OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA MATERIAŁÓW

Wszystkie materiały powstały z połączenia atomów. Własności materiałów zależą od rodzaju atomów i rodzaju wiązań.

Materiały są to wszystkie substancje, z których wykonane są przedmioty materialne. W pojęciu technicznym materiałami nazywamy ciała stałe, których właściwości powodują, że są one użyteczne dla człowieka, gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy - przedmioty użytkowe, narzędzie.

Właściwości materiału - to zespół charakterystycznych cech określających reakcję materiału na bodźce zewnętrzne (np. temp. naprężenia). Właściwości materiału stanowią pewną stałą wielkość, zależną od natury materiału a nie od jego wymiarów i wiążą się z reakcją danego materiału na bodźce zewnętrzne.

REAKCJA=WŁASNOŚĆ MAT x BODZIEC

Np. prawo Hoocke'a σ=Е*ε

σ-naprężenie; Е-moduł Younga; ε-wydłużenie względne

Właściwości materiału dzielimy na fizyczne i chemiczne:

Właściwości fizyczne opisują zachowanie się materiału pod wpływam działania czynnik fizycznego jak pole elektr. Pole magnet. temp. (np. przewodność elektryczna, przewodność cieplna, podatność magnetyczna), a także właściwości mechaniczne. Właściwości mechaniczne charakteryzują zachowanie się materiału poddanego działaniu naprężeń mechanicznych.

Właściwości chemiczne określają zdolności danego materiału do zachowania w reakcje chemiczną z otoczeniem.

Struktur jest to zbiór związków i zależności stanowiących wewnętrzną budowę materiału składającego się z funkcjonalnie związanych ze sobą elementów. Struktura nadaje elementom materiału charakter całości i podporządkowuje je wspólnym prawom, z których wynika, że wynika właściwości materiału s a inne niż właściwości elementów składowych, a zmiany ich własności prowadzą do zmiany właściwości materiału. Struktura ma wpływ na stan materiału oraz jego zachowanie się pod wpływem czynników zewnętrznych. Pozwala również przewidywać reakcje materiału na działanie tych czynników. 1) właściwości materiału zależą od struktury materiału; 2) do kształtowania struktury materiału wykorzystywane są te same prawa fizyczne; 3) we wszystkich materiałach występuje podobieństwo procesów technologicznych; 4) stosowana jest podobna aparatura badawczo-kontrolna.

Metale, które charakteryzuje dobra przewodność cieplna i elektryczna, przy czym przewodnictwo elektryczne maleje z wzrostem temp. metale posiadają połysk, czyli zdolność do odbijania światła przez ich powierzchnię. Metale są plastyczne, czyli posiadają zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń zewnętrznych. Te właściwości wynikają z metalicznego wiązania miedzy atomami i budowy krystalicznej. Do metali zaliczmy 78 pierwiastków leżących na prawo od glau, indu i talu. W reakcjach chemicznych metale łatwo oddają elektrony walencyjne i tworzą z niemetalami tlenki albo sole. Do metali zalicza się także stopy. Metale różnią się temp. topnienia, gęstości, przewodnictwem cieplnym, oporem i modułem Younga. Z pośród metali najwyższą temp. topnienia ma wolfram (3400C), największą gęstość ma osm (22,5G/cm3)

ciężar właściwy
p=m*g

Mała oporność miedź (1,694Ωcm)

Duże znaczenie w technice mają stopy żelaza (żeliwa i stale) stanowią one 90% wszystkich wytwarzanych tworzyw metalicznych na świecie. Miedź i aluminium są podstawowym surowcem służącym do produkcji przewodów elektrycznych. Złoto i platyna stosowane są przede wszystkim jako materiały w elektronice . Lit wykorzystywany w bateriach i do super lekkich stopów. Platyn często stosowana jest jako katalizatory wielu procesów chemicznych. Pluton, uran - paliwo de reaktorów atomowych.

Przykład stopu o podwyższonej wytrzymałości to stale, w których bez wyraźnych zmian składu chemicznego podwyższono dwukrotnie granice plastyczności w stosunku do stali zwykłej jakości. Powstały również stopy o nieznanych dotychczas właściwościach, czyli stopy charakteryzujące się pamięcią kształtu a także półprzewodniki.

