KSZTAŁTOWANIE STRUKTURY I WŁAŚCIWOŚCI MATERIAŁÓW
Wykład 1: Cele doboru materiałów i procesu wytwarzania
Znaczenie materiałów
Metale
Polimery
Kompozyty
Ceramika

Klasy materiałów inżynierskich – wyróżnia się 6 rodzin:

 METALE (stale, żeliwo, stopy: Cu, Zn. Ti, Al)
 POLIMERY (poliestry, epoksydy, fenole, PE, PET, RP, C, PS, PEEK, PA (nylon))
 ELASTOMERY (kauczuk naturalny, butylowy, neopren, izopren, silikony, EVA
 CERAMIKI (Al

2

O

3

, ZrO

2

, Si

3

N

4

, SiC)

 SZKŁA (szkło sodowo-wapniowe, borowo-krzemowe, kwarcowe, tworzywa szklano-ceramiczne)
 HYBRYDY (kompozyty, kanapki, struktury segmentowe, siatki, sploty)

Projektowanie - stworzenie produktu efektywnie i bezpiecznie spełniającego swoją funkcję przy rozsądnych kosztach. Polega na
poszukiwaniu najlepszego dopasowania między zespołem własności materiału i zespołem własności wymaganym w projekcie.

TEST  WYNIKI TESTU  WSZYSTKIE DANE  POTENCJALNE ZASTOSOWANIA  PRODUKT KOŃCOWY

Dobór procesu jest zależny od własności materiału (formowalności, skrawalności, spawalności, obrabialności cieplnej itd.).
Proces określa kształt, wielkość, dokładność wykonania i koszt wyrobu.















Dobór materiału realizowany zależnie od doboru procesów (kształtowania, łączenia, wykończenia czy innego procesu wytwarzania wyrobu).
Każdy materiał charakteryzuje odpowiedni zespół własności (gęstość, wytrzymałość, odporność na korozję, ciągliwość itd.)
Własności materiału i kształt końcowy wyrobu ograniczają zakres możliwych procesów.






Każdy proces jest charakteryzowany zbiorem własności:

 jaki materiał można nim obrabiać,
 jakie kształty można nadać i z jaką precyzją,
 jak duży i o jakiej złożoności może być wyrób.

Zasady doboru materiałów inżynierskich:

 warunki użytkowania muszą być dostosowane do możliwości zastosowanego materiału;
 materiał w warunkach eksploatacji powinien być stabilny chemicznie, mechanicznie i cieplnie.

Wykład 2: Klasy materiałów inżynierskich a wiązania chemiczne
Podstawowe klasy materiałów inżynierskich:

 metale i ich stopy,
 polimery,
 materiały ceramiczne,
 kompozyty.

Atom składa się z jądra i powłok elektronowych

 proton (1,6·10

-19

C; 1,672·10

-24

g)

 neutron (1,675·10

-24

g)

 elektron (1/1836 masy protonu)
 liczba atomowa – Z=ilość protonów
 masa atomowa – A=suma protonów i neutronów

Spadek znaczenia (do ok. 1960),

następnie ciągły wzrost

szkła metaliczne

stopy Al.-Li

stale dwufazowe

stale mikroskopowe

nowe nadstopy

powolny rozwój

Przetwarzanie wymagań

projektowych (ustalenie

funkcji, ograniczeń, celów i

zmiennych niezależnych)

FUNKCJA

wywiera mocny wpływ na dobór

materiału i kształtu

PROCES

Własności:



materiał,



kształt i wielkość,



minimalna grubość kształtowanika,



tolerancja i chropowatość, wielkość partii,



nakłady kapitałowe

KSZTAŁT

Kształt określa budowę zewnętrzną (w skali makro) oraz
wewnętrzną (mikrokształt), a jest nadawany w procesie
produkcyjnym obejmującym:



pierwotne procesy kształtowania (odlewanie, kucie,
obróbkę ubytków – skrawanie, wiercienie),



procesy wykończeniowe (polerowani, procesy łączenia,
spawanie)

MATERIAŁ



Rodziny, grupy, podgrupy i

poszczególne materiały



Własności materiałów



Wskaźniki materiałowe i

granice własności

Wszystkie

materiały

Selekcja za pomocą

ograniczeń (eliminacja

materiałów nie

spełniających wymagań)

Ustalenie rankingu

(wyszukanie materiałów

najlepiej spełniających

wymagania)

Poszukiwanie informacji

wspierających (należy zbadać

historię materiałów najlepszych

w rankingu)

Końcowy

dobór

materiału

siły międzyatomowe utrzymują atomy „razem”

F

N

=F

A

+F

R

F

N

– siła wypadkowa działająca między atomami

F

A

– siła przyciągająca

F

R

– siła odpychająca

F

A

r

F

R

Gromadzenie

danych

↓

analiza

statystyczna

↓

wybór materiałów

i procesów

↓

analiza

ekonomiczna

↓

BADANIA

WYBÓR I WDROŻENIE

Wiązania między atomami
Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest wynikiem działania między atomami sił odpychających i przyciągających. Siły te równoważą się
gdy atomy zajmują pozycje równowagowe w kryształach, a pozycjom tym odpowiadają minimalne energie potencjalne. Od nich zależą
określone odległości międzyatomowe (r

0

).

Liczba koordynacyjna – liczba najbliższych atomów/jonów w krysztale

Wiązania pierwotne (silne):

Wiązania wtórne (słabe <40):

 jonowe (energia: 600-1550 kJ/mol)
 kowalencyjne (500-1250)
 metaliczne (100-850)

 siły Van der Waalsa
 wodorowe
 siły Londona

Wiązania jonowe:



Powstaje, gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego są przyłączane przez drugi atom bardziej elektroujemny.



W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyłączenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskują oktetowe
konfiguracje elektronowe (jakimi charakteryzują się gazy szlachetne).



Tworzone przez atomy, w których występuje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.



Siły przyciągania między jonami nie są kierunkowe, a o ułożeniu jonów w materiale decyduje ich wielkość.



Kryształy (jonowe) - przezroczyste, często o różnym zabarwieniu, duża wytrzymałość i twardość, kruchość, tendencja do łupliwości
wzdłuż określonych płaszczyzn, duża rezystywność i oporność cieplna, wysoka T

t

.

Wiązania kowalencyjne (atomowe):



Charakterystyczne w przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych (gł. gazów, Si, Ge i diament).



Elektrony walencyjne (pierwotnie różnych atomów) tworzą pary elektronów należące wspólnie do jąder dwóch atomów. Nie jest to zwykłe
nałożenie chmur elektronowych – towarzyszy mu zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii.



kierunkowe, bardzo silne, a posiadające je kryształy są b. twarde i trwałe, wykazują wysoką Tt i dużą Rm, nie przewodzą prądu el., lub

mają własności półprzewodnikowe.



Struktura diamentu – uwspólnione elektrony zajmują obszary rozciągające się ku narożom czworościanu, prowadząc do powstania wiązań

kierunkowych.

Wiązania metaliczne:



Występuje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu są na wystarczająco małą odległość
(charakterystyczną dla stałego stanu skupienia) oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.



Stosunkowo duża energia



Bezkierunkowe



Elektrony walencyjne przemieszczają się swobodnie pomiędzy atomami (jonami dodatnimi), tworząc tzw. gaz elektronowy –

charakterystyczny dla tego wiązania – stanowi „lepiszcze” (wiążące jony na zasadzie przyciągania elektrostatycznego).

Wiązania wtórne:



Występują między wszystkimi atomami/cząsteczkami, ale ich obecność może być stwierdzona jeżeli występuje przynajmniej jedno z
trzech wiązań pierwotnych.



Słabsze od atomowych (10

3

– 10

4

razy)



Ewidentne między atomami gazów szlachetnych, które mają stabilną strukturę elektronową oraz między cząsteczkami utworzonymi w
wyniku wiązań kowalencyjnych (np. między łańcuchami polimerów).

Wiązania wtórne - Van der Waalsa:



Siły V.d.W. występują między dipolami cząsteczek/atomów, a wiązanie V.d.W. jest wynikiem przyciągania siłami Coulomba między
dodatnim końcem jednego a ujemnym końcem drugiego dipola.



Oddziaływania takie występują między:

 atomami obojętnymi elektrycznie,
 dipolami wyindukowanymi,
 dipolami wyindukowanymi i cząsteczkami spolaryzowanymi (które wykazują dipole okresowo),
 cząsteczkami spolaryzowanymi.

Wiązania wodorowe:



najsilniejsze „specjalne” wiązanie wtórne, występuje między spolaryzowanymi cząsteczkami.



wyst. w cząsteczkach, w których wodór jest kowalencyjnie związany z fluorem (HF), tlenem (H

2

O) lub azotem (NH

3

).



W każdym wiązaniu H-F, H-O lub H-N pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy koniec wiązania jest
naładowany dodatnio przez proton, który nie jest ekranowany przez żaden elektron i jest przyciągany przez przeciwny (ujemnie
naładowany) koniec innej cząsteczki.



Utrzymują cząsteczki wody w stosunkowo dużej odległości wzajemnej (dlatego lód ma mniejsza gęstość niż woda).

Wiązanie wtórne – wiązania między chwilowymi dipolami (wiązanie siłami dyspersyjnymi Londona):



Oddziaływanie dipol chwilowy – dipol indukowany wywołane jest przez ciągłą fluktuację ładunku w cząsteczce/atomie. Mogą one
powodować tym samym tworzenie chwilowych momentów dipolowych, które mogą powodować przyciąganie innych cząsteczek.



Powstają w atomach/cząsteczkach, które normalnie są elektrycznie obojętne.



Siły te powodują skraplanie gazów szlachetnych i wpływają na wzrost ich temp. wrzenia (wraz ze wzrostem liczby atomowej) oraz
wpływają na łączenie się gazów w trwałe cząsteczki (np. H

2

, F

2

– w wyniku oddziaływań wiązania atomowego).

Źródłem wszelkich właściwości oraz potencjalnych aplikacji materiałów inżynierskich są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracja
elektronowa tworzących go pierwiastków.
Własności użytkowe materiałów inżynierskich:
Własności fizyczne, mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne czy optyczne materiałów zależne są od:



struktury (na poziomie mikro i makro, elektronowym, krystalicznym),



składu chemicznego oraz



od warunków eksploatacyjnych wytworzonych z nich elementów.

WŁASNOŚCI UŻYTKOWE MATERIAŁÓW INŻYNIERSKICH

Mechaniczne właściwości

objętościowe



Gęstość



Współczynnik sprężystości i tłumienia



Granica plastyczności, wytrzymałości na rozciąganie, twardość



Odporność na pękanie



Wytrzymałość zmęczeniowa, odporność na zmęczenie cieplne



Odporność na pełzanie

Niemechaniczne właściwości

objętościowe



wł. cieplne



wł. optyczne



wł. magnetyczne



wł. elektryczne

Właściwości powierzchniowe



Utlenianie i korozja



Tarcie, ścieralność i zużycie

Właściwości produkcyjne



Łatwość wykonania, łączenia części, obróbka wykończeniowa

Właściwości estetyczne



Wygląd, powierzchnia, forma

Właściwości ekonomiczne



Cena i dostępność

Wykład 3: Metale i ich stopy – struktura, właściwości, metody kształtowania.
Metale wykazują skłonność do tworzenia związków chemicznych o właściwościach raczej zasadowych i nukleofilowych niż kwasowych i
elektrofilowych.
Wypadkowe przyciąganie między elektronami i jonami stanowi wiązanie metaliczne.
Im więcej elektronów swobodnych w sieci krystalicznej, tym lepsze ekranowanie ładunku dodatnich rdzeni atomowych=silniejsze wiązanie,
ale bezkierunkowe.
Właściwości:

 stały stan skupienia (wyjątkiem rtęć),
 połyskliwe, gładkie powierzchnie w stanie stałym (bardziej reaktywne metale tworzą na powierzchni warstwę tlenków),
 ciągliwość i kowalność,
 dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
 szybkie wypromieniowywanie ciepła,
 z reguły dość wysoka temp. topnienia,
 bezwonność.

Gęstość metali zależy od:

 promienia atomu (r

a

) objętości komórki elementarnej,

 masy atomowej (M

at

),

 gęstości upakowania atomów liczby atomów w komórce elementarnej (N

at

).

Temp. topnienia T

p

zalezy od energii wiązania między atomami. W wiązaniu metalicznym energia rośnie wraz ze wzrostem ilości

uwspólnionych elektronów (wiążących) elektronów s i niesparowanych d.
Topnieniu (przejściu ze stanu stałego w stan ciekły) towarzyszy zerwanie wiązań metalicznych.
Rozszerzalność cieplna metali zależna jest od wiązań między atomami (im większa tym rozszerzalność mniejsza).
Właściwości mechaniczne metali

Odkształcenie sprężyste

Odkształcenie plastyczne

Zachodzi łatwo, gdy energia

wiązania jest mniejsza

Trwałe, nieodwracalne przy naprężeniach powyżej granicy

sprężystości/plastyczności R

ε

, wymaga małej siły

Twardość:



to odporność na odkształcenie plastyczne przy nacisku na małą powierzchnię,



miarą - stosunek działającego obciążenia do pola powierzchni odkształcenia,



proporcjonalna do wytrzymałości na rozciąganie: HB=kR

m

.

