|
|
Light ceramic materials for ballistic protection
Greguš, Peter ; Pouchlý, Václav (referee) ; Salamon, David (advisor)
This thesis gives a comprehensive characterization of lightweight non-oxide ceramic materials for ballistic applications, an overview of production technologies and processing of boron carbide B4C and its ceramic-based composites. A framework for evaluating the ballistic resistance of the material based on mechanical properties is shown there. It can be used in experiments without normalized equipment. The experiments including B4C + Si, B4C + Ti composites, and application of Spark plasma sintering (SPS) were designed according to outputs from the theoretical part. The volume fractions of Si, Ti dopants were optimized based on ongoing chemical reactions during sintering. The obtained samples were subjects of mechanical testing which results were compared to identify the ideal ratio of matrix and reinforcement. As the best suited material for ballistic protection, B4C + 1,0 obj. % reaches these values of parameters; hardness = 3502 ± 122 HV1; fracture toughness KIC = 2,97 ± 0,03 MPam^0,5.
|
|
|
Tailoring of phase composition and microstructure of calcium phosphate scaffolds applied in regenerative medicine.
Pejchalová, Lucie ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Vápenaté fosforečnany jsou nejčastěji využívané keramické materiály v medicíně pro regeneraci kostní tkáně. Vápenaté fosforečnany jsou biokompatibilní, bioaktivní a mezi sebou se odlišují především rozpustností a související degradací v organismu, proto jsou nejčastěji využívány k regeneraci malých defektů nebo jako vrstvy na kovových implantátech. U již zmíněné rozpustnosti materiálu po implantaci, hraje důležitou roli poměr zastoupení jednotlivých vápenatých fosforečnanů, od kterého se pak odvíjí rychlost degradace materiálu v organismu. Tato práce se zabývá vlivem tvarovacích metod na mikrostrukturu a zejména fázové složení vápenatých fosforečnanů. Výchozím materiálem pro pozorování změn ve fázovém složení byl komerční hydroxyapatit, který byl upraven kalcinací při 800 °C po dobu jedné hodiny. Při kalcinaci došlo k vytvoření dvoufázové směsi, obsahující hydroxyapatit a -fosforečnan vápenatý. Tato dvoufázová směs byla poté využita pro přípravu suspenze s plněním 15 obj.%, a také k přímé přípravě polotovarů s různou výslednou mikrostrukturou a fázovým složením. S cílem zjistit vliv procesu byly v této práci porovnány vzorky připravené pomocí metod: freeze-casting, izostatické lisování za studena, uniaxiální lisování a suspenzní odlévání. U polotovarů a slinutých vzorků byla provedena charakterizace mikrostruktury a analýza fázového složení. V práci se potvrdil vliv tvarovací metody na oba stanovené parametry – mikrostrukturu a fázové složení. Nově pak bylo zjištěno, že se zvyšující se hodnotou porozity a velikostí pórů se zvyšuje i zastoupení hydroxyapatitu ve vzorcích. Tento trend byl pozorován u vzorků vykazujících unimodální i bimodální zastoupení velikosti pórů.
