1. Nowoczesne struktury węglowe
Są to materiały powstałe na bazie węgla.

Rodzaje:

-włókna węglowe

-włókna grafitowe

-fulereny

-kevlar

-grafen

-nanorurki węglowe

-powłoki DLC

Cechy:

-duża wytrzymałość na rozciąganie

-duży moduł Younga

-mała gęstość

-kruchość

-mały wsp. tarcia

-dobra odporność cieplna

-biozgodność w środowisku tkanek

Zastosowanie:

-w medycynie (np. nici hirurgiczne)

-w przemyśle lotniczym (np. włazy podwozia)

-w renowacji zabytków(np. wzmacnianie murów)

-kajaki, ramy rowerów

- kevlar na kamizelki kuloodporne

-grafen może zastąpić krzem np. w układach scalonych

-grafit np. jako suche smary

2. Materiały dla energetyki i lotnictwa

Żaroodporność-zdolność materiału do przeciwstawiania się korozji gazowej w podwyższonej temperaturze

Żarowytrzymałość-odporność materiału na obniżenie wytrzymałości mechanicznej w wysokiej temperaturze

Wytrzymałość na pełzanie-naprężenia , które powodują rozerwanie próbki w ciągu określonego czasu w określonej temperaturze

Krzywa pełzania:

Zakresy pełzania i towarzyszące im zmiany mikrostruktury:

I-odkształcenie zmniejsza się znacznie z upływem czasu. Tworzenie się splotów dyslokacji i struktury pod ziarnowej

II-stała szybkość pełzania. Gęstość dyslokacji i wielkość podziaren nie zmieniają się

III-znaczny wzrost szybkości odkształceń, tworzenie się szyjki. Wzrost cząstek umacniających

Wpływ wielkości ziarna na wytrzymałość na pełzanie:

Przy stałej temperaturze i naprężeniu szybkość pełzania dyfuzyjnego maleje ze wzrostem wielkości ziarna

Właściwości i zastosowanie nadstopów niklu:

Właściwości: żarowytrzymałość, odporność na pełzanie w wysokich temperaturach, odporność na korozję , stabilna mikrostruktura

Zastosowanie: turbiny gazowe(energetyka), turbin w silnikach samolotów, wymienniki ciepła

z pamięcią kształtu

Stopy z pamięcią kształtu- materiały inteligentne, w których zachodzi odwracalna, termosprężysta przemiana martenzytyczna lub zmiana orientacji krystalicznej martenzytu pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego.

Zjawisko pamięci kształtu- zjawisko indukowane przez zmianę temperatur lub przyłożenie zewnętrznego pola magnetycznego. Termosprężysta pamięć kształtu polega na tym że po odkształceniu przy odpowiedniej temperaturze oraz nagrzaniu do nowej wyższej temperatury następuje powrót odkształconego materiału do pierwotnego kształtu.

Jednokierunkowy efekt pamięci kształtu- materiał odkształcony w fazie martenzytu powraca po nagrzaniu do kształtu nadanego w fazie austenitu.

Dwukierunkowy efekt pamięci kształtu- przejście od kształtu nadanego w stanie martenzytu do kształtu nadanego przy istnieniu fazy austenitu jest odwracalne oraz odbywa się bez udziału naprężeń.

Pseudosprężystość - to zjawisko odkształcenia materiału w wyniku przemiany martenzytycznej indukowanej naprężeniami.

materiał o strukturze martenzytu (nieodkształcony) materiał o strukturze martenzytu (odkształcony) nagrzewanie materiału; w wyniku przemiany fazowej materiał przyjmuje kształt zapamiętany w fazie austenitu chłodzenie (brak zmian kształtu).	a) materiał o strukturze martenzytu (nieodkształcony) b) nadanie i zapamiętanie kształtu w fazie martenzytycznej c) nagrzewanie materiału; w wyniku przemiany fazowej materiał przyjmuje kształt zapamiętany w fazie austenitu. d) chłodzenie; w wyniku odwracalnej przemiany fazowej materiał zaczyna przyjmować kształt zapamiętany w fazie martenzytu.

