BIOMATERIAŁY – rodzaje,
zastosowanie
• Biomateriały krystaliczne (metaliczne, węglowe i szklano-
ceramiczne) cechują się odpowiednią wytrzymałością
mechaniczną i odpornością chemiczną.
• Przykład:
– Stopy metali: Ti, Fe-Cr-Ni,
– Kompozyty C/C, Al203, Zr)2 (implanty),
– Ceramika hydroksyapatytowa [hydroksyfosforan wapnia o wzorze
chemicznym Ca10(PO4)6(OH)2].
• Są to materiały stosowane w medycynie: pojemniki na krew,
strzykawki, igły, narzędzia chirurgiczne, materiały
stosowane w aparaturze diagnostycznej, materiały
konstrukcyjne (np. sztuczne przeguby, implanty), materiały
funkcjonalne (np. syntetyczna skóra, sztuczne zastawki
serca).
• Sztuczna zastawka serca z dwoma klapkami ( w
pozycji otwartej) produkowana od 1977 roku
przez amerykańską firmę St. Jude Medical.
• Materiały: Klapki i pierścień – pirolityczny,
szklisty węgiel obojętny dla płynów ustrojowych
i odporny na zużycie (średni czas do
uszkodzenia szacowany jest na ponad 1000
lat).
• Pierścień węglowy o średnicy 25-30 mm jest
obszyty poliestrową tkaniną, służącą do
mocowania zastawki.
Zastosowanie stopów Ti w
stomatologii
• Implanty zębów
Zastosowanie stopów Ti w ortopedii
• Implanty biodrowe
Stopy z pamięcią kształtu; Ti-Ni, Ti-
Al
• Stopy z pamięcią kształtu określają trzy
zasadnicze cechy: dwie wrodzone;
Pseudosprężystość,
Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu
Oraz jedna nabyta;
Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu
Zastosowania stopów z pamięcią kształtu;
W medycynie
W technice
W technologii kosmicznej
Udrażnianie naczyń
krwionośnych
• Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu
• Z kształtu drucika przechodzi w kształt
sprężynki
• Temperatura początkowa 0-5 C – drucik
• Powolne ogrzanie –skręca się w sprężynkę
• Temperatura ciała – sprężynka
• Chłodzenie do temperatury początkowej –
drucik
• Stop tytan – nikiel (nitynol) (po 50%) Ti-Ni
• Stop tytan – aluminium – Ti-Al.
Stopy z pamięcią kształtu
• Okulary które można wyginać
Metale i ich stopy
• Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym.
• Stopy metali są to układy wieloskładnikowe złożone z
więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzują się
przewagą wiązania metalicznego. Składy stopów
metali są zawarte w szerokich granicach bez
obowiązywania zasad stechiometrii.
• Układ okresowy pierwiastków chemicznych, metale
zaznaczono na zielono.
• Ti-Ni – adaptacja do środowiska
• Wanad, chrom, kobalt, nikiel, miedź, cynk, srebro,
złoto, platyna
• Trudno topliwa: tamtan(Tc?), wolfram
WIĄZANIA METALICZNE –
WYSTĘPUJĄ W METALACH
• Wiązanie metaliczne spowodowane
jest oderwaniem się elektronów
walencyjnych – wartościowości
(znajdują się na ostatniej orbicie
atomu) i utworzenia tzw. Gazu
elektronowego.
Atom oddając elektron walencyjny
staje się jonem dodatnim.
WIĄZANIA METALICZNE –
WYSTĘPUJĄ W METALACH
+ + + + + + + +
- - - - -
+ + + + + + + +
- - - - - -
+ + + + + + + +
(-) gaz elektronów walencyjnych
(+) rdzenie kationowe
( \ / )
( + )
( / \ )
Powłoki elektronowe (plusik, z narysowanym krzyżykiem stojącym i dorysowaną
chmurą)
• Elektrony mogą się poruszać swobodnie między dodatnimi jonami wiąząc je ze sobą
• Elektrony walencyjne przebywają w obrębie kryształu na skutek ich elektrostatycznego
przyciągania przez kationy, kationy natomiast są utrzymywane w położeniach
węzłowych dzięki ich elektrostatycznemu przyciąganiu przez elektrony swobodne.
OGÓLNE WŁASNOŚCI STANU
METALICZNEGO
• Zespół cech powierzchniowych, wynikających z
budowy atomów, głównie z typui wiązań między nimi:
– Nieprzezroczystość,
– Metaliczny połysk,
– Plastyczność.
• Własności metaliczne towarzyszą skondensowanym
stanom skupienia, to znaczy wykazują je pierwiastki
metaliczne w stanie stałym i ciekłym.
• Własności fizyczne metali wynikające z budowy
atomowej i strukturalnej:
– Dobre przewodnictwo elektryczne i cieplne,
– W stanie stałym budowa krystaliczna.
Metale i ich stopy
• Metale i ich stopy cechują następujące
własności:
Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
Dodatni temperaturowy współczynnik
rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z
podwyższeniem temperatury),
Połysk metaliczny, polegający na odbijaniu się
promieni świetlnych od wypolerowanych
powierzchni,
Plastyczność, czyli zdolność do trwałych
odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.
Podstawowe stopy metali
– Stałe – stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami,
– Staliwa i żeliwa – stopy odlewnicze i żelaza.
• Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią metale
nieżelazne i ich stopy:
– Aluminium i jego stopy,
– Miedź i jej stopy,
• Nikiel i jego stopy (żaroodporność),
• Kobalt i jego stopy,
– Tytan i jego stopy,
– Beryl i jego stopy,
• Magnez i jego stopy,
• Metale trudno topliwe i ich stopy, np. W(wolfram), Mo(molibden),
– Cynk i jego stopy,
– Cyna i ołów oraz ich stopy,
• Metale szlachetne i ich stopy, np. złoto, platyna,
• Stopy metali nieżelaznych z pamięcią kształtu, np. Ni-Ti,
• Stopy o strukturze szkieł metalicznych.
