Nadprzewodnictwo zjaw.polegające na znikaniu oporu prądu w szczeg. warunkach(niskie temp.) w określonych rodzajach przewodników przy równoczesnym występowaniu diamagnetyzmu ( lewitacja magnetyczna) Temp. Krytyczna - przy niej pojawia się nadprzewodnictwo dla danej subst. B. niskie i ciężko je osiągnąć (np. chłodząc ciekłym azotem)Rodzaje: niskotemp. (poniżej T=30K,czyste metale i stopy metaliczne) i wysokotemp. (powyżej T=30K,materiały tlenkowe (ceramiki), będące nadprzew. II rodzaju). Pierw.nadprzew.: Al,In,Sn,Hg,Te,V,Pb,Nb; Stopy metali:V2Si,N2Al, Nb3Sn,Nb3Ge; Organiczne nadprzew.
Zastosowania: kable, przewody, systemy przeciwzwarciowe, aparatura do elektrolizy, łożyska nadprzewodzące, silne magnesy, supertrony, synchrotron elektronowy
Zalety: brak oporności podczas przepływu prądu, nieograniczone czerpanie energii elektrycznej, bezstratność; Wady: konieczność utrzymywania niskiej temp., koszty chłodzenia. Ograniczona możliwość wykorzystania w przemyśle, tanie nadprzewodniki są nietrwałe.
Metale i stopy. Metale maja strukture krystaliczna, At.ułożone periodycznie w stałych odległościach. Szkło metaliczne: ”twarde jak stal, sprężyste jak kauczuk”, są metalami, ale nie mają bud. krystalicznej, stopy amorficzne (dwu- lub wieloskładnikowe), otrzymywanie przez b.szybkie chłodzenie cieszy o odpowiednio dobranym składzie. 1 szkło metaliczne: (Duwez i Caltech 1960r) Au90Si20, szybkość chłodzenia 106K/s, Grubośc 10um. Grube szkło met. (Chen i Turubull 1970r) sz.chł. 102-103K/s. Grub.1mm. Stal-szkło: zaw Fe, C, Mn, nie ma włas. magnetycznych. Własności: elastyczność 9x większa niż st.met.; 2x wieksza twardość od Ti i stali, 3xwieksza plastyczność, małe straty na przemagnesowanie.
Zastosowania: ostrza, instrumenty muz., węże, rury, pasy, wykładziny, narty, rakiety tenisowe, implanty ortopedyczne
Metalurgia. M. klasyczna: metalurgia żelaza, stali. Podstawowa operacja: wytop metali. Zalety: efektywność, duża szybkość procesów, wysoka wydajność instalacji (pieców), prostotaoperacji technologicznych; Wady: skuteczne tylko w odniesieniu do bogatych surowców, energochłonność, zagrożenie środowiska (żużel, pył, gazy) M. chemiczna: wyodrębnianie metali niezależnych (Cu,Ni, Co,Cr,Zn,Al,Mg), szlachetnych(Ag,Au,Platynowce) i rzadkich(Li,Rb,Cs,Ti,Zr,Hf,V,Nb,Ta,Mo,W,Pt,Ga,In) z surowców naturalnych, wtórnych oraz odpadanych i rafinarów. Pirometalurgia: m.proszków, temp: szybkość reakcji, stopione met., lub lotne zw met. jako produkty. Miedzi: Cu2S(chalkozyn), CuFeS2(chalkopiryt), Technologie: Piec szybowy: s1 CuFeS2=CuS+FeS; Cu5FeS4= 2Cu2S+CuS+FeS. s2: 2CuS=Cu2S+S, 4CuFeS2=2Cu2S4+4FeS+2S; Konwertory: -usuwanie Fe (utlenianie wobec SiO2) -utlenianie siarki. Elektrometalurgia: pod wpływem prądu elektrycznego. Metalurgia Na/K - elektroliza stopionych soli/zasad. Elektrorafinacja: (Cu, Ag, Zn, Pb) Anoda: metal surowy zanieczyszczony (Me=Men++Ne) Katoda (Men++ne= Me)-czysty rzadki metal (99,99%). Hydrometalurgia:zastosowanie r-rów wodnych wybranych odczyn. chem. I wydzielenie metali z r-ru. Zalety: selektywność, niskie temp., wysoki stopień wydzielania metali użytecznych, kompleksowość, mała wrażliwość na zmiany składu surowca. Wady: wymogi: wysoka kultura tech. personelu, wysoka odporność urządzeń na korozję; mała szybkość procesów, toksyczność niektórych reagentów. Ługowanie: perkolacyjne: (w złożu, na hałdzie, w kadziach) z mieszaniem (spiekanie, ciśnieniowe, zawiesinowe). Biometalurgia mikroorganizmy w ługowaniu (bakterie, grzyby).
