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)