Fizykochemiczne podstawy budowy materiałów - przedmiot Techniki wytwarzania z materiałoznawstwa

jest to moja praca kontrolna z przedmiotu Techniki wytwarzania z materiałoznawstwa na kierunku BHP (2007 r, Isem) w Centrum Edukacji Kadr..

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. Najogólniej wśród materiałów o znaczeniu technicznym można wyróżnić: materiały naturalne, wymagające jedynie nadania kształtu, do technicznego zastosowania, materiały inżynierskie nie występujące w naturze lecz wymagające zastosowania założonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze.
Tworzywa naturalne to grupa materiałów pozyskiwanych ze źródeł naturalnych, których nie otrzymuje się na drodze syntezy chemicznej, czy innych, bardzo złożonych procesów technologicznych. Materiały naturalne przystosowuje się do praktycznego użycia tylko poprzez proste procesy fizyczne - takie jak cięcie, skrawanie, miażdżenie, mielenie, mieszanie itp.
Do materiałów naturalnych zalicza się m.in.:
• materiały mineralne:
 azbest
 gips
 cement
 beton
 szkło
 wata szklana
• materiały drewnopochodne:
 drewno
 papier
 lignina (papier)
• włókna naturalne:
 jedwab
 bawełna
 len
 wełna
Tworzywa sztuczne to materiały wytworzone przez człowieka, oparte na polimerach naturalnych lub syntetycznych. W skład tworzyw sztucznych oprócz polimeru wchodzą różnego rodzaju dodatki nadające tworzywu określone właściwości.
W skład tworzyw sztucznych wchodzą:
• polimer,
• napełniacze,
• plastyfikatory,
• stabilizatory,
 fotostabilizatory,
 termostabilizatory,
 antyozonanty,
 dodatki zmniejszające palność,
• antystatyki,
• barwniki.
Zalety tworzyw sztucznych:
• łatwość przetwórstwa,
• mała gęstość,
• dobre właściwości mechaniczne,
• odporność na korozje,
• możliwość otrzymania wyrobów przeźroczystych
• możliwość barwienia na wiele kolorów
Wady tworzyw sztucznych:
• niska odporność na podwyższoną temperaturę,
• łatwopalność,
• uciążliwość dla środowiska.
Ze względu na zastosowanie tworzywa sztuczne dzielimy na:
• konstrukcyjne,
• powłokowe,
• adhezyjne,
• włóknotwórcze,
• specjalne.
Do podstawowych technik stosowanych w przetwórstwie tworzyw sztucznych zaliczamy:
• wytłaczanie
• wtrysk
• prasowanie
 tłoczenie
 przetłocznie
 płytowe
 niskociśnieniowe
• walcowanie i kalandrowanie
• odlewanie
Istnieją różne kryteria podziału materiałów na grupy materiałowe. Ze względu na właściwości fizykochemiczne i użytkowe materiałów można spotkać różne klasyfikacje, np.
• Metale i ich stopy,
• Materiały niemetaliczne
 szkło,
 ceramika,
 drewno,
 lakiery,
 emulsje,
 kleje,
 guma,
 paliwa,
 oleje,
• Polimery
• Kompozyty

Materiały techniczne można podzielić też na 3 grupy:
• Metale
 Technicznie czyste
 Stopy (spieki)
• Ceramika
 Wielko-tonażowa
 Specjalna
 Szkło
• Polimery
 Ogólnego stosowania
 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 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, napełniaczy, 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:
• Liniowe
• liniowe z rozgałęzieniami
• z rozgałęzieniami poprzecznymi
Głównymi sposobami łączenia polimerów są: klejenie, zgrzewanie oraz stosowanie różnych złączek, które często wykonuje się z polimerów.
Właściwości fizyczne określają cechy materiałów ukazujących ich zachowanie pod wpływem np. temperatury, natężenia, pola magnetycznego i elektrycznego. Właściwości fizyczne określające zachowanie się materiałów pod działaniem obciążeń mechanicznych nazywa się właściwościami mechanicznymi
Właściwości chemiczne charakteryzują stopień zdolności materiałów do wchodzenia w reakcje chemiczne z otoczeniem, np. utlenianie, pasywacja, odporność na korozję. Właściwości chemiczne pierwiastków, z których są zbudowane materiały, zależą od struktury elektronowej, a w szczególności od rozmieszczania elektronów na powłoce zewnętrznej (walencyjnej).
Właściwości materiału zależą od jego struktury. Jest ona przestrzennym rozmieszczeniem elementów składowych materiału wraz z zespołem relacji zachodzącej między nimi. Struktura ujmuje jako pewną całość elementy składowe wraz z ich charakterystycznym rozmieszczeniem. Wspólne prawa podporządkowane strukturze wskazują, że właściwości materiałów są w każdym przypadku inne niż właściwości ich elementów składowych. Podczas wytwarzania i użytkowania przedmiotów mogą zachodzić korzystne lub niekorzystne zmiany struktury, które powodują istotne zmiany właściwości materiałów.
Materiały mogą występować w trzech stanach skupienia: stałym, ciekłym i gazowym. Stan gazowy charakteryzuje się dużymi odległościami między atomami. W pozostałych skondensowanych stanach skupienia atomy są blisko siebie. Spójność materiałów jest utrzymywana przez wypadkowe siły przyciągania i odpychania, występuje między atomami lub cząsteczkami.


Paweł Gawryś