Materiały ceramiczne Są ta materiały nieorganiczne, w których występuje wiązanie kowalencyjne i jonowe. Ceramika tradycyjna: surowiec- glina- glinokrzemiany - po na daniu kształtu wypalanie w wysokich temp. Nowe materiały: układy tlenków, grafit, cement (wapienie, krzemionka, tlenek glinu), beton (cement+kruszywa), szkło (mieszaniny tlenków), dedytryfikaty (szklano-ceramiczne). Struktury ceramiki: - ładunki elektryczne jonów, - względne wielkości kationów i anionów(kat. mniejsze niż an. i występują w miejscach między- węzłowych) (np. SiO4-) Powstawanie krzemionki z kwarcu (gnejs, ametyst, granit, piaskowiec): kwarc a (573oC) kwarc b(870oC) trydnit(1470oC)krystobalit(1710oC)SiO2. 3-4 mole SiO2+1 mol Na2CO3szkło sodowe(woda, p, T) szkło wodne. Ciało krystaliczne: konkretna temp. topnienia. Ciało szkliste: ciecz przechodnia - lepkość wzrasta z temp. Krzemiany proste: forsteryt (Mg2SiO4), akermanit (Ca2MgSi2O7) Krzemiany warstwowe: glina kaolinitowa (Al2(Si2O5)(OH)4), talk (Mg3(Si2O5)2(OH)2), mika potasowa (KAl3Si3O10(OH)2). Porcelana twarda: sub. ilasta 40-60%, skaleń 20-30%, kwarc 20-30%,temp.wyp.1350-1410oC, Porcelana miękka: sub. Ilasta 15-40%, skaleń do 40%, kwarc 20-30%, temp wyp. 1250-1300oC. Porcelana sanitarna: pokrywa się białym szkliwem. Fajans: bała barwa, słaba wytrzymałość mechaniczna (gliniasty, wapniowy, skaleniowy). Półporcelany: kremowa barwa, nieprześwietleniowy, tańsza od porcelany, bo niższa temp wyp.
Nowe odmiany ceramik: tlenkowa (metoda nieplastyczna, tlenek Al., tlenek Mg, tlenek Be, tlenek Zr, bez dodatków - materiały izolacyjne) azotkowa (azotek B, azotek Al., azotek Si, np. sialon) węglikowa (węglik krzemu).
Kompozyty i proszki. Kompozyty tworzywa składające się z dwóch lub więcej faz o własnościach nieosiągalnych w żadnym innym materiale. Najbardziej znane: beton, eternit, szkło zbrojone siatką metalową, węgliki spiekane, cermetale. Materiał kompozytowy - struktura niejednorodna, złożony z 2 lub więcej komponentów (faz) o różnych właściwościach (które nie są sumą właściwości jego składników)lepiszcze (osnowa)- gwarantuje spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, komponent konstrukcyjny (zbrojenie)- właściwości mechaniczne. Np. chińska laka, drewniana sklejka. Kompozyty dyspersyjne - umacniane cząsteczkami, włókniste umacniane włóknami (ciętymi lub ciągłymi). Zbrojenie: postać proszku lub włókien. Dodane w dużej ilości, oddziałuje fizycznie na osnowę. Osnowa: najczęściej polimer lub metal (Ti, Al., Cu) lub ceramika (Al2O3). funkcje: utrzymuje razem zbrojenie, wytrzymałość na ściskanie, przenosi naprężenie zew. na zbrojenie, zatrzymuje pęknięcia, nadaje kształt. Podział ze względu na osnowę: metalowe (osn. ze stopu metali lekkich, ze stopu srebra i miedzi, ze stopu niklu, ze stopu ołowiu i cynku) polimerowe (żywice termoutwardzalne: fenoplasty i aminoplasty, chemiutwardzalne - silikony, tworzywa termoplastyczne) ceramiczne (cement, gips, m. hutnicze- ogniotrwałe) Inny podział: strukturalne( ciągłe struktury zbrojeń- warstwy, pręty, struktury 3-wymairowe) laminaty (włokna zanurzone w lepiszczach: taśmy kompozytowe, maty kompozytowe, nieuporządkowane) mikrokompozyty i nanokompozyty (zorganizo- wane na poziomie nadcząsteczkowym) strukturalne stopy (metali, metali z niemetalami, polimerów, np. duraluminium, stal damasceńska). Nanoproszki: powstają metodą kondensacyjną- w skutek agregacji molekuł rozpuszczonych w fazie ciekłej lub gazowej. Zalety:- uzyskanie monodyspersyjnych sferycznych cząstek o najwyższej czystości, Wada: małą wydajność
Cienkie warstwy, folie, powłoki. Fotolitografia- zajmuje się produkcją cienkich warstw. - służy do sporządzania, produkcji scalonych obwodów - warstwy nakładane na okłady silikonowe.: umycie pow.silikonowej, fotoresist- warstwa światłoczuła, wrażliwa na promieniowanie fotomagnetyczne. Rodzaje fotoresistów: negatywowy (pod wpływem UV mięknie), positywowy (pod wpływem UV twardnieje). Depozycje filmów : fizyczna: przez odparowanie i sputtering ( metoda napylania) - fizyczne osadzanie się, chemiczna: dostarczamy gaz, dociera na powierzchnie, zachodzi reakcja, powstaje osad. Wyroby lakierowe: farby, lakiery, emalie, lazury, impregnaty. Folie: materiały polimerowe (poilstylen, PCV). Budowlane (dachowe, przeciwwilgociowe, paro- i wodoroszczelne). Cienkie warstwy: monowarstwy samoorganizujące się (istnieje więź między położeniem a materiałem- oddziaływania van der Waalsa albo wiąz.chem.)w zależności od ułożenia ciekawe właściwości.