Materiały ceramiczne - materiały ceramiczne są to nieorganiczne związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami, w których atomy połączone są wiązaniem jonowym i kowalencyjnym. Po nadaniu formy materiały ceramiczne wygrzewa się w bardzo wysokich temp.

Ceramika wielkotonażowa - są to głównie materiały budowlane jak cement, gips, cegła, płyty, ceramika sanitarna, ogniotrwała Ceramikę wielkotonażową otrzymuje się z gliny składającej się z bardzo drobnych ziaren uwodnionego krzemianu glinu Al₂O₃*SiO₂*H₂O. w małych ilościach występują także tlenek wapnia CaO, tlenek żelaza Fe₂O₃ i tlenek żelaza FeO, tlenek sodu Na₂O, tlenek potasu K₂O, tlenek magnezu MgO i tlenek tytanu TiO₂. krzemionka jest to krystaliczna odmiana dwutlenku krzemu SiO₂ zwana kwarcem. Kwarc jest ogniotrwałym składnikiem ceramiki. Skaleń jest to glino-krzemian metali alkalicznych złożonych ze skalenia potasowego, skalenia sodowego i skalenia wapniowego.

Me₂O*Al₂O₃*6SiO₂ - wzór ogólny

K₂O*Al₂O₃*6SiO₂ - skaleń potasowy

Na₂O*Al₂O₃*6SiO₂ - skaleń sodowy

CaO*Al₂O₃*6SiO₂ - skaleń wapniowy

Podczas wypalania skaleń stanowi tzw topnik, który wiąże inne składniki.

Ceramika specjalna - wytwarza się materiały dla elektroniki, materiały na produkcję narzędzi skrawających, produkcję elementów odpornych na ścieranie, materiały ogniotrwałe, a także ceramikę dla celów medycznych.

- Ferryty - materiały ceramiczne o właściwościach magnetycznych, (rdzenie w cewkach), ważnym ferrytem jest magnetyt (FeO*FE₂O₃). Magnetyt znajduje zastosowanie jako pamięć w komputerach, jako rdzenie w transformatorach wysokiej częstotliwości.

- Sialon - jest to tworzywo konstrukcyjne stosowane na łopatki turbin i elementów cieplnych.

- szkła - materialny nieorganiczne, przede wszystkim tlenki, których stan fizyczny jest pośredni między stanem ciekłym a stałym. Są to materiały bezpostaciowe, występuje w nich uporządkowanie bliskiego zasięgu. Podstawowymi składnikami wchodzącymi w skład szkła są tlenki: krzemu SiO₂, baru B₂O₃ i fosforu P₂O₅.

Szlachetność metalu określa ilościowo w jego właściwościach, to jest w wartości potencjału elektrochemicznego powstającego na powierzchni granicznej metalu względem roztworu jego jonów. Metal mniej szlachetny wypiera zawsze metal bardziej szlachetny z roztworu jego soli.

Np. z roztworu soli miedziowej można wydzielić wolną miedź zanurzając do roztworu kawałek żelaza, które jest mniej szlachetne niż miedź. Pewna ilość żelaza przejdzie do roztworu a wydzieli się równoważna ilość miedzi.

K,Ca,Al,Mn,Fe,Cd,Co,Ni,Sn,Sn,Pb,H₂,Cu,Hg,Ag,Pt,Au

Najważniejsza cechą szkła jest jego przezroczystość.

Podczas chłodzenia ze stanu ciekłego szkła, nie tworzą się puste miejsca w strukturze ani inne defekty sieciowe, których wielkość porównywalna byłaby do długości fali światła. Nie ma zatem przyczyn ani centrów na których światło ulegałoby rozproszeniu. Cechą charakterystyczną szkła jest współczynnik załamania światła. Współczynnik ten możemy regulować przez odpowiednie dodatki, np. szkła folinowe zawierają tlenki ołowiu, dzięki któremu posiada duży współczynnik załamania światła i dlatego jest stosowane na soczewki achromatyczne. Szkło zaliczane jest do izolatorów, a jego przewodność cieplna jest kilka rzędów wielkości mniejsza od ceramiki szklanej. Pod względem mechanicznym, szkła poddane obciążeniu są podobne do właściwości ciał stałych, czyli podlegają prawu Hoocke'a.

