Inżynieria powierzchni jest dziedziną
powstałą wskutek dążenia do otrzymania w
materiałach bardzo dobrych właściwości
wytrzymałościowych, dużej twardości i
odporności na ścieranie, przy jednoczesny
zachowaniu dobrych własności
plastycznych.

Hartowanie powierzchniowe polega na
nagrzaniu jedynie powierzchni hartowanego
materiału (aby uzyskać strukturę
martenzytu):
-

kąpielowe (odbywa się w roztopionych

metalach)
-

płomieniowe (nagrzewanie za pomocą

płomienia)
- indukcyjne

(nagrzewanie za pomocą

indukowanych prądów wirowych o dużej
częstotliwości, które krążą po powierzchni i
powodują silne jej rozgrzewanie)

Obróbka cieplno-chemiczna polega na
dyfuzyjnym wprowadzeniu do warsty
powierzchniowej obcego pierwiastka, w celu
wywołania odpowiednich zmian. Stosuje się

ją dla uzyskania odpowiedniego kompromisu
między twardością a plastycznością.
- dyfuzyjne nasycanie niemetalami
- dyfuzyjne nasycanie metalami
-

dyfuzyjne nasycanie wieloskładnikowe

Nawęglanie - dyfuzyjne nasycanie węglem
warstwy powierzchniowej przedmiotu.
Węgloutwardzanie - proces oparty na
nawęglaniu a następnym hartowaniu i niskim
odpuszczaniu.
Metody:
- proszkowe - wygrzewanie w 900-950 w
obecności proszku do nawęglania
(karburyzatora). Kilka -

kilkanaście godzin,

bez możliwości kontroli procesu.
- gazowe - wygrzewanie w 900-950 w
środowisku gazowym. Proces krótszy i
łatwiejszy w kontrolowaniu.
W/w metody stosuje się do stali
niskowęglowych w celu utrzymania warstwy
o głębokości 0,6 - 2,0mm.

Azotowanie
-

utwardzające - utwardzenie stref

przypowierzchniowych (twarda i trudno
ścieralna warstwa o grubości 0,1 - 0,6mm.
Temp. 480-600, czas 10-100h.
- przeciwkorozyjne -

grubość warstwy 0,02-

0,04mm. Temp. 600-700, czas 1h.
Azotuje się średniowęglowe stale bogate w
pierwiastki tworzące twarde i trwałe związki
z azotem (Al, Cr, V, Mo).
Metody:
- gazowe
- jarzeniowe

Metody CVD (chemiczne osadzanie z fazy
gazowej) - nanoszenie twardych warstw
głównie azotków i węglików na powierzchnię
metalu. Temp. 1000

Metody PVD (fizyczne osadzanie z fazy
gazowej) -

wykorzystują procesy fizyczne:

odparowanie, rozpylanie katodowe, jonizację
gazów. Temp. normalna lub 200-500.

Podstawowe metody umacniania metali
- roztworowe
- granicami ziaren

-

odkształceniowe

- wydzielinowe
-

cząstkami

-

poprzez przemianę fazową

Umocnienie roztworowe *
Dyslokacje oddziałują z atomami
rozpuszczonymi, gdyż wokół defektów
występują pola odkształceń sprężystych.
Ruchliwość dyslokacji w ciele stałym jest
ograniczona przez atomy domieszki w
roztworze. Przykład: dodatek cynku do
miedzi.

Umocnienie granicami ziaren
Zależność Halla-Petcha
sigma = sigma_zero + k * d^(-1/2)
sigma_zero, k -

stałe

d -

wielkość ziarna materiału

sigma określa własciwości
wytrzymałościowe (Re, twardość).
Zmniejszenie wielkości ziaren = skrócenie
drogi swobodnej dyslokacji. Jest to
skuteczna metoda zwiększenia
wytryzmałości materiałów jednofazowych.

Umocnienie odkształceniowe
Etapy odkształcenia monokryształu o sieci
RSC:
-

stadium łatwego poślizgu - zachodzi ruch

dyslokacji w uprzywilejowanych systemach
poślizgu. Wolne umocnienie materiału.
Gęstość dyslokacji rośnie.
- stadium szybkiego umocnienia - ruch
dyslokaci w systemach poślizgu
zorientowanych mniej korzystnie
(wymagajacych większych naprężeń).
Liczba dyslokaci kotwiczonych
(blokowanych) wzrasta. Szybkie umocnienie
materiału.
- stadium zdrowienia dynamicznego -
uruchomienie dyslokacji śrubowych.
Zachodzą procesy anihilacji dyslokacji.
Spada szybkość umocnienia. Gęstość
dyslokacji lokalnie zmniejsza się.

Umocnienie odkształceniowe

^Krzywa
rozciągania
miękkiej stali

Umocnienie wydzielinowe *
Jest efektem wydzielenia rozpuszczonego
składnika z przesyconego roztworu stałego,
co temp. niższej prowadzi do zmiany
struktury i właściwości stopu.

Umocnienie cząstkami *
Wprowadzenie drobnych czastek fazy nie
rozpuszczalnej w osnowie (sieci
krystalicznej głównego składnika), np.
stabilnych tlenków.

Umocnienie poprzez przemianę fazową *
Poprzez przemianę martenzytyczną.