|
|
|
Extremely fast sintering of advanced ceramic materials
Tan, Hua ; Chlup,, Zdeněk (referee) ; Sedláček,, Jaroslav (referee) ; Salamon, David (advisor)
Techniky rychlého slinování jako „Spark Plasma Sintering (SPS)“, „Flash Sintering“ (FS), „Selective Laser Sintering“ (SLS), „Induction Sintering“ (IS) a „Microwave Sintering“ (MS) jsou navrženy tak, aby účinně a předvídatelně kontrolovaly mikrostrukturu během slinovací proces. Spark Plasma Sintering jako jedna z nejmodernějších technik rychlého slinování a byla studována po celá desetiletí. V SPS má tři hlavní rysy: přímý ohřev elektrickým proudem, pulzní stejnosměrný elektrický proud a mechanický tlak. Mechanismy působení faktorů během SPS procesu však nejsou zatím jasně objasněny. Tato práce byla inspirována zvýšeným zájmem o techniky rychlého slinování a snahou o objasnění působení hlavních faktorů. Tato studie je rozdělena do čtyř částí: efekt elektromagnetického pole, efekt pulzního vzoru, tlakový efekt a přímý Joulův ohřev. Výsledky ukázaly, že elektromagnetické pole v SPS může být ignorováno, jak ukázaly simulace, a rovněž během experimentů nebyl nalezen žádný „efekt pole“. Na druhou stranu účinek pulzního vzoru byl významný, prášek TiO2 byl slinován pulzními vzory 12:2 a 10:9 s konstantním příkonem. Po aplikaci pulzního vzoru 10:9 došlo ke zvýšení velikosti zrna o jeden řád a ke zvýšení hustoty o 8%, zatímco množství spotřebované energie zůstalo konstantní. Při zahřátí s různými vzory pulzů se mění účinný výkon a kontaktní odpor indukovaný mechanickým pulsem, což jsou dva hlavní důvody, které vysvětlují měnící se energetickou účinnost. Vliv tlaku byl také významný, výsledky ukázaly, že použití tlaku při 900 ° C přineslo vysokou hustotu a malou velikost zrn, což vedlo k nejvyšší tvrdosti měřenou podle Vickerse. Interakce mezi tlakem a parami, vedoucí k rozdílné rychlosti přenosu páry v prvním slinovacím stupni, je považována za důvod pro rozdíly v mikrostruktuře, jako jsou mikropóry. Načasování mechanického tlaku může také podporovat difúzní mechanismy zhutňování během druhého slinovacího stupně, jako je difúze na hranicích zrn a mřížková difúze. Přímý ohřev, kdy se vede elektrický proud přímo skrz vzorek, vede k nízké měřené teplotě při slinování karbidu boru a jeho kompozitů, avšak teplota uvnitř vzorku je podstatně vyšší. Přidání slitiny titanu a křemíku do B4C významně zvýšilo finální hustotu, což byl hlavní důvod ovlivnění mechanických vlastností. Vzorek B4C + 1.0Ti (1 obj. % Ti slitiny) dosáhl nejvyšší tvrdosti 3628.5 ± 452.6 HV1 (16.2% vyšší než čistý B4C) s lomovou houževnatostí 2.11 ± 0.25 MPa m0.5. Zatímco při dopování křemíkem dosáhl vzorek B4C + 0.5Si (0.5 obj. % křemíku) nejvyšší tvrdosti 3524.6 ± 207.8 HV1 (o 13.0% vyšší než čistý B4C), vzorek B4C + 1.0Si dosáhl nejvyšší lomové houževnatosti 2.97 ± 0.03 MPa m0.5 (o 15.6% vyšší než čistý B4C). Velikost zrn kompozitů dotovaných titanem se oproti čistému karbidu boru byla o něco větší a mikrostruktura více nehomogenní. Naproti tomu se velikost zrn vzorků dotovaných křemíkem příliš nezměnila ve srovnání s velikostí zrn čistého karbidu boru. Sekundární fáze karbid křemíku byla dobře spojena s matricí karbidu boru a vykazovala pozitivní účinek jak na tvrdost, tak na lomovou houževnatost. Tato práce zkoumala vliv různých kontroverzních a nepopsaných aspektů na slinování keramických materiálů metodou Spark Plasma Sintering, což vedlo k lepšímu pochopení této techniky slinování.
