Podstawowe grupy materiałów

Tematem mojej pracy są podstawowe grupy materiałów. Na wstępie należy więc zaznaczyć co rozumiemy przez pojecie „materiały”. W pojęciu technicznym nazywamy tak ciała stałe o właściwościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów. Najprościej podzielić je możemy na:

1. materiały naturalne czyli te, które wymagają jedynie nadania kształtu (drewno, niektóre kamienie, skały i minerały);

2. materiały inżynierskie czyli wszystkie te które nie występują w naturze i wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowanie do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze (metale i ich stopy, polimery, ceramika).

Podział ten dokonany został na podstawie wiązań między atomami tworzącymi dane materiały (rys. I).

1. Rodzaje wiązań między atomami występującymi w podstawowych grupach materiałów inżynierskich

Teraz pokrótce postaram się scharakteryzować poszczególne grupy materiałów na podstawie w/w podziału.

METALE

Jak już wspomniałam materiały inżynierskie również ulegają podziałowi. Jedną z grup są metale i ich stopy. Nie trzeba daleko szukać by zobaczyć jak ważną role odgrywają one w naszym życiu i jakie jest na nie zapotrzebowanie.

Metale scharakteryzować można na podstawie ich właściwości. Jak powszechnie wiadomo są one dobrymi przewodnikami zarówno cieplnymi jak i elektrycznymi (np. kable miedziane). Posiadają one również połysk metaliczny (odbijają promienie słoneczne od wypolerowanych powierzchni), jak również zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem działających na nie naprężeń, powszechnie nazywaną - plastycznością. Metale posiadają również dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności. Właściwość ta mówi o tym, iż opór elektryczny zwiększa się wraz z podwyższeniem temperatury, tu chociażby pokusić się możemy o przykład wykorzystania metali w termistorach które swoje zastosowanie mają w czujnikach temperatury, czujnikach tlenu czy chociażby ogranicznikach natężenia prądu.

Do właściwości tego rodzaju materiałów zaliczyć możemy również możliwość tworzenia stopów (stale, żeliwa, staliwa, stopy metali) oraz nieprzeźroczystość.

Wymienione przeze mnie właściwości mają ścisły związek z wiązaniem metalowym występującym miedzy atomami tworzącymi metal oraz krystalicznej budowy tego materiału.

Jak wiadomo, każdy materiał ulega pewnym procesom technologicznym. Przypadek metalu przedstawiłam na poniższym schemacie (schemat 1).

1. Praca własna, schemat przedstawiający procesy technologiczne metalu

Oczywiście wypadałoby zaznaczyć również czym tak naprawdę są metale. Najprostsza definicja określa metale jako pierwiastki chemiczne charakteryzujące się obecnością w sieci krystalicznej elektronów swobodnych (niezwiązanych) i w większości wykazujące wymienione przeze mnie wyżej właściwości.

Metale posiadają również swój własny podział. Ze względu na własności i miejsce w układzie okresowym tradycyjnie rozróżnia się:

• metale alkaliczne - pierwiastki chemiczne o silnych własnościach metalicznych, samorzutnie tworzące w kontakcie z wodą silnie zasadowe wodorotlenki.

• metale ziem alkalicznych - pierwiastki chemiczne występujące w drugiej grupie układu okresowego pierwiastków. Są to beryl, magnez, wapń, stront, bar i rad.

• metale przejściowe to grupa pierwiastków chemicznych tożsama z blokiem d układu okresowego pierwiastków. Pierwiastków tych jest 31.

• metale ziem rzadkich (pierwiastki ziem rzadkich) - nazwa zwyczajowa rodziny pierwiastków chemicznych - lantanowców.

Rys. Na powyższym układzie metale zaznaczone zostały kolorem zielonym

Wiadomo również, że większość metali nie jest używana przez człowieka w postaci czystej, lecz jako stopy, których co najmniej jednym składnikiem jest metal. Dzieje się tak, ponieważ czyste metale rzadko mają właściwości dostosowane do potrzeb, a można je łatwo poprawić, stosując różnorakie dodatki.

