KSZTAA
TOWANIE STRUKTURY I WA
AÅšCIWOÅšCI MATERIAA
ÓW
Wykład 1: Cele doboru materiałów i procesu wytwarzania
Znaczenie materiałów
szkła metaliczne
Metale
Spadek znaczenia (do ok. 1960),
stopy Al.-Li
Polimery
powolny rozwój
następnie ciągły wzrost
stale dwufazowe
Kompozyty
stale mikroskopowe
Ceramika
nowe nadstopy
Klasy materiałów inżynierskich  wyróżnia się 6 rodzin:
üð METALE (stale, żeliwo, stopy: Cu, Zn. Ti, Al)
üð POLIMERY (poliestry, epoksydy, fenole, PE, PET, RP, C, PS, PEEK, PA (nylon))
üð ELASTOMERY (kauczuk naturalny, butylowy, neopren, izopren, silikony, EVA
üð CERAMIKI (Al2O3, ZrO2, Si3N4, SiC)
üð SZKA
A (szkło sodowo-wapniowe, borowo-krzemowe, kwarcowe, tworzywa szklano-ceramiczne)
üð HYBRYDY (kompozyty, kanapki, struktury segmentowe, siatki, sploty)
Projektowanie - stworzenie produktu efektywnie i bezpiecznie spełniającego swoją funkcję przy rozsądnych kosztach. Polega na
poszukiwaniu najlepszego dopasowania między zespołem własności materiału i zespołem własności wymaganym w projekcie.
analiza
wybór materiałów
Gromadzenie analiza
ekonomiczna
i procesów
danych statystyczna
“!
“!
“! “!
TEST ðð WYNIKI TESTU ðð WSZYSTKIE DANE ðð POTENCJALNE ZASTOSOWANIA ðð PRODUKT KOC
COWY
BADANIA
WYBÓR I WDROŻENIE
Dobór procesu jest zależny od własności materiału (formowalności, skrawalności, spawalności, obrabialności cieplnej itd.).
Proces określa kształt, wielkość, dokładność wykonania i koszt wyrobu.
FUNKCJA
wywiera mocny wpływ na dobór
materiału i kształtu
KSZTAA
T
MATERIAA

Kształt określa budowę zewnętrzną (w skali makro) oraz
·ð Rodziny, grupy, podgrupy i
wewnętrzną (mikrokształt), a jest nadawany w procesie
poszczególne materiały
produkcyjnym obejmujÄ…cym:
·ð WÅ‚asnoÅ›ci materiałów
·ð pierwotne procesy ksztaÅ‚towania (odlewanie, kucie,
·ð Wskaz
niki materiałowe i
obróbkę ubytków  skrawanie, wiercienie),
PROCES
granice własności
WÅ‚asnoÅ›ci: ·ð procesy wykoÅ„czeniowe (polerowani, procesy Å‚Ä…czenia,
spawanie)
·ð materiaÅ‚,
·ð ksztaÅ‚t i wielkość,
·ð minimalna grubość ksztaÅ‚towanika,
·ð tolerancja i chropowatość, wielkość partii,
·ð nakÅ‚ady kapitaÅ‚owe
Dobór materiału realizowany zależnie od doboru procesów (kształtowania, łączenia, wykończenia czy innego procesu wytwarzania wyrobu).
Każdy materiał charakteryzuje odpowiedni zespół własności (gęstość, wytrzymałość, odporność na korozję, ciągliwość itd.)
Własności materiału i kształt końcowy wyrobu ograniczają zakres możliwych procesów.
Przetwarzanie wymagań Selekcja za pomocą Ustalenie rankingu Poszukiwanie informacji Końcowy
Wszystkie
projektowych (ustalenie ograniczeń (eliminacja (wyszukanie materiałów wspierających (należy zbadać
dobór
materiały
funkcji, ograniczeń, celów i materiałów nie najlepiej spełniających historię materiałów najlepszych
materiału
zmiennych niezależnych) spełniających wymagań) wymagania) w rankingu)
Każdy proces jest charakteryzowany zbiorem własności:
üð jaki materiaÅ‚ można nim obrabiać,
üð jakie ksztaÅ‚ty można nadać i z jakÄ… precyzjÄ…,
üð jak duży i o jakiej zÅ‚ożonoÅ›ci może być wyrób.
Zasady doboru materiałów inżynierskich:
üð warunki użytkowania muszÄ… być dostosowane do możliwoÅ›ci zastosowanego materiaÅ‚u;
üð materiaÅ‚ w warunkach eksploatacji powinien być stabilny chemicznie, mechanicznie i cieplnie.
Wykład 2: Klasy materiałów inżynierskich a wiązania chemiczne
Podstawowe klasy materiałów inżynierskich:
üð metale i ich stopy,
siły międzyatomowe utrzymują atomy  razem
üð polimery,
FN=FA+FR
üð materiaÅ‚y ceramiczne,
FN  siła wypadkowa działająca między atomami
üð kompozyty.
FA  siła przyciągająca
Atom składa się z jądra i powłok elektronowych
FR  siła odpychająca
üð proton (1,6·10-19C; 1,672·10-24g)
FA FR
üð neutron (1,675·10-24g)
üð elektron (1/1836 masy protonu)
r
üð liczba atomowa  Z=ilość protonów
üð masa atomowa  A=suma protonów i neutronów
Wiązania między atomami
Wytrzymałość mechaniczna ciał stałych jest wynikiem działania między atomami sił odpychających i przyciągających. Siły te równoważą się
gdy atomy zajmują pozycje równowagowe w kryształach, a pozycjom tym odpowiadają minimalne energie potencjalne. Od nich zależą
określone odległości międzyatomowe (r0).
Liczba koordynacyjna  liczba najbliższych atomów/jonów w krysztale
Wiązania pierwotne (silne): Wiązania wtórne (słabe <40):
üð jonowe (energia: 600-1550 kJ/mol) üð siÅ‚y Van der Waalsa
üð kowalencyjne (500-1250) üð wodorowe
üð metaliczne (100-850) üð siÅ‚y Londona
WiÄ…zania jonowe:
·ð Powstaje, gdy elektrony walencyjne jednego atomu elektrododatniego sÄ… przyÅ‚Ä…czane przez drugi atom bardziej elektroujemny.
·ð W wyniku utraty elektronów walencyjnych przez jeden atom i przyÅ‚Ä…czenia tych elektronów przez drugi, oba atomy uzyskujÄ… oktetowe
konfiguracje elektronowe (jakimi charakteryzujÄ… siÄ™ gazy szlachetne).
·ð Tworzone przez atomy, w których wystÄ™puje odpowiednio brak i nadmiar jednego lub dwóch elektronów walencyjnych.
·ð SiÅ‚y przyciÄ…gania miÄ™dzy jonami nie sÄ… kierunkowe, a o uÅ‚ożeniu jonów w materiale decyduje ich wielkość.
·ð KrysztaÅ‚y (jonowe) - przezroczyste, czÄ™sto o różnym zabarwieniu, duża wytrzymaÅ‚ość i twardość, kruchość, tendencja do Å‚upliwoÅ›ci
wzdłuż określonych płaszczyzn, duża rezystywność i oporność cieplna, wysoka Tt.
WiÄ…zania kowalencyjne (atomowe):
·ð Charakterystyczne w przypadku atomów pierwiastków elektroujemnych (gÅ‚. gazów, Si, Ge i diament).
·ð Elektrony walencyjne (pierwotnie różnych atomów) tworzÄ… pary elektronów należące wspólnie do jÄ…der dwóch atomów. Nie jest to zwykÅ‚e
nałożenie chmur elektronowych  towarzyszy mu zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii.
·ð kierunkowe, bardzo silne, a posiadajÄ…ce je krysztaÅ‚y sÄ… b. twarde i trwaÅ‚e, wykazujÄ… wysokÄ… Tt i dużą Rm, nie przewodzÄ… prÄ…du el., lub
mają własności półprzewodnikowe.
·ð Struktura diamentu  uwspólnione elektrony zajmujÄ… obszary rozciÄ…gajÄ…ce siÄ™ ku narożom czworoÅ›cianu, prowadzÄ…c do powstania wiÄ…zaÅ„
kierunkowych.
WiÄ…zania metaliczne:
·ð WystÄ™puje w dużych skupiskach atomów pierwiastków metalicznych, które po zbliżeniu sÄ… na wystarczajÄ…co maÅ‚Ä… odlegÅ‚ość
(charakterystyczną dla stałego stanu skupienia) oddają swoje elektrony walencyjne na rzecz całego zbioru atomów.
·ð Stosunkowo duża energia
·ð Bezkierunkowe
·ð Elektrony walencyjne przemieszczajÄ… siÄ™ swobodnie pomiÄ™dzy atomami (jonami dodatnimi), tworzÄ…c tzw. gaz elektronowy 
charakterystyczny dla tego wiązania  stanowi  lepiszcze (wiążące jony na zasadzie przyciągania elektrostatycznego).
Wiązania wtórne:
·ð WystÄ™pujÄ… miÄ™dzy wszystkimi atomami/czÄ…steczkami, ale ich obecność może być stwierdzona jeżeli wystÄ™puje przynajmniej jedno z
trzech wiązań pierwotnych.
·ð SÅ‚absze od atomowych (103  104 razy)
·ð Ewidentne miÄ™dzy atomami gazów szlachetnych, które majÄ… stabilnÄ… strukturÄ™ elektronowÄ… oraz miÄ™dzy czÄ…steczkami utworzonymi w
wyniku wiązań kowalencyjnych (np. między łańcuchami polimerów).
Wiązania wtórne - Van der Waalsa:
·ð SiÅ‚y V.d.W. wystÄ™pujÄ… miÄ™dzy dipolami czÄ…steczek/atomów, a wiÄ…zanie V.d.W. jest wynikiem przyciÄ…gania siÅ‚ami Coulomba miÄ™dzy
dodatnim końcem jednego a ujemnym końcem drugiego dipola.
·ð OddziaÅ‚ywania takie wystÄ™pujÄ… miÄ™dzy:
üð atomami obojÄ™tnymi elektrycznie,
üð dipolami wyindukowanymi,
üð dipolami wyindukowanymi i czÄ…steczkami spolaryzowanymi (które wykazujÄ… dipole okresowo),
üð czÄ…steczkami spolaryzowanymi.
WiÄ…zania wodorowe:
·ð najsilniejsze  specjalne wiÄ…zanie wtórne, wystÄ™puje miÄ™dzy spolaryzowanymi czÄ…steczkami.
·ð wyst. w czÄ…steczkach, w których wodór jest kowalencyjnie zwiÄ…zany z fluorem (HF), tlenem (H2O) lub azotem (NH3).
·ð W każdym wiÄ…zaniu H-F, H-O lub H-N pojedynczy elektron wodoru jest uwspólniony z innym atomem. Wodorowy koniec wiÄ…zania jest
naładowany dodatnio przez proton, który nie jest ekranowany przez żaden elektron i jest przyciągany przez przeciwny (ujemnie
naładowany) koniec innej cząsteczki.
·ð UtrzymujÄ… czÄ…steczki wody w stosunkowo dużej odlegÅ‚oÅ›ci wzajemnej (dlatego lód ma mniejsza gÄ™stość niż woda).
Wiązanie wtórne  wiązania między chwilowymi dipolami (wiązanie siłami dyspersyjnymi Londona):
·ð OddziaÅ‚ywanie dipol chwilowy  dipol indukowany wywoÅ‚ane jest przez ciÄ…gÅ‚Ä… fluktuacjÄ™ Å‚adunku w czÄ…steczce/atomie. MogÄ… one
powodować tym samym tworzenie chwilowych momentów dipolowych, które mogą powodować przyciąganie innych cząsteczek.
·ð PowstajÄ… w atomach/czÄ…steczkach, które normalnie sÄ… elektrycznie obojÄ™tne.
·ð SiÅ‚y te powodujÄ… skraplanie gazów szlachetnych i wpÅ‚ywajÄ… na wzrost ich temp. wrzenia (wraz ze wzrostem liczby atomowej) oraz
wpływają na łączenie się gazów w trwałe cząsteczki (np. H2, F2  w wyniku oddziaływań wiązania atomowego).
y
ródłem wszelkich właściwości oraz potencjalnych aplikacji materiałów inżynierskich są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracja
elektronowa tworzących go pierwiastków.
Własności użytkowe materiałów inżynierskich:
Własności fizyczne, mechaniczne, cieplne, elektryczne, magnetyczne czy optyczne materiałów zależne są od:
·ð struktury (na poziomie mikro i makro, elektronowym, krystalicznym),
·ð skÅ‚adu chemicznego oraz
·ð od warunków eksploatacyjnych wytworzonych z nich elementów.
WA
ASNOŚCI UŻYTKOWE MATERIAA
ÓW INŻYNIERSKICH
·ð GÄ™stość
·ð Współczynnik sprężystoÅ›ci i tÅ‚umienia
Mechaniczne wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci ·ð Granica plastycznoÅ›ci, wytrzymaÅ‚oÅ›ci na rozciÄ…ganie, twardość
objętościowe
·ð Odporność na pÄ™kanie
·ð WytrzymaÅ‚ość zmÄ™czeniowa, odporność na zmÄ™czenie cieplne
·ð Odporność na peÅ‚zanie
·ð wÅ‚. cieplne
Niemechaniczne wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci ·ð wÅ‚. optyczne
objętościowe
·ð wÅ‚. magnetyczne
·ð wÅ‚. elektryczne
·ð Utlenianie i korozja
Właściwości powierzchniowe
·ð Tarcie, Å›cieralność i zużycie
Właściwości produkcyjne
·ð A
atwość wykonania, łączenia części, obróbka wykończeniowa
WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci estetyczne ·ð WyglÄ…d, powierzchnia, forma
Właściwości ekonomiczne
·ð Cena i dostÄ™pność
Wykład 3: Metale i ich stopy  struktura, właściwości, metody kształtowania.
Metale wykazują skłonność do tworzenia związków chemicznych o właściwościach raczej zasadowych i nukleofilowych niż kwasowych i
elektrofilowych.
Wypadkowe przyciąganie między elektronami i jonami stanowi wiązanie metaliczne.
Im więcej elektronów swobodnych w sieci krystalicznej, tym lepsze ekranowanie ładunku dodatnich rdzeni atomowych=silniejsze wiązanie,
ale bezkierunkowe.
Właściwości:
üð staÅ‚y stan skupienia (wyjÄ…tkiem rtęć),
üð poÅ‚yskliwe, gÅ‚adkie powierzchnie w stanie staÅ‚ym (bardziej reaktywne metale tworzÄ… na powierzchni warstwÄ™ tlenków),
üð ciÄ…gliwość i kowalność,
üð dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
üð szybkie wypromieniowywanie ciepÅ‚a,
üð z reguÅ‚y dość wysoka temp. topnienia,
üð bezwonność.
Gęstość metali zależy od: NatMat
rð =ð
Vkom.el.NAvog
üð promienia atomu (ra)1ð objÄ™toÅ›ci komórki elementarnej,
Á-gÄ™stość
üð masy atomowej (Mat),
Vkom.el.  objętość kom. elementarnej
üð gÄ™stoÅ›ci upakowania atomów1ð liczby atomów w komórce elementarnej (Nat).
NAvog.- liczba Avogradra 6,022·1023mol-1
Temp. topnienia Tp zalezy od energii wiązania między atomami. W wiązaniu metalicznym energia rośnie wraz ze wzrostem ilości
uwspólnionych elektronów (wiążących) elektronów s i niesparowanych d.
