POWRÓT

Nauka o materiałach

Grupy materiałów inżynierskich


Spis treści rozdziału - tutaj kliknij

Metale i ich stopy
Polimery
Materiały ceramiczne
Materiały kompozytowe

    Materiałami w pojęciu technicznym nazywane są ciała stałe o własnościach umożliwiających ich stosowanie przez człowieka do wytwarzania produktów. 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 złożonych procesów wytwórczych do ich przystosowania do potrzeb technicznych po wykorzystaniu surowców dostępnych w naturze. Przykładami materiałów naturalnych są: drewno, niektóre kamienie, skały i minerały. Do podstawowych grup materiałów inżynierskich tradycyjnie są zaliczane:

  • metale i ich stopy,
  • polimery,
  • materiały ceramiczne.

    Podstawą podanej klasyfikacji jest istota wiązań między atomami tworzącymi dany materiał, utrzymujących je w skoordynowanych przestrzennie układach i determinujących podstawowe własności materiału. Ponadto można wymienić materiały kompozytowe, tworzone przez połączenie dowolnych dwóch z wymienionych materiałów inżynierskich w monolityczną całość, co zapewnia uzyskanie innych własności od właściwych dla każdego z materiałów składowych.

 

Metale i ich stopy

   

    Metale charakteryzują się wiązaniem metalicznym, które charakteryzyuje się obecnością swobodnie poruszających się elektronów pochodzących z zewnętrznych powłok elektronowych atomów metali. Na rysunku zamieszczonym niżej, przedstawiającym układ okresowy pierwiastków chemicznych zaznaczono pierwiastki, które są metalami. Jest to najliczniejsza grupa pierwiastków. W układzie okresowym znajdujemy ponad 80 pierwiastków metalicznych. Bloki s, d, f tablicy układu okresowego są zapełnione wyłącznie przez metale (z wyjątkiem helu i wodoru). Jedynie w bloku p metale są mniej licznie reprezentowane. Ze względu na właściwości metale znalazły szerokie zastosowanie w gospodarce i życiu codziennym.



Układ okresowy pierwiastków

    Oprócz pierwiastków, powszechne zastosowanie maja układy wieloskładnikowe złożone z więcej niż jednego pierwiastka, charakteryzujące się przewagą wiązania metalicznego tworzą stopy metali. Składy stopów metali są zawarte w szerokich granicach bez obowiązywania zasad stechiometrii. Metale i ich stopy cechują następujące własności:

  • dobre przewodnictwo cieplne i elektryczne,
  • dodatni temperaturowy współczynnik rezystywności (opór elektryczny zwiększa się z podwyższeniem temperatury),
  • połysk metaliczny, polegający na odbijaniu promieni świetlnych od wypolerowanych powierzchni,
  • plastyczność, czyli zdolność do trwałych odkształceń pod wpływem przyłożonych naprężeń.

    Metale otrzymuje się z rud, będących najczęściej tlenkami. Procesy metalurgiczne polegają zwykle na redukcji, prowadzącej do ekstrakcji metalu z rudy oraz na rafinacji, usuwającej z metalu pozostałe zanieczyszczenia. Elementy metalowe zwykle wykonywane są metodami odlewniczymi, przeróbki plastycznej lub obróbki skrawaniem, a często także metalurgii proszków.

Schemat powstawania wiazania metalicznego

    Własności metali i stopów są kształtowane metodami obróbki cieplnej, a powierzchnia elementów metalowych często jest uszlachetniana metodami inżynierii powierzchni, zwiększającymi m.in. odporność na korozję lub odporność na zużycie.
    Najczęściej użytkowanymi spośród materiałów metalowych są stale, czyli stopy żelaza z węglem i innymi pierwiastkami, a także stopy odlewnicze żelaza tzn. staliwa i żeliwa. Szczegółowe informacje o tych grupach materiałów metalowych przedstawiono w dalszej części zajęć. Liczną grupę stosowanych materiałów metalowych stanowią również metale nieżelazne i ich stopy. Metale i ich stopy poddawane są następującym procesom technologicznym:

  • Otrzymywanie elementów metalowych: odlewnictwo, przeróbka plastyczna, obróbka skrawaniem, metalurgia proszków

  • Kształtowanie właściwości: obróbka cieplna
  • Uszlachetnianie powierzchni: inżynieria powierzchni (warstwy wierzchniej).

