plik

Kompozyty i proszki

Kompozyty – tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach nieosiągalnych w żadnym innym
materiale.  Właściwości  kompozytów  nigdy  nie  są  sumą,  czy  średnią  właściwości  jego  składników.  Najczęściej
jeden z komponentów  stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójnośd, twardośd, elastycznośd i odpornośd
na ściskanie, a drugi tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większośd pozostałych własności mechanicznych
kompozytu.

Druga  definicja:  składa  się  z  osnowy  i  umieszczonego  w  niej  składnika  (zbrojenia)  o  znacznie  lepszych
właściwościach  mechanicznych.  Zbrojenie  może  mied  postad  proszku  lub  włókien.  Dodawane  jest  do
kompozytu w dużej ilości, oddziałuje ono zazwyczaj tylko fizycznie na osnowę.

Przykłady: żelazo-beton :d, szkło zbrojone siatką metalową, eternit, cermetale.
Zastosowanie: implanty w medycynie, materiały konstrukcyjne w budownictwie.

 Kompozyty

o Dyspersyjne – wzmacniane cząstkami
o Włókniste – wzmacniane włóknami:

 ciętymi
 ciągłymi

Możliwe są różne kombinacje przy tworzeniu kompozytów, np. osnowa metaliczna, polimerowa, ceramiczna, a
cząstki  lub  włókna  metalowe,  ze  związków  międzymetalicznych,  ceramiczne,  węglowe,  polimerowe,  lub  o
złożonej budowie.
Kompozyty  pozwalają  na  otrzymanie  lekkich,  mocnych  i  elastycznych  konstrukcji.  Są  nimi  także  materiały
żarowytrzymałe i narzędzia.

Matryca,  osnowa  -  częśd  układu,  w  której  rozmieszczone  są  włókna.  Matryca  zabezpiecza,  zapewnia  stałośd
ułożenia  włókien,  matryca  transmituje  (przenosi)  naprężenia  do  wnętrza  włókien,  chroni  włókna  przed
szkodliwymi wpływami środowiska, zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięd, nadaje wyrobowi żądany kształt,
zapewnia  wytrzymałośd  na  ściskanie.  Najczęściej  osnową  są  polimery,  ze  wzgl.  na  ich  mały  ciężar  właściwy
i łatwośd kształtowania.

Podział kompozytów ze względu na osnowę:

 kompozyty metalowe

o  ze stopu metali lekkich (Mg, Al, Ti)
o  ze stopu Ag i Cu
o  ze stopu Ni
o  ze stopu Pb i Zn

 kompozyty polimerowe

o żywice termoutwardzalne (jak fenoplasty i aminoplasty), duroplasty, silikony, tworzywa

termoplastyczne

 kompozyty ceramiczne

o materiały budowlane jak cement i gips, materiały hutnicze – głównie ogniotrwałe, materiały

stosowane w elektronice

Rodzaje kompozytów:

 kompozyty strukturalne – w których występują ciągłe struktury komponentów konstrukcyjnych –

warstwy, pręty lub regularne struktury trójwymiarowe.

 Laminaty – które składają się z włókien zatopionych w lepiszczach – w zależności od sposobu

uporządkowania włókien rozróżnia się:

o  Taśmy kompozytowe – włókna ułożone w jednym kierunku
o  Maty kompozytowe – w dwóch prostopadłych kierunkach
o  Nieuporządkowane

mikro/nanokompozyty  –  to  kompozyty  w  których  regularna  struktura  dwóch  lub  więcej  składników  jest
zorganizowana już na poziomie mikro/nanocząsteczkowym

stopy  strukturalne  –  są  rodzajem  stopów  metali,  metali  z  niemetalami,  polimerów  z  metalami,  niemetalami
i między sobą, o bardzo regularnej mikrostrukturze, np. stal damasceoska lub duraluminium.

Wytwarzanie nanoproszków – do wytwarzania cząstek nano jest stosowana metoda kondensacyjna, gdzie
cząstki powstają wskutek agregacji molekuł rozpuszczonych w fazie ciekłej lub gazowej.

