Zastosowanie różnych materiałów w urządzeniach codziennego użytku

Gdy patrzymy na historię nauk przyrodniczych to widzimy jak z jednego pnia wiedzy najpierw wyrosły odrębne gałęzie, takie jak fizyka, chemia, biologia, a z nich mniejsze gałązki specjalizacji w obrębie jednej dziedziny. Ta tendencja do różnicowania trwała do połowy XX wieku. W ostatnim półwieczu można jednak było zauważyć tendencję przeciwną - do poszukiwania związków między różnymi dziedzinami. Często okazywało się, że najbardziej płodnym obszarem badawczym była ziemia niczyja, obszar leżący na pograniczu tradycyjnych dziedzin wiedzy. Tak było z nauką o materiałach i inżynierią materiałową korzystających z dorobku fizyki, chemii, a ostatnio również biologii. Inżynieria materiałowa, której korzenie sięgają metalurgii i inżynierii chemicznej, dziś obejmuje swoim zainteresowaniem wszystkie materiały, których wykorzystanie umożliwia ciągły postęp naszej cywilizacji technicznej. Prace badawcze koncentrują się dziś głównie tam, gdzie barierami postępu są materiały: na materiałach dla energetyki, środków transportu, telekomunikacji, informatyki. Takim "gorącym" dziś obszarem badawczym są różne warianty nanotechnologii, z którymi wiąże się nadzieje na przełamanie widocznych już na horyzoncie barier postępu.
Zastosowanie nowych materiałów ma bezpośredni wpływ na rozwój techniki i całej gospodarki. Przełomowe w rozwoju cywilizacji było opanowanie technologii wytwarzania usprawniających pracę narzędzi żelaznych, zastosowanie żelaznych podków wpłynęło na rozwój transportu, a zatem i handlu. Zastąpienie kruchego żelaza stalą pozwoliło na rozwój środków transportu, przemysłu chemicznego (zastosowanie stali chromowej, wprowadzenie lekkich i wytrzymałych stopów aluminium pozwoliło na rozwój lotnictwa).
Przełomowym wydarzeniem w rozwoju techniki było zastosowanie materiałów półprzewodnikowych do wytworzenia tranzystorów, które były podstawą rozwoju telekomunikacji; dalsze doskonalenie technologii wytwarzania przyrządów półprzewodnikowych umożliwiło skonstruowanie szybkich komputerów.
Równie istotne jak otrzymywanie materiałów o specjalnych właściwościach jest opracowywanie nowych technologii tak, by były one praco- i energooszczędne. Zwraca się także uwagę na łatwość ponownego przetwórstwa i wykorzystania materiałów, co wydatnie zmniejsza ilość zanieczyszczających środowisko odpadów. O tym jak wielki nacisk kładzie się obecnie na rozwój inżynierii materiałowej może świadczyć fakt, że XXI w. ogłoszono wiekiem materiałów.
Tradycyjnie materiały dzieli się na naturalne i sztuczne. Ze względu na zastosowanie rozróżnia się dwie podstawowe grupy: materiały inżynierskie oraz materiały funkcjonalne. Materiały inżynierskie to przede wszystkim tworzywa konstrukcyjne i inne, które podczas użytkowania muszą zachowywać stałą postać oraz odznaczać się wymaganą wytrzymałością mechaniczną i trwałością. Stawia się im wiele dodatkowych wymagań; powinny mieć : dużą odporność termiczną, odporność na korozję, a także odpowiednie właściwości elektryczne, magnetyczne, optyczne lub inne.
Natomiast materiały funkcjonalne znajdują zastosowanie ze względu na specjalne właściwości reologiczne, optyczne, elektryczne, chemiczne, biologiczne i inne. Obecnie to właśnie ta grupa materiałów decyduje o rozwoju przemysłu elektronicznego i optoelektronicznego, informatyki i telekomunikacji, pobudzając do rozwoju także inne dziedziny gospodarki. Często tworzywa konstrukcyjne są jednocześnie materiałami funkcjonalnymi.
Inną klasyfikacją materiałów jest ich podział na: metale, materiały ceramiczne, polimerowe i kompozyty, choć granice między nimi nie są całkiem ostre.