Jak już wspomniałam własności fizyczne metalu, takie na przykład jak wytrzymałość, twardość, temperatura topnienia czy przewodność elektryczna i cieplna, zależą od jego struktury krystalicznej. Ta zmienia się zaś, gdy dodajemy doń domieszki. Powstały w procesie mieszania stop ma strukturę różną od struktur swoich składników, różne są także jego własności fizyczne. Niektóre stopy zawierają substancje niemetaliczne, jak węgiel, krzem czy fosfor, lecz większość składa się wyłącznie z metali. Stal jest stopem żelaza i węgla.
Stale stopowe natomiast są stopami stali z innymi pierwiastkami, przykładowo chromem, niklem, krzemem czy manganem. Zmieniają one strukturę stali tak, że możliwe jest poddawanie jej różnym procesom pozwalającym nadać jej pożądaną twardość, sprężystość i wytrzymałość.

Ogólnie istnieją trzy sposoby na połączenie różnych pierwiastków w stop i tym samym trzy podstawowe rodzaje stopów. Jednak dany stop może zawierać pierwiastki połączone ze sobą na więcej niż jeden z tych sposobów.
Pierwszy rodzaj stopu stanowi roztwór stały z atomami podstawionymi. W tym wypadku składniki stopu rozpuszczone są jeden w drugim. W niektórych miejscach sieci krystalicznej jednego pierwiastka zamiast jego atomów znajdują się atomy drugiego pierwiastka. Innymi słowy, atomy pierwszego pierwiastka są podstawione atomami drugiego. Innym rodzajem stopu jest roztwór stały międzywęzłowy, gdzie jeden pierwiastek również rozpuszczony jest w drugim, lecz w nieco inny sposób. Tu atomy drugiego pierwiastka ulokowane są nie w tych miejscach, gdzie powinny znajdować się atomy pierwszego pierwiastka (czyli w węzłach sieci krystalicznej), lecz pomiędzy tymi atomami (czyli między węzłami). Wreszcie trzeci rodzaj stopu to tak zwany związek międzymetaliczny. W tym wypadku atomy obu metali wiążą się ze sobą w cząsteczki związku posiadającego własną całkowicie niezależną strukturę krystaliczną. Każda z takich cząsteczek umieszczona jest w określonej pozycji w węźle sieci krystalicznej, a więc atomy obu pierwiastków są w tym wypadku wysoce uporządkowane.
W niektórych stopach natomiast ich struktura ulega przekształceniom wskutek obróbki zmieniającej ich własności fizyczne. Przykładem może być tutaj duraluminium, nabywające szczególnych własności w procesie utwardzania wydzieleniowego. Podobne efekty uzyskuje się również w przypadku innych stopów.

POLIMERY

Kolejną grupą Materiałów inżynierskich są polimery. Według najprostszej definicji polimerami określić możemy : substancje o cząsteczkach zbudowanych z powtarzających się elementów ("merów"), przy czym mogą to być elementy (monomery) identyczne, np. grupy etylenowe w polietylenie, lub różne (najczęściej dwa, trzy) jak w przypadku poliamidów powstających przez kondensację kwasów dikarboksylowych z diaminami. W przypadku polimerów wytworzonych z niejednakowych monomerów mówimy o kopolimerach.

2. Pierwiastki zaznaczone na fioletowo to pierwiastki tworzące polimery.

Jeśli chodzi o proces polimeryzacji może przebiegać jako proces o charakterze rodnikowym - wiązania typu  w cząsteczkach monomerów "pękają" i łącząc się z analogicznymi wiązaniami innych cząsteczek tworzą struktury polimeryczne, makrocząsteczki. Oczywiście reakcję łańcuchową musi zapoczątkować powstanie rodnika .

Może też być to reakcja polikondensacji - kiedy cząsteczki monomeru łączą się ze sobą w elementarnych reakcjach kondensacji.  

Jeśli chodzi o nazewnictwo to najprostsze polimery określamy precyzyjnie, podając ilość merów wchodzących w ich skład - dimer, trimer, tetramer, itd., polimery o niskim stopniu polimeryzacji, ale nie określonym ściśle nazywamy oligomerami.