Struktura metali – układy i sieci krystalograficzne:
Atomy w metalach tworzą zwykle sieć krystaliczną o dużej gęstości upakowania i dużych liczbach koordynacyjnych.
Metale nie krystalizują w układach jednoskośnym i trójskośnym.



sieć regularna ściennie centrowana RSC (A1): Feγ, Ag, Cu, Au, Ni, Pt, Pb. 74% objętości upakowania



sieć regularna przestrzennie centrowana RPC (A2):Feα, Crα, W, Mo, V, Nb, Ta. 68% obj. upakowania



sieć heksagonalna zwarta HZ (A3): Mg, Be, Tiα, Coα, Zn, Cd. 74% obj. upakowania

Defekty punktowe w metalach. W kryształach metalicznych występują wszystkie możliwe defekty:



wakans,



obcy atom w węźle,



atomy międzywęzłowe,



dyslokacja unieruchomiona przez defekty punktowe

Defekty punktowe utrudniają ruch elektronów.
Kolor i połysk metali:



Układ pasm energetycznych metali – promieniowanie elektromagnetyczne o prawie każdej energii może być absorbowane przez elektrony,



Elektronów jest bardzo dużo -> światło jest absorbowane w cienkiej, przypowierzchniowej warstwie (grubości 0,1μm), po czym następuje

powrót do stanu podstawowego: elektron emituje foton,



Energia fotonu wyemitowanego= energia fotonu pochłoniętego (dlatego metale b. dobrze odbijają światło w ok. 95%),



działają jak zwierciadło (od niskich częstotliwości do nadfioletu) –> są srebrzyste,



dla promieniowania o b. dużej częstotliwości (X, γ) metale są przezroczyste (bezwładność elektronu jest już za duża by z nim
oddziaływać),



w zakresie od niskich częstotliwości aż do nadfioletu współczynnik odbicia metalu wynosi~1 (->kolor wszystkich metali-szary).

Avog

el

kom

at

at

N

V

M

N

.

.





ρ-gęstość
V

kom.el.

– objętość kom. elementarnej

N

Avog.-

liczba Avogradra 6,022·10

23

mol

-1

naprężenie:

odkształcenie:

]

[Pa

S

F





[%]

L

L







Opór metalu rośnie wraz z temperaturą oraz z zawartością defektów.
Rezystywność metali:

Właściwości metalu a budowa krystaliczna
Niektóre metale mogą mieć kilka struktur krystalicznych – odmian alotropowych (np. Fe, Ti).
Polimorfizm – wielość struktur krystalicznych.
Zmiana ułożenia atomów Fe skutkuje zmianą własności (np. mechanicznych, chemicznych i fizycznych).
Struktura a właściwości metali
Jeśli ciekły metal zostanie bardzo szybko ochłodzony, atomy zajmujące przypadkowe pozycje w stanie ciekłym nie zdążą się przegrupować
tak, aby uzyskać sieć krystaliczną. Zamiast niej powstaje szklisty/amorficzny układ atomów, w którym atomy są zamrożone w pozycjach
charakterystycznych dla stanu ciekłego.
Metale tego typu – szkła metaliczne, ich struktura - gęsty przypadkowy układ sztywnych kul (nieuporządkowana struktura, gęstość
upakowania ~64%, niska topliwość, wytrzymałość mechaniczna, plastyczność, magnetyzm).
Polikrystaliczna struktura metali



Metale rzadko wykazują strukturę monokryształów.



Metale techniczne otrzymywane metodami metalurgicznymi – to zwykle polikryształy.



Ziarna – części kryształu o prawidłowej strukturze krystalicznej o osiach nachylonych względem siebie o kąt dezorientacji (kąt powstały

między głównymi kierunkami dwóch sąsiednich ziaren).



Przypadkowa orientacja ziarn (z których każde ma prawidłową strukturę krystaliczną), decyduje o niemal jednakowych własnościach metali
w różnych kierunkach (są więc quasi-izotropowe, a wzrost wielkości ziarn wpływa na zwiększenie anizotropii tych własności).

Stopy metali – substancje dwu- lub wieloskładnikowe, makroskopowo wykazujące właściwości metaliczne. Co najmniej jeden z głównych
składników stopu jest metalem, a pozostałe to dodatki, substancje proste (pierwiastki) lub złożone (nie ulegające przemianom związki
chemiczne).



Dodatki stopowe rozpuszczają się w sieci danego metalu tworząc roztwór stały, gdzie rozpuszczalność składników zmienia się od
0,01 – 100% (zależnie od kombinacji pierwiastków).



Stopy metali wytwarza się głównie przez topnienie i krystalizację ze stanu ciekłego.



Skład chemiczny stopów wyrażany jest jako:

 stężenie masowe składników,
 stężenie atomowe składników.



Stopy mogą mieć strukturę jedno- lub wielofazową



Faza – część układu jednorodna pod względem składu chemicznego i własności mechanicznych oddzielona od pozostałej części układu

granicą fazową.

 poszczególne fazy stopu różnią się między sobą własnościami,
 liczba, rodzaj i własności faz zależą od składu chemicznego stopu,
 układ- zbiór faz znajdujących się w stanie równowagi termodynamicznej,
 roztwór stały – jednorodna faza o wiązaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o własnościach typowo metalicznych,
 rozpuszczalnik– metal, którego atomy występują w sieci w przewadze, drugi składnik – substancja rozpuszczona.

Rodzaje faz występujące w stopach metali:

1. Roztwory stałe
2. Związki chemiczne
3. Fazy międzymetaliczne

Roztwory stałe mogą być:

 podstawowe –rozpuszczalnikiem jest pierwiastek będący składem stopu,

Zachowują strukturę sieciową taką, jak czysty metal rozpuszczalnik. W zależności od zakresu stężenia składnika rozpuszczonego dzielą
się na:



graniczne – jeżeli jego stężenie jest ograniczone w pewnym zakresie,



ciągłe – w przypadku nieograniczonej rozpuszczalności obydwu składników w całym zakresie stężeń 0-100%.

 wtórne – rozpuszczalnikiem faza międzymetaliczna.

Reguły Hume-Rothery’ego (tworzenie roztworów stałych ciągłych):

I. Typów sieci: oba składniki mają ten sam typ struktury krystalicznej.
II. Wielkości atomów: całkowita rozpuszczalność przy stosunku promieni atomowych <1,08 tylko ograniczona dla >1,15.
III. Elektrowartościowości ujemnej: im mniejsza różnica elektrowartościowości, tym większa możliwość tworzenia roztworów stałych.
IV. Względnych wartościowości: dla miedziowców rozpuszczalność metali o wyższej wartościowości w metalach jednowartościowych jest

większa niż odwrotnie.

Jeżeli atomy pierwiastka rozpuszczonego usytuowane są w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach sieci metalu rozpuszczalnika powstają
roztwory stałe międzywęzłowe.
Jeżeli atomy metalu zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej powstają roztwory stałe różnowęzłowe (odkształcenia sieci:
ekspansja i kontrakcja). W roztworze tym, o określonym stężeniu oraz w wyniku wolnego chłodzenia/wygrzewania w stałej temp. może
zachodzić przemiana: nieporządek-porządek (tworzy się NADSTRUKTURA – nieodwracalna, po nagrzaniu do określonej temp. -zanik).
Związki chemiczne – mają określoną temp. topnienia i odrębne właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne od tworzących je
składników. Ich tworzenie zachodzi najczęściej pomiędzy metalami a pierwiastkami niemetalicznymi (np. O

2

, Cl, S), a wiązania mają głownie

charakter jonowy. Występują one w stopach metali jako wtrącenia metaliczne.
Fazy międzymetaliczne – połączenia metali lub metali z niemetalami, mają metaliczny lub złożony charakter wiązań międzyatomowych
(->metaliczne właściwości), oraz mają często zmienny skład ilościowy. Mają strukturę krystaliczną odrębną od tworzących ją składników,
uporządkowany układ atomów w sieci przestrzennej. Można określić ich wzór stechiometryczny tak jak w związkach chemicznych
(traktowane więc jako roztwory stałe na osnowie związków chemicznych). Fazy międzymetaliczne w stopach:

 struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze składników,

d

t











ρ

t

- rozpraszanie (zmniejszenie ruchliwości)

elektronów przez cieplne drgania rdzeni

atomowych w węzłach sieci

ρ

d

– rozpraszanie

elektronów na defektach

(zwłaszcza punktowych)

Dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji

 uporządkowane rozmieszczenie atomów,
 przewaga wiązania metalicznego,
 wzory podobne do wzorów zw. chem. przy braku związku z wartościowością pierwiastków; odchylenia od stechiometrii,
 roztwory stałe wtórne: różno węzłowe, międzywęzłowe, pustowęzłowe,
 klasyfikacja wg stężenia elektronowego lub wielkości atomów.

Fazy elektronowe

 Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów wartościowości do liczby atomów w komórce elementarnej (czynnik

elektrochemiczny)

 Roztwory stałe wtórne o wyraźnych właściwościach metalicznych
 możliwe stężenia elektronowe: 21/14, 21/13, 21/12.

Umocnienie stopów cząstkami faz wtórnych

 Spowodowane przez różnice między cząstkami a osnową: struktury sieciowej, składu chemicznego, własności sprężystych

i wytrzymałościowych

 Utwardzanie wydzieleniowe: cząstki faz wydzielają się w osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy międzyfazowej, sprężystego

odkształcenia sieci i pola naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy
plastyczności

 Utwardzanie dyspersyjne: cząstki faz są wprowadzane w procesie wytwarzania; występuje granica niekoherentna

Wykład 4: Stopy metali Cd.
Stop - tworzywo metaliczne, powstałe w wyniki dodania innych pierwiastków – składników stopowych do czystego metalu, np.: mosiądz – Cu
+ Zn; monel – Ni + Cu. Składnikami stopu są pierwiastki, które go tworzą, opisane symbolami chemicznymi. Stop podwójny ma 2 a potrójny
3 składniki.
Faza – część objętościowa stopu o jednorodnych właściwościach fizycznych i chemicznych, oznaczana literami greckiego alfabetu



,



.

Skład chemiczny stopu albo fazy w stopie podaje się w % wagowych (W), np.: dla stopu układu A-B

%

100







B

skłkładni

masa

A

skłkładni

masa

A

skłkładni

masa

W

A

%

100







B

skłkładni

masa

A

skłkładni

masa

B

skłkładni

masa

W

A

Albo jako procent atomowy lub molowy X poszczególnych składników:

%

100







B

atomów

liczba

A

atomów

liczba

A

atomów

liczba

X

A

Stan stopu opisuje się przez:



średni skład chemiczny;



liczbę faz;



skład chemiczny każdej z faz



udział wagowy poszczególnych składników.

Dany stop znajduje się w fazie równowagi termodynamicznej, jeśli nie ma zmiany tendencji zmiany fazowej w funkcji czasu. Układy
równowagi lub układy równowagi faz stanowią sumę stanów wszystkich składników układu stopu.
Równowaga termodynamiczna

 Stan równowagi: gdy układ osiąga min. Energii swobodnej lub gdy wystąpi równość potencjałów chemicznych składników tworzących

fazy (nie ma wówczas przepływu przez granice fazowe)

 Energia swobodna Helmoholtza: F = E – TS, gdzie E – en. wewnętrzna, T – temp. bezwzględna, S – entropia
 En. wewnętrzna E układu jest sumą energii potencjalnej, tj. energii wzajemnego oddziaływania, i energii kinetycznej wszystkich atomów

układu (w kryształach znaczna część energii E wiąże się z drganiami atomów w sieci.



temp. powoduje



amplitudy wychyleń i



E o



E). Zmiana en. wew.:



E =



Q +



W, gdzie:



Q – przyrost ciepła,



W – przyrost prcy.

 Entropia S jest funkcją stanu i określa równowagę układu gdy



S = O oraz kierunek przemiany

Zmiana entropii:



S = -



Q/T

 Zarówno E jak i S są własnościami pojemnościowymi, więc są proporcjonalne do ilości materiału.
 Gdy układ znajduje się w stałej temp. i działa na niego stałe ciśnienie po ustaleniu się równowagi i energia swobodna Gibasa G jest

minimalna: G = E + pV –TS

 Procesy metalurgiczne zachodzące przy stałym ciśnieniu wymagają rozpatrywania energii swobodnej Gibsa, a nieznaczne zmiany

objętość umożliwiają pomijanie czynnika pV i rozpatrywanie energii swobodnej Hlmoholtza F.

