2. Podstawy nauki o materiałach

30

Rysunek 2.12

Zastosowanie różnych materiałów na elementy samochodu osobowego (na przykładzie Mercedesa SLK)

cer

amiczna ś

wieca

zapłonowa w silnik

u

gniazda zawor

ó

w

z węglików spiek

anych

kadłub silnik

a z żeliwa

lub s

topu aluminium

chłodnica ze s

topu miedzi

ta

rcza koła ze s

tali lub s

topu aluminium

element

y ś

wiat

eł z twor

zywa sztucznego

element układu

wydechowego

ze s

tali odpor

nej

na kor

ozję

2 roz 6-11-02 22:57 Page 30

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

31

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Rysunek 2.13

Przykłady zastosowania nowoczesnych materiałów kompozytowych na elementy samolotu pasażerskiego
Boeing 737 – w nawiasach podano rodzaje włókien użytych do zbrojenia materiałów kompozytowych
(opracowano na podstawie materiałów firmy Boeing)

opr

of

ilowanie kons

tr

ukcji w

spor

czej klap:

– część pr

zednia (włókno węglowe/włókno

ar

amidowe + mat

a z włókniny ar

amidowej)

– część t

ylna (włókno węglowe/włókno szklane)

lo

tki

(włókno węglowe)

s

ter pionowy (włókno węglowe)

kr

awędzie spływu

nier

uchomej

uszt

ywnionej części

pokr

ycia

(włókno węglowe/

włókno ar

amidowe

+ mat

a z włókniny

ar

amidowej)

kr

awędzie spływu nier

uchomej

uszt

ywnionej części pokr

ycia:

– gór

na powier

zchnia

(włókno węglowe/

włókno szklane)

– dolna powier

zchnia

(włókno węglowe/

włókno ar

amidowe

+ mat

a z włókniny

ar

amidowej)

kr

awędzie spływu nier

uchomej

uszt

ywnionej części pokr

ycia:

(włókno węglowe/włókno ar

amidowe

+ mat

a z włókniny ar

amidowej)

dolna powier

zchnia kr

awędzi nat

ar

cia płat

a

(włókno ar

amidowe/włókno szklane)

s

ter wy

sokości

(włókno węglowe)

klapy t

ylne:

– zewnętr

zne (włókno węglowe)

– wewnętr

zne (włókno węglowe/

włókno szklane)

gniazdo zasilania

pomocniczego

(włókno węglowe)

opr

of

ilowanie kr

awędzi

(włókno szklane)

opr

of

ilowanie zas

tr

załów silnik

a

(włókno ar

amidowe/włókno szklane)

kanały sy

s

temu klimat

yzacy

jnego

(włókno ar

amidowe)

klapy komor

y

podwozia na dziobie

(włókno węglowe)

opr

of

ilowanie pomiędzy skr

zydłami

a k

adłubem (włókno węglowe/

włókno ar

amidowe/włókno szklane)

i (włókno węglowe/włókno ar

amidowe

+ mat

a z włókniny ar

amidowej)

element

y osłony silnik

a

(włókno węglowe)

– klapy komor

y podwozia k

adłuba (włókno węglowe)

– opr

of

ilowanie podwozia i klapy komór podwozia

w skr

zydłach (włókno węglowe/włókno ar

amidowe)

int

er

cep

to

ry

(włókno węglowe)

2 roz 6-11-02 22:57 Page 31

2. Podstawy nauki o materiałach

32

Rysunek 2.14

Zastosowanie nowoczesnych materiałów w samolocie transportowym Lockheed C–5A

element z materiału kompozytowego
zbrojonego włóknem szklanym

element z materiału kompozytowego zbrojonego włóknem szklanym,
z rdzeniem aluminiowym o strukturze plastra miodu

aluminiowa struktura plastra miodu

metalowe poszycie, rdzeń z innego materiału

element z materiału kompozytowego
o strukturze plastra miodu pokrytego warstwą tytanową

2 roz 6-11-02 22:57 Page 32

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

33

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Rysunek 2.15

Przykład zastosowania materiałów kompozytowych w a) wiropłacie wojskowym V–22 „Osprey“, b) bombowcu
wojskowym B–2 „Stealth“

materiał kompozy-

towy o osnowie

epoksydowej zbrojony

włóknem węglowym

stopy metali

materiał kompozyto-

wy zbrojonym

włóknem szklanym

inne materiały

a)

b)

0

50

100

UDZIAŁ MASOWY (%)