Charakteryzują krótko grupy polimerów :

• Polimery naturalne, występujące w przyrodzie, to przede wszystkim skrobia, celuloza i inne policukry, oraz polipeptydy i białka. Gospodarczo ważnym polimerem pochodzenia naturalnego jest kauczuk. On też (a dokładniej jego brak w czasie wojny) dał motywacje do poszukiwań polimerów syntetycznych o pożądanych właściwościach mechanicznych i chemicznych.

• Sztucznie otrzymywane polimery określamy najczęściej wspólną nazwą - tworzywa sztuczne, lub popularnie - plastiki. Właściwości otrzymanych tworzyw mogą znacznie różnić się między sobą, szczególnie właściwościami fizycznymi, nawet jeśli do polimeryzacji użyliśmy tych samych substratów. Wiele cech otrzymanego poprzez polimeryzację materiału zależy od stopnia polimeryzacji (wielkości cząsteczki polimeru) oraz jego przestrzennej budowy. Innymi właściwościami będzie charakteryzował się polimer otrzymany w postaci długich łańcuchów złożonych z poszczególnych merów, a innymi usieciowiona cząsteczka, zbudowana z tych samych i w takiej samej ilości użytych merów, lecz inaczej ze sobą połączonych.

• Kopolimery mogą mieć budowę uporządkowaną, o powtarzającej się sekwencji cząsteczek monomerów, lub statystyczną, gdzie brak regularności w występowaniu poszczególnych merów makrocząsteczki. Będzie to miało oczywiście swoje odbicie we właściwościach tych polimerów.

Ponadto surowy polimer często poddawany jest dalszej obróbce, polegającej na dodaniu do niego uszlachetniających dodatków, plastyfikatorów, barwników itp. w celu polepszenia jego pożądanych cech. Na przykład, w przypadku kauczuku takim uszlachetniającym zabiegiem jest proces wulkanizacji, prowadzący do poprzecznego łączenia polimerowych łańcuchów w sieć, w celu zwiększenia elastyczności (otrzymywanie gumy).

Ogólnie polimery ulegają wielu podziałom, więc przedstawię teraz kilka z nich.

Podział ze względu na pochodzenie: (jak już wyżej wspomniałam):

• polimery syntetyczne

• polimery naturalne

• polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np.: octan celulozy, białko modyfikowane, skrobia modyfikowana.

Podział ze względu na topologię:

• polimer liniowy - są to polimery, w których łańcuchy główne są proste i nie mają żadnych rozgałęzień np: wysokociśnieniowy polietylen lub teflon.

• polimer rozgałęziony - są to polimery, w których łańcuchy główne są w ten czy inny sposób rozgałęzione - wyróżnia się tutaj:

• polimer bocznołańcuchowy - w którym, krótkie, boczne łańcuchy są regularnie bądź nieregularnie rozmieszczone wzdłuż głównego łańcucha;

• polimer rozgałęziony wielokrotnie po angielsku hyperbranched, w którym występuje wiele wielkokrotnych rozgałęzień, tak że nie da się już wyróżnić głownego łańcucha;

• polimer gwiazdowy - w którym z jednego centralnego punktu wybiega kilka do kilkunastu "ramion" będących zwykłymi liniowymi łańcuchami;

• dendrymer - są to polimery rozgałęzione wielokrotnie, ale w bardzo regularny sposób, tworzące struktury podobne do fraktali;

• polimer drabinkowy - są to polimery, w których występują dwa równoległe łańcuchy główne połączone od czasu do czasu, krótkimi, bocznymi łańcuchami

• polimer usieciowany - są to polimery, które tworzą przestrzenną ciągłą sieć, tak że nie da się już w nich wyróżnić pojedynczych cząsteczek.

• polimer cykliczny - stosunkowo rzadko spotykany - w którym zamiast liniowych cząsteczek występują ogromne cząsteczki cykliczne.