 Entalpia – opisuje funkcję stanu przy stałym ciśnieniu: H = E + pV

Równowaga faz – reguła faz Gibasa
Regułą faz Gibasa mówi, że: suma maksymalnej liczby faz f, które mogą współistnieć w układzie w stanie równowagi oraz liczby stopni
swobodnych S jest równa liczbie niezależnych składników układu n powiększonej o dwa.
Liczba stopni swobodnych (temp., ciśnienie, stężenie składników)

f + s = n + 2 lub s = n - f +2 (s = n – f + 1)

 Równowaga czterech i więcej faz w układach dwuskładnikowych jest niemożliwa (p = const.)
 Równowaga trzech faz w tych układach jest możliwa w stałej temperaturze przy określonym stężeniu składników w fazach (eutektyki

lub perytetyki)

 Dwie fazy są w równowadze nawet przy zmianie bądź stężenia składnika w fazie, bądź temperatury.
 Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia i temperatury.

Dwuskładnikowy układ z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym

W temperaturze perytektycznej stop jest złożony z mieszaniny cieczy i kryształów r-ru stałego.

Ciecz o stężeniu c

L

reaguje z wydzielonymi kryształami r-ru stałego



, w wyniku czego

powstają kryształy r-ru stałego



.

Przemiana ta zachodzi aż do wyczerpania się cieczy!!!

Przemian perytektyczna



1

+ L

3





2

przebiega w stałej temperaturze!

Likwidus – linia temp., powyżej której stopy w całym zakresie stężeń są ciekłe.
Solidus – linia oznaczająca wartości temp., poniżej których stopy w całym zakresie stężeń występują w stanie stałym

Układ bez rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką
Eutektyk, czyli mieszanina faz, nap.: czystych metali bizmutu i kadmu, która krzepnie zawsze z cieczy w stałej, najniższej temperaturze. Może
występować w postaci na przemian ułożonych płytek lub słupków.
Takie układy praktycznie nie występują, stosuje się je do analizy stopów metali o małej wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie
stałym!

Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką
Układy te są tworzone przez pierwiastki o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych, różniących się promieniami atomowymi
więcej niż o 15%.

Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i perytetyką
Układy te są tworzone przez pierwiastki o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych,
różniących się promieniami atomowymi więcej niż o 15%.

Dwuskładnikowe układy z fazą międzymetaliczną występują bardzo często, mogą zawierać nie tylko jedną, ale i kilka różnych faz.
Przykład: F. międzymetaliczna będąca roztworem wtórnym oraz dwoma eutektykami. Utworzone fazy między metaliczne są nietrwałe i mogą
ulegać przemianą fazowym pod wpływem obniżania temperatury. Niektóre z faz ulegają uporządkowaniu w nadstrukturę (np. Cu-Zn) lub
rozpadowi eutektoidalnemu na dwie różne fazy.

Faza



jest roztworem stałym ciągłym, której skład

chemiczny może się zmieniać w sposób ciągły od 0 do 100%
Ni (różnowęzłowym). Pod mikroskopem ziarna fazy



wyglądają tak samo niezależnie od składu chemicznego.

Stopy krzepnące w warunkach technicznych
charakteryzują się znaczną niejednorodnością
składu chemicznego w obrębie ziaren.

Regułą faz s = n – f + 1

Wzrost szybkości chłodzenia cieczy powoduje rozdrobnienie
eutektyki (mniejsza grubość płytek) co powoduje wzrost
własności mechanicznych, np. twardości, wytrzymałości na
rozciąganie, czy udarności.

Żelazo
Odmiany alotropowe:



( < 912

o

C )



( 1394 – 1538

o

C )



( 912 – 1394

o

C )

Grafit



Każdy atom C wykorzystuje tylko 3 z 4 możliwych wiązań kowalencyjnych, tworząc równoległe warstwy o symetrii heksagonalnej –
lk = 3



Heksagonalna sieć krystaliczna powstaje w wyniku powiązania tych warstw słabymi siłami van der Waalsa, w. w. = 16,9% (b. mały),

 B. miękki (łatwość przemieszczania się warstw),
 Wysoka wytrzymałość tylko wzdłuż równoległych płaszczyzn heksagonalnych – włókna węglowe
 Temp. topnienia 3900

o

C, ale niska odporność erozyjna

 Właściwości wytrzymałościowe grafitu są tak małe, że traktujemy jego wydzielenia jako nieciągłości osnowy metalowej stopu
 O właściwościach stopów z grafitem (żeliwa szare) decyduje jego kształt, wielkość i rozmieszczenie

Definicje faz układu Fe – Fe

3

C

Ferryt



jest roztwór stały (graniczny) węgla w żelazie





Fe



(C), o maksymalnej rozpuszczalności węgla 0,0218% w temp. 727

o

C.

Twardość ferrytu od 70 do 90HB. Struktura A2

Austenit



- roztwór stały graniczny węgla w żelazie Fe







Fe



(C) o maksymalnej rozpuszczalności węgla 2,11% w temp. 1148

o

C. Faza

miękka i plastyczna. Wysteruje w temp. powyżej 727

o

C. Struktura A1

Cementyt Fe

3

C – faza międzymetaliczna (węglik żelaza). Zawartość węgla w cementycie wynosi 6,67%. Jest twardy (750 HB) i kruchy

(f. metastabilna).

 I - rzędowy – wydziela się z fazy cieczy przy chłodzeniu
 II - rzędowy – wydziela się podczas chłodzenia z austenitu
 III - rzędowy – wydziela się z ferrytu podczas chłodzenia.

Definicje składników strukturalnych
Ledeburyt – mieszanina eutektyczna austenitu i Fe

3

C, powstaje z cieczy o składzie zaw. 4,3%C w stałej temp. 1148

o

C.

Perlit jest to mieszanina eutektoidalna (powstaje z fazy stałej) ferrytu i cementytu lub z austenitu o zawartości 0,77% C w stałej t emp. 727

o

C.

Definicja stali
Stal – plastycznie (ewentualnie cieplnie) obrobiony stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych
ze stanu ciekłego. Stal może zawierać do 2% węgla, powyżej tej wartości występuje żeliwo.

 węglowe (niestopowe) – własności zależą od węgla, który decyduje o własnościach mechanicznych. Pozostałe pierwiastki pochodzą

jedynie z przerobu hutniczego (krzem, mangan, aluminium) lub są zanieczyszczeniami (fosfor, siarka, tlen wodór, azot, cyna, antymon,
arsen).

 stopowe, do których celowo wprowadza się pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane własności, np.: mangan, krzem, chrom, nikiel.

Wolfram, molibden, wanad; rzadziej stosuje się aluminium, kobalt, miedź, tytan, tantal, niob, a w niektórych przypadkach i azot.

Rola domieszek i pierwiastków stopowych
Domieszki:



Mangan: powoduje gruboziarnistość



Krzem: przeciwdziała segregacji fosforu i siarki



Fosfor i siarka: powodują kruchość stali



Wodór: pogarsza własności stali, powoduje powstawanie pęcherzy i płatków śnieżnych.



Azot: powoduje spadek plastyczności



Tlen: powoduje spadek własności mechanicznych

Pierwiastki stopowe



Wywołanie określonych zmian strukturalnych



Zwielokrotnienie (poprawa) własności



Wzrost hartowności



Ułatwienie obróbki cieplnej



Źródła: tworzenie roztworów stałych i faz międzymetalicznych oraz międzywęzłowych, zmiany punktów charakterystycznych wykresu Fe-
C

Stale stopowe
Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków stale stopowe dzielimy na następujące grupy:
Niskostopowe – stężenie jednego pierwiastka (oprócz C) nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%
Średniostopowe – stężenie jednego pierwiastka (oprócz C) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8% lub suma pierwiastków łącznie nie
przekracza 12%
Wysokostopowe – stężenie jednego pierwiastka przekracza 8% a ich łączna suma przekracza 55%.
Klasy jakości stali niestopowych (węglowych)
Stale niestopowe ze względu na klasy jakości dzielimy na:
Jakościowe – wszystkie, które nie zaliczają się do stali specjalnych
Specjalne – te, które spełniają jeden lub więcej z warunków:



Wymagana praca łamania w stanie ulepszonym cieplnie;



Wymagana głębokość utwardzania powierzchniowego lub twardości powierzchni po hartowaniu;



Niski udział wtrąceń niemetalicznych



Max stężenie fosforu i siarki 0,020%



Przewodność elektryczna właściwa 9 S*m/mm

2

Klasy jakości stali stopowych
Ze względu na jakości stele stopowe dzielimy na:
Stopowe jakościowe, wyróżnia się następujące grup:



Konstrukcyjne spawalne,



Na szyny, grodzice, kształtowniki na obudowy górnicze,



Na produkty płaskie walcowane na zimno lub na gorąco



Przeznaczone do dalszej obróbki plastycznej na zimno



Elektrotechniczne



Z miedzią

Stopowe specjalne – obejmują one wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz stopach jakościowych.
Stale stopowe specjalne
Stale stopowe specjalne dzielą się na podklasy:



Maszynowe (do budowy maszyn)



Na urządzenia ciśnieniowe,



Konstrukcyjne,



Szybkotnące



Na łożyska toczne



szczególnych własnościach fizycznych.

Stale stopowe nierdzewne – należą do nich stale zawierające co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C, a są dzielone na:



Odporne na korozję,



Żaroodporne,



Odporne na pełzanie (żarowytrzymałe)

Wykład 5: Tworzywa ceramiczne – skład, budowa, właściwości
Ceramika (tworzywo ceramiczne) – nieorganiczny, niemetaliczny i zagęszczony materiał na osnowie związków niemetali XIII-XVI grupy
UOP, z sobą z dowolnymi metalami. Materiał, zazwyczaj polikrystaliczny, otrzymywany jest za pośrednictwem procesów wytwórczych
zapewniających transport masy i doprowadzający do wiązania składników wyjściowych. W skład materiałów ceram. Wchodzą, O, Si, Al., Ca,
Na, K, Mg, Ti, N najbardziej rozpowszechnione pierwiastki skorupy ziemskiej i atmosfery! Surowcami wyjściowymi poza kopalinami
mineralnymi (gliny, kaoliny, itp.) są również surowce syntetyczne: borki, węgliki, azotki, tlenki, krzemki, fosforki, siarczki, selenki, i inne
związki na ich bazie.
Budowa wewnętrzna ceramiki
Jonowy i kowalencyjny charakter wiązań wpływa na:



Twardość i odporność na ścieranie



Kruchość

o Kruche pękanie na skutek działania obciążę mech. Lub naprężeń cieplnych (zachodzi na pustkach porach, rysach, defektach

sieci – ich liczba, wielkość i rozmieszczenie są zmiennymi losowymi)

o

Wytrzymałość mech. Ceramiki może się zmniejszać z upływem czasu, bez działania naprężeń cyklicznych (zmęczenie
statyczne, silnie zależy od rodzaju środowiska pracy)

o

Duża wytrzymałość na ściskanie, ale mała na rozciąganie.



Wysoką temperaturą topnienia



Małą przewodnością cieplną i elektryczną (są wyjątki!)



Dobrą stabilność chemiczną i cieplną.

Wiązania chemiczne w ceramice
Udział wiązania jonowego i kowalencyjnego determinuje strukturę krystaliczną.




Jonowe - idealne wiązanie powstaje, gdy jeden z atomów całkowicie oddaje swoje elektrony, a występuje dzięki oddziaływaniu
elektrostatycznemu atomów. Jest mało wytrzymałe, rozerwanie polega na oddaleniu anionu i kationu na odległość, dla której nie będzie
oddziaływania elektrostatycznego. Jeżeli różnica elektroujemności jest mała, to oktet elektronowy jest rozciągnięty. Wiązanie jonowe powstaje
m.in. w MgO, Cao, Al

2

O

3

, ZrO

2

.

Kowalencyjne – powoduje powstanie anionów i kationów. Idealne tworzą atomy tego samego pierwiastka, poprzez wspólny oktet elektronowy
– powstaje polaryzacja. Wiązanie to tworzą węgliki (TiC, Sic), azotki (Si

3

N

4

), AIN) i SiO

2

, jest sztywne i silne, a materiały twarde, ze względu

na zagęszczenie materii.
Podział tworzyw ceramicznych
Ceramika krystaliczna – regularne i powtarzalne ułożenie atomów (tradycyjne krzemiany, wiele tlenków, związki nie zawierające tlenu –
azotki, węgliki, borki)
Szkła – skład zbliżony do ceramiki krystalicznej, ale bez uporządkowania dalekiego zasięgu (należy traktować jako nieskrystalizowaną
ceramikę, określenie ‘przechłodzona ciecz’ jest niepoprawne!)
Ceramika szklana (dewitryfikaty) – kształtowane w stanie szklistym, a następnie krystalizowane w wyniku obróbki cieplnej.
Ze względu na strukturę mażna wyróżnić ceramikę:



Jonową i kowalencyjną - w zależności od przeważającego wiązania.



Litą i porowatą;



Jednofazową lub wielofazową;



Drobnoziarnistą lub gruboziarnistą.

