azota (slika 7).

Slika 7. Shematski prikaz dobijanja MMC kompozita livenjem infiltracijom metala bez pritiska Postupci iz parne faze. Ovaj proces obuhvata deponovanje sloja matrice iz parne faze. Tako npr. deponovanje metala se postie plazmom za koju se10

koristi jonizovani gas koji daje visoke temperature na kojoj se prah skoro trenutno topi, dajui veoma sitne kapljice. Visoke temperature plazme su pogodne za topljenje teko topljivih prahova ali ne i za materijale sa niskom temperaturom topljenja.

3. Nanoestini kompoziti na bazi aliminijumaGlavna odlika konstrukcionih materijala na bazi aluminijuma i titana, odnosno njihovih legura, je niska gustina, pa kao takvi su atraktivni za primenu, pre svega u avioindustriji. Razvojem kompozitnih materijala, iju osnovu ine legure aluminijuma i titan, oblast njihove primene dodatno je proirena. Kao sekundarna faza uglavnom se koriste neorganski materijali (keramika) kao to su nanoestice Al2O3, SiC, a u novije vreme i nanoestice intermetalnog jedinjenja Al3Ti. Ovi materijali mogu jednostavno biti pripremljeni ubacivanjem keramikih nanoestica u Al ili njegove legure, ili pomou metalurgije praha ili metodom tene metalurgije. Glavni razlog dodavanja ojaanja aluminijumu i njegovim legurama je zbog poveanja vrstoe,krutosti ili otpornosti na zamor, ali obino se to postie na raun snienja drugih svojstava kao to je sposobnost deformacije. Kompozitni materijali na bazi aluminijuma ojaani nanoesticama Al2O3. Slika 8. (a) i 7(b) pokazuju tipine mikrostrukture istog aluminijuma ojaanog sa 1 i 4 zap.% Al2O3 nanoestica (50 nm). Kompoziti su pripremljeni pomou konvencionalne metalurgije praha. Kod 1 zap% Al2O3/Al nanokompozita, nanoestice Al2O3 su rasporeene po nanometarskim zrnima matrice aluminijuma. Sa slike 8. moe se uoiti aglomeracija nanoestica po zrnima i na granicama zrna Al-matrice. Zatezna vrstoa kompzita na bazi Al ojaanog nanoesticama Al2O3, poveava se sa sve veim sadrajem punila do 4 zap.% Al2O3 [1]. Mehaniko legiranje je metoda poznata po postizanju boljeg disperzionog ojaanja matrice mikro i nanokompozita. Proces obuhvata ponavljanje plastine deformacije, zavarivanje i lom estica. Mehaniko legiranje je praeno toplom konsolidacijom, kao to su topli pritisak , topli izostatiki pritisak ili ekstruzija.

11

Slika 8. TEM mikrografija a) 1 zap.% Al2O3/Al i b) 4 zap.% Al2O3/Al nanokompozita Kompozitni materijal na bazi aluminijuma ojaan nanoesticama silicijum karbida. Legura aluminijuma koja ini matricu ovog kompozitnog materijala odlikuje se malom gustinom i dobrom otpornou na koroziju, dok nanoestice SiC poveavaju matrici vrstou, modul elastinosti i otpornost na habanje. to su estice ojaanja sitnije, to je vea vrstoa i otpornost na puzanje. Dakle, silicijum karbid/aluminijum (SiC/Al)-nanokompoziti imaju poveanu cvrstou i krutost, veu otpornost na habanje i bolju temperaturnu stabilnost u poreenju sa istim aluminijumom, a bez posledica na teinu.

12

Slika 9. SEM slika a) morfologija gas-atomizovanog Al-5083 praha, b) morfologija nanopraha SiC, c) morfologija mlevenog Al-5083/SiC kompozitnog praha, i d) popreni presek mlevenog Al-5083/SiC kompozita dispergovanog SiC esticama (svetle takice) Ovaj kompozitni materijal moe uspeno da se proizvede tehnikama metalurgije praha. Koriste se dva naina za njegovo dobijanje, tj. polazni materijal mogu da budu ili predlegirani prahovi ili elementarni prahovi (slika 10).

