1 / 58

Komposit Matrik Seramik (CMC)

Komposit Matrik Seramik (CMC). Pengenalan. Seramik monolitik: kekuatan dan kekakuan tinggi pada suhu ternaik, lengai (kimia), ketumpatan rendah Tetapi rapuh/keliatan rendah: musnah teruk (catastrophic failure) jika cacat permukaan/dalaman hadir.

malory
Download Presentation

Komposit Matrik Seramik (CMC)

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Komposit Matrik Seramik (CMC) EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  2. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  3. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  4. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  5. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  6. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  7. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  8. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  9. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  10. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  11. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  12. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  13. Pengenalan • Seramik monolitik: kekuatan dan kekakuan tinggi pada suhu ternaik, lengai (kimia), ketumpatan rendah • Tetapi rapuh/keliatan rendah: musnah teruk (catastrophic failure) jika cacat permukaan/dalaman hadir. • Terdedah kpd kejutan terma dan kerosakan ketika fabrikasi/servis • Objektif utama CMC: meningkatkan keliatan matrik seramik dengan menambahkan tetulang supaya kekuatan pada suhu tinggi dan rintangan persekitaran bahan seramik dapat dieksploitasi tanpa risiko kegagalan teruk. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  14. (tenaga utk pemecahan). Mod kegagalan juga perlu dikawal. • CMC diperkuat gentian mengekalkan luas selepas gagal. CMC zarahan & monolitik pecah teruk. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  15. Perkembangan CMC agak ketinggalan kerana 2 sebab: (1) kaedah pemprosesan seramik melibatkan suhu tinggi dan hanya boleh digunakan dengan tetulang yang mempunyai sifat yang baik pada suhu tinggi. Sifat-sifat suhu tinggi CMC hanya boleh dikekalkan jika tetulang turut mempunyai sifat2 suhu tinggi yang baik. (2) perbezaan pekali pengembangan terma yang besar antara matrik dan tetulang menghasilkan tegasan terma semasa disejukkan dari suhu pemprosesan yang tinggi.MMC- tegasan terma boleh dikeluarkan secara ubahbentuk plastik matrik. CMC-tidak boleh, maka retakan matrik terjadi. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  16. Keperluan Matrik Seramik • Bahan matrik seramik yang ideal mestilah mempunyai ciri2 berikut; • Meusuk gugusan gentian, sesungut dan prabentuk zarahan • Membentuk ikatan mekanikal @ geseran dengan tetulang • Tiada tdkbls kimi dengan tetulang seramik sms fabrikasi/servis • Tidak merosakkan gentian secara fizikal • Mempunyai rintangan lesu, rayapan dan hentaman yg baik • Keliatan tinggi • Stabil kimia – tidak menyerap lembapan, merintangi pengoksidaan, tidak terhidrat atau meruap. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  17. Keperluan Matrik Seramik • Bahan matrik seramik yang ideal mestilah mempunyai ciri2 berikut; • Meusuk gugusan gentian, sesungut dan prabentuk zarahan • Membentuk ikatan mekanikal @ geseran dengan tetulang • Tiada tdkbls kimi dengan tetulang seramik sms fabrikasi/servis • Tidak merosakkan gentian secara fizikal • Mempunyai rintangan lesu, rayapan dan hentaman yg baik • Keliatan tinggi • Stabil kimia – tidak menyerap lembapan, merintangi pengoksidaan, tidak terhidrat atau meruap. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  18. Dalam udara/oksigen, seramik oksida lebih stabil vs bukan oksida. Alumina ialah seramik plg stabil dalam pelbagai persekitaran walaupun takt leburnya (2050) bukanlah yg tertinggi. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  19. Pemprosesan CMC • Percampuran dan penekanan konvensional (Penekanan sejuk dan persinteran) • Teknik melibatkan slip • Pemprosesan keadaan cecair • Pemprosesan sol-gel • Teknik pemendapan wap • Proses Lanxide dan in situ EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  20. Percampuran dan penekanan konvensional (Penekanan sejuk dan persinteran) • Serbuk matrik dicampurkan dengan tetulang dalam bentuk zarahan atau sesungut bersama2 pengikat. Campuran ditekan dan dibakar atau ditekan panas. • Masalah: (1) Sukar mendapatkan campuran homogen kedua2 unsur dan kandungan fasa penguat yang tinggi sukar dicapai. (2) Sesungut membentuk agregat dan ini mengurangkan kecekapan pemadatan. Kerosakan sesungut boleh berlaku semasa percampuran dan penekanan terutamanya penekanan sejuk. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  21. Teknik melibatkan slip • Pemprosesan basah – membantu mencapai keadaan homogen. MIX: Mix reinforcement and powdered matrix dalam larutan DISPERSE: Improve dispersion by ultrasonic/agitation mixer DRY: Heat to evaporate water SLIP CAST COLD PRESS HOT PRESS Rajah 1 SINTER EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  22. Campuran mestilah kekal dalam keadaan terlerai (defloculated), iaitu diserak dengan baik dalam slip – boleh dicapai dengan mengawal ph larutan akuas. • Serakan diperbaik dengan pengadukan (ultrasonik). • CMC zarahan, sesungut atau gentian pendek boleh dibentuk melalui penuangan slip. Atau dikeringkan dengan mengenakan haba untuk mengeringkan air. Campuran kering boleh ditekan sejuk dan sinter atau ditekan panas. • Seramik yang dihasil melalui kaedah ini memberikan sifat mekanikal yang lemah dan mengandungi banyak liang. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  23. Pengecutan semasa persinteran. Gentian dan sesungut boleh membentuk jaringan yang merencat proses persinteran • Teknik slip utk CMC gentian panjang: Rajah 2 EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  24. CMC gentian panjang (khas untuk komposit matrik kaca). • Sentuhan yang baik antara gentian panjang dan matrik dicapai dengan penarikan gugusan gentian (tow) melalui slip serbuk kaca dalam air dan resin pengikat larut air (rajah 2). • Tow (yang ditusuk dengan slip) dililit pada mandrel untuk membentuk pita monolapisan • Pita dipotong2 dan ditindan mengikut turutan yang diingini sebelum dibakar untuk mengeluarkan pengikat. • Penekanan panas untuk memadatkan matrik. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  25. Pemprosesan Keadaan Cecair • Kaedah penusukan cecair (MMC) yang diubahsuai tetapi terdapat kekangan kerana (a) tindakbalas dengan tetulang sebagai akibat suhu perleburan seramik refraktori yang tinggi dan kereaktifan leburan kaca (2) kadar penusukan yang rendah sebagai akibat kelikatan tinggi • Teknik leburan paling berjaya ialah matrix transfer moulding (pengacuanan pindahan matrik). Kelebihan-fabrikasi tiub yang sukar dihasilkan melalui kaedah lain. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  26. Prabentuk dan slug kaca dimasukkan dalam acuan silinder. Tekanan dan haba menolak cecair kaca memasuki liang dalam prabentuk. Selepas penyejukan tiub komposit ditolak keluar dari acuan. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  27. Sesetengah seramik boleh dihasilkan drpd pirolisis polimer. Polimer boleh diguna menggantikan slip semasa menghasilkan komposit tetulang selanjar (dalam rajah 2) atau untuk liquid impregnation sesebuah prabentuk. • Rawatan haba: suhu pirolisis agak rendah (600-1000C) maka degradasi tetulang kurang. Oleh sebab penghasilan seramik rendah (< 60%), pirolisis berkitar dilakukan utk mencapai ketumpatan bahan yang tinggi. • Kaedah lazim utk komposit karbon-karbondan sistem lain. Pirolisis polysilastyrene atau dodecamethylcyclohexaxylene menghasilkan SiC. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  28. Pemprosesan Sol Gel • Pemprosesan CMC melalui sol-gel masih diperingkat eksperimen (kecuali alumina diperkuat zirkonia) • Sol: serakan partikel halus (<100nm) dalam larutan, diperolehi daripada pemendapan yang terhasil semasa tindakbalas dalam larutan. Cth: mendapan partikel zirkonium hidroksida drpd larutan ZrOCl2 oleh oleh amonia: • ZrOCl2 + NH3 +3H2O=2NH4Cl + Zr(OH)4 • Gel: sol yang telah kehilangan cecair dan mempunyai kelikatan yang tinggi • Jika sol dituang ke atas prabentuk ia akan menusuk (inflitrate) kerana mempunyai kebendaliran - rajah 3a. Kemudian sol dikeringkan dalam rawatan haba EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  29. Rajah 3 EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  30. Kemudian sol dikeringkan dalam rawatan haba • Suhu proses rendah prabentuk tidak rosak & bentuk rumit boleh dihasilkan • Kadar pengecutan tinggi dan kadar hasil rendah – penusukan berulang utk tingkatkan ketumpatan jasad. • Pengkalsinan mungkin diperlukan bagi sesetengah bahan. Zr(OH)4550C ZrO2 • Serakan tetulang partikel/sesungut yang baik boleh dihasilkan dengan percampuran dalam keadaan sol/gel. Diikuti dengan pengeringan, pengkalsinan, penekanan/persinteran atau penekanan panas (rajah 3b). EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  31. Rajah 4 EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  32. Teknik Pemendapan Wap • Pelbagai teknik yang melibatkan pemendapan drpd wap dlm penghasilan CMC: pemendapan wap kimia chemical vapour deposition (CVD), proses berbantukan pengewapan dan plasma – penanaman ion dan percitan. • Pilihan-komposisi matrik/tetulang, bentuk tetulang, sifat yang diingini. • CVD – kawalan komposisi yang baik dan kadar pemendapan tinggi (kecuali pengewapan) ttp memerlukan suhu yang tinggi berbanding teknik pemendapan lain. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  33. Dalam CVD, tindakbalas kimia dalam keadaan gas menyebabkan pemendapan pepejal ke atas substrat yang panas. Dalam teknologi komposit, CVD digunakan untuk menghasilkan gentian (B dan SiC), menyalut gentian, menusuk prabentuk berliang untuk membentuk matrik (CVI-chemical vapour infiltration) EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  34. Peringkat CVI adalah spt rajah 5: • Bahan tdkbls-pepejal/cecair/gas pd suhu bilik. • Bahan tdkbls pepejal/cecair dipanaskan supaya tekanan wap ditingkatkan untuk mendapatkan lebih banyak amaun bahan tindakbls dalam keadaan gas. Rajah 5 EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  35. Gas bhn tdkbls dibawa oleh aliran gas (gas pembawa) ke reaktor dan menusuk substrat panas: tdkbls kimia kimia berlaku dlm keadaan gas dan pemendapan matrik terhasil. • Kadar pemendapan perlahan 2500m/h (ttp plg laju berbanding kaedah pemendapan lain) • Sisa kumbah (gas pembawa+bhn tdkbls yg separa teruarai+produk) perlu disingkirkan. • Kaedah lazim menghasilkan komposit C-C dan komposit matrik karbida ( B4C, SiC, TaC & TiC), nitrida ( BN, Si3N4), TiB2 & Al2O3. • Cth: SiCl4(g) + CH4(g)= SiC(s) +4HCl(g) EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  36. Proses Lanxide dan Teknik In Situ • Proses Lanxide: pembentukan matrik seramik melalui tdkbls antara leburan logam & gas. Cth-leburan Al dan oksigen membentuk alumina. • Prabentuk/serbuk tetulang diletakkan di atas cecair logam. • Bahan seramik tumbuh drpd permukaan logam asal melalui prabentuk. • Syarat: gentian/partikel tidak bertdbls & dibasahi seramik. • Kadar pertumbuhan malar & bergantung pada kadar tdkbls kimia. Kadar pertumbuhan  1mm/h tetapi komponen kompleks bersaiz 20 cm tebal boleh dihasilkan. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  37. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  38. Komposit dihasilkan secara in situ melalui tbls kimia: • 2AlN + B2O3 Al2O3 +2BN • Kelebihan: taburan fasa tetulang homogen & kos bahan mentah lebih murah • Jika tbls eksotermik ia boleh merambat sendiri. Tdkbls dimulakan di satu bahagian, merambat sendiri di seluruh komponen. Cth: 4Al +3TiO2 + 3C2 Al2O3 + 3TiC EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  39. Specific Systems • Glass - Ceramic • SiC in Lithium alumino silicate (LAS) glass (<1200C) • C fibres in glass ceramic; oxidation above 400C, OK in inert atmosphere • Ceramic-ceramic • SiC-SiC • C-SiC • Alumina-SiC EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  40. Mekanisme Pecah CMC • Terdapat perbezaan mekanisme pecah antara CMC, MMC & PMC. Keadaan ini diterangkan olh rajah