mgr inż. Milena Dziębaj Wrocław, 11.04.2008
Materiałoznawstwo
materiały pomocnicze do wykładu
doc. dr inż. Grzegorza Pękalskiego
dla Studentów Wydziału Mechanicznego
kierunków Zarządzania i Inżynierii Produkcji, Mechatroniki i Studium Kształcenia Podstawowego
Co i gdzie tutaj znalez
ć?
1. Dwa słowa wstępu ..................................................................................................................................................................... 1
2. Garść podstawowych definicji i schematów .............................................................................................................................. 2
3. Metale i stopy, tworzywa metaliczne......................................................................................................................................... 2
Czym są metale (stopy metali)? Właściwości. ..................................................................................................................................................... 2
Istota wiÄ…zania walencyjnego ............................................................................................................................................................................... 3
Istota wiÄ…zania metalicznego ................................................................................................................................................................................ 3
Sieci krystaliczne metali ....................................................................................................................................................................................... 4
Kilka słów o otrzymywaniu i obróbce metali ....................................................................................................................................................... 5
4. Polimery i tworzywa sztuczne ................................................................................................................................................... 5
Podstawowe właściwości polimerów ................................................................................................................................................................... 6
Podstawowe grupy polimerów ............................................................................................................................................................................. 6
Otrzymywanie polimerów .................................................................................................................................................................................... 6
5. Materiały ceramiczne................................................................................................................................................................. 7
Definicja i klasyfikacja ceramiki .......................................................................................................................................................................... 7
Właściwości materiałów ceramicznych ................................................................................................................................................................ 8
Jak wytwarza siÄ™ ceramikÄ™? ................................................................................................................................................................................. 8
Szkła ................................................................................................................................................................................................................... 10
Budowa szkieł .................................................................................................................................................................................................... 10
Właściwości szkieł ............................................................................................................................................................................................. 10
Włókna szklane: ................................................................................................................................................................................................. 11
Ceramika szklana ............................................................................................................................................................................................... 11
6. Materiały kompozytowe .......................................................................................................................................................... 14
Wytwarzanie i zastosowanie kompozytów ......................................................................................................................................................... 14
Budowa i właściwości kompozytów .................................................................................................................................................................. 15
7. Dwa słowa podsumowania ...................................................................................................................................................... 16
1. Dwa słowa wstępu
Materiał, który trzymasz przed sobą powstał, aby maksymalnie ułatwić Wam, Studentom, pracę nad zagadnieniami omawianymi
na wykładzie z Materiałoznawstwa prowadzonym przez doc. dr inż. Grzegorza Pękalskiego. Jeśli przeczytasz ten tekst, łatwo
spostrzeżesz, że zawiera on tylko najbardziej podstawowe wiadomości o czterech najważniejszych grupach materiałów
inżynierskich. Bardziej szczegółowo zagadnienia te omówione one zostaną na kolejnych wykładach, w dostarczonych Wam
materiałach lub po prostu życie i przyszła praca same skutecznie  zmuszą Was do specjalistycznego dokształcenia się w danym
obszarze.
Ponadto  jako jeszcze niedawna (a właściwie to również aktualna) studentka  starałam się ten materiał zredagować w sposób,
jaki sama lubię w notatkach podczas nauki, czyli tak, aby  czytał się raz a i dobrze , po prostu by wchodził do głowy
po pierwszym czytaniu. Informacje poniekąd dodatkowe, ciekawostki, przykłady starałam się umieszczać w przypisach, co mam
nadzieję również ułatwi szybkie przyswajanie materiału.
Aczkolwiek tym z Was, którzy w tym miejscu uznają, że w takim razie odłożą go na półkę aż do sesji  nie gwarantuję,
że dotyczyć to będzie także jednego czytania dokonanego przez zmęczony mózg przepitego kawą Studenta/ki o 3 nad ranem
w miesiącu ogólnie uznawanym za pracowity.
Tyle mianem wstępu, od tego miejsca przejdziemy już do sedna, a na  posłowie zarezerwuję sobie jeszcze samą końcówkę tego
opracowania.
1
2. Garść podstawowych definicji i schematów
Po pierwsze, warto abyście już na wstępie nastawili się na to, o czym będzie tutaj mowa. Tak więc:
Materiały naturalne  aby wykorzystać je technicznie wystarczy tylko nadać im odpowiedni kształt (np. drewno, kamienie,
kości);
Materiały inżynierskie  nie występują naturalnie w przyrodzie i wymagają zastosowania złożonych procesów wytwórczych
w celu przystosowania ich do potrzeb technicznych.
rys 2.1: Podstawowe grupy materiałów inżynierskich. rys 2.2: Rodzaje wiązań między atomami w podstawowych
grupach materiałów inżynierskich.
Systemów podziału materiałów inżynierskich jest dużo. Podstawą podanej tu klasyfikacji jest istota wiązań pomiędzy atomami
tworzącymi dany materiał [rys.2.2]. Wiązania te (kowalencyjne, jonowe, metaliczne, wtórne) utrzymują materiał
w skoordynowanych przestrzennie układach i determinują podstawowe właściwości materiału.
3. Metale i stopy, tworzywa metaliczne
Zastosowanie czystych metali, szczególnie w technice, jest bardzo ograniczone. Zazwyczaj wykorzystywane są stopy różnych
metali, często jednak określenie  metal rozumie się jako  metal i jego stopy  i niech też tak będzie. Zatem co to jest
stop (tworzywo metaliczne)?
