Kierunki rozwoju

nowoczesnych

materiałów

Anna Konarska
IM 42
Sekcja II

Politechnika Śląska

Wydział Inżynierii Materiałowej i

Metalurgii

Instytut Nauki o Materiałach

Plan prezentacji

1. Cykl trwania materiałów inżynierskich
2. Historyczny rozwój materiałów inżynierskich
3. Klasyfikacja materiałów
4. Współczesne zastosowanie nowoczesnych materiałów
4.1 Materiały stosowane w lotnictwie
4.2 Materiały stosowane w medycynie
4.3 Materiały stosowane w transporcie
5. Ekonomiczne stosowanie materiałów
6. Literatura

Materiały to ważny element ekonomiki. Około
10 % energii zużywanej w krajach
rozwiniętych związane jest obecnie z
wytwarzaniem i przeróbką materiałów, a
przemysł zaawansowanych materiałów
stanowi podstawowy element zapewniający
ekonomiczny wzrost głównych gałęzi
gospodarki. Przyczyna: Powstanie nowego
materiału prowadzi do pojawienia się na rynku
nowych produktów o wartości wielokrotnie
przekraczającej wartość zużytych materiałów.

Cykl trwania materiałów inżynierskich

Cykl trwania materiałów inżynierskich

Historyczny rozwój materiałów

inżynierskich

Historyczny rozwój materiałów

inżynierskich

•

Przełom XVIII/XIX w.: stal jako stop żelaza z węglem-
Analiza chemiczna jako główna metoda charakteryzowania
metali.

•

Połowa XIX w.: metalografia

•

Połowa XIX w: metody charakteryzowania właściwości
mechanicznych materiałów

•

Koniec XIX w.: wyznaczanie wykresów równowagi fazowej

•

Początek XX w.: metaloznawstwo; dyfrakcja promieni X

•

Lata 20. XX w.: podstawy elektronowej teorii metali,

•

Lata 40. XX w: fizyka ciała stałego

•

Połowa XX w: mikroskop elektronowy

•

Początek lat 60. XX w.: nauka o materiałach, inżynieria
materiałowa

Klasyfikacja materiałów wg zastosowania

MATERIAŁY
KONSTRUKCYJNE

•

Służą do budowy maszyn,
konstrukcji i urządzeń

MATERIAŁY NARZĘDZIOWE

•

Służą do wytwarzania narzędzi

MATERIAŁY FUNKCJONALNE

•

Przeznaczone do wyrobu
przedmiotów o specjalnych
właściwościach (biomedycznych,
magnetycznych, elektrycznych)

Klasyfikacja materiałów wg

wytwarzania

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE
Nie występują w przyrodzie i
wymagaj ą zastosowania
złożonych procesów
wytwórczych w celu ich
przystosowania do potrzeb
technicznych:
1. Materiały metalowe
2.Polimery (tworzywa sztuczne)
3.Materiały ceramiczne
4.Materiały kompozytowe
(kompozyty)

MATERIAŁY
NATURALNE
Występują w przyrodzie i
wymagają niewielkiej
obróbki, związanej z
wytworzeniem
wyrobów

Współczesne zastosowanie

nowoczesnych materiałów

Nowoczesne produkty

nie mogłyby być

częstokroć zaprojektowane i wytworzone bez
użycia wielu materiałów, jak również nie
mogłyby bez nich działać w warunkach
eksploatacji przewidzianych dla nich oraz
przy wymaganym bardzo wysokim poziomie
niezawodności. Zdawać sobie należy jednak
sprawę, że współczesny produkt złożony jest
z bardzo wielu elementów, wykonanych z
bardzo różnych materiałów.

