frank györgy, berzsenyi dániel e. gimnázium, sopron

Alkalmazott kemény anyagok összetételének és kémiai állapotának vizsgálata igénybevétel

(kopás) előtt és után

Frank György,Berzsenyi Dániel E. Gimnázium,

Sopron

Mentor: Kótis László

MTA MFA NYÁRI ISKOLA 2011

Szénszálas Kompozit• Alkalmazás:

– Felhasználása széleskörű (sporteszközöktől az építőiparig).

• Tulajdonságok:– KÖNNYŰ.– Nagy a szakítószilárdsága.– A szénszálak vastagsága néhány µm.– Hosszuk mm-es nagyságrendű.

Vizsgálati módszereink I.Mesterséges mechanikai igénybevétel - koptatás tribométerrel

Golyó

Ft : Tangenciális erőFn : Merőleges erő

Súrlódási tényező

Vizsgálati módszereink II.• Kopási nyomok felületi szerkezetének vizsgálata• Erre alkalmas eszköz lehet:

– PEM (Pásztázó elektronmikroszkóp)

Vizsgálati módszereink III.• A kopás során változhat a felületi kémiai összetétel – atomi szintű változások.

• Vizsgálási módszer:

– XPS (Röntgen fotoelektron spektroszkópia)

Eredményeink

Súrlódási együttható szakaszos változása

Koptatási görbék: 10N, nyom átmérő 2.4 mm, 7000 kör, Cr - acél golyó

A golyó behatolási mélységének változása; max. behatolás 55 µm

Súrlódási együttható görbe I. szakasza

Koptatási görbék: 10N, nyom átmérő 3.5 mm, 1000 kör, Cr - acél golyó

A golyó behatolási mélységének változása; max. behatolás 15 µmA kis súrlódás miatt szinte nincs

bemélyedés

Alacsony súrlódási tényezőjű anyagréteg - csak mátrix anyag (ragasztó)

Súrlódási együttható görbe II-III. szakasza

Koptatási görbék: 10N, nyom átmérő 2.0 mm, 3000 kör, Cr - acél golyó

A golyó behatolási mélységének változása; növekvő súrlódási

együttható – növekvő behatolás max. behatolás 29 µm

II. Erősen növekvő súrlódási együttható - Szénszál szövésű réteg elérése, folyamatos a szálak morzsolódása

III. Telítődés – apró szén szemcsék + ragasztó (mátrix)

PEM felvételek a vizsgált mintákról

15 m70 m

Nem koptatott felület

A felületi kémiai állapotok változása a kopás miatt: XPS vizsgálat

Tipikus szén XPS spektrum

Csúcsalak vizsgálat sértetlen és koptatott felületű mintákon

Rö

ntg

en f

orr

ásu

nk

hʋ

= 1

486.

67 e

V

Terület érték Terület értéknem

koptatottnem

koptatott koptatott koptatott1-es csúcsalak

4864 29% 7108 39%2-es csúcsalak

10794 63% 9771 53%3-as csúcsalak

1399 8% 1568 8%

Összefoglalás•A választott kemény anyagnál szakaszos kopási görbe volt megfigyelhető. Ennek magyarázatára egy kopási modelt tételeztünk fel.•A feltételezett mechanizmust részben igazolták a PEM vizsgálatok További bizonyítékot részletesebb kísérletek elvégzése adhatna: pl. koptatás magasabb hőmérsékleten (mátrix anyag lágyulása)•A koptatott és a sértetlen mintákon végzett XPS vizsgálatok kimutatták a C felületi kémiai kötésállapotainak megváltozását.

Köszönöm a figyelmet, a segítségeket és a lehetőséget !