Podział tworzyw ceramicznych
Ceramika może występować w postaci objętościowej, warstw i pokryć, które zostały otrzymane zgodnie z założeniami teoretycznymi i mogą
samodzielnie wypełniać użyteczną funkcję.

jonowe

Mieszane

kowalencyjne

Niemetale

Ceramika

Ceramika

tradycyjna

- Ceramika szlachetna

- Ceramika budowlana

- Materiały ogniotrwałe

- Szkła i emalie

- Materiały izolacyjne

Ceramika zaawansowana

Ceramika funkcjonalna

Ceramika strukturalna

- drobnoziarnista

- nowoczesna

- techniczna

Ceramika zawansowana

Jednofazowa

Porowat
a

Gęsta

Wielofazowa

Porowat
a

Gęsta

Laminaty i włókniste

Podział pod względem udziału faz:

Ceramika specjalna

Tlenkowa

Nietlenkowa

Proste tlenki

Krzemiany

Wg kryterium dominującego związku chemicznego

Klasyfikacja ceramiki – składy
Fazowy – np. faza krystaliczna, szklista, gazowa lub różne fazy krystaliczne
Chemiczny – pierwiastkowy, tlenkowy, molowy i In.
Surowcowy – surowce mineralne lub głęboko przetworzone – tlenki i materiały syntetyczne.
Klasyfikacja ceramiki zaawansowanej
Podział pod względem składu chemicznego:



Tlenkowe: Al

2

O

3

, ZrO

2

, BeO, MgO, CaO



Krzemianowe: porcelana elektrotech., multi, steatyt, kordieryt



Węglikowe: Sic, B

4

C, TiC, węgliki spiekane



Azotkowe: Si

3

N

4

, BN, Tin, SIALON (azotek krzemu z tlenkiem glinu)



Borkowe: TiB

2



Krzemkowe: MoSi

2



Węglowe i grafitowe



Szkła specjalne

Klasyfikacja a zastosowanie ceramiki
Klasyfikacja uwzględniająca podstawowe cechy:



Naturę – nieorganiczna, organiczna;



Stan – proszek, włókno, warstwa, zagęszczony materiał;



Skład – pierwiastki, związki;



Strukturę – krystaliczna, amorficzna



Sposób wytwarzania – technologia.

Skład ceramiki



Wzór Segera – za pomocą ułąmków molowych tlenków tworzących dany układ; podzielone na tlenki alkaliczne R

2

O (K

2

O, Na

2

O, Li

2

O itp.),

Zasadowe RO (CaO, MgO, PbO, SrO, SnO, ZnO itp.), a sumę ich ułamków molowych sprowadza się do 1 (R

2

O + RO = 1) i oblicza się

odpowiadającą im ilość tlenków amfoterycznych R

2

O

3

(Al

2

O

3,

Fe

2

O

3

, Cr

2

O

3,

Mn

2

O

3

itp.). oraz kwaśnych RO

2

, (Si O

2,

TiO

2

, Zr O

2

, Sn O

2

oraz B

2

O

3

, i P

2

O

3

. 1(R

2

O + RO)*mR

2

O

3

*nRO

2

Tl. Alkaliczne i zasadowe – topniki, ich działanie zależy od temp. i innych składników
Tl. Amorficzne – podwyższają temperaturę topnienianp. Al

2

O

3

, Cr

2

O

3

, SiO

3

.



Wzór Bogue’a – stosowany do określania składu mineralnego klinkieru cementowego (produkt przejściowy do otrzymywania cementu
portlandzkiego), rozpatrywany jako 2 ukłądy trójskładnikowe: CaO–SiO

2

– l

2

O

3

i CaO-Al

2

O

3

- Fe

2

O

3

. Zamiast wzorów stosuje się pierwsze

litery: CaO



C, SiO

2



S, Al

2

O

3



A, Fe

2

O

3



F.

Podczas wypalania mieszaniny surowców powstają krzemiany: C

3

S – trójwapniowy alit; C

2

S – dwuwapniowy belit oraz fazy ferrytowe o

zmiennym składzie (np. C

4

AF, C

6

AF, C

2

F)

Model mikrostruktury ceramiki krystalicznej
Mikrostruktura ceramiki:

 Faza krystaliczna
 Faza szklista
 Faza gazowa

Struktura krystaliczna w ceramice
Utworzenie stałego układu nie jest zawsze możliwe. Stosunek promieni anionu i kationu nie może być za mały, bo kation byłby przesuwany w
kierunku jednego jonu – anionu



wielkość K

+

A

-



r

kationu

< r

anionu

.

Podstawowe układy krystalograficzne

Wady budowy krystalicznej ceramiki
Materiały ceramiczne zawierają jony dwóch typów, dlatego wakanse i jony międzywęzłowe mogą występować w postaci kationowej lub
anionowej.

Przykładowe struktury krystaliczne
Struktura B1- typ chlorku sodu NaCl – układ regularny można rozpatrywać jako zwarty układ anionów, w którym wszystkie luki oktaedryczne
są zajęte przez kationy. Ceramiki wykazujące ten typ struktury: MgO, CaO, FeO, NiO.
Struktura B2 – typ chlorku cezu CsCl układ regularny, w komórce dwa jony. Ceramiki wykazujące ten typ struktury: CsBr, TlCl, TlBr.
Struktura B3 – typ sfalerytu (blendy cynkowej ZnS) – układ regularny, brak środka symetrii! Można rozpatrywać jako strukturę A1
zbudowaną z atomów S, w której połowa luk tetraedrycznych jest wypełniona atomami Zn. Wiązanie ma charakter kowalencyjny Zn-S~87%.
Ceramiki wykazujące ten typ struktury: typowe dla półprzewodników: CdS, HgTe, NiAs, Sic, GaAs.
Struktura korundu Al

2

O

3

- układ HZ (sieć heksagonalna zwarta). Każdy jon w sieci ma 1 lukę oktaedryczną i 2 oktaedryczne. Można

rozpatrywać jako sieć jonów tlenu z jonami glinu, w 2/3 wypełniających luki oktaedryczne, z 1/3 pozycji pustych. Ceramiki wykazujące ten
typ struktury: Cr

2

O

3

, Fe

2

O

3

, Al

2

O

3.

Wykład 6: Ceramiczne roztwory stałe szkła.
Struktura spinelu i odwrotnego spinelu
Spinele – AB

2

O

4

– układ typowy dla tlenków, struktura FCC (r

A

>r

B

)

W niektórych spinelach jony A wymieniają się miejscami z połową jonów B, powstaje spinel inwersyjny (odwrotny):B(A

0.5

B

0.5

)

2

O

4

- jony A i

½ jonów B zajmuje luki oktaedryczne, ilość jonów w lukach A=B.
Struktura typu perowskitu
Syntetyczne perowskity mono- lub polikrystaliczne można podzielić na:
- proste związki (podwójne tlenki): ABX

3

, gdzie: A - to 24 atomy różnych pierwiastków, w tym: Ba, Ca, Pb i pierwiastki ziem rzadkich , B –

to 50 atomów różnych pierwiastków, w tym Ti, Zr, Nb, Sn i niemetale grupy halogenów.
- wieloskładnikowe roztwory stałe
Reguły Hume Rothery’ego dla ceramik
Zasady tworzenia ceramicznych roztworów stałych:

1) Ta sama struktura krystaliczna
2) Atomy lub jony muszą mieć podobne wielkości promieni – różnica poniżej 30% (w przypadku różnic powyżej 15% ograniczona

rozpuszczalność składników (poniżej 1%))

3) Musza posiadać podobne elektroujemności
4) Muszą mieć tę samą walencyjność

Jeżeli wszystkie warunki są spełnione = niekoniecznie całkowita rozpuszczalność!!!
Jeśli 1 lub więcej warunków nie jest spełniony = częściowa rozpuszczalność!!!
Przykładowe struktury krzemianów
Jeżeli krzemionka tworzy związek z tlenkami metali jak MgO, CaO lub Al

2

O

3

, gdzie MO/SiO

2

=2:1 (lub jest większy), to krzemian zbudowany

jest z monomerów SiO

4

połączonych cząsteczkami MO. Jeżeli stosunek MO/SiO

2

< 2:1 powstają dimery krzemionki, połączone mostkami

tlenowymi. Dzięki tej polimeryzacji powstają struktury łańcuchowe, warstwowe i szkieletowe.
Krzemiany trójwymiarowe
Krzemionka – SiO

2

:

- sześcienna krzemionka – struktura regularna diamentu z tetraedrami SiO

4

w położeniach atomu węgla

- posiada kilka odmian krystalicznych:
Kwarc



----- kwarc



--- trydymit



------ krystobalit



--- stopienie

Skalenie – wykazuje podobną strukturę do krzemionki, w której jony Al

3+

zastępują Si

4+

, stąd sieć krystaliczna ma ładunek (

-

)  kompensacja

ładunku przez podstawienia kationów o dużej objętości (Na

+

, K

+

, Ca

2+

, Ba

2+ )

w pozycjach międzywęzłowych.

Definicja szkła
- materiał nieorganiczny powstały w skutek stopienia, a następnie ochłodzenia bez krystalizacji,
- spełnia makroskopową definicję ciała stałego, chociaż może być też uważane za przechłodzoną ciecz,
- nie jest plastyczne: może być odkształcone sprężyście lub pęknąć.
T

g

– temperatura przejścia do fazy szklistej „temperatura zeszklenia” jest to temp., w której ciało amorficzne wykazuje zmianę nac hylenia

zależności objętości właściwej od temperatury.
Skład chemiczny szkieł
Głównym składnikiem szkła (zwykłego) jest SiO

2

Inne składniki szkieł – pierwiastki szkłotwórcze, które w związkach z tlenem tworzą sieć wielościanów, np.: Si, B, P, Ge, mają liczbę
koordynacyjną 3 lub 4. Szkło tworzą również inne tlenki, jak Bi

2

O

3

, CuO, PbO.

Skład szkła (tlenkowego) – oprócz pierwiastków szkłotwórczych zawiera najczęściej jeszcze inne pierwiastki
- modyfikatory – przerywają sieć wielościanów, np. Na, Ca, Ba, K
- stabilizatory sieci : ani nie tworzą, ani nie przerywają sieci, np. Al., Li, Zn, Mg, Pb.
Struktura szkła krzemowego:
- Elementem podstawowym szkła kwarcowego (podobnie jak krystalicznego kwarcu) jest czworościan SiO

4

4-

- Liczba koordynacyjna krzemu wynosi 4
- Czworościany są ze sobą połączone narożami
Struktura szkła (tlenkowego)

Wg Zachariesen’a szkło zbudowane jak „ciągła przypadkowa sieć”, której atomy są rozłożone tak jak w cieczy. Układ musi spełniać
zazwyczaj następujące 4 warunki:

1) Atom tlenu może być połączony z najwyżej dwoma innymi atomami
2) Liczba koordynacyjna innych atomów jest zazwyczaj mała (≤4)
3) Wielościany koordynacyjne Si-O (lub inne) połączone są między sobą narożami
4) Wielościany tworzą trójwymiarową strukturę (ciągłą).

Właściwości szkieł
Mechaniczne:
- szkło ma bardzo duży moduł Young’a
- główną wadą szkła jest jego kruchość (zależy od jakości powierzchni)
Przyczyny kruchości szkła:
- główna – mikropęknięcia na powierzchni, które przemieszczają się najpierw powoli, a następnie katastrofalnie szybko
- pośrednie – para wodna i woda dostając się do mikropęknięć przyspiesza ich propagacje (przyspiesza zrywanie wiązań kowalencyjnych)
(Nie)jednorodność szkieł
W odpowiednich warunkach technologicznych (wygrzewanie, oświetlenie) w strukturze szkła mogą powstawać lokalne niejednorodności. Np.
klastry srebra (szkło fotochromatyczne), klastry złota (czerwone szkło z Murano).
Szkło fluoryzujące – dowolne szkło zawierające uran
Szkło opalizujące – w trakcie procesu chłodzenia powstaje w miejscach, gdzie warstwa szkła jest gruba, co zachodzi powoli, dzięki czemu
zachodzi krystalizacja i szkło staje się matowe.
Szkło w bąbelki:
- bąbelki powstają przez dodanie do stopionego szkła związków chemicznych, które reagując wytwarzają bąble,
- pojedyncze bąble można wprowadzać za pomocą szpikulca.
Rodzaje szkieł
Tworzywa szklano-ceramiczne:
- dodanie zarodków krystalizacji, takich jak: Ag lub TiO

2

powoduje, że krystalizowane szkło jest bardzo wytrzymałe i odporne na wysoką

temperaturę
- stosuje się w naczyniach kuchennych, konwerterach katalitycznych.
Wykład 7: Szkła, Cd
Wtórne właściwości szkieł:
Rozpuszczając dowolny pierwiastek lub tlenek w strukturze szkła kształtuje się właściwości wtórne. Substancje tego typu nazywa się
modyfikatorami i związkami (kationami) międzywęzłowymi (międzywięźbowymi). Stosuje się ok.35 pierwiastków, przy czym zmiana
zawartości już o 1% zmienia właściwości szkła.
Modyfikatory – zrywają wiązania w mostkach tlenowych, co zmniejsza lepkość, obniża temp. Mięknięcia oraz pogarsza właściwości, np.:
tlenki sodu, potasu, baru, strontu, magnezu i wapnia.
Związkami międzywięźdźbowymi są tlenki glinu, sodu, tytanu, żelaza, ołowiu, berylu, kobaltu.
Duże jony metalu nie przyłączają się do sieci przestrzennej, tylko są utrzymywane w pozycjach międzywęzłowych wiązaniami
jonowymi!!!
Właściwości optyczne – pochłanianie podczerwieni uzyskuje się przez wprowadzenie kompleksu międzywęzłowego opartego na tlenkach
żelaza różnej wartościowości (hutnictwo, spawalnictwo, lecznictwo, transport, nauka)
Odporność chemiczna szkła-wzrasta dzięki udziałowi Ba,Ca,Pb,Mg,Zn,Al.,Zr.
Szkło jest świetnym izolatorem. Wprowadzenie tlenków V

2

O

5

, Fe

3

O

4

, CoO, MnO, TiO

2

wywołuje właściwości półprzewodnikowe!