|
|
|
Preparation of hybrid ceramic materials by ice-templating
Roleček, Jakub ; Lenčéš,, Zoltán (referee) ; Jankovský,, Ondřej (referee) ; Salamon, David (advisor)
Ice-templating, známý také jako freeze-casting, je relativně jednoduchou, levnou a velmi univerzální technikou pro výrobu porézních keramických struktur s řízenou mikrostrukturou. Takto připravené keramické struktury jsou použity pro výrobu hybridních keramických kompozitů, nebo jako biokeramické scaffoldy. Hybridní keramické kompozitní materiály jsou založeny na napodobování přírodních/ biologických materiálů. Hlavním cílem je napodobit v přírodě se vyskytující zhouževnaťující mechanismy tím, že porézní keramické struktury jsou po slinutí napuštěny polymerními materiály. Hlavním problémem při výrobě porézních keramických vzorků s velkými rozměry, pomocí metody ice-templating, je dosažení řízeného růstu ledových krystalů v celém objemu vzorku. Aby tedy bylo možné získat velké keramické vzorky s dobře definovanou lamelární strukturou je třeba proces ice-templatingu velmi přesně kontrolovat. Biologická aktivita biokeramických materiálů závisí na kombinaci fyzikálních a chemických charakteristik, které silně souvisejí s jejich mikrostrukturou. Porozita scaffoldů musí být vzájemně propojená a velikostí pórů dostatečně velká pro úspěšný růst kostní tkáně v celém objemu implantátu. Prezentovaná disertační práce je zaměřena na problematiku zvětšování rozměrů keramických vzorků připravených pomocí metody ice-templating, vytvoření víceúrovňové porozity uvnitř vzorků a výrobu hybridních keramických kompozitů pro balistickou ochranu. Keramické suspenze pro ice-templating byly úspěšně připraveny z různých prášků (zejména hydroxyapatitu a oxidu hlinitého s různým plněním keramického prášku od 7,5 obj.% do 45 obj.%. Byl také studován vliv aditiv na utváření lamelární drsnosti a mezilamelárních přemostění. V současnosti je zkoumán dopad těchto strukturních prvků na výsledné mechanické vlastnosti. Hybridní kompozity oxid hlinitý/polymer byly úspěšně navrženy a připraveny z destiček z oxidu hlinitého připravených metodou ice-templating s délkou lamel až 70 mm a různých polymerních pryskyřic. Byla testovány mechanické vlastnosti hybridních kompozitů oxid hlinitý/polymer a výsledky ukázaly, že ice-templating je robustní metodou pro výrobu hybridních kompozitů keramika-polymer s dobrým poměrem pevnost/hustota. Avšak balistické testy hybridních kompozitů oxid hlinitý/polymer odhalily, že většina kompozitů vytvořených v rámci této práce nebyla schopna účinně zastavit střely s průbojným jádrem. Ukázalo se, že kombinace procesu ice-templating a nepřímého 3D tisku umožňuje výrobu biokeramických scaffoldů pro kostní náhrady z hydroxyapatitu s víceúrovňovou porozitou, což by se mohlo ukázat jako prospěšné pro vývoj bioaktivních vysoce porézních scaffoldů se zvýšenou biologickou aktivitou. Ice-templating také významně ovlivnil změnu fázového složení během slinování hydroxyapatitových vzorků.
|
|
|
Tailoring of physical properties of ceramic surface by the metallic layer deposition
Dvorský, Vojtěch ; Kachlík,, Martin (referee) ; Salamon, David (advisor)
The master thesis focuses on the preparation of nickel coating on ceramic (Al2O3) substrate. The deposition of nickel was carried out by the electroless plating method in bath at various kinetic conditions. An impact of varied size, shape and roughness on the quality of the coated surface was investigated. The main goal was to find optimized conditions of the plating process of the thin metal coatings. Prepared nickel coatings were analysed by SEM, EDX analysis, mechanical profilometry and the plating bath was analysed by UV-VIS spectrophotometry. The continuous nickel coatings were achieved by modifying the deposition process, and the kinetic mechanism of experimental conditions was described.
|
|
|
Impact of macro channels on mechanical stability of bone scaffolds during indirect 3D printing
Vojníková, Michaela ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Porous materials are currently subject to the great interest of tissue engineering. They provide unique properties such as bioactivity, biodegradability, osteoconductivity, and vascularization. Particularly, ceramic porous systems show appreciable potential in medical applications. However, there is a crucial problem with the porous scaffold on account of their bad mechanic properties and therefore they are presently used only at low-load locations. This thesis focuses on the preparation of the scaffolds made of hydroxyapatite by using the freeze-casting method where the indirect 3D printing was applied to get open channels with the size over 200 µm. It also compares the mechanical properties of the scaffolds with different internal structures and monitors how the implementation of different types of grids affects the resulting stability. The scaffolds were prepared with a different arrangement of macro-channel in the internal structure, but they had equal dimensions as common property. The 3D grid was implemented before freezing into the mold and afterward the grid was eliminated by sintering, leaving only a channel system with the size 540-600 µm in the final scaffold. The influence of the type of the 3D grid on the resulting mechanical stability of the scaffold was determined. Rotation of this grid does not have a significant effect on the result, while it only helps with cracking in the direction of the helix. The combination of these methods reports very good controllability with directed macro-channels in the resulting scaffold and therefore it is suitable for the preparation of the bone-implants with different structures.
|
|
|
Tailoring of cooling procedure during freeze-casting for bone replacement applications.