Topnieniu (przejściu ze stanu stałego w stan ciekły) towarzyszy zerwanie wiązań metalicznych.
Rozszerzalność cieplna metali zależna jest od wiązań między atomami (im większa tym rozszerzalność mniejsza).
Właściwości mechaniczne metali
naprężenie: odkształcenie:
Odkształcenie sprężyste Odkształcenie plastyczne
F DðL
Zachodzi łatwo, gdy energia Trwałe, nieodwracalne przy naprężeniach powyżej granicy
sð =ð [Pa] eð =ð [%]
S L
wiÄ…zania jest mniejsza sprężystoÅ›ci/plastycznoÅ›ci Rµ, wymaga maÅ‚ej siÅ‚y
Twardość:
·ð to odporność na odksztaÅ‚cenie plastyczne przy nacisku na maÅ‚Ä… powierzchniÄ™,
·ð miarÄ… - stosunek dziaÅ‚ajÄ…cego obciążenia do pola powierzchni odksztaÅ‚cenia,
·ð proporcjonalna do wytrzymaÅ‚oÅ›ci na rozciÄ…ganie: HB=kRm.
Struktura metali  układy i sieci krystalograficzne:
Atomy w metalach tworzą zwykle sieć krystaliczną o dużej gęstości upakowania i dużych liczbach koordynacyjnych.
Metale nie krystalizują w układach jednoskośnym i trójskośnym.
·ð sieć regularna Å›ciennie centrowana RSC (A1): FeÅ‚, Ag, Cu, Au, Ni, Pt, Pb. 74% objÄ™toÅ›ci upakowania
·ð sieć regularna przestrzennie centrowana RPC (A2):FeÄ…, CrÄ…, W, Mo, V, Nb, Ta. 68% obj. upakowania
·ð sieć heksagonalna zwarta HZ (A3): Mg, Be, TiÄ…, CoÄ…, Zn, Cd. 74% obj. upakowania
Defekty punktowe w metalach. W kryształach metalicznych występują wszystkie możliwe defekty:
·ð wakans,
·ð obcy atom w wÄ™z
le,
·ð atomy miÄ™dzywÄ™zÅ‚owe,
·ð dyslokacja unieruchomiona przez defekty punktowe
Defekty punktowe utrudniają ruch elektronów.
Kolor i połysk metali:
·ð UkÅ‚ad pasm energetycznych metali  promieniowanie elektromagnetyczne o prawie każdej energii może być absorbowane przez elektrony,
·ð Elektronów jest bardzo dużo -> Å›wiatÅ‚o jest absorbowane w cienkiej, przypowierzchniowej warstwie (gruboÅ›ci 0,1źm), po czym nastÄ™puje
powrót do stanu podstawowego: elektron emituje foton,
·ð Energia fotonu wyemitowanego= energia fotonu pochÅ‚oniÄ™tego (dlatego metale b. dobrze odbijajÄ… Å›wiatÅ‚o w ok. 95%),
·ð dziaÅ‚ajÄ… jak zwierciadÅ‚o (od niskich czÄ™stotliwoÅ›ci do nadfioletu)  > sÄ… srebrzyste,
·ð dla promieniowania o b. dużej czÄ™stotliwoÅ›ci (X, Å‚) metale sÄ… przezroczyste (bezwÅ‚adność elektronu jest już za duża by z nim
oddziaływać),
·ð w zakresie od niskich czÄ™stotliwoÅ›ci aż do nadfioletu współczynnik odbicia metalu wynosi~1 (->kolor wszystkich metali-szary).
Opór metalu rośnie wraz z temperaturą oraz z zawartością defektów.
Rezystywność metali:
rð =ð rðt +ð rðd
Át - rozpraszanie (zmniejszenie ruchliwoÅ›ci) Ád rozpraszanie
elektronów przez cieplne drgania rdzeni elektronów na defektach
atomowych w węzłach sieci (zwłaszcza punktowych)
Dodatni temperaturowy współczynnik rezystancji
Właściwości metalu a budowa krystaliczna
Niektóre metale mogą mieć kilka struktur krystalicznych  odmian alotropowych (np. Fe, Ti).
Polimorfizm  wielość struktur krystalicznych.
Zmiana ułożenia atomów Fe skutkuje zmianą własności (np. mechanicznych, chemicznych i fizycznych).
Struktura a właściwości metali
Jeśli ciekły metal zostanie bardzo szybko ochłodzony, atomy zajmujące przypadkowe pozycje w stanie ciekłym nie zdążą się przegrupować
tak, aby uzyskać sieć krystaliczną. Zamiast niej powstaje szklisty/amorficzny układ atomów, w którym atomy są zamrożone w pozycjach
charakterystycznych dla stanu ciekłego.
Metale tego typu  szkła metaliczne, ich struktura - gęsty przypadkowy układ sztywnych kul (nieuporządkowana struktura, gęstość
upakowania ~64%, niska topliwość, wytrzymałość mechaniczna, plastyczność, magnetyzm).
Polikrystaliczna struktura metali
·ð Metale rzadko wykazujÄ… strukturÄ™ monokryształów.
·ð Metale techniczne otrzymywane metodami metalurgicznymi  to zwykle polikrysztaÅ‚y.
·ð Ziarna  części krysztaÅ‚u o prawidÅ‚owej strukturze krystalicznej o osiach nachylonych wzglÄ™dem siebie o kÄ…t dezorientacji (kÄ…t powstaÅ‚y
między głównymi kierunkami dwóch sąsiednich ziaren).
·ð Przypadkowa orientacja ziarn (z których każde ma prawidÅ‚owÄ… strukturÄ™ krystalicznÄ…), decyduje o niemal jednakowych wÅ‚asnoÅ›ciach metali
w różnych kierunkach (są więc quasi-izotropowe, a wzrost wielkości ziarn wpływa na zwiększenie anizotropii tych własności).
Stopy metali  substancje dwu- lub wieloskładnikowe, makroskopowo wykazujące właściwości metaliczne. Co najmniej jeden z głównych
składników stopu jest metalem, a pozostałe to dodatki, substancje proste (pierwiastki) lub złożone (nie ulegające przemianom związki
chemiczne).
·ð Dodatki stopowe rozpuszczajÄ… siÄ™ w sieci danego metalu tworzÄ…c roztwór staÅ‚y, gdzie rozpuszczalność skÅ‚adników zmienia siÄ™ od
0,01  100% (zależnie od kombinacji pierwiastków).
·ð Stopy metali wytwarza siÄ™ głównie przez topnienie i krystalizacjÄ™ ze stanu ciekÅ‚ego.
·ð SkÅ‚ad chemiczny stopów wyrażany jest jako:
üð stężenie masowe skÅ‚adników,
üð stężenie atomowe skÅ‚adników.
·ð Stopy mogÄ… mieć strukturÄ™ jedno- lub wielofazowÄ…
·ð Faza  część ukÅ‚adu jednorodna pod wzglÄ™dem skÅ‚adu chemicznego i wÅ‚asnoÅ›ci mechanicznych oddzielona od pozostaÅ‚ej części ukÅ‚adu
granicÄ… fazowÄ….
üð poszczególne fazy stopu różniÄ… siÄ™ miÄ™dzy sobÄ… wÅ‚asnoÅ›ciami,
üð liczba, rodzaj i wÅ‚asnoÅ›ci faz zależą od skÅ‚adu chemicznego stopu,
üð ukÅ‚ad- zbiór faz znajdujÄ…cych siÄ™ w stanie równowagi termodynamicznej,
üð roztwór staÅ‚y  jednorodna faza o wiÄ…zaniu metalicznym i strukturze krystalicznej o wÅ‚asnoÅ›ciach typowo metalicznych,
üð rozpuszczalnik metal, którego atomy wystÄ™pujÄ… w sieci w przewadze, drugi skÅ‚adnik  substancja rozpuszczona.
Rodzaje faz występujące w stopach metali:
1. Roztwory stałe
2. ZwiÄ…zki chemiczne
3. Fazy międzymetaliczne
Roztwory stałe mogą być:
üð podstawowe  rozpuszczalnikiem jest pierwiastek bÄ™dÄ…cy skÅ‚adem stopu,
Zachowują strukturę sieciową taką, jak czysty metal rozpuszczalnik. W zależności od zakresu stężenia składnika rozpuszczonego dzielą
siÄ™ na:
·ð graniczne  jeżeli jego stężenie jest ograniczone w pewnym zakresie,
·ð ciÄ…gÅ‚e  w przypadku nieograniczonej rozpuszczalnoÅ›ci obydwu skÅ‚adników w caÅ‚ym zakresie stężeÅ„ 0-100%.
üð wtórne  rozpuszczalnikiem faza miÄ™dzymetaliczna.
Reguły Hume-Rothery ego (tworzenie roztworów stałych ciągłych):
I. Typów sieci: oba składniki mają ten sam typ struktury krystalicznej.
II. Wielkości atomów: całkowita rozpuszczalność przy stosunku promieni atomowych <1,08 tylko ograniczona dla >1,15.
III. Elektrowartościowości ujemnej: im mniejsza różnica elektrowartościowości, tym większa możliwość tworzenia roztworów stałych.
IV. Względnych wartościowości: dla miedziowców rozpuszczalność metali o wyższej wartościowości w metalach jednowartościowych jest
większa niż odwrotnie.
Jeżeli atomy pierwiastka rozpuszczonego usytuowane są w sposób nieuporządkowany w przestrzeniach sieci metalu rozpuszczalnika powstają
roztwory stałe międzywęzłowe.
Jeżeli atomy metalu zajmują przypadkowo dowolne węzły w sieci krystalicznej powstają roztwory stałe różnowęzłowe (odkształcenia sieci:
ekspansja i kontrakcja). W roztworze tym, o określonym stężeniu oraz w wyniku wolnego chłodzenia/wygrzewania w stałej temp. może
zachodzić przemiana: nieporządek-porządek (tworzy się NADSTRUKTURA  nieodwracalna, po nagrzaniu do określonej temp. -zanik).
Związki chemiczne  mają określoną temp. topnienia i odrębne właściwości fizyczne, chemiczne i mechaniczne od tworzących je
składników. Ich tworzenie zachodzi najczęściej pomiędzy metalami a pierwiastkami niemetalicznymi (np. O2, Cl, S), a wiązania mają głownie
charakter jonowy. Występują one w stopach metali jako wtrącenia metaliczne.
Fazy międzymetaliczne  połączenia metali lub metali z niemetalami, mają metaliczny lub złożony charakter wiązań międzyatomowych
(->metaliczne właściwości), oraz mają często zmienny skład ilościowy. Mają strukturę krystaliczną odrębną od tworzących ją składników,
uporządkowany układ atomów w sieci przestrzennej. Można określić ich wzór stechiometryczny tak jak w związkach chemicznych
(traktowane więc jako roztwory stałe na osnowie związków chemicznych). Fazy międzymetaliczne w stopach:
üð struktura krystaliczna różna od struktury każdego ze skÅ‚adników,
üð uporzÄ…dkowane rozmieszczenie atomów,
üð przewaga wiÄ…zania metalicznego,
üð wzory podobne do wzorów zw. chem. przy braku zwiÄ…zku z wartoÅ›ciowoÅ›ciÄ… pierwiastków; odchylenia od stechiometrii,
üð roztwory staÅ‚e wtórne: różno wÄ™zÅ‚owe, miÄ™dzywÄ™zÅ‚owe, pustowÄ™zÅ‚owe,
üð klasyfikacja wg stężenia elektronowego lub wielkoÅ›ci atomów.
Fazy elektronowe
üð Stężenie elektronowe: stosunek liczby elektronów wartoÅ›ciowoÅ›ci do liczby atomów w komórce elementarnej (czynnik
elektrochemiczny)
üð Roztwory staÅ‚e wtórne o wyraz
nych właściwościach metalicznych
üð możliwe stężenia elektronowe: 21/14, 21/13, 21/12.
Umocnienie stopów cząstkami faz wtórnych
üð Spowodowane przez różnice miÄ™dzy czÄ…stkami a osnowÄ…: struktury sieciowej, skÅ‚adu chemicznego, wÅ‚asnoÅ›ci sprężystych
i wytrzymałościowych
üð Utwardzanie wydzieleniowe: czÄ…stki faz wydzielajÄ… siÄ™ w osnowie przy tworzeniu koherentnej granicy miÄ™dzyfazowej, sprężystego
odkształcenia sieci i pola naprężeń dalekiego zasięgu; może nastąpić częściowe zerwanie koherencji i zmniejszenie granicy
plastyczności
üð Utwardzanie dyspersyjne: czÄ…stki faz sÄ… wprowadzane w procesie wytwarzania; wystÄ™puje granica niekoherentna
Wykład 4: Stopy metali Cd.
Stop - tworzywo metaliczne, powstałe w wyniki dodania innych pierwiastków  składników stopowych do czystego metalu, np.: mosiądz  Cu
+ Zn; monel  Ni + Cu. Składnikami stopu są pierwiastki, które go tworzą, opisane symbolami chemicznymi. Stop podwójny ma 2 a potrójny
3 składniki.
Faza  część objÄ™toÅ›ciowa stopu o jednorodnych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach fizycznych i chemicznych, oznaczana literami greckiego alfabetu að,bð.
Skład chemiczny stopu albo fazy w stopie podaje się w % wagowych (W), np.: dla stopu układu A-B
masa skłkładni A masa skłkładni B
WA =ð ´ð100% WA =ð ´ð100%
masa skÅ‚kÅ‚adni A +ð masa skÅ‚kÅ‚adni B masa skÅ‚kÅ‚adni A +ð masa skÅ‚kÅ‚adni B
Albo jako procent atomowy lub molowy X poszczególnych składników:
liczba atomów A
X =ð ´ð100%
A
liczba atomów A +ð liczba atomów B
Stan stopu opisuje siÄ™ przez:
·ð Å›redni skÅ‚ad chemiczny;
·ð liczbÄ™ faz;
·ð skÅ‚ad chemiczny każdej z faz
·ð udziaÅ‚ wagowy poszczególnych skÅ‚adników.
Dany stop znajduje się w fazie równowagi termodynamicznej, jeśli nie ma zmiany tendencji zmiany fazowej w funkcji czasu. Układy
równowagi lub układy równowagi faz stanowią sumę stanów wszystkich składników układu stopu.
Równowaga termodynamiczna
üð Stan równowagi: gdy ukÅ‚ad osiÄ…ga min. Energii swobodnej lub gdy wystÄ…pi równość potencjałów chemicznych skÅ‚adników tworzÄ…cych
fazy (nie ma wówczas przepływu przez granice fazowe)
üð Energia swobodna Helmoholtza: F = E  TS, gdzie E  en. wewnÄ™trzna, T  temp. bezwzglÄ™dna, S  entropia
üð En. wewnÄ™trzna E ukÅ‚adu jest sumÄ… energii potencjalnej, tj. energii wzajemnego oddziaÅ‚ywania, i energii kinetycznej wszystkich atomów
ukÅ‚adu (w krysztaÅ‚ach znaczna część energii E wiąże siÄ™ z drganiami atomów w sieci. ­ð temp. powoduje ­ð amplitudy wychyleÅ„ i ­ð E o
DðE). Zmiana en. wew.: DðE = DðQ + DðW, gdzie: DðQ  przyrost ciepÅ‚a, DðW  przyrost prcy.