Krystalizacja z fazy ciekłej
1 zarodkowanie (hetero- i homogeniczne)

- heterogeniczne

1homo 2hetero

- homogeniczne - warunkiem samorzutnego
zachodzenia procesu jest obniżenie entalpii
swobodnej układu G.

delta_g_z = -4/3 * pi * r^3 * delta_g + 4 *
pi * r^2 * sigma

2 wzrost kryształów
-

schodkowy model wzrostu kryształu, słabo

potwierdzony doświadczalnie
-

śrubowy model wzrostu kryształu, często

znajduje potwierdzenie w doświadczeniach

Segregacja składu chemicznego
Krystalizacja

stopów różni się od krystalizacji

czystych metali ze względu na rozdział
składników pomiędzy fazę stałą i ciekłą.
Miarą tego zróżnicowania jest współczynnik
rozdziału k_zero = c_z / c_zero.

Morfologia frontu krystalizacji
-

szybkie chłodzenie cieczy prowadzi do

dużej częstości zarodkowania i małej
szybkości wzrostu krzystałów, co skutkuje
uzyskaniem struktury drobnoziarnistej.
- krystalizacja w gradiencie temperatury
prowadzi do otrzymania anizotropowej

mikrostruktury w postaci ziaren
kolumnowych.
-

wolne chłodzenie cieczy prowadzi do małej

częstości zarodkowania i dużej szybkości
wzrostuk co umożliwia otrzymanie dużych
ziaren - zastosowanie np. w
monokrystalizacji.

Krystalizacja dendrytyczna

Zdrowienie
W podwyższonych temp. następuje
zdrowienie uprzednio odkształconego
materiału. W wyniku zdrowienia następuje

porządkowanie układu dyslokacji. Zachodzi
proces anihilacji dyslokacji i ich poligonizacji.

Rekrystalizacja
Polega na ruchu szerokokątowych granic
ziaren i prowadzi do przekrystalizowania
wcześniej odkształconego plastycznie
materiału. Nowe ziarna posiadają małą
gęstość dyslokacji. Zostają przywrócone
właściwości sprzed odkształcenia (likwidacja
umocnienia). Graf:
Stan stabilny -

> odkształcenie plastyczne ->

stan metastabilny -> zdrowienie i
kreksytalizacja -

> Stan stabilny (zamknięte

koło)
Rodzaje rekrystalizacji:
-

częściowa

-

całkowita

-

wtórna

- selektywny rozrost ziaren

Warunki rekrystalizacji.
Temp. rekrystalizacji -

temp., w której

materiał zrekrystalizuje całkowicie w 1h.
T_r = a * T_m [K]
a -

wsp. zależny od czystości metalu

(zawartości pierwiastków stopowych). a =
0,35 - 0,6

Odkształcenie krytyczne - minimalne
odkształcenie konieczne do zajścia procesu
rekrystalizacji (zwykle 2-12%)

Obróbka plastyczna
- na zimno

(poniżej temp. rekrystalizacji)

prowadzi do umocnienia
-

na gorąco (powyżej temp. rekrystalizacji)

umocnienie mo

że być likwidowane przez

rekrystalizację dynamiczną

Materiały polimerowe
Kompozycje, w których głównym
składnikiem są polimery. Mogą one zawierać
również takie składniki jak: napełniacze,
stabilizatory, antyutleniacze, antyozonanty,
antystatyki, antypireny, plastyfikatory,
barwniki i wiele innych.
Polimery to związki chemiczne, które
składają się z wielu powtarzających się
jednostek strukturalnych, tzw. merów.

Budowa polimerów
Podstawowymi częściami budowy
polimerów są mery. Mer (inaczej jednostka
podstawow

a) składa się z grup atomów

połączonych ze sobą wiązaniami
chemicznymi. mer jest elementem
strukturalnym makroczęsteczki. W

makrocząsteczkach występują wiązania
chemiczne (kowalencyjne i jonowe).
Makrocząsteczki połączone są między sobą
za pomocą fizycznych wiązań
międzycząsteczkowych lub wiązań
kowalencyjnych.

Otrzymywanie polimerów
Makrocząsteczki powstają w procesie
łączenia związków małocząsteczkowych
(monomerów) w wyniku polireakcji. Ciężar
czasteczkowy monomerów wynosi
10*10^2j.m.a. {{j.m.a jednostka masy
atomowej to inaczej unit u}} i jest ich cechą
identyfikacyjną.

Czynniki wpływające na właściwości
polimerów
Mery są najczęściej zbudowane z C, H, N,
Cl, F, w nowszych również Si, B, Mn, Co, Ni
i innych. Rodzaj ato

mów decyduje o rodzaju

i wielkości energii wiązań chemicznych
między atomami, o stoponiu polarności
makrocząsteczek, a w następstwie o energii
fizycznych oddziaływań
międzyczasteczkowych i

wewnątrzcząsteczkowych.
Jednym z parameterów opisujących
makroczasteczki polimeru jest ich

średni

ciężar cząsteczkowy (nie mylić z ciężarem
cząsteczkowym). Jego wartość zależy od
ilości i ciężaru cząsteczkowego cząsteczek
makrocząsteczek danego polimeru. Do
grupy polimerów zalicza się związki, których
średni ciężar czasteczkowy wynosi powyżej
10^4j.m.a.

