Kierownik projektu:
dr Grzegorz Grabowski
Wykonawcy projektu:
prof. dr hab. inż. Ludosław Stobierski; dr hab. inż. Agnieszka Gubernat;
projekt zakończony
termin rozpoczęcia: 25 April 2008
termin zakończenia: 24 October 2010

Wykonana praca badawcza została oparta na trzech kompozytach. Zostały one wybrane tak, aby uwzględnić podstawowe źródła naprężeń cieplnych, czyli zróżnicowanie współczynników rozszerzalności cieplnej pomiędzy osnową a ziarnami fazy wtrąconej oraz ich anizotropię. Przykładem materiału, w którym osnowa charakteryzuje się mniejszym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej niż wtrącenia był badany kompozyt SiC-TiB2. Na podstawie wykonanych pomiarów i modelowania rozkładu naprężeń cieplnych można stwierdzić, że powstające w tego typu materiałach naprężenia powodują podwyższenie energii pękania. Największe umocnienie zapewnić może mikrostruktura, przy której nie dochodzi do nadmiernego spiętrzania się naprężeń generowanych przy sąsiednich wtrąceniach. Ma na to wpływ udział objętościowy fazy wtrąconej, rozmiar i kształt ziaren oraz ich rozmieszczenie w osnowie. Są to czynniki zależnie od rodzaju faz składowych, ich różnic w rozszerzalności cieplnej, właściwościach sprężystych czy wytrzymałości. Jednak mikrostruktura, w której ziarna wtrąceń mają kształt zbliżonym do kulistego, nie zawierają powierzchni wklęsłych oraz są równomiernie rozproszone w osnowie powoduje najmniejsze spiętrzenie naprężeń rozciągających w osnowie, co zapewnia takiemu układowi wysoką wytrzymałość i możliwość uruchamiania mechanizmów odpowiedzialnych za podwyższanie energii pękania. 

Układ, w którym osnowa ma większą rozszerzalność cieplną od wtrąceń analizowano na przykładzie kompozytu TiC-Cr3C2. Zaobserwowano tutaj niekorzystny wpływ zwiększania udziału objętościowego fazy wtrąconej na wytrzymałość.  Jest to związane z silnym nakładaniem się naprężeń rozciągających powstających w osnowie w pobliżu sąsiadujących ziaren wtrąceń.

Najbardziej złożony pod względem rozkładu naprężeń był układ zawierający anizotropowe ziarna grafitu rozproszone w osnowie węglika krzemu. Modelowanie stanu naprężeń cieplnych wykazało możliwość znacznego osłabienia anizotropowych wtrąceń, co w efekcie nie dawało oczekiwanego umocnienia. Przy projektowaniu takich materiałów efekt ten wydaje się kluczowy. Faza wtrącona powinna charakteryzować się więc dużą wytrzymałością, której wartość można szacować na przykład poprzez modelowanie.  

Doświadczenia zebrane podczas realizacji niniejszego projektu badawczego pozwalają potwierdzić przydatność metody opierającej się na modelowaniu rozkładu naprężeń cieplnych do wyjaśniania właściwości takich jak odporność na kruche pękanie czy wytrzymałość dla kompozytowych materiałów ceramicznych.

Publikacje, które powstały w wyniku realizacji projektu

  1. Silicon Carbide Sintered with various carbon additions; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 60, 4, 2008, 278-280;
    link do publikacji

    The silicon carbide matrix composites containing inclusions of graphite, are the example of materials, that have the diversification in mechanical and thermal properties of constituent phases. Such differences generate thermal stresses. The existence of stressed areas in the matrix and in the grains of included phase has an influence on mechanical properties of the material, such as: hardness, bending strength or fracture toughness.

    The materials, made on the way of hot pressing, were used in the present work. The following components were used for preparation of composites was silicon carbide, to which phenol-formaldehyde resin was added as carbon source. Additionally, amorphous boron was introduced as the sintering activator. In that way, the composites SiC-C, containing from 3 to 8 wt % of carbon phase, were obtained.

    For manufactured materials, the fundamental mechanical properties i.e. E, G, ν, hardness and bending strength were measured. The fracture toughness was also examined.

  2. Modeling of thermal stresses in the TiC-Cr3C2 composites; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 63, 2, 2011, 450-453;
    link do publikacji

    Carbides of transition elements are mainly characterised by high hardness and high melting temperatures. However, their broader application as structural materials is limited due to their mediocre fracture toughness. The TiC-Cr3C2 system investigated in the work is characterised by a limited mutual solubility of the components which enables synthesis of composite materials. Moreover, the presence of chromium carbide favourably influences microstructure and properties of particulate composites of titanium carbide. During the investigations, four series of composites with different amounts of chromium and titanium carbide were prepared. Their mechanical properties as well as microstructure were characterised which enabled modelling of thermal stresses state created due to differences in thermal expansion coefficients of the constituent phases. The results of calculations in the form of maps of the thermal stresses made possible to analyse mechanisms of increasing fracture energy which resulted in toughening of the investigated systems.

  3. Influence of microstructure on the thermal stress distribution and fracture toughness of SiC-TiB2 composites; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 63, 2, 2011, 450-453;
    link do publikacji

    The presented experimental work has been based on SiC-TiB2 particulate composites in which the matrix had lower coefficient of thermal expansion (CTE) than particulate filler. Such difference in the thermal expansion coefficients between composite constituents induces thermal stresses in the material, that may lead to increased fracture energy. Several materials having similar filler content but different microstructure were produced. Their basic mechanical properties were measured, and photographic documentation was collected. The data were used for a quantitative analysis of the microstructure parameters and modeling the thermal stress state. The results of calculations were compared with the results of the microstructure analysis. It allowed determination of the influence of size and shape of the filler particles on the distribution of thermal stresses in the composites. It also enabled to find a relation between the observed increase of fracture toughness and the microstructure parameters.

  4. Węglik krzemu spiekany z różnymi dodatkami węgla; Grzegorz Grabowski; V Konferencja Naukowo-Techniczna – Polska Ceramika 2008, Kraków, 14-17 wrzesień 2008;
  5. Kompozyty TiC-Cr3C2; Grzegorz Grabowski; 11 Konferencja Europejskiego Towarzystwa Ceramicznego, ECERS 2009, Kraków, 21-25 czerwca 2009;
  6. Wpływ wtrąceń węglowych na właściwości mechaniczne kompozytów SiC-C; Grzegorz Grabowski, Agnieszka Gubernat; VII Konferencja Polskiego Towarzystwa Ceramicznego, Zakopane, 27-29 Listopada 2009;
  7. Kompozyty TiC-Cr3C2; Grzegorz Grabowski; VII Konferencja Polskiego Towarzystwa Ceramicznego, Zakopane, 27-29 listopada 2009;
  8. The influence of microstructure on mechanical properties of Cr3C2-TiC composites; Grzegorz Grabowski; 12 Międzynarodowy Kongres Ceramiczny, Montecatini Terme; 6-11.06.2010;
  9. Modelowanie naprężeń cieplnych w kompozytach TiC-Cr3C2; Grzegorz Grabowski; VI Międzynarodowa Konferencja Naukowo – Techniczna Polska Ceramika 2010, Kraków, 5-8.09.2010;