üð Entropia S jest funkcjÄ… stanu i okreÅ›la równowagÄ™ ukÅ‚adu gdy DðS = O oraz kierunek przemiany
Zmiana entropii: DðS = -DðQ/T
üð Zarówno E jak i S sÄ… wÅ‚asnoÅ›ciami pojemnoÅ›ciowymi, wiÄ™c sÄ… proporcjonalne do iloÅ›ci materiaÅ‚u.
üð Gdy ukÅ‚ad znajduje siÄ™ w staÅ‚ej temp. i dziaÅ‚a na niego staÅ‚e ciÅ›nienie po ustaleniu siÄ™ równowagi i energia swobodna Gibasa G jest
minimalna: G = E + pV  TS
üð Procesy metalurgiczne zachodzÄ…ce przy staÅ‚ym ciÅ›nieniu wymagajÄ… rozpatrywania energii swobodnej Gibsa, a nieznaczne zmiany
objętość umożliwiają pomijanie czynnika pV i rozpatrywanie energii swobodnej Hlmoholtza F.
üð Entalpia  opisuje funkcjÄ™ stanu przy staÅ‚ym ciÅ›nieniu: H = E + pV
Równowaga faz  reguła faz Gibasa
Regułą faz Gibasa mówi, że: suma maksymalnej liczby faz f, które mogą współistnieć w układzie w stanie równowagi oraz liczby stopni
swobodnych S jest równa liczbie niezależnych składników układu n powiększonej o dwa.
Liczba stopni swobodnych (temp., ciśnienie, stężenie składników)
f + s = n + 2 lub s = n - f +2 (s = n  f + 1)
vð Równowaga czterech i wiÄ™cej faz w ukÅ‚adach dwuskÅ‚adnikowych jest niemożliwa (p = const.)
vð Równowaga trzech faz w tych ukÅ‚adach jest możliwa w staÅ‚ej temperaturze przy okreÅ›lonym stężeniu skÅ‚adników w fazach (eutektyki
lub perytetyki)
vð Dwie fazy sÄ… w równowadze nawet przy zmianie bÄ…dz
stężenia składnika w fazie, bądz
temperatury.
vð Dla jednej fazy możliwa jest zmiana i stężenia i temperatury.
Dwuskładnikowy układ z nieograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym
Faza að jest roztworem staÅ‚ym ciÄ…gÅ‚ym, której skÅ‚ad
chemiczny może się zmieniać w sposób ciągły od 0 do 100%
Ni (różnowÄ™zÅ‚owym). Pod mikroskopem ziarna fazy að
wyglądają tak samo niezależnie od składu chemicznego.
Likwidus  linia temp., powyżej której stopy w całym zakresie stężeń są ciekłe.
Solidus  linia oznaczająca wartości temp., poniżej których stopy w całym zakresie stężeń występują w stanie stałym
Stopy krzepnÄ…ce w warunkach technicznych
charakteryzują się znaczną niejednorodnością
składu chemicznego w obrębie ziaren.
Układ bez rozpuszczalności w stanie stałym z eutektyką
Regułą faz s = n  f + 1
Eutektyk, czyli mieszanina faz, nap.: czystych metali bizmutu i kadmu, która krzepnie zawsze z cieczy w stałej, najniższej temperaturze. Może
występować w postaci na przemian ułożonych płytek lub słupków.
Takie układy praktycznie nie występują, stosuje się je do analizy stopów metali o małej wzajemnej rozpuszczalności składników w stanie
stałym!
Wzrost szybkości chłodzenia cieczy powoduje rozdrobnienie
eutektyki (mniejsza grubość płytek) co powoduje wzrost
własności mechanicznych, np. twardości, wytrzymałości na
rozciąganie, czy udarności.
Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i eutektyką
Układy te są tworzone przez pierwiastki o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych, różniących się promieniami atomowymi
więcej niż o 15%.
Układ z ograniczoną rozpuszczalnością w stanie stałym i perytetyką
Układy te są tworzone przez pierwiastki o jednakowych lub różnych sieciach krystalograficznych,
różniących się promieniami atomowymi więcej niż o 15%.
W temperaturze perytektycznej stop jest złożony z mieszaniny cieczy i kryształów r-ru stałego.
Ciecz o stężeniu cL reaguje z wydzielonymi krysztaÅ‚ami r-ru staÅ‚ego að, w wyniku czego
powstajÄ… krysztaÅ‚y r-ru staÅ‚ego bð.
Przemiana ta zachodzi aż do wyczerpania się cieczy!!!
Dwuskładnikowe układy z fazą międzymetaliczną występują bardzo często, mogą zawierać nie tylko jedną, ale i kilka różnych faz.
Przykład: F. międzymetaliczna będąca roztworem wtórnym oraz dwoma eutektykami. Utworzone fazy między metaliczne są nietrwałe i mogą
ulegać przemianą fazowym pod wpływem obniżania temperatury. Niektóre z faz ulegają uporządkowaniu w nadstrukturę (np. Cu-Zn) lub
rozpadowi eutektoidalnemu na dwie różne fazy.
Przemian perytektyczna að1 + L3 ®ð bð2 przebiega w staÅ‚ej temperaturze!
Żelazo
Odmiany alotropowe:
að ( < 912 oC )
bð ( 1394  1538 oC )
gð ( 912  1394 oC )
Grafit
·ð Każdy atom C wykorzystuje tylko 3 z 4 możliwych wiÄ…zaÅ„ kowalencyjnych, tworzÄ…c równolegÅ‚e warstwy o symetrii heksagonalnej 
lk = 3
·ð Heksagonalna sieć krystaliczna powstaje w wyniku powiÄ…zania tych warstw sÅ‚abymi siÅ‚ami van der Waalsa, w. w. = 16,9% (b. maÅ‚y),
üð B. miÄ™kki (Å‚atwość przemieszczania siÄ™ warstw),
üð Wysoka wytrzymaÅ‚ość tylko wzdÅ‚uż równolegÅ‚ych pÅ‚aszczyzn heksagonalnych  włókna wÄ™glowe
üð Temp. topnienia 3900 oC, ale niska odporność erozyjna
vð WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci wytrzymaÅ‚oÅ›ciowe grafitu sÄ… tak maÅ‚e, że traktujemy jego wydzielenia jako nieciÄ…gÅ‚oÅ›ci osnowy metalowej stopu
vð O wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach stopów z grafitem (żeliwa szare) decyduje jego ksztaÅ‚t, wielkość i rozmieszczenie
Definicje faz układu Fe  Fe3C
Ferryt að jest roztwór staÅ‚y (graniczny) wÄ™gla w żelazie að ºð Feað(C), o maksymalnej rozpuszczalnoÅ›ci wÄ™gla 0,0218% w temp. 727 oC.
Twardość ferrytu od 70 do 90HB. Struktura A2
Austenit gð - roztwór staÅ‚y graniczny wÄ™gla w żelazie Fegð gð ºð Fegð(C) o maksymalnej rozpuszczalnoÅ›ci wÄ™gla 2,11% w temp. 1148 oC. Faza
miękka i plastyczna. Wysteruje w temp. powyżej 727 oC. Struktura A1
Cementyt Fe3C  faza międzymetaliczna (węglik żelaza). Zawartość węgla w cementycie wynosi 6,67%. Jest twardy (750 HB) i kruchy
(f. metastabilna).
üð I - rzÄ™dowy  wydziela siÄ™ z fazy cieczy przy chÅ‚odzeniu
üð II - rzÄ™dowy  wydziela siÄ™ podczas chÅ‚odzenia z austenitu
üð III - rzÄ™dowy  wydziela siÄ™ z ferrytu podczas chÅ‚odzenia.
Definicje składników strukturalnych
Ledeburyt  mieszanina eutektyczna austenitu i Fe3C, powstaje z cieczy o składzie zaw. 4,3%C w stałej temp. 1148 oC.
Perlit jest to mieszanina eutektoidalna (powstaje z fazy stałej) ferrytu i cementytu lub z austenitu o zawartości 0,77% C w stałej temp. 727 oC.
Definicja stali
Stal  plastycznie (ewentualnie cieplnie) obrobiony stop żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, otrzymywany w procesach stalowniczych
ze stanu ciekłego. Stal może zawierać do 2% węgla, powyżej tej wartości występuje żeliwo.
żð wÄ™glowe (niestopowe)  wÅ‚asnoÅ›ci zależą od wÄ™gla, który decyduje o wÅ‚asnoÅ›ciach mechanicznych. PozostaÅ‚e pierwiastki pochodzÄ…
jedynie z przerobu hutniczego (krzem, mangan, aluminium) lub są zanieczyszczeniami (fosfor, siarka, tlen wodór, azot, cyna, antymon,
arsen).
żð stopowe, do których celowo wprowadza siÄ™ pierwiastki stopowe, aby nadać im wymagane wÅ‚asnoÅ›ci, np.: mangan, krzem, chrom, nikiel.
Wolfram, molibden, wanad; rzadziej stosuje siÄ™ aluminium, kobalt, miedz
, tytan, tantal, niob, a w niektórych przypadkach i azot.
Rola domieszek i pierwiastków stopowych
Domieszki:
·ð Mangan: powoduje gruboziarnistość
·ð Krzem: przeciwdziaÅ‚a segregacji fosforu i siarki
·ð Fosfor i siarka: powodujÄ… kruchość stali
·ð Wodór: pogarsza wÅ‚asnoÅ›ci stali, powoduje powstawanie pÄ™cherzy i pÅ‚atków Å›nieżnych.
·ð Azot: powoduje spadek plastycznoÅ›ci
·ð Tlen: powoduje spadek wÅ‚asnoÅ›ci mechanicznych
Pierwiastki stopowe
·ð WywoÅ‚anie okreÅ›lonych zmian strukturalnych
·ð Zwielokrotnienie (poprawa) wÅ‚asnoÅ›ci
·ð Wzrost hartownoÅ›ci
·ð UÅ‚atwienie obróbki cieplnej
·ð y
ródła: tworzenie roztworów stałych i faz międzymetalicznych oraz międzywęzłowych, zmiany punktów charakterystycznych wykresu Fe-
C
Stale stopowe
Ze względu na sumaryczne stężenie pierwiastków stale stopowe dzielimy na następujące grupy:
Niskostopowe  stężenie jednego pierwiastka (oprócz C) nie przekracza 2%, a suma pierwiastków łącznie nie przekracza 3,5%
Średniostopowe  stężenie jednego pierwiastka (oprócz C) przekracza 2%, lecz nie przekracza 8% lub suma pierwiastków łącznie nie
przekracza 12%
Wysokostopowe  stężenie jednego pierwiastka przekracza 8% a ich łączna suma przekracza 55%.
Klasy jakości stali niestopowych (węglowych)
Stale niestopowe ze względu na klasy jakości dzielimy na:
Jakościowe  wszystkie, które nie zaliczają się do stali specjalnych
Specjalne  te, które spełniają jeden lub więcej z warunków:
·ð Wymagana praca Å‚amania w stanie ulepszonym cieplnie;
·ð Wymagana gÅ‚Ä™bokość utwardzania powierzchniowego lub twardoÅ›ci powierzchni po hartowaniu;
·ð Niski udziaÅ‚ wtrÄ…ceÅ„ niemetalicznych
·ð Max stężenie fosforu i siarki 0,020%
·ð Przewodność elektryczna wÅ‚aÅ›ciwa 9 S*m/mm2
Klasy jakości stali stopowych
Ze względu na jakości stele stopowe dzielimy na:
Stopowe jakościowe, wyróżnia się następujące grup:
·ð Konstrukcyjne spawalne,
·ð Na szyny, grodzice, ksztaÅ‚towniki na obudowy górnicze,
·ð Na produkty pÅ‚askie walcowane na zimno lub na gorÄ…co
·ð Przeznaczone do dalszej obróbki plastycznej na zimno
·ð Elektrotechniczne
·ð Z miedziÄ…
Stopowe specjalne  obejmują one wszystkie gatunki stali, które nie zostały ujęte w klasie stali nierdzewnych oraz stopach jakościowych.
Stale stopowe specjalne
Stale stopowe specjalne dzielÄ… siÄ™ na podklasy:
·ð Maszynowe (do budowy maszyn)
·ð Na urzÄ…dzenia ciÅ›nieniowe,
·ð Konstrukcyjne,
·ð SzybkotnÄ…ce
·ð Na Å‚ożyska toczne
·ð szczególnych wÅ‚asnoÅ›ciach fizycznych.
Stale stopowe nierdzewne  należą do nich stale zawierające co najmniej 10,5% Cr oraz co najwyżej 1,2% C, a są dzielone na:
·ð Odporne na korozjÄ™,
·ð Å»aroodporne,
·ð Odporne na peÅ‚zanie (żarowytrzymaÅ‚e)
Wykład 5: Tworzywa ceramiczne  skład, budowa, właściwości
Ceramika (tworzywo ceramiczne)  nieorganiczny, niemetaliczny i zagęszczony materiał na osnowie związków niemetali XIII-XVI grupy
UOP, z sobą z dowolnymi metalami. Materiał, zazwyczaj polikrystaliczny, otrzymywany jest za pośrednictwem procesów wytwórczych
zapewniających transport masy i doprowadzający do wiązania składników wyjściowych. W skład materiałów ceram. Wchodzą, O, Si, Al., Ca,
Na, K, Mg, Ti, N najbardziej rozpowszechnione pierwiastki skorupy ziemskiej i atmosfery! Surowcami wyjściowymi poza kopalinami
mineralnymi (gliny, kaoliny, itp.) są również surowce syntetyczne: borki, węgliki, azotki, tlenki, krzemki, fosforki, siarczki, selenki, i inne
zwiÄ…zki na ich bazie.
Budowa wewnętrzna ceramiki
Jonowy i kowalencyjny charakter wiązań wpływa na:
·ð Twardość i odporność na Å›cieranie
·ð Kruchość
o Kruche pękanie na skutek działania obciążę mech. Lub naprężeń cieplnych (zachodzi na pustkach porach, rysach, defektach
sieci  ich liczba, wielkość i rozmieszczenie są zmiennymi losowymi)
o Wytrzymałość mech. Ceramiki może się zmniejszać z upływem czasu, bez działania naprężeń cyklicznych (zmęczenie
statyczne, silnie zależy od rodzaju środowiska pracy)
o Duża wytrzymałość na ściskanie, ale mała na rozciąganie.
·ð WysokÄ… temperaturÄ… topnienia
·ð MaÅ‚Ä… przewodnoÅ›ciÄ… cieplnÄ… i elektrycznÄ… (sÄ… wyjÄ…tki!)
·ð DobrÄ… stabilność chemicznÄ… i cieplnÄ….
WiÄ…zania chemiczne w ceramice
Udział wiązania jonowego i kowalencyjnego determinuje strukturę krystaliczną.
jonowe kowalencyjne
Mieszane
Jonowe - idealne wiązanie powstaje, gdy jeden z atomów całkowicie oddaje swoje elektrony, a występuje dzięki oddziaływaniu
elektrostatycznemu atomów. Jest mało wytrzymałe, rozerwanie polega na oddaleniu anionu i kationu na odległość, dla której nie będzie
oddziaływania elektrostatycznego. Jeżeli różnica elektroujemności jest mała, to oktet elektronowy jest rozciągnięty. Wiązanie jonowe powstaje
m.in. w MgO, Cao, Al2O3, ZrO2.