13

Slika 10. Prikaz dobijanja kompozitnog materijala Al/SiC Visoko vrsti, predlegirani prahovi dobijaju se gasnom atomizacijom (rastopljeni materijal se rasprava gasom u estice). Posle kapsuliranja, kao konsolidacione tehnike, obino se koriste toplo presovanje ili toplo izostatiko presovanje. Nedostatak ovog naina dobijanja kompozita je visoka cena finalnih delova. Za kompozite kod kojih su dozvoljene nie vrednosti vrtoe, matrica moe biti izraena od elementarnih prahova. Meavina elementarnih prahova i prahova SiC konsoliduje se izostatikim presovanjem na povienim temperaturama. Ovaj nain dobijanja kompozita na bazi legura aluminijuma je fleksibilnija i ekonominija od prethodne. Pored dobijanja materijla teorijske gustine, valjanjem se moe postii smanjenje veliine zrna. Kompoziti na bazi aluminijuma ojaani nanoesticama intermtalnog jedinjenja. Posebno interesovanje meu intermetalnim14

jedinjenjima izazivaju titan trialuminidi (Al3Ti) koji se odlikuju visokim takama topljenja, malom gustinom i dobrom otpornou prema oksidaciji. Uz pomo metalurgije praha, omoguen je razvoj kompozitnih materijala iju osnovu ini aluminijum, dok tvrdu fazu koja ojaava ovu osnovu, ine nanoestice intermetalnog jedinjenja Al3Ti (slika11).

Slika 11. TEM slika nanoestica Al3Ti ravnomerno rasporeenih u Al matrici

4. Nanokompoziti na bazi magnezijumaMagnezijum je najlaki metalni materijal koji ima nisku gustinu. Naime, Mg je oko 35% laki od Al legure i 65% laki od Ti legure. Magnezijum i njegove legure su predmet intezivnijih istraivanja poslednjih godina zbog poveane potranje lakih materijala u automobilskoj i avio industriji. Meutim, industrijska primena Mg i njegovih legura je esto ograniena zbog njegovih nedostataka kao to su niska jaina, visok stepen habanja, velika hemijska reaktivnost, gubitak mehanike vrstoe pri visokim temperaturama i otpornosti na puzanje. Ovi nedostaci se mogu prevazii dodavanjem ili formiranjem nanoestica (npr. SiC) u matricu magnezijuma (slika 12).

15

Slika 12. TEM mikrografija Mg sa nanoesticama SiC a) posle meanja i b) posle meanja i mlevenja pre ekstruzije [1]

5. Kompoziti na bazi legura titana ojaanog nanoesticamaTitan je izabran kao metal matrice zbog njegove dobre specifine vrstoe na sobnoj i srednjim tempeaturama i izuzetne otpornosti na koroziju. Legure Ti mogu imati i do 2 puta veu vrstou. Kod titana i njegovih legura, visoka mehanika svojstva se zadravaju i na povienim temperaturama, to kod drugih konstrukcionih matrijala nije sluaj. Titan ima dobru plastinost. Nelegirani titan pokazuje nedostatke koji ograniavaju njegovu primenu u istom obliku. Nedostaci su brzo smanjenje vrstoe sa porastom temperature, vea sklonost ka puzanju i snienje korozione postojanosti u nekim agresivnim sredinama. Ovi nedostaci se mogu ukloniti u znaajnoj meri legiranjem titana. Meutim, kako izrada legura zahteva specijalno topljenje i posebne naine prerade, ove legure su skupe u odnosu na druge materijale. Nedostatak primene titana i njegovih legura lei u visokoj ceni sirovina, tako i obradi poluproizvoda. Tekoa obrade titana i njegovih legura, pri emu prilikom obrade ne sme da se izgubi vie od 50% polaznog praha, prouzrokovale su veu potrebu za korienjem tehnika tzv. hibridnog livenja i tehnika metalurgije praha koji u znatnoj meri eliminiu mainsku obradu ime se smanjuje gubitak ovog skupog materijala. Pri dobijanju kompozitnih materijala kod kojih je sekundarna faza SiC u obliku vlakna ili viskersa, prisutne su potekoe vezane za stabilnost ojaavajue faze prema matrici, izradu i cenu materijala. Meutim, pokazalo se da korienje nanoestica kao ojaavajue faze nudi tehniki poboljanja i bolju ekonominost. Kombinovanjem hladnog i toplog presovanja tokom procesiranja moe se dobiti kompozitni materijali na bazi titana. Kljuni faktor prilikom dobijanja ovih kompozita je dobar izbor kompatibilne sekundarne faze. SiC zbog svoje male gustine predstavlja veliki potencijal u pogledu eljenih svojstava. Meutim, SiC se u toku procesa rastvara u matrici titana, odnosno SiC nije kompatibilan kao sekundarna faza. S toga je16

kombinovanjem toplog i hladnog presovanja, u procesu dobijanja, efikasnije jer se konsolidacija prahova vri na niim temperaturama u odnosu na temperature topljenja i livenja. Shodno tome, postupak dobijanja ovih kompozita sastoji se iz meanja elementarnih prahova sa prahom legure, hladnog izostatikog presovanja, vakumskog sinterovanja i hladnog i toplog presovanja. Ovi kompozitni materijali na bazi titana ojaani nanoesticama, pokazuju bolja svojstva u pogledu vrstoe, modula elastinosti i tvrdoe u odnosu na najvanije legure titana [4].