Szkła kwarcowe, porowate typu VYCOR stanowią gąbczasty szkielet zbudowany co najmniej w 96% z SiO

2

, a występujący w nich system

kanalików znacznie rozwija ich powierzchnię właściwą. Zastosowanie: jako błony półprzepuszczalne do rodziału mieszanin ciekłych i
gazowych, jako nośniki katalizatorów w procesach petrochemicznych, w biochemii do zastosowań klinicznych i diagnostycznych, do
eliminacji zanieczyszczeń (gł. węglowodorowych jak paliwa, nafty) z wód podziemnych i powierzchniowych.
SZKŁO PIANKOWE-otrzymuje się przez spienienie ciekłej masy szklanej środkiem gazo twórczym, np. pyłem węglowym, kredą,
wapieniem CaCO

3

; jest nieprzeźroczyste, odporne na korozje biologiczną i chemiczna, niepalne (nie wydziela gazów toksycznych).

Produkowane w 2 odmianach:
- czarne – struktura o zamkniętych porach
- białe – struktura o porach otwartych.
Szkło czarne posiada lepsze parametry izolacyjne i mniejszą nasiąkliwość niż białe, które z kolei cechuje większa wytrzymałośc na obciążenia
mechaniczne. Zastosowanie:
W budownictwie do izolacji termicznych i akustycznych (fundamentów, ścian, stropów i stropodachów), czasem jako samodzielną ścianę
działową, nawet jak przegrodę ogniową.
Wzmacnianie szkła
Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej jej modyfikacji, że pęknieć albo nie ma, albo nie mogą się
przemieszczać.
- harowanie – powoduje lepsze właściwości mechaniczne dzięki naprężeniom wewnętrznym – zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta,
zewnętrzna rozciągnięta.
- chemiczna modyfikacja powierzchni – wymiana jonów Na

+

na K

+

na powierzchni.

Szkło umieszcza się w stopionej soli zawierającej jony K

+

. Większe jony K+ rozpychają zewnętrzną powierzchnię. Dyfuzja powoduje

wymianę jonów sodu na jony potasu. Obie metody hartowania prowadzą do 2-4-krotnego wytrzymałości szkła.
- nanoszenie warstw, laminowanie szkła
Kolor szkła
- jest efektem obecności zdyspergowanych jonów metali w postaci klasterów
- zależy też od wielkości klasterów metalu, a ich wielkości związane są z obróbką chemiczna i termiczną szkła
- zależny jest od procesów utleniania, redukcji lub dyfuzji zachodzących pod wpływem światła i innych czynników.
Źródłem koloru wywołanego obecnością nanoklastrów metalu są powierzchniowe plazmony. (Plazmon to kwazicząstka powstała w wyniku
kwantyzacji drgań częstości ładunku, inaczej rezonansowe drgania gazu elektronowego).
Kolor szkła a właściwości optyczne

W celu zapewnienia skutecznej ochrony słonecznej, wśród szkieł zespolonych znalazły zastosowanie szkła refleksyjne typu float różnej
barwie i grubości pokryte warstwą refleksyjną, umożliwiające zwiększenie odbicia promieni słonecznych. Promieniowanie słoneczne
napotykając na przegrodę szklaną zastaje po części odbite, pochłonięte w grubości szkła oraz przepuszczone do wnętrza pomieszczenia. Szkła
barwione w masie charakteryzujące się podwyższonymi parametrami absorpcji (możliwość kumulacji w masie szkła).
Włókna szklane
Włókna chemiczne, otrzymywane ze szkła wodnego lub ze stopionego szkła:
- włókna szklane grube (tzw. wata szklana lub wełna szklana), stosowanie gł. Jako izolacja cieplna, akustyczna, przeciw wilgoci,
- włókna supercienkie są stosowane do wyrobu dobrych izolacji akustycznych i cieplnych
- włókna szklane ciągłe stosowane w postaci przędzy, wyrobów tkanych i dzianych oraz robingu (zespół pasm włókien szklanych złączonych
ze sobą bez skrętu) jako materiał izolacyjnych w elektrotechnice, do wyrobów filców, tkanin dekoracyjnych, do wzmacniania tworzyw
sztucznych, do zbrojenia betonu.
- włókna szklane jako mata, w rolkach używane do produkcji różnych wyrobów w formach silikonowych i formach twardych z użyciem
żywicy poliestrowej
- włókna optyczne – cienkie i giętkie włókno zdolne do przewodzenia światła, składa się z bardzo cienkiego rdzenia otoczonego
koncentrycznymi warstwami szkła i innych materiałów.
Włókna specjalne
Światłowód – przeźroczyste włókno szklane (lub wykonane z tworzywa sztucznego), w którym odbywa się propagacja światła przenosząca
promieniowanie optyczne drogą wielokrotnych odbić. Światłowód zbudowany jest z co najmniej 2 warstw, bo całkowite wewnętrzne odbicie
następuje, gdy światło przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania do ośrodka o współczynniku mniejszym. Powłoka
ochronna, np. ze szkła sodowego ogranicza niekontrolowanego wypływu szkieł tworzących rdzeń i płaszcz włókna, co pozwala na
uformowanie światłowodu.
Szkło metaliczne
Stop amorficzny dwu- lub wieloskładnikowy, w którym metal jest głównym składnikiem (np. Zr,Ti,Cu,Ni,Be) zbudowany z atomów znacznie
różniących się między sobą, co zmniejsza tendencję do krystalizacji i otrzymany przez bardzo szybkie chłodzenie. Taki materiał cechuje duża
twardość, sprężystość, odporność na korozję oraz duży opór elektryczny. Jednak zwykle jest kruche, a nawet bardzo małe pęknięcie bez
przeszkód się pogłębia. Dlatego ze szkła robi się tylko części nienarażone na silne uderzenia, np. odporne na ścieranie głowice magnetyczne.
Jest to materiał magnetyczny miękki – łatwo można go rozmagnesować niewielką ilością prądu (zastosowanie w sklepach w postaci pasków
zabezpieczających odzież przed kradzieżą). Współcześnie szkło metaliczne jest mikrostopem zawierającym pallat dzięki czemu nie jest
kruche, ale plastyczne (zwykle im bardzien twardy jest materiał, tym bardziej kruchy). Pozostałe jego składniki to fosfor, krzem, german i
srebro. Choć bardzo twarde pod obciążeniem, które doprowadziłoby do pęknięcia najtwardszej stali, szkło się tylko wygina. Jest wyjątkowo
wydajne jeżeli chodzi o właściwośći sprężyste. Oddaje do 97% energii, która się przyłoży. Zastosowania – zwłaszcza w sporcie, np. w
rakietach tenisowych i kijach golfowych. Nadaje się tez do produkcji narzędzi chirurgicznych, ponieważ jego powierzchnia jest idealnie
gładka, co sprawia, że bardzo łatwo jest poddać je procesowi sterylizacji. Dzięki wyjątkowej trwałości można by z niego wyprodukować
maszynki do golenia, które wystarczyłyby na całe życie.
Szkło organiczne
Szkło akrylowe – przeźroczyste tworzywo sztuczne, którego GL. Składnikiem jest polimer – Poli (metakrylan metylu) (PMMA). Niektóre
rodzaje pleksiglasu zawierają też pewne ilości innych polimerów i kopolimerów poliakrylowych.
WYKŁAD 8: Polimery Tworzywa sztuczne
Polimery - substancje chemiczne, o bardzo dużej masie cząsteczkowej, nazywane również związkami wielocząsteczkowymi, a ich cząsteczki
makrocząsteczkami, które składają się z wielokrotnie powtórzonych mniejszych jednostek zwanych merami.
Są materiałami organicznymi tj. kowalencyjnymi związkami węgla. Oprócz C w polimerach występują także pierwiastki takie jak : H, Cl, O,
F, P i S, tworzą one z węglem wiązania kowalencyjne o pewnym stopniu polarności.
Tworzywa sztuczne- materiały które oprócz polimeru, zawierają także dodatki, np. napełniacze, zmiękczacze, stabilizatory, środki smarujące
lub środki barwiące.
Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych.
Polimery syntetyczne-podstawowy budulec tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów
chemicznych takich jak: farby, kleje, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Otrzymuje się je w wyniku łańcuchowych lub
sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne.
Polimeryzacja- proces łączenia się związków małocząsteczkowych w makrocząsteczkach, może zachodzić przez addycję (dodawanie) lub
kondensację
Zalety:
Łatwa obróbka, duża plastyczność, lekkość produktów, izolacja termiczna, izolacja elektryczna, odporność korozyjna
zastosowanie produkty o zwiększonym zużyciu, plastiki i materiały opakowaniowe, przemysł samochodowy, lotniczy, kosmiczny,
konstrukcje, izolacje przewodów, rury, skrzynie, pudełka, powłoki
Typowe polimery:
Polietylen PE (plastik), polipropylen PP (plastik, włókna), Polistyren PS (styropian-pianka PS), polifluorek winylidenu PVDF, polimetakrylan
metylu PMMA
Klasyfikacja polimerów ze względu na pochodzenie

Polimery

Nieorganiczne

organiczne

Naturalne

syntetyczne

naturalne

syntetyczne

Glina, skały

włókno szklane białka, lignina

nylon,

Piasek, ceramika Sic, synt. ceramika

węglowodany

polistyren

Szkło, diament

bawełna, nić pajęcza

PCW, POW,

Grafit

kauczuk naturalny

PET, keflar, Poliuretan

Polimeryzacja addycyjna



Typowa dla węglowodorów nasyconych



Zachodzi dzięki obecności wiązania podwójnego



Proces musi zostać w jakiś sposób zainicjowany oraz zakończony



Reakcja zachodzi szybko ze względu na ograniczenie ilością monomerów i bez produktów ubocznych



Typowa dla PE, PMMA, PCV, PP, PS, PTFE

Polikondensacja



Seria reakcji chem. Wielokrotnie powtórzona dla wzrostu polimeru



Przebiega stosunkowo wolno, pomiędzy monomerami posiadającymi przynajmniej dwie grupy funkcyjne



Powstają niskocząsteczkowe produkty uboczne



Tak powstają m.in. poliuretan, polistyren, epoksydy, silikony

Właściwości polimerów



Mała gęstość



Właściwości izolacyjne



Słabe odbicie światła



Duża odporność chemiczna



Ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej

Czynniki wpływające



Masa molowa-łańcuchy nie mają równej długości



Siła oddziaływań między cząsteczkami



Podatność łańcucha na wyginanie



Struktura: stopień krystaliczności, rozgałęzienia, usieciowanie



Temperatura

Klasyfikacja polimerów w zależności od budowy (własności ) makrocząsteczek

Klasyfikacja polimerów – skład chemiczny:



homopolimer



kopolimer

o statystyczny
o blokowy
o naprzemienny
o szczepiony



terrpolimer

Klasyfikacja polimerów –budowa łańcucha



liniowe



rozgałęzione (gwiazdy, grzebienie, szczotki, hiperrozgałęzienia)



usieciowione

Oddziaływania między cząsteczkami :
Wewnątrz łańcucha: siły kowalencyjne
Pomiędzy łańcuchami: wodorowe, Van der Vaalsa
Klasyfikacja polimerów –budowa stereochemiczna:



izotaktyczny



syndiotaktyczny



ataktyczny

Morfologia polimerów
W wielu polimerach łańcuchy ułożone są przypadkowo a nie wg. regularnego trójwymiarowego wzoru są więc niekrystaliczne czyli
amorficzne
Morfologia polimeru= stan uporządkowania w fazie stałej
Gdy łańcuchy polimeru układają się jeden na drugich ich powtarzalność prowadzi do stanu krystalicznego zwykle określanego jako
częściowokrystaliczny lub semikrystaliczny.
Struktury nadcząsteczkowe polimerów
Struktura polimerów jest najczęściej amorficzna, ale może być też krystaliczna- powstają stany uporządkowania cząsteczkowego



Faza Amorficzna- skłębione struktury bezpostaciowe; brak uporządkowania dalekiego zasięgu



Faza krystaliczna- uporządkowanie dalekiego zasięgu; giętkie łańcuchy→ płytkowa struktura lamelarna; sztywne

czasteczki→micele(celuloza)



Faza mezomorficzna- struktura mezofazowa (pośrednia); sztywne pałeczkowe makrocząsteczki; anizotropowe zbiory mezogenów

ułożonych równolegle→ struktura mezofazy aż do cieczy; polimery ciekłokrystaliczne
Czynniki wpływające na stopień krystalizacji polimerów



Ilość rozgałęzień łańcucha- im więcej tym mniejsza tendencja do krystalizacji



Wielkość i asymetria grup bocznych



Długość łańcucha



Szybkość chłodzenia



Odkształcenie łańcuchów i inne sposoby wymuszania kierunku wzrostu w czasie chłodzenia

Struktura a właściwości polimerów

AMORFICZNE

KRYSTALICZNE

Mikrostruktura
Łańcuchy nieuporządkowane w fazie stałej i w stopie

.
Łańcuchy nieuporządkowane w stopie, natomiast w fazie stałej silnie
uporządkowane

Reakcja na ciepło
Miękną w szerokim przedziale temp. (brak ostrej temp. topnienia)

.
Ostra temp. topnienia

Podstawowe cechy



Przeźroczyste



Słaba odporność chem.