Kowalencyjne  powoduje powstanie anionów i kationów. Idealne tworzą atomy tego samego pierwiastka, poprzez wspólny oktet elektronowy
 powstaje polaryzacja. Wiązanie to tworzą węgliki (TiC, Sic), azotki (Si3N4), AIN) i SiO2, jest sztywne i silne, a materiały twarde, ze względu
na zagęszczenie materii.
Podział tworzyw ceramicznych
Ceramika krystaliczna  regularne i powtarzalne ułożenie atomów (tradycyjne krzemiany, wiele tlenków, związki nie zawierające tlenu 
azotki, węgliki, borki)
Szkła  skład zbliżony do ceramiki krystalicznej, ale bez uporządkowania dalekiego zasięgu (należy traktować jako nieskrystalizowaną
ceramikę, określenie  przechłodzona ciecz jest niepoprawne!)
Ceramika szklana (dewitryfikaty)  kształtowane w stanie szklistym, a następnie krystalizowane w wyniku obróbki cieplnej.
Ze względu na strukturę mażna wyróżnić ceramikę:
·ð JonowÄ… i kowalencyjnÄ… - w zależnoÅ›ci od przeważajÄ…cego wiÄ…zania.
·ð LitÄ… i porowatÄ…;
·ð JednofazowÄ… lub wielofazowÄ…;
·ð DrobnoziarnistÄ… lub gruboziarnistÄ….
Podział tworzyw ceramicznych
Ceramika może występować w postaci objętościowej, warstw i pokryć, które zostały otrzymane zgodnie z założeniami teoretycznymi i mogą
samodzielnie wypełniać użyteczną funkcję. - Ceramika szlachetna
- Ceramika budowlana
Niemetale Ceramika Podział pod względem udziału faz:
Ceramika zawansowana
- Materiały ogniotrwałe
- drobnoziarnista
Ceramika tradycyjna
Jednofazowa Wielofazowa
Ceramika zaawansowana
- Szkła i emalie
- nowoczesna
Porowat Gęsta Porowat Gęsta
Ceramika funkcjonalna
a
- Materiały izolacyjne - techniczna a
Laminaty i włókniste
Ceramika strukturalna
Klasyfikacja ceramiki  składy
Fazowy  np. faza krystaliczna, szklista, gazowa lub różne fazy krystaliczne
Chemiczny  pierwiastkowy, tlenkowy, molowy i In.
Surowcowy  surowce mineralne lub głęboko przetworzone  tlenki i materiały syntetyczne.
Klasyfikacja ceramiki zaawansowanej
Podział pod względem składu chemicznego:
·ð Tlenkowe: Al2O3, ZrO2, BeO, MgO, CaO
·ð Krzemianowe: porcelana elektrotech., multi, steatyt, kordieryt
·ð WÄ™glikowe: Sic, B4C, TiC, wÄ™gliki spiekane
·ð Azotkowe: Si3N4, BN, Tin, SIALON (azotek krzemu z tlenkiem glinu)
·ð Borkowe: TiB2
Wg kryterium dominujÄ…cego zwiÄ…zku chemicznego
·ð Krzemkowe: MoSi2
·ð WÄ™glowe i grafitowe
Ceramika specjalna
·ð SzkÅ‚a specjalne
Tlenkowa Nietlenkowa
Klasyfikacja a zastosowanie ceramiki
Klasyfikacja uwzględniająca podstawowe cechy:
Proste tlenki Krzemiany
·ð NaturÄ™  nieorganiczna, organiczna;
·ð Stan  proszek, włókno, warstwa, zagÄ™szczony materiaÅ‚;
·ð SkÅ‚ad  pierwiastki, zwiÄ…zki;
·ð StrukturÄ™  krystaliczna, amorficzna
·ð Sposób wytwarzania  technologia.
Skład ceramiki
·ð Wzór Segera  za pomocÄ… uÅ‚Ä…mków molowych tlenków tworzÄ…cych dany ukÅ‚ad; podzielone na tlenki alkaliczne R2O (K2O, Na2O, Li2O itp.),
Zasadowe RO (CaO, MgO, PbO, SrO, SnO, ZnO itp.), a sumę ich ułamków molowych sprowadza się do 1 (R2O + RO = 1) i oblicza się
odpowiadającą im ilość tlenków amfoterycznych R2O3 (Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, Mn2O3 itp.). oraz kwaśnych RO2, (Si O2, TiO2, Zr O2, Sn O2
oraz B2O3, i P2O3. 1(R2O + RO)*mR2O3*nRO2
Tl. Alkaliczne i zasadowe  topniki, ich działanie zależy od temp. i innych składników
Tl. Amorficzne  podwyższają temperaturę topnienianp. Al2O3, Cr2O3, SiO3.
·ð Wzór Bogue a  stosowany do okreÅ›lania skÅ‚adu mineralnego klinkieru cementowego (produkt przejÅ›ciowy do otrzymywania cementu
portlandzkiego), rozpatrywany jako 2 ukłądy trójskładnikowe: CaO SiO2 l2O3 i CaO-Al2O3- Fe2O3. Zamiast wzorów stosuje się pierwsze
litery: CaO®ðC, SiO2®ðS, Al2O3®ðA, Fe2O3®ðF.
Podczas wypalania mieszaniny surowców powstają krzemiany: C3S  trójwapniowy alit; C2S  dwuwapniowy belit oraz fazy ferrytowe o
zmiennym składzie (np. C4AF, C6AF, C2F)
Model mikrostruktury ceramiki krystalicznej
Mikrostruktura ceramiki:
üð Faza krystaliczna
üð Faza szklista
üð Faza gazowa
Struktura krystaliczna w ceramice
Utworzenie stałego układu nie jest zawsze możliwe. Stosunek promieni anionu i kationu nie może być za mały, bo kation byłby przesuwany w
kierunku jednego jonu  anionu «ð wielkość K+ A- Þð rkationu < ranionu.
Podstawowe układy krystalograficzne
Wady budowy krystalicznej ceramiki
Materiały ceramiczne zawierają jony dwóch typów, dlatego wakanse i jony międzywęzłowe mogą występować w postaci kationowej lub
anionowej.
Przykładowe struktury krystaliczne
Struktura B1- typ chlorku sodu NaCl  układ regularny można rozpatrywać jako zwarty układ anionów, w którym wszystkie luki oktaedryczne
są zajęte przez kationy. Ceramiki wykazujące ten typ struktury: MgO, CaO, FeO, NiO.
Struktura B2  typ chlorku cezu CsCl układ regularny, w komórce dwa jony. Ceramiki wykazujące ten typ struktury: CsBr, TlCl, TlBr.
Struktura B3  typ sfalerytu (blendy cynkowej ZnS)  układ regularny, brak środka symetrii! Można rozpatrywać jako strukturę A1
zbudowaną z atomów S, w której połowa luk tetraedrycznych jest wypełniona atomami Zn. Wiązanie ma charakter kowalencyjny Zn-S~87%.
Ceramiki wykazujące ten typ struktury: typowe dla półprzewodników: CdS, HgTe, NiAs, Sic, GaAs.
Struktura korundu Al2O3 - układ HZ (sieć heksagonalna zwarta). Każdy jon w sieci ma 1 lukę oktaedryczną i 2 oktaedryczne. Można
rozpatrywać jako sieć jonów tlenu z jonami glinu, w 2/3 wypełniających luki oktaedryczne, z 1/3 pozycji pustych. Ceramiki wykazujące ten
typ struktury: Cr2O3, Fe2O3, Al2O3.
Wykład 6: Ceramiczne roztwory stałe szkła.
Struktura spinelu i odwrotnego spinelu
Spinele  AB2O4  układ typowy dla tlenków, struktura FCC (rA>rB)
W niektórych spinelach jony A wymieniają się miejscami z połową jonów B, powstaje spinel inwersyjny (odwrotny):B(A0.5B0.5)2O4- jony A i
½ jonów B zajmuje luki oktaedryczne, ilość jonów w lukach A=B.
Struktura typu perowskitu
Syntetyczne perowskity mono- lub polikrystaliczne można podzielić na:
- proste związki (podwójne tlenki): ABX3, gdzie: A - to 24 atomy różnych pierwiastków, w tym: Ba, Ca, Pb i pierwiastki ziem rzadkich , B 
to 50 atomów różnych pierwiastków, w tym Ti, Zr, Nb, Sn i niemetale grupy halogenów.
- wieloskładnikowe roztwory stałe
Reguły Hume Rothery ego dla ceramik
Zasady tworzenia ceramicznych roztworów stałych:
1) Ta sama struktura krystaliczna
2) Atomy lub jony muszą mieć podobne wielkości promieni  różnica poniżej 30% (w przypadku różnic powyżej 15% ograniczona
rozpuszczalność składników (poniżej 1%))
3) Musza posiadać podobne elektroujemności
4) Muszą mieć tę samą walencyjność
Jeżeli wszystkie warunki są spełnione = niekoniecznie całkowita rozpuszczalność!!!
Jeśli 1 lub więcej warunków nie jest spełniony = częściowa rozpuszczalność!!!
Przykładowe struktury krzemianów
Jeżeli krzemionka tworzy związek z tlenkami metali jak MgO, CaO lub Al2O3, gdzie MO/SiO2=2:1 (lub jest większy), to krzemian zbudowany
jest z monomerów SiO4 połączonych cząsteczkami MO. Jeżeli stosunek MO/SiO2< 2:1 powstają dimery krzemionki, połączone mostkami
tlenowymi. Dzięki tej polimeryzacji powstają struktury łańcuchowe, warstwowe i szkieletowe.
Krzemiany trójwymiarowe
Krzemionka  SiO2:
- sześcienna krzemionka  struktura regularna diamentu z tetraedrami SiO4 w położeniach atomu węgla
- posiada kilka odmian krystalicznych:
Kwarc að-----Ä…ð kwarc bð ---Ä…ð trydymit bð ------Ä…ð krystobalit bð ---Ä…ð stopienie
Skalenie  wykazuje podobnÄ… strukturÄ™ do krzemionki, w której jony Al3+ zastÄ™pujÄ… Si4+, stÄ…d sieć krystaliczna ma Å‚adunek (-) Ä…ð kompensacja
ładunku przez podstawienia kationów o dużej objętości (Na+, K+, Ca2+, Ba2+ )w pozycjach międzywęzłowych.
Definicja szkła
- materiał nieorganiczny powstały w skutek stopienia, a następnie ochłodzenia bez krystalizacji,
- spełnia makroskopową definicję ciała stałego, chociaż może być też uważane za przechłodzoną ciecz,
- nie jest plastyczne: może być odkształcone sprężyście lub pęknąć.
Tg  temperatura przejścia do fazy szklistej  temperatura zeszklenia jest to temp., w której ciało amorficzne wykazuje zmianę nachylenia
zależności objętości właściwej od temperatury.
Skład chemiczny szkieł
Głównym składnikiem szkła (zwykłego) jest SiO2
Inne składniki szkieł  pierwiastki szkłotwórcze, które w związkach z tlenem tworzą sieć wielościanów, np.: Si, B, P, Ge, mają liczbę
koordynacyjną 3 lub 4. Szkło tworzą również inne tlenki, jak Bi2O3, CuO, PbO.
Skład szkła (tlenkowego)  oprócz pierwiastków szkłotwórczych zawiera najczęściej jeszcze inne pierwiastki
- modyfikatory  przerywają sieć wielościanów, np. Na, Ca, Ba, K
- stabilizatory sieci : ani nie tworzÄ…, ani nie przerywajÄ… sieci, np. Al., Li, Zn, Mg, Pb.
Struktura szkła krzemowego:
- Elementem podstawowym szkła kwarcowego (podobnie jak krystalicznego kwarcu) jest czworościan SiO44-
- Liczba koordynacyjna krzemu wynosi 4
- Czworościany są ze sobą połączone narożami
Struktura szkła (tlenkowego)
Wg Zachariesen a szkło zbudowane jak  ciągła przypadkowa sieć , której atomy są rozłożone tak jak w cieczy. Układ musi spełniać
zazwyczaj następujące 4 warunki:
1) Atom tlenu może być połączony z najwyżej dwoma innymi atomami
2) Liczba koordynacyjna innych atomów jest zazwyczaj mała (d"4)
3) Wielościany koordynacyjne Si-O (lub inne) połączone są między sobą narożami
4) Wielościany tworzą trójwymiarową strukturę (ciągłą).
Właściwości szkieł
Mechaniczne:
- szkło ma bardzo duży moduł Young a
- główną wadą szkła jest jego kruchość (zależy od jakości powierzchni)
Przyczyny kruchości szkła:
- główna  mikropęknięcia na powierzchni, które przemieszczają się najpierw powoli, a następnie katastrofalnie szybko
- pośrednie  para wodna i woda dostając się do mikropęknięć przyspiesza ich propagacje (przyspiesza zrywanie wiązań kowalencyjnych)
(Nie)jednorodność szkieł
W odpowiednich warunkach technologicznych (wygrzewanie, oświetlenie) w strukturze szkła mogą powstawać lokalne niejednorodności. Np.
klastry srebra (szkło fotochromatyczne), klastry złota (czerwone szkło z Murano).
Szkło fluoryzujące  dowolne szkło zawierające uran
Szkło opalizujące  w trakcie procesu chłodzenia powstaje w miejscach, gdzie warstwa szkła jest gruba, co zachodzi powoli, dzięki czemu
zachodzi krystalizacja i szkło staje się matowe.
Szkło w bąbelki:
- bąbelki powstają przez dodanie do stopionego szkła związków chemicznych, które reagując wytwarzają bąble,
- pojedyncze bąble można wprowadzać za pomocą szpikulca.
Rodzaje szkieł
Tworzywa szklano-ceramiczne:
- dodanie zarodków krystalizacji, takich jak: Ag lub TiO2 powoduje, że krystalizowane szkło jest bardzo wytrzymałe i odporne na wysoką
temperaturÄ™
- stosuje siÄ™ w naczyniach kuchennych, konwerterach katalitycznych.
Wykład 7: Szkła, Cd
Wtórne właściwości szkieł:
Rozpuszczając dowolny pierwiastek lub tlenek w strukturze szkła kształtuje się właściwości wtórne. Substancje tego typu nazywa się
modyfikatorami i związkami (kationami) międzywęzłowymi (międzywięz
bowymi). Stosuje się ok.35 pierwiastków, przy czym zmiana
zawartości już o 1% zmienia właściwości szkła.
Modyfikatory  zrywają wiązania w mostkach tlenowych, co zmniejsza lepkość, obniża temp. Mięknięcia oraz pogarsza właściwości, np.:
tlenki sodu, potasu, baru, strontu, magnezu i wapnia.
Związkami międzywięz
dz
bowymi są tlenki glinu, sodu, tytanu, żelaza, ołowiu, berylu, kobaltu.
Duże jony metalu nie przyłączają się do sieci przestrzennej, tylko są utrzymywane w pozycjach międzywęzłowych wiązaniami
jonowymi!!!
Właściwości optyczne  pochłanianie podczerwieni uzyskuje się przez wprowadzenie kompleksu międzywęzłowego opartego na tlenkach
żelaza różnej wartościowości (hutnictwo, spawalnictwo, lecznictwo, transport, nauka)
Odporność chemiczna szkła-wzrasta dzięki udziałowi Ba,Ca,Pb,Mg,Zn,Al.,Zr.