Współczesne zastosowanie

nowoczesnych materiałów

Materiały stosowane w

lotnictwie

W pierwszym okresie rozwoju
lotnictwa elementy drewniane lub
metalowe konstrukcji obijano
płótnem, skórą lub nawet papierem.
W późniejszym czasie nastąpił dość
znaczny postęp w technologiach
konstrukcji samolotów, który
objawiał się przede wszystkim
zastosowaniem na szeroką skalę
kompozytów. W latach 40. XX wieku
po raz pierwszy zastosowano w
samolotach wojskowych panele
warstwowe z lekkim rdzeniem w
kształcie plastra miodu. Pozwoliło to
zmniejszyć masę samolotu, co
doprowadziło do obniżeni zużycia
paliwa i zwiększenia zasięgu
samolotu.

Materiały stosowane w

lotnictwie

Zastosowanie nowoczesnych materiałów, takich jak stopy tytanu,
materiały kompozytowe o polimerowej osnowie lub zbrojone
polimerowymi włóknami, ceramiczne materiały kompozytowe pozwoliło
zmniejszyć masę samolotów, przez co poprawiono ich osiągi. Ponadto
dzięki zastosowaniu nowoczesnych materiałów kompozytowych
przedłużono żywotność części i wyposażenia, a tym samym całego
samolotu. Przykładowo elementy wykonane z kompozytów (zazwyczaj
polimerowych czy ceramicznych) charakteryzują się o wiele większą
odpornością na działanie korozyjne czynników atmosferycznych.
Analizując zastosowanie materiałów od momentu narodzin lotnictwa
wojskowego można zauważyć trend do zastosowania coraz nowszych
materiałów konstrukcyjnych, którego głównym celem jest zmniejszenie
masy samolotu oraz przedłużenie jego żywotności. Proces ten nie ustaje i
zapewne w najbliższej przyszłości będą aplikowane materiały następnej
generacji, które obecnie są dopiero w fazie prób laboratoryjnych.

Materiały stosowane w

lotnictwie

Materiały stosowane w medycynie

Materiały stosowane w medycynie

•

Stopy z pamięcią kształtu jako implanty
wprowadzone zostały w 1982 roku jako
klamry do osteosyntezy stawu kolanowego
i kości śródstopia. Kolejno wykorzystano
ten stop do wytworzenia klamer
zespalających złamane żebra, płytek do
osteosyntezy, gwoździ śródszpikowych i
stabilizatorów kręgosłupowych .
Materiały metaliczne znalazły również
zastosowanie w kardiochirurgii i
kardiologii zabiegowej. Wykorzystano je
na elementy sztucznych zastawek serca, a
mianowicie pierścienie i koszyczki w
zastawkach kulkowych. Wśród aktualnie
stosowanych ok. 50 różnych typów
sztucznych zastawek na pierścienie
wykorzystuje się w dalszym ciągu stopy
kobaltu oraz tytanu i jego stopów.

•

Tworzywa sztuczne ze względu
na swe odmienne od tworzyw
metalicznych i ceramicznych
właściwości mechaniczne oraz
fizykochemiczne znalazły
szerokie zastosowanie w
medycynie. Stosowane są m.in.
jako panewki w endoprotezach
stawów, jako nici chirurgiczne,
protezy więzadeł oraz w
praktyce stomatologicznej.

Materiały stosowane w medycynie

• Materiały ceramiczne są znane i

stosowane w medycynie od wielu lat.
Niektóre tkanki człowieka takie, jak
kości czy zęby, składają się w
większości ze stałego tworzywa
nieorganicznego (70-97% wag.
Hydroksyapatytu), tak więc tworzywa
ceramiczne mogą być efektywniejsze
jako wszczepy

Rosnące zapotrzebowanie, obniżający się wiek
użytkowników biomateriałów, wysokie
wymagania, jakie medycyna stawia materiałom
na implanty sprawiają, że stosowane obecnie w
medycynie materiały należą do jednych z
najdroższych wytwarzanych przez człowieka.
Pociąga to za sobą konieczność zastosowania
najnowszych materiałów i technologii w celu
zapewnienia możliwie daleko idącej analogii
struktury substytutu i jego funkcji.