Mały skurcz objętościowy po wtrysku/wytłaczaniu



Zwkle mała wytrzymałość mechaniczna



Wysoka lepkość stopu



Małe efekty termiczne przejść fazowych

.



Prześwitujące/mętne



Świetna odporność na chemikalia



Duży skurcz objętościowy po wtrysku/wytłaczaniu



Zwykle duża wytrzymałość mechaniczna



Niska lepkość stopu



Wysokie efekty termiczne przejść fazowych (ciepło krystalizacji)

Temperatura zeszklenia- T

g

temp. w której następuje przejście ciała bezpostaciowego(amorficznego )ze stanu szklistego do elastycznego lub

odwrotnie. Chociaż temp. zeszklenia jest najważniejsza wielkością char. ciało amorficzne nie ma ona dla danej substancji stałego poziomu-
zależy bowiem od szybkości z jaką zachodzi zmiana temperatury.
Temperatura a twardość polimerów
Niektóre polimery w podwyższonej temperaturze stają się twardsze (polimery termoutwardzalne). Utwardzanie wynika z powstawania
wiązań między łańcuchami (usieciowanie).W następstwie:



Nie można ich już przerabiać, topić itp.



Są sztywniejsze, twardsze i termicznie bardziej odporne niż termoplastyczne



Są to np żywice epoksydowe, aminowe, poliestry, poliuretany, silikony

Niektóre polimery powyżej temp. Zeszklenia są plastyczne i można je kształtować jak plastelinę (polimery termoplastyczne) m.in.:
akryle(pleksi), teflon, nylon, poliwęglan, poliestry, polietylen
Klasyfikacja polimerów-właściwości reologiczne
Polimery



Elastomery- wykazują skłonność do dużych odkształceń sprężystych

o

wulkanizujące

o

niewulkanizujące



Plastomery- polimery o wydłużeniu przy rozerwaniu do 200%

o Termoplasty-grupa tworzyw które pod wpływem ogrzewania topnieją i przechodzą w stan ciekły(co ułatwia ich formowanie), a

następnie po ochłodzeniu przechodzą w stan stały(proces odwracalny). Tworzywa termoplastyczne nadają się do wielokrotnego
przetwórstwa.

 bezpostaciowe
 krystaliczne

o Duroplasty- grupa tworzyw które pod wpływem temp. Lub związku chemicznego tworzą trwałe wewnętrzne wiązania- przechodząc

jednocześnie w stan stały

 chemoutwardzalne
 termoutwardzalne

Wyprostowanie oraz uszeregowanie (orientacja) makrocząsteczek powoduje wzrost wytrzymałości polimeru
Stany fizyczne polimerów: Zachowanie się polimerów pod obciążeniem zależy od:



Budowy makrocząsteczki, stan uporządkowania cząsteczkowego(struktura)



temperatury i skali czasu pomiaru



duży wpływ ma gęstość usieciowania polimeru(ilość wiązań poprzecznych)

Polimery występują w stanie:

o Gumy (elastomery)
o Szklistym
o

Krystalicznym lub częściowo krystalicznym

Niektóre polimery w ogóle nie występują we wszystkich fazach
Masa cząsteczkowa a właściwości polimerów:
Wszystkie polimery mogą mieć tę samą średnią liczbową masę cząsteczkową. Największy wpływ masa cząsteczkowa wywiera na :

o

Własności kinematyczne

o

Przeźroczystość

o

Topliwość

o

Udarność

Przetwórstwo polimerów
Polimery rzadko znajdują zastosowanie w stanie czystym. Metody zależą od rodzaju przetwarzanego materiału. Najważniejsze:

 wtryskiwanie
 Prasowanie, prasowanie tłoczne


Odlewanie odśrodkowe



Wytłaczanie i wytłaczanie z rozdmuchem



Formowanie na gorąco



Kalandrowanie



Formowanie próżniowe



Przędzenie



Spienianie



Laminowanie

Zastosowanie polimerów



Aeronautyka (odporność na wys. temp i utlenianie)



Budownictwo(zastępują metal)



Włókna(światłowody, ciekłe kryształy, kord w oponach)



Polimery niepalne(meble, budownictwo, komunikacja)



Polimery degradowalne (mała ilość odpadów, kontrolowane dozowanie leków, pestycydy, nawozy)



Medycyna(nici chirurgiczne, sztuczne organy)



Elektronika(płyty komputerowe, izolatory, ogniwa)

Wykład 9 i 10: Kompozyty-projektowanie, właściwości, otrzymywanie
Kompozyty a podstawowe klasy materiałów:



Kompozyt ceramika- metal- polimer



Kompozyt ceramika-metal



Kompozyt ceramika-polimer

Własności kompozytu musza być:



Wyższe, inne, dodatkowe w stosunku do własności każdej z użytych faz osobno lub zmieszanych razem



Zależne od udziału poszczególnych faz

Kompozyt - materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób że ma właściwości lepsze i
(lub) właściwości nowe (dodatkowe)w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych własności-
kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami miedzy komponentami
Klasyfikacja kompozytów

 Kompozyty naturalne: powstałe na drodze ewolucji przyrody, tam gdzie warunkiem istnienia było przenoszenie dużych obciążeń np.

kości zwierząt, ptaków oraz człowieka, ścięgna, mięśnie.
Drewno (kompozyt wzmacniany włóknami celulozy w ligninie i hemicelulozie), jajko, trawa, bambus, łodygi roślin i gałęzie.

 Kompozyty sztuczne - wytwarzane przez człowieka np. suszona na słońcu gliniana cegła wzmacniana słomą i końskim włosiem, asfalt

naturalny wzmacniany słomą, końskim włosiem i tkaninami,

Tworzenie materiałów kompozytowych wykazujących podwyższenie własności mechanicznych jak:



Sztywność



Wytrzymałość



Odporność na pękanie i ścieranie

Lub w celu:



Obniżenia ciężaru/kosztów wytwarzania



Zmniejszenia modułu sprężystości



Zmiany przewodności cieplnej i elektrycznej



Zmiany współczynnika rozszerzalności cieplnej

Budowa kompozytów
Osnowa-faza ciągła i otaczająca cząstki innej fazy nazywanej umacniającą
Zbrojenie-faza umacniająca o różnej geometrii i względnej ilości, otoczona osnową
Połączenie między osnową i zbrojeniem stanowi niezwykle ważny czynnik :



im silniejsze wiązanie pomiędzy dwiema fazami tym lepiej



wiązanie może być pośrednie(może zajść konieczność dodania trzeciego składnika, a może to być jedna faza rozpuszczona w

drugiej) oraz bezpośrednie



powstaje trzecia faza pomiędzy matrycą a elementem zbrojenia, która ma duże znaczenie dla trwałości

Osnowa ma za zadanie



zlepiać i wiązać zbrojenie oraz zatrzymywać rozprzestrzenianie się pęknięć



Zabezpieczać zbrojenie przed mechanicznym uszkodzeniem



Przenosić naprężenie zewnętrzne na zbrojenie



Decydować o właściwościach chemicznych i cieplnych kompozytu



Nadawać wyrobom żądany kształt

Klasyfikacja kompozytów z względu na materiał osnowy:



metalowej



międzymetalicznej



ceramicznej



organicznej:

o

węglowej

o polimerowej

Podział ze względu na materiał zbrojenia:

1. komp wzmacniane cząstkami

 duże cząstki,
 utwardzane dyspersyjnie

2. komp wzmacniane włóknami

 tkaniny
 włókna ciągłe,
 włókna nieciągłe:

o zorientowane,
o rozmieszczone przypadkowo

3. komp strukturalne:

kompozyty o osnowie

 warstwowe,
 z rdzeniem z materiałów lekkich

Zbrojenie



może mieć postać proszku lub włókien



Dodawane jest w dużej ilości do kompozytu



Zwykle tylko fizycznie oddziałuje na osnowę



Zadanie - wzmacnianie materiału oraz poprawienie jego określonych właściwości mechanicznych (lub użytkowych)



właściwości kompozytu zależą ściśle od cech geometrycznych zbrojenia

Optymalne właściwości można uzyskać je jeżeli cząstki zbrojenia:



maja jednakowe rozmiary i kształty;



są równomiernie rozłożone i zorientowane

Zawartość procentowa zbrojenia zajętej objętości zależy od późniejszego zastosowania kompozytu.
Klasyfikacja ze względu na geometrie zbrojenia:

a) cząstki o rożnym stopniu dyspersji
b) płatki (różna wielkość i materiały)(płytki szklane, talk, mika)
c) włókna nieciągłe(szklane, węglowe)
d) włókna ciągłe(jednokierunkowe, tkaniny, maty)(szklane, węglowe, aramidowe)
e) szkieletowo(w konstrukcjach typu „sandwich”)
f) warstwowo w laminatach

Komp typu ceramika- polimer
Polimery stosowane jako osnowa spełniają istotne funkcje:



umożliwiają przenoszenie obciążeń na włókna



nadają wyrobom pożądany kształt



decydują o właściwościach cieplnych i chemicznych oraz o palności kompozytów



wywierają istotny wpływ na metody wytwarzania kompozytów

Kompozyty polimerowe- materiał zbrojenia

 stosowane cząstki wzmacniające tzw. „napełniacze”:

o

napełniacze mineralne-najczęściej ziarna lub kulki

 zmielona kreda, kamień wapienny, marmur, strącany węgiel wapnia
 mączka kwarcowa, kaolin, skaleń, wodorotlenek glinu, krzemionka

o

napełniacze kuliste(poprawiają płyniecie tłoczyw, zmniejszają skurcz, zwiększają trwałość kształtu)

 pełne kulki szklane- poprawiają twardość, wytrzymałość na rozciąganie
 puste kulki popiołów lotnych-duża odporność na ściskanie, zmniejszenie masy wyrobu

 włókna wzmacniające nieciągłe

 rozdrobnione włókna drzewne
 krajanka włókien na bazie celulozy, sizalu, juty
 włókna szklane, coraz częściej węglowe
 włókna polimerowe: PAN, PET, PCV

 włókna wzmacniające ciągłe

 włókna szklane(tkaniny, izotropowe maty)- niskoalkaiczne, wysokowytrzymałe
 włókna węglowe(rowing, tkaniny)
 włókna aramidowe (Kewlar) - rowing, tkaniny
 mieszanki włókien(szklane-węglowe, szklane-aramidowe, węglowe-aramidowe)
 włókna polimerowe(PAN, PET, PCV, PA6, PA66)

kompozyty węglowe
Włókna karbonizowane-otrzymywane w wyniku pirolizy włókien chemicznych wiskozowych lub poliakrylonitrylowych; rozróżnia się dwa
rodzaje włókien karbonizowanych:

1. włókna węglowe, zaw. 90-96% węgla pierwiastkowego, o nie w pełni zorientowanej strukturze kryształów,
2. włókna grafitowe, o zawartości > 96%(często blisko 99%) węgla o krystalicznej, zorientowanej strukturze, postają z włókien

węglowych podczas ich ogrzewania w temp. > 2500ºC

Materiały stosowane na osnowę i wzmocnienie kompozytów

Włókno- ciało o dużej „smukłości”, którego długość jest znacznie większa od jego średnicy (1μm÷ ok 0,15mm), odznaczające się z reguły
anizotropią struktury a więc i właściwości.
Włókno to najczęściej stosowany rodzaj zbrojenia w kompozytach w postaci:

o

ciągłej(b. długiej ) lub nieciągłej(whiskery)

o

uporządkowanej lub nieuporządkowanej

Włókna stosowane do produkcji kompozytów można podzielić na:

 włókna metalowe-molibdenowe, wolframowe, stalowe, berylowe
 wł węglowe i grafitowe
 wł tlenkowe- trójtlenek glinu, dwutlenek toru, dwutlenek cyrkonu
 wł węglikowe-węglik krzemu, węglik tytanu, węglik cyrkonu
 wł szklane
 wł organiczne-kevlar, vectran
 wł mineralne

Własności kompozytów
Czynniki wywierające wpływ na własności kompozytów związane z wprowadzeniem w czasie produkcji włókien do osnowy:
a) czynniki obniżające wytrzymałość włókien