2 roz 6-11-02 22:57 Page 33

2. Podstawy nauki o materiałach

34

Samolot wojskowy myśliwsko–szturmowy F–15

Śmigłowiec wojskowy Hawk

Samolot wojskowy myśliwsko–szturmowy F–14

Prom kosmiczny

Samolot wojskowy myśliwsko–szturmowy
Mirage 2000 i Mirage 4000

Samolot wojskowy bombowy B–1B

Samolot wojskowy myśliwsko–szturmowy F–18

Samolot wojskowy bombowy B–1B

stateczniki poziome i pionowe

(kompozyt borowo–epoksydowy)

stateczniki poziome

(kompozyt borowo–epoksydowy)

Stateczniki poziome i pionowe

(kompozyt borowo–epoksydowy)

stateczniki pionowe

(kompozyt borowo–epoksydowy)

poszycie skrzydeł
(kompozyt węglowo–
epoksydowy)

klapa (kompozyt

węglowo–

epoksydowy)

zintegrowana
brzechwa sterująca

podłużnica
grzbietowa

tylne pokrywy

awioniki

wahliwie zamontowany
silnik odrzutowy

oprofilowanie

skrzydła

pokrywa

komory

zbrojenia

klapa

poszycie kadłuba
(kompozyt węglowo–
epoksydowy)

podłużnica
grzbietowa
(kompozyt węglowo–
epoksydowy)

poszycie kadłuba

(kompozyt borowo–aluminiowy)

wzmocnienie podłużne

(kompozyt borowo–aluminiowy)

stateczniki poziome

(kompozyt borowo–epoksydowy)

Rysunek 2.16

Przykłady zastosowania materiałów kompozytowych w produkcji współczesnych samolotów wojskowych
oraz promu kosmicznego

2 roz 6-11-02 22:57 Page 34

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

35

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Rysunek 2.17

Przykłady zastosowania materiałów kompozytowych na elementy i podzespoły samolotów pasażerskich Boeing:
a) i b) 737, c) 727, d) 757, e) i f) 767

15 cm

maks. 42 cm

250 cm

1090 cm

typowy przekrój

100 cm

A

przekrój A–A

A

610 cm

aluminiowy osprzęt
i dźwigary płata

żebra wzmacniające

ster wysokości

belki

krawędzi

spływu

płata

struktura skrzynkowa

odejmowana
krawędź
natarcia

pokrywa szczeliny
między kadłubem
i skrzydem

krawędź
natarcia

oprofilowane

końcówki skrzydła

włókna z poliamidów

aromatycznych

rozpórka

nawrotnik

wentylatora

osłona wentylatora

poszycie z kompozytu
wzmocnione włóknami
węglowymi

aluminiowy rdzeń
o strukturze plastra miodu

rdzeń
o strukturze
plastra miodu

osłona
wylotu

dolne i górne poszycie
z kompozytu

płyty górnego poszycia

o strukturze plastra miodu

żebro z włókna
szklanego

zespół żebra
wspornika
siłownika

łączniki
zawiasów
(pięć miejsc)

łączniki
górnego
siłownika

płyta dolnego poszycia
o strukturze plastra miodu

łączniki siłownika
(dwa)

szczegół krawędzi natarcia

oprofilowanie steru
kierunkowego

przeciwciężar

tylny dźwigar

przedni dźwigar
płata

żebro
zamykające

chłodnica

ramiona płata
wychylnego
(pięć)

łącznik

zawiasów

(pięć)

zespół tylnego
dźwigara płata

zespół przedniego
dźwigara i krawędź
natarcia

zawiasy płata wychylnego
(pięć miejsc)

zespół główny

długość: 130 cm
szerokość: 56 cm
powierzchnia: 1,5 m

2

masa: 5 kg

a)

b)

d)

f)

c)

e)

30 cm

2 roz 6-11-02 22:57 Page 35

2. Podstawy nauki o materiałach

36

Rysunek 2.18

Przykłady zastosowania materiałów kompozytowych na elementy i podzespoły samolotów pasażerskich
i wojskowych oraz wiropłatów: a) L–1011, b) F–16, c) B–1B, d) V–22, e) F–16, f) A–6

120 cm

450 cm

A

lite żebra z laminatu (trzy)