Stopy  to tworzywa powstałe w wyniku celowego wprowadzenia do rozpuszczalnika dodatków stopowych. I tak na przykład
najstarszy brąz jest połączeniem miedzi (rozpuszczalnik) i cyny np. w ilości 10% (dodatek stopowy). Jako ciekawostkę powiem
Wam, że taki brąz nazywa się  brązem cynowym , a oprócz tego  na bazie miedzi produkowane są też inne brązy. Ich nazwy
wywodzą się od zastosowanych dodatków stopowych  czyli mamy brązy np. aluminiowe, ołowiowe (nie mylić przypadkiem
ze słowem ołowiane, bo takie to mogą być żołnierzyki) czy też cynowo-cynkowo-ołowiowe.
Nie zawsze w skład tworzyw metalicznych wchodzą wyłącznie pierwiastki metali tak, jak było to w podanych powyżej brązach.
Po przykłady nie trzeba sięgać daleko: kogokolwiek zapytamy o pierwsze skojarzenie ze słowem  metal usłyszymy odpowiedzi:
stal, niektórzy wymienią też staliwa i żeliwa, a wszystko to nic innego jak stopy żelaza (metal) z węglem (który  jak wiecie 
metalem nie jest).
Czym są metale (stopy metali)? Właściwości.
Metale to odrębna grupa ciał stałych o pewnych specyficznych właściwościach:
1. Połysk metaliczny
Wynikający z odbijania promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni)
2. Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne
3. Dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności
Opór rośnie wraz z temperaturą.  Winne temu są drgania cieplne rdzeni elektronowych.
4. Zdolność do emisji termoelektronowej i fotoelektronowej
5. Plastyczność
Czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.
2
Wymieniony zestaw cech stanowi zwykle kryterium rozpoznawcze metali, jakkolwiek nie we wszystkich metalach właściwości
te występują jednakowo intensywnie. 1
Właściwości metali są następstwem szczególnego wiązania atomowego, jakie występuje między ich atomami w stanie stałym
i ciekłym. Jest to wiązanie metaliczne. Jest ono podobne do wiązania walencyjnego (atomowego) z tą różnicą, że pojawia się
między atomami pierwiastków elektrododatnich, a więc wtedy, gdy liczba elektronów walencyjnych jest mała (a konkretnie:
mniejsza niż 4).
Z powyższego stwierdzenia wynika, że w celu wyjaśnienia istoty wiązania metalicznego posłużyć można się modelem atomu
Bohra. Robię to świadomie, mimo iż współczesny fizyk zapewne by zaprotestował2. To uproszczenie, zwane fachowo działaniem
heurystycznym, pozwala jednak obrazowo wyjaśnić takie zjawiska jak na przykład zmiany przewodności elektrycznej metali
w funkcji temperatury oraz wykazać, że wiązanie metaliczne utrzymuje metal w przestrzennie skoordynowanych układach.
Istota wiÄ…zania walencyjnego
W przypadku, gdy liczba elektronów walencyjnych jest mniejsza od 4, powstanie par elektronowych nie zapewnia
ośmioelektronowej powłoki zewnętrznej. Jeżeli jednak atom takiego pierwiastka otoczy większa liczba podobnych mu atomów,
to elektrony walencyjne każdego z nich znajdują się przejściowo pomiędzy  swoim atomem a jakimś jego sąsiadem. Te wolne
elektrony wiążą się chwilowo z wolnymi elektronami  od sąsiada  między tymi dwoma atomami tworzy się właśnie wiązanie
kowalencyjne  by w następnym momencie utworzyć wiązanie z kolejnym atomem-sąsiadem.
W ten sposób elektrony walencyjne3 stają się własnością wspólną, przechodzą od jednego atomu do drugiego.
Jest to tym łatwiejsze, że elektrony walencyjne w pierwiastkach elektrododatnich4 są słabo związane zresztą atomu.
Istota wiÄ…zania metalicznego
Wiązanie metaliczne jest zasadniczo nienasyconym wiązaniem kowalencyjnym umożliwiającym połączenie dużej liczby
atomów przez kolektywizację, czyli uwspólnienie ich elektronów walencyjnych. W sposób uproszczony wiązanie metaliczne
można wyobrazić sobie jako wynik elektrodynamicznego oddziaływania występującego pomiędzy elektronami walencyjnymi
i kationami (dodatnimi jonami). Te ostatnie nazywane są rdzeniami atomowymi i są pozbawione elektronów na powłoce
zewnętrznej, natomiast skolektywizowane elektrony nazywane są gazem elektronowym, co zawdzięczają swojej zdolności
do swobodnego poruszania siÄ™.
Obecność w metalach swobodnych elektronów pociąga za sobą dobre przewodnictwo elektryczne, które może być ograniczone
przez drgania cieplne rdzeni atomowych5.
W metalach współistnienie innych rodzajów wiązań wraz z wiązaniem metalicznym pociąga za sobą zmniejszenie
intensywności cech metalicznych, a więc np. brak plastyczności, zmniejszenie przewodności elektrycznej itp.
Z takich właśnie powtarzalnych  tworów zbudowane
są metale i stopy. Na rys.3.1 widać jedną płaszczyznę obsadzoną
w sposób powtarzalny jonami dodatnimi. Środki ciężkości tych
jonów w lewym górnym rogu schematu połączono liniami
uzyskując kwadrat o boku długości a . Wyobraz
my sobie teraz,
że w odległości a za kartką papieru i w odległości a przed
tą kartką leżą płaszczyzny z identycznie rozłożonymi jonami
dodatnimi. Połączmy ze sobą ich środki ciężkości i wtedy łatwo
ujrzysz, Człowieku z wyobraz
niÄ… przestrzennÄ…, dwa stykajÄ…ce siÄ™
ze sobą sześciany. W ten sposób wyodrębniliśmy dwie komórki
elementarne (sześcienne) sieci krystalicznej.
rys.3.1: Schemat wiÄ…zania metalicznego.