Podział ze względu na jednorodność budowy chemicznej:

Podział ten opiera się na tym, czy w łańcuchu polimeru występuje jeden merów, czy też jest zbudowany z bloków pochodzących od dwóch lub więcej monomerów. Polimery zbudowane z wielu bloków pochodzących od kilku monomerów nazywa się kopolimerami, zaś te które są otrzymywane z jednego monomeru homopolimerami.

Kopolimery dzieli się z kolei na:

• kopolimer statystyczny - są to polimery, w których występują krótkie losowo przemieszane bloki pochodzące od poszczególnych merów

• kopolimer gradientowy - są to polimery, w których wstępują krótkie losowo przemieszane bloki, jednak na jednym z końców cząsteczki można znaleźć więcej bloków jednego rodzaju a na drugim drugiego rodzaju

• kopolimer naprzemienny - są to polimery, w których ściśle naprzemiennie występują krótkie bloki pochodzące od poszczególnych merów

• kopolimer blokowy - są to polimery, w których występują długie bloki pochodzące z poszczególnych merów - zazwyczaj tylko 2 lub 3

• polimer szczepiony - są polimery, w których do głównego łańcucha są przyłączone bloki pochodzące od innego monomeru w formie bocznych odgałęzień.

Podział ze względu na budowę

• poliolefina - są to polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się polietylen, polipropylen i polistyren

• polimer winylowy - są to polimery otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańuchy węglowe. Formalnie rzecz biorąc większość poliolefin również należy do polimerów winylowych, ale zazwyczaj rozumie się pod tą nazwą takie polimery jak poliakrylan, polimetakrylan, polichlorek winylu itp., a więc zawierające oprócz węgla i wodoru także inne atomy.

• poliester - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania estrowe

• polieter - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest poli(tlenek etylenu)

• poliamid - są to polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-)

• poliuretan - są to polimery, w których występują wiązania uretanowe ( -NH-C(O)-O)

• polimer nieorganiczny - są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie występują atomy węgla, takie jak polisiloksan, polifosfazen, polisiarczek i wiele innych.

• polipeptyd, poli(węglowodan), kwas nukleinowy - to wszystko są biopolimery.

Podział ze względu na taktyczność

• polimer izotaktyczny - grupy boczne wyłącznie po jednej stronie łańcucha

• polimer syndiotaktyczny - grupy boczne naprzemiennie po obu stronach łańcucha

• polimer ataktyczny - losowe położenie grup bocznych

Polimery tak samo jak inne materiały posiadają charakterystyczne dla siebie właściwości :

1. mała gęstość

2. słabe odbijanie światła, zwykle przeźroczyste

3. izolacyjne właściwości cieplne, elektryczne (z wyjątkiem polimerów przewodzących prąd)

4. giętkość i odkształcanie

5. mała przydatność do pracy w podwyższonej temperaturze

Ulegają one również procesom technologicznym :

Rys. Praca własna, wytwarzanie polimerów.

Przykładowe polimery :

 Przykładowe polimery:

typ polimeru	monomer	właściwości
PCV (PCW) -  poli(chlorek winylu)		niepalny, odporny na chemikalia nieorganiczne, w organicznych rozpuszczalnikach pęcznieje. Otrzymywany w formie twardego materiału do wyrobu rur, naczyń, opakowań (winidur), lub w formie uplastycznionej do wyrobu folii, węży itp.
polistyren		dielektryk, kruchy, rozpuszczalny w węglowodorach, łatwo się barwi,
polietylen		stosowany w postaci plastycznej (głównie folie) i sztywnej (opakowania, naczynia)
anilana poliakrylonitryl		sprężyste włókna
poliamid np. nylon		sprężysty, wytrzymały na rozciąganie  otrzymywany przez polikondensację kaprolaktamu, kwasu aminoenantowego lub aminoundekanowego
bakelit (żywica fenolowo-formaldehydowa)		dielektryk,
polietylenoglikol (PEG)		m.in. podłoża maściowe
teflon		duża odporność na wysokie temperatury i uszkodzenia mechaniczne, odporny chemicznie, dielektryk
szkło organiczne (Plexiglas) poli(metakrylan metylu)		idealnie przezroczysty, zastępujący szkło, rozpuszczalny w węglowodorach i kwasie octowym, kruchy, podatny na zarysowania
poliuretany		szerokie zastosowanie, duża gama wyrobów - kleje, materiały konstrukcyjne, pianki, kauczuki, włókna
poliestry (np. glikol etylenowy i kwas tereftalowy)		włókna (Dacron), żywice, laminaty z włóknem szklanym
PDMS (silikony)		oleista ciecz o lepkości zależnej od stopnia polimeryzacji, dodatek do kosmetyków (kremy silikonowe), surowiec do wytwarzania protez i materiałów medycznych, składnik róznego rodzaju warstw ochronnych, usieciowiony tworzy żywice silikonowe