żebra kratownicowe (sześć)
kształtowe kołpaki żeber
zastrzały aluminiowe

poszycie epoksydowe
wzmocnione włóknami
węglowymi, pokryte
włóknami ceramicznymi

kompozytowe
poszycie
statecznika

kompozytowa
krawędź
natarcia

moduł skrzynkowy

antena VHF

zakończenie

zintegrowane
dźwigary
kształtowe

zespół
prowadnicy

zespół drzwi

zespół zawiasów

drzwi

czop

element
ustalający

uszczelnienie

użebrowanie układu wykonawczego

usztywnione

poszycie

nasadka

wewnętrzne

poszycie

poszycie
zewnętrzne

kompozytowe
poszycie
górne

kształtka krawędzi

spływu (włókna

szklane)

nasadka

krawędzi spływu

(stal nierdzewna)

przekrój skrzydła w osi symetrii

skrzele

hamulec

klapy

klapolotki

żebra krawędzi natarcia

włókna węglowe

aluminium

tytan

rdzeń
(aluminium)

kompozytowe

poszycie

dolne

ściągacz

zewnętrzny

(włókna szklane)

zdwajacz

nasadka

zdwajacz

wewnętrzny

zdwajacz

kompozytowy
ster kierunku

a)

c)

d)

f)

b)

e)

2 roz 6-11-02 22:57 Page 36

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

37

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Rysunek 2.20

Historyczny rozwój zastosowań
materiałów kompozytowych w różnych
typach samolotów i śmigłowców
(opracowano według J.M. Anglin)

Rysunek 2.19

Zastosowanie materiałów kompozytowych
borowo–epoksydowych do wytwarzania
statecznika samolotu wojskowego F–14A

rdzeń o budowie plastra miodu na całej grubości, z wyjątkiem stref pomiędzy elementami usztywniającymi

aluminiowa krawędź
natarcia płata

aluminiowa
końcówka
skrzydła

bor

bor

tytanowy przedni

element usztywniający

tytanowy tylny

element usztywniający

żebro zewnętrzne

aluminiowa krawędź

spływu płata

podpora zewnętrzna

czopy przenoszące
siły tnące

główne połączenie
klejone

stalowy użebrowany

trzpień mocujący

podpora wewnętrzna

2 roz 6-11-02 22:57 Page 37

2. Podstawy nauki o materiałach

38

Tablica 2.8

Podzespoły wytwarzane z materiałów kompozytowych zastosowane w różnych typach samolotów
(opracowano według danych J.M. Anglin)

łopatki

turbiny

slot,
wlot

hamulec

hamulec

szybkości

Rysunek 2.21

Zastosowanie różnych stopów metali na elementy silnika PW2037 stosowanego w samolocie Boeing 757
(opracowano na podstawie materiałów firmy Pratt & Whitney)

turbina wysokociśnieniowa
ze stopu Ni

komora
spalania
ze stopu Ni

śmigło ze stopu Ti

obudowa wlotowa ze stopu Al

elementy osprzętu

ze stopów Al lub Fe

obudowa wydechu
turbiny ze stopu Ni

łopatki turbiny
ze stopu Ni

sprężarka niskociśnieniowa

ze stopu Ti lub Al

sprężarka
wysokociśnieniowa
ze stopu Ti lub Ni

turbina niskociśnieniowa
ze stopu Ni

2 roz 6-11-02 22:57 Page 38

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

39

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Rysunek 2.22

Schemat wykorzystania stopów aluminiowo-litowych (o składach chemicznych A, B i C podanych w tablicy 2.9)
na elementy samolotu pasażerskiego

osłony

A

skr

zele

A

skr

zele kr

awędzi nat

ar

cia

A

podłużnice gór

ne

A

podłużnice dolne

B

C

int

er

cep

to

ry

A

pr

owadnice ładowni

A

C

s

ter kier

unk

u

A

wr

ęgi

A

lo

tki

A

dr

zwi

A

C

s

ter

y wy

sokości

A

poszycie

A

wr

ęgi wzmocnione

A

B

C

gór

ne komor

y bagażowe

A

dolna

część

skr

zydła

C

klapy

A

B/C

gór

na

część

skr

zydła

A

nos o

twor

u

wlo

to

wego

A

podłoga

A

dźwigar

y

płat

a

C

żebr

a

C

poszycie

B/C

w

spor

nik

A

ok

ap

to

wanie

A

fo

tele

A

B

C

uszczelnienia

A

ubik

acje

A

kanały

A

wr

ęgi

B

C

podłużnice k

adłuba

C

zabudowa k

uchni

C

dr

zwi

B/C

2 roz 6-11-02 22:57 Page 39

Opona promieniowa samochodu jest

przykładem produktu wytworzonego ze zło-
żonych materiałów kompozytowych (rys.
2.24), składając się przynajmniej z trzech
różnych elastomerów, drutu i włókien.
Cis–polibutadien może być dobrym materia-
łem używanym na boki opon, ale ze względu
na obniżenie kosztów zwykle jest mieszany
z naturalnym kauczukiem przed połącze-
niem z osnową opony. Do produkcji bież-
ników opon używana jest natomiast miesza-
nina kauczuku naturalnego z kauczukiem
butadienowo–styrenowym, będącym kopoli-
merem styrenu i butadienu. W ten sposób
tworzy się stosunkowo tani elastomer, który
jest mniej sprężysty niż kauczuk naturalny.