 Zalety – możliwośd uzyskania niemal monodyspersyjnych, sferycznych cząstek o najwyższej czystości
 Wady – mała wydajnośd

Materiały inteligentne – struktury, które posiadają zdolnośd zapamiętywania i kontrolowania kształtu oraz
właściwości. Są wykorzystywane do produkcji urządzeo stosowanych w medycynie.

Polimery

Polimery – substancje o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych
jednostek zwanych merami.

 Naturalne
 Syntetyczne

Podział polimerowych układów przewodzących:

  polimery zawierające układy sprzężonych wiązao podwójnych w łaocuchu głównym
  polimery z atomami metalu w łaocuchu głównym
  polimery zawierające układy wiązao skumulowanych lub potrójnych w łaocuchu głównym
  polimery  zawierające  układy  wiązao  sprzężonych  otrzymywane  w  wyniku  reakcji  analogowych  na

gotowych polimerach

  polimery zawierające heteroatomy w łaocuchu sprzężenia
  kompozyty polimerów z metalami
  polimery z przeniesieniem ładunku
  biologiczne polimery półprzewodnikowe

Zastosowanie polimerów przewodzących

  środki elektroluminescencyjne w polimerach sprzężonych
  polimeryczne (przewodzące) inhibitory korozji metali
  membrany (polianilinowe)
  sensory chemiczne i biologiczne
  tekstylia przewodzące
  bezbarwne powłoki przewodzące
  elementy urządzeo elektromechanicznych (sztuczne mięśnie)

Cienkie warstwy, folie i powłoki

Fotolitografia – technika produkcji

  wycinamy silikonowy chip
  pokryd materiałem wrażliwym na promieniowanie
  wysuszenie
  warstwa (fotoresist) światłoczuła

 fotorezyst – wrażliwy na promieniowanie ultrafioletowe (polimer organiczny, który zmienia swoją

chemiczną strukturę pod wpływem promieniowania)

Na silikonowy produkt z warstwą nakładamy maskę. 2 możliwości:

Pozytywowy

Czynnik naświetlony UV nie ulega żadnej przemianie.
Możemy go wypłukad i pozostanie tylko produkt
utwardzony.

Negatywowy:

Pod wpływem światła UV ulega ona zmiękczeniu.
Ściągamy zmiękczone tworzywo, zostaje tylko to co
chcemy (to co nie uległo zmiękczeniu).

Sposoby nakładania warstw fotorezystu:

  promieniowanie rentgenowskie
  promieniowanie UV
  strumieo elektronów
  strumieo jonów

Chemiczna depozycja par (MAŁO!!!):

 napylanie, epitaksja – za pomocą zjonizowanego powietrza bombardujemy powierzchnię, z której

wybijają się elektrony

 chemiczna depozycja par (wielokierunkowa) – materiał w formie gazowej ulega rozkładowi

(wyjątkowo równomierne ułożenie warstw – równa grubośd) i tworzy się jedna warstwa (osadza się na
powierzchni).

 Fizyczna depozycja par (jednokierunkowa) – opadanie cząstek, wybijamy atomy materiału

(zaokrąglone powierzchnie) – przykłady: kurz na książce, para wodna na szkle

Światłowody

Światłowód – medium transmisyjne stanowiące czyste szklane włókno kwarcowe, otoczone nieprzezroczystym
płaszczem wokół centralnie położonego rdzenia.

Aparatura numeryczna światłowodu – określa zdolnośd włókna do absorpcji światła i jest określana dla danego
wymiaru rdzenia włókna. Generalnie im większa średnica rdzenia, tym większa aparatura.

Podstawowe cechy transmisji światłowodowej

  Szybkośd transmisji
  Zasięg transmisji
  Mody światłowodu

Tłumienie światłowodu – wyrażanie w dB/km

3 dB = 50% sygnału na wyjściu
20 dB = 1%
30 dB = 0,1%
Itd.