• Zastosowanie stopów z pamięcią kształtu w medycynie:
  druty ortodontyczne, implanty długo- i krótkookresowe, implanty do rozszerzania np. żył, urządzenia ortopedyczne narzędzia chirurgiczne o kształcie dostosowanym do pacjenta w czasie operacji
  
  Tytan techniczny i stopy tytanu:
  Właściwości mechaniczne
  biozgodność
  duża wytrzymałość,
  odporność na korozje
  mała rozszerzalność cieplna
  paramagnetyk,
  mała przewodność elektryczna
  mała gęstość
  Właściwości fizyko-chemiczne
  - Odporność na korozje(na powierzchni tworzy się pasywna warstwa tlenku tytanu)

- Odporność na działanie rozcieńczonych kwasów, większości kwasów organicznych i zasad.

- Rozpuszczalny w stężonych kwasach.

- Duża reaktywność tytanu z tlenem (w wodzie i powietrzu pokrywa się warstwą pasywna tlenków TiO i TiO₂).
Podział tytanu ze wzgl. Na strukturę
Podział stopów tytanu w stanie normalizowanym:
- stopy jednofazowe α
- stopy dwufazowe α+β
- stopy jednofazowe β.
Zastosowanie w medycynie – różnego rodzaju implanty.

4. Powłoki osadzone technikami PCV i CVD

Metoda PVD – osadzanie warstw z fazy gazowej z udziałem reakcji fizycznych. Metoda ta wykorzystuje zjawiska odparowania metali albo stopów lub rozpylanie katodowe w próżni i jonizację gazów.

• Wady i zalety nakładanie powłok PVD:
  - zwiększenie trwałości
  - ograniczenie szybkości zużycia
  - niski współczynnik przewodności cieplnej
  - ograniczenie procesów utleniania i korozyjnych
  - poprawa własności trybologicznych
  W przypadku narzędzi powodują lepsze odprowadzanie wióra, ochrona przed utlenianiem.
  Powłoki mogą występować w postaci jednowarstwowe (z jednego materiału) bądź wielowarstwowej (z więcej niż jednego materiału).
  stopowe- wieloskładnikowe VN, ZrN, HfN z C

• wielofazowe TiN/Ti2N

• kompozytowe: TiC/Al₂O₃

• wielowarstwowe: TiC/ TiN/ ZrN

• gradientowe: TiN/ Ti(CN)/ TiC

Metoda CVD – polega na osadzaniu materiału powłokowego z fazy gazowej w konsekwencji zachodzących w nich reakcji chemicznych. Jest to kontynuacja obróbki cieplno chemcicznej. Tą metodą najczęściej wytwarza się twarde, odporne na ścieranie i korozję powłoki węglików, azotków oraz tlenków metali na podłożach metali, ceramiki i materiałach wysokotopliwych. Stosuję się je do powlekania narzędzi skrawających oraz narzędzi do obróbki plastycznej na zimno i na gorąco. Sprawdza się we wszystkich przypadkach gdzie proces nakładania powłoki jest ostatnim zabiegiem technologicznym.

Wady i zalety techniki CVD

- wysoka temperatura konieczna do przebiegu reakcji chemicznych znacznie ogranicza zakres
stosowania metod CVD;
- konieczność utylizacji agresywnych dla środowiska naturalnego odpadów poprodukcyjnych;
- duża wydajność
- wysoka jakość uzyskiwanych powłok
- niski koszt i prosta obsługa urządzenia do realizacji procesu;
- obniżenie temp. procesu w metodzie PACVD znacznie zwiększyło zakres zastosowania

Właściwości powłok wpływających na tarcie i zużycie układów powłoka – podłoże
1.Plastyczność i granica plastyczności - odporność na zużycie ścierne i nośność powierzchni
2.Sprężystość powłoki i podłoża
3.Wytrzymałość na rozciąganie
4.Wytrzymałość połączenia powłoki i podłoża - naprężenia styczne prowadzące do delaminacji ( siła adhezji)
5.Wytrzymałość na ścinanie warstewek istniejących na powierzchni lub tworzonych w procesie tarcia
6. Grubość powłoki ( mechanizm przenoszenia obciążenia, adhezja do podłoża)
7. Chropowatość powierzchni

