Materijali 2 - kolokvij 3

Question 1

Navedite razliku između polimera i polimernih materijala i navedite neke od često prisutnih dodataka.

Answer 1

Čisti polimeri nisu tehnički uporabivi, polimerni materijali koji su tehnički uporabivi sastoje se od polimera i dodataka. Dodaci mogu biti reakcijske tvari, dodaci za poboljšanje preradljivosti, modifikatori mehaničkih svojstava, modifikatori površinskih svojstava, modifikatori optičkih svojstava, dodaci za poboljšanje postojanosti i dr. Najčešći dodaci su punila i ojačala.

Question 2

Prikažite i na primjerima objasnite svojstva polimernih materijala u ovisnosti o strukturi.

Answer 2

Polimer u čvrstom stanju može imati kristalnu fazu, ali ima i amorfnu. Kristalna je faza uređena, a amorfna neuređena. Tehnički polimeri nikada nisu 100% uređeni. Uređena faza ima veću gustoću te su veze između segmenata makromolekulskih
lanaca jače → bolja mehanička svojstva, manja propusnost za plinove, bolja toplinska vodljivost. U polimeru je važan stupanj kristalnosti zbog velike razlike svojstava kristalne i amorfne faze. Polimeri mogu biti kristalasti (imaju kristalnu i amorfnu
strukturu) ili amorfni. Zagrijavanjem kristalastog polimera slabe mu mehanička svojstva; kada se zagrijava polimer u čvrstom stanju prvo mu mekša amorfna faza jer su slabije veze između makromolekula, nakon toga mekša i kristalna faza te dolazi do taljenja. Mekšanje amorfne faze odvija se pri staklastom prijelazu (staklasto →
gumasto).

Question 3

Koje se reakcijske tvari dodaju polimerima i zašto?

Answer 3

Kako bi se postigla željena mehanička svojstva te željena struktura, polimerima se
dodaju pjenila, dodaci za smanjenje gorivosti i umrežavala.

Question 4

Navedite osnovnu podjelu polimernih materijala i neke vrste iz svake podskupine.
Koje su najprikladnije za matricu polimernih kompozita?

Answer 4

Osnovna podjela polimernih materijala vrši se na osnovu vrste veza između makromolekula, odnosno ponašanja pri zagrijavanju - plastomeri, elastomeri i
duromeri. Predstavnici su plastomera polietilen PE, polipropilen PP, polivinil-klorid PVC, polistiren PS, PET i dr. Osnovni je sastojak elastomera kaučuk - prirodni ili
sintetski. Predstavnici duromera su fenol-formaldehidi, epoksidne smole, poliuretani, poliesterske smole itd. Za matricu polimernih kompozita najčešće se koriste duromeri (poliesterske smole najučestalije) zbog jednostavne pripreme pri sobnoj temperaturi, dok je priprema kompozita s plastomernom matricom zahtjevnija.

Question 5

Što su omekšavala i koji je princip njihovog djelovanja?

Answer 5

Omekšavala su modifikatori mehaničkih svojstava, poboljšavaju elastičnost, tečenje
taljevine, smanjuju jakost međumolekulskih sila polimera (povećavaju gibljivost
makromolekula - pad čvrstoće i postojanosti oblika). Uglavnom se dodaju
plastomerima, rjeđe elastomerima. Molekule omekšavala smještaju se u amorfnu
fazu te razmiču segmente pri čemu slabe veze između makromolekula.

Question 6

Koja je razlika između punila i ojačala? U koju skupinu dodataka spadaju?

Answer 6

Punila i ojačala spadaju u modifikatore mehaničkih svojstava. Punila su u obliku fino
dispergiranog praha (najpoznatija punila su CaCO3, SiO2, silikati, tehnički ugljik,
Al2O3, drveno brašno), a ojačala su dodaci u obliku vlaknastih materijala (kratka ili
kontinuirana vlakna).

Question 7

Koji su modifikatori mehaničkih svojstava polimera i koji od njih su najčešći u
primjeni?

Answer 7

Modifikatori mehaničkih svojstava su omekšavala, dodaci za povišenje žilavosti,
punila, prianjala i ojačala, a najčešći u primjeni su punila i ojačala.

Question 8

Zašto je duromerima obavezno modificirati mehanička svojstva?

Answer 8

Duromeri se u pravilu ne koriste u polimeriziranom obliku već samo nakon
umrežavanja uz prisustvo dodataka - punila ili ojačala, kako bi se postigla
trodimenzionalna umrežena struktura.

Question 9

Koji je polimer najbolji u pogledu kemijske postojanosti?

Answer 9

Najbolju kemijsku postojanost imaju duromeri.

