BIOMATERIAŁY – rodzaje, zastosowanie

BIOMATERIAŁY – rodzaje,

zastosowanie

• Biomateriały krystaliczne (metaliczne, węglowe i szklano-

ceramiczne) cechują się odpowiednią wytrzymałością
mechaniczną i odpornością chemiczną.

• Przykład:

– Stopy metali: Ti, Fe-Cr-Ni,
– Kompozyty C/C, Al203, Zr)2 (implanty),
– Ceramika hydroksyapatytowa [hydroksyfosforan wapnia o wzorze

chemicznym Ca10(PO4)6(OH)2].

• Są to materiały stosowane w medycynie: pojemniki na krew,

strzykawki, igły, narzędzia chirurgiczne, materiały
stosowane w aparaturze diagnostycznej, materiały
konstrukcyjne (np. sztuczne przeguby, implanty), materiały
funkcjonalne (np. syntetyczna skóra, sztuczne zastawki
serca).

• Sztuczna zastawka serca z dwoma klapkami ( w

pozycji otwartej) produkowana od 1977 roku
przez amerykańską firmę St. Jude Medical.

• Materiały: Klapki i pierścień – pirolityczny,

szklisty węgiel obojętny dla płynów ustrojowych
i odporny na zużycie (średni czas do
uszkodzenia szacowany jest na ponad 1000
lat).

• Pierścień węglowy o średnicy 25-30 mm jest

obszyty poliestrową tkaniną, służącą do
mocowania zastawki.

Stopy z pamięcią kształtu; Ti-Ni, Ti-

• Stopy z pamięcią kształtu określają trzy

zasadnicze cechy: dwie wrodzone;

Pseudosprężystość,
Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu
Oraz jedna nabyta;
Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu
Zastosowania stopów z pamięcią kształtu;
W medycynie
W technice
W technologii kosmicznej

Udrażnianie naczyń

krwionośnych

• Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu
• Z kształtu drucika przechodzi w kształt

sprężynki

• Temperatura początkowa 0-5 C – drucik
• Powolne ogrzanie –skręca się w sprężynkę
• Temperatura ciała – sprężynka
• Chłodzenie do temperatury początkowej –

drucik

• Stop tytan – nikiel (nitynol) (po 50%) Ti-Ni
• Stop tytan – aluminium – Ti-Al.

Metale i ich stopy

• Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym.
• Stopy metali są to układy wieloskładnikowe złożone z

więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzują się
przewagą wiązania metalicznego. Składy stopów
metali są zawarte w szerokich granicach bez
obowiązywania zasad stechiometrii.

• Układ okresowy pierwiastków chemicznych, metale

zaznaczono na zielono.

• Ti-Ni – adaptacja do środowiska
• Wanad, chrom, kobalt, nikiel, miedź, cynk, srebro,

złoto, platyna

• Trudno topliwa: tamtan(Tc?), wolfram

WIĄZANIA METALICZNE –

WYSTĘPUJĄ W METALACH

• Wiązanie metaliczne spowodowane

jest oderwaniem się elektronów
walencyjnych – wartościowości
(znajdują się na ostatniej orbicie
atomu) i utworzenia tzw. Gazu
elektronowego.
Atom oddając elektron walencyjny
staje się jonem dodatnim.

WIĄZANIA METALICZNE –

WYSTĘPUJĄ W METALACH

+ + + + + + + +
- - - - -
+ + + + + + + +
- - - - - -
+ + + + + + + +
(-) gaz elektronów walencyjnych
(+) rdzenie kationowe

   ( \      /  )
(  +       )
   (  /    \  )

Powłoki elektronowe (plusik, z narysowanym krzyżykiem stojącym i dorysowaną

chmurą)

• Elektrony mogą się poruszać swobodnie między dodatnimi jonami wiąząc je ze sobą
• Elektrony walencyjne przebywają w obrębie kryształu na skutek ich elektrostatycznego

przyciągania przez kationy, kationy natomiast są utrzymywane w położeniach
węzłowych dzięki ich elektrostatycznemu przyciąganiu przez elektrony swobodne.

OGÓLNE WŁASNOŚCI STANU

METALICZNEGO

• Zespół cech powierzchniowych, wynikających z

budowy atomów, głównie z typui wiązań między nimi:

– Nieprzezroczystość,
– Metaliczny połysk,
– Plastyczność.

• Własności metaliczne towarzyszą skondensowanym

stanom skupienia, to znaczy wykazują je pierwiastki
metaliczne w stanie stałym i ciekłym.

• Własności fizyczne metali wynikające z budowy

atomowej i strukturalnej:

– Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne,
– W stanie stałym budowa krystaliczna.

Metale i ich stopy

• Metale i ich stopy cechują następujące

własności:

Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
Dodatni temperaturowy współczynnik

rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z
podwyższeniem temperatury),

Połysk metaliczny, polegający na odbijaniu się

promieni świetlnych od wypolerowanych
powierzchni,

Plastyczność, czyli zdolność do trwałych

odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

Podstawowe stopy metali

– Stałe – stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami,
– Staliwa i żeliwa – stopy odlewnicze i żelaza.

• Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią metale

nieżelazne i ich stopy:

– Aluminium i jego stopy,
– Miedź i jej stopy,

• Nikiel i jego stopy (żaroodporność),
• Kobalt i jego stopy,

– Tytan i jego stopy,
– Beryl i jego stopy,

• Magnez i jego stopy,
• Metale trudno topliwe i ich stopy, np. W(wolfram), Mo(molibden),

– Cynk i jego stopy,
– Cyna i ołów oraz ich stopy,

• Metale szlachetne i ich stopy, np. złoto, platyna,
• Stopy metali nieżelaznych z pamięcią kształtu, np. Ni-Ti,
• Stopy o strukturze szkieł metalicznych.