Szkła światłoczułe - otrzymujemy przez dodanie niewielkich ilości atomów miedzi, srebra, złota, które podczas naświetlania światłem ultrafioletowym wytracają się i stanowią zarodki krystalizacji szkła, podczas obróbki cieplnej. Dzięki temu wytrzymałość mechaniczna szkieł wzrasta dwukrotnie, zwiększają się własności elektryczne jako izolatora, czyli rośnie oporność. Rośnie również odporność szkieł na zmiany temp. Takie szkła znalazły zastosowanie w budowie izolatorów, na obwodu drukowane, naczynia kuchenne i stołowe.

Charakterystyka polimerów

Polimery są to tworzywa wielkocząsteczkowe, których gwałtowny rozwój (ilość, wielkość) przypada na II połowę 20 wieku, kiedy to zastosowano nowoczesne technologie syntezy. Polimery wielkocząsteczkowe w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi wielu identycznych niewielkich grup atomów, które nazywamy monomerami. Atomami wiążącymi monomery w polimery są atomy węgla np. w polietylenie monomerem jest etylen o wzorze: C₂H₄

Polimery w zależności od kształtu i budowy makrocząsteczki można podzielić na 4 grupy: 1) liniowa; 2) liniowa z rozgałęzieniem; 3) liniowa z wiązaniem poprzecznym; 4) silnie usieciowione.

Polimery liniowe stanowią największą i najważniejszą grupę, sa zbudowane z nanomerów połączonych jeden z drugim w sposób liniowy, tak, że tworzą łańcuch. Między łańcuchami polimerów występują słabe wiązania Wanderwaltza. Polimery podczas ogrzewania szybko miękną i przechodzą w stan ciekły. Stanowią podstawę do otrzymania tworzyw termoplastycznych, bowiem już w temp. 300-400C można nadać polimerom żądany kształt podczas obróbki cieplnej. W temp. pokojowej polimery liniowe są albo całkowicie bezpostaciowe albo krystaliczne częściowo. Przykładem polimeru pionowego oprócz etylenu są związki winylowe, które otrzymuje się przez zastąpienie atomu wodoru w nanomerze etylenowym innym atomem. Jeśli atom wodoru zastąpimy atomem chloru otrzymamy polichlorek winylu.

Polimery liniowe dzięki strukturze łańcuchowej dają się łatwo wyciągać w sypkich temp.

OGÓLNA CHARAKTERYSTYKA METALI

W polimerach silnie usieciowionych makrocząsteczki powstają z monomerów mających więcej niż 2 wiązania aktywne, które prowadzą do utworzenia 2 lub 3 wymiarów. Wiązania kowalencyjne utrzymują całą strukturę polimeru bardzo sztywno. Materiały te nie wykazują znaczącego mięknięcia podczas ogrzewania, a przed stopieniem ulegają rozkładowi. tego typu polimery stanowią podstawę tworzyw termoutwardzalnych. Można je kształtować tylko jeden raz. Przykładem jest bakieryt, żywica epoksydowa. Polimery rozgałęzione i usieciowione lekko, zajmują pod względem struktury własności pomiędzy liniowymi i wysoko usieciowionymi.

Tworzywa wielkocząsteczkowe zachowują się pod wpływem obciążeń zewnętrznych różnie. Zależy to od stopnia krystalizacji i temp. Mogą się zatem odkształcać sprężyście zgodnie z prawem Hook'a, jak i elastycznie lub trwale.

WŁASNOŚCI TWORZYW WIELKOCZĄSTECZKOWYCH można kształtować albo w procesie polimeryzacji albo przez modyfikację (polimeryzacji). Proces polimeryzacji polega na łączeniu się monomerów w duże cząsteczki. Wyróżniamy 2 procesy przebiegu polimeryzacji: 1.polimeryzacja abdycyjna - poliabdycja; 2.polimeryzacja kondensacyja - polikondensacja.

