W-2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW. MATERIAŁY INŻYNIERSKIE są wytwarzane przez człowieka z surowców:

Transkrypt

1 W-2. KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW MATERIAŁY INŻYNIERSKIE są wytwarzane przez człowieka z surowców: METALE POLIMERY KOMPOZYTY CERAMIKA Podstawą przedstawionej klasyfikacji materiałów są rodzaje wiązań, jakie występują pomiędzy atomami - a te z kolei wynikają z budowy elektronowej atomów pierwiastków tworzących materiał. METALE Definicja chemiczna Metale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą wodorotlenki (zasady) Na 2 O H 2 O 2NaOH MgO H 2 O Mg(OH) 2 Sód i magnez są więc metalami Niemetale to pierwiastki, których tlenki w połączeniu z wodą tworzą kwasy Siarka jest niemetalem SO 3 H 2 O H 2 SO 4 Z punktu widzenia materiałoznawstwa za metal uważa się o zbiór atomów o szczególnej budowie elektronowej, wykazujących w stanie stałym uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci sieci krystalicznej. Siły wiążące występujące pomiędzy atomami metali wynikają z wiązania metalicznego, które decyduje o szczególnych właściwościach metali. Podsumujmy, w definicji metali wyróżniamy cztery elementy : a) szczególną budowę elektronową atomów tworzących metal, b) siły wiążące atomy (wiązanie metaliczne), c) uporządkowane rozmieszczenie atomów w przestrzeni w postaci sieci krystalicznej, d) własności stanu metalicznego.

2 Szczególna budowa elektronowa atomów metali: na ostatniej nie zapełnionej powłoce występuje 1 bądź 2 elektrony walencyjne, a w wyjątkowych przypadkach 3 a nawet 4 elektrony, rozbudowywana jest powłoka d lub f, Atomy pierwiastków metalicznych są więc elektrododatnie. W przeciwieństwie niemetale są to pierwiastki elektroujemne i obojętne. Niektóre z nich występują w grupach IIIa i IVa a wszystkie pozostałe w grupach od Va do VIIIa. Siły występujące pomiędzy atomami pierwiastków metalicznych są wynikiem elektrostatycznego oddziaływania pomiędzy dodatnio naładowanymi rdzeniami atomowymi a ujemnie naładowanymi elektronami swobodnymi (gazem elektronowym). Model wiązania metalicznego

3 Sieć krystaliczna metali Metale w stanie stałym wykazują uporządkowane rozmieszczenie w przestrzeni w postaci tzw. sieci krystalicznej (sieci przestrzennej). Do opisu uporządkowania atomów, położenia ich w przestrzeni przyjmuje się układ przestrzenny trzech osi: x, y, z. Początek układu lokalizuje się w dowolnym węźle, czyli środku dowolnego atomu wchodzącego w zbiór tworzący rozpatrywany metal (kryształ). Osie układu przechodzą przez środki najbliżej położonych atomów w ten sposób, aby kąt pomiędzy osiami był prosty lub rozwarty. Powtarzające się odległości punktów na osiach, które reprezentują środki atomów, nazywamy translacjami (periodami identyczności) i oznaczamy odcinkami a, b, c. Y Y X X Model płaski sieci krystalicznej Układ krystalograficzny Z c β c α b b Y X a γ Translacje: a na osi x, b na osi y, c na osi z oraz kąty: γ między osiami x i y, β między osiami x i z, α między osiami y i z wyznaczają układ krystalograficzny.

4 W zależności od symetrii kryształu (środka, osi i płaszczyzny symetrii) rozróżnia się 7 układów krystalograficznych. Największym stopniem symetrii charakteryzują się kryształy należące do układu regularnego (sześciennego). Układ krystalograficzny Regularny Tetragonalny Parametry układu Typ komórki elementarnej Symbol komórki a = b = c α = β = γ = 90 0 a = b c α = β = γ = 90 0 prymitywna przestrzennie centrowana ściennie centrowana prymitywna przestrzennie centrowana Heksagonalny a = b c α = β = 90 0, zwarcie wypełniona Zw γ = Romboedryczny a = b = c (trygonalny) α = β = γ 90 0 prymitywna P Rombowy Jednoskośny Trójskośny a b c α = β = γ = 90 0 a b c α = β = 90 0 γ prymitywna przestrzennie centrowana ściennie centrowana centrowana na podstawach prymitywna centrowana na podstawach a b c α β γ 90 0 prymitywna P P J F P J P J F C P, C

5 Komórki elementarne mogą być prymitywne, przestrzennie centrowane, płasko (ściennie) centrowane i centrowane na podstawach. Sieć krystaliczną wyznaczają komórki elementarne utworzone przez powtarzający się układ atomów w przestrzeni. Własności metali (stanu metalicznego): nieprzezroczystość, połysk metaliczny, plastyczność, dobrą przewodność cieplną i elektryczną, ujemny temperaturowy współczynnik przewodności elektrycznej.

6 Przykłady metali: potas, tytan, żelazo, miedź, stal, itd, Przykłady niemetali: grafit, krzem, german. Metale jako materiały inżynierskie uzyskuje się w procesie metalurgicznym. POLIMERY (tworzywa sztuczne lub plastyki), są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków C z H oraz innych pierwiastków niemetalicznych, jak: N, O, F, Si. Polimery, będące makrocząsteczkami, powstają w wyniku łączenia się prostych cząsteczek, tzw. monomerów w łańcuchy za pomocą wiązań kowalencyjnych (atomowych). Własności polimerów: mała gęstość, nie przewodzą prądu elektrycznego, słabo przewodzą ciepło, brak połysku, zwykle są przezroczyste. mer monomer Fragment prostoliniowego łańcucha polietylenu cały łańcuch może zawierać ok jednostek monomerycznych.