METALE I STOPY

• Metale i stopy metali należą do naj;owszechniej

stosowanych materiałów na konstrukcje, maszyny,
urządzenia, narzędzia itp.

• Metale można podzielić na następujące grupy:

• Metale lekkie: Mg, Be, Al., Ti o gęstości mniejszej od 5 g/cm3,
• Żelazo 7,8 g/cm3
• Metale ciężkie, np. Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os o gęstości

większej niż 10g/cm3

• Metale niskotopliwe: Sn, Pb, Zn o temperaturach topnienia:

– Sn = 232 oC
– Pb = 327 oC
– Zn = 419,5 oC

• Metale trudnotopliwe: W, Mo, Ta, Nb o temperaturze topnienia

wyższej od temperatury topnienia żelaza, tj. od 1536 oC.

• Metale szlachetne: Au, Pt, Ag.

Metale, właściwości fizyczne

Lp.

Metal

Masa

atomo

Gęstoś

właści

[g/cm3]

Temper

atura

topnien

ia oC

Przewo

dność

cieplna

L(fala)

Cal/

(cm*s*

oC)

Przewo

dność

elektry

czna

[m/ome

ga*mm

Żelazo L

55,84

7,87

1543

0,226

10,3

2
3
4
5
6
7

Metale i ich stopy

• Procesy technologiczne metali i stopów:
• Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami.

Procesy metalurgiczne polegają na redukcji, prowadzącej do
ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu
pozostałe zanieczyszczenia.

• Elementy metalowe wykonywane są metodami odlewniczymi,

przeróbki plastycznej, obróbki skrawaniem, metalurgii
proszków, mechanicznej syntezy (nanotechnologia).

• Właściwości metali i stopów są kształtowane metodami

obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych
często jest uszlachetniana metodami inżynierii
powierzchni(uszlachetnianie samej powierzchni wyrobów
metalowych), zwiększającymi m.in. Odporność na korozję lub
odporność na zużycie.

PROCESY TECHNOLOGII MASZYN –

sposoby konwencjonalne

RODZAJE TECHNOLOGII

SPOSOBY KONWENCJONALNE

Technologie formujące

Odlewanie, obróbka plastyczna

Technologie kształtujące:

1.Przez ubytek materiału

2.Przez przyrost materiału

Skrawanie

Cięcie

Spawanie

napawanie

Technologie ulepszające:

1. Na wskroś (w całej objętości)

2. Warstwy wierzchnie

3. Powłoki

Obróbka plastyczna

Obróbka cieplna

Hartowanie powierzchniowe

Obróbka cieplno-chemiczna

Obróbka plastyczna

Galwanotechnika (np.

chromowanie, niklowanie)

KONWENCJONALNE TECHNOLOGIE

FORMUJĄCE I KSZTAŁTUJĄCE:

•

Odlewnictwo jest techniką wytwarzania przedmiotów metalowych o
wymaganym kształcie i wymiarach poprzez wypełnienie odpowiednio
przygotowanych form odlewniczych ciekłym stopem.

•

Obróbka plastyczna to metoda obróbki metali polegająca na wywieraniu
narzędziem na obrabiany materiał nacisku przekraczającego granicę jego
plastyczności, mającego na celu trwałą zmianę kształtu i wymiarów
obrabianego przedmiotu oraz poprawę właściwości mechanicznych.

•

Skrawanie to rodzaj obróbki ubytkowej polegający na zdejmowaniu (ścinaniu)
małych części obrabianego materiału zwanych wiórami, za pomocą narzędzi
skrawających.

•

Przetwórstwo tworzyw sztucznych polega na wytwarzaniu za pomocą
reakcji chemicznych, syntetycznych związków wielocząsteczkowych zwanych
polimerami składających się z wielu identycznych powtarzalnych elementów
tzw. Merów oraz składników dodatkowych np. napełniacze, zmiękczacze oraz
barwniki, nadających korzystne właściwości.

•

Spajanie to proces trwałego łączenia materiału przez uzyskiwanie jego
ciągłości z zastosowaniem czterech podstawowych metod: spawania,
zgrzewania, lutowania, klejenia.

POLIMERY

•

Polimery, nazywane tworzywami sztucznymi lub
plastikami, są materiałami organicznymi,
złożonymi ze związków węgla.

•

Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne
pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego
rogu układu okresowego (N, O, F, Cl, Si, S).

•

Układ okresowy pierwiastków chemicznych,
pierwiastki tworzące polimery zaznaczono na
fioletowo(H, C, N, O, F, Si, S, Cl).

•

Wodór, węgiel, azot, tlen, fosfor, krzem, siarka,
chlor

POLIMERY

• Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia

wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi) w łańcuchy wielu grup
atomowych zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.

• <budowa atomowa polietylenu (polimery)>
• H H H H
• C – C – C – C CH2 – mer,
• H H H H 2CH2 – podstawowa jednostka monomeryczna
• Schemat prostoliniowego odcinka typowego łańcucha

polietylenu (cały łańcuch może zawierać 50 000 podstawowych
jednostek monomerycznych).

• W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub

pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy
(plastyfikatorów), antyutleniaczy.

Document Outline