Question 10

Skicirajte dijagram naprezanje-istezanje za polimerne materijale i navedite neke od
karakteristika krivulja.

Answer 10

Nagib početka krivulje pokazuje
krutost materijala, dakle ako je
krivulja strmija taj će se materijal pri
istom naprezanju manje istezati od
drugih (amorfni plastomeri i
duromeri). Naprezanje pri
maksimalnoj sili govori nam o čvrstoći
materijala, dakle elastomeri imaju
najmanju čvrstoću. Vidljivo je da
amorfni plastomeri i duromeri ne podnose plastičnu deformaciju već pucaju krhkim
lomom. +skica

Question 11

Prikazati u dijagramu ovisnost modula elastičnosti o temperaturi za tipičan
plastomer (plastiku) i tipičan elastomer (gumu) i objasniti razliku između ove dvije
krivulje.

Answer 11

Temperatura staklišta gume značajno
je niža od temperature staklišta
plastike, dakle guma prije prelazi u
gumasto stanje - krutost gume pri
temperaturi uporabe niža je od
krutosti plastike. +skica

Question 12

Opišite metode utvrđivanja tvrdoće polimernih materijala.

Answer 12

Najčešća metoda utvrđivanja tvrdoće polimernih materijala je
metoda utiskivanja kuglice - HRN, primjenjuje se za plastomere i
duromere. Provodi se na tvrdomjeru. Debljina pločice (uzorka) mora
biti minimalno 4 mm (u protivnom se pločice slažu jedna na drugu)
te se očitava dubina prodiranja kuglice pri opterećenju nakon
određenih vremenskih intervala (10, 30 i 60 s).
Tvrdoća elastomera i duromera najčešće se određuje metodom po Shore-u. Te se
metode razlikuju po geometriji tijela koje se utiskuje i primijenjenoj sili (10 ili 50 N).

Question 13

Opišite postupak određivanja modula elastičnosti pri vlačnom opterećenju
polimernih materijala i navedite orijentacijske vrijednosti modula elastičnosti tih
materijala.

Answer 13

Modul elastičnosti određuje se
prilikom mjerenja rastezne
(vlačne) čvrstoće na univerzalnim
kidalicama (statičko vlačno
ispitivanje). Epruveta propisanih
dimenzija i oblika vlačno se
opterećuje, a modul elastičnosti
iščitava se iz naprezanje-istezanje
dijagrama. Zbog slabe izraženosti
linearnosti kod polimernih materijala se određuje sekantni ili tangencijalni modul elastičnosti. Orijentacijske
vrijednosti rasteznog modula elastičnosti su: plastomeri = 3000 N/mm²,
elastomeri=50-150 N/mm² i duromeri = 5000-1200 N/mm². +skica

Question 14

Skicom prikazati i objasniti ukupnu deformaciju polimera pri statičkom
opterećenju.

Answer 14

Kruti i krhki polimeri su amorfni plastomeri i
duromeri, krhko - žilavi, odnosno tvrdi i žilavi
polimeri su kristalasti plastomeri, dok su
elastomeri savitljivi i žilavi. Točka tečenja
predstavlja trenutak u kojemu materijal
počinje teći - kod amorfnih plastomera i
duromera materijal ne teče već se javlja krhki
lom. +skica

Question 15

Skicom prikažite i objasnite ponašanje polimernih materijala u uvjetima trajnog
statičkog opterećenja.

Answer 15

Ukoliko je statičko opterećenje
dugotrajno, pojavit će se svojstvo
viskoelastičnosti polimera - na
dugoj se vremenskoj skali
materijal počinje ponašati poput
kapljevine, odnosno počinje teći. + skica

Question 16

Skicom prikažite ponašanje polimernih materijala u odnosu na metalne materijale u
uvjetima trajnog dinamičkog opterećenja i objasnite razliku.

Answer 16

Kod čelika je uočljivo asimptotsko
približavanje, kod polimera ono ne postoji
već se radi o vrlo složenim krivuljama.
Dinamički opterećen polimer se zagrijava -
ponašanje polimera izrazito je ovisno o
temperaturi stoga frekvencija ispitivanja ne
smije prekoračiti 10 Hz da ne bi došlo do
velikog prigušivanja (dio mehaničke energije nepovratno se pretvara u toplinsku) +skica

Question 17

Izokronim dijagramom objasnite pojam kritičnog naprezanja.

Answer 17

Izokroni dijagram prikazuje krivulje ovisnosti
naprezanje-istezanje uz različita trajanja opterećenja.
Kritično istezanje vrijednost je istezanja pri kojem niti
nakon vrlo dugog opterećenja ne dolazi do pojave
mikroskopskih oštećenja. Kritično je naprezanje
najveće moguće naprezanje bez pojave mikroskopskih
oštećenja.