Szkło jest świetnym izolatorem. Wprowadzenie tlenków V2O5, Fe3O4, CoO, MnO, TiO2 wywołuje właściwości półprzewodnikowe!
Szkła kwarcowe, porowate typu VYCOR stanowią gąbczasty szkielet zbudowany co najmniej w 96% z SiO2, a występujący w nich system
kanalików znacznie rozwija ich powierzchnię właściwą. Zastosowanie: jako błony półprzepuszczalne do rodziału mieszanin ciekłych i
gazowych, jako nośniki katalizatorów w procesach petrochemicznych, w biochemii do zastosowań klinicznych i diagnostycznych, do
eliminacji zanieczyszczeń (gł. węglowodorowych jak paliwa, nafty) z wód podziemnych i powierzchniowych.
SZKA
O PIANKOWE-otrzymuje się przez spienienie ciekłej masy szklanej środkiem gazo twórczym, np. pyłem węglowym, kredą,
wapieniem CaCO3; jest nieprzez
roczyste, odporne na korozje biologiczną i chemiczna, niepalne (nie wydziela gazów toksycznych).
Produkowane w 2 odmianach:
- czarne  struktura o zamkniętych porach
- białe  struktura o porach otwartych.
Szkło czarne posiada lepsze parametry izolacyjne i mniejszą nasiąkliwość niż białe, które z kolei cechuje większa wytrzymałośc na obciążenia
mechaniczne. Zastosowanie:
W budownictwie do izolacji termicznych i akustycznych (fundamentów, ścian, stropów i stropodachów), czasem jako samodzielną ścianę
działową, nawet jak przegrodę ogniową.
Wzmacnianie szkła
Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej jej modyfikacji, że pęknieć albo nie ma, albo nie mogą się
przemieszczać.
- harowanie  powoduje lepsze właściwości mechaniczne dzięki naprężeniom wewnętrznym  zewnętrzna powierzchnia zostaje ściśnięta,
zewnętrzna rozciągnięta.
- chemiczna modyfikacja powierzchni  wymiana jonów Na+ na K+ na powierzchni.
Szkło umieszcza się w stopionej soli zawierającej jony K+ . Większe jony K+ rozpychają zewnętrzną powierzchnię. Dyfuzja powoduje
wymianę jonów sodu na jony potasu. Obie metody hartowania prowadzą do 2-4-krotnego wytrzymałości szkła.
- nanoszenie warstw, laminowanie szkła
Kolor szkła
- jest efektem obecności zdyspergowanych jonów metali w postaci klasterów
- zależy też od wielkości klasterów metalu, a ich wielkości związane są z obróbką chemiczna i termiczną szkła
- zależny jest od procesów utleniania, redukcji lub dyfuzji zachodzących pod wpływem światła i innych czynników.
y
ródłem koloru wywołanego obecnością nanoklastrów metalu są powierzchniowe plazmony. (Plazmon to kwazicząstka powstała w wyniku
kwantyzacji drgań częstości ładunku, inaczej rezonansowe drgania gazu elektronowego).
Kolor szkła a właściwości optyczne
W celu zapewnienia skutecznej ochrony słonecznej, wśród szkieł zespolonych znalazły zastosowanie szkła refleksyjne typu float różnej
barwie i grubości pokryte warstwą refleksyjną, umożliwiające zwiększenie odbicia promieni słonecznych. Promieniowanie słoneczne
napotykając na przegrodę szklaną zastaje po części odbite, pochłonięte w grubości szkła oraz przepuszczone do wnętrza pomieszczenia. Szkła
barwione w masie charakteryzujące się podwyższonymi parametrami absorpcji (możliwość kumulacji w masie szkła).
Włókna szklane
Włókna chemiczne, otrzymywane ze szkła wodnego lub ze stopionego szkła:
- włókna szklane grube (tzw. wata szklana lub wełna szklana), stosowanie gł. Jako izolacja cieplna, akustyczna, przeciw wilgoci,
- włókna supercienkie są stosowane do wyrobu dobrych izolacji akustycznych i cieplnych
- włókna szklane ciągłe stosowane w postaci przędzy, wyrobów tkanych i dzianych oraz robingu (zespół pasm włókien szklanych złączonych
ze sobą bez skrętu) jako materiał izolacyjnych w elektrotechnice, do wyrobów filców, tkanin dekoracyjnych, do wzmacniania tworzyw
sztucznych, do zbrojenia betonu.
- włókna szklane jako mata, w rolkach używane do produkcji różnych wyrobów w formach silikonowych i formach twardych z użyciem
żywicy poliestrowej
- włókna optyczne  cienkie i giętkie włókno zdolne do przewodzenia światła, składa się z bardzo cienkiego rdzenia otoczonego
koncentrycznymi warstwami szkła i innych materiałów.
Włókna specjalne
Światłowód  przez
roczyste włókno szklane (lub wykonane z tworzywa sztucznego), w którym odbywa się propagacja światła przenosząca
promieniowanie optyczne drogą wielokrotnych odbić. Światłowód zbudowany jest z co najmniej 2 warstw, bo całkowite wewnętrzne odbicie
następuje, gdy światło przechodzi z ośrodka o większym współczynniku załamania do ośrodka o współczynniku mniejszym. Powłoka
ochronna, np. ze szkła sodowego ogranicza niekontrolowanego wypływu szkieł tworzących rdzeń i płaszcz włókna, co pozwala na
uformowanie światłowodu.
Szkło metaliczne
Stop amorficzny dwu- lub wieloskładnikowy, w którym metal jest głównym składnikiem (np. Zr,Ti,Cu,Ni,Be) zbudowany z atomów znacznie
różniących się między sobą, co zmniejsza tendencję do krystalizacji i otrzymany przez bardzo szybkie chłodzenie. Taki materiał cechuje duża
twardość, sprężystość, odporność na korozję oraz duży opór elektryczny. Jednak zwykle jest kruche, a nawet bardzo małe pęknięcie bez
przeszkód się pogłębia. Dlatego ze szkła robi się tylko części nienarażone na silne uderzenia, np. odporne na ścieranie głowice magnetyczne.
Jest to materiał magnetyczny miękki  łatwo można go rozmagnesować niewielką ilością prądu (zastosowanie w sklepach w postaci pasków
zabezpieczających odzież przed kradzieżą). Współcześnie szkło metaliczne jest mikrostopem zawierającym pallat dzięki czemu nie jest
kruche, ale plastyczne (zwykle im bardzien twardy jest materiał, tym bardziej kruchy). Pozostałe jego składniki to fosfor, krzem, german i
srebro. Choć bardzo twarde pod obciążeniem, które doprowadziłoby do pęknięcia najtwardszej stali, szkło się tylko wygina. Jest wyjątkowo
wydajne jeżeli chodzi o właściwośći sprężyste. Oddaje do 97% energii, która się przyłoży. Zastosowania  zwłaszcza w sporcie, np. w
rakietach tenisowych i kijach golfowych. Nadaje się tez do produkcji narzędzi chirurgicznych, ponieważ jego powierzchnia jest idealnie
gładka, co sprawia, że bardzo łatwo jest poddać je procesowi sterylizacji. Dzięki wyjątkowej trwałości można by z niego wyprodukować
maszynki do golenia, które wystarczyłyby na całe życie.
Szkło organiczne
Szkło akrylowe  przez
roczyste tworzywo sztuczne, którego GL. Składnikiem jest polimer  Poli (metakrylan metylu) (PMMA). Niektóre
rodzaje pleksiglasu zawierają też pewne ilości innych polimerów i kopolimerów poliakrylowych.
WYKA
AD 8: Polimery Tworzywa sztuczne
Polimery - substancje chemiczne, o bardzo dużej masie cząsteczkowej, nazywane również związkami wielocząsteczkowymi, a ich cząsteczki
makrocząsteczkami, które składają się z wielokrotnie powtórzonych mniejszych jednostek zwanych merami.
Są materiałami organicznymi tj. kowalencyjnymi związkami węgla. Oprócz C w polimerach występują także pierwiastki takie jak : H, Cl, O,
F, P i S, tworzą one z węglem wiązania kowalencyjne o pewnym stopniu polarności.
Tworzywa sztuczne- materiały które oprócz polimeru, zawierają także dodatki, np. napełniacze, zmiękczacze, stabilizatory, środki smarujące
lub środki barwiące.
Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych.
Polimery syntetyczne-podstawowy budulec tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów
chemicznych takich jak: farby, kleje, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Otrzymuje się je w wyniku łańcuchowych lub
sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne.
Polimeryzacja- proces łączenia się związków małocząsteczkowych w makrocząsteczkach, może zachodzić przez addycję (dodawanie) lub
kondensacjÄ™
Zalety:
A
atwa obróbka, duża plastyczność, lekkość produktów, izolacja termiczna, izolacja elektryczna, odporność korozyjna
zastosowanie produkty o zwiększonym zużyciu, plastiki i materiały opakowaniowe, przemysł samochodowy, lotniczy, kosmiczny,
konstrukcje, izolacje przewodów, rury, skrzynie, pudełka, powłoki
Typowe polimery:
Polietylen PE (plastik), polipropylen PP (plastik, włókna), Polistyren PS (styropian-pianka PS), polifluorek winylidenu PVDF, polimetakrylan
metylu PMMA
Klasyfikacja polimerów ze względu na pochodzenie
Polimery
Nieorganiczne organiczne
Naturalne syntetyczne naturalne syntetyczne
Glina, skały włókno szklane białka, lignina nylon,
Piasek, ceramika Sic, synt. ceramika węglowodany polistyren
Szkło, diament bawełna, nić pajęcza PCW, POW,
Grafit kauczuk naturalny PET, keflar, Poliuretan
Polimeryzacja addycyjna
·ð Typowa dla wÄ™glowodorów nasyconych
·ð Zachodzi dziÄ™ki obecnoÅ›ci wiÄ…zania podwójnego
·ð Proces musi zostać w jakiÅ› sposób zainicjowany oraz zakoÅ„czony
·ð Reakcja zachodzi szybko ze wzglÄ™du na ograniczenie iloÅ›ciÄ… monomerów i bez produktów ubocznych
·ð Typowa dla PE, PMMA, PCV, PP, PS, PTFE
Polikondensacja
·ð Seria reakcji chem. Wielokrotnie powtórzona dla wzrostu polimeru
·ð Przebiega stosunkowo wolno, pomiÄ™dzy monomerami posiadajÄ…cymi przynajmniej dwie grupy funkcyjne
·ð PowstajÄ… niskoczÄ…steczkowe produkty uboczne
·ð Tak powstajÄ… m.in. poliuretan, polistyren, epoksydy, silikony
Właściwości polimerów
·ð MaÅ‚a gÄ™stość
·ð WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci izolacyjne
·ð SÅ‚abe odbicie Å›wiatÅ‚a
·ð Duża odporność chemiczna
·ð Ograniczona możliwość poddawania obróbce cieplnej i plastycznej
Czynniki wpływające
·ð Masa molowa-Å‚aÅ„cuchy nie majÄ… równej dÅ‚ugoÅ›ci
·ð SiÅ‚a oddziaÅ‚ywaÅ„ miÄ™dzy czÄ…steczkami
·ð Podatność Å‚aÅ„cucha na wyginanie
·ð Struktura: stopieÅ„ krystalicznoÅ›ci, rozgaÅ‚Ä™zienia, usieciowanie
·ð Temperatura
Klasyfikacja polimerów w zależności od budowy (własności ) makrocząsteczek
Klasyfikacja polimerów  skład chemiczny:
·ð homopolimer
·ð kopolimer
o statystyczny
o blokowy
o naprzemienny
o szczepiony
·ð terrpolimer
Klasyfikacja polimerów  budowa łańcucha
·ð liniowe
·ð rozgaÅ‚Ä™zione (gwiazdy, grzebienie, szczotki, hiperrozgaÅ‚Ä™zienia)
·ð usieciowione
Oddziaływania między cząsteczkami :
Wewnątrz łańcucha: siły kowalencyjne
Pomiędzy łańcuchami: wodorowe, Van der Vaalsa
Klasyfikacja polimerów  budowa stereochemiczna:
·ð izotaktyczny
·ð syndiotaktyczny
·ð ataktyczny
Morfologia polimerów
W wielu polimerach łańcuchy ułożone są przypadkowo a nie wg. regularnego trójwymiarowego wzoru są więc niekrystaliczne czyli
amorficzne
Morfologia polimeru= stan uporządkowania w fazie stałej
Gdy łańcuchy polimeru układają się jeden na drugich ich powtarzalność prowadzi do stanu krystalicznego zwykle określanego jako
częściowokrystaliczny lub semikrystaliczny.
Struktury nadcząsteczkowe polimerów
Struktura polimerów jest najczęściej amorficzna, ale może być też krystaliczna- powstają stany uporządkowania cząsteczkowego
·ð Faza Amorficzna- skÅ‚Ä™bione struktury bezpostaciowe; brak uporzÄ…dkowania dalekiego zasiÄ™gu
·ð Faza krystaliczna- uporzÄ…dkowanie dalekiego zasiÄ™gu; giÄ™tkie Å‚aÅ„cuchy pÅ‚ytkowa struktura lamelarna; sztywne
czasteczkimicele(celuloza)
·ð Faza mezomorficzna- struktura mezofazowa (poÅ›rednia); sztywne paÅ‚eczkowe makroczÄ…steczki; anizotropowe zbiory mezogenów
ułożonych równolegle struktura mezofazy aż do cieczy; polimery ciekłokrystaliczne
Czynniki wpływające na stopień krystalizacji polimerów
·ð Ilość rozgaÅ‚Ä™zieÅ„ Å‚aÅ„cucha- im wiÄ™cej tym mniejsza tendencja do krystalizacji
·ð Wielkość i asymetria grup bocznych
·ð DÅ‚ugość Å‚aÅ„cucha
·ð Szybkość chÅ‚odzenia
·ð OdksztaÅ‚cenie Å‚aÅ„cuchów i inne sposoby wymuszania kierunku wzrostu w czasie chÅ‚odzenia
Struktura a właściwości polimerów
AMORFICZNE KRYSTALICZNE
Mikrostruktura .
A
ańcuchy nieuporządkowane w fazie stałej i w stopie A
ańcuchy nieuporządkowane w stopie, natomiast w fazie stałej silnie
uporzÄ…dkowane
Reakcja na ciepło .
Miękną w szerokim przedziale temp. (brak ostrej temp. topnienia) Ostra temp. topnienia
Podstawowe cechy .
·ð Przez
roczyste ·ð PrzeÅ›witujÄ…ce/mÄ™tne
·ð SÅ‚aba odporność chem. ·ð Åšwietna odporność na chemikalia
·ð MaÅ‚y skurcz objÄ™toÅ›ciowy po wtrysku/wytÅ‚aczaniu ·ð Duży skurcz objÄ™toÅ›ciowy po wtrysku/wytÅ‚aczaniu
·ð Zwkle maÅ‚a wytrzymaÅ‚ość mechaniczna ·ð Zwykle duża wytrzymaÅ‚ość mechaniczna
·ð Wysoka lepkość stopu ·ð Niska lepkość stopu
·ð MaÅ‚e efekty termiczne przejść fazowych ·ð Wysokie efekty termiczne przejść fazowych (ciepÅ‚o krystalizacji)
Temperatura zeszklenia- Tg temp. w której następuje przejście ciała bezpostaciowego(amorficznego )ze stanu szklistego do elastycznego lub
odwrotnie. Chociaż temp. zeszklenia jest najważniejsza wielkością char. ciało amorficzne nie ma ona dla danej substancji stałego poziomu-
zależy bowiem od szybkości z jaką zachodzi zmiana temperatury.