2. Podstawy nauki o materiałach

40

Przednia część kadłuba
poszycie: A, B, C
owiewka: A, B, C
części wewnętrzne: D

Środkowa część kadłuba

poszycie: A, B, C

wręgi wzmocnione: C

wręgi: D

Struktura skrzynkowa skrzydła
poszycie: A, C
dźwigary płata: kompozyty
wręgi: D

Usterzenie

poszycie: A, B, C

część wewnętrzna: A, B, C

osprzęt: odkuwki z C

bieżnik opony

bok

kord

promieniowy

drutówka

uszczelnienie

wewnętrzne

warstwy podkładu

Rysunek 2.24

Przykładowa budowa
radialnej opony samo-
chodowej (opracowano
według G. Weidmanna,
P. Lewisa i N. Reida)

Oznaczenie stopu

Stężenie masowe dodatków stopowych, %

Cu

Mg

Zn

Ti

Zr

Li

2090 [AlCu2,5Li2,5]

2,4÷3

0,25

0,1

0,15

0,08÷0,15

1,9÷2,6

EN–AW 2091 [AlCu2Li2Mg1,5]

1)

1,8÷2,5

1,1÷1,9

0,25

0,1

0,04÷0,16

1,7÷2,3

EN–AW 8090 [AlLi2,5Cu1,5Mg1]

1)

Oznaczenie na

rys. 2.22 i 2.23

A

B

C

1,0÷1,6

0,6÷1,3

0,25

0,1

0,04÷0,16

2,2÷2,7

1)

Według PN-EN 573-3:1998 (porównaj rozdz. 7.1.7).

Tablica 2.9

Oznaczenie i skład chemiczny stopów aluminiowo–litowych wymienionych na rysunkach 2.22 i 2.23

Rysunek 2.23

Schemat wykorzystania
stopów aluminiowo–litowych
(o składach chemicznych A, B
i C podanych w tablicy 2.9
oraz D – odkształconych
nadplastycznie) na elementy
wojskowego samolotu
myśliwsko–szturmowego

2 roz 6-11-02 22:57 Page 40

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

41

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Supernowoczesne materiały stosowane do wytwarzania promu kosmicznego,

zabezpieczające jego powierzchnię przed spaleniem się w czasie wchodzenia
w górne warstwy atmosfery podczas powrotu na Ziemię, zestawiono w tablicy 2.10
i na rysunku 2.25.

Oznaczenie
materiału

1)

Rodzaj materiału

Odporność

temperaturowa,°C

Skład materiału

Lokalizacja na promie

kosmicznym

IZWUW
(FRSI)

izolacja zewnętrzna
wielokrotnego użytku
z włókniny

≤400

włóknina nylonowa,
pokrycie z krzemokauczuku

górna część skrzydła,
powierzchnie górne,
luki komory bagażowej

NIZWU
(LRSI)

niskotemperaturowa
izolacja zewnętrzna
wielokrotnego użytku

400÷650

płytki krzemowe,
borokrzemianowa
powłoka szklana

górne powierzchnie skrzydeł,
powierzchnia ogona, górna
powierzchnia kadłuba

WIZWU
(HRSI)

wysokotemperaturowa
izolacja zewnętrzna
wielokrotnego użytku

650÷1260

płytki krzemowe, boro–
krzemianowa powłoka szklana
z dodatkiem SiB

4

powierzchnie dolne i boki,
krawędzie natarcia i spływu
ogona

WKWW
(RCC)

wzmocniony kompozyt
węglowo–węglowy

≤1650

kompozyt węglowo–węglowy,
poddany pirolizie, pokryty SiC

osłona dzioba i krawędzie
natarcia skrzydeł

1)

Oznaczenie skrótu w języku angielskim w nawiasie.