POLIABDYCJA - zachodzi między monomerami, w których występuje wiązanie nienasycone czyli podwójne. jedna część tego wiązania ulega rozerwaniu, wskutek czego powstaje możliwość połączenia się danego monomeru z 2 sąsiednimi monomerami, w których także występuje takie wiązanie. W reakcji tej nie powstaje żaden produkt uboczny. Np. polimeryzacja polietylenu. Jeżeli polimeryzacji abdycyjnej ulega więcej niż 1 rodzaj monomeru, to taki proces nazywa się kopolimeryzacja Produkt to kopolimer. Kopolimery występują w syntetycznych kauczukach.

POLIKONDENSACJA - nie wymaga istnienia w monomerze nienasyconego wiązania. w reakcji tej powstaje produkt uboczny np. woda. Np. powstawanie bakielitu z fendlu. Wielkość polimeru i właściwości zależą od liczby monomerów zawartych w cząsteczce. Liczba ta nazywa się stopniem polimeryzacji i równa się masie cząsteczkowej polimeru podzielonej przez masę monomeru. Stopień polimeryzacji polimeru technicznych od 1000 do 10000monomerów na 1 makrocząsteczkę.

Właściwości fizyczne polimerów nieznacznie tylko zależą od masy cząsteczkowej. Zależą głównie od struktury. Polimery są izolatorami o dużej oporności właściwej od 10¹³ do 10¹⁷ [Ωm]. W przemyśle elektrotechnicznym stosuje się je jako izolatory i dielektryki. Polimery są też dobrymi izolatorami cieplnymi (polistyren). Znane są polimery stabilne w temp 500°C.

Kierunki rozwojów materiału:

Współczesna technika stwarza ogromne możliwości kształtowania struktury jak i właściwości materiałów. Kombinacje z podstawowych grup materiałów: metali, ceramiki, polimerów pozwalają otrzymać materiały o nowych właściwościach, wśród których najliczniejszą grupę stanowią tzw. kompozyty.

POTRZEBY LOTNICZE, WOJSKOWE, KOSMOSU - KOMPOZYTY

Trudno jest zdefiniować kompozyt. Pojawia się jako połączenie materiałów naturalnych lub faz. Kompozyt to jednolity materiał wytwarzany sztucznie z co najmniej 2 komponentów lub faz, o różnych własnościach, i ma różne własności niż składniki wzięte z osobna lub suma dodatnia obu składników. Kompozytem jest także drewno (celuloza i lignina) jak i bambus (trawa).

PODZIAŁ KOMPOZYTÓW:

Kompozyty można podzielić na: a)warstwowe b)umocnione włóknami [o średnicy od ułamka mikrometra do kilkuset mikrometrów i od kilku do 70% objętości c)umocnione siatką d)umocnione tkaniną e)umocnione cząstkami [o wielkości od 0,01 do 1μm i o procentowym udziale od 2%-25%].

ODPADY:

Stosowany jest podział na materiały konstrukcyjne i funkcjonalne. Konstrukcyjne stosuje się do budowy urządzeń, które ułatwiają pracę fizyczną. Funkcjonalne stosowane są do urządzeń zwielokrotniających działanie naszego umysłu (półprzewodniki, nadprzewodniki, biomateriały, światłowody, kryształy).

Stabilne własności muszą być technologicznie do otrzymania opłacalne, ekonomiczne wytwarzane i przetwarzane. Powinny charakteryzować się brakiem szkodliwego wpływu na środowisko, zarówno w procesie produkcji, jak i eksploatacji i po użyciu. dlatego ważny jest obieg materiałów w przyrodzie.

Część odpadów ulega nieszkodliwemu dla środowiska składowaniu w skorupie ziemskiej (remineralizacji) albo jest ponownie przetwarzane, czyli ulega recyclingowi.

