View
84
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ
Jan Grégr, Technická Univerzita v Liberci
jan.gregr<at>tul.cz
Chemické základy moderních materiálů
Chemické základy moderních materiál ů
� Kompozitní materiály� Nanomateriály a nanotechnologie� Tvrdé a žáruvzdorné materiály� Umělé krystaly jan.gregr<at>tul.cz
Přírodní materiály
korek
kůže
3000 BC
Kovy a slitiny
Skla
Kámen a keramika
Young ův modul [GPa]
Pev
nost
, ela
stic
ký li
mit
[MP
a]
měkké d řevo, přes vlákna
tvrdé d řevo, p řes vlákna
měkké d řevo, podél vlákenslitiny olova
čisté olovo
bambus
břidlice
pískovec
Agtvrdé d řevo, podél vláken
cín mramor
CuAu
bronz
žula
Na-Ca sklo
cihly
vápenec
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm
jan.gregr<at>tul.cz
XV. století
Pev
nost
, ela
stic
ký li
mit
[MP
a]
Young ův modul [GPa]
Přírodní materiály
Kámen a keramika
kůže
korekměkké d řevo, přes vlákna
tvrdé d řevo, p řes vlákna
měkké d řevo, podél vlákenslitiny
olova
bambus
pískovec
cín mramor
Skla
břidlice
Cu
Aubronz
žula
Na-Ca sklo
vápenec
čisté olovocihly cement
mosazšedá litina
za 4500 let p řibyly pouze šedá litina, mosaz a cement
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kovy a slitiny
tvrdé d řevo, podél vlákenAg
jan.gregr<at>tul.cz
Pev
nost
, ela
stic
ký li
mit
[MP
a]
Young ův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm
XXI. století nabízí podstatn ě širší paletu materiál ů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Kovy a slitiny
jan.gregr<at>tul.cz
Pev
nost
, ela
stic
ký li
mit
[MP
a]
Young ův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a slitiny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm
XXI. století nabízí podstatn ě širší paletu materiál ů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
jan.gregr<at>tul.cz
Pev
nost
, ela
stic
ký li
mit
[MP
a]
Young ův modul [GPa]
Přírodní materiály
2012Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a slitiny
Speciální keramika
1000
1
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm
XXI. století nabízí podstatn ě širší paletu materiál ů v zřetelně širším rozsahu vlastností
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
jan.gregr<at>tul.cz
Kompozitní materiály
Z pozůstalosti Járy Cimrmana:
jan.gregr<at>tul.cz
Kompozitní materiály
Laboratorní výrobu a technické použití sklen ěných vláken uvád ějí ve svých pracích zakladatelé moderní fyziky Hooke a Réaumur (17. až počátek 18. století). Koncem 19. stol. se objevují první zmínky o technic kém zužitkování sklen ěného vlákna v patentové literatu ře. Nejstarší dochovaná zmínka je z roku 1880 a zabývá se drátem pro telegraf op ředeným sklen ěnou izolací. Veřejný zájem o sklen ěná vlákna byl vzbuzen na Sv ětové výstav ě v Chicagu v roce 1893, kdy Edward Drummond Libbey vy táhl pramence vláken z rozžhavených konc ů tyčí a namotal je na otáčející se buben velkého pr ůměru.V roce 1916 podává R. Kemp první patent na vlákny v yztužený plast
Gupta, P.K.: Glass Fibers for Composite Materials in Fibre Reinforcements for Composite Materials, ed. Bunsell A.R., Elsevier, Amsterodam 1988
jan.gregr<at>tul.cz
Edward Drummond Libbey (1854-1925) a jeho žena Florence Scott
Libbey (1863-1938), ca. 1901
Georgia Eva Cayvan v šatech ze sklen ěného hedvábí 1893
Kompozitní materiály
jan.gregr<at>tul.cz
Kompozitní materiály
Composite materials
jan.gregr<at>tul.cz
http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-k onstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_11331 8_tec_technika_NYV
http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-k onstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_11331 8_tec_technika_NYV