NIZWU

WKWW

IZWUW WIZWU i NIZWU

WKWW

1260°C

1350°C

1095°C

445°C

1500°C

400°C

540°C

1175°C

650°C

955°C

1095°C

1260°C

1465°C

650°C

425°C

980°C

315°C

650°C

WIZWU

WIZWU

NIZWU

NIZWU

IZWUW

WIZWU

NIZWU

IZWUW

a)

b)

Rysunek 2.25

Lokalizacja różnych elementów systemu ochrony termicznej promu kosmicznego (a) oraz rozkład przybliżonej
najwyższej temperatury występującej na jego powierzchni (b) (opracowano według L.J Korba, C.A Moranta,
R.K. Callanda i C.S. Thatchera); oznaczenia materiałów objaśniono w tablicy 2.10

Tablica 2.10

Materiały wykorzystywane w systemach ochrony termicznej promu kosmicznego

2 roz 6-11-02 22:58 Page 41

PRZYKŁADY NOWOCZESNYCH MATERIAŁÓW

JAKO ZAMIENNIKÓW MATERIAŁÓW TRADYCYJNYCH

W miarę opracowywania i wdrażania nowoczesnych materiałów stają się one

także zamiennikami tych, które stosowano dotychczas. Przykładowo, materiały
wynalezione i wprowadzone z myślą o technice kosmicznej lub lotniczej bardzo
często są wykorzystywane w innych dziedzinach, w tym w sporcie, co zilustrowano
na przykładzie deski surfingowej (rys. 2.26). Wśród wielu powodów takiego
działania wymienić można uproszczenie cech konstrukcyjnych, zwiększenie
trwałości i niezawodności, ułatwienie montażu i technologii, a także zmniejszenie
kosztów materiałowych, wytwarzania i eksploatacji.

Łopata wirującego wirnika śmigłowca przedstawiona na rysunku 2.27 może

posłużyć też jako przykład takiego działania. Dźwigar, który jest częścią łopaty
wirnika i jest głównym elementem nośnym, składa się z warstw pasujących rdzeń
z termoplastycznej piany i jest obudowany osłoną tytanową odporną na erozję.
Statecznik kierunkowy ma rdzeń o lekkiej konstrukcji, w kształcie plastra miodu
z cienkich arkuszy poliamidu aromatycznego. Wszystkie pozostałe składniki są
wykonane z impregnowanych taśm epoksydowych. Płaskowniki tworzące górne

2. Podstawy nauki o materiałach

42

wzmocnienie
szklane

struna
z laminowanego
kompozytu

wzmocnienie
z włókna szklanego

superciągliwa trzywarstwowa
wieloosiowa tkanina
z włókien szklanych

superlekka pianka poliestrowa w kształcie

plastra miodu wewnątrz deski

warstwa

wiążąca

wzmocnienie z tkaniny

z włókien węglowych

pasy włókien węglowych

lub aramidowych

papierowa struktura

w kształcie plastra miodu

przeciwuderzeniowa i odporna

na promieniowanie nadfioletowe

drukowana powłoka

poliwęglanowa

podwójne pokrycie lakierem

poliuretaniwym z wykończeniem

antypoślizgowym

A

A

A–A

Rysunek 2.26

Przekrój deski surfingowej jako przykład struktury nowoczesnych materiałów kompozytowych
(opracowano według K.E. Easterlinga)

2 roz 6-11-02 22:58 Page 42

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

43

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

i dolne ściany boczne zawierające w równych proporcjach włókna szklane
i węglowe są sztywniejsze niż ściana tylna i nos. Wewnętrzną i zewnętrzną warstwę
pokrywającą łopatę wirnika wykonano z tkaniny z włókien węglowych. Koszt takich
łopat jest dwukrotnie wyższy od łopat wykonanych z metalu, ale ich trwałość
zmęczeniowa jest czterokrotnie większa i osiąga około 20000 godzin lotów.

płaskownik ściany tylnej
(współosiowe włókna szklane)

rdzeń w postaci pianki

płaskownik ściany bocznej
(współosiowe włókna węglowo-szklane)

bandaż wewnętrzny
(włókno węglowe pod kątem 45°)

płaskownik w kształcie nosa
(współosiowe włókna szklane)

bandaż zewnętrzny
(włókno węglowe
pod kątem 45°)

osłona
przeciwerozyjna

kołnierz do przymocowania do rotora

płaskownik ściany bocznej
(współosiowe włókna węglowo-szklane)

rdzeń w kształcie
plastra miodu

poszycie
(tkanina szklana)

Rysunek 2.27

Przekrój łopaty wirnika śmigłowca
(według materiałów firmy Westland Helicopters Ltd.)