Podstawowa klasyfikacja światłowodu:

 Struktura:

o Włókniste (rurka)
o Planarne (płytka)

 Charakterystyka modowa:

o Jednomodowe
o Wielomodowe

 Rozkład współczynnika załamania w

rdzeniu:

o Skokowe
o Gradientowe

 Materiał

o  Szklane
o  Plastikowe
o  Półprzewodnikowe
o  …

 Zastosowanie

o  Pasywne
o  Aktywne
o  Specjalne

Światłowody specjalne:

  Aktywne (erbowe, prazeodymowe)
  Polaryzacyjne (lub podtrzymujące polaryzację)
  Cieczowe

Zastosowanie światłowodów:

  Telekomunikacja
  Dla sieci komputerowych
  Czujnikowe
  …



10log

Zalety włókien światłowodowych:

1.  Ogromna pojemnośd informacyjna pojedynczego włókna
2.  Małe straty = przesyłanie informacji na duże odległości
3.  Całkowita niewrażliwośd na zakłócenia i przesłuchy elektromagnetyczne
4.  Mała waga
5.  Małe wymiary
6.  Bezpieczeostwo pracy
7.  Prawie niemożliwy podsłuch danych
8.  Względnie niski koszt (i ciągle spada)
9.  Duża niezawodnośd (poprawnie zainstalowanych łączy)
10.  Prostota obsługi

Ciekłe kryształy

Kryształ – ciało stałe, którego strukturę wewnętrzną cechuje uporządkowanie dalekiego zasięgu we wszystkich
kierunkach. Uporządkowanie to daje się najłatwiej opisad jako periodyczne w trzech wymiarach fizycznej
przestrzeni.

Ciecz – stan skupienia, w którym ciało łatwo zmienia kształt, lecz trudno objętośd

Ciekły kryształ – nazwa fazy pośredniej między cieczą a ciałem stałym.

Ciekłe kryształy:

 Liotropowe – kryształ + rozpuszczalnik
 Termo tropowe – kryształ + Temp

Budowa:

 Prętopodobne
 Dyskotyczne

Budowa ciekłych kryształów:
Cholesteryk

nematyk

smektyk

Tekstury:
Planarna

homeotropowa

skręconego nematyka

Biomateriały

Biomateriał (zwany też materiałem biomedycznym) – materiał, z którego można produkowad urządzenia
i elementy mające bezpośredni kontakt z tkankami organizmu.

Z biomateriałów produkuje się implanty, a także pokrywa się nimi powierzchnie urządzeo wszczepianych do
wnętrza organizmu, lub przeznaczonych do długotrwałego kontaktu z organizmem (rurki intubacyjne, cewniki,
dreny, nici chirurgiczne)

Podstawową cechą biomateriałów jest ich biozgodnośd, czyli brak toksyczności oraz minimalne oddziaływanie
na system immunologiczny. Biomateriały będące w styczności z krwią nie mogą wywoływad hemolizy.

Do najczęściej stosowanych biomateriałów zalicza się:

  Polimery syntetyczne
  Polimery półsyntetyczne, modyfikowane biopolimery takie jak oczyszczona chityna
  Materiały ceramiczne
  Niektóre metale i ich stopy

Implantologia
W  zabiegach  regeneracyjnych  kośd  pochodzenia  autogennego  lub  homogennego  bywa  używana  bardzo
chętnie, lecz ich aplikacja jest ograniczona przez dostępnośd (autogenna) oraz ryzykiem immunologicznym oraz
infekcji (homogenna). Dostępne są również alternatywne syntetyczne substytuty kostne, różniące się od tkanki
kostnej swą strukturalną konstrukcją i kompozycją.
Opracowanie  w  1985  roku  materiału  Bio-oss  stworzyło  dostępną  alternatywę  zastosowania  substytutu
posiadającego  naturalną,  mineralną  strukturę  kości  zbliżoną  do  ludzkiej  tkanki.  Bio-oss  jest  naturalnym
materiałem zastępczym pochodzącym z tkanki kostnej.