6. Metalni kompoziti posebnih elektrinih svojstavaElektrini kontakti slue da prekidaju i ponovo uspostavljaju tok struje. Osnovni zahtevi koje kompozitni materijal treba da zadovolji za ovu namenu su: visoka tvrdoa i otpornost na abraziju, dobra elektrina i toplotna provodljivost, glatke i iste povrine, dobra obradljivost i efikasna tehnologija proizvodnje. Najee kompoziti iz ove grupe su bakar i srebro ojaani nanoesticama volframa. Kombinovanjem visokotemperaturnih svojstava voframa i elektrinih svojstava bakra odnosno srebra, dobijaju se materijali za elektrine kontakte. Ovi kompoziti se dobijaju tako to se u vrst (sinterovani) skelet volframa, odgovarajue poroznosti, infiltrira bakar ili srebro. Proces se odvija na temperaturi koja je via od take topljenja metala za infiltriranje, a nia od od take topljenja metala od koga je formiran skelet. Na ovaj nain se popunjavaju pore u skeletu i dobija se kompzitni materijal specifine strukture.

a)

b)

c)

d)17

Slika 13. Faze izrade nanokompozitnog materijala volframsrebro za elektrine kontakte: a) presovanje volframa b) kompaktirani proizvod c) sinterovanje volframovih nanoestia d) infiltracija tenog srebra izmeu nanoestica volframa Bakar ojaan nanoesticama Al2O3 (Cu/ Al2O3). Radi postizanja poboljanih mehanikih osobina disperziono ojaanih nanokompozita, bez uticaja na elektrinu i termiku provodljivost, potrebno je da je dispergovana faza nano veliine i ravnomerno rasporeena u osnovnom metalu. Za sintezu kompozitnih materijala sa metalnom osnovom tokom godina razvijeno je dosta metoda kao to su mehaniko legiranje, sprej piroliza, plastina deformacija, mehanohemijske i termohemijske metode. Najveu panju privlai termohemijski metod sinteze zbog velikog potencijala razliitih vrsta kompozitnih materijala i zbog relativno privlane cene. Za termohemijsku sintezu ulazni materijali su u tenom stanju to omoguava proizvodnju homogenih ultrafinih i nano estica, a samim tim i homogenu strukturu sinterovanih materijala. Pored homogene raspodele disperzooida, njihova veliina igra vanu ulogu u osobinama sinterovanih materijala. Naser, Ferkel i Reihnemann [5] su u svojim radovima dokazali uticaj veliine estica na mehanike osobine gotovih proizvoda. Na slikama 14. i 15. su pikazani rezultati ispitivanja tvrdoe HV10 i zatezne vrstoe toplo ekstrudovanih uzoraka nakon termikog tretmana.

18

Slika 14. Promena tvrdoe HV10 bakra i razliitih kompozita u funkciji temperature Prikazani rezultati potvruju pretpostavku da je prisustvo nanoestica Al2O3 na granici bakarnih zrna blokiralo proces rekristalizacije i rasta zrna. Tvrdoa nanokompozita sa 3 zap.% Al2O3 na temperaturi 1065C ima priblino istu vrednost kao za ist bakar i mikrokompozit na sobnoj temperaturi, dok je vrednost tvrdoe na temperaturi od 900C duplo vea od ova dva.

19

Slika 15. Zatezna vrstoa u MPa za toplo ekstrudovane materijale u funkciji temperature Brzina opadanja vrednosti zatezne vrstoe za nanokompozite u funkciji temperature je mala ak i do temperature oko 550C, dok je za mikrokompozit i ist Cu ona veoma izraena u intervalu od sobne do oko 450C. Na slici 16. prikazana je fotografija mikrostruktura uraene analitikom emisionom spektrometrijom (AES). Na slici su uoene estice Al2O3 u strukturi bakra. Veliina estica Al2O3, koje su uoljive na ovoj slici, iznosi 5-30nm.