Materiały stosowane w medycynie

Materiały stosowane w transporcie

•

Stal jest powszechnie wykorzystywana przy konstruowaniu
pojazdów. Pojawiają się coraz nowsze jej gatunki. Charakteryzują
się one lepszymi właściwościami wytrzymałościowymi i lepszą
energochłonnością. Są to wtedy stale o bardzo wysokiej,
wysokiej i podwyższonej wytrzymałości, niskostopowe,
stosowane w konstrukcji szkieletu nadwozi z udziałem
przekraczającym 20% i sięgającym nawet 50%.

Stopy aluminium 
nowoczesnych samochodach
osobowych i ciężarowych ją
stale, gdyż charakteryzują
się oszczędnością w zużyciu
energii i obniżeniem masy
pojazdu. W pojeździe łączna
masa części wykonanych ze
stopów lekkich na bazie
aluminium to obecnie ok.
130 kg. Stopy aluminium
mają też coraz częstsze
zastosowanie przy
elementach poszycia
samochodów, autobusów czy
użytkowych samochodów
ciężarowych

Materiały stosowane w transporcie

Stopy magnezu
stosowane są na szkielety
elementów wyposażenia
pojazdów (np. szkielety
foteli, kół kierownicy
itp.). Coraz częściej
opisywane stopy
wykorzystuje się
w układach hamulcowych
czy na obręcze kół. Są
używane również
pod maską pojazdu: robi
się z nich np. korbowody
silników samochodów
sportowych czy obudowy
skrzyń biegów.

Tworzywa sztuczne- współczesne
samochody osobowe i ciężarowe
produkowane seryjnie zawierają ok. 200-
300 elementów zrobionych z tworzyw
sztucznych o łącznej masie 40-100 kg
na pojazd. Pojazdy jednośladowe są
również wyposażone w wiele elementów
z tworzyw sztucznych. Są
wykorzystywane w samochodach do
wykonania wyposażenia wnętrza,
pokrywy silnika, pokrywy bagażnika,
zderzaków, błotników, listew bocznych
i progowych, nadkoli, termicznych
i akustycznych osłon silników, tablic
przyrządów, podsufitek, wykładzin drzwi,
boków i podłóg, zbiorników płynów,
przewodów (np. paliwowe, hamulcowe)
itp.

Materiały stosowane w transporcie

Ekonomiczne stosowanie materiałów

Istniejąca oraz prognozowanie na przyszłość stale wymagają
od inżynierów skoordynowanych działań w celu
oszczędzania dostępnych surowców polegających na:

•

Projektowaniu z oszczędnym wykorzystaniem materiałów,
zwłaszcza trudno dostępnych i wyczerpujących się, przy
minimalizacji ich energochłonności,

•

Stosowaniu zamienników łatwiej dostępnych i o dużej
rezerwie czasu połowicznego wyczerpania się zasobów
surowcowych oraz o mniejszej energochłonności w
miejsce trudno dostępnych i wyczerpujących się,

•

Pełnym wykorzystaniu energooszczędnego recyklingu w
celu ponownego wykorzystywania i pełnego odzysku
materiałów we wszystkich możliwych i ekonomicznie
uzasadnionych przypadkach

Literatura:

•

Ashby M., Jones D.: Materiały inżynierskie. Tom I-
właściwości i zastosowanie. WNT, Warszawa 1995

•

Blicharski M.: Wstęp do inżynierii materiałowej. WNT,
Warszawa 2004

•

Dobrzański L. A.: Podstawy nauki o materiałach i
metaloznawstwo. WNT, Gliwice-Warszawa 2002

•

http://www.im.mif.pg.gda.pl/download/materialy_dydaktyc
zne/PIM_01_Wprowadzenie.pdf

•

http://pbc.up.krakow.pl/Content/621/Materia%C5%82y
%20dydaktyczne.doc.pdf?handler=pdf

•

http://www.tablica.wis.pwr.edu.pl/attachment.php?
aid=1030

•

http://www.pg.gda.pl/~kkrzyszt/biomat2.pdf

DZIĘKUJĘ ZA

UWAGĘ!