Temperatura a twardość polimerów
Niektóre polimery w podwyższonej temperaturze stają się twardsze (polimery termoutwardzalne). Utwardzanie wynika z powstawania
wiązań między łańcuchami (usieciowanie).W następstwie:
·ð Nie można ich już przerabiać, topić itp.
·ð SÄ… sztywniejsze, twardsze i termicznie bardziej odporne niż termoplastyczne
·ð SÄ… to np żywice epoksydowe, aminowe, poliestry, poliuretany, silikony
Niektóre polimery powyżej temp. Zeszklenia są plastyczne i można je kształtować jak plastelinę (polimery termoplastyczne) m.in.:
akryle(pleksi), teflon, nylon, poliwęglan, poliestry, polietylen
Klasyfikacja polimerów-właściwości reologiczne
Polimery
·ð Elastomery- wykazujÄ… skÅ‚onność do dużych odksztaÅ‚ceÅ„ sprężystych
o wulkanizujÄ…ce
o niewulkanizujÄ…ce
·ð Plastomery- polimery o wydÅ‚użeniu przy rozerwaniu do 200%
o Termoplasty-grupa tworzyw które pod wpływem ogrzewania topnieją i przechodzą w stan ciekły(co ułatwia ich formowanie), a
następnie po ochłodzeniu przechodzą w stan stały(proces odwracalny). Tworzywa termoplastyczne nadają się do wielokrotnego
przetwórstwa.
üð bezpostaciowe
üð krystaliczne
o Duroplasty- grupa tworzyw które pod wpływem temp. Lub związku chemicznego tworzą trwałe wewnętrzne wiązania- przechodząc
jednocześnie w stan stały
üð chemoutwardzalne
üð termoutwardzalne
Wyprostowanie oraz uszeregowanie (orientacja) makrocząsteczek powoduje wzrost wytrzymałości polimeru
Stany fizyczne polimerów: Zachowanie się polimerów pod obciążeniem zależy od:
·ð Budowy makroczÄ…steczki, stan uporzÄ…dkowania czÄ…steczkowego(struktura)
·ð temperatury i skali czasu pomiaru
·ð duży wpÅ‚yw ma gÄ™stość usieciowania polimeru(ilość wiÄ…zaÅ„ poprzecznych)
Polimery występują w stanie:
o Gumy (elastomery)
o Szklistym
o Krystalicznym lub częściowo krystalicznym
Niektóre polimery w ogóle nie występują we wszystkich fazach
Masa cząsteczkowa a właściwości polimerów:
Wszystkie polimery mogą mieć tę samą średnią liczbową masę cząsteczkową. Największy wpływ masa cząsteczkowa wywiera na :
o Własności kinematyczne
o Przez
roczystość
o Topliwość
o Udarność
Przetwórstwo polimerów
Polimery rzadko znajdują zastosowanie w stanie czystym. Metody zależą od rodzaju przetwarzanego materiału. Najważniejsze:
żð wtryskiwanie
żð Prasowanie, prasowanie tÅ‚oczne
żð Odlewanie odÅ›rodkowe
żð WytÅ‚aczanie i wytÅ‚aczanie z rozdmuchem
żð Formowanie na gorÄ…co
żð Kalandrowanie
żð Formowanie próżniowe
żð PrzÄ™dzenie
żð Spienianie
żð Laminowanie
Zastosowanie polimerów
żð Aeronautyka (odporność na wys. temp i utlenianie)
żð Budownictwo(zastÄ™pujÄ… metal)
żð Włókna(Å›wiatÅ‚owody, ciekÅ‚e krysztaÅ‚y, kord w oponach)
żð Polimery niepalne(meble, budownictwo, komunikacja)
żð Polimery degradowalne (maÅ‚a ilość odpadów, kontrolowane dozowanie leków, pestycydy, nawozy)
żð Medycyna(nici chirurgiczne, sztuczne organy)
żð Elektronika(pÅ‚yty komputerowe, izolatory, ogniwa)
Wykład 9 i 10: Kompozyty-projektowanie, właściwości, otrzymywanie
Kompozyty a podstawowe klasy materiałów:
·ð Kompozyt ceramika- metal- polimer
·ð Kompozyt ceramika-metal
·ð Kompozyt ceramika-polimer
Własności kompozytu musza być:
·ð Wyższe, inne, dodatkowe w stosunku do wÅ‚asnoÅ›ci każdej z użytych faz osobno lub zmieszanych razem
·ð Zależne od udziaÅ‚u poszczególnych faz
Kompozyt - materiał utworzony z co najmniej dwóch komponentów (faz) o różnych właściwościach w taki sposób że ma właściwości lepsze i
(lub) właściwości nowe (dodatkowe)w stosunku do komponentów użytych osobno lub wynikających z prostego sumowania tych własności-
kompozyt jest materiałem zewnętrznie monolitycznym, jednakże z widocznymi granicami miedzy komponentami
Klasyfikacja kompozytów
üð Kompozyty naturalne: powstaÅ‚e na drodze ewolucji przyrody, tam gdzie warunkiem istnienia byÅ‚o przenoszenie dużych obciążeÅ„ np.
kości zwierząt, ptaków oraz człowieka, ścięgna, mięśnie.
Drewno (kompozyt wzmacniany włóknami celulozy w ligninie i hemicelulozie), jajko, trawa, bambus, łodygi roślin i gałęzie.
üð Kompozyty sztuczne - wytwarzane przez czÅ‚owieka np. suszona na sÅ‚oÅ„cu gliniana cegÅ‚a wzmacniana sÅ‚omÄ… i koÅ„skim wÅ‚osiem, asfalt
naturalny wzmacniany słomą, końskim włosiem i tkaninami,
Tworzenie materiałów kompozytowych wykazujących podwyższenie własności mechanicznych jak:
·ð Sztywność
·ð WytrzymaÅ‚ość
·ð Odporność na pÄ™kanie i Å›cieranie
Lub w celu:
·ð Obniżenia ciężaru/kosztów wytwarzania
·ð Zmniejszenia moduÅ‚u sprężystoÅ›ci
·ð Zmiany przewodnoÅ›ci cieplnej i elektrycznej
·ð Zmiany współczynnika rozszerzalnoÅ›ci cieplnej
Budowa kompozytów
Osnowa-faza ciągła i otaczająca cząstki innej fazy nazywanej umacniającą
Zbrojenie-faza umacniająca o różnej geometrii i względnej ilości, otoczona osnową
Połączenie między osnową i zbrojeniem stanowi niezwykle ważny czynnik :
·ð im silniejsze wiÄ…zanie pomiÄ™dzy dwiema fazami tym lepiej
·ð wiÄ…zanie może być poÅ›rednie(może zajść konieczność dodania trzeciego skÅ‚adnika, a może to być jedna faza rozpuszczona w
drugiej) oraz bezpośrednie
·ð powstaje trzecia faza pomiÄ™dzy matrycÄ… a elementem zbrojenia, która ma duże znaczenie dla trwaÅ‚oÅ›ci
Osnowa ma za zadanie
·ð zlepiać i wiÄ…zać zbrojenie oraz zatrzymywać rozprzestrzenianie siÄ™ pÄ™knięć
·ð Zabezpieczać zbrojenie przed mechanicznym uszkodzeniem
·ð Przenosić naprężenie zewnÄ™trzne na zbrojenie
·ð Decydować o wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach chemicznych i cieplnych kompozytu
·ð Nadawać wyrobom żądany ksztaÅ‚t
Klasyfikacja kompozytów z względu na materiał osnowy:
·ð metalowej
·ð miÄ™dzymetalicznej
·ð ceramicznej
kompozyty o osnowie
·ð organicznej:
o węglowej
o polimerowej
Podział ze względu na materiał zbrojenia:
1. komp wzmacniane czÄ…stkami
üð duże czÄ…stki,
üð utwardzane dyspersyjnie
2. komp wzmacniane włóknami
üð tkaniny
üð włókna ciÄ…gÅ‚e,
üð włókna nieciÄ…gÅ‚e:
o zorientowane,
o rozmieszczone przypadkowo
3. komp strukturalne:
üð warstwowe,
üð z rdzeniem z materiałów lekkich
Zbrojenie
·ð może mieć postać proszku lub włókien
·ð Dodawane jest w dużej iloÅ›ci do kompozytu
·ð Zwykle tylko fizycznie oddziaÅ‚uje na osnowÄ™
·ð Zadanie - wzmacnianie materiaÅ‚u oraz poprawienie jego okreÅ›lonych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci mechanicznych (lub użytkowych)
·ð wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci kompozytu zależą Å›ciÅ›le od cech geometrycznych zbrojenia
Optymalne właściwości można uzyskać je jeżeli cząstki zbrojenia:
·ð maja jednakowe rozmiary i ksztaÅ‚ty;
·ð sÄ… równomiernie rozÅ‚ożone i zorientowane
Zawartość procentowa zbrojenia zajętej objętości zależy od póz
niejszego zastosowania kompozytu.
Klasyfikacja ze względu na geometrie zbrojenia:
a) cząstki o rożnym stopniu dyspersji
b) płatki (różna wielkość i materiały)(płytki szklane, talk, mika)
c) włókna nieciągłe(szklane, węglowe)
d) włókna ciągłe(jednokierunkowe, tkaniny, maty)(szklane, węglowe, aramidowe)
e) szkieletowo(w konstrukcjach typu  sandwich )
f) warstwowo w laminatach
Komp typu ceramika- polimer
Polimery stosowane jako osnowa spełniają istotne funkcje:
·ð umożliwiajÄ… przenoszenie obciążeÅ„ na włókna
·ð nadajÄ… wyrobom pożądany ksztaÅ‚t
·ð decydujÄ… o wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach cieplnych i chemicznych oraz o palnoÅ›ci kompozytów
·ð wywierajÄ… istotny wpÅ‚yw na metody wytwarzania kompozytów
Kompozyty polimerowe- materiał zbrojenia
üð stosowane czÄ…stki wzmacniajÄ…ce tzw.  napeÅ‚niacze :
o napełniacze mineralne-najczęściej ziarna lub kulki
żð zmielona kreda, kamieÅ„ wapienny, marmur, strÄ…cany wÄ™giel wapnia
żð mÄ…czka kwarcowa, kaolin, skaleÅ„, wodorotlenek glinu, krzemionka
o napełniacze kuliste(poprawiają płyniecie tłoczyw, zmniejszają skurcz, zwiększają trwałość kształtu)
żð peÅ‚ne kulki szklane- poprawiajÄ… twardość, wytrzymaÅ‚ość na rozciÄ…ganie
żð puste kulki popiołów lotnych-duża odporność na Å›ciskanie, zmniejszenie masy wyrobu
üð włókna wzmacniajÄ…ce nieciÄ…gÅ‚e
żð rozdrobnione włókna drzewne
żð krajanka włókien na bazie celulozy, sizalu, juty
żð włókna szklane, coraz częściej wÄ™glowe
żð włókna polimerowe: PAN, PET, PCV
üð włókna wzmacniajÄ…ce ciÄ…gÅ‚e
żð włókna szklane(tkaniny, izotropowe maty)- niskoalkaiczne, wysokowytrzymaÅ‚e
żð włókna wÄ™glowe(rowing, tkaniny)
żð włókna aramidowe (Kewlar) - rowing, tkaniny
żð mieszanki włókien(szklane-wÄ™glowe, szklane-aramidowe, wÄ™glowe-aramidowe)
żð włókna polimerowe(PAN, PET, PCV, PA6, PA66)
kompozyty węglowe
Włókna karbonizowane-otrzymywane w wyniku pirolizy włókien chemicznych wiskozowych lub poliakrylonitrylowych; rozróżnia się dwa
rodzaje włókien karbonizowanych:
1. włókna węglowe, zaw. 90-96% węgla pierwiastkowego, o nie w pełni zorientowanej strukturze kryształów,
2. włókna grafitowe, o zawartości > 96%(często blisko 99%) węgla o krystalicznej, zorientowanej strukturze, postają z włókien
wÄ™glowych podczas ich ogrzewania w temp. > 2500ºC
Materiały stosowane na osnowę i wzmocnienie kompozytów
Włókno- ciaÅ‚o o dużej  smukÅ‚oÅ›ci , którego dÅ‚ugość jest znacznie wiÄ™ksza od jego Å›rednicy (1źm÷ ok 0,15mm), odznaczajÄ…ce siÄ™ z reguÅ‚y
anizotropią struktury a więc i właściwości.
Włókno to najczęściej stosowany rodzaj zbrojenia w kompozytach w postaci:
o ciągłej(b. długiej ) lub nieciągłej(whiskery)
o uporzÄ…dkowanej lub nieuporzÄ…dkowanej
Włókna stosowane do produkcji kompozytów można podzielić na:
Øð włókna metalowe-molibdenowe, wolframowe, stalowe, berylowe
Øð wÅ‚ wÄ™glowe i grafitowe
Øð wÅ‚ tlenkowe- trójtlenek glinu, dwutlenek toru, dwutlenek cyrkonu
Øð wÅ‚ wÄ™glikowe-wÄ™glik krzemu, wÄ™glik tytanu, wÄ™glik cyrkonu
Øð wÅ‚ szklane
Øð wÅ‚ organiczne-kevlar, vectran
Øð wÅ‚ mineralne
Własności kompozytów
Czynniki wywierające wpływ na własności kompozytów związane z wprowadzeniem w czasie produkcji włókien do osnowy:
a) czynniki obniżające wytrzymałość włókien
1. reakcja z osnową lub pokryciem włókna
2. uszkodzenie powierzchniowe w czasie wytwarzania kompozytu
3. pęknięcie włókna na odcinki krótsze od długości krytycznej
b) czynniki obniżające wytrzymałość umocnienia z osnową
4. słabe związanie włókien z osnową
5. słabe związanie włókien z pokryciem
6. słabe związanie pokrycia z osnową
c) czynniki obniżające wytrzymałość osnowy
7. porowatość
8. obce wtrÄ…cenia
9.zanieczyszczenia segregujące na granicach ziaren osnowy lub na powierzchni rozdziału włókno-osnowa
d) czynniki strukturalne
10.niewłaściwa orientacja włókien
11.niski udział objętości włókien
12. niewłaściwe rozmieszczenie włókien
Właściwości włókien zależą od:
·ð rodzaju materiaÅ‚u użytego do produkcji włókien
·ð technologii wytwarzania włókien
·ð dÅ‚ugoÅ›ci i Å›rednicy włókien
·ð struktury i liczby defektów we włóknie
Cechy wiązania matryca(osnowa)-włókno:
·ð zbyt sÅ‚abe: włókna zostanÄ… wyciÄ…gniÄ™te z osnowy
·ð zbyt silne: materiaÅ‚ zachowuje siÄ™ jakby byÅ‚ jednolity, nie ma absorpcji energii mechanicznej na granicy matryca włókno
·ð optymalne: najpierw pÄ™ka osnowa, póz
niej oddziela się od włókien, na koniec pękają włókna
Wytrzymałość kompozytu umacnianego włóknami rośnie w miarę wzrostu udziału objętościowego włókien. Aby osiągnąć efekt umocnienia,
udział objętościowy włókien musi przekroczyć tzw. Obj. Krytyczną i może dochodzić do 90%.
