Modyfikacja właściwości termicznych i mechanicznych matrycy ceramicznej w kompozytach ściernych na bazie tlenku glinu i azotku boru : rozprawa doktorska / Sebastian Węgrzyk ; Politechnika Koszalińska. Wydział Mechaniczny.

Druk jednostronny.

Rozprawa doktorska. Politechnika Koszalińska. 2024.

Bibliografia na stronach 132-152.

Dostępne online wyłącznie użytkownikom komputerowej sieci Politechniki Koszalińskiej.
Umowa zawarta na okres od 15.01.2024 r. do 15.01.2026 r.

Promotor Daniela Herman. Autorzy recenzji : Witold Habrat, Janusz Musiał, Zbigniew Pędzich.

Motywacją do podjęcia badań mających na celu podwyższenie właściwości termicznych i mechanicznych ceramiki szklanej jest rosnące zainteresowanie modyfikacją właściwości tych materiałów, stosowanych w kompozytach ściernych na bazie tlenku glinu i azotku boru. Pełniąca funkcję spoiwa ceramika szklana, której zadaniem jest związanie ziaren, określa wytrzymałość mechaniczną całego kompozytu. Jest to o tyle ważne, gdyż z opublikowanych w ostatnich latach propozycji rozwiązań technologicznych dotyczących doskonalenia właściwości mechanicznych i termicznych ceramicznych kompozytów ściernych wynika, że jednym z głównych problemów jest spełnienie jednocześnie, wzajemnie się wykluczających, dwóch głównych właściwości tych kompozytów, tj. wysokiej porowatości i odporności na zużycie.
Oprócz poprawy wytrzymałości mechanicznej i odporności na zużycie kompozytów ściernych, zauważa się także problem ich niewystarczającej przewodności cieplnej. Przekłada się to również na liczne problemy w procesie obróbki materiałów, szczególnie trudnoskrawalnych, związanych z nadmierną ilością ciepła powstającego podczas procesu szlifowania. Kluczowym czynnikiem ograniczającym efektywność szlifowania jest wysoka temperatura, dlatego opublikowane w ostatnich latach wyniki badań koncentrują się nad wprowadzeniem rozwiązań umożliwiających jej obniżenie.
Nowoczesne systemy chłodzenia są jednak niewystarczające, bowiem odprowadzanie ciepła ze strefy kontaktu materiału obrabianego i materiału ściernego następuje różnymi sposobami, nie tylko poprzez takie czynniki jak chłodziwo, wióry czy konwekcję, ale w znaczącym stopniu przez ściernicę. To, w jaki sposób i z jaką szybkością nadmiar ciepła będzie odprowadzony, zależy głównie od rodzaju ziarna ściernego. Poza ziarnami ściernymi, część energii cieplnej w procesie szlifowania przekazywana jest także na spoiwo pokrywające ziarna ścierne i stanowiące ciągłą sieć mostków. Jest to o tyle ważne, że zapewniona ciągłość struktury spoiwa pozwala na zwiększenie szybkości odprowadzenia ciepła ze strefy kontaktu narzędzia i materiału ściernego.
Rozdział pierwszy dotyczy wprowadzenia do problematyki podjętej w niniejszej rozprawie doktorskiej. Z obszernej analizy stanu wiedzy przedstawionej w rozdziale drugim wynika, że zagadnienia dotyczące możliwości modyfikacji struktury ceramiki szklanej w celu podwyższenia jej właściwości mechanicznych i termicznych nie zostały wyczerpująco zbadane. Wybrana ceramika szklana z układu ZABS (ZnO–Al2O3–B2O3–SiO2), która została przedstawiona w rozdziale trzecim, jest szczególnie interesująca ze względu na możliwość generowania w tym układzie fazy krystalicznej willemitu. Skutkiem krystalizacji
powierzchniowej tej fazy jest znaczne i trwałe zwiększenie wytrzymałości mechanicznej, z uwagi na powstanie naprężeń ściskających na powierzchni szkła, z jednoczesną zmianą struktury pozostałości amorficznej w spoiwie będącej efektem wprowadzenia modyfikatora sieci szklanej. Wprowadzenie do tego układu tlenku metalu przejściowego (tlenku miedzi) może znacząco wpływać na proces krystalizacji ceramiki szklanej, a tym samym pośrednio na właściwości mechaniczne i termiczne takich materiałów. Warto wspomnieć w tym miejscu o tym, że większość aktualnych badań dotyczy wpływu miedzi jedynie na wybrane właściwości, głównie optyczne i fotoniczne, natomiast wpływ miedzi na właściwości mechaniczne układów krzemianowych wciąż jest mało znany.
Wnioski wyciągnięte z analizy literatury pozwoliły na sprecyzowanie hipotezy, celu i problemów badawczych, które przedstawiono w rozdziale czwartym. W rozdziale piątym przedstawiono zaplanowane działania badawcze służące do realizacji celów pracy. W rozdziale szóstym opisano metodykę przeprowadzonych badań doświadczalnych dotyczących właściwości termicznych (LFA), mechanicznych (pomiar twardości metodą Vickersa, mikrotwardości oraz KIC metodą wgłębnika Berkovicha, wytrzymałości na rozciąganie metodą DCT oraz scratch-test) i strukturalnych spoiw i kompozytów (XRD, FTIR, EDS,
obserwacja powierzchni przy użyciu SEM). W rozdziale siódmym opisano wyniki badań przeprowadzonych w dwóch etapach – badań rozpoznawczych oraz właściwych. Na podstawie uzyskanych wyników badań wykazano, że znaczące podwyższenie właściwości mechanicznych zarówno uzyskanej ceramiki szklanej (twardości, modułu Younga, odporności na kruche pękanie KIC) oraz kompozytów z jej udziałem (wytrzymałości na rozciąganie), a także termicznych (dyfuzyjności cieplnej) jest skutkiem krystalizacji powierzchniowej willemitu oraz modyfikacji więźby szklanej przez wprowadzenie tlenku
metalu przejściowego (tlenku miedzi). W rozprawie doktorskiej wykazano również, jak istotne znaczenie mają zjawiska zachodzące w granicy fazowej ziarno-spoiwo w procesie obróbki termicznej, zarówno w odniesieniu do ściernic konwencjonalnych, jak i supertwardych.
W ostatnim rozdziale (rozdział ósmy) niniejszej rozprawy doktorskiej zamieszczono podsumowanie i wnioski, a także określono możliwości dalszych badań. Znaczna część wyników badań realizowanych w toku rozprawy doktorskiej została opublikowana w czasopismach Ceramics International, Journal of the European Ceramic Society oraz Journal of Non-Crystalline Solids.

Streszczenie w języku polskim i angielskim.