Do góry


 

Polimery

   

    Polimery, nazywane także tworzywami sztucznymi lub plastikami, są materiałami organicznymi, złożonymi ze związków węgla. Polimery są tworzone przez węgiel, wodór i inne pierwiastki niemetaliczne z prawego górnego rogu układu okresowego i są to związki wielkocząsteczkowe (makrocząsteczkowe) składające się z olbrzymiej liczby atomów o różnej wielkości cząsteczek a tym samym o różnych masach cząsteczkowych.
Makrocząsteczka nie jest kombinacją dowolnie połączonych atomów różnych pierwiastków, ale zawsze można w niej wyróżnić stale powtarzające się elementy zwane jednostkami podstawowymi lub merami.
Cząsteczki proste zdolne do łączenia się z sobą z utworzeniem makrocząsteczek nazywamy monomerami, a makrocząsteczki polimerami.
Odróżnia się trzy podstawowe typy reakcji, w których tworzą sie polimery;

  • polimeryzacji
  • polikondensacji
  • poliaddycji

W skład polimerów wchodzą również składniki dodatkowe jak;

  • wypełniacze
  • zmiękczacze
  • stabilizatory
  • barwniki
  • i innych.

nadające tworzywom pożądane właściwości użytkowe.

    Najprostszym monomerem jest cząsteczką etylenu C2H4. W wyniku zastąpienia atomu wodoru w tych cząsteczkach przez CH3 powstaje polipropylen, przez C6H5 – polistyren, przez Cl – polichlorek winylu. Inne polimery zawierają atomy tlenu (np. akryliki), azotu (nylony), krzemu (silikony) i fluoru (fluoroplastiki). Zastąpienie wszystkich atomów wodoru przez fluor w monomerze etylenu powoduje uzyskanie politetrafluoroetylenu (teflonu).


Polimery charakteryzują się:

  • małą gęstością,
  • izolacyjnymi własnościami cieplnymi i elektrycznymi (z wyjątkiem przewodzących prąd elektryczny),
  • słabo odbijają światło i zwykle są przezroczyste.

Wiele z polimerów jest giętkich i odkształcalnych, lecz nie nadają się do pracy w podwyższonej temperaturze.


Ze względu na własności użytkowe polimery dzielą się na plastomery i elastomery.
    Plastomerami są polimery charakteryzujące się wydłużeniem przy rozerwaniu zwykle nieprzekraczającym 200%, chociaż polietylen lub polipropylen wykazujące maksymalne wydłużenie kilkaset procent też są zaliczane do tej grupy polimerów.
Plastomery dzielą się na polimery termoplastyczne (termoplasty) i polimery utwardzalne (duroplasty).
    Elastomerami są polimery cechujące się skłonnością do dużych odkształceń sprężystych, a po poddaniu dużemu odkształceniu w temperaturze pokojowej i po odciążeniu powracają do pierwotnej postaci lub bardzo do niej zbliżonej.

Najważniejsze polimery

Nazwa

Wzór

Monomer

Zastosowanie

Polietylen
niskiej gęstości (LDPE)

- (CH2-CH2)n-

etylen
CH2=CH2

błony filmowe, plastikowe opakowania

Polietylen
wysokiej gęstości (HDPE)

-(CH2-CH2)n-

etylen
CH2=CH2

elektryczne izolacje
butle, zabawki

Polipropylen
(PP) różnej klasy

-[CH2-CH(CH3)]n-

propylen
CH2=CHCH3

podobny do LDPE
wykładziny, tapicerka

Polichlorek winylu
(PVC)

