Zastosowanie nowoczesnych

materiałów

• Nowe, opracowywane, wdrażane nowoczesne materiały

stają się zmiennikami dotychczas stosowanych w
różnych dziedzinach, w wyniku uproszczenia cech
konstrukcyjnych, zwiększenia trwałości i niezawodności,
ułatwienia montażu i technologii, a także zmniejszenia
kosztów materiałowych, wytwarzania i eksploatacji, a ty
prowadzi do zmiany materiałów dotychczas
stosowanych.

• Przykłady:
• Materiały wynalezione i wprowadzone z myślą o

technice kosmicznej lub lotniczej bardzo często są
wykorzystywane w innych dziedzinach np.
samochodach, sprzęcie sportowym, w medycynie.

Cechy materiałów, czyli

właściwości:

• Właściwości ogólne,
• Właściwości mechaniczne,
• Właściwości technologiczne,
• Właściwości fizyczne i chemiczne (fizyko-chemiczne),
• Właściwości eksploatacyjne.
• Właściwości ogólne – estetyczne, koszt, technologia produkcji, wpływ na

środowisko.

• Właściwości mechaniczne – to między innymi wytrzymałość na rozciąganie,

twardość, udarność, ciągliwość, sprężystość i inne. Cechy te są uwzględniane
w obliczeniach inżynierskich i określają wymiary oraz masę konstrukcji, części
maszyn, oprzyrządowania, narzędzi itp.

• Właściwości technologiczne charakteryzują temperaturę topnienia, lejność

i skurcz stopów odlewniczych, obrabialność, spawalność, tłoczność,
hartowność. Właściwości te decydują o parametrach technologii wytwarzania,
o wyborze sposobu kształtowania produktu. Wywierają wpływ na koszt
produkcji, energochłonność procesów technologicznych i stopień szkodliwości
dla środowiska.

Właściwości materiałów

• Właściwości fizyczne charakteryzują materiał pod względem

rozszerzalności cieplnej, gęstości, oporności elektrycznej,
przewodnictwa cieplnego, cech magnetycznych, pamięci
kształtu itp.

• Właściwości chemiczne odnoszą się do odporności na

utlenianie i zdolności pasywacyjnych w wysokich
temperaturach, odporności korozyjnej w określonym ośrodku np.
w ciekłym stopie np. siluminie, wodzie morskiej, płynach
fizjologicznych.

• Właściwości eksploatacyjne dotyczą cechy materiału

określającej jego trwałość w warunkach użytkowania. Dotyczy to
miedzy innymi odporności na zużycie przez tarcie, erozję,
odporność na zmęczenie, pełzanie, określone formy
powierzchniowej destrukcji, np. w strumieniu silnie reaktywnych
gazów o wysokiej temperaturze i dużej prędkości.

Materiałoznawstwo a inżynieria materiałowa

(podstawy nauki o materiałach)

• Leda H. Materiały inżynierskie w

zastosowaniach biomedycznych,
Wyd. Politechniki Poznańskiej, Poznań
2011.

• Blicharski M. Wstęp do inżynierii

materiałowej. Wyd. Nauk. Tech.,
Warszawa, 2003.

Układ okresowy

pierwiastków

• Pierwiastki chemiczne

uporządkowane są według
wzrastającej liczby atomowej.
Pierwiastki o zbliżonych
właściwościach znajdują się obok
siebie.

• <układ okresowy pierwiastków>

Tytan wanan chrom mangan miedź
cynk aluminium.

• Krzem, german – półprzewodniki

Układ okresowy

pierwiastków

W układzie okresowym pierwiastków:
• Kolumny pionowe nazywamy grupami(szesnaście grup)
• Szeregi poziome nazywamy okresami (siedem okresów)
Własności pierwiastków należących do jednej grupy są

podobne, a własności pierwiastków tego samego
okresu zmieniają się stopniowo – od typowo
metalicznych do typowo niemetalicznych.

• Metale np.: Mg, Ti, Mn, Fe, Ni, Al.
• Pierwiastki pośrednie między metalami i

niemetalami: np.: B, Si, Ge.

• Niemetale np.: C, N, S, P.

Materiały – perspektywy

zastosowań

• Zmniejsza się udział stosowania stopów żelaza, na

rzecz stopów: aluminium, tytanu, magnezu, niklu.

• Na świecie udział materiałów metalowych w stosunku

do ogółu materiałów konstrukcyjnych wynosi około:

– 80% w 1960 – maksymalny
– 50% w 2000r.
– 30% przewidywany w 2020r.

• Materiały metalowe zastępowane są przez:

– Materiały ceramiczne,
– Materiały polimerowe,
– Kompozyty metalo - ceramiczne,
– Kompozyty metalo – polimerowe.

Inne klasyfikacje materiałów

• Klasyfikacja dotycząca użytkowych funkcji

materiałów – według spełnianych przez nie funkcji
technicznych (zastosowań), niezależnie czy są one
metalami, ceramikami, polimerami lub kompozytami.