1 Przykładowo: miedz
ma bardzo przewodnictwo elektryczne, ale mangan już znacznie gorsze. Srebro jest bardzo plastyczne, natomiast mangan bardzo
kruchy. Zdarza się także, żę niemetale wykazują niektóre z wymienionych charakterystycznych cech metali. Dobrym przykładem będzie tutaj grafit,
który ma wysokie (i często wykorzystywane w praktyce) przewodnictwo elektryczne  i to w dodatku z charakterystycznym dla metali dodatnim
współczynnikiem temperaturowym, a jednocześnie nie wykazuje innych cech metali.
2 Obecnie opis budowy atomu opiera się na mechanice kwantowej, zgodnie z którą stan energetyczny każdego elektronu jest określony czterema liczbami
kwantowymi, pęd elektronu ma pewien zakres nieoznaczoności, ruch elektronów może być traktowany jako fala, a położenie elektronów traktuje się
w kategoriach prawdopodobieństwa. Głównym sukcesem mechaniki kwantowej była interpretacja subtelnych linii widmowych, których nie można było
wyjaśnić w oparciu o model atomu Bohra.
3 Zwane też  elektronami wartościowości .
4 Jakimi są metale (leżące w lewej części układu okresowego).
5 Drgania te (występujące w wyższych temperaturach) utrudniają przemieszczanie się elektronów. Natomiast w niskich temperaturach natomiast amplituda
drgań rdzeni atomowych szybko maleje, zaś to jest przyczyną wzrostu przewodności elektrycznej tych materiałów. W niektórzych metalach (a konkretnie
w około 30 rodzajach) w bardzo niskich temperaturach (T< 20 K) występuje zjawisko nadprzewodnictwa.
3
Sieci krystaliczne metali
Podstawową cechą stanu krystalicznego jest regularne i powtarzalne rozłożenie atomów w przestrzeni. Z cechy tej wynika fakt,
że w krysztale każdy atom sąsiaduje z tą samą liczbą najbliższych atomów usytuowanych w jednakowej od niego odległości.
Dążenie atomów (jonów) metalu do możliwie bliskiego i zwartego ułożenia w przestrzeni sprawia, że liczba spotykanych
kombinacji wzajemnego ułożenia atomów metalu w kryształach jest niewielka. Ze wspomnianej w poprzednim zdaniu bliskości
ułożenia wynika też inna cecha metali, a mianowicie fakt, że metale mają większą gęstość właściwą niż niemetale.
Najczęściej brane pod uwagę kombinacje wzajemnego ułożenia atomów w sieci krystalicznej są następujące:
(A3  np. grafit) sieć Fe3C (cementyt)
rys.3.2: Wybrane typy sieci krystalicznych metali.
4
Kilka słów o otrzymywaniu i obróbce metali
Metale otrzymujemy z rud metali, które są najczęściej tlenkami, dlatego też procesy metalurgiczne polegają zwykle na redukcji
(która doprowadza do ekstrakcji metalu z rudy) oraz rafinacji (która usuwa z metalu zanieczyszczenia pozostałe po redukcji).
Zwykle części metaliczne wytwarzamy na drodze odlewania, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem lub też poprzez
połączenie tych technologii. Coraz częściej, szczególnie w przypadku stopów będących fazami międzymetalicznymi,
wykorzystuje się typową dla materiałów ceramicznych technologię spiekania.
Bardzo często zachodzi potrzeba nadania powierzchni części metalicznych szczególnych właściwości np. zwiększających
ich odporność na ścieranie lub też poprawiających ich odporność na korozję. W tym celu możemy zmienić budowę fazową
powierzchni przez zmodyfikowanie jej składu chemicznego. Problemami tymi zajmuje się dział inżynierii materiałowej zwany
inżynierią powierzchni.
4. Polimery i tworzywa sztuczne
Nader często określenia polimer i tworzywo sztuczne traktowane są jako tożsame i stosowane są wymiennie. Należy jednak
zwrócić uwagę na fakt, że w istocie polimer to tylko jeden ze składników tworzywa sztucznego. W skład tworzywa sztucznego
(potocznie mówiąc: plastiku) oprócz polimeru wchodzą także różne inne dodatki:
Tworzywo sztuczne = polimer + [napełniacze + zmiękczacze +
+ stabilizatory + barwniki + środki smarujące]
Polimery  są minerałami organicznymi złożonymi ze związków węgla, wodoru i innych pierwiastków (z górnego rogu układu
okresowego: N, O, F, Si, S, Cl). Są one makrocząsteczkami powstającymi w wyniku połączenia wiązaniami walencyjnymi
w łańcuch wielu grup atomowych zwanych monomerami6. Najbardziej ogólnie polimery podzielić można na polimery naturalne
i syntetyczne (sztuczne).
Polimery naturalne (tzw. biopolimery) są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych produkowanych
przez nie same. Każdy z Was na pewno wie o polisacharydach: celuloza, skrobia, pektyna, chityna, glikogen itp.,
polinukleotydach: DNA i RNA, polipeptydach czyli białkach lub słyszał o ligninie, inulinie, kauczuku czy melaninie.
Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych
produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp.
rys.4.1: Schemat prostoliniowego odcinka łańcucha polietylenu. (Cały łańcuch może zawierać 50000 podstawowych jednostek monomerycznych.)