1. reakcja z osnową lub pokryciem włókna

2. uszkodzenie powierzchniowe w czasie wytwarzania kompozytu

3. pęknięcie włókna na odcinki krótsze od długości krytycznej

b) czynniki obniżające wytrzymałość umocnienia z osnową

4. słabe związanie włókien z osnową

5. słabe związanie włókien z pokryciem

6. słabe związanie pokrycia z osnową

c) czynniki obniżające wytrzymałość osnowy

7. porowatość

8. obce wtrącenia
9.zanieczyszczenia segregujące na granicach ziaren osnowy lub na powierzchni rozdziału włókno-osnowa

d) czynniki strukturalne

10.niewłaściwa orientacja włókien

11.niski udział objętości włókien

12. niewłaściwe rozmieszczenie włókien

Właściwości włókien zależą od:



rodzaju materiału użytego do produkcji włókien



technologii wytwarzania włókien



długości i średnicy włókien



struktury i liczby defektów we włóknie

Cechy wiązania matryca(osnowa)-włókno:



zbyt słabe: włókna zostaną wyciągnięte z osnowy



zbyt silne: materiał zachowuje się jakby był jednolity, nie ma absorpcji energii mechanicznej na granicy matryca włókno



optymalne: najpierw pęka osnowa, później oddziela się od włókien, na koniec pękają włókna

Wytrzymałość kompozytu umacnianego włóknami rośnie w miarę wzrostu udziału objętościowego włókien. Aby osiągnąć efekt umocnienia,
udział objętościowy włókien musi przekroczyć tzw. Obj. Krytyczną i może dochodzić do 90%.
Wady kompozytów ( trudne do wykrycia i naprawienia):



mikropęknięcia



połączenia między włóknami a matrycą mogą ulec zniszczeniu



stopniowa degradacja matryc polimerowych

Właściwości mechaniczne kompozytu zależą od;



mechanicznych właściwości włókna



wielkości naprężenia, które jest przekazywane przez osnowę(zależy od siły wiązania między włóknem a osnową)



pewnej krytycznej długości włókna, poniżej której nieefektywnie wzmacnia ono kompozyt(zależy od średnicy włókna, wytrzymałości
na rozciąganie i siły związane z osnową, powierzchnia wiązania z osnową musi być wystarczająco duża)

Rodzaje splotów włókien w:

 tkaninach:

a) płócienny
b) pięcionicielnicowy
c) jednokierunkowy
d) płócienny z krajką

 oplotach:

e) trójosiowy oplot

Dla uzyskania dobrej jakości kompozytu należy spełnić najmniej trzy warunki:

1.

unikać uszkodzenia włókien

2.

zapewnić właściwe ich rozmieszczenie w osnowie zgodnie z projektem

3.

zapewnić odpowiednie wiązanie włókna z osnową

Metody poprawiające wiązanie włókna węglowego z osnową polimerową:

1.

utlenianie powierzchni włókien

2.

osadzanie na powierzchni włókien whiskerów innych substancji

3.

nanoszenie na powierzchnię włókien odpowiednich preparacji

Włókna polimerowe

Vectran- sztuczne włókno otrzymywane z ciekłokrystalicznego polimeru.

TYPY:

WŁAŚCIWOŚCI:

 Vectran NT
(odporność na przecięcia, niska wytrzymałość na rozciąganie)
 Vectran HT
(wysoka wytrzymałość, odporność na przecięcie)
 Vectran UM

(duży moduł i wysoka wytrzymałość)



wys odporność na pełzanie oraz ścieranie



b.dobre właściwości dielektryczne



wys udarność



odporność na cięcie



niski skurcz termiczny



zdolność do tłumienia drgań



wys odporność chemiczna



trwałość w wys temperaturach(do 220ºC)

Zastosowanie:



Poduszka powietrzna sond marsjańskich



Deska windsevingowa,



Liny, sznury, kable, Żagle

Włókna węglowe – prekursory:



sztuczny jedwab



asfalty



smoły



fenol, imidy, amidy

Wytwarzanie włókna węglowe:

1. wygrzewanie w atmosferze powietrza (w temp. 200 – 300°C)
2. wygrzewanie w atmosferze obojętnej (w temp. 1000°C)
3. obróbka cieplna w atmosferze obojętnej w takiej temp., a by w wyniku odpowiedniego stopnia grafityzacji uzyskać pożądane

właściwości wł węglowego.

Włókna węglowe zastosowanie:
Sztuczne satelity, anteny, samoloty, wyroby elektroniczne, kable, łozyska.
Cechy włókien i kompozytów węglowych:



dobra biozgodność w środowisku tkanek



dobre właściwości fizykochemiczne



odporność na działanie promieniowania jonizującego i niejonizującego



implanty pokryte warstwą węglową sposobem wyeliminowania alergii kontaktowej na metale

Kompozyty z włókien węglowych zastosowania:
Implanty złamanego kręgosłupa, sprzęt sportowy,
Kompozyty konstrukcyjne
Kompozyty o osnowie polimerowej, wykazują wysokie parametry mechaniczne (zastosowanie w budowie maszyn, pojazdów, samolotów):



LAMINATY – dwuwymiarowe warstwy, różnie zorientowane względem siebie (równoległe/w różnych kierunkach), np. żywice

wzmacniane włóknami (tkaninami) szklanych, węglowymi lub aramidowymi
Budowa:
 całość definiuje się podając sekwencję poszczególnych warstw, oddzielonych „/” (np. 45/0/-45)
 kolejność warstw podaje się od góry do dołu
 cała sekwencja umieszczona jest w nawiasach kwadratowych
 mogą pojawić się subskrypty „s” (sekwencja warstw symetryczna względem środkowej płaszczyzny), „n”(n-krotne powtórzenie),
 sekwencja symetryczna i składa się z nieparzystych ilości warstw ->warstwa środkowa ma w symbolu kreskę nad liczbą tej warstwy.



KOMPOZYTY WARSTWOWE (KANAPKOWE) – gdzie dwie silne warstwy zewnętrzne ozdzielone są warstwą słabszego i mniej

gęstego materiału (rdzeń). Najczęściej stosuje się kompozyty o osnowie polimerowej wzmacniane włóknami szklanymi, węglowymi lub
aramidowymi.

W zależności od przeznaczenia – zbrojenie w postaci przeróżnie splatanych tkanin, ciętych włókien, układów przestrzennych itp.
Kompozyty warstwowe o budowie komórkowej
Kompozyty komórkowe mają szereg niezwykłych właściwości np.: odporność na uderzenia, wytrzymałość mechaniczna przy ściskaniu,
przewodność cieplna
Układy komórek w rdzeniach o kształcie plastra miodu w materiałach kompozytowych warstwowych:



heksagonalny



h. wzmocniony



h. rozciągnięty



giętki



podwójny giętki



wydłużony



krzyżowy

Rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym działaniu siły prostopadłej do powierzchni zewnętrznych.
Wykład 11 i 12: Biomateriały
Biomateriał – każda substancja (ale nie lekarstwo), albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w
dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, organów wewnętrznych albo jego części lub spełnienie ich
funkcji.
W organizmie ludzkim:



11 pierwiastków o podstawowym znaczeniu biologicznym: C, H, O, N, S, Ca, P, K, Na, Cl, Mg



15 pierwiastków śladowych: Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo, Se, Cr, F, Sn, Si, V, As.

Ewolucja biomateriałów:

 I generacja (od 1950) – materiały bioobojętne
 II generacja (od 1980) – materiały bioaktywne
 III generacja (od 2000) – materiały bioaktywne i zdolne do regeneracji tkanek:

o biokompatybilność
o silna, porowata struktura 3D
o nierozpuszczalny w wodzie, ale stopniowo biodegradowalny.

Biomateriały - podział:

1. Bioceramika

2. Tworzywa sztuczne

3. Tworzywa kompozytowe

4. Metale i ich stopy



obojętna



z kontrolowaną reaktywnością



tworzywa hydroksyapatytowe



materiały węglowe



materiały węglowe



polietylen



cementy resorbowalne



metaloporfiryny



żywice silikonowe



kompozyty C-C



kompozyty metal-ceramika



stale



stopy Co



Ti i jego stopy

Zastosowania biomateriałów:

 wszczepy (implanty) biostatyczne, bioestetyczne i biomechaniczne,
 materiały do zespalania tkanek (nici chirurgiczne, kleje do tkanek, cementy kostne),
 wszczepy (implanty) przeznaczone do kontaktu z krążącą krwią,
 sztuczne narządy i ich części,
 błony półprzepuszczalne i inne części aparatury krążenia pozaustrojowego,
 preparaty farmaceutycznie (nośniki leków),
 inne (m.in. kontaktowe soczewki oczne).

Mogą być:

Dobór materiałów uwzględnia:



syntetyczne/naturalne



stan stały/ciecz



kompozytowe



samo-naprawiające się



biozgodność i biotolerancję (dla danego osobnika)



własności mechaniczne i wytrzymałościowe



stopień kontaktu z ciałem ludzkim (st. inwazyjności)



okres zastosowania



możliwości wykonawcze



ekonomiczność rozwiązania

Właściwości:



fizyczne: gęstość, lepkość, przewodność cieplna i elektryczna



mechaniczne: wytrzymałość, sprężystość, odporność zmęczeniowa



technologiczne: obrabialność, kształtowanie powierzchni



odporność korozyjna: biozgodność, biotolerancja



biologiczne:

o

biokompatybilność – nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek,

o

neutralność dla organizmu – nie oddziałuje z tkankami,

o

bioaktywność – oddziałuje z tkankami (integracja),

o

biodegradowalność – materiał rozkłada się w organizmie, bez wydzielania toksyn.

Implanty (wszczepy) – wszelkie przyrządy medyczne wykonane z jednego lub więcej biomateriałów, które mogą być umieszczone wewnątrz
organizmu, jak również umieszczone częściowo lub całkowicie pod powierzchnią nabłonka, i które mogą pozostać przez dłuższy okres w
organizmie.



implant chirurgiczny – używany w kontekście umieszczenia go w zamierzonym miejscu w procedurze chirurgicznej (igły, dreny).



proteza implantowalna (proteza wewnętrzna/endoproteza) – przyrząd, który fizycznie zastępuje organ/tkankę. Bioproteza-proteza

wykonana w całości/częściowo z tkanek dawcy.



sztuczny organ – materiał medyczny, zastępuje w całości/częściowo funkcje jednego z głównych (chorych) organów ciała częściowo

w nieanatomiczny sposób.

Podział implantów (stężenia pierwiastków oddziaływają na zachodzenie różnych procesów życiowych):

 krótkotrwałe – czas przebywania w środowisku tkankowym max 2 lata
 długotrwałe – czas może znacznie przekroczyć 20 lat

Biomateriały metaliczne:

CELE

TYPY

METODY

NANOSZENIA

WYMAGANIA

 biofunkcyjność

(odporność na ścieranie)

 bariery dyfuzyjne

(podwyższenie
odporności na korozję)

 poprawa osteointegracji

(ceramiczne warstwy
bioaktywne)

 warstwy dyfuzyjne

związków tytanu

 warstwy diamentowe

(NCD, DLC)

 powłoki

hydroksyapatytowe

 warstwy kompozytowe

 metody wykorzystujące

plazmę, fotony, jony:

- procesy PDT
- RFCVD
-MWCVD
-PLD

 metoda zol-żel

 wysoka odporność na korozję
 dobra jakość metalurgiczna i jednorodność
 zgodność tkankowa (nietoksyczność)
 odporność na zużycie ścierne
 brak tendencji do tworzenia zakrzepów
 odpowiednie własności elektryczne
 odpowiednie własności wytrzymałościowe

Stopy na osnowie kobaltowej

Tytan i jego stopy

Stopy z pamięcią kształtu Aluminium i jego stopy

Właściwości



b. wysoka odporność na
korozję



własności zależne od
domieszek



mniejszy ciężar niż stopy
Fe lub Co



b. wysoka wytrzymałość



niewielki ciężar



łatwość formowania,
obróbki



niski koszt

wytworzenia

Zastosowanie



endoprotezy stawowe



płytki



wkręty



groty



druty



endoprotezy stawowe



elementy do zespalania

odłamków kości



protetyka

stomatologiczna



kardiochirurgia



ortodoncja



stabilizator (leczenie

skoliozy)



tulejki dystansowe

kręgosłupa



implanty krótkotrwałe



np. do konstrukcji

protez

Biomateriały ceramiczne:
Bioceramika



Obojętna

 wysoka biotolerancja i wytrzymałość na ściskanie, ścieranie i zginanie
 Al

2

O

3

(biokorund), węgle pirolityczne, (oksy)azotek krzemu, węglik krzemu, tlenki cyrkonu, tytanu



Resorbowalna

 Małe koszty wytwarzania, biokompatybilność, zastąpienie ulegającego resorpcji implantu przez tkankę kostną
 Hydroksyapatyt-materiał biologicznie aktywny, skład chem. i fazowy podobny do składu kości ludzkiej i zębów (->biotolerancja),



Bioaktywna

 Kontrolowana reaktywność w organizmie, międzyfazowe połączenie implantu z tkanką kostną
 bioszkło, hydroksyfluoroapatyt, wollastonit, kompozyty



Węglanowa

 Na protezy ścięgien, wiązadeł, elementy zespalające kości



(Mikro)porowata

 Wykazuje zdolność tworzenia naturalnego połączenia z tkanką kostną, mogą zawierać antybiotyki



Cementy kostne i stomatologiczne

 Produkty dwuskładnikowe (proszek i płyn), z których po wymieszaniu powstaje mieszanina umieszczana następnie w miejscu

przeznaczenia

 zespalanie materiałów z kością / ze sobą, wypełnianie przestrzeni ubytków kostnych, rekonstrukcja/odbudowa twardych tkanek zęba

Formy

Techniki

pokrywania

Zalety

Problemy



kształtki gęste



kształtki porowate



granule



proszek



pokrycia

ceramiczne na
implantach
metalicznych



plazma



elektroforeza



CVD, PVD



rozpylanie

jonowe



IBAD



osadzanie

elektrochemiczne



porowatość (umożliwia wrastanie się tkanki
okołowszczepowej i tworzenie trwałego
połączenia z implantem)



wysoka twardość, odporność na ścieranie i
wytrzymałość na ściskanie,



wysoka odporność korozyjna w środowisku
tkanek i płynów ustrojowych,



bdb biotolerancja - biozgodność chem. z

tkanką kostną



możliwość sterylizacji bez zmiany
właściwości materiału,



możliwość impregnacji lekami.



kruche, niska wytrz. na zginanie,



nieodkształcalne i nieodporne na

obciążenia dynamiczne,



za duża bioaktywność lub brak
biozgodności fizycznej z tkanką
kostną,



ujemny wpływ wydzielin (np. Al) z
implantów,



trudności w utrzymaniu
odpowiedniej wytrzymałości i
stabilności obszaru implantu z
tkanką żywą.