CERAMIKA

Kolejna grupą jest ceramika, czyli w rozumieniu tradycyjnym są to tworzywa/wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny. Nazwa tych wyrobów wywodzi się z greckiego wyrażenia κεραμικος (keramikos) oznaczającego działanie ognia. Obecnie jako ceramikę rozumie się wszystkie tworzywa/wyroby nieorganiczno - niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna np. spiekanie lub prażenie.

Klasyczny proces produkcji wyrobów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu odpowiednich surowców , zaformowaniu, wysuszeniu i wypaleniu (jednokrotnym lub wielokrotnym). Proces wypalania odbywa się w piecach: tunelowych, komorowych (ceramika budowlana, sanitarna itp.) oraz w piecach grafitowych i innych, często o kontrolowanej atmosferze wypalania (ceramika specjalna). Temperatura wypalania mieści się w zakresie od 900°C (ceramika budowlana) do 2000°C (ceramika węglikowa). W wysokich temperaturach zachodzi zjawisko spiekania, przejawiające się uzyskaniem czerepu o gęstości bliskiej gęstości teoretycznej. Niektóre wyroby ceramiczne po wypaleniu pokrywa się szkliwem.

W układzie okresowym pierwiastków, pierwiastki kształtujące materiały ceramiczne, kształtują się następująco :

Rys. pierwiastki zaznaczone na różowo - pierwiastki tworzące materiały ceramiczne.

W pojęciu chemicznym za ceramikę uważa się związki nieorganiczne (najczęściej tlenki, azotki, węgliki) o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach między atomami., będące najczęściej izolatorami (bardzo słabo przewodzą prąd elektryczny) mają niską udarność i plastyczność, lecz dużą twardość i wytrzymałość na ściskanie, są odporne na działanie wysokich temperatur. Ceramiki są zazwyczaj polikrystaliczne, szkła są amorficzne.

Na podstawie tej definicji wyodrębnić można więc właściwości charakterystyczne dla ceramiki :

1. duża kruchość

2. wysoka twardość

3. mała przewodność i rozszerzalność cieplna

4. izolacyjne właściwości cieplne i elektryczne

5. odporność na działanie wysokich temperatur

6. odporność na działanie czynników chemicznych

Rys. Podział ceramiki.

Krótki opis poszczególnych elementów :

Ceramika inżynierska - określana również jako ceramika specjalna lub ceramika drobnoziarnista. Wytwarzana jest w wyniku spiekania, w wysokiej temperaturze, bez udziału fazy ciekłej, bardzo czystych związków, takich jak tlenki, azotki, węgliki a także diament i wykazujące w stanie stałym postać krystaliczną bez udziału fazy szklistej.

Cermetale - złożone są z drobnych cząsteczek krystalicznych, np. węglików lub azotków równomiernie rozmieszczonych w osnowie metali lub ich stopów stanowiących lepiszcze, o udziale masowym 5 - 15%. Cermetale są wytwarzane metodami metalurgii proszków ze spiekaniem w wysokiej temperaturze, najczęściej niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Niektóre z tych materiałów, mogą być poddawane obróbce cieplnej, podobnie jak stopy metali.