CHARAKTERYSTYKA GRUP NIEMETALICZNYCH

Polimery to związki wielkocząsteczkowe zbudowane z dużej liczby powtarzających się i połączonych między sobą identycznych elementów nazywanych merami. Polimery dzielimy na: a)naturalne i wielkocząsteczkowe związki występujące w przyrodzie: białko, celuloza b)otrzymane z polimeru z pochodzenia naturalnego w wyniku chem. modyfikacji ich własności c)syntetyczne związki wielkocząsteczkowe powstałe w wyniku reakcji chem. z monomerów (etylen, fenol). Polimery zawierają w swojej cząsteczce” wodór, tlen, azot i posiadają dużą masę cząsteczkową np 10000. Polimery nie posiadają ściśle określonych własności fizykochemicznych, są mieszaniną makrocząsteczek o różnym stopniu polimeryzacji.

POSTACI HANDLOWE TWORZYW SZTUCZNYCH

a)Żywica, tłoczywa lub półwyroby b)żywice sztuczne mogą występować jako materiały techniczne do bezpośredniego przetwórstwa albo do wytwarzania tłoczyw, farb, laminatów, lakierów, kitów c)tłoczywa to półfabrykanty służące do formowania wyrobów z tworzyw sztucznych pod wysokim ciśnieniem i podwyższoną temp. Otrzymuje się je z żywic sztucznych d)półfabrykanty tworzyw sztucznych niedostarczane do handlu w postaci folii, płyty, bloków. Laminaty są zbudowane z kilku warstw nośnika złączane w całość za pomocą żywicy. Nośnikami są tkaniny z włókna szklanego, bawełniane, azbestowe. Ze względu na własności użytkowe i technologiczne: 1)elastomery są to tworzywa które podczas próby rozciągania w temp pokojowej wykazują wydłużenie powyżej 100% Wszystkie odmiany kauczuku. 2) plastomery to tworzywa sztuczne które podczas próby rozciągania ulegają tylko niewielkiemu odkształceniu. Przy większych siłach odkształcają się plastycznie i ulegają zniszczeniu. Plastomery dzielimy na: tworzywa termoplastyczne, chemiczne, utwardzalne (chemoplasty) i termicznie utwardzalne (duroplasty). Do tej grupy tworzyw należą policemidy i poliwęglany. Przechodzą one każdorazowo w stan plastyczny w wyższej temperaturze. Po ostygnięciu twardnieją. mogą być wielokrotnie kształtowane, ponieważ nie zmieniają swoich własności chemicznych. Termoutwardzalne ulegają utwardzaniu w temp. pokojowej pod wpływem tzw utwardzaczy (żywice epoksydowe i poliestrowe). Węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny - baza do otrzymania monomerów. Monomery ulegają reakcji poli (polimeryzacji. poliabdycji, polikondensacji). Otrzymujemy polimery, dodawanie do polimerów różnych dodatków daje w wyniku tworzywa sztuczne.

Substancje pomocnicze: a)napełniacze (wypełniacze, które wprowadza się do polimeru dla polepszenia własności i obniżenia kosztów produkcji. Dzielimy je na organiczne (włókna celulozowe) i nieorganiczne (mineralne, mączka, włókna szklane, kreda, grafit)) b)nośniki czyli materiały produkowane w postaci taśm, celulozy. Mogą być z włókna szklanego lub papieru c)zmiękczacze - związki chemiczne, głównie estry kwasu fosforowego d)barwniki i pigmenty - organiczne, nieorganiczne, metaliczne, fosforyzujące e)stabilizatory - utrwalacz własności optycznych, termicznych.

TWORZYWA SZTUCZNE - są to materiały syntetyczne stworzone na bazie polimerów organicznych. Własności fizyczne tworzyw są określone głównie właściwościami polimeru, który stanowi podstawową bazę tworzywa.

Polimery mogą występować w stanie ciekłym i w stałym (nie ma polimerów w stanie gazowym). Posiadają one strukturę amorficzną albo częściowo krystaliczną. Mogą występować w stanie szklistym, wysokoelastycznym lub lepkociągliwym. Polimery są odporne na działanie zasad i stężonych kwasów, różnią się od metali też tym, że są odporne na korozję. Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, a ich rozpuszczalność maleje ze wzrostem masy cząsteczkowej. Polimery usieciowione praktycznie się nie rozpuszczają w rozpuszczalnikach.

---