Wady kompozytów ( trudne do wykrycia i naprawienia):
·ð mikropÄ™kniÄ™cia
·ð poÅ‚Ä…czenia miÄ™dzy włóknami a matrycÄ… mogÄ… ulec zniszczeniu
·ð stopniowa degradacja matryc polimerowych
Właściwości mechaniczne kompozytu zależą od;
·ð mechanicznych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci włókna
·ð wielkoÅ›ci naprężenia, które jest przekazywane przez osnowÄ™(zależy od siÅ‚y wiÄ…zania miÄ™dzy włóknem a osnowÄ…)
·ð pewnej krytycznej dÅ‚ugoÅ›ci włókna, poniżej której nieefektywnie wzmacnia ono kompozyt(zależy od Å›rednicy włókna, wytrzymaÅ‚oÅ›ci
na rozciąganie i siły związane z osnową, powierzchnia wiązania z osnową musi być wystarczająco duża)
Rodzaje splotów włókien w:
üð tkaninach:
a) płócienny
b) pięcionicielnicowy
c) jednokierunkowy
d) płócienny z krajką
üð oplotach:
e) trójosiowy oplot
Dla uzyskania dobrej jakości kompozytu należy spełnić najmniej trzy warunki:
1. unikać uszkodzenia włókien
2. zapewnić właściwe ich rozmieszczenie w osnowie zgodnie z projektem
3. zapewnić odpowiednie wiązanie włókna z osnową
Metody poprawiające wiązanie włókna węglowego z osnową polimerową:
1. utlenianie powierzchni włókien
2. osadzanie na powierzchni włókien whiskerów innych substancji
3. nanoszenie na powierzchnię włókien odpowiednich preparacji
Włókna polimerowe
Vectran- sztuczne włókno otrzymywane z ciekłokrystalicznego polimeru.
TYPY: WA
AÅšCIWOÅšCI:
üð Vectran NT
·ð wys odporność na peÅ‚zanie oraz Å›cieranie
(odporność na przecięcia, niska wytrzymałość na rozciąganie)
·ð b.dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci dielektryczne
üð Vectran HT
·ð wys udarność
(wysoka wytrzymałość, odporność na przecięcie)
·ð odporność na ciÄ™cie
üð Vectran UM
·ð niski skurcz termiczny
(duży moduł i wysoka wytrzymałość)
·ð zdolność do tÅ‚umienia drgaÅ„
·ð wys odporność chemiczna
·ð trwaÅ‚ość w wys temperaturach(do 220ºC)
Zastosowanie:
·ð Poduszka powietrzna sond marsjaÅ„skich
·ð Deska windsevingowa,
·ð Liny, sznury, kable, Å»agle
Włókna węglowe  prekursory:
·ð sztuczny jedwab
·ð asfalty
·ð smoÅ‚y
·ð fenol, imidy, amidy
Wytwarzanie włókna węglowe:
1. wygrzewanie w atmosferze powietrza (w temp. 200  300°C)
2. wygrzewanie w atmosferze obojÄ™tnej (w temp. 1000°C)
3. obróbka cieplna w atmosferze obojętnej w takiej temp., a by w wyniku odpowiedniego stopnia grafityzacji uzyskać pożądane
właściwości wł węglowego.
Włókna węglowe zastosowanie:
Sztuczne satelity, anteny, samoloty, wyroby elektroniczne, kable, Å‚ozyska.
Cechy włókien i kompozytów węglowych:
·ð dobra biozgodność w Å›rodowisku tkanek
·ð dobre wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci fizykochemiczne
·ð odporność na dziaÅ‚anie promieniowania jonizujÄ…cego i niejonizujÄ…cego
·ð implanty pokryte warstwÄ… wÄ™glowÄ… sposobem wyeliminowania alergii kontaktowej na metale
Kompozyty z włókien węglowych zastosowania:
Implanty złamanego kręgosłupa, sprzęt sportowy,
Kompozyty konstrukcyjne
Kompozyty o osnowie polimerowej, wykazują wysokie parametry mechaniczne (zastosowanie w budowie maszyn, pojazdów, samolotów):
·ð LAMINATY  dwuwymiarowe warstwy, różnie zorientowane wzglÄ™dem siebie (równolegÅ‚e/w różnych kierunkach), np. żywice
wzmacniane włóknami (tkaninami) szklanych, węglowymi lub aramidowymi
Budowa:
üð caÅ‚ość definiuje siÄ™ podajÄ…c sekwencjÄ™ poszczególnych warstw, oddzielonych  / (np. 45/0/-45)
üð kolejność warstw podaje siÄ™ od góry do doÅ‚u
üð caÅ‚a sekwencja umieszczona jest w nawiasach kwadratowych
üð mogÄ… pojawić siÄ™ subskrypty  s (sekwencja warstw symetryczna wzglÄ™dem Å›rodkowej pÅ‚aszczyzny),  n (n-krotne powtórzenie),
üð sekwencja symetryczna i skÅ‚ada siÄ™ z nieparzystych iloÅ›ci warstw ->warstwa Å›rodkowa ma w symbolu kreskÄ™ nad liczbÄ… tej warstwy.
·ð KOMPOZYTY WARSTWOWE (KANAPKOWE)  gdzie dwie silne warstwy zewnÄ™trzne ozdzielone sÄ… warstwÄ… sÅ‚abszego i mniej
gęstego materiału (rdzeń). Najczęściej stosuje się kompozyty o osnowie polimerowej wzmacniane włóknami szklanymi, węglowymi lub
aramidowymi.
W zależności od przeznaczenia  zbrojenie w postaci przeróżnie splatanych tkanin, ciętych włókien, układów przestrzennych itp.
Kompozyty warstwowe o budowie komórkowej
Kompozyty komórkowe mają szereg niezwykłych właściwości np.: odporność na uderzenia, wytrzymałość mechaniczna przy ściskaniu,
przewodność cieplna
Układy komórek w rdzeniach o kształcie plastra miodu w materiałach kompozytowych warstwowych:
·ð heksagonalny
·ð h. wzmocniony
·ð h. rozciÄ…gniÄ™ty
·ð giÄ™tki
·ð podwójny giÄ™tki
·ð wydÅ‚użony
·ð krzyżowy
Rolą rdzenia jest przeciwdziałać deformacjom spowodowanym działaniu siły prostopadłej do powierzchni zewnętrznych.
Wykład 11 i 12: Biomateriały
Biomateriał  każda substancja (ale nie lekarstwo), albo kombinacja substancji syntetycznych lub naturalnych, która może być użyta w
dowolnym okresie, a której zadaniem jest uzupełnienie lub zastąpienie tkanek, organów wewnętrznych albo jego części lub spełnienie ich
funkcji.
W organizmie ludzkim:
·ð 11 pierwiastków o podstawowym znaczeniu biologicznym: C, H, O, N, S, Ca, P, K, Na, Cl, Mg
·ð 15 pierwiastków Å›ladowych: Fe, Zn, Cu, Mn, Ni, Co, Mo, Se, Cr, F, Sn, Si, V, As.
Ewolucja biomateriałów:
üð I generacja (od 1950)  materiaÅ‚y bioobojÄ™tne
üð II generacja (od 1980)  materiaÅ‚y bioaktywne
üð III generacja (od 2000)  materiaÅ‚y bioaktywne i zdolne do regeneracji tkanek:
o biokompatybilność
o silna, porowata struktura 3D
o nierozpuszczalny w wodzie, ale stopniowo biodegradowalny.
Biomateriały - podział:
1. Bioceramika 2. Tworzywa sztuczne 3. Tworzywa kompozytowe 4. Metale i ich stopy
·ð obojÄ™tna ·ð materiaÅ‚y wÄ™glowe ·ð kompozyty C-C ·ð stale
·ð z kontrolowanÄ… reaktywnoÅ›ciÄ… ·ð polietylen ·ð kompozyty metal-ceramika ·ð stopy Co
·ð tworzywa hydroksyapatytowe ·ð cementy resorbowalne ·ð Ti i jego stopy
·ð materiaÅ‚y wÄ™glowe ·ð metaloporfiryny
·ð żywice silikonowe
Zastosowania biomateriałów:
üð wszczepy (implanty) biostatyczne, bioestetyczne i biomechaniczne,
üð materiaÅ‚y do zespalania tkanek (nici chirurgiczne, kleje do tkanek, cementy kostne),
üð wszczepy (implanty) przeznaczone do kontaktu z krążącÄ… krwiÄ…,
üð sztuczne narzÄ…dy i ich części,
üð bÅ‚ony półprzepuszczalne i inne części aparatury krążenia pozaustrojowego,
üð preparaty farmaceutycznie (noÅ›niki leków),
üð inne (m.in. kontaktowe soczewki oczne).
Mogą być: Dobór materiałów uwzględnia:
·ð syntetyczne/naturalne ·ð biozgodność i biotolerancjÄ™ (dla danego osobnika)
·ð stan staÅ‚y/ciecz ·ð wÅ‚asnoÅ›ci mechaniczne i wytrzymaÅ‚oÅ›ciowe
·ð kompozytowe ·ð stopieÅ„ kontaktu z ciaÅ‚em ludzkim (st. inwazyjnoÅ›ci)
·ð samo-naprawiajÄ…ce siÄ™ ·ð okres zastosowania
·ð możliwoÅ›ci wykonawcze
·ð ekonomiczność rozwiÄ…zania
Właściwości:
·ð fizyczne: gÄ™stość, lepkość, przewodność cieplna i elektryczna
·ð mechaniczne: wytrzymaÅ‚ość, sprężystość, odporność zmÄ™czeniowa
·ð technologiczne: obrabialność, ksztaÅ‚towanie powierzchni
·ð odporność korozyjna: biozgodność, biotolerancja
·ð biologiczne:
o biokompatybilność  nie może wywoływać reakcji obronnej tkanek,
o neutralność dla organizmu  nie oddziałuje z tkankami,
o bioaktywność  oddziałuje z tkankami (integracja),
o biodegradowalność  materiał rozkłada się w organizmie, bez wydzielania toksyn.
Implanty (wszczepy)  wszelkie przyrządy medyczne wykonane z jednego lub więcej biomateriałów, które mogą być umieszczone wewnątrz
organizmu, jak również umieszczone częściowo lub całkowicie pod powierzchnią nabłonka, i które mogą pozostać przez dłuższy okres w
organizmie.
·ð implant chirurgiczny  używany w kontekÅ›cie umieszczenia go w zamierzonym miejscu w procedurze chirurgicznej (igÅ‚y, dreny).
·ð proteza implantowalna (proteza wewnÄ™trzna/endoproteza)  przyrzÄ…d, który fizycznie zastÄ™puje organ/tkankÄ™. Bioproteza-proteza
wykonana w całości/częściowo z tkanek dawcy.
·ð sztuczny organ  materiaÅ‚ medyczny, zastÄ™puje w caÅ‚oÅ›ci/częściowo funkcje jednego z głównych (chorych) organów ciaÅ‚a częściowo
w nieanatomiczny sposób.
Podział implantów (stężenia pierwiastków oddziaływają na zachodzenie różnych procesów życiowych):
üð krótkotrwaÅ‚e  czas przebywania w Å›rodowisku tkankowym max 2 lata
üð dÅ‚ugotrwaÅ‚e  czas może znacznie przekroczyć 20 lat
Biomateriały metaliczne:
METODY
CELE TYPY WYMAGANIA
NANOSZENIA
üð biofunkcyjność üð warstwy dyfuzyjne üð metody wykorzystujÄ…ce üð wysoka odporność na korozjÄ™
(odporność na Å›cieranie) zwiÄ…zków tytanu plazmÄ™, fotony, jony: üð dobra jakość metalurgiczna i jednorodność
üð bariery dyfuzyjne üð warstwy diamentowe - procesy PDT üð zgodność tkankowa (nietoksyczność)
(podwyższenie (NCD, DLC) - RFCVD üð odporność na zużycie Å›cierne
odpornoÅ›ci na korozjÄ™) üð powÅ‚oki -MWCVD üð brak tendencji do tworzenia zakrzepów
üð poprawa osteointegracji hydroksyapatytowe -PLD üð odpowiednie wÅ‚asnoÅ›ci elektryczne
(ceramiczne warstwy üð warstwy kompozytowe üð metoda zol-żel üð odpowiednie wÅ‚asnoÅ›ci wytrzymaÅ‚oÅ›ciowe
bioaktywne)
Stopy na osnowie kobaltowej Tytan i jego stopy Stopy z pamięcią kształtu Aluminium i jego stopy
·ð b. wysoka odporność na ·ð mniejszy ciężar niż stopy ·ð niewielki ciężar
korozjÄ™ Fe lub Co
·ð Å‚atwość formowania,
WÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci ·ð wÅ‚asnoÅ›ci zależne od ·ð b. wysoka wytrzymaÅ‚ość obróbki
domieszek
·ð niski koszt
wytworzenia
·ð endoprotezy stawowe ·ð endoprotezy stawowe ·ð ortodoncja ·ð np. do konstrukcji
protez
·ð pÅ‚ytki ·ð elementy do zespalania ·ð stabilizator (leczenie
odłamków kości skoliozy)
·ð wkrÄ™ty
Zastosowanie
·ð protetyka ·ð tulejki dystansowe
·ð groty
stomatologiczna kręgosłupa
·ð druty
·ð kardiochirurgia ·ð implanty krótkotrwaÅ‚e
Biomateriały ceramiczne:
Bioceramika
·ð ObojÄ™tna
üð wysoka biotolerancja i wytrzymaÅ‚ość na Å›ciskanie, Å›cieranie i zginanie
üð Al2O3 (biokorund), wÄ™gle pirolityczne, (oksy)azotek krzemu, wÄ™glik krzemu, tlenki cyrkonu, tytanu
·ð Resorbowalna
üð MaÅ‚e koszty wytwarzania, biokompatybilność, zastÄ…pienie ulegajÄ…cego resorpcji implantu przez tkankÄ™ kostnÄ…
üð Hydroksyapatyt-materiaÅ‚ biologicznie aktywny, skÅ‚ad chem. i fazowy podobny do skÅ‚adu koÅ›ci ludzkiej i zÄ™bów (->biotolerancja),
·ð Bioaktywna
üð Kontrolowana reaktywność w organizmie, miÄ™dzyfazowe poÅ‚Ä…czenie implantu z tkankÄ… kostnÄ…
üð bioszkÅ‚o, hydroksyfluoroapatyt, wollastonit, kompozyty
·ð WÄ™glanowa
üð Na protezy Å›ciÄ™gien, wiÄ…zadeÅ‚, elementy zespalajÄ…ce koÅ›ci
·ð (Mikro)porowata
üð Wykazuje zdolność tworzenia naturalnego poÅ‚Ä…czenia z tkankÄ… kostnÄ…, mogÄ… zawierać antybiotyki
·ð Cementy kostne i stomatologiczne
üð Produkty dwuskÅ‚adnikowe (proszek i pÅ‚yn), z których po wymieszaniu powstaje mieszanina umieszczana nastÄ™pnie w miejscu
przeznaczenia
üð zespalanie materiałów z koÅ›ciÄ… / ze sobÄ…, wypeÅ‚nianie przestrzeni ubytków kostnych, rekonstrukcja/odbudowa twardych tkanek zÄ™ba
Techniki
Formy Zalety Problemy
pokrywania
·ð ksztaÅ‚tki gÄ™ste ·ð plazma ·ð porowatość (umożliwia wrastanie siÄ™ tkanki ·ð kruche, niska wytrz. na zginanie,
okołowszczepowej i tworzenie trwałego
·ð ksztaÅ‚tki porowate ·ð elektroforeza ·ð nieodksztaÅ‚calne i nieodporne na
połączenia z implantem)
obciążenia dynamiczne,
·ð granule ·ð CVD, PVD
·ð wysoka twardość, odporność na Å›cieranie i
·ð za duża bioaktywność lub brak
·ð proszek ·ð rozpylanie
wytrzymałość na ściskanie,
biozgodności fizycznej z tkanką
jonowe
·ð pokrycia
·ð wysoka odporność korozyjna w Å›rodowisku kostnÄ…,
ceramiczne na ·ð IBAD
tkanek i płynów ustrojowych,
·ð ujemny wpÅ‚yw wydzielin (np. Al) z
implantach
·ð osadzanie
·ð bdb biotolerancja - biozgodność chem. z implantów,
metalicznych
elektrochemiczne
tkankÄ… kostnÄ…
·ð trudnoÅ›ci w utrzymaniu
·ð możliwość sterylizacji bez zmiany odpowiedniej wytrzymaÅ‚oÅ›ci i
właściwości materiału, stabilności obszaru implantu z
tkanką żywą.