Budowa przestrzenna makrocząsteczki

Izomeryzm
Izomeria geometryczna i stereoizomeria
dotyczy cząsteczek o takim samym składzie
chemicznym, ale różnym sposobie
rozmieszczenia atomów w przestrzeni, co
powoduje znaczące różnice we
właściwościach polimerów.
Rodzaje stereoizomeryzmu
a) polimer izotaktyczny
b) polimer syndiotaktyczny
c) polimer ataktyczny

Struktura polimerów
Rózne postaci konformacyjne
makrocząsteczek
a) kłębek
b) całkowicie wyprostowana
c) pofałdowane
d) zwinięte w helisę

a) struktury typu spaghetti o statystycznym
splątaniu makrocząsteczek
b) agregaty makroczasteczek
c) mic

elle frędzlowate

d) struktury lamelarne

Struktura krystaliczna polimerów
Polimery nie krystalizują w 100%. Struktury

częściowo krystaliczne, zawierające wiele
defektów i zamrożonych obszarów
nieuporzadkowanych. Stopień
k

rystaliczności opisuje ułamkową zawartość

obszarów, w których wystepuje
trójwymiarowe uporządkowanie dalekiego
zasięgu, w macie polimeru.

Stany mechaniczne polimerów
Temp. charakterystyczne polimerów:
T_kr -

temp. kruchości

T_g - temp. zeszklenia (dotyczy fazy
amorficznej)
T_m - temp. krystalizacji (dotyczy fazy
krystalicznej)
T_p -

temp. płynięcia

T_r - temp. rozpadu

Stan sprężysty kruchy (szklisty) - od temp.
najniższej do temp. kruchości T_kr
Stan lepkosprężysty (spręzysty z
wymuszoną elastycznością) - od temp.
kruchości T_kr do temp. zeszklenia T_g
Stan wysokoelastyczny - od temp.
zeszklenia T_g do temp. płynięcia T_p.
Stan lepkopłynny (plastyczny) - od temp.
płynięcia T_p wzwyż.

Od

kształcenie w polimerach

-

sprężyste (spręż) - wynik zmiany odległości

międzyczasteczkowych oraz
międzyatomowych. Wprost proporcjonalne
do naprężenia (prawo Hooke'a)
- wysokoleastyczne (we) - wynik zmian
położenia merów lub segmentów łańcucha
makroczasteczki, zachodzacych w wyniku
obrotów wokół wiązań chemicznych, bez
naruszania długości wiązań i kątów między

nimi. Odkształcenie zanika w określonym
czasie po zdjęciu obciążenia.
- plastyczne (plas) - wynik przegrupowania
łańcuchów i ich fragmentów. Nieodwracalne.
-

całkowite: {{ E = Epsilon }}

Ecałk = Espręż + Ewe + Eplas

Krzywa rozciągania w stanie szklistym z
wymuszoną elastycznością (stan
lepkosprężysty, od temp. zeszklenia T_g do
temp. płynięcia T_p):

Krzywe rozciągania dla wszystkich stanów:

Klasyfikacja polimerów
Według pochodzenia
- naturlane (np. kauczyk, gutaperka,
celuloza, skrobia) -

są przetwarzane

chemicznie lub fizykochemi

cznie. Nie są

używane w formie, w jakiej występują w
przyrodzie.
- syntetyczne - otzrymane w wyniku syntezy
chemicznej.

Według właściwości przetwórczych
- termoplasty - zdolne do wielokrotnego
przechodzenia pod wpływem ciepła ze stanu
stałego w stan plastyczny lub ciekły oraz
odwrotnie. Zmiany własciwości nieznaczne.
Dzielą się na:
- polimery bezpostaciowe (amorficzne)
(PS, PVC, PMMA, PC, PSO)
-

polimery krystaliczne, częściowo

krystaliczne (PE, PP, PA, POM, PTFE)
- duroplasty -

ze względu na strukturę

przestrzennie usieciowaną mogą być
przetwarzane tylko jednokrotnie. W
zależności od czynnika powodującego
sieciowanie grupę tę dzielimy na:
- polimery termoutwardzalne (PF, UF, MF)
- chemoutwardzalne (EP, SI, PUR, UP)
- tworzywa sztuczne (polimery spr

ężyste i

lepkosprężyste, plastomery) to materiały,
które w szerokim zakresie temperatur
zachowują się jak ciała sprężyste lub
lepkosprężyste.
- elastomery - polimery w stanie
wyokoelastycznym, materiały gumowe i

gumopodobne
-

włókna syntetyczne - materiały

ukształtowane w ten sposób, że
makrocząsteczki polimeru są zorientowane
względem siebie równolegle do kierunku
rozciągania
- kompozyty polimerowe -

materiały

polimerowe utworzone z polimeru jako
osnowy i różnego rodzaju zbrojenia
- lakiery -

materiały polimerowe, w których

polimery wykazują zdolność do tworzenia
ciąłych błon i przeczepność do podłoża.
- kleje -

materiały polimerowe, w których

polimery wykazują dużą przeczepność do
łączonych materiałów
- mieszaniny i stopy polimerowe - to
materiały zbudowane z 2. lub więcej
rodzajów polimerów. Kompozycje
niejednorodne nazywane są mieszaninami,
a jednorodne - stopami.