7 W skład polimerów wchodzą dodatki: barwniki, kotalizatory, napełniacze, zmiękczacze, antyutleniacze i inne. W zależności od składu podstawowej jednostki monomerycznej rozróżnia się następujące rodzaje polimerów: Podstawowa jednostka monomeryczna H Cl H CH 3 H C 6 H 5 F F F F H I - C - O - I H H C 6 H 5 Rodzaj polimeru Polietylen Polichlorek winylu Polipropylen Polistyren Teflon Poliformaldehyd Kopolimer: styren butadien Zastosowanie butelki, folie wykładziny podłogowe, tkaniny, powłoki folie, rury, pokrycia pojemniki, pianki produkty chemiczne, uszczelnienia, łożyska, pieczęcie twarde produkty, łożyska opony, listwy

8 Podział polimerów: PLASTOMERY Polimery, które w momencie zerwania osiągają wydłużenie trwałe ok. 200%. Dzielą się na: 1. polimery termoplastyczne (termoplasty), które po nagrzaniu stają się plastyczne, a po ochłodzeniu twardnieją. Należą do nich: polietylen, polipropylen, polichlorek winylu, polistyren, poliamidy, poliwęglany, poliestry, kopolimery: etylen propylen, etylen winyl, terpolimer: akrylonikryl-butadien styren ABS. 2. polimery utwardzalne (duroplasty) 2.1.termoutwardzalne utwardzają się po nagrzaniu. Należą do nich fenoplasty i aminoplasty Chemoutwardzalne utwardzają się pod wpływem utwardzaczy, jak np. żywice poliestrowe i epoksydowe. ELASTOMERY Polimery, które są skłonne do dużych odkształceń sprężystych. Po rozerwaniu wykazują niewielkie odkształcenia trwałe. Do elastomerów zaliczają się wszystkie rodzaje kauczuku, poliizobutylen, niekiedy polietylen i niektóre odmiany zmiękczonego polichlorku winylu. Elastomery mają zastosowanie do wyrobu opon, uszczelnień, węży, pasów, amortyzatorów, spodów obuwia itp. Materiały ceramiczne Są to materiały nieorganiczne, wytwarzane w wysokotemperaturowych procesach z udziałem metali i niemetali (C, N, O, S, P). Pomiędzy składnikami przebiegają nieodwracalne reakcje chemiczne. Klasyfikacja materiałów ceramicznych: ceramika inżynierska, cermetale, ceramika porowata, szkła, ceramika szklana. Ceramika inżynierska Ceramika inżynierska zwana również ceramiką drobnoziarnistą, wytwarzana jest w wyniku spiekania w wysokiej temperaturze (bez udziału fazy ciekłej) bardzo czystych związków, jak: tlenki (glinu, cyrkonu), węgliki (wolframu, tytanu, krzemu), azotki (boru, tytanu, krzemu), diament.

9 Zastosowanie ceramiki inżynierskiej: Przemysł samochodowy i lotniczy: elementy turbin, osłony termiczne i uszczelnienia, elementy osłony termicznej promów kosmicznych. Wytwarzanie: narzędzia skrawające, elementy maszyn narażone na ścieranie i korozję, ceramika szklana, włókna optyczne, światłowody. Elektronika: półprzewodniki, izolatory, nadprzewodniki, lasery, dielektryki. Wysoka temperatura: produkty ogniotrwałe, elementy grzewcze, elementy pieców, armatura instalacyjna. Medycyna: osprzęt laboratoryjny, protezy, materiały stomatologiczne. Cermetale Są złożone z drobnych cząstek krystalicznych węglików lub azotków zatopionych w osnowie metalicznej stanowiącej lepiszcze o udziale masowym ok. 10%. Materiały te zaliczane są również do kompozytów. Cermetale wytwarza się metodami metalurgii proszków gdyż podlegają spiekaniu w temperaturze niższej od temperatury topnienia każdego ze składników. Ceramika porowata W skład ceramiki porowatej wchodzą składniki krystaliczne (Al 2 O 3, SiO 2 ) otoczone fazą szklistą utworzoną głównie z gliny, krzemionki, kwarcu, skalenia lub kaolinu. Ceramikę porowatą stanowią masowo produkowane materiały budowlane, jak: cegła, dachówka, płytki podłogowe, glazura, materiały ogniotrwałe stosowane do budowy pieców przemysłowych i grzewczych, materiały stosowane w technice sanitarnej jak kamionka oraz porcelana. Po wypaleniu i odprowadzeniu wody ceramika charakteryzuje się około 10% porowatością. Szkła Pomimo przewagi struktury bezpostaciowej nad krystaliczną szkła zalicza się do materiałów ceramicznych. Podstawowymi składnikami szkła są tlenki kwasowe SiO 2, B 2 O 3, P 2 O 5, tlenki arsenu, siarka, selen i fluorek ołowiu. W skład szkła wchodzą również tlenki zasadowe Na 2 O, K 2 O MgO, CaO. Trzecią grupę składników szkła stanowią tlenki pośrednie, jak glinu i berylu, które nie mogą samodzielnie utworzyć sieci przestrzennej szkła. Ceramika szklana Uzyskuje się przez krystalizację (odszklenie) masy szklanej do postaci bardzo drobnokrystalicznej, bez porowatości, z pozostałością nie więcej niż 2% fazy szklistej. Krystalizację masy przeprowadza się na zarodkach Cu, Ag lub Au pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Inną metodą uzyskiwania ceramiki szklanej jest wprowadzenie katalizatorów, np. platynowców lub tlenku tytanu i stosowanie w miejsce napromieniowywania obróbki cieplnej. Ceramika szklana cechuje się wysoką odpornością na udary cieplne i wysoką żarowytrzymałością.