Prosty monomer jest cząsteczką etylenu C2H4. Jeśli atomy H w tych cząsteczkach zastąpimy:
·ð zwiÄ…zkiem CH3  otrzymamy polipropylen;
·ð zwiÄ…zkiem C6H5  otrzymamy polistyren;
·ð pierwiastkiem N (azot)  otrzymamy nylon;
·ð pierwiastkiem Si (krzem)  otrzymamy silikon;
·ð pierwiastkiem F (fluor)  otrzymamy fluoroplastik;
·ð zastÄ…pienie wszystkich atomów H przez atomy F (fluor) w monomerze powoduje uzyskanie politetrafluoroetylenu czyli
teflonu.
6  Meros po grecku oznacza  część .
5
Podstawowe właściwości polimerów
1. Mała gęstość
Od 0,83 g/cm3 do 2,29 g/cm3, dla porównania żelazo Fe ma gęstość 7,87 g/cm3.
2. Słabo odbijają światło i są zwykle przezroczyste.
3. Wiele polimerów jest giętkich i odkształcalnych, lecz nie nadają się do pracy w podwyższonych temperaturach.
4. SÄ… zazwyczaj izolatorami cieplnymi i elektrycznymi.
Punkty 3 i 4 wymagają obecnie pewnego rozbudowania i uzupełnienia.
Ad.3) Dla większości popularnych tworzyw sztucznych zakres temperatur ciągłego stosowania mieści się w przedziale -200oC
do +260oC. W nowoczesnych kotłach energetycznych pojawiły się już propozycje ochrony przed korozją rur ze stali niestopowej
(węglowej) za pomocą żywic polimerowych na bazie fenolu (polifluorowęglowodory), które mogą pracować w zakresie
temperatur pomiędzy 250 a 300 oC.
Ad.4) należy wspomnieć, że w latach '80 i '90 XX wieku w wyniku badań powstały tworzywa sztuczne, które przewodzą prąd
elektryczny np. poliacetylen, polipirol, politiofen, poli-para-fenylen, polianilina). Znalazły one już zastosowanie praktyczne7.
Zatem nie można już dzisiaj twierdzić jednoznacznie, że tworzywa sztuczne nie nadają się do pracy w podwyższonych
oC,
temperaturach. Warto też zapamiętać, że mogą one być stosowane w temperaturach obniżonych  nawet do -200 czyli
w temperaturze, w której wiele tworzyw metalicznych traci swoje właściwości stając się kruchymi.
Podstawowe grupy polimerów
Wspomniany tutaj został już najbardziej podstawowy podział polimerów na polimery naturalne i syntetyczne. Warto dokonać też
kilku innych klasyfikacji. Ze względu na własności użytkowe polimery dzielą się na plastomery i elastomery.
rys.4.2: Podział polimerów ze względu na właściwości użytkowe.
Plastomerami  są polimery charakteryzujące się rozerwaniem przy wydłużaniu zwykle nie przekraczającym 200% (choć polietylen lub
polipropylen wykazują maksymalne wydłużenie rzędu kilkuset procent i także zaliczane są do tej grupy). Wśród plastomerów wyróżniamy dwie
grupy polimerów: termoplasty (polimery termoplastyczne) i duroplasty (polimery utwardzalne).
Elastomerami  (czyli gumami) nazywamy polimery, które cechuje skłonność do dużych odkształceń sprężystych, które ustępują (całkowicie
lub w znacznej części) po odciążeniu (mowa tu o eksperymentach w temperaturze pokojowej). Ta ich właściwość wynika z niewielkiego stopnia
usieciowienia elastomeru.
Otrzymywanie polimerów
Zwykle surowcem do wytwarzania polimerów jest ropa naftowa. W takim przypadku łączenie monomerów w makrocząsteczki
następuje podczas polireakcji tj. polimeryzacji (rys.4.3a), kopolimeryzacji, polikondensacji (rys.4.3b) lub poliaddycji
(rys.4.3c). Polimery można również otrzymywać w wyniku modyfikacji polimerów naturalnych (np. pochodnych celulozy).
7 Pozwólcie, że tylko hasłowo wspomnę, aby zatrzymać ten fakt w Waszej pamięci: wyświetlacze LCD, billboardy, zwijane (tak!) telewizory, przewodzące
lub/i świecące folie, składniki sensorów biologicznych i elektrochemicznych, diody LED i fotowoltaiczne (ogniwa słoneczne), tranzystory polowe, ogniwa
woltaiczne, kondensatory... i te przykłady można by jeszcze mnożyć, ale zainteresowani na pewno sami dotrą do podobnych ciekawostek.
6
a) polimeryzacja
b) polikondensacja
c) poliaddycja
rys.4.3: Sposoby otrzymywania polimerów.
5. Materiały ceramiczne
Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych
reakcji8.
Definicja i klasyfikacja ceramiki
Najłatwiej więc jest zdefiniować ceramiki przez wykluczenie: są to niemetaliczne niepolimery.
Najogólniej do materiałów ceramicznych można zaliczyć: ceramikę inżynierską, cermetale, ceramikę porowatą, szkła,
ceramikę szklaną. Do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła, beton, cement  pomimo że przy ich wytwarzaniu
nie zachodzą wszystkie z tych procesów. Do ceramiki zaliczamy także diament (składający się z połączonych kowalencyjnie
atomów węgla oraz krzem i german, które mają takie same jak diament sieci krystaliczne. Ceramikę stanowi także  zwykły
kryształ lodu, w którym dominują wiązania wodorowe9.
W skład ceramiki mogą wchodzić liczne pierwiastki metaliczne połączone z siedmioma pierwiastkami niemetalicznymi (B, C, N,
O, Si, P, S).
rys.5.1: Ogólna klasyfikacja i przykłady zastosowań materiałów ceramicznych.
8 Słowo ceramika pochodzi z martwego już języka sanskryckiego od słowa  keramos oznaczającego  rzecz otrzymaną w wyniku działania ognia . Odnosi się
więc w zasadzie nie do natury tego materiału, ale do technologii jego wytwarzania.