Šantavý, Tomáš ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Bachelor thesis focuses on preparation of hydroxyapatite ceramics by freeze-casting. Hydroxyapatite is an important ceramic material, due to its biocompatibility, biodegradability and bioactivity it has a wide range of use in medicinal applications especially in replacement of bone material. The chosen method, freeze-casting, is flexible, eco-friendly and we are able to achieve a high level of porosity. The method includes freezing, freeze drying and sintering which creates a porous structure of the prepared material. Objective of this bachelor thesis was to find out the impact on the created porosity and mechanical properties of the final material. Freezing rates were applied 3, 4, 5, 6, 7 and 26 m/s. During the experimental part it was established that the freezing rate has a significant influence on the newly formed inner microstructure, it directly influences the interlamellar distances and mechanical property which is compressive strength. With liquid nitrogen with a speed of 26 m/s the achieved compressive strength was of 15 MPa as well as the shortest interlamellar distances of 14-22 µm. With slower freezing rate the average interlamellar distances were 40-150 µm and compressive strength of 2-4 MPa with comparable porosity.
|
|
|
Preparation of ceramic-metal composites for ballistic protection
Hladík, Jakub ; Roleček, Jakub (referee) ; Salamon, David (advisor)
Cílem této práce je příprava keramicko-kovového kompozitu pro balistickou ochranu. Přičemž velká pozornost se klade na rozhraní obou materiálů. Práce popisuje jak vlastnosti používaných keramik a kovů, tak i aplikovatelné mechanické testy Kompozit na bázi oxidu hlinitého a hliníků byl experimentálně připraven metodou gravitačního lití / slinování hliníků, která vedla ke spojení s korundovými hexagony. K dosažení optimálního výsledku a co nejnižší teplotě lití bylo třeba vyzkoušet několik teplotních režimů. Připravené vzorky byly balisticky testovány na základě norem NIJ Standard- 0108.01 a NATO Standard STANAG 2280. Vlastnosti rozhraní byly ověřeny pomocí lomové analýzy vzorků, která zkoumala vzorky poškozené balistickým testováním. Za účelem zkoumání rozhraní byla připraveny speciální zkouška čtyřbodým ohybem. Dále bylo provedeno předběžné zkoumání mikrostruktury hliníku.
|
|
|
Application of 3D printing for prepartion of advanced ceramic materials
Klusáček, Martin ; Kachlík, Martin (referee) ; Salamon, David (advisor)
In this bachelor thesis there are summarized main 3D printing methods of advanced ceramics. They are compared and their advantages and disadvantages are mentioned. In experimental part of this thesis two different ceramic suspensions were prepared and used for automated silicon form casting and direct 3D printing with financially available 3D printer. The analysis of results was based on reproducibility of the method and sample relative density. The mass accuracy of 5,3 % was reached. It was found out, that the relative density of samples over 98 % can be achieved with accuracy of 1 %.
|
|
|
Microstructure revealing and analysis of partially sintered oxide ceramic materials
Jemelka, Marek ; Salamon, David (referee) ; Spusta, Tomáš (advisor)
The goal of this bachelor’s thesis is to experimentally determine appropriate etching conditions for etching of partially sintered advanced ceramic materials (Al2O3, ZrO2 + 3mol % Y2O3, ZrO2 + 8mol % Y2O3) with emphasis on minimal influence on the final surface microstructure. The obtained results show, that the optimal etching way of selected materials is thermal etching under conditions: Al2O3 (rel. 95,7 ± 0,9 %)- Te = 1015 C (Ts – 350 C), tetragon. ZrO2 (rel. 94,5 ± 0,6 %)- Te = 1005 C (Ts – 350 C), cubic. ZrO2 (rel. 94 ± 0,5 %)- Te = 1105 C (Ts – 350 C). The applying of chemical etching in H3PO4 for 60s led to revealing of the microstructure of Al2O3 and cubic ZrO2 in shorter times, but the procedure carries its difficulties of etching conditions determination and execution itself, which put it in the second place. Microstructure revealing via using focused ion beam was experimentally determined as inappropriate due to time and personnel demands.
|
guest ::