Biomateriały polimerowe:

SYNTETYCZNE

NATURALNE

Biostabilne

Biodegradowalne

Proteiny

Polisacharydy



polietylen



silikony



PLA



PGA



kolagen



soja



celuloza



kwas hialuronowy

Właściwości

Zastosowanie



łatwość uzyskiwania powtarzalnej jakości materiału dla
różnych jego partii,



łatwość formowania, pozwalająca na nadanie odpowiedniej
postaci użytkowej bez degradacji tworzywa ,



łatwość sterylizacji,



Resorbowalne podłoża polimerowe i kompozytowe dla sterowanej
regeneracji tkanek



Implanty konstrukcyjne o dopasowanych właściwościach
mechanicznych i kontrolowanym czasie resorpcji



Nośniki leków



odpowiednią jakość fizykochemiczną biomateriału,



brak odczynów toksycznych lub alergicznych



bioinertność



Materiały inteligentne



Biostabilne elementy zespalające, stabilizatory zewnętrzne



Materiały opatrunkowe –hydrożele, hydrokoloidy

Biomateriały jako nośniki leków

Nośniki leków

ceramiczne

(mikroporowate kapsuły) hydroksyapatyt,

TCP, bioszkła fosforanowe cementy kostne

polimerowe

(wiązanie chemiczne ulegające hydrolitycznemu

rozpadowi) polimery biodegradowalne

biologiczne

Kontrolowane uwalnianie leków, Optymalne dawki dla określonej terapii, Utrzymywanie odpowiednio wysokiego
miejscowego stężenia leku przez maksymalnie długi okres czasu, leki: antybiotyki, cytostatyki, hormony, leki
przeciwreumatyczne, przeciwrakowe

Biomateriały kompozytowe
Materiały hybrydowe organiczno-nieorganiczne

I. ceramika-polimer
II. węgiel – polimer
III. ceramika – węgiel

Wypełniacze ceramiczne (m.in. na bazie SiO

2

) odpowiadają za wł. fizykochemiczne materiału (zmniejszają kurczliwość, współczynnik

rozszerzalności termicznej i wchłanianie wody, podnoszą odporność na ścieranie, ucisk i rozciąganie).
Biomateriały zastępujące inne tkanki (dobór na zasadzie podobnej metody wzrostu tkanki na sztucznej matrycy):

1. Chrząstki: Tkana matryca polimerowa (kwas poliglikolowy), na której powstanie tkanka chrząstki
2.

Sztuczna

tkanka mięśnia serca na bazie

matrycy o strukturze plastra

miodu, składającą się jak

akordeon. Komórki tkanki

orientują się w

kierunkach

wyznaczonych przez

mikrostrukturę matrycy.

Polimerowa matryca zmusza komórki mięśniowe do

zorientowania się i

działania w odpowiednim

kierunku.

3. Biomateriały służące do regeneracji lub

zastąpienia neuronów są to kanały prowadzące nerwy oraz matryce z nanowłókien służące

ułatwieniu regeneracji nerwów.

Biomimetyka - naśladowanie struktur i procesów występujących w organizmach żywych



struktury laminatowe i włókniste



struktury gradientowe (gradient porowatości, modułu Younga, bioaktywności)



struktury inteligentne



procesy narastania hydroksyapatytu w SBF.

Wykład 13: Nano
Nano – 10

-9

(częśc bilionowa), R. Feynman. W nanoskali – specyficzne zjawiska (nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych.

Nanonauka- zajmuje się badaniem zjawisk i działaniem materiałów oraz manipulowaniem ich właściwościami w skalach: atomowej,
molekularnej i makromolekularnej (czyli tam gdzie właściwości różnią się znacznie od tych w skali makro).
Wymiar, przy którym występuje zmiana lub pojawiają się nowe właściwości jest graniczną wielkością definiującą nanomateriały.
Nanocząstki:



obiekty o wymiarach 0,1nm ÷ ok. 100nm (istnieją też nanocząstki 250nm)



w postaci manometrycznej muszą wykazywać właściwości, które nie występują w większej skali oraz muszą być wytworzone i
zastosowane w skali Nano.



kształty:

 kule – zbudowane z pojedynczych atomów ułożonych w warstwę zwiniętą w kulę (np. fulereny węglowe),
 rurki – warstwy pojedynczych atomów tworzące jedno i kilkuwarstwowe rurki (np. nanorurki węglowe, niewęglowe, organiczne
 inne formy (np. płatki czy formy „kwiatopodobne”)

Nanotechnologia (Norio Taniguchi 1974r.)



dziedzina nauki powstała w latach 90tych ubiegłego wieku,



zajmuje się kontrolowanym tworzeniem materiałów funkcjonalnych, urządzeń i układów za pomocą kontroli w skali Nano (1-100nm),



wykorzystuje nowe zjawiska i właściwości materii (fizyczne, chemiczne, biologiczne),



zajmuje się metodami służącymi do ich badania i modelowania.

Cechy nanomateriałów (zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów można uzyskać lepsze wł. fizyko-chemiczne, mech.):



bardziej rozwinięta powierzchnia właściwa,



większa twardość,



większa wytrzymałość i wzrost plastyczności,



większa odporność na pełzanie,



większa biokompatybilność biomateriałów manometrycznych,



większa odporność chemiczna,



większa hydrofilowość,



właściwości ślizgowe,



wzmocnione zdolności adsorpcyjne i absorpcyjne,



unikalne właściwości magnetyczne.

Podział nanomateriałów ze względu na pochodzenie:



naturalne – utworzone niezależnie od człowieka oraz materiały zawierające nanoskładniki, znajdują się w atmosferze (sól morska, pył

wulkaniczny, drobny piasek w postaci kurzu, siarczany organiczne pochodzące z gazów biogenicznych oraz azotany jako pochodne NO

x

).

– ich zawartość w atmosferze zależna od położenia geograficznego,



antropogeniczne (uboczne) – utworzone w wyniku akcji człowieka (np. sadza, która powstaje w czasie palenia węgla kamiennego;

substancje zawierające opary spawalnicze, albo też inne powstające w trakcie utleniania, np. siarczany i azotany),



zaprojektowane przez człowieka i przez niego wytworzone, są syntezowane dla specjalnych celów i przybierają różne kształty.

Podział nanomateriałów ze względu na budowę:



materiały zerowymiarowe (n. punktowe) – zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone są cząstki o wymiarach nanometrów,

Cel: otrzymanie materiału o kontrolowanych właściwościach mechanicznych
Problem: brak bioaktywnych materiałów ceramicznych w formie włókien do wzmacniania osnów polimerowych



materiały jedno- i dwuwymiarowe – warstwy o grubości nanometrycznej, zbudowane z jednej lub kilku substancji manometrycznych (np.
warstwy o grubości kilku nm Tylku jedno- lub wielofazowego),



materiały trójwymiarowe (nanokrystaliczne) – materiały homo- i heterogeniczne, zbudowane z kryształów o rozmiarach
manometrycznych.

Grupy nanomateriałów:



nanometale

 nanocząstki złota – po wzbogaceniu związkami chemicznymi o odpowiednich właściwościach fizykochemicznych, potrafią w

kontakcie z białkami zmieniać kształt ich cząsteczek,

 nanosrebro - nanocząstki (o rozmiarach >500 atomów w nanocząstce) posiadają właściwości bakterio- i grzybobójcze
 nanoplatyna – nanocząstki stosowane jako katalizatory w ogniwach wodorowych i samochodowych, dzięki b. wysokiej aktywności

rozbudowanej powierzchni w stosunku do masy są b. wydajnym materiałem do zastosowania w przemyśle chemicznym jako
katalizatory reakcji.



nanoproszki tlenków metali

 nanoceramika – nanoproszki ceramiczne

wielkość ziarna 1÷10nm (>100nm)
Gdy ziarno <100nm właściwości materiałów gwałtownie się zmieniają:



przewodnictwo cieplne – spada kilka razy



przesuwa się granica plastyczności materiału



odporność na ścieranie wzrasta ok. 4x



mikrotwardość wzrasta 2x



wytrzymałość mechaniczna rośnie ok. 4x

Problemy otrzymywania nanoproszków:



droga i skomplikowana produkcja



eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych



trudności we właściwym zagęszczeniu proszków nanokrystalicznych



minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania

Tlenek tytanu – ziarna o rozmiarach Nano odmiany rutylowej tlenku tytanu wykazują efekt fotokatalityczny (pod wpływem światła
(np. słonecznego) rozszczepiają na swojej powierzchni cząsteczki tlenu do jego reaktywnych form, po czym reagują ze związkami
organicznymi powodując ich utlenianie). Cel przyszłości – szkło z cechą samoczyszczenia.
Zastosowanie tl. tytanu: do farb kryjących, niszczenia przykrych zapachów (dezodoryzacja), wykazują efekt antyseptyczny,
w mleczkach i olejkach do opalania

 ceramizery - nanocząstki tlenków krzemu, glinu i innych metali, w których przez nanorozmiar zwielokrotniono ich niebywałą

twardość co w połączeniu z możliwością przyłączania się do powierzchni obniża tarcie (->obniża zużycie współpracujących
elementów).



nanomateriały węglowe



półprzewodniki



nanokompozyty - podział na dwie grupy:

 nanomatriały będące dodatkiem do już istniejących materiałów podwyższających ich własności mechaniczne,
 nanokompozyty zbudowane od podstaw z nanomateriałów, łączące w sobie zalety wszystkich składników.
kompozyty polimerowe z mineralnymi napełniaczami (warstwowe glinokrzemiany)
Znane napełniacze:

1. naturalne krzemiany
2. syntetyczne krzemiany
3. nanostrukturalna krzemionka
4. nanoceramika (np. tlenek glinu, azotek krzemu itp.)
5. nanorurki

Nanocząstki glinokrzemianów (jako napełniacze) - wprowadzone do polimeru powodują:

Pozytywy:

Negatywy:



zwiększenie modułu elastyczności



wyższą stabilność termiczną



zwiększone właściwości barierowe



odporność na rozpuszczalniki organiczne



wyższy współczynnik tłumienia ognia



lepsze właściwości optyczne



niższy współczynnik rozszczerzalności liniowej



wysoki koszt



ograniczona dostępność



trudność z osiągnięciem odpowiedniego stopnie
dyspersji w matrycy polimerowej

Materiały nanokrystaliczne:

 wielkość nanokryształu jest zbliżona do wielkości komórki elementarnej
 oczekiwane właściwości:

Powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jego wnętrze
Obszary badawcze nanonauki i nanotechnologii

1. Zjawiska i procesy w nanoskali
2. nanostruktury



wytrzymałość mechaniczna i twardość



dyfuzyjność



własności magnetyczne



oporność elektryczna



współczynnik rozszerzalności cieplnej



plastyczność



odporność na kruche pękanie



moduł sprężystości



przewodnictwo cieplne

3. nanomateriały i kompozyty
4. nanoelektronika i nanomagnetyzm
5. nanooptyka
6. urządzenia w nanoskali
7. nanoanalityka i nanometrologia
8. nanobio
9. nanomedycyna
10. procesy i urządzenia produkcyjne dla nanotechnologii

Ryzyko nanotechnologii:



oddziaływania na organizm ludzki (nieznany wpływ)



manipulacje biologiczne w skali Nano



nanocząstki, nanowłókna, nanomateriały stosowane w medycynie (mogą zachwiać równowagę ekosystemów)