9 Na pierwszy rzut oka podana klasyfikacja może wydawać się nierozsądna. Jednak pamiętajcie, że piękny, przezroczysty kryształ szafiru jest dokładnie tym
samym materiałem co tradycyjnie zaliczany do ceramik izolator świecy samochodowej. Różnica między nimi polega (nie licząc ceny oczywiście!)
wyłącznie na mikrostrukturze. Szafir bowiem jest naturalnie lub sztucznie wyhodowanym monokryształem domieszkowanego Al2O3, zaś izolator świecy
samochodowej to polikryształ zbudowany ze wzajemnie zespolonych, różnie zorientowanych maleńkich ziarn, dodatkowo zawierających wiele
zanieczyszczeń, co w sumie skutkuje zmniejszeniem jego przezroczystości.
7
Właściwości materiałów ceramicznych
Większość materiałów ceramicznych charakteryzuje się:
1. Wysoką twardością i kruchością
2. Odpornością na działanie wysokich temperatur i agresywności środowiska (większą od metali)
3. Tendencją do przezroczystości
4. Małą przewodnością i rozszerzalnością cieplną
5. W zasadzie sÄ… izolatorami10
Ponieważ charakter wiązań decyduje, że elektrony są unieruchomione.
Powyższe cechy wynikają z natury występujących w ceramice wiązań jonowych, jonowo-kowalencyjnych lub kowalencyjnych.
Dzięki temu powstaje uporządkowana struktura krystaliczna, w której poszczególne rodzaje atomów zajmują ściśle określone
położenia.
Ad.1.) Dzięki naturze występujących wiązań, ceramiki charakteryzują się wysoką wytrzymałością (duża twardość). Jednak
wytrzymałość ta nie jest związana (tak jak w przypadku metali) z plastycznością, ze względu na znacznie większą odporność
na działanie sił ścinających. Bowiem w przeciwieństwie do metali, przemieszczenie względem siebie płaszczyzn krystalicznych
prowadzi w większości ceramik do zmiany rozłożenia ładunku elektrycznego, czemu przeciwstawiają się siły kulombowskie.
Dzięki temu odpowiedzią materiału na przyłożone naprężenie będzie nie odkształcenie plastyczne, ale pęknięcie. Ten fakt
w połączeniu z występowaniem w ceramice mikroszczelin (które są dogodnymi miejscami inicjacji pęknięć) stanowi powód
kruchości ceramiki.
Ad.2.) Przenoszenie ciepła jest również utrudnione, ponieważ energia cieplna w całości musi być przenoszona przez drgania
cieplne atomów, co jest znacznie powolniejszym procesem niż transport elektronowy (charakterystyczny dla metali).
Przyczyna odporności ceramik na działanie wysokich temperatur (żaroodporność) i oddziaływanie agresywnych środowisk
wynika nie tylko z siły wiązań, ale i z tego, że składa się ona zwykle z silnie utlenionych związków.
Ad.3.) Mało ruchliwe elektrony w ceramice mają niewielkie możliwości dopasowania swoich drgań do częstotliwości światła
i przez to słabo absorbują promieniowanie widzialne. Dzięki temu ceramika wykazuje tendencję do przezroczystości -
szczególnie gdy ma postać monokrystaliczną.
Ceramika polikrystaliczna, którą wytwarza się na drodze spiekania proszku, nigdy nie jest w pełni jednorodna, gdyż jej
mikrostruktura zawiera znaczną liczbę drobnych mikroszczelin, które przyczyniają się do rozproszenia światła i zmniejszenia
przezroczystości.
Istnieją znaczne możliwości manipulowania strukturą elektronową ceramik, co pozwala na otrzymanie w nich
właściwości półprzewodnikowych (krzem, german), a nawet nadprzewodnictwa (YBa2Cu3O7).
Jak wytwarza siÄ™ ceramikÄ™?
Ceramikę wytwarzało się dawniej z surowców mineralnych (ceramika klasyczna), a obecnie coraz częściej wytwarza się ją
na drodze syntezy substancji nie występujących w stanie naturalnym11. Podobnie jak w przypadku tworzyw metalicznych
o budowie fazowej, i możliwościach zastosowań tworzyw ceramicznych można sądzić na podstawie odpowiednich wykresów
równowagi fazowej. Przykłady takich wykresów pokazane są na rysunkach 5.2  5.4.
10 Ale niektóre wykazują właściwości półprzewodnikowe, a niedawno odkryte wysokotemperaturowe nadprzewodniki również są ceramikami.
11 Otrzymuje się je w postaci bardzo drobnych proszków poddawanych następnie precyzyjnym procesom zagęszczania i wysokotemperaturowego spiekania
(często w warunkach wysokiego ciśnienia hydrostatycznego) w celu nadania materiałowi odpowiedniego kształtu lub też procesowi krystalizacji
(przy wykonywaniu monokryształów). Przykładem może tu być azotek boru (BN).
8
rys.5.2: Dwuskładnikowy wykres równowagi fazowej rys.5.3: Dwuskładnikowy wykres równowagi fazowej
Al2O3  Cr2O3 . SiO2  Al2O3 .
rys.5.4: Trójskładnikowy wykres równowagi fazowej skaleń  glina  krzemionka.
Można również otrzymać ceramikę amorficzną (szkła ceramiczne).
9
Szkła12
Szkła mogą być uważane za odmianę materiałów ceramicznych, pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną.
