PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

1

Rezumatul fazei 4 „Cercetarea fenomenelor de interfaţă la îmbinările eterogene de tip

polimeri-metale şi polimeri-ceramice“ reprezintă faza a patra a Proiectului Nucleu PN 09 – 160105 din anul 2011, intitulat “Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme“.

Lucrarea este structurată pe 6 capitole şi anume: Capitolul 1 prezintă importanţa ingineriei suprafeţelor şi a tehnologiilor de

acoperire. Îmbinările eterogene cu adeziv atât ale materialelor polimerice cu metale (Cu, Ti, Fe şi unele aliaje ale lor), cât şi ale materialelor ceramice cu materiale polimerice ridică probleme deosebite datorită unor proprietăţi extreme (coeficienţi de dilatare termică, durităţi, caracteristici structurale) aflate la valori ridicate şi la valori scăzute. Îmbinarea la temperaturi joase (lipirea moale) poate fi folosită la tipul polimer-metal, ceramică-polimer dar este necesar ca ceramicele să fie acoperite cu un strat metalic de nichel, aur, molibden prin tehnici de pulverizare termică ce facilitează realizarea procesului de lipire moale. Tehnologiile industriale noi de realizare a îmbinărilor eterogene din materiale avansate cu proprietăţi extreme stau la baza fabricării unor componente performante plasate în domeniul tehnicilor de vârf (astronautică, energetică nucleară, etc), precum şi a tehnicilor de realizare a unor piese din industria chimică, petrochimică, medicină şi informatică (plăci lipite din materiale anorganice, pavaje şi pereţi rezistenţi la agenţi chimici, contactori electrici de mare putere, atenuatori de debit, etc.).

Capitolul 2 prezintă studiul aplicaţiilor de îmbinări eterogene polimer-metal şi polimer-ceramică precum şi fenomenele principale de la interfaţa acestor îmbinări. Este prezentat schematic modul în care forma lanţului polimer este influenţată de poziţionarea atomilor de carbon în figura 1 imaginea (a) atomul de carbon din dreapta se poziţionează pe baza conului a cărui latură face un unghi de 109° cu legătura dintre ceilalţi doi atomi; în (b) şi (c) unghiul este păstrat, dar poziţia atomului pe baza conului este modificată.

Figura 1. Influenţa lanţului polimer de poziţionare a atomilor de carbon

Sunt de asemenea prezentate valorile principalelor caracteristici fizice a polimerilor: densitatea, coeficientul de dilatare liniară α, conductivitatea termică λ, precum şi proprietăţile optice ale acestora.

Principalele aplicaţii industriale ale îmbinărilor eterogene polimer-metal au la bază procedee specifice de îmbinare a celor două sau mai multe componente.

PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

2

În figura 2 este prezentat un exemplu de nituire termoplastică a două componente.

Figura 2. Îmbinarea prin nituire termoplastică

O problemă des întâlnită la îmbinările eterogene metal/polimer este

deteriorarea proprietăţilor în urma expunerii la medii agresive în serviciu. Un progres considerabil în acest sens l-a constituit ranforsarea îmbinării metal-polimer cu silani organofuncţionali care stimulează legăturile covalente prin interfaţă, asigurând îmbunătăţirea durabilităţii îmbinării.

Se prezintă şi fenomenele ce apar la îmbinări eterogene polimer-ceramică, fenomenele de interfaţă şi aplicaţii industriale ale îmbinărilor eterogene polimeri-ceramice.

O nouă tehnică de îmbinare directă a polimerilor şi ceramicelor a fost dezvoltată folosind tehnologia laser (figura 4). Prin această tehnologie, componentele realizate din diferite materiale por fi îmbinate puternic şi durabil între ele.

Figura 4. Îmbinarea polimerilor şi ceramicelor folosind tehnologia laser Capitolul 3 se referă la caracterizarea structurală şi mecanică a

îmbinărilor eterogene polimer-metal. Îmbinările eterogene polimer-metal cu proprietăţi extreme au aplicaţii industriale în construcţia unor componente din chimie, petrochimie, energetică nucleară, electrotehnică, etc. Aceste componente au în construcţie suporturi rezistente la acţiunea agenţilor chimici la abraziune şi/sau uzare, fiind formate din materiale polimerice în care se încastrează prin lipire cu adezivi specifici piese metalice de diferite forme şi cu anumite funcţii tehnologice. În vederea realizării unor îmbinări eterogene cu proprietăţi extreme tip polimer-metal ce definesc componentele pieselor 1…4 s-

PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

3

au ales materialele polimerice Necuron (1020, 1050, 1300). Combinaţiile de materiale folosite la realizarea îmbinărilor eterogene prin lipire au fost:

• Proba 1: Oţel S235JR + Polimer Necuron 1050 + Ti1 • Proba 2: Cu98 cu Polimer Necuron 1020 • Proba 3: Cu98 cu Polimer Necuron 1050 • Proba 4: Aliaj CuSn4 cu Polimer Necuron 1050 + Ti1

La baza realizării îmbinărilor eterogene polimer – metal a fost folosit un adeziv recomandat (marca K8T). Variaţia concentraţiei principalelor elemente chimice decelate în zona îmbinării (interfaţă) la probele 1…4 este prezentată în figura 5.

