Sähköä johtavat materiaalit
Tutkimuksessa todettiin, että mekaanisella seostuksella voidaan valmistaa useista polymeereista komposiittijauheita ilman, että polymeerin kemiallisessa rakenteessa tapahtuu muutoksia. Erittäin pitkillä seostusajoilla polymeerien molekyylipaino todennäköisesti laskee, mikä näkyy polymeerin viskositeetin muutoksena.
Metallin läsnäollessa seostuksen aikana todettiin kopolymeeri-homopolymeeri-seoksen kemiallisessa rakenteessa uusien kemiallisten sidoksien muodostumi-nen. Esimerkkinä tästä on butadieeni-akryylinitriili-kopolymeeri-PVC-seos, jota seostettiin Cu:n kanssa.
Mekaanisen seostuksen aikana metallinen komponentti käy lävitse toksen esim. pallomaisesta liuskeeksi. Metallisen komponentin muodonmuu-tokset riippuvat polymeerimatriisin kemiallisesta rakenteesta. Esim. butadieeni-akryylinitriili-kopolymeerin ja kuparin seostuksessa lähtöaineen partikkelikoko pienenee ja seostuksessa saadaan aikaan nanomittakaavan epäsäännöllisiä kuparipartikkeleita.
Tämä tulos on merkittävä, koska partikkelikoon pienentyessä on mahdollista saavuttaa sähköisen johtavuuden perkolaatiokynnys alhaisemmalla täyteaineen tilavuusosuudella kuin suurella partikkelikoolla. Em. materiaalilla on kiintey-tettynä erittäin alhainen tilavuusresistiviteetti.
Mekaanisella seostuksella voidaan valmistaa erittäin homogeenisia komposiitti-jauheita. Grafiitti toimii seostuksessa tehokkaana, sähköä johtavana proses-soinnin apuaineena edesauttaen partikkeleiden sekoittumista.
Metallin kiderakenteessa tapahtuu pitkillä seostusajoilla muutos nanokiteisyyden suuntaan. Kiteinen polymeeri muuttuu seostuksessa nopeasti amorfiseksi, ja muutosnopeus kasvaa metallisen komponentin tilavuusosuuden kasvaessa.
Polymeeri-polymeeriseoksissa indusoituu kiteisyyttä, jolloin tuloksena on metastabiili seos.
Koska tutkimuksessa havaittiin määrätyllä materiaalikombinaatiolla uusien kemiallisten sidosten muodostuminen seostuksen aikana, tämä antaa jatkossa hyvin mielenkiintoisen mahdollisuuden materiaalien räätälöintiin. Esim.
reagoivien kaasumaisten ja nestemäisten aineiden avulla voidaan todennäköisesti saada syntymään mekaanisessa seostuksessa reaktiivisiksi muuttuneisiin poly-meeriketjun osiin hallitusti uusia sidoksia.
Magneettiset materiaalit
Kun seostuksen lähtöaineina käytettiin rautaa ja samariumia saatiin yhdiste, jonka todettiin olevan mikrorakenteeltaan pääosin samanlaista kuin kirjallisuu-dessa on raportoitu. Alkuaineanalyysissä todettiin pieniä eroja pitoisuuksissa kirjallisuuden arvoihin verrattuna (Taulukko 9: Fe = -1,66 at %, Sm + 1,21 ja N= +0,41 at %).
Boorihapolla kiinteytetyn jauheen hystereesikäyrän mittauksessa arvot olivat huomattavasti pienemmät kuin kirjallisuudessa raportoidut arvot. Tämä johtuu ilmeisesti siitä, että mittauksissa käytetty hysteresisgrafin magnetoiva kenttä ei ollut riittävän suuri.
Kiinteyttämättömän jauheen magneettimittauksissa todettiin, että remanenssi on 0,15 T pienempi ja koersitiivikenttä noin 50 % kirjallisuudessa esiintyvistä ar-voista. Nämä erot saattavat johtua pienistä eroista seosainepitoisuuksissa. Tämän asian tarkempi selvittäminen vaatisi laajoja faasitutkimuksia.