METALE I STOPY
• Metale i stopy metali należą do naj;owszechniej
stosowanych materiałów na konstrukcje, maszyny,
urządzenia, narzędzia itp.
• Metale można podzielić na następujące grupy:
• Metale lekkie: Mg, Be, Al., Ti o gęstości mniejszej od 5 g/cm3,
• Żelazo 7,8 g/cm3
• Metale ciężkie, np. Pb, Mo, Ag, Au, Pt, W, Ta, Ir, Os o gęstości
większej niż 10g/cm3
• Metale niskotopliwe: Sn, Pb, Zn o temperaturach topnienia:
– Sn = 232 oC
– Pb = 327 oC
– Zn = 419,5 oC
• Metale trudnotopliwe: W, Mo, Ta, Nb o temperaturze topnienia
wyższej od temperatury topnienia żelaza, tj. od 1536 oC.
• Metale szlachetne: Au, Pt, Ag.
Metale, właściwości fizyczne
Lp.
Metal
Masa
atomo
wa
Gęstoś
ć
właści
wa
[g/cm3]
Temper
atura
topnien
ia oC
Przewo
dność
cieplna
L(fala)
Cal/
(cm*s*
oC)
Przewo
dność
elektry
czna
[m/ome
ga*mm
2]
1
Żelazo L
Fe
55,84
7,87
1543
0,226
10,3
2
3
4
5
6
7
Metale i ich stopy
• Procesy technologiczne metali i stopów:
• Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami.
Procesy metalurgiczne polegają na redukcji, prowadzącej do
ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu
pozostałe zanieczyszczenia.
• Elementy metalowe wykonywane są metodami odlewniczymi,
przeróbki plastycznej, obróbki skrawaniem, metalurgii
proszków, mechanicznej syntezy (nanotechnologia).
• Właściwości metali i stopów są kształtowane metodami
obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych
często jest uszlachetniana metodami inżynierii
powierzchni(uszlachetnianie samej powierzchni wyrobów
metalowych), zwiększającymi m.in. Odporność na korozję lub
odporność na zużycie.
PROCESY TECHNOLOGII MASZYN –
sposoby konwencjonalne
RODZAJE TECHNOLOGII
SPOSOBY KONWENCJONALNE
Technologie formujące
Odlewanie, obróbka plastyczna
Technologie kształtujące:
1.Przez ubytek materiału
2.Przez przyrost materiału
Skrawanie
Cięcie
Spawanie
napawanie
Technologie ulepszające:
1. Na wskroś (w całej objętości)
2. Warstwy wierzchnie
3. Powłoki
Obróbka plastyczna
Obróbka cieplna
Hartowanie powierzchniowe
Obróbka cieplno-chemiczna
Obróbka plastyczna
Galwanotechnika (np.
chromowanie, niklowanie)
KONWENCJONALNE TECHNOLOGIE
FORMUJĄCE I KSZTAŁTUJĄCE:
•
Odlewnictwo jest techniką wytwarzania przedmiotów metalowych o
wymaganym kształcie i wymiarach poprzez wypełnienie odpowiednio
przygotowanych form odlewniczych ciekłym stopem.
•
Obróbka plastyczna to metoda obróbki metali polegająca na wywieraniu
narzędziem na obrabiany materiał nacisku przekraczającego granicę jego
plastyczności, mającego na celu trwałą zmianę kształtu i wymiarów
obrabianego przedmiotu oraz poprawę właściwości mechanicznych.
•
Skrawanie to rodzaj obróbki ubytkowej polegający na zdejmowaniu (ścinaniu)
małych części obrabianego materiału zwanych wiórami, za pomocą narzędzi
skrawających.
•
Przetwórstwo tworzyw sztucznych polega na wytwarzaniu za pomocą
reakcji chemicznych, syntetycznych związków wielocząsteczkowych zwanych
polimerami składających się z wielu identycznych powtarzalnych elementów
tzw. Merów oraz składników dodatkowych np. napełniacze, zmiękczacze oraz
barwniki, nadających korzystne właściwości.
•
Spajanie to proces trwałego łączenia materiału przez uzyskiwanie jego
ciągłości z zastosowaniem czterech podstawowych metod: spawania,
zgrzewania, lutowania, klejenia.
POLIMERY
•
Polimery, nazywane tworzywami sztucznymi lub
plastikami, są materiałami organicznymi,
złożonymi ze związków węgla.
•
Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne
pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego
rogu układu okresowego (N, O, F, Cl, Si, S).
•
Układ okresowy pierwiastków chemicznych,
pierwiastki tworzące polimery zaznaczono na
fioletowo(H, C, N, O, F, Si, S, Cl).
•
Wodór, węgiel, azot, tlen, fosfor, krzem, siarka,
chlor
POLIMERY
• Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia
wiązaniami kowalencyjnymi (atomowymi) w łańcuchy wielu grup
atomowych zwanych monomerami jednego lub kilku rodzajów.
• <budowa atomowa polietylenu (polimery)>
• H H H H
• C – C – C – C CH2 – mer,
• H H H H 2CH2 – podstawowa jednostka monomeryczna
• Schemat prostoliniowego odcinka typowego łańcucha
polietylenu (cały łańcuch może zawierać 50 000 podstawowych
jednostek monomerycznych).
• W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub
pigmentów, katalizatorów, napełniaczy, zmiękczaczy
(plastyfikatorów), antyutleniaczy.