Włókna naturalne i syntetyczne. Włókna: podstawowa jednostka struktury wielu materiałów, charakteryzuje się znaczna długością i niewielkim przekrojem (100X dłuższe niż szerokie) występują w mat. naturalnych jak i produkowanych przez człowieka. Naturalne: pochodzenia roślinnego (celulozowe - len, bawełna, konopie, pokrzywa, drewno), pochodzenia zwierzęcego (białkowe - jedwab, wełna, sierść i włosy) Sztuczne oparte na celulozie, np. octan celulozy - odporny na zarysowanie, wł. izolacyjne, antystatyczne, trudnopalny.
Po chemicznym wzbogaceniu: Syntetyczne (oparte na polimerach: nylon (poliamid, duza wytrzymałość na rozciąganiei łatwo daje się barwić Tkanina: wyrób płaski powstający przez splecienie prostopadłych układów nitek osnowy i wątku. Dzianina: wyrób płaski powstający przez tworzenie rządków lub słupków połączonych oczek- jest b. elastyczna i rozciągliwa w różnych kierunkach), aramidy, w. poliakrylonitrylowe - elana, w. poliuretanowe - lycra) Szklane chemicznie otrzymywane ze szkła wodnego lub stopionego szkła: grube: nieciągłe o śr 5-30um, ciągłe - śr 3-13um w postaci przędzy, tkanych i dzianych wyrobów (złączone bez skrętu) supercienkie: 1-3 um. Aramidy - duża wytrzymałość wysoki moduł sztywności, w formie cienkich folii. Poliestry: bardziej kruche, twarde, trudniej topliwe, tendencja do tworzenia fazy krystalicznej.
Biomateriały. Można produkować urzadzenia i elementy mające bezpośredni kontakt z tkankami organizmu. Biozgodność czyli brak toksyczności oraz minimalne oddziaływania na system immunologiczny. Najcześciej stosowane: polimery syntetyczne, polimery półsyntetyczne, m. ceramiczne, niektóre metale i ich stopy, Bio-Oss: m. pochodzący z tkanki kostnej (kości wołowej;) struktura zbliżona do tk. ludzkiej (wygrzewanie 15h w T>300oC, 4h w r-rze o pH=13, sterylizacja) Użycie: implanty, pokrycie powierzchni urządzeń wszczepionych do org. lub o długim kontakcie z org., odbudowa kości , rekonstrukcja wyrostka, podnoszenie zatoki szczękowej itp. Biodegradacja: biochemiczny rozkład zw org. przez organizmy żywe (bakterie, pierwotniaki, grzyby, glony, robaki, promienice) odnosi się do sub. szkodliwych (pestycydów). Zastosowanie: oczyszczalnie ścieków, stawy biologiczne, produkcja biogazów, biomasy. Wykorzystanie s. wt: płyty dymnicowe i żużel, makulatury, szmaty, złom szklany, metalowy, tworzywa sztuczne i gumy. Denitryfikacja - proces redukcji azotanu w azot (g). (heterotroficzna - pseudomonas donitrificans; autotroficzna: siarkowo-wapniowa - thiobacillus denitrificans, utleniająca wodór - pseudomonas maltophilia). Resorpcja: wchłonienie zwrotne. Recykling: system wielokrotnego wykorzystania tych samych materiałów, system organizacji obiegu materiałów. (ponowne zastosowanie, dalsze zastosowanie, ponowne zużytkowanie)
Polimery - produkcja oparta na ropie lub gazie ziemnym. Duża masa cząsteczkowa, zbudowane z wielokrotnie powtarzających się jednostek - mery. Dzielą się na: oligomery (lakiery, kleje, kompozyty, hermetyki) i zw wielkocząsteczkowe (1.plastomery: plastomery, tworzywa nienapełnione, tworzywa zbrojne, tworzyw komórkowate; 2. elastomery: termoplastyczne=elastoplasty, sieciowane=wulkanizowa- ne 3. włókna) Dlaczego popularne: dostępność surowca, niewielkie zużycie energii do przetwórstwa (3-5x mniejsze), wyższa wydajność przetwórstwa (2-10x większa), małe nakłady pracy ręcznej (5-8x mniejsze) duży stopień automatyzacji (2,5-4 razy większy), małe zużycie płynów technologicznych. Rodzaje polireakcji: polimeryza- cja łańcuchowa ( tylko monomery przyłączają się do aktywnego centrum w rosnącej cząstce), polikondensacja (produkty uboczne), poliaddycja (brak pr. ub.).