Question 18

Navedite neka dobra svojstva polimernih materijala u odnosu prema drugim
skupinama materijala.

Answer 18

Polimeri imaju bolju kemijsku postojanost od metala (najčešće dolazi samo do
fizikalnih promjena - mase i volumena). Imaju mali faktor trenja - dobru otpornost na
trošenje, malu gustoću (oko 7 puta manju od metala), dobru sposobnost prigušenja
vibracija, dobra izolacijska svojstva (toplinska i električna), prerađuju se
deformiranjem pri relativno malo povišenim temperaturama te je ekonomična
serijska izrada dijelova.

Question 19

Navedite nedostatke polimernih materijala kao konstrukcijskih materijala.

Answer 19

Nedostaci polimernih materijala su velika ovisnost svojstava o raznim utjecajnim
faktorima (temperatura, trajanje i brzina opterećenja…), nizak modul elastičnosti,
velika toplinska istezljivost, mala površinska tvrdoća, podložnost starenju, utjecaj
preradbe na svojstva te neekonomična proizvodnja malih količina proizvoda.

Question 20

Zašto polimerni materijali imaju bolja tarna svojstva u odnosu na metalne
materijale?

Answer 20

Polimerni materijali imaju bolja tarna (tribološka) svojstva od metala jer nema
mikrozavarenih spojeva, udubine neravnina popunjavaju se proizvodima trošenja
polimernog materijala te su relativno neosjetljivi prema stranim česticama.

Question 21

Zašto su polimerni materijali kemijski postojaniji u odnosu na metalne materijale?

Answer 21

Polimerni su materijali kemijski postojaniji od metalnih jer najčešće dolazi samo do
fizikalnih promjena, imaju mogućnost reverzibilnosti procesa, a do nepovratne
promjene svojstava dolazi samo ako postoji afinitet polimer-medij.

Question 22

Koji su najčešće korišteni polimeri? Nabroji nekoliko (puni naziv).

Answer 22

Najzastupljenija skupina polimera su plastomeri te čine oko 90% ukupne proizvodnje
polimera. Neki od njih su polipropilen, polietilen, polistiren, polivinil-klorid,
politetrafluoretilen i dr

Question 23

Što su kompoziti, koji su im osnovni konstituenti i kako se mogu podijeliti obzirom
na osnovne konstituente?

Answer 23

Kompoziti su materijali proizvedeni umjetnim spajanjem dvaju ili više materijala
različitih svojstava s jasnom granicom između njih. Rezultat je dobivanje materijala
takvih svojstava kakva ne posjeduje niti jedna komponenta sama za sebe. Kompoziti
su višefazni sustavi koji se sastoje od matrice (kontinuirane faze) i ojačala koja
poboljšavaju neka svojstva (najčešće mehanička). Možemo ih podijeliti prema
materijalu matrice na keramičke, organske ili metalne kompozite te prema obliku
ojačala na kompozite ojačane vlaknima, s česticama i strukturne kompozite.

Question 24

Koje su tri osnovne komponente svakog kompozita i kako se dijele obzirom na
materijal ojačala? Koji se materijal najčešće koristi kao metal matrica?

Answer 24

nema odg

Question 25

Navedite podjelu vlaknastih ojačala kompozita. Što su viskeri?

Answer 25

Vlaknasta ojačala kompozita dijelimo na viskere, vlakna i žice. Viskeri su sitni monokristali koji imaju ekstremno velik omjer „duljina - promjer“. Posljedica malih dimenzija je velik udio pravilnosti kristalne građe što vodi do izuzetno visoke čvrstoće, no vrlo se rijetko primjenjuju zbog visoke cijene i komplicirane proizvodnje. Mogu biti od grafita, silicijeva karbida, silicijeva nitrida i aluminijeva oksida

Question 26

Objasni pojam specifična krutost. Kod koje se vrste kompozita koristi taj pojam?

Answer 26

Specifične vrijednosti bitne su kod kompozitnih materijala ojačanih vlaknima. Vlakna trebaju biti kruta i čvrsta, a ujedno i lagana - traže se visoke specifične vrijednosti. Specifična krutost označava krutost podijeljenu s vrijednosti gustoće, dakle što je vrijednost gustoće manja (time i materijal lakši), to će krutost biti veća. Tako primjerice metalni kompoziti imaju visoku čvrstoću i krutost uz vrlo malu gustoću.

Question 27

O čemu ovisi ukupno ponašanje kompozita?