Kun lähtöaineena käytettiin FeSm-valuseosta todettiin, että kiinteyttämättömän jauheen remanenssi on 0,1 T suurempi ja koersitiivikenttä noin 37 % kirjallisuu-dessa esiintyvistä arvoista. Muoviin seostetun ja kiinteytetyn jauheen magneeet-tiominaisuudet olivat huomattavasti pienemmät kuin kirjallisuudessa raportoidut arvot. Tämä johtuu ilmeisesti siitä, että mittauksissa käytetty hysteresisgrafin magnetoiva kenttä ei ollut riittävän suuri. Piiraudan lisäämisellä ei näyttänyt olevan merkittävää vaikutusta magneettiominaisuuksiin.
Loppusanat
Tässä työssä sähköäjohtavia materiaaleja kehitettiin ensisijaisesti elektroniikka-teollisuuden tuotteiden sähkömagneettiseen suojaukseen tiivistemateriaaleiksi, joilta vaaditaan erityisen hyvää sähköistä johtavuutta. Tutkimuksessa todettiin, että mekaanisella seostuksella voidaan valmistaa useista polymeereista kompo-siittijauheita ilman, että polymeerin kemiallisessa rakenteessa tapahtuu muutok-sia. Metallin läsnäollessa seostuksen aikana todettiin kopolymeerihomopolymee-riseoksen kemiallisessa rakenteessa uusien kemiallisten sidoksien muodostuminen.
Magneettimateriaalin kehityssovellus olivat muoviin sidotut magneetit, jotka ovat muotoiltavissa helposti lopputuotteeksi esimerkiksi ruiskupuristuksen avulla. Kun mekaanisella seostuksella ja lämpökäsittelyllä valmistettiin Fe-Sm-N -magneettimateria, havaittiin sen kiderakenteen olevan samanlainen kuin kirjalli-suudessa on raportoitu. Muoviin sidottujen magneettimateriaalien magneettiset ominaisuudet olivat kuitenkin pienemmät kuin aikaisemmin on julkaistu.
Saadut tulokset muodostavan hyvän pohjan uusien kiinteän olomuodon syntee-siin perustuvien valmistusmenetelmien, materiaalien ja niihin perustuvien tuot-teiden valmistamiseksi.
Lähdeluettelo
1. T.H. Curtney, Modeling of mechanical milling and mechanical alloying, Reviews in Particulate Materials, Vol. 2, (1994), s. 63–116.
2. C.M. Balik, C. Bai, C.C. Koch, R.J. Spontak & C.K. Saw, Mechanical alloying of PET and PET/Vectra blends, Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 461, (1997), s. 39–44.
3. W.J.D. Shaw, Current understanding of mechanically alloyed polymers, ISMANAM-97, Spain, Aug.31–Sept. 5, (1997).
4. M. Farrell, R. G. Kander & A.O. Aning, Polymer blends formed by solid-state mechanical alloying, Journal of Materials Synthesis and Processing, Vol.4, No. 3 (1996), s. 151–161.
5. J. Pan & W.J.D. Shaw, Properties of a mechanically processed polymeric material, Journal of Applied Polymer Science, Vol. 52, (1994), s. 507–514.
6. H.L. Castricum, H. Yang, H.Bakker & J.H. van Deursen, A study of milling of pure polymers and a structural transformation of polyethylene, Materials Science Forum Vols. 235–238 (1997), s. 211–216.
7. J. Pan & W.J.D. Shaw, Materials Characterization of Polyamide/Polyethylene mechanically alloyed polymers, Metallographic Charaterization of metals after welding, processing and service, Denver, Colorado, USA, 4–5 Aug. (1992), s.
351–365.
8. J. Pan & W.J.D. Shaw, Characterization of a mechanical alloyed PA/ABS polymeric material, Metallographic Characterization of Materials Behaviour, Charleston, South Carolina, USA, 20–22 July (1993), s. 95–105.
9. W.J.D. Shaw & M.A. Gowler, High elastic modulus engineering polymeric/ceramic mechanical alloying, First International Conference on Processing Materials for Properties, Honolulu, Hawaii, USA, 7–10 Nov. (1993), s. 687–690.
10. S.L. Namboori, H. Zhou, A. Aning & R.G. Kander, Formation of polymer/ceramic composite grain boundary capacitors by mechanical alloying, Polymer, Vol. 35, No. 19, (1994), s. 4088–4091.
11. T. Ishida & S. Tamaru, Mechanical alloying of polymer / metal systems, Journal of Materials Science Letters 12 (1993), s. 1851–1853.