5. Charakterystyka materiałów pracujących w podwyższonej temperaturze głównie w węzłach tarcia - rodzaje i gatunki materiałów, właściwości, zastosowanie:

Rodzaje i gatunki materiałów – poliimidy, poliestroimidy, polihydantoiny kondensacyjne, poli-benzenotetrakarboksydiimid,

Właściwości materiałów:
- podwyższona temperatura topnienia, mięknienia i termicznego rozkładu
- mniejszy ubytek masy podczas ogrzewania w podwyższonej temperaturze
- wyższa temperatura ugięcia pod obciążeniem
- mniejsze zmiany właświsoći (fizykochemiczne i mechaniczne) podczas krótko oraz
długotrwałych działań podwyższonej temperatury

Zastosowanie: pary tarciowe (zwłaszcza samosmarne węzły kinematyczne)
- łożyska ślizgowe,
- koszyczki łożysk tocznych,
- koła zębate,
- kulki łożysk,
- pierścienie uszczelniające,
- materiały cierne w hamulcach

6. Polimerowe kompozyty sensorowe:
Polimerowy kompozyt sensorowy– kompozyt z napełniaczami proszkowymi o rozmiarze ziarna

2-10u,m. Osnowa: polimery np. żywica poliestrowo-imidowa. Napełniacze proszkowe: nikiel, miedź, żelazo, aluminium, grafit, cyna, dwusiarczek molibdenu, polimery elektroprzewodzące np. poliacetylen

Mechanizm przewodzenia prądu w takich kompozytach oparty jest głównie na następujących zjawiskach:
-perkolacji
-mechanizm tworzenia kwantowych tuneli między przewodzącymi cząstkami
-termiczna aktywacja przeskoków elektronów przez poziomy energetyczne w paśmie zabronionym lepiszcza.
-emisja polowa (w niektórych przypadkach)

Mechanizm działania takich czujników opiera się na rejestrowaniu zmiany napięcia prądu przepływającego przez kompozyt pozostający w kontakcie ze specyficznym czynnikiem zewnętrznym który oddziałuje przez osnowę kompozytu, powodując powstawanie/ przerywanie nowych ścieżek elektroprzewodzących materiału napełniacza ( zjawisko perkolacji czyli formowania się ciągłych ścieżek jednego czynnika w środowisku innego), co objawia się spadkiem/ wzrostem rezystancji kompozytu.

Właściwości:

Kompozyty tego typu umożliwiają nieinwazyjne diagnozowanie węzłów kinematycznych, zwłaszcza w układach gdzie nie ma możliwości użycia standardowych czujników np. ze względu na brak dostępu do obiektu czy miniaturyzację systemu. Spełniają one także podwójna rolę: warstwy ślizgowej i czujnika obciążeń cieplnych oraz nacisku węzła tarcia.

Materiały funkcjonalne to materiały które wykazują zdolność do zmiany swoich właściwości lub kształtu pod wpływem zewnętrznego oddziaływania (ogrzewania , nacisku, pola elektrycznego lub magnetycznego).
Materiały funkcjonalne:
-Stopy metali i tworzywa sztuczne z pamięcią kształtu
-Materiały magnetostrykcyjne
-Ciecze elektro i magnetoreologiczne
-Materiały rezystywne i piezoelektryczne

Znajdują one zastosowanie w układach zbierania informacji, jej przetwarzania i kontroli i są ważne dla rozwoju nowoczesnej robotyki i mikroelektroniki.