Wpływ szybkości odkształcenia:

Krzywe pełzania przy różnych temp.
polimerów amorficznych:

Krzywe relaksacji naprężeń przy różnych
temp. polimerów amorficznych:

Krzywe relaksacji naprężeń polimerów
krystalicznych przy T_g<t<T_p. Liczby nad
krzywymi informują o stopniu
krystaliczności.

Odporność na środowisko
-

działanie rozpuszczalników organicznych i

wody
-

działanie cieczy agresywnych

-

odporność na działanie korozji

naprężeniowej
-

palność

- korozja biologiczna
-

działanie promieniowania UV

Właściwości optyczne
Z mat. polimerowych wytwarza się:
soczewki, pryzmaty, przeszklenia,
światłowody, nośniki informacji. Mają
wielokrotnie większą przepuszczalność
światła widzialnego niż szkła nieorganiczne.
Przezroczyste i przeświecalne są
niemodyfikowane polimery amorficzne.

Właściwości elektryczne
Mat. polimerowe są w większości dobrymi
lub bardzo dobrymi izolatorami. Istnieją
przewodniki i półprzewodniki.

Właściwości magnetyczne
Większość to diamagnetyki. Znane są
ferromagnetyczne ale ich temp. Curie jest
bliska temp. pokojowej.

Przetwórstwo polimerów
- wtryskiwanie - we wtryskarce dochodzi do
uplastycznienia tworzywa a następnie do
wtrysku pod ciśnieniem z określoną
prędkośćią do zamkniętej formy. Wysoka
jakość i powtarzalność

- rozdmuchiwanie - rozdmuchiwanie
półproduktu (np. rurki) w formie. Polimer
nagrzewany do uplastycznienia.
-

formowanie cieczy o dużej lepkości -

rozgrzany wsad polimerowy ściskany jest
pomiędzy dwiema częściami matrycy
- wciskanie do formy - wsad polimery
znajdujący się w podgrzewanej formie jest
wciskany do wnę formy przez tłok.
-

wytłaczanie

-

walcowanie formujące

- kalandrowanie
- odlewanie
- i inne.

Recykling polimerów
7% odpadów to mat. polimerowe,
objętościowo 30%. Nie ulegają
biodegradacji.
Proces utylizacji:
-

zbiórka

- sorto

wanie (obejmującego wstępne

oddzielenie polimerów od innych materiałów,
rozdrabnianie, oddzielanie ciał obcych,

sortowanie tworzyw według rodzajów)
- mycie
- suszenie
-

recykling (różne technologie: materiałowy,

surowcowy, termiczny)

Kompozyt -

materiał utworzony z co najmniej

dwóch komponentów (faz) o różnych
właściwościach i w taki sposób, że ma
właściwości lepsze i/lub właściwości nowe
(dodatkowe) w stosunku do komponentów
użytych osobno lub wynikających z prostego
sumowania tych właściwośći - kompozyt jest
materiałem zewnętrznie monolitycznym,
jednakże, z widocznymi granicami pomiędzy
komponentami.
Jeden z komponentów kompzytu nazywa się
zbrojeniem, a drugi

osnową.

definicja Krocka i Broutmana:
1) kompozyt jest materiałem wytworzonym
przez człowieka
2) m

usi składać się z conajmniej dwóch

różnych (pod względem chemicznym)
materiałów z wyraźnie zaznaczonymi

granicami rozdziału między nimi
3) komponenty kompozytu tworzą go przez
udział w całej objętości
4) kompozyt powinien mieć własciwości
różne od jego komponentów

Podział kompozytów
w zalezności od pochodzenia:
- naturalne
- zaprojektowane i wykonane przez
człowieka

według przeznaczenia:
- konstrukcyjne
- funkcjonalne

według rodzaju osnowy:
- o osnowie niemetalicznej
- polimerowej
- ceramicznej
-

półprzewodnikowej

- o osnowie metalicznej

Efekt x-y -

jakakolwiek właściwość fizyczna

materiału jest efektem oddziaływania
fizycznego x wywołującego efekt y

Reguła mieszanin
Obowiązuje dla właściwości sumarycznych.
Np. mod

uł Younga kompozytu E_k można

obliczyć jako:
E_k = E_z * C_z + E_o * (1 - C_z)
E_z -

moduł Younga zbrojenia

E_o -

moduł Younga osnowy

C_z -

udział zbrojenia (ułamek)

Wpływ wielkości zbrojenia
- przy zbrojeniu czastkami - im mniejsza
średnica cząstki tym większa wytrzymałość
kompozytu (współczynnik wzmocnienia)
-

przy zbrojeniu włóknem - im większa

długość włókna tym większa wytrzymałość
(stabilizuje się na pewnym poziomie)

Krytyczna długość włókna - długość, przy
której włókno osiąga 90-97% naprężenia we
włóknie nieskończenie długim.