0

20

40

60

80

100

120

1

Zona îmbinării, ZI

Con

cent

raţia

, c [%

]

Proba 1 Proba 2 Proba 3 Proba 4

- Ti

- Si

- Cu

- Fe

Figura 5. Variaţia concentraţiei principalelor elemente chimice la zona îmbinării

(interfeţei) (ZI) Examinările macroscopice a pieselor 1 şi 2 sunt prezentate în figurile 6 şi 7.

Figura 6. Proba 1, Macrostructură

Figura 7. Proba 2, Macrostructură

Structurile materialelor de bază Necuron 1050 şi Necuron 1020 relevă faptul

că acestea sunt formate din oxizi fini (Si, Zr, Mo) (figura 8) respectiv (Si, Al Fe) (figura 9) plasaţi în matrice polimerică fosfor cu prezenţa golurilor (pori).

Figura 8, Proba 1, Necuron 1050, 100x

Figura 9. Proba 2, Necuron 1020, 100x

PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

4

Variaţia estimatorului de durificare locală ΔHV1 în zona adezivului solidificat (LIP) la probele 1 … 4 este prezentată în figura 10.

Zona LIP

02468

1012141618

1

Marcajul probei

Estim

ator

ΔH

V1, [

%].

1 2 3 4

Figura 10. Variaţia ΔHV1 în zona LIP la probele 1 … 4.

În vederea evaluării cantitativă a fazelor structurale şi a imperfecţiunilor

prin analize de imagini la îmbinările eterogene polimer-metal s-au utilizat metode specifice tehnicilor de evaluare calitativă şi cantitativă, în cazul analizei imaginilor digitale reprezentând microstructuri, prin pre-procesarerea computerizată iniţială a acestor imagini.

Capitolul 4 prezintă caracterizarea structurală şi mecanică a îmbinărilor eterogene polimer-ceramică. Principalele aplicaţii industriale ale îmbinărilor eterogene polimer-ceramică cu proprietăţi extreme se întâlnesc la construcţia unor componente din cadrul construcţiilor de pavaje, planşee şi pereţi laterali ce reclamă atât rezistenţe ridicate la acţiunea agenţilor chimici cât şi rezistenţe garantate la solicitări mecanice şi la vibraţii în regim static sau dinamic.

Combinaţiile de materiale folosite pentru realizare probelor de îmbinări eterogene cu proprietăţi extreme prin lipire cu adeziv K8T sunt:

• Proba 5: Polimer Necuron 1050 + Ceramică albă oxidică • Proba 6: Polimer Necuron 1300 + Ceramică albă oxidică • Proba 7: Polimer Necuron 1300 + Gresie colorată • Proba 8: Polimer Necuron 1050 + Gresie colorată • Proba 9: Ceramică albă oxidică + Gresie colorată • Proba 10: Polimer Necuron 1300 + Polietilenă PEHD • Proba 11: Polietilenă PEHD + Gresie colorată • Proba 12: Polietilenă PEHD + Polimer Necuron 1050

S-au realizat analize ale compoziţiilor chimice din zonele caracteristice (materiale de bază, zona îmbinări, interfaţă) ale îmbinările eterogene polimer-ceramică cu aparatul Innov-X Systems. Variaţia concentraţiei principalelor elemente chimice determinate în zonele îmbinării (ZI) este arătată în figura 11.

PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

5

0

20

40

60

80

100

120

1

Zona îmbinării, ZIC

once

ntraţia

, c[%

]

- Si

- Al

- Fe- Mo

- Zr

Proba 5 Proba 6 Proba 7 Proba 8 Proba 9 Proba 10 Proba 11 Proba 12

Figura 11.Variaţia concentraţiei principalelor elemente chimice în zona îmbinării

În figurile 12 şi 13 sunt prezentate aspectele macroscopice ale probelor 5

şi 6 iar în figurile 14 şi 15 sunt prezentate imaginile microscopice în zona îmbinării la probele 5 şi 6.

Figura 12. Proba 5. Macrostructură

Figura 13. Proba 6. Macrostructură

Figura 13. Proba 5, LIP, 100 x

Figura 14. Proba 6, LIP, 100 x

Este prezentată şi analiza cantitativă a fazelor structurale şi a

imperfecţiunilor prin analize de imagini la îmbinările eterogene polimer-metal. În capitolul 5 sunt prezentate Specificaţii Tehnice (pSPLA) pentru

îmbinările eterogene polimer-metal şi polimer-ceramică cu proprietăţi extreme Capitolul 6 cuprinde concluziile lucrării dintre care se amintesc:

• Evaluarea cantitativă a fazelor structurale prin analize de imagini la îmbinările eterogene polimer-metal şi polimer-ceramic depinde de calitatea modulelor de preprocesare când se are în vederea atât cazul punctual cât şi posibilităţile specifice preprocesare.

• Îmbinările eterogene polimer-metal cu proprietăţi extreme au aplicaţii industriale în construcţia unor componente din chimie, petrochimie, energetică nucleară, electricitate etc.

PN 09-160105 – Fenomene de interfaţă la îmbinările eterogene realizate din materiale avansate cu proprietăţi extreme

6

• Principalele aplicaţii industriale ale îmbinărilor eterogene polimer-ceramică au proprietăţi extreme se întâlnesc la construcţia unor componente din cadrul construcţiilor de pavaje, planşee şi pereţi laterali ce reclamă atât rezistenţe ridicate la acţiunea agenţilor chimici cât şi rezistenţe garantate la solicitări mecanice şi la vibraţii în regim static sau dinamic. Lucrarea se încheie cu bibliografia aferentă şi 6 anexe.

Responsabil proiect, Dr. ing. Doru Romulus Pascu