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
 …

A

dB

km



10log

P

wy

P

we

L

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

2+

i Mn

3+

do Fe

3+

i Mn

4+

z wytrąceniem nierozpuszczalnych Fe(OH)

3

, Fe

2

(CO

3

)

3

o MnO

2

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