Charakterystyka strukturalna materiałów. Metale, ceramika, polimery, kompozyty.
WSTĘP TEORETYCZNY.
Materiał to wszystkie substancje, z których wykonano przedmioty materialne.
Materiałami w pojęciu technicznym nazywa się ciała stałe, których właściwości czynią je użytecznymi dla człowieka, gdyż wykonuje się z nich złożone produkty pracy – przedmioty użytkowe, narzędzia, konstrukcje i budowle, maszyny i pojazdy, broń, dzieła sztuki itp.
Materiały techniczne można podzielić na 3 grupy:
1. Metale
a) Technicznie czyste
b) Stopy (spieki)
2. Ceramika
a) Wielko-tonażowa
b) Specjalna
c) Szkło
3. Polimery
a) Ogólnego stosowania
b) Specjalne
Metale to materiały, które w stanie stałym charakteryzują się następującymi właściwościami:
1. Dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne, przy dodatnim temperaturowym współczynniku rezystywności (opór metali zwiększa się wraz z temp.)
2. Połysk – zdolność odbijania promieni przez wypolerowane powierzchnie.
3. Plastyczność – zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem naprężeń.
Właściwości te wynikają z wiązania metalicznego występującego pomiędzy atomami tworzącymi metal i budowy krystalicznej.
Metale stanowią obecnie najsilniejszą grupę materiałów konstrukcyjnych i narzędziowych.
Materiały ceramiczne.
Materiały ceramiczne to nieograniczone związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami, w których atomy połączone są wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.
Ceramika wielkotonażowa obejmuje przede wszystkim materiały budowlane (cement, gips, cegły, płyty), ceramikę sanitarną, ogniotrwałą itp.
Podstawowymi surowcami do wyrobu tej ceramiki są:
1. Glina – składająca się z bardzo drobnych ziarn uwodnionego krzemianu
glinu,
2. Krzemionka – krystaliczna odmiana SiO2, zwana również kwarcem.
3. Skaleń – glinokrzemian metali alkalicznych stanowiących mieszaninę:
skalenia potasowego, skalenia sodowego i skalenia wapniowego.
Ceramika specjalna to zróżnicowana grupa materiałów i produktów. Należą do niej materiały dla elektroniki, na narzędzia skrawające i elementy odporne na ścieranie, tworzywa ogniotrwale o wysokiej jakości, ceramika stosowana w przemyśle jądrowym, w silnikach cieplnych, ceramika dla celów medycznych.
Jako przykłady można podać:
1. Ferryty – ceramiczne materiały magnetyczne z których najważniejszy to
magnetyt. W zależności od charakterystyki znalazły zastosowanie na
elementy pamięci w komputerach, rdzenie transformatorów wysokiej
częstotliwości, trwałe magnesy.
2. Sialon – tworzywo konstrukcyjne stosowane na łopatki turbin i elementy
silników cieplnych.
3. Cermetale – złożone z drobnych cząstek krystalicznej ceramiki
(np. węglików) rozmieszczonych na osnowie metalowej, np. WC w osnowie
Co, przeznaczone na narzędzia skrawające.
Materiały ceramiczne stosowane są m.in. jako tworzywa elektro- i
Termoizolacyjne, żaroodporne (wysoka temperatura topnienia), odporne na działanie czynników chemicznych.
Szkła – to materiały nieograniczone, głównie tlenki, których stan fizyczny jest stanem pośrednim pomiędzy stanem ciekłym a stałym. Szkła są materiałami bezpostaciowymi, w których występuje uporządkowanie bliskiego zasięgu.
Najważniejszą właściwością szkła jest jego przezroczystość. Podczas chłodzenia ze stanu ciekłego szkła nie tworzą się puste miejsca ani inne defekty o wielkości zbliżonej do długości fali światła, które są przyczyną rozpraszania w kryształach niemetalicznych wytworzonych metodą spiekania. Szkło ma bardzo słabe przewodnictwo elektryczne, zaliczane jest do izolatorów. Przewodność cieplna szkła jest o kilka rzędów wielkości mniejsza od ceramiki krystalicznej.
Właściwości mechaniczne szkła poddanego obciążeniom szybko wzrastającym są podobne do właściwości ciał stałych. Przy obciążeniach zmieniających się bardzo wolno szkła zachowują się jak ciecze newtonowskie.
Polimery.
Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami stanowią grupą materiałów organicznych, złożoną ze związków węgla, wodoru i innych pierwiastków niemetalicznych. W skład polimerów wchodzą również dodatki barwników lub pigmentów, katalizatorów, napelniaczy, zmiękczaczy (plastyfikatorów), antyutleniaczy i innych. W temperaturze pokojowej polimery
są bezpostaciowe lub krystaliczne.
Polimery w zależności od kształtu i budowy makrocząsteczki można podzielić na 4 grupy:
a) liniowe
b) liniowe z rozgałęzieniami
c) z rozgałęzieniami poprzecznymi
d) silnie usieciowione
Łączenie monomerów w makrocząsteczki następuje podczas polireakcji:
• polimeryzacji pomiędzy monomerami tego samego typu, o wiązaniu nienasyconym podwójnym, np. w polietylenie;
• kopolimeryzacji między dwoma lub więcej monomerami, np. w syntetycznych kauczukach (elastomery);
• polikondensacji, czyli gdy w monomerze nie występuje wiązanie nienasycone, a w wyniku reakcji powstaje produkt uboczny (np. woda). Przykładem polikondensacji jest reakcja powstawania bakelitu z fenolu;
• poliaddycji, czyli reakcji pomiędzy monomerami, w których występuje wiązanie nienasycone, podwójne. Proces przebiega stopniowo, często powiązany z przegrupowaniem atomów monomeru, umożliwiającym wzrost łańcucha polimeru. Przy tej reakcji nie wydziela się produkt uboczny.
Właściwości polimerów są zależne od wielkości makrocząstek, tzn. od liczby jednostek monomerycznych zawartych w każdej makrocząstce.
Głównymi sposobami łączenia polimerów są: klejenie, zgrzewanie oraz stosowanie różnych złączek, które często wykonuje się z polimerów.