2 roz 6-11-02 22:58 Page 43

2. Podstawy nauki o materiałach

44

44

Kielich z Ardagh z VIII wieku n.e., będący jednym z najpiękniejszych przykładów sztuki wczesnochrześcijańskiej
w Irlandii, który w roku 1868 przypadkowo znaleziono w kartoflisku, jest wprawdzie wykonany ze srebra, lecz
zawiera liczne inkrustacje z brązu (1). W samym środku nawy głównej Katedry w Pizie we Włoszech wisi lampa
odlana w brązie (2) w 1586 roku przez Vincenza Possentiego na podstawie projektu G. B. Lorenziego, popularnie
zwana „lampą Galileusza”, gdyż uważa się, że obserwując jej ruch wahadłowy Galileusz właśnie odkrył izochro-
nizm wahadła. Plakietka z brązu z XVI wieku (3) ukazuje poziom wyrafinowania osiągnięty przez afrykańskich
rzemieślników z królestwa Benin (obecnie Benin). Podczas IV wyprawy krzyżowej w 1204 roku Wenecjanie
sprowadzili z Konstantynopola kwadrygę z pozłacanego brązu z IV wieku, by w XIII wieku rumaki wystawić na
galerii nad portalem głównym Katedry św. Marka (4), które od tego czasu stały się symbolem miasta (w roku
1982 ten cenny zabytek umieszczono w muzeum, a Katedrę zdobi kopia pomnika). W latach
1425-1452 Lorenzo Ghiberti wykonał w brązie częściowo pozłacanym bramę Baptysterium we Florencji (5) z 10

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

2 roz 6-11-02 22:58 Page 44

2.1. Materia i jej składniki

45

45

kwaterami z płaskorzeźbami o wymiarach 80x80 cm każda (6), uznaną
przez Michała Anioła za „Bramę Raju”, ze względu na bardzo wysoki poziom
artystyczny. Brązowy baldachim (8) wykonany przez Berniniego, jak głosi
tradycja z materiału wziętego z Panteonu, znajduje się pod 120 m kopułą wyko-
naną przez Michała Anioła w Bazylice św. Piotra w Rzymie. Z brązu wykonano
liczne pomniki, w tym św. Błażeja patrona Dubrownika w Chorwacji (7), fontannę
Neptuna w otoczeniu amorków, delfinów i syren (9) w Bolonii we Włoszech, zreali-
zowaną w latach 1563-1566 przez Giambolognę, statuę św. Jakuba w głównym barokowym
ołtarzu w Santiago del Compostella w Hiszpanii (10), niedźwiedzia - symbol Madrytu w Hiszpanii (11), greckiego
wojownika w Sparcie w Grecji (12), don Kichote i Sancho Pancho jako części gigantycznego pomnika Miguele de
Cervantesa Saavedry na placu Hiszpanii w centrum Madrytu (13), Manneken-Pisa w pobliżu Grand Place
w Brukseli w Belgii (14), Syrenki na nabrzeżu w Kopenhadze w Danii (15), Mednogo Wsadnika
w Sankt Petersburgu w Rosji (16), dzieci w prywatnej rezydencji we Francji (17) oraz statków holenderskiego
żeglarza Abla Tasmana w Hobart na Tasmanii (18), wyspie należącej do Australii, którą odkrył w roku 1642. Brąz,
dzisiaj nazywany wieloskładnikowym stopem miedzi z cyną, jest bardzo cennym materiałem inżynierskim
o licznych zastosowaniach, między innymi na śruby okrętowe (19). W kopalni miedzi w Bingham Canyon koło
Salt Lake City w USA (20) wydobywa się rudę podstawowego składnika brązu w ilości 96000 ton dziennie
(w tym tylko 1% miedzi) i 225000 ton odpadów. W Polsce miedź wydobywana jest przez Kombinat Górniczo
-Hutniczy Miedzi w Zagłębiu Lubińsko-Głogowskim.

11

12

13

14

16

17

18

19

20

15

2 roz 6-11-02 22:58 Page 45

2.3.2. Historyczny rozwój materiałów inżynierskich

HISTORYCZNE ZNACZENIE MATERIAŁÓW

Człowiek od zarania dziejów wykorzystywał, a z czasem przetwarzał, materiały

potrzebne do zdobycia pożywienia, zwiększenia swego bezpieczeństwa i zapewnie-
nia sobie odpowiedniego poziomu życia.

Śledząc dzieje cywilizacji ludzkiej można dojść do przekonania, że o jej rozwoju

decyduje w dużej mierze rozwój materiałów i towarzyszący temu rozwój sił wytwór-
czych. Świadczy o tym niewątpliwie między innymi nazwanie różnych okresów
w dziejach ludzkości od materiałów decydujących wówczas o warunkach życia, np.
epoki: kamienia, brązu, żelaza (rys. 2.28). Również wdrożenie różnych wynalazków
stało się możliwe dopiero po udostępnieniu odpowiednich materiałów.