Stan struktury szkieł jest pośredni między stanami ciekłym i stałym. Stan ten nie jest stanem równowagi i jest osiągany
przez powstrzymanie krystalizacji, w wyniku szybkiego chłodzenia w zakresie temperatury krzepnięcia, zapewniającej powstanie
fazy krystalicznej w razie powolnego chłodzenia w warunkach zbliżonych do równowagowych. Szkło podlega odkształceniu
(dewitryfikacji) stając się materiałem krystalicznym, lecz okres ten trwa minimum kilkaset lat.
Budowa szkieł
Podstawowymi składnikami szkłotwórczymi są trzy tlenki kwasowe SiO2 , B2O3 i P2O5 , tlenki arsenu i germanu a także
siarka, selen i fluorek ołowiu. W skład szkła, oprócz składników szkłotwórczych mogą wchodzić modyfikatory wiązań sieci
przestrzennej oraz tlenki pośrednie.
Patrz: tab.5.1: Skład chemiczny i zastosowanie niektórych szkieł.
rys.5.5: Sieć SiO2.
Właściwości szkieł
Szkło jest izolatorem elektrycznym, a także cechuje się bardzo małą przewodnością cieplną. Szkło może być hartowane termicznie
lub chemicznie lub też umacniane chemicznie niskotemperaturowo, co zapewnia umocnienie szkła lub jego powierzchni.
Szkło jest przezroczyste dla światła widzialnego, a współczynnik załamania światła może być regulowany przez odpowiednie
dodatki tlenków np. ołowiu. Podobnie można zmieniać zabarwienie przez dodatki tlenków metali.
Patrz: tab.5.2: Właściwości szkieł.
rys.5.6: Wpływ różnych składników na właściwości szkieł (opracowano wg V.A.Greenhuta)
12 Ta część opracowania może wydać Wam się wybitnie przeładowana trudnymi do zapamiętania rysunkami i tabelami, ale wszystko to znalazło się tutaj
ze względu na pewną trudność w dotarciu do rzetelnych informacji na temat szkieł i może przydać się Wam w przyszłości.
10
Włókna szklane:
Przez wyciskanie ciekłego szkła przez oczko o średnicy 0,793-3,175 mm i następnie szybkie ciągnienie otrzymywane są ciągłe
włókna szklane o koÅ„cowej Å›rednicy 3-20 µm. Wydzielić można kilka typów włókien szklanych o różnym skÅ‚adzie chemicznym
zapewniającym wymagane właściwości:
·ð włókna szklane E zawierajÄ…ce aluminioborokrzemian wapnia i stężenie alkalinów mniejsze od 2% o ogólnych
zastosowaniach i wymaganej wysokiej wytrzymałości i rezystywności
·ð włókna szklane S zawierajÄ…ce aluminiokrzemian magnezu o wysokiej wytrzymaÅ‚oÅ›ci na rozciÄ…ganie głównie
o zastosowaniach militarnych
·ð włówna szklane C sodowo-wapniowo-borokrzemianowe ze wzglÄ™du na stabilność chemicznÄ… stosowane w Å›rodowisku
korozyjnym i w materiałach kompozytowych kompozytowych kontaktujących się lub zawierającycj materiały kwaśne.
Patrz:
tab.5.3: Udział tlenków w różnych typach włókien szklanych stosowanych w materiałach kompozytowych.
tab.5.4: Orientacyjne właściwości mechaniczne różnych typów włókien szklanych.
Ceramika szklana
Ceramika szklana (inne nazwy dewitryfikaty, pyroceramika) powstaje przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej w ściśle
określony sposób, umożliwiający utworzenie struktury bardzo drobnoziarnistej, bez porowatości, z pozostałością tylko ok.2% fazy
szklistej.
Otrzymuje się ją w wyniku krystalizacji szkła na zarodkach tworzonych przez niewielkie dodatki Cu, Ag lub Au pod wpływem
promieniowania ultrafioletowego. Możliwe jest również uzyskanie podobnych materiałów przez dodatki katalizatorów
np. platynowców lub tlenków tytanu podczas obróbki cieplnej i bez konieczności napromieniowania. Materiały te mają dobre
własności mechaniczne i lepszą odporność na udary cieplne znacznie większe od szkieł, a niektóre własności lepsze
od ceramiki inżynierskiej.
Wyróżnia się 5 podstawowych typów ceramiki szklanej w zależności od obecności podstawowej fazy krystalicznej.
Patrz: tab.5.5: Orientacyjne składy chemiczne niektórych typów ceramiki szklanej (wg J.F.Shackelforda, W.Alexandra i
J.S.Parka).
11
Udział masowy [%]
Rodzaj szkła
SiO2 Na2O K2O CaO MgO BaO PbO B2O3 Al2O3 TiO2 Uwagi
A
atwe do wytworzenia, ma szerokie zastosowanie w
Szkło sodowo-wapienne 71-73 12-14 10-12 1-4 0,5-1,5 nieco różniących się odmianach na szyby okienne,
zbiorniki i żarówki elektryczne
A
atwo topliwe i Å‚atwe do wytwarzania, o dobrych
właściwościach elektrycznych. Przy dużej zawartości
Szkło ołowiowe 63-65 7,6 6-7,2 0,3 0,2 21-58 0,2 0,6 ołowiu absorbuje promieniowanie, dobrze załamuje
światło i służy do wyrobu soczewek chromatycznych;
dekoracyjne kryształy.
Mała rozszerzalność, dobra odporność na udary cieplne i
Szkło boro-krzemianowe
80,5 3,8 0,4 12,9 2,2 stabilność chemiczna; szerokie zastosowanie w
o małej rozszerzalności
przemyśle chemicznym.
Wytrzymałość na wysokie temperatury, mała
Szkło glino-krzemianowe 57 12-14 5,5 12 4 20,5
rozszerzalność.