Wpływ długości włókna na wartość
działającego w nim naprężenia normalnego:

Wytrzymałość kompozytu w funkcji długości
włókna:

Wpływ udziału włókien w kompozycie
szklano epoksydowym na jego wytrzymałość
i gęstość:

Wpływ orientacji włókien na właściwości
kompozytu szklano epoksydowego:

Wykresy roz

ciągania dla włókna i dwóch

rodzajów osnowy:

Wpływ średnicy włókna na jego
wytrzymałość:

Wpływ temp. obróbki cieplnej na a) moduł
Younga i b) wytrzymałośc włókien
węglowych

Włókna stosowane na zbrojenie
- szklane (typ E)
-

węglowe (typ SM)

-

węglowe (typ HM)

- kevlar
- boru
- SiC
- Al2O3

Wyroby z włókna szklanego
- roving
- tkaniny rovingowe
-

roving cięty

-

włókna mielone

- maty szklane z

rovingu ciętego

-

przędza i nici szklane

-

tkaniny z przędzy

Kompozyty o osnowie polimerowej
temp. stosowania do 400

Proces wytwarzania kompozytów
polimerowych
1. odwzorowanie kształtu wyrobu jako formy
lub wykonanie modelu
2. wykonanie foremnika (sztywnego lub
elastycznego)
3. naniesienie na foremnik warstwy
rozdzielczej
4. wykonanie warstwy licowej (cienka

warstwa kompozytu zbrojona twardymi
cząstkami zwierająca np. barwniki)
5. układanie zbrojenia i nasycanie
polimerem
6. wyjęcie kompozytu z foremnika

Warunki uzyskania wysokich właściwości
1. utrzymanie niezmienności wybranego
stopnia nasycenia
2. zapewnienie prostoliniowości włókien oraz
równoramienności ich rozłożenia
3. zredukowa

nie do minimum zawartości

pęcherzy powietrza i innych wad
strukturalnych
4. zachowanie zaplanowanej orientacji
włókien w kolejnych warstwach

Nasycanie osnowy metalem
- zasysanie kapilarne
-

wykorzystanie ciśnienia

-

wykorzystanie próżni

Materiały inteligentne - to takie, które są
zdolne do reagowania na bodźce
zerwnętrzne przez istotną zmianę swych

właściwości dla pożądanego i skutecznego
odpowiedzenia na te bodźce. Powinien
spełniać funkcję czujnika, procesora i
urzadzenia uruchamiającego (aktuatora).
Właściwości te powinny wykazywać efekt
sprzężenia zwrotnego.
-

stopy metali z pamięcią kształtu

-

ceramiczne materiały piezoelektryczne

-

polimerowe materiały piezoelektryczne

-

materiały magnetostrykcyjne

- ciecze reologiczne
- polmery i kompozyty polimerowe (z
pamięcią kształtu, piezoelektryczne,
polimerowe ciecze jonowe i inne)
- electrochromic materials
- tunable dielectrics
-

materiały chiralne

-

światłowody

-

polimery przewodzące

Porównanie podstawowych materiałów
inteligentnych:

Zjawisko piezoelektryczne
Materiały piezoelektryczne przetwarzają
energię elektryczną w mechaniczną i
odwrotnie.
Efekt piezoelektryczny:
- prosty
Ściskanie próbki generuje ładunek odwrotny
do kierunku polaryzacji.
Rozciąganie generuje ładunek zgodny z
kierunkiem polaryzacji.
Związek polaryzacji P_i z naprężeniem
sigma_jk:
P_i = d_ijk * sigma_jk

- odwrotny
Napięcie przyłożone przeciwnie do kierunku
polaryzacji powoduje wydłużenie próbki.
Napięcie przyłożone zgodnie - kurczenie się
próbki.
Związek odkształćenia epsilon_i z
natężeniem pola elektrycznego E:
epsilon_i = d_ijk * E_jk
d_ijk -

moduł piezoelektryczny [C/N] [m/V]

inny moduł piezoelektryczny g_ijk [Vm/N]:
E_i = g_ijk * sigma _jk

Modułu d i g są tensorami trzeciego rzędu.
Podaje się składowe d_33, d_13, g_33,
g_13;
Stosuje się również moduł d_h, dla ciśnienia
hydrostatycznego.
Wsp. sprzężenie elektromechanicznego:
k = sqrt(mechaniczna_energia_uzyskana /
elektryczna_energia_włożona) =
= sqrt (elektryczna_energia_uzyskana /
mechaniczna energ

ia włożona)

Ferroelektryczna ceramika piezoelektryczna
Ferroelektryczne mat. ceramiczne ulegają
spontanicznej polaryzacji elektrycznej.
Materiały te są charakteryzowane przez
polaryzację remanencji, koercję i temp.
Curie.

Struktura krystaliczna ceramiki
ferroelektrycznej
Piezoelektryczne mat. ceramiczne o
największym znaczeniu technicznym
posiadają strukturę perowskitu o ogólnym
wzorze ABO3

Powyżej temp. Curie, komórka elementarna
podstawowych mat. piezoceramicznych jest
niespolaryzowana, a poniżej temp. Cure -
spolaryzowana i rozciagnięta w kierunku
pola elektrycznego.