12. R.G. Kander & L.W. Vick, Solid state processing of thermoplastic polymers, Proceedings of the 10th Annual ASM/ESD Advanced Composites Conference, Michigan,USA, 7–10 Nov., (1994), s. 437–442.
13. A.K. Giri, Magnetic properties of iron-polyethylene nanocomposites prepared by high energy ball milling, Journal of Applied Physics 81 (3), February (1997), s. 1348–1350.
14. G.R. Ruschau & R.E. Newnham, Critical Volume Fractions in Conductive Composites, Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 18, (1992), s. 2727–
2735.
15. J. R. Tetaz, Metal Particulates and fibres for use on/in plastics for shielding against EMI/RFI and for ESD control, Specialized Conductives Materials Processing and Performance, Melbourne, Victoria, Australia, 2–5 Sept., (1991), s. 172–176.
16. J. Delmonte, Metal / Polymer Composites, (1990), A Van Nostrand Reinhold Book, s. 91.
17. D.S. Dixon, Development of a composite material with long-term EMI shielding properties, SAMPE J. 25, (6), (1989), s. 31–37.
18. Chen-Chi m. Ma, A.T. Hu & D.K.Chen, The processability, electrical and mechanical properties of EMI shielding ABS composites, Polymer & Polymer Composites, Vol.1, No. 2, (1993), s. 93–99.
19. T. Ishida, Mechanical alloying of polytetrafluoroethylene with polyethylene, Journal of Materials Science Letters, 13, (1994), s. 623–626.
20. Kenreact, Reference Manual, Titanate, Zirconate and Aluminate Coupling Agents, Kenrich Petrochemicals, Inc., book, (1995), s. 63–65.
21. L. Schultz, K.Schnitzke, J. Wecker, M.Katter & C. Kuhrt, J. Appl. Phys.
70(10), 5 November 1991, s. 6339–6344.
LIITE 1
Kuva 1. Mekaanisesti seostetun (80 h) HD-polyeteenin FTIR-spektrit a) Cu-pitoisuus 50 til-% b) ei myllytetty HD-polyeteeni.
Kuva 2. FTIR-spektrit; EPDM, EPDM-Cu; myllytetty 5 h ja 80 h; Cu-pitoisuus 13,7 til-%.
6
6
LIITE 2
Kuva 1. a) NMR-analyysi EPDM:stä ja b) EPDM-Cu-jauheesta.
LIITE 3
Kuva 1. a) Mekaanisesti seostetun (9 h) neopreeni-Permalloy-seoksen FTIR-spektri ja b) käsittelemättömän neopreenin FTIR-FTIR-spektri; permalloy-pitoisuus 30 til-%.
Kuva 2. FTIR-spektrit mekaanisesti seostetusta Sunicum-Cu-seoksesta; 30 til-%
Cu; 24 h ja referenssinäytteestä.
6
6
LIITE 4 a)
LIITE 4 b)
LIITE 4 c)
LIITE 5 a)
LIITE 5 b)
LIITE 5 c)
LIITE 6 a)
LIITE 6 b)
LIITE 6 c)
Julkaisija
Vuorimiehentie 5, PL 2000, 02044 VTT Puh. (09) 4561
Faksi (09) 456 4374
Julkaisun sarja, numero ja raporttikoodi
VTT Julkaisuja 845 VTT–JULK–845
Tekijä(t)
Karttunen, Mikko, Österlund, Ralf, Rounioja, Vuokko, Avellan, Pekka, Jussila, Marjo & Ruuskanen, Pekka Nimeke
Kiinteän tilan prosessointi ja metalli-, polymeeri-, keraamiyhdistelmämateriaalit
Tiivistelmä
Tutkimuksen tavoitteena oli kehittää uusi kiinteän olomuodon valmistusmenetelmä, jolla voi-daan valmistaa ominaisuuksiltaan korkealaatuisia polymeeri-metalli- ja polymeeri-keraami- se-kä polymeeri-polymeeri-yhdistelmämateriaaleja. Materiaaliteknisenä tavoitteena oli valmistaa aiempaa parempia magneetti- ja sähkömateriaaleja. Lisäksi tutkimuksessa pyrittiin luomaan ko-keellinen malli kiinteän olomuodon syntetisointimenetelmille, kun prosessissa yhtenä faasina on polymeeri.