  Odbudowa kości wokół implantów umieszczonych w zębodołach poekstrakcyjnych
  Sterowana regeneracja kości w defektach wyrostka lub odbudowa wyrostka do implantacji
  Podnoszenie zatoki szczękowej
  Rekonstrukcja wyrostka do uzupełnieo protetycznych
  Wypełnienie ubytków kostnych po resekcjach, wyłuszczaniu torbieli, ekstrakcjach zębów, itp.
  Regeneracja  kości,  a  uściślając  w  naprawie  ubytków  kostnych  spowodowanych  paradontozą  i  we

wzmocnieniu rozchwianych zębów

Biodegradacja – to biochemiczny rozkład związków organicznych przez organizmy żywe (bakterie, pierwotniaki,
promieniowce, grzyby, glony, etc.) na prostsze składniki chemiczne.

utlenianie

/hydroliza

Polimer ---------------> depolimeryzacja -----> H2O lub biomasa lub (CO2 i/lub H2O)

polimeryza

I etap – depolimeryzacja

II etap – mineralizacja

Termin biodegradacja w odróżnieniu od terminu mineralizacja, używany jest w odniesieniu do substancji
szkodliwych, np. pestycydów. Rozkładowi może ulegad nawet 95% substancji organicznych. Biodegradację
wykorzystuje się w biologicznych oczyszczalniach ścieków oraz w stawach biologicznych (służących do
fermentacyjnego oczyszczania ścieków).

Biodegradacja ma zastosowanie przy produkcji biogazu z odpadów i ścieków, biomasy paszowej ze ścieków,
a także pestycydów w opakowaniach podatnych na biodegradację, rozpuszczalnych w wodzie.

W  medycynie  biodegradacją  nazywamy  utratę  odpowiednich  właściwości  fizyko-chemicznych  materiału,
z którego wykonany jest wszczep, na skutek działania organizmu. W przeciwieostw do resorpcji jest to zjawisko
niepożądane.

Denitryfikacja  –  reakcja  chemiczna,  proces  redukcji  azotanu  w  azot  w  stanie  gazowym.  Proces  biochemiczny
w którym  jony  NO3  lub  NO2  są  akceptorami  elektronów,  a  ich  donorami  mogą  byd:  substancje  organiczne,
zredukowane związki siarki lub wodór gazowy. We wszystkich przypadkach tlen jest naturalnym konkurentem
azotanów jako akceptor elektronów, jego obecnośd inhibituje więc denitryfikację.

 Heterotroficzna
 Autotroficzna

o Siarkowo-wapniowa
o Bakterie utleniające wodór

Biologiczne utlenianie żelaza i manganu – proces opiera się na katalizowanym przez bakterie utlenianiu
Fe

i Mn

do Fe

i Mn

z wytrąceniem nierozpuszczalnych Fe(OH)

, Fe

(CO

)

o MnO

Resorpcja – odmiana sorpcji – wchłanianie zwrotne – termin ten jest szczególnie często używany w medycynie
i oznacza w zależności od kontekstu różne zjawiska..

 Pokarmu
 Kości – to powolne wchłanianie składników mineralnych kości. Wzmożona resorpcja kości

= osteoporoza

 W nerkach – zwrotne wchłanianie wody, niektórych jonów (K, Mn), aminokwasów oraz glukozy

w procesie powstawania moczu

 Embrionu – wchłonięcie martwego embrionu.

Recykling  –  jedna  z  kompleksowych  metod  ochrony  środowiska  naturalnego.  Jej  zadaniem  jest  ograniczenie
zużycia  surowców  naturalnych  oraz  zmniejszenie  ilości  odpadów.  Jest  systemem  wielokrotnego
wykorzystywania tych samych materiałów w kolejnych dobrach materialnych i użytkowych. Chronione są w ten
sposób  nieodnawialne  lub  trudnoodnawialne  źródła  surowców,  a  jednocześnie  ograniczona  jest  produkcja
odpadów.