Podstawowe materiały piezoelektryczne
- tytanian baru BaTiO3
-

tytatnian ołowiu PbTiO3

-

nioban ołowiu i magnezu (PMN)

PbMg(1/3)Nb(2/3)O3
- cyrkonian -

tytanian ołowiu (PZT): roztwór

stały PbZrO3 i PbTiO3
- ceramika PZT twarda: domieszkowana K i
Na w pozycji A lub Fe, Al, Mn w pozycji B
- ceramika PZT miekka: domieszkowana La
w pozycji A lub Nb i Sn w pozycji B

Postać ceramicznych materiałów
piezoelektrycznych
-

materiały lite (polikryształy, monokryształy)

-

włókna

- warstwy
- mat. z gradientem struktury

Monokryształy ceramicznych materiałów
piezoelektryczncyh wykazują wyższe
właściwości od polikryształów.

Wytwarzanie ceramicznych materiałów
piezoelektrycznych
1. mieszanie substancji wyjściowych
(prostych tlenków)
2. suszenie
3. kalcynacja mieszaniny tlenków - powstaje
faza o właściwościach piezoelektrycznych
4. mielenie (na mokro lub sucho) z
dodatkiem środka ułatwiającego
kształtowanie
5. suszenie
6. ks

ztałotwanie (prasowanie, wyciskanie i

inne)
7. wypalanie organicznego materiału
wiążącego (atmosfera utleniająca, temp.
500)
8. spiekanie (dla PZT: atmosfera PbO, temp.
1200-1300)
9. obróbka mechaniczna
10. nakładanie elektrod (napylanie, metody

chemiczne itp.)
11. polaryzacja (temp. 100-200, pole
elektryczne o natężeniu 1-4kV/mm)

Materiały piroelektryczne
Podgrupa materiałów piezoelektrycznych.
Zmiana polaryzacji następująca pod
wpływem ciepła powoduje powstanie
sygnału elektrycznego. Używane do budowy
czujników podczerwieni.

Zastosowania
- sensory -

oddziaływanie mechaniczne

rejestrowane jest przez powstanie efektu
elektrycznego
- aktuatory - efekt elektryczny przetwarzany
jest na przemieszczenie mechaniczne
- przetworniki - filtry piezoelektryczne,
transformatory, linie opóźniające
Dziedziny zastosowań: automatyka,
mikromanipulacja (urządzenia do
dokładnego pozycjonowania), techniki
pomiarowe, medycyna (diagnostyczne
techniki ultradźwiękowe)
- silnik piezoelektryczny

Stopy z pamięcią kształtu - mają zdolność
do zapamiętywania nadanego im kształtu
tzn. poddane odkształceniom trwałym w
odpowiednich warunkach powracają do
poprzedniego kształtu. Czynniki powodujące
zmianę kształtu: temperatura, pole
magnetyczne, odciążenie wcześniej
obciążonego materiału.
SMA -

pamięć kształtu indukowana

termicznie
MSMA -

pamięć kształtu indukowania polem

magnetycznym

Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu -
odkształcenie martenzytu w temp. niższych
od M_f powoduje jego orientację
(odkształcenie nie może przekroczyć pewnej
wartości krytycznej). Nagrzewanie stopu
powoduje przemianę odwrotną (martenzytu
w austenit) czemu towarzyszy odzyskanie
kształtu fazy wysokotemperaturowej.

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu -
materiał zapamiętuje kształt fazy
wysokotemperaturowej i
niskotemperaturowej. Przejście od jednego
do drugiego odbywa się bez udziału
naprężeń a tylko na skutek zmiany temp. w
zakresie od M_f do A_f. W tym przypadku
konieczną cechą przemiany
martenzytycznej jest spontaniczne

powstanie martenzytu zorientowanego. Taki
efekt osiąga się prowadząc cykliczną
obróbkę termomechaniczną stopu. W
literaturze można znalzeźć opis trzech
mechanizmów prowadzących do
spontanicznej orientacji martenzytu.

Powtarzalnośc odkształcenia zależy od
stopnia odkształcenia. Poczatkowo maleje,
ale później stabilizuje się ze wzrostem liczby
cykli.

Pseudosprężystość. Efekt jest izotermiczny.
Odkształcenie austenitu w temp. wyższych
od A_f, po przekroczeniu
ch

arakterystycznego naprężenia sigma_Ms

wywołuje przemianę martenzytyczną
indukowaną naprężeniami. Przemiana ta
przebiega przy niewielkich zmianach
naprężenia aż do osiągnięcia
charakterystycznej wartości sigma_Mf.
Towarzyszące temu odkształcenie nie jest
pl

astyczne i może osiągać wartości do około

10% (dla stopów Ni-Ti). Po odciążeniu
materiału zachodzi przemiana odwrotna i w
przedziale naprężeń od sigma_As do
sigma_Af (niższych od sigma_Ms i
sigma_Mf). Krzywa zależności naprężenie-
odkształcenie ma kształt pętli histerezy.
Zjawisko zachodzi tylko w przedziale temp.
od A_f i M_d, w której sigma_Ms zrównuje
się z granicą plastyczności materiału.
Zjawisko pseudosprężystości zachodzi w
"oknie naprężeniowo-temperaturowym"

Zast

osowania pseudosprężystych:

-

protezy kości (podobna zależność

naprężenie-odkształcenie)
-

tłumienie drgań

Magnetyczna pamięć kształtu pozwala na
uzyskanie dużych odkształceń (do 8%)
pojawiających się pod wpływem
zewnętrzenego pola magnetycznego.
Mechanizm zjawiska podobny jest do
opisanego wcześniej jednakże reorientacja
martenzytu następuje przez ruch granic
bliźniaczych, aktytowana polem
magnetycznym. Ruch ścian domen
maganetycznych następującyw czasie

namagnesowania wymusza ruch granic
domen struktural

nych. Sformułowano 3

warunki występowania magnetycznej
poamięci kształtu:
1. przemiana martenzytyczna musi być
termosprężysta
2. faza martenzytyczna musi być
ferromagnetyczna
3. martenzyt musi mieć dużą anizotropię
magnetokrystaliczną

Wytwarzanie elementów z NiMnGa (stop
Heuslera, najsilniejszy efekt pamięci
kształtu, odkształcenie do 6%)
1. oczyszczenie materiałów do topienia -
Mn, Ni, Ga
2. wykonanie polikrystalicznego stopu
3. wytwarzanie monokryształó
4. obróbka cieplna
5. wycinanie, szlifowanie, polerowanie
kształtek
6. obróbka cieplno-mechaniczna -
trenowanie

Zastosowania
-

łaczenie kości

- siatki przepuklinowe
-

aparaty na zęby

-

narzędzia do endodoncji (leczenie

kanałów)
- zawory (hydraulika)
- systemy wentylacyjne
- astronautyka
- robotyka
- oprawki na okulary
-

żyłki wędkarskie

- maszyny do szycia

Magnetostrykcja -

zmiana wymiarów

liniowych pod wpływem zmiany
namagnesowania. Źródłem magnetostrykcji
jest sprzężenie momentu spinowego i
momentu orbitalnego elektronów. W
materiałach GMM moment orbitalny jest
sprzężony z siecią krystaliczną. Zewnętrzne
pole magnetyczne zmienia kierunek wektora
momentu spinowego i wymusza zmianę
kierunku wektora momentu orbitalnego, co

prowadzi do odkształcenia sieci
krystalicznej.
Wymiary

liniowe zmieniają się wraz ze

wzrostem natężenia pola magnetycznego
(niezależnie od kierunku pola)

Efekt Joule'a:
pole magnetyczne -

> odkształcenie

Efekt Villari'ego (magnetomechaniczny):
odkształcenie -> zmiana namagnesowania

Efekt delta_E
zmiana modułu Younga proporcjonalna do
zmiany pola magnetycznego

Efekt Widemanna: przy namagnesowaniu
pierścienia GMM w kierunku prostopoadłym
i równoległym do osi następuje jego skręcani

Odwrotny efekt Widemanna

przyłożenie do

pierścienia momentu skręcającego indukuje
prąd w cewce.

Efekt Brikhausena

: występowanie na pętli

histerezy małych, skokowych zmian
namagnesowania przy ciągłym wzroście
natężenia pola magnetycznego.

Wytwarzanie Tb(0,3)Dy(0,7)Fe(1,95)
Metoda Bridgmana
Kryształy materiału otrzymanego tą metodą
są zorientowane w kierunku <112> -
odchylone od <111> o 19 stopni

Metoda metalurgii proszków
38% kryształów zorientowanych w kierunku
<111>

Niewłasciwe ukierunkowanie materiału
otrzymanego metodą Bridgmana powoduje
skokowe wyd

łużenie przy małych polach

magnetycznych:

Zalety GMM:
-

duże odkształcenia (do 0,2%)

-

możliwość odkształceń dodatnich i

ujemnych w zalezności od składu
chemicznego materiału
- wysoka temp. Curie (380)
- uruchamianie bezkontaktowe (polem
magnetycznym)
- niskie n

apięcia uruchamiające

-

bardzo duża gęstość energii - obciążenia

500-600 MPa
-

mała histereza

- szybka reakcja (mikrosekundy)
-

duża sprężystość i szytwność

-

efektywne przetwarzanie energii (duży

wsp. k)

Wady GMM:
-

konieczność zastosowania cewki

magnesuj

ącej (koszt, masa)

-

straty energii związane z wydzielaniem się

ciepła w cewce magnesującej
-

straty energii wywołane prądami wirowymi

przy dużych częstotliwościach
-

mała odporność korozyjna

Zastosowania GMM
- aktuatory
-

inteligentne skrzydła

- pompy do

pompowania małych objętości

cieczy
-

czujnik siły statycznej/ciśnienia

-

czujnik momentu skręcającego

-

generowanie ultradźwięków

-

monitorowanie stanu elementów z

materiałów konstrukcyjnych

Fotochromowość (fototropowość) szkieł
Szkło fototropowe to szkło światłoczułe,
które pod wpływem określonego rodzaju
promieniowania zmienia (w sposób
odwracalny lub nie) swoje właściwości
optyczne; szkła zmieniające barwę są
stosowane w okularach, budownictwie,
motoryzacji.
Szkło fotochromowe, rodzaj szkła
światłoczułego, które pod wpływem
naświetlania zmienia barwę w wsposób

odwracalny, jest to np. szkło borowo-
krzemianowe z dodatkiem halogenków
srebra (najczęściej chlorku AgCl) oraz
sensybilizatorów (np. tlenku miedzi(I) Cu2O)

Zadaniem szkieł fotochromowych jest
redukc

ja dużego natężenia światła do

niższego poziomu, dzięki zdolnościom do
zmiany właściwości absorpcyjnych, pod
wpływem promieniowania UV. Cechą
charakterystyczną jest to, ze zmiana ta jest
odwracalna. Zmiana transmisji szkła jest
proporcjonalna do zmian natężenia światła.
Gdy natężenie światła jest duże zapewnia
niższą transmisję - ciemne zabarwienie. Gdy
promieniowanie słabnie - szkło powraca do
stanu rozjaśnienia.