Trudnotopliwa i trudna do wytworzenia, lecz może być
Krzemionka 99,5 stosowana do 1000oC; bardzo mała rozszerzalność i
duża odporność na udar cieplny.
Ceramika drobnokrystaliczna otrzymana przez
7-
Ceramika szklana 40-70 10-30 10-35 dewitryfikację szkła; łatwa do wytworzenia jako szkło;
15
dobre właściwości; różne szkła i katalizatory.
Szkło borokrzemianowe o
małej stratności 70 05 1,2 28 1,1 Małe straty elektryczne
dielektrycznej
Szkło
Podwyższony udział tlenku aluminium i mniejszy udział
glinoborokrzemianowe 74,7 6,4 0,5 0,9 2,2 9,6 5,6
tlenku boru poprawiają trwałość chemiczną.
aparaturowe
Szkło
Szerokie zastosowanie na włókna w kompozytach z
glinoborokrzemianowe E 54,7 0,5 22 8,5 14,5
polimerów tworzyw sztucznych wzmocnionych szkłem.
o małej zawartości alkalii
Otrzymywana z dość miękkiego szkła
borokrzemianowego, ogrzewana w celu oddzielania faz
Krzemionka 96% 96,3 <0,2 <0,2 2,9 0,4
SiO2 i B2O3. A
ugowana kwasem fazy B2O3, ogrzewana
w celu zasklepienia porów.
tab.5.1: Skład chemiczny i zastosowanie niektórych szkieł.
12
Szkło
Szkło Szkło Krzemionka
Właściwości sodowo- Krzemionka
ołowiowe borokrzemianowe 96%
wapienne
Gęstość 5 6 4 2 1
Wytrzymałość 2 2 4 5 6
Obrabialność cieplna 4 6 3 2 1
Odkształcalność na gorąco 4 4 1 - -
Odporność na udarowe ścieranie 3 1 4 4 6
Odporność na udary cieplne 2 2 4 5 6
Rezystywność elektryczna 4 6 4 4 4
Odporność chemiczna 1 3 4 5 6
Przepuszczalność promieniowania
nadfioletowego 1 1 3 4 4
Względny koszt 1 2 4 5 6
1 - złe lub najniższe; 2 - słabe lub niskie, 3 - wystarczające, 4 - dobre lub średnie, 5 - bardzo dobre lub wysokie, 6 - najlepsze lub najwyższe
tab.5.2: Właściwości szkieł.
Udział masowy we włóknach szklanych
Rodzaj
danego typu [%]
tlenku
E S C
SiO2 52-56 65 64-68
Al2O3 12-16 25 3-5
B2O3 5-10 - 4-6
Na2O ; K2O 0-2 - 7-10
MgO 0-5 10 2-4
CaO 16-25 - 11-15
BaO - - 0-1
TiO2 0-1,5 - -
Fe2O3 0-0,8 - 0-0,8
Fe 0-1,5 - -
tab.5.3: Udział tlenków w różnych typach włókien szklanych stosowanych w materiałach kompozytowych.
Wytrzymałość na rozciąganie [MPa]
Moduł sprężystości
Typ włókna Gęstość Wydłużenie
wzdłużnej w 540oC
szklanego [g/cm3] [%]
w
[GPa]
w 25oC w 370oC w 540oC
~190oC
E 2,62 5310 3445 2630 1725 81,3 4,88
S 2,5 8275 4585 4445 2415 88,9 5,7
C 2,56 5380 3310 - - - 4,8
tab.5.4: Orientacyjne właściwości mechaniczne różnych typów włókien szklanych.
Typy ceramiki Orientacyjny udział masowy składników [%]
szklanej
SiO2 LiO2 Al2O3 MgO ZnO B2O3 TiO2 P2O5
LiO2  Al2O3  SiO2 74 4 16 - - - 6 -
MgO  Al2O3  SiO2 65 - 19 9 - - 7 -
LiO2  MgO  SiO2 73 11 - 7 - 6 - 3
LiO2  ZnO  SiO2 58 23 - - 16 - - 3
tab.5.5: Orientacyjne składy chemiczne niektórych typów ceramiki szklanej (wg J.F.Shackelforda, W.Alexandra i J.S.Parka).
13
6. Materiały kompozytowe
Materiał kompozytowy jest kombinacją dwóch lub więcej materiałów (elementy wzmacniające, wypełniacze i lepiszcze
stanowiące osnowę kompozytu) różniących się rodzajem lub składem chemicznym w skali makroskopowej. Składniki materiałów
kompozytowych zachowują swoją tożsamość, ponieważ całkowicie nie rozpuszczają się w sobie, jak również nie łączą się
w inne elementy, natomiast oddziałują wspólnie. Zwykle składniki te mogą być identyfikowalne fizycznie i wykazują
powierzchnie rozdziału między sobą.
Wytwarzanie i zastosowanie kompozytów
Materiały kompozytowe są zwykle sztucznie wytwarzane dla uzyskania właściwości, które nie mogą być uzyskane oddzielnie
przez żaden z występujących składników.
Stosuje się je nie tylko w celu zapewnienia odpowiednich właściwości mechanicznych, lecz również elektrycznych, cieplnych,
trybologicznych, związanych z pracą w różnych środowiskach i innych istotnych cech. Znajdują współczesne zastosowanie
między innymi w sprzęcie kosmicznym, samolotach, samochodach, łodziach, jachtach, szybowcach i sprzęcie sportowym.
