Projektowanie kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu

• Autorzy: Szafran M. , Bobryk E. , Konopka K.

Warianty tytułu

EN

Design of the ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Przedstawiono metodę projektowania kompozytów ceramika-metal z gradientem stężenia cząstek metalu z wykorzystaniem sedymentacji cząstek metalu w ceramicznej masie lejnej otrzymanej z proszku ceramicznego i proszku metalu o różnej gęstości. Metoda ta polega na odpowiednim przygotowaniu ceramicznej masy lejnej składającej się z rozpuszczalnika, upłynniacza, spoiwa oraz proszku ceramicznego i proszku metalu. Sedymentacja cząstek metalu o gęstości znacznie wyższej od gęstości proszku ceramicznego pod wpływem siły ciężkości może zachodzić tylko wówczas, gdy odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w ceramicznej masie lejnej są większe od średnicy cząstek metalu (rys. 2). W pracy przedstawiono metodę oraz wyniki obliczeń odległości pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego w zależności od stężenia fazy stałej oraz średniej wielkości cząstki proszku ceramicznego. Obliczenia te wykonano przy założeniu luźnego, regularnego ułożenia cząstek. Wyniki przedstawione w tabeli l i na rysunku 3 wskazują, że odległość pomiędzy cząstkami proszku ceramicznego maleje wraz ze zmniejszeniem średniej średnicy cząstek oraz ze wzrostem stężenia fazy stałej w ceramicznej masie lejnej. Wyniki tych obliczeń potwierdzono, przygotowując ceramiczną masę lejną z tlenku glinu oraz proszku żelazowego. Zastosowano tlenek glinu o średniej średnicy cząstek 0,5 um i o gęstości 3,926 g/cm3 oraz proszek żelaza o średnicy cząstek równej 4 um i gęstości 7,81 g/cm3. W przypadku mas lejnych o stężeniu tlenku glinu powyżej 40% obj. nie obserwowano gradientu stężenia cząstek żelaza na wysokości kształtki otrzymanej metodą odlewania w formie gipsowej. Gradient stężenia cząstek żelaza spowodowany sedymentacją obserwuje się wówczas, gdy rozmiar cząstek żelaza w masie lejnej jest mniejszy niż odległość pomiędzy cząstkami tlenku glinu w ceramicznej masie lejnej. Metodą tą można uzyskać kształtki z gradientem nie tylko stężenia cząstek metalu, ale także z gradientem wielkości tych cząstek na wysokości kształtki. Gradient stężenia cząstek metalu może być wymuszony, gdy zastosuje się odlewanie w obecności silnego magnesu umieszczonego bezpośrednio pod formą gipsową. Pole magnetyczne powoduje ruch cząstek żelaza w kierunku magnesu.

EN

In the paper the design of ceramic-metal composites with gradient concentration of metal particles is presented. As a method of composites fabrication the slip casting method was chosen. The process of metal particles sedimentation under gravitation force and magnetic field was used to achieve the gradient concentration of metal particles. In slip casting method the mixture of powders with addition of liquidizers, surface active agents and binders is prepared. Process of metal particles with higher density than the density of ceramic powder sedimentation under gravity force is possible when the distance between the ceramic powder particles are bigger than the size of metal particles (Fig. 2). In the paper the calculations of the distances between the particles are presented. Moreover, the correlation between the size of metal particles and the distance between ceramic particles is described. In calculations the assumption was made that there is regular distribution of free particles. Results showed that the distance between the particles decreases together with the decrease of average size of particles and with increase of concentration of solid phase in slip casting (Tab. 1, Fig. 3). Experimental results confirmed the calculations. The composites Al2O3-Fe were prepared. The Al2O3 powder with average diameter equal to 0.5 um and density equal to 3.926 g/cm3 was used. The average size of Fe powder was equal to 4 um, and its density was equal to 7.81 g/cm3. In case of slip casting with 40 volume % of alumina powder no gradient concentration in composites was noticed. Gradient concentration of iron particles is possible when the size of Fe particles in slip casting is lower than the distance between the Al2O3 particles. In such a situation when gradient concentration of metal particles can not be obtained by sedimentation method i.e. when the size of metal particles is equal or bigger than the distance between the particles, the magnetic force might be used. Magnetic force leads to gradient concentration of metal particles, moreover the metal particles are situated along the line of magnetic field.

Słowa kluczowe

PL

kompozyt ceramika-metal; materiał gradientowy; masa lejna

EN

ceramic-metal composite; gradient material; slip casting

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Kompozyty
• Rocznik: 2005
• Tom: R. 5, nr 3
• Strony: 10--15
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., tab., rys., wykr.

Twórcy

autor

Szafran M.

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa

autor

Bobryk E.

• Politechnika Warszawska, Wydział Chemiczny, ul. Noakowskiego 3, 00-664 Warszawa

autor

Konopka K.

• Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Materiałowej, ul. Wołoska 141, 02-507 Warszawa

Bibliografia

• [1] Wachtman J.B., Mechanical Properties of Ceramics, John Wiley and Sons, New York 1996.
• [2] Shackelford J.F., Introduction to Materials Science for Engineers, Fourth edition, Prentice-Hall Inc. 1996.
• [3] Boczkowska A., Kapuściński J., Puciłowski K., Wojciechowski S., Kompozyty, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 2000.
• [4] Pampuch R., Budowa i właściwości materiałów ceramicznych, Wydawnictwo AGH, Kraków 1995.
• [5] Sbaizero O., Pezzoti G., Acta Mater. 2000, 48, 985-992.
• [6] Xudong Su, Yeomans J., J. Mat. Sci. 1996, 31, 875-880.
• [7] Sigl L.S., Mataga P.A., Dalgleish B.J., McMeeking R.M., Evans A.G., Acta Metall. 1989, 36, 1847-1857.
• [8] Kawasaki A., Watanabe R., Ceram. Inter. 1997, 23, 73.
• [9] Konopka K., Oziębło A., Mater. Characterization 2001, 46, 125.
• [10] Konopka K., Matysiak H., Olszyna A., Proc. Sixth International Conference Stereology and Image Analysis in Materials Science, STERMAT, Kraków, 20-23 września 2000.
• [11] Szafran M., Laskowska J., Jaegermann Z., Bioceramiczne materiały porowate, Cz. 1. Sposób otrzymywania materia- łów z udziałem spienionych tworzyw sztucznych, Szkło i Ceramika 2000, 51, 1, 9.
• [12] Szafran M., Laskowska J., Jaegermann Z., Bioceramiczne materiały porowate, Cz. 2. Poli(alkohol winylowy) a właściwości biomateriałów otrzymywanych z udziałem spienionych tworzyw sztucznych, Szkło i Ceramika 2000, 51, 2, 27.
• [13] Szafran M., Rokicki G., Effect of acrylic-styrene copolymer chemical structure on the properties of ceramic tapes obtained by tape casting, J. Am. Ceram. Soc. 2001, 84, 1231- 35.
• [14] Oziębło A., Wejrzanowski T., Konopka K., Szafran M., Kurzydłowski K.J., Materiały konferencyjne FGM 2004, Leuven, Belgia 2004.
• [15] Oziębło A., Konopka K., Bobryk E., Kurzydlowski K.J., Szafran M., Solid State Phenom. 2005, 101-102, 143-146.