berikut: EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  41. PMC & MMC: gentian gagal lebih awal di titik lemah sepanjang gentian (rajah 7.5b). • Komposit gagal di keratan yang mengandungi bilangan gentian pecah maksimum (rajah 7.5c). • CMC yang diikat kuat: gentian & matrik gagal serentak pada terikan pecah matrik (sama keadaan rajah 7.5c). EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  42. CMC diikat lemah: matrik retak lebih awal dan gentian membentuk jambatan yang menghubungi blok matrik (mikroretak jejambat gentian). Tetapi CMC terdedah pada serangan persekitaran terhadap gentian dan antaramuka gentian/matrik. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  43. Graf tegasan-terikan CMC yang dijajar dalam arah membujur.Tegasan o –mikroretakan matrik. Gentian mempunyai kekuatan mencukupi untuk menampung beban dalam keadaan matrik rosak, - meningkat semula. ulonggokan gentian gagal. Fenomena gentian ditarik keluar (pull out). EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  44. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  45. Parameter mengawal prestasi CMC: Nisbah aspek gentian (panjang/diameter), orientasi gentian, perbezaan kekuatan & E gentian & matrik, perbezaan , keliangan matrik dan kecacatan gentian. • CMC gentian C pendek & rawak: kesan pelemahan kerana kesan pengamatan tegasan gentian pendek dan perbezaan . • CMC gentian selanjar & tersusun: kesan penguatan kerana pinggir gentian diminimumkan dan kandungan gentian lebih tinggi. Tetapi pada kandungan gentian lebih tinggi keliangan matrik lebih tinggi. Cth- Komposit matrik kaca borosilikat: >55% gentian C selanjar, E & kekuatan berkurangan. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  46. Kelebihan CMC • Pada suhu tinggi CMC mengekalkan kekuatan, dan kebanyakan sifat pada suhu bilik (suhu operasi sehingga 2000C). • Selain daripada masalah pengoksidaan, CMC mempunyai runtangan terhadap bahan kimia pada suhu bilik atau ternaik • CMC mempunyai ketumpatan rendah dan gabungan kekuatan tinggi menghasilkan bahan yang menarik terutamanya utk industri angkasalepas. • Kekerasan bahan seramik melepasi had keluli. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  47. Contoh: Boron nitrida mempunyai kekerasan pada tahap kedua selepas intan – penting utk industri perkakasan pemotong • Kerintangan elektrik rendah • Kekakuan:Seramik mempunyai E 210-410MPa sedangkan keluli 200MPa • CMC dihasilkan dengan menggunakan bahan yang banyak dalam bumi; Si dan N paling banyak dalam kerak bumi dan atmosfera. Ferum sangat sedikit (5% kerak bumi) EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  48. Kekurangan CMC • Kerapuhan, seperti yang ditunjukkan oleh terukan kegagalan (maka sedikit ubahbentuk dan kegagalan akan berlaku), tenaga pemecahan rendah, keliatan pecah rendah (bagi komposit matrik polimer 5% terikan menghasilkan kegagalan sedangkan CMC hanya memerlukan 0.5% terikan) • Ini bermaksud kejutan terma atau mekanik boleh merosakkan komponen dan kerosakan kecil boleh menyebabkan kegagalan tegasan rendah EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  49. Kadar rayapan tinggi sebagai akibat bendasing yang tertusuk dalam matrik pada suhu tinggi. Apabila disejukkan, bendasing ini (sama ada keliangan atau terhasil semasa pembuatan) membentuk filem kekaca antara butir setamik. • Apabila dibawa semula ke suhu tinggi kurang daripada persekitaran maksimum butir2 menggelongsor antara satu sama lain dan menghasilkan kadar rayapan yang tinggi. EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

  50. Antaramuka • Komponen CMC mesti memenuhi syarat keserasian: (a) pengembangan terma (b) kimia. • Kemuluran seramik terhad dan fabrikasi CMC menggunakan suhu tinggi. Perbezaan terma semasa penyejukan menyebabkan retakan gentian @ matrik. • Terikan terma berkadaran dengan T. =f-m, f = pekali pengembangan terma gentian, m = pekali pengembangan terma matrik, T = perbezaan suhu.  bagi gentian berbeza dalam arah paksi & jejari. Cth: gentian C a=0, r=8x10-6K-1 EBB 324 Dr. Zuhailawati Hussain

More Related