Answer 27

Ukupno ponašanje i svojstva kompozita ovise o svojstvima konstituenata (matrice i ojačala); veličini, obliku i raspodjeli konstituenata; volumnom udjelu konstituenata te o prirodi i jakosti veza između konstituenata.

Question 28

Skicirajte u dijagramu naprezanje-istezanje ponašanje vlakna, matrice i kompozita kod jednosmjernog ojačala.

Answer 28

Plastična deformacija kompozita počinje kad i plastična deformacija matrice (područje II), a lom kompozita nastupa kada dođe do loma vlakna. +skica

Question 29

Od kojih se materijala izrađuju vlakna ojačala?

Answer 29

Materijali vlakana mogu biti polimerni ili keramički (aramid, staklo, ugljik, bor, aluminij-oksid i silicij-karbid).

Question 30

Koji se materijali najčešće koriste kao polimerne matrice kod kompozita?

Answer 30

Kao polimerne matrice koriste se plastomeri ili duromeri. Najučestaliji materijal plastomerne matrice je polipropilen (95% slučajeva). Duromerne su matrice češće od plastomernih, najčešća je poliesterska smola.

Question 31

Navedite podjelu kompozita prema vrsti ojačala. Koja se vlakna najčešće koriste u tu svrhu? Navedite podjelu ugljičnih vlakana.

Answer 31

Kompoziti prema obliku ojačala se dijele na vlaknima, česticama i strukturnim ojačalima. Vlaknima ojačani kompoziti se dalje dijele na viskere, vlakna i žice. S česticama ojačani kompoziti se dijele na velike i sitne čestice. Strukturni kompoziti se dijele na sendviče i laminate.

Question 32

Koji se materijali najčešće koriste kao metalne matrice kompozita?

Answer 32

Kao metalne matrice koriste se superlegure (Ni-Co), legure aluminija, magnezija, titana i bakra.

Question 33

Koje su najčešće matrice keramičkih kompozita?

Answer 33

Materijal matrice keramičkih kompozita može biti oksidna ili neoksidna keramika. Od oksidnih keramika koriste se Al2O3, SiO2, te Ba-, Li i Ca-aluminosilikati, a od neoksidnih se keramika koriste SiC, Si3N4, B4C i AlN.

Question 34

Koja su najčešća ojačala za keramičke kompozite?

Answer 34

Diskontinuirana vlakna (viskeri, pločice, čestice) - SiC najzastupljeniji zbog stabilnosti u nizu oksidnih i neoksidnih keramičkih matrica. Kontinuirana vlakna - staklo, mulit, Al2O3, C, SiC (SiC se najviše koristi zbog visoke tvrdoće i čvrstoće te topl. stabilnosti).

Question 35

Što su hibridni kompoziti i koja im je svrha?

Answer 35

Hibridni kompoziti relativno su novija vrsta vlaknima ojačanih kompozita, dobivaju se uporabom više vrsta vlakana u jedinstvenoj matrici, čime se postižu znatno bolja svojstva. Najčešće su kombinacije ugljik-aramid (žilavost+vlačna čvrstoća od aramida, tlačna i vlačna čvrstoća od ugljičnih vlakana, visoka cijena), aramid-staklo (tlačna i vlačna čvrstoća od stakla, niska cijena) i ugljik-staklo.

Question 36

Navedite i objasnite strukturne kompozite.

Answer 36

Strukturni kompoziti su slojevite (laminatne) konstrukcije i sendvič konstrukcije. Slojeviti su kompoziti sastavljeni od dvodimenzionalnih slojeva s preferiranim smjerom visoke čvrstoće. Slojevi su složeni i međusobno čvrsto povezani, a svojstva variraju obzirom na orijentaciju vlakana u pojedinim slojevima. Sendvič konstrukcije sastoje se od tankih slojeva i laganog srednjeg dijela koji služi za popunjavanje. Materijal za popunjavanje ni vanjski slojevi ne moraju biti čvrsti niti kruti, no sendvič će imati oba svojstva (npr. valoviti karton i struktura u obliku pčelinjih saća u zrakoplovstvu).

Question 37

Navedite primjere primjene kompozitnih materijala.

Answer 37

Kompozitni se materijali primjenjuju u medicini i farmaciji, sportu, vojnoj industriji, zrakoplovstvu, građevini, elektrotehnici… Npr. struktura u obliku pčelinjih saća koja se primjenjuje u zrakoplovstvu, biokompoziti za prigušenje buke u automobilima, dijelovi svemirskih letjelica od metalnih kompozita kako bi se smanjila masa (40% manja masa u odnosu na Al), rezni alati od keramičkih kompozita.