Otrzymywanie nanokompozytów: modyfikacja (organofilizacja montmorylonitu), agranofilizacja glinokrzemianu, zwiększenie przestrzeni międzypłaszczyznowych glinokrzemianu
Światłowody medium transmisyjne stanowiące czyste szklane włókno kwarcowe, otoczone nieprzezroczystym płaszczem (czyste szkło majśce niższy współczynnik załamania niż rdzeń) wokół centralnie położonego rdzenia. Wynalezione przez Wiliama Wheel. Schemat systemu światłowodowego: światłowód, elektryczny sygnał wejściowy, źródło światła, szum, detektor światła, elektryczny sygnał wyjściowy. Podstawowe cechy transmisji światłowodowej: szybkość (nośnikiem inf. jest światło), zasięg, mody światłowodu(w falowodzie lub rezonatorze to jedna z dopuszczalnych struktur pola elektromagnetycznego). Światłowody specjalne: aktywne (erbowe), polaryzacyjne, cieczowe. Zastosowanie: w telekomunikacji, sieci komputerowej, czujnikach. Klasyfikacja: włókniste i planarne, charakterystyka modowa: jednodomowe, wielomodowe (śr rdzenia 50um, płaszcza 125um); rozkład wspołcz. załam. W rdzeniu: skokowe o gradientowe; materiał: szklane, plastikowe, półprzewodnikowe; zastosowania: pasywne, aktywne, specjalne. 10 zalet włókna św.: ogromna pojemność organizacyjna pojedynczego włókna, małe straty, mała waga, małe wymiary, bezpieczeństwo pracy (brak iskrzenia), utrudniony podsłuch, względnie niskie koszty, duża niezawodność prostota obsługi, całkowita niewrażliwość na zakłócenia i przesłuchy e-m. Metody wytwarzania: podwójnego tygla, zewnętrznego osadzania szkła, wewnętrznego osadzania szkła, pionowego osadzania szkła.
Materiały molekularne. Ogromna różnorodność, możliwość modyfikacji właściwości i dostosowania do potrzeb, cząsteczki: nanometrowe- el. ukl. nanotechnologicznych. Materiały niskomolekularne, polimery, monokryształy, m. polikrystaliczne, m. amorficzne, wltracienkie uporządkowane warstwy molekularne, materiały ciekłokrystaliczne. Klasyfikacja kryształów: kowalencyjne(diament), jonowe, molekularne. Obecne zastosowania: ciekłe kryształy, elektrety i polimery polarne, niskomolekularne i polimerowe materiały półprzewodzące, fotonika, elektronika organiczna, sensory i przetworniki. Zalety: relatywnie niskie ceny przy odpowiedniej skali produkcji, latwa modyfikacja właściwości metodami chemicznymi, możliwośc stosowania technologii mokrych i niskotemperaturowych. Wady: niewielka odporność na utlenienie i działanie wody, niewielka odporność na wysokie temp. Właściwości: niska przewodność elektryczna (dielektryki lub półprzewodniki) Zastosowania: ogniwa fotowoltaiczne, organiczne cienkowarstwowe tranzystory polowe, diody elektroluminescencyjne
Ciekłe kryształy. Systematyka: Termotropowe: poprez ogrzewanie stałych kryształów - przechodzą w stan mezofazy i dopiero w ciecz izotropową. Liotropowe: rozpuszczenie cząsteczek mających tendencję do tworzenia metafazy w odpowiednim rozpuszczalniku. Fazy: termotropowe: nematyczna (N), smektyczna (S) (s. cieczopodobne, s. kryształopodobne; ortogonalne i pochylone), kolumnowa (D) (heksagonalna, rombowa, kwadratowa), cholesterolowa(N*). Liotropowe: w roztworach rozcieńczonych (sześcienne, nieciągłe), w r-rach średnio stężonych (nematyczne, heksagonalne, sześcienne, lamelarne) w r-rach stężonych (odwrócone: sześcienne, lamelarne, heksagonalne). Zastosowania: wyświetlacze, pamięć masowa do komputerów, optoelektronika, termometry bezrtęciowe, indykatory temp., dodatki do farb i emulsji.