Magnetostrykcyjne zjawisko to powstawanie odkształceń w ferromagnetykach pod wpływem pola magnetycznego. Zmiana rozmiarów pod wpływem pola magnetycznego może mieć charakter liniowy lub objętościowy. Efekt magnetostrykcji jest wykorzystywany m. in. w generatorach ultradźwięków. Zjawisko odwrotne wykorzystuje się w precyzyjnych czujnikach ciśnienia i naprężenie

Efekt piezoelektryczny to zjawisko generowania potencjału elektrycznego przez elementy poddawane mechanicznemu ściskaniu lub rozciąganiu, lub na odwrót zmiany wymiarów tych elementów na skutek przykładania do nich potencjału elektrycznego. Zjawisko to jest odwracalne. Wielkość potencjału wytworzonego w ten sposób jest wprost proporcjonalna do wielkości przyłożonej siły. Własności piezoelektryczne wykazują kryształy należące do 20 różnych klas symetrii. Najczęściej jednak używane są płytki wycięte z kryształów kwarcu.

Efekt piezorezystancyjny – zjawisko fizyczne polegające na zmianie rezystancji elektrycznej materiału pod wpływem działającej siły mechanicznej. Efekt piezo rezystywny różni się od efektu piezoelektrycznego tym, że występuje jedynie zmiana rezystancji, nie powstaje żadna siła elektromotoryczna SEM. Efekt piezorezystancyjny w półprzewodnikach może być nawet kilkakrotnie większy niż w metalach

7. Ciecze magnetyczne

1. Budowa cieczy magnetycznych

Jest ona koloidalną zawiesiną cząstek o bardzo małych rozmiarach rzędu 10 nm
(nanometrów). Typowa ciecz składa się z około 85% bazy nośnej, 10%
surfaktantu, 5% cząstek magnetycznych. Bazą nośną może być olej mineralny, syntetyczny, woda, oleje na bazie sylikonu itp. Dobiera się ją w zależności od zastosowania. Jest to element magnetycznie obojętny. Surfaktant jest czynnikiem powierzchniowo-aktywnym, mającym za zadanie zapobieganiu łączeniu się cząstek magnetycznych. Cząstki magnetyczne wykonane są z materiałów magnetycznych. Najczęściej stosowanym jest magnetyt Fe3O4. Nie ulegają sedymentacji pod wpływem pola grawitacyjnego. Ruchy Browna i ruchy termiczne zapewniają jednolitą zawiesinę.

2. Właściwości:

Ferrociecz utrzymywana jest siłami pola magnetycznego. Własność ta pozwala na wykorzystanie jej w uszczelnieniach, głośnikach, słuchawkach akustycznych, tłumikach drgań i wielu innych zastosowaniach. Ciecz może przybierać przestrzenne kształty pola magnetycznego, które przenika przez nią. Co może pomagać w wizualizacji linii magnetycznych przebiegających przez badany obiekt lub wykorzystywane w celach artystycznych,

Ciecz magnetyczna zmienia swoją lepkość w zależności od zmiany natężenia pola magnetycznego. Ze względu jednak na niską wartość magnetyzacji zakres sterowalności jest ograniczony w porównaniu do cieczy magnetoreologicznych (ciecze o większych cząstkach i ich udziale objętościowym w porównaniu do ferrocieczy)

Lepkość

Lepkość (inaczej tarcie wewnętrzne) jest to cecha płynów, przejawiająca się pojawieniem siły lepkości

Dla wszystkich cieczy w ruchu, cząstki pozostają między sobą w ruchu względnym, procesowi temu towarzyszy wewnętrzne tarcie. Dla cieczy opór ten można określić poprzez parametr lepkości dynamicznej η.

- lepkość dynamiczna

-lepkość kinematyczna, ρ - gęstość cieczy

8. CERAMIKA + KOMPOZYTY CERAMICZNE

Właściwości:
-odporność na działanie wysokiej temperatury do 2000 K
-niska gęstość
-przewodnictwo cieplne
-wysoka odporność na ścieranie
-odporność na utlenianie
-duży opór elektryczny
-duża twardość i sztywność
-wysoka temperatura topnienia
-kruchość
-(wysoki moduł Younga)
-mała wytrzymałość na rozciąganie
-mała wytrzymałość na nagłe obciążenia
-mała odporność na zmiany temperatury
-mała odporność na drgania mechaniczne

Zastosowanie:
Materiały budowalne:
-Cegły
-Pustaki
-Beton
-Gips
-Płytki ceramiczne
Materiały hutnicze
Okładziny pieców
Materiały dla elektroniki:
Izolatory
Kondensatory
Magnesy ferrytowe
Elementy piezoelektryczne