2. Podstawy nauki o materiałach

46

Au

Cu

brązy

żelazo

żeliwo

stale

stale

stopowe

stopy

lekkie

nadstopy

stopy

Ti, Zr

kompozyty

o osnowie

ceramicznej

kompozyty

o osnowie

metalowej

PZWA

PZWW

PZWS

cegła z włóknami

słomy

papier

METALE

POLIMERY

KOMPOZYTY

CERAMIKA

kleje

guma

bakelit

kamień

krzemień

wyroby

garncarskie,

porcelana

drewno
włókna
skóry

szkła metaliczne

stopy Al–Li

stale dwufazowe

stale mikrostopowe

nowe nadstopy

powolny
rozwój

cement

100

75

50

25

0

10000 5000 0 1000 1800

1900 1940 1960 1980 1990 2000 2010 2020

cement

portlandzki

materiały

ogniotrwałe

ceramika szklana

ceramika inżynierska

cermetale

SiO

2

nylon

PE

PW

PS

PP

akryliki

epoksydy

poliestry

polimery

o wysokim

module

sprężystości

polimery

wysoko-

temperaturowe

PMMA

DATA

UDZIAŁ GR

UP MA

TERIAŁÓW W D

ANYM OKRESIE HISTOR

Y

C

ZNYM (%)

Rysunek 2.28

Schemat znaczenia różnych grup materiałów w różnych okresach rozwoju cywilizacji ludzkiej z zaznaczeniem
okresów wprowadzania nowych materiałów – orientacyjną datę oznacza początek opisu
(opracowano według M.F. Ashby’ego); skróty oznaczeń objaśniono w tablicy 2.18

2 roz 6-11-02 22:58 Page 46

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

47

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

Przykładowo, już w notatkach Leonardo da Vinci z piętnastego wieku

znaleziono szkic helikoptera, lecz śmigłowiec wyprodukowano dopiero w latach
czterdziestych dwudziestego wieku. Statki kosmiczne dawno opisano w literaturze,
niezbędnych obliczeń dokonano już w pierwszym dziesięcioleciu dwudziestego
wieku, natomiast pierwszy sztuczny satelita Ziemi wystartował z sukcesem dopiero
pod koniec lat pięćdziesiątych, a pierwszy prom kosmiczny w latach siedemdziesią-
tych XX wieku.

AKTUALNE TENDENCJE W STOSOWANIU MATERIAŁÓW

Śledząc współczesne tendencje rozwoju różnych grup materiałów stwierdza

się, co oczywiste, że udział masowy supernowoczesnych produktów (takich jak
produkty techniki lotniczej i kosmicznej czy nawet materiały biomedyczne)
w całości produktów wytwarzanych przez człowieka, aczkolwiek ciągle rosnący,
nie jest wielki. Na razie nie jest również możliwe opanowanie otaczającej rzeczy-
wistości przez polimery (które tylko wydają się wszechobecne), chociażby z po-
wodu względnie małej odporności na ścieranie i inne rodzaje zużycia oraz na

Stale i inne stopy żelaza

Metale nieżelazne

Aluminium

Nikiel

Tytan

Miedź

Cynk

Ołów

Cyna

Stopy żarowytrzymałe i nadstopy

Materiały ceramiczne i szkła

Beton

Materiały kompozytowe

Materiały kompozytowe z osnową polimerową

Związki nieorganiczne

Materiały polimerowe

Półprzewodniki

Biomateriały

Drewno

Zastosowanie

Materiał

Budownictwo

Transport

Gospodarka morska

Energetyka

Technika kosmiczna

Przemysł zbrojeniowy

Obronność i lotnictwo

Przemysł chemiczny

Wydobycie ropy naftowej

Gospodarstwo domowe

Przemysł elektroniczny i telekomunikacja

Wytwarzanie materiałów

Ochrona zdrowia

Opakowania

Wytwarzanie dóbr konsumpcyjnych

Łączność, elektrotechnika, rekreacja

Inne działy przemysłu

Tablica 2.11

Typowe zastosowania
przemysłowe różnych
grup materiałów

2 roz 6-11-02 22:58 Page 47

korozję, a także ze względu na zakres temperaturowy stosowania, nieprzekracza-
jący 300÷400°C. Ceramika porowata jest domeną budownictwa, chociaż szkło
znajduje również bardzo liczne zastosowania w gospodarstwie domowym, ale
również w produkcji samochodów. Niektóre gatunki ceramiki, zwłaszcza szklanej,
są stosowane nawet w budowie maszyn. Podstawowymi materiałami w budowie
maszyn, przemysłach samochodowym, stoczniowym, maszynowym, gospodarst-
wa domowego, narzędziowym i wielu innych, ale znaczącymi również w budow-
nictwie, są w dalszym ciągu metale i ich stopy, chociaż w wielu przypadkach
z materiałami tymi w podanych zastosowaniach z powodzeniem konkuruje
ceramika inżynierska, a także niektóre materiały kompozytowe. W tablicy 2.11
zestawiono główne zastosowania przemysłowe niektórych grup materiałów
inżynierskich. W tablicy 2.12 podano natomiast postać, w jakiej dostarczane są
najczęściej stosowane materiały inżynierskie.