- mineralne
- organiczne

- modyfikowane w masie
- modyfikowane powierzchniowo

Czynniki wpływające na transmisyjność
szkieł
- czas
- temperatura
-

grubość (przy modyfikacji w masie)

Zmiany transmisyjności w czasie:

Ceramika
Materiały ceramiczne są to złożone związki

o wiązaniach jonowych lub atomowych
cechujące się dużą trwałośćią chemiczną i
termiczną. Zawierają pierwiastki metaliczne i
niemetaliczne.

Wiązania w ceramice
jonowe -

powstają na skutek przyciągania

się przeciwnych ładunków. Powstała
cząsteczka jest elektrycznie obojętna,
stanowi jednak dipol. Umożliwia to łączenie
się cząstek i tworzenie kryształu. Kryształy
takie cechują się dużą wytrzymałością i
twardością oraz wysoką temperaturą
topnienia.
kowalencyjne -

powstają w wyniku

utworzenia par elektronów o różnych
spinach wiążących atomy. Uwspólnione
ele

ktrony przechodzą kolejno od jednego

atomu od drugiego. Wiązanie jest bardzo
silne i prowadzi do dużej wytrzymałości
mechanicznej.
metaliczne -

jest wynikiem oderwania się

elektronów znajdujących się na ostatniej
orbicie atomu i utworzenia tzw. gazu

elekt

ronowego, tzn. że mogą one się

swobodnie poruszać pomiędzy atomami
wiążąc je ze sobą. Wiązania metaliczne są
bezkierunkowe, zapewniają przewodnictwo
elektryczne i cieplne, dobrą plastyczność.

przemieszczanie się dyslokacji w czystych
chemicznie metalach je

st względnie łatwe,

jednakże wprowadzenie składnika
stopowego powoduje tworzenie się
roztworów stałych lub cząstek faz
międzymetalicznych, co znacznie utrudnia
ruch dyslokacji. W ciałach stałych o
wiązaniach kowalencyjnych ruch dyslokacji
jest trudniejszy.

Ceramika w zastosowaniach inżynierskich:
tlenki, azotki, boirki, węgliki

Budowa tworzyw ceramicznych
- krystaliczna
- amorficzna

Proces wytwarzania
1. konsolidacja proszku (prasowanie)

- na zimno jednoosiowe, izostatyczne
-

na gorąco

- odlewanie z zawiesin wodnych
-

kształtowanie wtryskowe

2. wytwarzanie trwałego połączenia
(spiekanie)
- aktywizacja dyfuzji -

atomy opuszczają

granice ziaren pomiędzy czastkami proszku i
dyfundują do porów.

Elementy mikrostruktury krystalicznych
tworzyw ceramicznych
- pory
-

mikropęknięcia

Charakterystyka tworzyw ceramicznych
- wysokie temp. topnienia
-

mała gęstość

-

odporność na wysokie temp.

-

duża twardość

-

odporność na ściskanie

-

odporność na działanie środowiska

zewnętrznego
- izolacja cieplna
wady:

-

mała plastyczność

-

kruchość

-

mała odporność na drgania mechaniczne

-

wrażliwość na udary cieplne

-

trudność wytwarzania

Wytrzymałość ceramiki
Może pracować na ściskanie, nie może na
rozciąganie

Zastosowanie tworzyw ceramicznych
- elektronika i optoelektronika

-

materiały konstrukcyjne

-

materiały ścierne

-

biomateriały

- energetyka (rury palnikowe, dysze
spawalnicze, wymienniki ciepła, ogniwa
paliwowe, baterie)
-

turbiny gazowe (sprężarka, komora

spalania, pierścienie uszczelniające, wirnik)
-

części silników (rotory turboładowarek,

końcówki wahaczy, komory wirowe,
sworznie tłokowe)
-

powłoki ochronne

-

narzędzia skrawająceo

-

części maszyn i łożysk

- ......

Biomateriał - substancja inna niż lek lub
kombinacja substancji syntetycznych albo
naturalnych, która może byćużyta w
dowolnym czasie jako część lub całość
systemu, zastpęując tkankę lub organ, bądź
pełniąc jego funckję.

Ceramika optoelektroniczna -

materiały,

których właściwości pozwalają na

powiązanie techniki elektronowej i optycznej
w celu gromadzenia, przetwarzania i emisji
sygnałów ooptycznych odzwierciedlających
sygnały elektryczne.

Ceramika piezoelektryczna -

materiały

tlenkowe zbudowane z kationó i anionów, w
których tworzą się momenty dipolowe, które
zmieniają swój moment pod wpływem pola
elektrycznego oraz obiążenia
mechanicznego.

Ceramika magnetyczna - tlenki o
właściwościach ferromagnetyków.

Ceramika nadprzewodząca w polu
magnetycznym - nom :)

Materiały ceramiczne z prekursorów
organicznych -

przekształcanie drwena w

ceramikę: (proces dehydratacji + pirolizy)