Kowalność, ciągliwość, duża wytrzymałość mechaniczna, dobra przewodność cieplna i elektryczna oraz łatwość przetwórstwa metodą odlewania sprawiają, że metale są doskonałymi materiałami inżynierskimi. Niektóre z nich mają właściwości ferromagnetyczne. Szkła metaliczne odznaczają się bardzo dobrą odpornością na korozję, twardością, dużą wytrzymałością, sprężystością. Ta grupa materiałów jest wykorzystywana do produkcji rdzeni głowic magnetycznych, rdzeni niektórych transformatorów, do budowy przetworników i czujników magnetostrykcyjnych. Łopatki turbin gazowych odznaczają się wyjątkową wytrzymałością w kierunku orientacji i znacznie podwyższoną stabilnością termiczną. Stopy z pamięcią kształtu są stosowane w technice, np. w czujnikach temperatury, układach regulacyjnych (m.in. termoregulatory), połączeniach mechanicznych i elektrycznych, a stopy niklu z tytanem także jako biomateriały (płytki i klamry stosowane w złamaniach kości, druty ortodoncyjne). Współcześnie szybko wzrasta znaczenie techniki spiekania proszków metali. Opracowano wiele sposobów uzyskiwania proszków, ich prasowania, spiekania i wykończania wytworzonych kształtek lub gotowych wyrobów. Metodami metalurgii proszków są wytwarzane różne części maszyn i urządzeń, jak koła zębate i panwie łożysk, filtry, styki i przewodniki elektryczne, materiały magnetyczne, żaroodporne i w szczególnie szerokim zakresie narzędzia do obróbki metali.
Tradycyjnie terminem ceramika określa się materiały uzyskane przez wypalanie substancji mineralnych, czemu towarzyszą nieodwracalne reakcje chemiczne. Materiały ceramiczne należą do najwcześniej wykorzystywanych przez człowieka. Narzędzia krzemienne oraz materiały budowlane z kamienia i gliny były wytwarzane już w czasach prehistorycznych. W ciągu wieków zakres zastosowań ceramiki poszerzał się ze względu na jej dużą odporność termiczną i chemiczną, szczególne właściwości elektryczne, dużą wytrzymałość i trwałość. Materiały ceramiczne są przy tym łatwo dostępne i stosunkowo tanie. Stosuje się je zarówno jako tworzywa konstrukcyjne (zwłaszcza na elementy konstrukcji narażonych na działanie wysokiej temperatury, jak silniki, turbiny gazowe), jak też materiały funkcjonalne.
Materiały ceramiczne stosowane w mikroelektronice mają wyjątkowe znaczenie, ich wartość stanowi ok. 80% ogólnej wartości produkowanych obecnie materiałów ceramicznych. W szerokim zakresie są wykorzystywane ceramiczne materiały półprzewodnikowe, są z nich wytwarzane m.in.: diody, fotodiody, tranzystory, lasery, baterie słoneczne.
Szkło było i nadal jest stosowane przede wszystkim ze względu na swoje właściwości optyczne, ale istotne są również takie jego cechy, jak: stabilność termiczna, odporność chemiczna, trwałość i mała przewodność elektryczna.
Materiały ceramiczne są też stosowane jako napełniacze (nazywane niekiedy wypełniaczami); są to: proszki ceramiczne (krzemionka, glinokrzemiany, węglany wapnia i magnezu, sadze, grafit) dodawane w dużych ilościach do elastomerów w celu obniżenia kosztów wytwarzania wyrobów lub nadania im korzystnych właściwości.
Do ceramiki zalicza się nader ważną grupę materiałów, których przykładem jest węgiel, o bardzo dużej odporności chemicznej i termicznej. Różne odmiany sadzy są powszechnie stosowane jako napełniacze elastomerów. Węgiel aktywny jest doskonałym adsorbentem. Grafit (naturalny lub syntetyczny) jest odmianą węgla i ma właściwości smaru stałego, jest ponadto bardzo odporny chemicznie i termicznie, dobrze przewodzi prąd elektryczny. Jest stosowany do wytwarzania uszczelnień, tygli, elementów przewodzących prąd elektryczny, jako smar stały lub, w postaci koloidalnej, dodatek do olejów smarowych. Diament jest krystaliczną odmianą węgla. Oszlifowane diamenty (brylanty) tradycyjnie stanowią najcenniejszą ozdobę. Współcześnie diamenty, zarówno naturalne , jak i uzyskiwane syntetycznie, są coraz powszechniej wykorzystywane w technice (głównie w postaci proszków lub warstw nakładanych, np. na rdzenie metalowe) do produkcji narzędzi skrawających, ściernych, wierteł, jako zabezpieczenie implantów itd.