• Wyróżniamy ogólnie:

– Materiały konstrukcyjne
– Materiały funkcjonalne

• Materiały konstrukcyjne

– Nie są końcowymi produktami,
– Służą do wykonywania części maszyn lub konstrukcji.
Podstawowe zadanie – przenoszenie obciążeń.
Najistotniejsza cecha – wytrzymałość mechaniczna.

Klasyfikacje materiałów

• Podział materiałów konstrukcyjnych:
• Materiały przeznaczone do pracy w niskiej i wysokiej

temperaturze (żaroodporne i żarowytrzymałe),

• Materiały odporne na korozję,
• Materiały narzędziowe i supertwarde,
• Materiały łożyskowe, sprężynowe,
• Do ulepszania cieplnego,
• Do nawęglania, azotowania itp.
Podklasyfikacja: ze względu na wykorzystanie technologii

przetwórstwa, np.:

• Wśród metali: stopy odlewnicze, stopy przeznaczone do przeróbki

plastycznej, spawalne,

• Wśród polimerów: polimery termoplastyczne i termoutwardzalne.

Klasyfikacja materiałów

• Materiały funkcjonalne – mogą stanowić końcowy produkt,

będący funkcjonalnym elementem konstrukcji, dzięki
posiadaniu pewnych szczególnych właściwości np.:

– Magnetycznych (magnes),
– Optycznych (kryształ lasera, włókno światłowodowe, elementy

optoelektroniczne),

– Elektrycznych (półprzewodnik, nadprzewodnik),
– Materiały fotowoltaiczne to materiały stosowane do bezpośredniej

konwersji energii, które wytwarza się z mono – oraz polikrystalitów
krzemu, stosowane do przemiany promieniowania słonecznego w
energię elektryczną,

– Piezoelektryki – to materiały, w których pole elektryczne powstaje

pod wpływem naprężeń mechanicznych, np. w kwarcu, topazie,
stosowane jako przetworniki elektroakustyczne, rezonatory, filtry,
odbiorniki i nadajniki ultradźwiękowe.

Klasyfikacja materiałów

• Stosowany jest również podział ze względu na

obszar zastosowań, np.:

– Materiały dla energetyki
– Materiały dla środków transportu,

– Materiały dla elektroniki i telekomunikacji
– Materiały ekologiczne, a wśród nich

biomedyczne,

– Materiały budowlane,
– Materiały w budowie maszyn.

Ekomateriały

• To materiały nieszkodliwe dla globalnego

środowiska, zajmujące mało miejsca i powodujące
powstanie niewielkiej ilości odpadów podczas
produkcji, wymagają rozwoju nowych technologii i
optymalizacji procesów technologicznych w celu
zapewnienia zdrowego życia w zgodzie z naturą.

• Charakteryzują się one wieloma właściwościami:

– Możliwość wielokrotnego użycia,
– Biologicznie bezpieczeństwo,
– Oszczędność zasobów,
– Oszczędność energii,
– Czystość, stabilność chemiczną.

Biomateriały

• To substancje sztuczne, zarówno syntetyczne, jak i

pochodzenia naturalnego, mające za zadanie
uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, narządów lub ich
części i pełnienie ich funkcji.

• Charakteryzują się one następującymi właściwościami:

– Biozgodność (zgodność biologiczna biomateriałów) jest

zespołem cech warunkujących użycie danego materiału jako
elementu współpracującego z żywym organizmem.

– Czystość chemiczna (obojętne do tkanek), umożliwia

formowanie i sterylizację bez wyraźnych zmian
fizykochemicznych.

– Nie powinny działać toksycznie, alergizująco, nie powinny

wywoływać działania hemolitycznego ani wpływać na
krzepliwość krwi i system immunologiczny.

Właściwości biomateriałów

• Biomateriały powinny mieć, oprócz odporności

korozyjnej, następujące cechy natury biologicznej:

– Dobrze adoptować się w środowisku żywego organizmu,
– Wykazywać zgodność tkankową z tkanką gospodarza,
– Nie wykazywać właściwości mutagennych ani

kancerogennych.

• Biomateriały powinny posiadać następujące cechy

natury fizycznej, oprócz niskich kosztów wytwarzania:

– Zgodność właściwości fizycznych i chemicznych z

własnościami tkanek gospodarza,

– Łatwość sterylizacji i wyjaławiania,
– Trwałość i stabilność właściwości fizykochemicznych,
– Stabilność wymiarów.

Materiały biomedyczne

• Biomateriały, w zależności od funkcji, którą

mają spełniać, charakteryzować misi starannie
dobrany zespół różnorodnych cech:

• Nie mogą się w organizmie rozpuszczać lub

przeciwnie – powinny się po pewnym czasie
rozpuścić,

• Muszą być bardzo sztywne, a czasem elastyczne,
• Nie powinny narastać na nich włókna tkanki,

niekiedy powinny się dobrze z tkanką zrastać,

• Powinny zapewniać odpowiednią czystość

materiałów.