Ceramika porowata - określana jest również jako tradycyjna klasyczna lub wielko tonażową z tego względu ze zwykle obejmuje masowo produkowane materiały budowlane ogniotrwale lub stosowane w technice sanitarnej w tym kamionkę porcelanę dachówkę i cegłę. Charakteryzuje się ona sporym udziałem fazy szklistej otaczającej składniki krystaliczne utworzone głównie z AL₂O₃, SiO₂, H₂O występujących w różnych proporcjach(głównie z gliny, krzemionki lub kwarcu, skalenia lub kaolinu). Ceramika porowata charakteryzuje się

z 5 - 15% udziałem porów, po wypaleniu w wysokiej temperaturze, stosowanym w celu odprowadzenia wody. W skład ceramiki porowatej zaliczany jest również cement oraz beton, wytwarzane w wyniku wypalenia, przemielenia uzyskanego w ten sposób klinkieru w drobny proszek i następnego tężenia i twardnienia, po zmieszaniu z wodą i drobnoziarnistym piaskiem - w przypadku zaprawy cementowej, lub z wodą, piaskiem i kruszywem - w przypadku betonu.

Szkła - mogą być używane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną. Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami:

Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia zapewniającej powstawanie fazy krystalicznej, w razie powolnego chłodzenia w warunkach zbliżonych do równowagowych. Szkła podlegają denitryfikacji stając się materiałami krystalicznymi

lecz okres ten trwa minimum kilkaset lat. Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe: SiO₂, B₂O₃, P₂O₃, tlenki arsenu i germanu, a także siarka, selen, i fluorek ołowiu. W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych, mogą wchodzić tlenki zasadowe metali alkalicznych (Na2O, K2O) i ziem alkalicznych (MgO, CaO) zwane modyfikatorami wiązań sieci przestrzennej. Trzecią grupę składników szkieł stanowią tlenki pośrednie, takich metali jak aluminium lub berylu, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej szkła, lecz jedynie przyłączyć się do istniejącej sieci. Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła może być regulowany przez odpowiednie dodatki tlenków, np. ołowiu. Podobnie można zmienić zabarwienie przez dodatki tlenków metali przejściowych, co może nawet doprowadzić do utraty przezroczystości. Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także cechuje się bardzo małą przewodnością cieplną.

Ceramika szklana - zwana też dewitryfikatami lub pyroceramiką powstaje przez krystalizację

( odszklenie) masy szklanej w ściśle określony sposób, umożliwiający tworzenie struktury drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tylko około 2% fazy szklistej. Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Cu, Ag, Au, pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Możliwe jest również uzyskanie podobnych materiałów przez dodatki katalizatorów, np. platynowców lub tlenków tytanu bez konieczności napromieniowania, lecz podczas obróbki cieplnej. Materiały te mają własności mechaniczne i odporność na udary cieplne znacznie większe od szkieł, a niektóre własności lepsze od ceramiki inżynierskiej.

Wytwarzanie ceramiki :

Ceramika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, np. w budownictwie, elektronice, hutnictwie a także w przemyśle kosmicznym itp..

KOMPOZYTY:

Za kompozyty uznaje się - materiały o strukturze niejednorodnej, złożone z dwóch lub więcej komponentów.

Jeśli chodzi o właściwości kompozytów to nigdy nie są sumą, czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi, tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

Wiele kompozytów wykazuje anizotropię różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne. Np: polaroid to przykład kompozytu, który osiągnął sukces komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom elektrooptycznym.

Jeśli chodzi o budowę kompozytów to kompozyt składa się z osnowy i umieszczonego w niej drugiego składnika (zbrojenia) o znacznie lepszych właściwościach mechanicznych.

Zbrojenie może mieć postać proszku lub włókien. Dodawane jest do kompozytu w dużej ilości. Oddziałuje ono zazwyczaj tylko fizycznie na osnowę.

Zadania zbrojenia to:
a) poprawa określone właściwości mechaniczne i/lub użytkowe wyrobu

b) niekiedy zmniejsza koszt wsadu surowcowego (dotyczy to napełniaczy proszkowych)

• Osnowa - jest to najczęściej polimer, może to być także metal ( np. tytan, glin, miedź) lub ceramika ( np. tlenek glinu). Wymienione materiały różnią się znacznie właściwościami takimi jak wytrzymałość na rozciąganie, sztywność, odporność na kruche pękanie, temperatura użytkowania, a przede wszystkim różnią się ciężarem właściwym. Najczęściej osnową są polimery, ze względu na ich mały ciężar właściwy i łatwość kształtowania. Niezależnie jednak, jaki to jest materiał osnowa spełnia w kompozycie wymienione funkcje.
  
