Kierownik projektu:
dr Grzegorz Grabowski
Wykonawcy projektu:
prof. dr hab. inż. Ludosław Stobierski; dr hab. inż. Agnieszka Gubernat;
projekt zakończony
termin rozpoczęcia: 25 kwietnia 2008
termin zakończenia: 24 października 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. Węglik Krzemu spiekany z różnymi dodatkami węgla; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 60, 4, 2008, 278-280;
    link do publikacji

    Kompozyty z osnową węglika krzemu zawierające wytrącenia grafitowe są przykładem materiałów, w których istnieje zróżnicowanie własności mechanicznych i cieplnych budujących je faz. Różnice takie generują naprężenia cieplne. Obecność naprężonych obszarów w osnowie oraz ziarnach fazy wtrąconej wpływa na własności mechaniczne tworzywa takie jak twardość, wytrzymałość na zginanie czy odporność na kruche pękanie.

    W pracy posłużono się materiałami otrzymanymi na drodze prasowania na gorąco. Składnikami wykorzystanymi przy preparatyce kompozytów był węglik krzemu, do którego dodano żywicę fenolowo – formaldehydową stanowiącą źródło węgla. Dodatkowo, jako aktywatora spiekania obok węgla dodano bor amorficzny w ilości 0,5% wagowych. W ten sposób uzyskano kompozyty SiC-C zawierające od 3 do 8% wagowych fazy węglowej.

    Dla otrzymanych materiałów wyznaczono podstawowe właściwości mechaniczne, tj. E, G, ν, twardość i wytrzymałość na zginanie. Zbadano również odporność na kruche pękanie.

  2. Modelowanie naprężeń cieplnych w kompozytach TiC-Cr3C2; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 63, 2, 2011, 450-453;
    link do publikacji

    Węgliki pierwiastków grup przejściowych charakteryzują się przede wszystkim bardzo wysoką twardością oraz wysokimi temperaturami topnienia. Jednak ich szersze wykorzystanie, w roli materiałów konstrukcyjnych ograniczone jest przeciętną odpornością na kruche pękanie. Badany w pracy układ TiC-Cr3C2, posiada ograniczoną wzajemną rozpuszczalność, co pozwala na syntezę materiałów kompozytowych. Ponadto obecność węglika chromu wykazuje bardzo korzystny wpływ na mikrostrukturę i właściwości kompozytów ziarnistych węglika tytanu. Podczas pracy otrzymano cztery serie kompozytów różniących się udziałem węglika chromu i węglika tytanu. Zmierzono właściwości mechaniczne i zebrano dokumentację mikrostruktury, która posłużyła do wykonania modelowania stanu naprężeń cieplnych powstających na skutek różnic we współczynnikach rozszerzalności cieplnej faz składowych. Uzyskane wyniki obliczeń w postaci map naprężeń cieplnych, pozwoliły na analizę mechanizmów zwiększających energię pękania i powodujących umocnienie badanych układów.

  3. Wpływ mikrostruktury na rozkład naprężeń cieplnych i odporność na kruche pękanie w kompozytach SiC-TiB2; Grzegorz Grabowski; Materiały Ceramiczne, 63, 2, 2011, 450-453;
    link do publikacji

    Prezentowana praca badawcza została oparta na kompozycie ziarnistym SiC-TiB2, w którym osnowa charakteryzuje się mniejszym współczynnikiem rozszerzalności cieplnej niż faza zdyspergowana w osnowie. Takie zróżnicowanie właściwości jest powodem powstawania w materiale naprężeń cieplnych mogących zwiększać energię pękania. Podczas pracy otrzymano szereg kompozytów posiadających zbliżony udział fazy zdyspergowanej różniących się jednakże mikrostrukturą. Wyznaczono dla nich podstawowe właściwości mechaniczne i stworzono dokumentację fotograficzną, która posłużyła do wykonania analizy ilościowej parametrów mikrostruktury oraz modelowania stanu naprężeń cieplnych. Rezultaty obliczeń zostały skonfrontowane z wynikami analizy mikrostruktury. Dzięki temu określono wpływ wielkości i kształtu ziaren fazy wtrąconej na rozkład naprężeń cieplnych w badanych kompozytach. Pozwoliło to również na powiązanie obserwowanego wzrostu odporności na kruche pękanie z wyznaczonymi parametrami mikrostruktury.

  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;