- (CH2-CHCl)n-

chlorek winylu
CH2=CHCl

instalacje rurowe, podłogi

Polidichlorowinyl
(Saran A)

- (CH2-CCl2)n-

1,1 dichloroetylen
CH2=CCl2

wykładziny, błony filmowe

Polistyren
(PS)

-[CH2-CH(C6H5)]n-

styren
CH2=CHC6H5

galanteria, styropian

Poliakrylonitryl
(PAN, Orlon, Acrilan)

- (CH2-CHCN)n-

akrylonitryl
CH2=CHCN

włókna (liny, żagle, ubiory

Politetrafluoroetylen
(PTFE, Teflon)

-(CF2-CF2)n-

tetrafluoroetylen
CF2=CF2

izolacje, uszczelki, aparatura chemiczna, pokrycie patelni

Polimetakrylanmetylu
(PMMA, Lucite, Plexiglas)

- [CH2-C(CH3)CO2CH3]n-

metakrylanmetylu
CH2=C(CH3)CO2CH3

szyby, ozdoby, soczewki

Polioctan winylu
(PVAc)

- (CH2-CHOCOCH3)n-

octan winylu
CH2=CHOCOCH3

kleje, lakiery, farby

cis-Poliizopren
naturalny kauczuk

-[CH2-CH=C(CH3)-CH2]n-

isopren
CH2=CH-C(CH3)=CH2

potrzeby wulkanizacyjne

Polichloropren (cis + trans)
(Neoprene)

-[CH2-CH=CCl-CH2]n-

chloropren
CH2=CH-CCl=CH2

uszczelki, kable, węże

Do góry


 

Materiały ceramiczne

   

    Ceramikę stanowią materiały nieorganiczne o jonowych i kowalencyjnych wiązaniach międzyatomowych, wytwarzane zwykle w wysokotemperaturowych procesach związanych z przebiegiem nieodwracalnych reakcji, chociaż do tej grupy materiałów zaliczane są również szkła oraz beton i cement, pomimo że przy ich wytwarzaniu zachodzą nie wszystkie z tych procesów.
Kluczowymi pierwiastkami wchodzącymi w skład materiałów ceramicznych są niemetale znajdujące się w lewej górnej części układu okresowego pierwiastków, które mogą łączyć się matalami.



Kluczowe pierwiastki wchodzące w skład materiałów ceramicznych

    Wiele praktycznie stosowanych materiałów ceramicznych zawiera związki lub roztwory więcej niż dwóch spośród wskazanych pierwiastków chemicznych.
Materiały ceramiczne zwykle wytwarzane są w wysokotemperaturowych procesach nieodwracalnych, a otrzymane materiały mają postać:

  • ceramiki inżynierskiej,
  • cermetalii,
  • ceramiki porowatej,
  • szkła,
  • ceramiki szklanej.

Do góry


 

Materiały kompozytowe

   

    Materiały kompozytowe są połączeniami dwóch lub więcej odrębnych i nierozpuszczających się w sobie faz, z których każda odpowiada innemu podstawowemu materiałowi inżynierskiemu, zapewniającymi lepszy zespół własności i cech strukturalnych, od właściwych dla każdego z materiałów składowych oddzielnie. Materiały kompozytowe, dzielą się ze względu na osnowę metalową, polimerową lub ceramiczną.



Klasy materiałów kompozytowych

    Materiały kompozytowe, znajdują współcześnie zastosowanie między innymi w sprzęcie kosmicznym, samolotach, samochodach, łodziach, jachtach, szybowcach i sprzęcie sportowym. Faza powodująca wzmocnienie kompozytów, nazywana także zbrojeniem, może być wprowadzona w postaci drobnych cząstek, niekiedy dyspersyjnych, krótkich włókien lub płatków, a także włókien ciągłych.


Do góry


   

 

 (C) 2011 - 2018 Wydział Przyrodniczo - Techniczny KPSW. All Rights Reserved