·ð możliwość impregnacji lekami.
Biomateriały polimerowe:
SYNTETYCZNE NATURALNE
Biostabilne Biodegradowalne Proteiny Polisacharydy
·ð polietylen ·ð PLA ·ð kolagen ·ð celuloza
·ð silikony ·ð PGA ·ð soja ·ð kwas hialuronowy
Właściwości Zastosowanie
·ð Å‚atwość uzyskiwania powtarzalnej jakoÅ›ci materiaÅ‚u dla ·ð Resorbowalne podÅ‚oża polimerowe i kompozytowe dla sterowanej
różnych jego partii, regeneracji tkanek
·ð Å‚atwość formowania, pozwalajÄ…ca na nadanie odpowiedniej ·ð Implanty konstrukcyjne o dopasowanych wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach
postaci użytkowej bez degradacji tworzywa , mechanicznych i kontrolowanym czasie resorpcji
·ð Å‚atwość sterylizacji, ·ð NoÅ›niki leków
·ð odpowiedniÄ… jakość fizykochemicznÄ… biomateriaÅ‚u, ·ð MateriaÅ‚y inteligentne
·ð brak odczynów toksycznych lub alergicznych ·ð Biostabilne elementy zespalajÄ…ce, stabilizatory zewnÄ™trzne
·ð bioinertność ·ð MateriaÅ‚y opatrunkowe  hydrożele, hydrokoloidy
Biomateriały jako nośniki leków
Nośniki leków
ceramiczne polimerowe biologiczne
(mikroporowate kapsuły) hydroksyapatyt, (wiązanie chemiczne ulegające hydrolitycznemu
TCP, bioszkła fosforanowe cementy kostne rozpadowi) polimery biodegradowalne
Kontrolowane uwalnianie leków, Optymalne dawki dla określonej terapii, Utrzymywanie odpowiednio wysokiego
miejscowego stężenia leku przez maksymalnie długi okres czasu, leki: antybiotyki, cytostatyki, hormony, leki
przeciwreumatyczne, przeciwrakowe
Biomateriały kompozytowe
Materiały hybrydowe organiczno-nieorganiczne
I. ceramika-polimer
Cel: otrzymanie materiału o kontrolowanych właściwościach mechanicznych
II. węgiel  polimer
Problem: brak bioaktywnych materiałów ceramicznych w formie włókien do wzmacniania osnów polimerowych
III. ceramika  węgiel
Wypełniacze ceramiczne (m.in. na bazie SiO2) odpowiadają za wł. fizykochemiczne materiału (zmniejszają kurczliwość, współczynnik
rozszerzalności termicznej i wchłanianie wody, podnoszą odporność na ścieranie, ucisk i rozciąganie).
Biomateriały zastępujące inne tkanki (dobór na zasadzie podobnej metody wzrostu tkanki na sztucznej matrycy):
1. Chrząstki: Tkana matryca polimerowa (kwas poliglikolowy), na której powstanie tkanka chrząstki
2. Sztuczna tkanka mięśnia serca na bazie matrycy o strukturze plastra miodu, składającą się jak akordeon. Komórki tkanki orientują się w
kierunkach wyznaczonych przez mikrostrukturę matrycy. Polimerowa matryca zmusza komórki mięśniowe do zorientowania się i
działania w odpowiednim kierunku.
3. Biomateriały służące do regeneracji lub zastąpienia neuronów są to kanały prowadzące nerwy oraz matryce z nanowłókien służące
ułatwieniu regeneracji nerwów.
Biomimetyka - naśladowanie struktur i procesów występujących w organizmach żywych
·ð struktury laminatowe i włókniste
·ð struktury gradientowe (gradient porowatoÅ›ci, moduÅ‚u Younga, bioaktywnoÅ›ci)
·ð struktury inteligentne
·ð procesy narastania hydroksyapatytu w SBF.
Wykład 13: Nano
Nano  10-9 (częśc bilionowa), R. Feynman. W nanoskali  specyficzne zjawiska (nieobserwowane dla materiałów mikrokrystalicznych.
Nanonauka- zajmuje się badaniem zjawisk i działaniem materiałów oraz manipulowaniem ich właściwościami w skalach: atomowej,
molekularnej i makromolekularnej (czyli tam gdzie właściwości różnią się znacznie od tych w skali makro).
Wymiar, przy którym występuje zmiana lub pojawiają się nowe właściwości jest graniczną wielkością definiującą nanomateriały.
NanoczÄ…stki:
·ð obiekty o wymiarach 0,1nm ÷ ok. 100nm (istniejÄ… też nanoczÄ…stki 250nm)
·ð w postaci manometrycznej muszÄ… wykazywać wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci, które nie wystÄ™pujÄ… w wiÄ™kszej skali oraz muszÄ… być wytworzone i
zastosowane w skali Nano.
·ð ksztaÅ‚ty:
üð kule  zbudowane z pojedynczych atomów uÅ‚ożonych w warstwÄ™ zwiniÄ™tÄ… w kulÄ™ (np. fulereny wÄ™glowe),
üð rurki  warstwy pojedynczych atomów tworzÄ…ce jedno i kilkuwarstwowe rurki (np. nanorurki wÄ™glowe, niewÄ™glowe, organiczne
üð inne formy (np. pÅ‚atki czy formy  kwiatopodobne )
Nanotechnologia (Norio Taniguchi 1974r.)
·ð dziedzina nauki powstaÅ‚a w latach 90tych ubiegÅ‚ego wieku,
·ð zajmuje siÄ™ kontrolowanym tworzeniem materiałów funkcjonalnych, urzÄ…dzeÅ„ i ukÅ‚adów za pomocÄ… kontroli w skali Nano (1-100nm),
·ð wykorzystuje nowe zjawiska i wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci materii (fizyczne, chemiczne, biologiczne),
·ð zajmuje siÄ™ metodami sÅ‚użącymi do ich badania i modelowania.
Cechy nanomateriałów (zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów można uzyskać lepsze wł. fizyko-chemiczne, mech.):
·ð bardziej rozwiniÄ™ta powierzchnia wÅ‚aÅ›ciwa,
·ð wiÄ™ksza twardość,
·ð wiÄ™ksza wytrzymaÅ‚ość i wzrost plastycznoÅ›ci,
·ð wiÄ™ksza odporność na peÅ‚zanie,
·ð wiÄ™ksza biokompatybilność biomateriałów manometrycznych,
·ð wiÄ™ksza odporność chemiczna,
·ð wiÄ™ksza hydrofilowość,
·ð wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci Å›lizgowe,
·ð wzmocnione zdolnoÅ›ci adsorpcyjne i absorpcyjne,
·ð unikalne wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci magnetyczne.
Podział nanomateriałów ze względu na pochodzenie:
·ð naturalne  utworzone niezależnie od czÅ‚owieka oraz materiaÅ‚y zawierajÄ…ce nanoskÅ‚adniki, znajdujÄ… siÄ™ w atmosferze (sól morska, pyÅ‚
wulkaniczny, drobny piasek w postaci kurzu, siarczany organiczne pochodzące z gazów biogenicznych oraz azotany jako pochodne NOx).
 ich zawartość w atmosferze zależna od położenia geograficznego,
·ð antropogeniczne (uboczne)  utworzone w wyniku akcji czÅ‚owieka (np. sadza, która powstaje w czasie palenia wÄ™gla kamiennego;
substancje zawierające opary spawalnicze, albo też inne powstające w trakcie utleniania, np. siarczany i azotany),
·ð zaprojektowane przez czÅ‚owieka i przez niego wytworzone, sÄ… syntezowane dla specjalnych celów i przybierajÄ… różne ksztaÅ‚ty.
Podział nanomateriałów ze względu na budowę:
·ð materiaÅ‚y zerowymiarowe (n. punktowe)  zbudowane z osnowy, w której rozmieszczone sÄ… czÄ…stki o wymiarach nanometrów,
·ð materiaÅ‚y jedno- i dwuwymiarowe  warstwy o gruboÅ›ci nanometrycznej, zbudowane z jednej lub kilku substancji manometrycznych (np.
warstwy o grubości kilku nm Tylku jedno- lub wielofazowego),
·ð materiaÅ‚y trójwymiarowe (nanokrystaliczne)  materiaÅ‚y homo- i heterogeniczne, zbudowane z kryształów o rozmiarach
manometrycznych.
Grupy nanomateriałów:
·ð nanometale
üð nanoczÄ…stki zÅ‚ota  po wzbogaceniu zwiÄ…zkami chemicznymi o odpowiednich wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ciach fizykochemicznych, potrafiÄ… w
kontakcie z białkami zmieniać kształt ich cząsteczek,
üð nanosrebro - nanoczÄ…stki (o rozmiarach >500 atomów w nanoczÄ…stce) posiadajÄ… wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci bakterio- i grzybobójcze
üð nanoplatyna  nanoczÄ…stki stosowane jako katalizatory w ogniwach wodorowych i samochodowych, dziÄ™ki b. wysokiej aktywnoÅ›ci
rozbudowanej powierzchni w stosunku do masy są b. wydajnym materiałem do zastosowania w przemyśle chemicznym jako
katalizatory reakcji.
·ð nanoproszki tlenków metali
üð nanoceramika  nanoproszki ceramiczne
wielkość ziarna 1÷10nm (>100nm)
Gdy ziarno <100nm właściwości materiałów gwałtownie się zmieniają:
·ð przewodnictwo cieplne  spada kilka razy
·ð przesuwa siÄ™ granica plastycznoÅ›ci materiaÅ‚u
·ð odporność na Å›cieranie wzrasta ok. 4x
·ð mikrotwardość wzrasta 2x
·ð wytrzymaÅ‚ość mechaniczna roÅ›nie ok. 4x
Problemy otrzymywania nanoproszków:
·ð droga i skomplikowana produkcja
·ð eliminacja aglomeracji proszków nanokrystalicznych
·ð trudnoÅ›ci we wÅ‚aÅ›ciwym zagÄ™szczeniu proszków nanokrystalicznych
·ð minimalizacja procesu wzrostu ziarna podczas spiekania
Tlenek tytanu  ziarna o rozmiarach Nano odmiany rutylowej tlenku tytanu wykazują efekt fotokatalityczny (pod wpływem światła
(np. słonecznego) rozszczepiają na swojej powierzchni cząsteczki tlenu do jego reaktywnych form, po czym reagują ze związkami
organicznymi powodując ich utlenianie). Cel przyszłości  szkło z cechą samoczyszczenia.
Zastosowanie tl. tytanu: do farb kryjących, niszczenia przykrych zapachów (dezodoryzacja), wykazują efekt antyseptyczny,
w mleczkach i olejkach do opalania
üð ceramizery - nanoczÄ…stki tlenków krzemu, glinu i innych metali, w których przez nanorozmiar zwielokrotniono ich niebywaÅ‚Ä…
twardość co w połączeniu z możliwością przyłączania się do powierzchni obniża tarcie (->obniża zużycie współpracujących
elementów).
·ð nanomateriaÅ‚y wÄ™glowe
·ð półprzewodniki
·ð nanokompozyty - podziaÅ‚ na dwie grupy:
üð nanomatriaÅ‚y bÄ™dÄ…ce dodatkiem do już istniejÄ…cych materiałów podwyższajÄ…cych ich wÅ‚asnoÅ›ci mechaniczne,
üð nanokompozyty zbudowane od podstaw z nanomateriałów, Å‚Ä…czÄ…ce w sobie zalety wszystkich skÅ‚adników.
kompozyty polimerowe z mineralnymi napełniaczami (warstwowe glinokrzemiany)
Znane napełniacze:
1. naturalne krzemiany
2. syntetyczne krzemiany
3. nanostrukturalna krzemionka
4. nanoceramika (np. tlenek glinu, azotek krzemu itp.)
5. nanorurki
Nanocząstki glinokrzemianów (jako napełniacze) - wprowadzone do polimeru powodują:
Pozytywy: Negatywy:
·ð zwiÄ™kszenie moduÅ‚u elastycznoÅ›ci ·ð wysoki koszt
·ð wyższÄ… stabilność termicznÄ… ·ð ograniczona dostÄ™pność
·ð zwiÄ™kszone wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci barierowe ·ð trudność z osiÄ…gniÄ™ciem odpowiedniego stopnie
dyspersji w matrycy polimerowej
·ð odporność na rozpuszczalniki organiczne
·ð wyższy współczynnik tÅ‚umienia ognia
·ð lepsze wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci optyczne
·ð niższy współczynnik rozszczerzalnoÅ›ci liniowej
Materiały nanokrystaliczne:
üð wielkość nanokrysztaÅ‚u jest zbliżona do wielkoÅ›ci komórki elementarnej
üð oczekiwane wÅ‚aÅ›ciwoÅ›ci:
·ð wytrzymaÅ‚ość mechaniczna i twardość
·ð moduÅ‚ sprężystoÅ›ci
·ð dyfuzyjność
·ð przewodnictwo cieplne
·ð wÅ‚asnoÅ›ci magnetyczne
·ð oporność elektryczna
·ð współczynnik rozszerzalnoÅ›ci cieplnej
·ð plastyczność
·ð odporność na kruche pÄ™kanie
Powierzchnia nanokryształu ma zawsze inną budowę niż jego wnętrze
Obszary badawcze nanonauki i nanotechnologii
1. Zjawiska i procesy w nanoskali
2. nanostruktury
3. nanomateriały i kompozyty
4. nanoelektronika i nanomagnetyzm
5. nanooptyka
6. urzÄ…dzenia w nanoskali
7. nanoanalityka i nanometrologia
8. nanobio
9. nanomedycyna
10. procesy i urzÄ…dzenia produkcyjne dla nanotechnologii
Ryzyko nanotechnologii:
·ð oddziaÅ‚ywania na organizm ludzki (nieznany wpÅ‚yw)
·ð manipulacje biologiczne w skali Nano
·ð nanoczÄ…stki, nanowłókna, nanomateriaÅ‚y stosowane w medycynie (mogÄ… zachwiać równowagÄ™ ekosystemów)