Slika 16. AES fotografija konanokompozita Cu- 5% Al2O3 Srebro ojaano nanoesticama kao npr. metalna matrica Ag ojaana nanoesticama CdO, Ag/CdO, koristi se za pravljenje elektrinih kontakta. Ovaj kompozit ima dobru otpornost na eroziju kao i dobru elektrinu i toplotnu provodnost. Za razliku od kompozita na bazi bakra kod kojih su nanoestice za ojaavanje tvrde i koherentne sa osnovom, kod kompozita na bazi srebra nanoestice su nie vrednosti tvrdoe i nekoherentne su. Shodno tome, kod kompozita na bazi srebra potrebno je dodati vei sadraj nanoestica kadmijum oksida. Za proizvodnju kontaktnih kompozitnih materijala Ag/CdO ` jer se na ovaj nain dobija materijal ija svojstva produavaju vek kontakta. Osnovna primena Ag/CdO kontakta je kod skretnica strujnog toka u periodu kada je strujno kolo ukljueno. Platina ojaana nanoesticama. Platina se koristi uglavnom u visoko temperaturnim oksidacionima sredinama gde je odsustvo hemijske erozije neophodno. Upotreba istog metala je ograniena zbog male vrstoe i otpornosti na puzanje na visokim temperaturama. Legiranjem, poveava se vrstoa iste platine, ali ona ne moe da se odri na visokim

20

temperaturama zbog rasta zrna. Ovaj problem se reava upotrebom platine ojaane nanoesticama koje stabiliu strukturu zrna i spreavaju rast zrna. Platina ojaana nanoesticama se dobija tehnikom metalurgije praha. Naime, prah platine i nanoestice (torijum oksid, cirkonijum oksid, itrijum oksid...) se prethodno meaju pa se posle odreenog vremena smea kompaktira na visokim temperaturama.

21

7. ZakljuakPoetak proizvodnje kompozitnih materijala se vezuje za materijale sa matricom od polimera. Meutim, u poslednjih petnaest godina tei se ka materijalima koji za osnovu imaju keramiku ili metal. Jedna od pretpostvaki je da e ovakvi materijali imati deset puta veu tvrdou u odnosu na specijalne elike, a druga pretpostavka je da e znaajan pad cena ovih materijala usloviti sve veu primenu. Tako na primer, u avionskoj industriji se poetkom devedesetih godina u avione ugraivalo svega oko 3% kompozitnih materijala, dok se ta vrednost poetkom 21. veka popela do oko 65%. Za izradu nanokompozitnih materijala danas postoji ve itav niz tehnolokih postupaka koji su ili prilagoeni ili posebno razvijeni. Kod postupka iz prahova i kompaktiranja pojavljuje se poseban problem da estice nanoveliine imaju veliku povrinsku energiju pa tee aglomeraciji i adsorpciji stranih estica. Iz toga proizilaze ekstremni zahtevi u pogledu kontrole postupka i doputenog oneienja. Prahovi se proizvode iz vrste, tene ili parne faze. Mogunosti ekonomine izrade nalaze se u postupku mehanikog legiranja visokoenergetskim postupkom mlevenja vrstih estica. Znaajni problemi se javljaju pogotovo pri kompaktiranju praha u vrste delove, to je navelo na razmiljane o postupcima bez praha za proizvodnju nanostrukturnih materijala. Pri tome bi se nastale nanoestice direktno taloile, npr. tzv. sol-gel postupkom, hidrotermalnim tretmanom ili iz plinske faze. Iz dosadanje dinamike razvoja podruja nanostrukturnih materijala mogue je zakljuiti da e se u bliskoj budunosti sve prednosti ovih materijala moi ekonomski iskoristiti. Pri tome se misli na zamenu dananjih materijala i poboljanje njihovih svojstava, ali i na iskorienje njihovih sasvim novih svojstava. Sposobnost ostvarenja eljenih svojstava po meri zahteva primene, osnova je za dalji razvoj nanotehnologija proizvodnje nanostrukturnih materijala, kojima se pripisuje kljuna uloga za 21. vek.

22

23

Literatura[1] S. C. Tjong, Novel Nanoparticle-Reinforced Metal Matrix Composites with Enhanced Mechanical Properties, Advanced Engineering Materials, 9 (8) (2007): 639-652. [2] K. K. Chawla, N. Chawla, Metal-matrix composites, Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Tehnology (2004). [3] B. Radiki, Elektrine osobine ZnFe2O4 dopiranog itrijumom, diplomski rad, Novi Sad (2007). [4] F. Kovaiek, I. mak, Proizvodni postupci za izradu metalnih kompozita, Zbornik radova savjetovanja MATRIB2004, (2004) 349-356. [5] M.Kora, . Kamberovi, M. Filipovi, Odreivanje veliine estica Al2O3 u nanokompozitnim materijalima iz sistema Cu-Al2O3 primenom UV spektrofotometrije, Metalurgija-Journal of Metallurgy, 14 (2008) 279-284.

24