Sähköäjohtavia materiaaleja kehitettiin ensisijaisesti elektroniikkateollisuuden tuotteiden säh-kömagneettiseen suojaukseen tiivistemateriaaleiksi. Magneettimateriaalin kehityssovellus olivat muoviin sidotut magneetit, jotka ovat muotoiltavissa helposti lopputuotteeksi esimerkiksi ruis-kupuristuksen avulla.
Mekaanisella seostuksella voidaan valmistaa useista polymeereista komposiittijauheita ilman, että polymeerin kemiallisessa rakenteessa tapahtuu muutoksia. Metallin läsnäollessa seostuksen aikana todettiin kopolymeerihomopolymeeriseoksen kemiallisessa rakenteessa uusien kemial-listen sidoksien muodostuminen. Esimerkkinä tästä on butadieeni-akryylinitriili-kopolymeeri-PVC-seos, jota seostettiin kuparin kanssa. Kiteinen polymeeri muuttuu seostuksessa amorfiseksi.
Kun mekaanisella seostuksella ja lämpökäsittelyllä valmistettiin Fe-Sm-N-magneettimateria, havaittiin sen kiderakenteen olevan samanlainen kuin kirjallisuudessa on raportoitu. Muoviin sidottujen magneettimateriaalien kyllästysmagnetisaatio ja koersitiivivoima olivat hiukan pie-nemmät kuin aikaisemmin on julkaistu.
Avainsanat
composite materials, polymers, processing, solid state, conductive materials, magnetic properties, electrical properties, mechanical properties, magnetic materials, permanent magnets
Toimintayksikkö
VTT Kemiantekniikka, Materiaalitekniikka, Sinitaival 6, PL 1402, 33101 TAMPERE
ISBN Projektinumero
951–38–5024–2 (nid.)
951–38–5028–5 (URL: http://www.inf.vtt.fi/pdf/)
Julkaisuaika Kieli Sivuja Hinta
Joulukuu 2000 suomi, engl. tiiv. 85 s. + liitt. 12 s. B
Projektin nimi Toimeksiantaja(t)
Teknologian kehittämiskeskus (Tekes), Valtion teknillinen tutkimuskeskus VTT, teollisuus
Avainnimeke ja ISSN Myynti
VTT Julkaisuja – Publikationer VTT Tietopalvelu
Published by
Vuorimiehentie 5, P.O.Box 2000, FIN–02044 VTT, Finland Phone internat. +358 9 4561
Fax +358 9 456 4374
Series title, number and report code of publication
VTT Julkaisuja 845 VTT–JULK–845
Author(s)
Karttunen, Mikko, Österlund, Ralf, Rounioja, Vuokko, Avellan, Pekka, Jussila, Marjo & Ruuskanen, Pekka Title
Solid state processing and metal-, polymer-, ceramic composite materials
Abstract
The purpose of this work was to develop new manufacturing technologies based on solid state reaction. In this way it is possible to produce new type of polymer-ceramic-metal composite materials with good electrical, magnetic and mechanical properties. Electrically conductive materials were developed mostly for electronic industry. Applications were sealing materials. The aim in the magnetic materials was to develop polymer bonded Fe-Sm-N permanent magnets.
The results show that with mechanical alloying it is possible to produce polymer composite powders without destroying the chemical structure of the polymers. In the presence of metal component new chemical bondings were found after mechanical alloying.
Fe-Sm-N magnetic material was produced by mechanical alloying and heat treatment. X-ray diffraction studies revealed that the microstructure of the material was similar than that reported earlier. However the magnetic properties were lower than found in the literature.
Keywords
composite materials, polymers, processing, solid state, conductive materials, magnetic properties, electrical properties, mechanical properties, magnetic materials, permanent magnets
Activity unit
VTT Chemical Technology, Materials Technology,
Sinitaival 6, P.O.Box 1402, FIN–33101 TAMPERE, Finland
ISBN Project number
951–38–5024–2 (soft back ed.)
951–38–5028–5 (URL: http://www.inf.vtt.fi/pdf/)
Date Language Pages Price
December 2000 Finnish, Engl. abstr. 85 p. + app. 12 p. B
Name of project Commissioned by
National Technology Agency, Finland (Tekes), Technical Research Centre of Finland VTT, industry
Series title and ISSN Sold by
VTT Julkaisuja – Publikationer VTT Information Service