Poznanie właściwości i przydatności technicznej różnych postaci węgla jest nader ważne bowiem uważa się, że po wyczerpaniu zasobów ropy naftowej będzie to podstawowy surowiec, od którego racjonalnego wykorzystania zależeć będą możliwości dalszego rozwoju współczesnej cywilizacji.
Wyroby z tworzyw sztucznych są nierozerwalnie związane z życiem człowieka. Dziesiątki przedmiotów, urządzeń jest wykonanych z substancji, których nazwy weszły już do języka potocznego, m.in.: PCV, guma, bakelit, teflon itp. Szybki postęp naukowo-techniczny w ciągu ostatnich kilkudziesięciu lat sprawił, że w krajach rozwiniętych człowiek nie potrafi się bez nich obejść. Dzięki swoim właściwościom są stosowane do wyrobu prawie całego sprzętu gospodarstwa domowego, części ubrań, a także samochodów i samolotów.
Kompozyty są materiałami, w których metal, ceramika lub polimer są wzmocnione dodatkiem proszku, włókna lub warstwy pośredniej. Wiele materiałów, również naturalnych (drewno, kość), ma strukturę kompozytową. Odznaczają się szczególnie korzystnymi właściwościami mechanicznymi w kierunku ułożenia włókien. Lekkie kompozyty osnowie polimerowej są wykorzystywane gł. w przemyśle lotniczym, samochodowym, okrętowym, także do budowy zbiorników na chemikalia, do wytwarzania sprzętu sportowego (w żeglarstwie, narciarstwie, skoku o tyczce). Elementy konstrukcji pracujące w wysokich temperaturach są wykonywane z kompozytów o osnowie metalowej lub ceramicznej. Kompozyty o osnowie metalowej są stosowane w przemyśle lotniczym, zbrojeniowym (m.in. samoloty, pociski rakietowe). Kompozyty ceramiczne-beton, potem żelazobeton (żelbet), mają wpływ na rozwój budownictwa ze względu na twardość i odporność termiczną. Zakres ich zastosowań (m.in. na narzędzia do obróbki plastycznej oraz elementy silników
odrzutowych, dysze silników rakietowych, części reaktorów jądrowych) jest duży i ciągle się powiększa. Zastosowanie kompozytów rośnie szybciej niż innych rodzajów materiałów.
Materiały półprzewodnikowe zaczęto stosować w elektronice 50 lat temu, po wynalezieniu tranzystora. Miniaturyzacja urządzeń elektronicznych, zmniejszenie kosztów ich wytwarzania i zwiększenie niezawodności nastąpiły jednak dopiero od momentu praktycznej realizacji pomysłu układu scalonego, tj. wytworzenia złożonego obwodu elektrycznego zawierającego wiele elementów elektronicznych (tranzystory, diody, rezystory, kondensatory) w pojedynczej krzemowej płytce. Obwody takie wytwarza się w masowej skali zwykle stosując technologię planarną, w której jednym z etapów jest fotolitografia wyznaczająca rozmieszczenie elementów na krzemowej płytce i decydująca o ich rozmiarach. Dotychczas udawało się stale zmniejszać rozmiary elementów elektronicznych układu scalonego i łączących je przewodzących ścieżek. Obecnie widać już granice możliwości dotychczas stosowanych metod — minimalne rozmiary elementów osiągają rozdzielczość przyrządów optycznych stosowanych do odwzorowywania
zaprojektowanego wzoru obwodu na fotoczułej masce.

Przykładowe konstrukcje różnych urządzeń
MOSTY - są ważnym elementem naszego życia. W ich obecnej konstrukcji dużym powodzeniem cieszy się sprężony beton z zatopionymi prętami zbrojeniowymi z wysokogatunkowej stali, naprężonymi przed położeniem betonowej masy. Wszystkie nowe mosty zadziwiają śmiałością rozwiązań technicznych.