  
  Osnowa pełni następujące funkcje:
  ●utrzymuje razem zbrojenie
  ●zapewnia wytrzymałość na ściskanie
  ●przenosi naprężenie zewnętrzne na zbrojenie,
  ●zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć,
  ●nadaje wyrobom żądany kształt.

Podział kompozytów ze względu na osnowę:

1)kompozyty metalowe
●kompozyty o osnowie ze stopu metali lekkich ( Mg, Al, Ti)
●kompozyty o osnowie ze stopu srebra i miedzi
●kompozyty o osnowie ze stopu niklu
●kompozyty o osnowie ze stopu ołowiu i cynku
2) kompozyty polimerowe (żywice termoutwardzalne jak fenoplasty i aminoplasty; duroplasty chemoutwardzalne, silikony, tworzywa termoplastyczne)
3) kompozyty ceramiczne (materiały budowlane jak cement i gips; materiały hutnicze
- głównie ogniotrwałe; materiały stosowane w elektronice)

Najczęściej stosowanymi z komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie jak włókno szklane, kwarc, azbest, kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odporność na rozciąganie. Do najczęściej stosowanych lepiszczy zaliczają się żywice syntetyczne oparte poliesterach, polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych.

Materiały kompozytowe znane są ludzkości od tysięcy lat. Znalezionym przeze mnie przykładem jest np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez przesycanie wielu cienkich warstw papieru i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym” sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniana sklejka. Niby tak prozaiczny przykład a jednak dowodzi odległego stosowania kompozytów.

Współczesny rozwój materiałów kompozytowych zaczął się jednak dopiero po opanowaniu procesu produkcji żywic syntetycznych, stanowiącym podstawę produkcji laminatów. Jednym z pierwszych kompozytów opartych na tych żywicach był bakelit, pierwszy przedstawiciel fenoplastów. Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w trakcie i po II wojnie światowej był też związany z rosnącym zapotrzebowaniem przemysłu lotniczego, kosmicznego i motoryzacyjnego na lekkie i wytrzymałe materiały, którymi dałoby się zastąpić stal i inne metale. Obecnie, kompozyty stosuje w wielu technologiach - począwszy od implantów stosowanych w medycynie po tanie materiały konstrukcyjne stosowane w budownictwie.

Jeśli chodzi o materiały w pojęciu ogólnym to można jest sklasyfikować ze względu na ich funkcje użytkowe. Wg tego wyróżnia się:

1. Materiały konstrukcyjne - przenoszenie obciążeń, cecha - wytrzymałość mechaniczna.

2. Materiały funkcjonalne - stanowią końcowy produkt, właściwości magnetyczne (np. magnes)

3. Materiały biomedyczne - części zamienne dla człowieka - (sztuczne przeguby - konstrukcyjne, syntetyczna skóra - funkcjonalne )

4. Materiały włókniste - wykonane z surowców mineralnych (cement, gips), materiały z surowców naturalnych (drewno, papier); przerabia się je stosując proste technologie nie ingerując zbytnio w ich naturę.

Kończąc moja pracę pragnę zaznaczyć, iż materiały inżynierskie mają obecnie ogromne znaczenie w życiu człowieka. Wiele powszechnie używanych i wytwarzanych produktów nie miałoby racji istnienia jak również możliwości eksploatacji. Brak większości materiałów zahamowałby rozwój transportu czy choćby komunikacji. Na obecnym etapie technologicznym w produkcji nowoczesnych elementów różnorodność materiałów jak również ich właściwości ma ogromne znaczenie i jest swoistym motorem napędowym wielu szczebli technologicznych.

Literatura:

1. „Materiałoznawstwo” - Stanisław Prowans

2. „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo” L.A. Dobrzański

3. Internet

Definicja zaczerpnięta z książki L.A. Dobrzańskiego - „Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo”

---