Wyroby elektrotermiczne

Specjalistyczne zastosowanie(głównie kompozyty ceramiczne):Gniazda zaworów silników spalinowych

-Elementy turbin gazowych (stojany rotory)
-Narzędzia skrawające (płytki)
-Wojskowe - kamizelki, pancerze czołgów
-Lotnicze - osłony radarów, dysze rakiet
-Maszyny mielące - kule do mielenia, wykładziny młynów
-Rolnictwo
-Wymienniki ciepła
-Dawniej w protezach i endoprotezach
-Łożyska ceramiczne (kulki, czasami bieżnie ceramiczne)

Współczynnik intensywności naprężeń

Podstawowe równanie mechaniki pękania definiuje nam relację pomiędzy wytrzymałością, a odpornością na kruche pękanie według zależności:

lub równoważnej:

gdzie:

Kic - współczynnik odporności na kruche pękanie
- wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie
katastroficzne
a_c - krytyczna długość pęknięcia zapoczątkowującego pękanie katastroficzne (wada krytyczna).

Metody pomiaru:

• Vickersa

• Brinella

• Rockwella

• Irwina

• H.C. Soo i I.M. Daniela,

• Metoda kaustyk

Kompozyty ziarniste

Kompozyty ziarniste - lub tez kompozyty o osnowie ceramicznej - to kompozyty o kruchej osnowie ceramicznej (Al203, SiC…), w której rozprowadzone są ziarna również kruchej, drugiej fazy ceramicznej o wymiarach mikro i nanometrów.

Charakteryzują się podwyższoną wytrzymałością i odpornością na kruche pękanie w porównaniu z jednofazowymi.

Na Rysunek 1 przedstawione są typy możliwych mikrostruktur kompozytów ziarnistych. W zależności od uzyskanej mikrostruktury poprawa właściwości dotyczyć może wszystkich wymienionych wcześniej jego cech mechanicznych lub tylko niektórych z nich.

typ mikro-nano typ miki o-miki o

wariant intra- wariant inter- wariant inter-intra lub nano-nano

Rys. 1. Schematyczne typy kompozytów ziarnistych - klasyfikacja podkreśla relację pomiędzy wielkościami i wzajemnym ułożeniem ziaren osnowy (kolor biały) i wtrąceń (kolory szare).

Zasadniczym powodem wytwarzania kompozytów ceramicznych jest zwiększenie odporności na pękanie. Ceramika wykazuje wytrzymałość na ściskanie prawie 15-krotnie większą niż na rozciąganie. Dlatego też umownym wskaźnikiem wytrzymałości ceramiki jest umowna wytrzymałość na zginanie. Wprowadzenie zbrojenia do osnowy ceramicznej powoduje umocnienie. Związane jest ono z absorbowaniem energii np. w wyniku zmiany kierunku powiększenia się pęknięcia, utraty powiązania zbrojenia z osnową, pękania zbrojenia.

Wady podczas wytwarzania
Wytwarzając materiał składający się z dwu- (lub większej ilości) faz należy liczyć się z faktem wprowadzenia do niego, podczas spiekania, naprężeń resztkowych wynikających z różnicy we współczynnikach rozszerzalności cieplnej (a) faz składowych. W czasie studzenia po spiekaniu materiału kompozytowego, różne jego fazy składowe kurczą się w różnych stopniu. Zachowanie spójności materiału powoduje powstawanie naprężeń, których wartości sięgają czasami setek MPa. Może to prowadzić nawet do powstawania pęknięć w kompozycie.

Badania właściwości mechanicznych materiałów ceramicznych
Vickers, Brinell, Rockwell – do badania twardości
Badanie wytrzymałości na zginanie - z reguły trójpunktowe podparcie próbki okrągłej, siła
przyłożona centralnie (w osi). Badanie wytrzymałości na ścieranie - próbka skojarzona z innym materiałem lub też materiałem ceramicznym - tutaj prawie pełna dowolność, zależy w jakim skojarzeniu interesuje nas rezultat