Najbardziej powszechne zastosowanie kompozytów związane jest z naśladowaniem znanych z przyrody naturalnych
rozwiązań, zapewniających niedoścignione połączenie ogromnej sztywności konstrukcji z jej jednoczesną lekkością. Przykładami
takich niezwykłych z mechanicznego punktu widzenia  konstrukcji może być kość, trzcina lub pokazane na rysunku poniżej
drewno (naturalny kompozyt).13
rys.6.1: Struktura drewna: a) przekrój pnia drzewa, b) wycinek przedstawiający słój roczny, c) struktura ścianki komórki drewna,
d) schemat mikrofibryli
13
Właściwości kości biorą się z tego, że twardy szkielet (zbudowany z hydroksyapatytu  związku opartego na fosforanie wapnia) zespolony jest w jedną całość
miękkimi organicznymi związkami proteinowymi tworząc tym samym lekką i wytrzymałą strukturę komórkową. Właściwości trzciny wynikają z zespolenia
sztywnych włókien celulozy przez miękką ligniną.
14
Drewno może być traktowane jako kompleksowy materiał kompozytowy wzmacniany włóknami, złożony z długich, jednoosiowo
zorientowanych komórek polimerowych w osnowie polimerowej. Pory tych komórek wypełnione są powietrzem i wodą (w
proporcjach zmieniających się w zależności od warunków otoczenia, a głównie wilgotności). Układ ten zapewnia bardzo dobre
właściwości wytrzymałościowe w kierunku wzdłużnym. Drewno, materiał kompozytowy, stosowane jest przez człowieka od
bardzo dawna.14
Budowa i właściwości kompozytów
Najczęściej zawierają włókna lub cząsteczki faz i są sztywniejsze i bardziej wytrzymałe niż ciągła faza osnowy. Wiele
elementów wzmacniających zapewnia im także dobrą przewodność cieplną i elektryczną oraz niższy współczynnik
rozszerzalności cieplnej oraz/lub dobrą odporność na zużycie15.
Materiały kompozytowe dzielą się ze względu na osnowę metalową, polimerową lub ceramiczną.
rys.6.2: Klasy materiałów kompozytowych.
Faza powodująca wzmocnienie kompozytów (nazywana także zbrojeniem) może być wprowadzona w postaci drobnych
cząsteczek (niekiedy dyspersyjnych), krótkich (nieciągłych) włókien lub płatków, włókien ciągłych a także innych form.
Rodzaje wzmocnień (zbrojeń) w kompozytach:
a) czÄ…steczki dyspersyjne
b) płatki
c) włókna nieciągłe
d) włókna ciągłe w postaci tkaniny
e) szkieletowe
f) warstwowe w laminatach
rys.6.3: Różne rodzaje wzmocnień występujących w materiałach kompozytowych.
14
Mało znanym, a pięknym przykładem ich zastosowania była polska kopia husarska: niezwykle lekka, pusta w środku konstrukcja wykonana z klejonych
włókien drewnianych  dlatego mówimy o kruszeniu, a nie łamaniu kopi!
15 Są jednak wyjątki, które mogą również występować w materiałach kompozytowych, jak polimery modyfikowane kauczukiem, w których nieciągła faza jest
bardziej podatna i bardziej ciągliwa niż polimer, co skutkuje zwiększeniem udarności. Podobnie druty stalowe mogą być stosowane do wzmacniania żeliwa
szarego w bębnach hamulcowych samochodów ciężarowych i ciągników.
15
7. Dwa słowa podsumowania
Mam nadzieję, że ten materiał rzeczywiście będzie dla Was skuteczną pomocą naukową. Na koniec jeszcze jedna tabela z bardzo
ogólnym podsumowaniem tego, o czym właśnie przeczytaliście:
Grupa Materiały
- żeliwo, stale i staliwa (stopy żelaza i węgla)
Metale i ich stopy
- aluminium, miedz
, nikiel, tytan i ich stopy
- polietylen (PE)
- polimetaakrylan metylu (PMMA, pleksiglas)
Tworzywa sztuczne - nylon
- polistyren (PS), poliuretan (PU) i polichlorek winylu (PVC)
- gumy
- tlenki glinu (Al2O3, papier ścierny, szafir)
- tlenek magnezu (magnezja MgO)
Ceramika - dwutlenek krzemu (krzemionka SiO2, szkła i krzemiany)
- węglik krzemu (SiC) i azotek krzemu (Si3N4)
- cement i beton
- drewno
Kompozyty - polimery zbrojone włóknem szklanym (GFRP) lub węglowym (CFRP)
- polimery z wypełniaczami (cermetale)
tab.7.1: Podstawowy podział materiałów inżynierskich.
Materiał ten jest moim uzupełnieniem, opracowaniem i niewielkim uaktualnieniem notatek do wykładów dostarczanych
studentom w ubiegłych latach przez doc. dr inż. Grzegorza Pękalskiego, wykonanym zresztą na Jego prośbę. Został on
opracowany na podstawie następujących książek:
1. Maciej W. Grabski, Jan A. Kozubowski   Inżynieria materiałowa: geneza, istota, perspektywy , Oficyna
Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2003;
2. Leszek A. Dobrzański   Podstawy nauki o materiałach i metaloznawstwo , WNT, Gliwice-Warszawa 2002;16
3. Grzegorz Pękalski   Podstawy metaloznawstwa  raport dydaktyczny , Wrocław 1993, IMMT
Na koniec pozostaje mi pogratulować wytrwałości i sumienności tym, którzy doczytali do tego miejsca już teraz, zaś tym, którzy
jednak odłożyli to aż do sesji :) - mam nadzieję, że przysłowiowe 3Z nie stanie się udziałem aż wszystkich informacji, które tu
przedstawiliśmy.
Powodzenia!
Milena
16
Z tej książki pochodzi większość zamieszczonych tutaj rysunków i tabel. Jeśli chcecie zainwestować na czas studiów w jakąś pozycję literaturową to tutaj macie
naprawdÄ™ godnego polecenia kandydata.
16