2. Podstawy nauki o materiałach

48

Postać dostarczenia

Materiał

Arkusze

lub blacha

Folia

Pręty

Rury

Druty

Kształty

konstrukcyjne

Wlewki

Stale

Aluminium i jego stopy

Miedź i jej stopy

Magnez i jego stopy

Metale szlachetne

Cynk

Materiały polimerowe

Elastomery

Materiały ceramiczne

Szkło

Grafit

Oznaczenia: – typowe zastosowanie – ograniczona przydatność – nie stosowane

Tablica 2.12

Porównanie postaci, w jakiej dostarczone są niektóre materiały dostępne na rynku

2 roz 6-11-02 22:58 Page 48

2.3. Znaczenie materiałów inżynierskich

49

w rozwoju cywilizacyjnym ludzkości

2.3.3. Prognoza rozwoju materiałów inżynierskich

PROGNOZA ROZWOJU

RÓŻNYCH DZIEDZIN ŻYCIA I PROCESÓW WYTWÓRCZYCH

Można się pokusić o wizję przyszłości i ocenić tendencje rozwojowe zasto-

sowań różnych materiałów inżynierskich. Związane są one oczywiście z przewidy-
waniami dotyczącymi rozwoju różnych dziedzin życia i procesów wytwórczych.
Na rysunkach od 2.29 do 2.35 przedstawiono te tendencje na podstawie wizji
opracowanych przez poważne gremia uczonych i futurologów.

Już dziś wiele osób wykonuje swoją pracę w domu, wcale go nie opuszczając.

Mieszkanie już za kilka lat będzie musiało być zupełnie inaczej urządzone
i wyposażone (rys. 2.29). Zupełnie inaczej zorganizowane zostaną miasta oraz
transport, a także systemy komunikacji, w tym m.in. nowy system transportu
miejskiego między superwysokimi budynkami, elektrycznie zasilane samochody,
zrobotyzowane systemy bezpieczeństwa oraz utylizacji odpadów komunalnych
(rys. 2.30). System ochrony zdrowia oparty będzie na diagnozowaniu w domu,
żywności nie wywołującej alergii, wczesnym wykrywaniu groźnych schorzeń i ich
zapobieganiu, szerokim wprowadzaniu metod terapii genowej, jak również
implantacji sztucznych organów, w tym serca, oraz nowej generacji biomateriałów
(rys. 2.31). Przyszłościowe rolnictwo, leśnictwo oraz rybołówstwo oparte będą na
osiągnięciach inżynierii genetycznej, opracowaniu upraw nowych roślin, wyko-
rzystujących inne niż fotosynteza procesy oraz na pełnej robotyzacji (rys. 2.32).
Przemysł wydobywczy i wytwórczy oparte zostaną na pełnej robotyzacji, proce-
sach przemysłowego recyklingu wody oraz powietrza, rozwoju technologii ultra-
mikroprocesorowej, jak również wysokowydajnych systemach przesyłania energii
elektrycznej z użyciem materiałów organicznych zastępujących miedź (rys. 2.33).
Znacznemu rozwojowi ulegną systemy zabezpieczenia mieszkańców Ziemi przed
wpływami klimatycznymi, usuwania szkód spowodowanych przez klęski żywio-
łowe, ulewne deszcze, susze, eksploatację lasów tropikalnych oraz pomniej-
szaniem efektów dziury ozonowej (rys. 2.34). Rozbudowane zostaną systemy
obserwacji mórz i oceanów oraz ich skażenia, obserwacji wstrząsów sejsmicz-
nych, a do prac podwodnych wprowadzone zostaną roboty. Technika kosmiczna
z wykorzystaniem energii słonecznej, upowszechnieniem lotów kosmicznych
doprowadzi do rozwoju unikalnych technologii i organizacji fabryk kosmicznych
dla potrzeb produkcji rynkowej, organizacji baz obserwacyjnych na Księżycu oraz
wypraw na Marsa (rys. 2.35).

2 roz 6-11-02 22:58 Page 49