Materiały molekularne

Klasyfikacja kryształów:
- Kowalencyjne
- Jonowe
- Molekularne

Materiały molekularne:
- materiały niskomolekularne
- polimery
- monokryształy
- materiały polikrystaliczne
- materiały amorficzne
- ultra-cienkie uporządkowane warstwy molekularne
- materiały ciekłokrystaliczne

Monowarstwy Langmuira
Filmami Langmuira nazywane są najczęściej monomolekularne warstwy aktywnych powierzchniowo związków
organicznych, znajdujących się na granicy rozdziału faz: ciekłej (zwykle woda) i gazowej (zwykle powietrze).

Warstwy Langmuira-Blodgett
Do wytwarzania warstw Langmuira-Blodgett (LB) wykorzystuje się zazwyczaj związki amfifilowe, które w swojej
strukturze  molekularnej  posiadają  części  polarne  i  jednocześnie  części  niepolarne  lub  słabo  polarne.
W rezultacie związki te wykazują odmienne zachowanie w stosunku do faz polarnych i niepolarnych.
Warstwy jednocząsteczkowe można nanosid na powierzchnię ciał stałych. W tym celu zanurza się płytkę ciała
stałego  w  cieczy,  na  powierzchni  której  znajduje  się  monowarstwa  amfipatycznych  cząstek.  Następnie
przesuwając  na  powierzchni  beleczki  ograniczające  powierzchnię  tworzona  jest  ściśle  upakowana  warstwa.
Cząsteczki  monowarstwy  oddziaływując  silnie  z  powierzchnią  są  przenoszone  na  powierzchnię  ciała  stałego
podczas wynurzania lub zanurzania w cieczy.
Jeżeli płytka jest hydrofilowa (np. ze złota i szkła) to łaocuchy węglowodorowe będą zorientowane na zewnątrz
podczas  wynurzania  ciała  stałego.  Należy  za  pomocą  beleczek  ściskających  monowarstwę  na  powierzchni
cieczy, utrzymad stan ścisłego upakowania, aby przeniesiona na powierzchnię ciała stałego monowarstwa byłe
jednolicie  uformowana.  Ponowne  zanurzenie  tej  płytki  w  głąb  powierzchni  cieczy  pokrytej  monowarstwą
powoduje,  że  nakłada  się  następna  warstwa  o  przeciwnie  zorientowanych  cząsteczkach,  ponieważ
na hydrofobowej powierzchni płytki następne cząsteczki adsorbują się częścią hydrofobową (węglowodorową),
natomiast  częścią  polarną  (lub  jonową)  na  zewnątrz.  Ten  proces  można  powtarzad  wielokrotnie  uzyskując
poliwarstwę, w której na przemian ułożone są warstwy o odmiennych orientacjach.

 Zastosowanie:

o  Optyka nieliniowa
o  Elektronika
o  Kwantowo-mechaniczne tunelowanie
o  sensoryka

Warstwy samoorganizujace się

Ciekłe kryształy
Ciało stałe (kryształ)
- uporządkowanie dalekiego zasięgu
- anizotropia właściwości fizycznych
- zachowanie kształtu

Ciekły kryształ
- uporządkowanie dalekiego zasięgu
- anizotropia właściwości fizycznych
- brak pamięci kształtu (zdolnośd do płynięcia)

Ciecz
- brak uporządkowania dalekiego zasięgu
- izotropia właściwości fizycznych
- brak pamięci kształtu (zdolnośd do płynięcia)

Zalety materiałów molekularnych
- relatywnie niskie ceny przy odpowiedniej skali produkcji
- możliwośd łatwej modyfikacji właściwości metodami chemicznymi
- możliwośd stosowania technologii „mokrych” i niskotemperaturowych
Słabe punkty
- niewielka odpornośd na utlenianie i działanie wody
- niewielka odpornośd na wysokie temperatury

Właściwości elektryczne materiałów molekularnych
Zazwyczaj:
- niska przewodnośd elektryczna (dielektryki lub półprzewodniki)

Przewodnictwo elektryczne organicznych ciał stałych

  ogniwa fotowoltaiczne
  organiczne tranzystory  cienkowarstwowe
  diody elektroluminescencyjne

prostownik molekularny, druty molekularne