SCHODY RUCHOME - zaczęły się pojawiać w supermarketach, biurach i na dworcach. Podczas ich ruchu, a zarazem przemieszczania ludzi w górę i w dół, zastosowanie nowych stopów konstrukcyjnych zmniejszyło masę eskalatora, co spowodowało mniejsze obciążenie konstrukcji nośnej. Dzięki temu, jak również zastosowaniu całego systemu urządzeń samosterujących uzyskać można znaczne oszczędności prądu, a co za tym idzie mniejszy koszt eksploatacji.
ODKURZACZ -urządzenie to znacznie ułatwia sprzątanie. Buduje go: silnik elektryczny napędzający wirnik, który wsysa kurz a współcześnie znajduje się w nim kilkulitrowy pojemnik z wodą podzielony na dwie komory na czysta i brudną wodę. Kurz i zanieczyszczenia zasysane przez rurę są rozdrabniane przez specjalna głowicę, a następnie trafiają do komory z brudna wodą. Dzięki tej technice podczas sprzątania nie ma problemu z pyłem. W dodatku dzięki filtrowi można prać wykładziny, dywany, tapicerkę itd. Specjalny spryskiwacz wylewa na prana powierzchnię czysta wodę płynem, zbieraną następnie do drugiego zbiornika, tak że dywan pozostaje lekko wilgotny.
KARTA MAGNETYCZNA -ewers karty zawiera pasek magnetyczny służący do zapisu danych niezbędnych do obsługi różnego rodzaju urządzeń zaopatrzonych w czytnik, na przykład bankomatów. Za pomocą głowicy elektromagnetycznej można odczytywać, a w niektórych sytuacjach nawet zapisywać na nim informacje.

W ostatnich latach powstały nowe techniki obrazowania informacji, w których istotną rolę odgrywa pewna grupa związków organicznych zwana ciekłymi kryształami. Ciekłe kryształy są cieczami, w których występuje samoistne uporządkowanie cząsteczek. Stan ciekłokrystaliczny można uzyskać w wyniku ogrzewania pewnych substancji organicznych (termotropowe ciekłe kryształy) lub przez ich rozpuszczanie w odpowiednich rozpuszczalnikach (liotropowe ciekłe kryształy). Pierwsza grupa ciekłych kryształów znalazła szerokie zastosowanie w urządzeniach do zobrazowania informacji. Ciekłe kryształy zostały wykorzystane także w mechaniźmie działania wyświetlacza ciekłokrystalicznego spotykanego w różnych urządzeniach codziennego użytku, takich np. jak telewizor kieszonkowy.
Magnesy, chociaż niewidzialne dla postronnego obserwatora, bo ukryte w silnikach domowych urządzeń elektrycznych, głośnikach, mikrofonach, pamięciach twardych dysków i napędach odtwarzaczy CD, towarzyszą nam w codziennym życiu. Nowoczesny samochód zawiera ich aż ok. siedemdziesięciu, a w gospodarstwie domowym jest ich średnio 150. Dynamiczny rozwój tych materiałów, jaki nastąpił w ostatnich latach, umożliwił miniaturyzację urządzeń elektrycznych i stworzenie wielu nowych konstrukcji. W ramach wykładu przedstawiona zostanie historia rozwoju materiałów magnetycznie twardych, która zaczęła się blisko 2000 lat temu.
Magnesy trwałe odgrywają istotną rolę w nowoczesnych urządzeniach. Pierwsze magnesy wyprodukowane ze stali węglowej miały iloczyn energii magnetycznej (BH)max około 1 kJ m-3. Znaczący rozwój magnesów trwałych nastąpił z chwilą wprowadzenia magnesów alnico około 1940 roku. Do tego czasu stosowanie magnesów było ograniczone do kilku zastosowań takich jak np. kompas. Z chwilą wprowadzenia alnico stało się możliwe zastąpienie elektromagnesów magnesami trwałymi, co rozszerzyło zakres urządzeń w których je stosowano np. silniki, generatory, głośniki. Silniejsze i mniejsze magnesy pozwalają na konstruowanie mniejszych urządzeń, które pochłaniają mniej energii.