Kompozitní materiály
jan.gregr<at>tul.cz
Kompozitní materiály
tvo ří materiálový systém, složený ze dvou nebo více fází, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, dosahující vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoliv složkou samostatn ě ani prostým sou čtem vlastností
jan.gregr<at>tul.cz
Synergický efekt
Jev, kdy je získán materiál s lepšími vlastnostmi, než mají jednotlivé složky samostatn ě
Synergie je výsledkem chemické interakce povrch ů složek kompozit ůMůže se jednat o chemickou vazbu i o nevazebné interakce
jan.gregr<at>tul.cz
Složky kompozit ů
matrice
•pojiva
výztuže
•plnivajan.gregr<at>tul.cz
Skleněná vlákna pro kompozitní materiály
sklen ěná vlákna jsou nejb ěžnějším
výztužovým materiálem
výhody:
nízká cena,
nevýhody:
nízké moduly pružnosti,
problémy na mezivrstv ě vlákno – pojivo
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
uhlíková vlákna stala materiálem, který má tyto unikátní vlastnosti:
maximální specifickou pevnostmaximální tuhost – modul pružnostimaximální tepelnou vodivost – až 3 krát větší než má m ěď
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Americká uhlíková vlákna ze smol K1100, modul pružnosti 935 GPa
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
Japonská uhlíková vlákna ze smol CN90 a CN80, modul pružnosti 890 a 780 GPa
jan.gregr<at>tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vlákna z aromatických para -polyamid ů, výhody:
vysoká houževnatostnevýhody:
poškozuje je UV zá ření, vlhkost narušuje vazbu vlákno -matrice
jan.gregr<at>tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejich vnit řní strukturou jednotlivé makromolekulární řetězce jsou mezi sebou vázány vodíkovou vazbou
vodíkové vazby zvyšují
pevnost
jan.gregr<at>tul.cz
Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály
vodíkové vazby spojují orientované makromolekuly v p ásy, benzenová jádra v řetězcích jsou mírn ě uklon ěna a způsobují tak mechanické zaklín ění jednotlivých pás ů k sob ě
jan.gregr<at>tul.cz
– na PE folii si slepit do tyčinky svazek vláken, nebo nití třeba kanagomem, nebo podobným lepidlem, podobně lze slepit destičku z proužků bavlněné nebo lněné látky– experiment na vysvětlení synergie: papírové proužky slepit lepidlem ze škrobu, totéž zkusit s proužky z PE pytlíků (v prvním případě se dá udělat miska na plastové podložce)– jak poznáte PE od PVC (žhavý měděný drátek na něj nalepit plast a zkusit dát na okraj plamene hořáku: PVC přítomným chlórem zapříčiní zelenavý plamen)– výpočetní hrátky – kolik C vláken je vedle sebe v tyčce o průměru 6 mm, při obsahu vláken 60% objemových a průměru monovlákna 6 mikrometrů, kolik to bude pramenců (kabílků), když jeden má 12000 monofilů
Kompozitní hrátky
jan.gregr<at>tul.cz
– ukázat Kevlarové a uhlíkové vlákno, či vzorky z nich(bereme celou vestu)– na uhlíkovém vláknu pomocí uzlu vysvětlit anizotropii vlastností– chování uhlíkového vlákna v plameni– počítačové vyhledávání: informace o Dreamlineru – prvním letadle s celokompozitní stavbou ...
jan.gregr<at>tul.cz
Dotazy ?Dotazy ?
jan.gregr<at>tul.cz
Nanomateriály
Nanomaterials
jan.gregr<at>tul.cz
Uplatn ění nanomateriál ů
jan.gregr<at>tul.cz
Nanotechnologie – nanomateriály
nano (s) = v řečtině „trpaslík“
nano – předpona pro jednu miliardinu , tedy 10–9 základní jednotky
nanotechnologie + nanomateriályse zabývají skladbou materiál ů
v rozm ěrech nanometr ů
jan.gregr<at>tul.cz
Nanotechnologie – nanomateriály
Richard Feynman, 29. 12. 1959
„Sm ěrem dol ů je spousta místa“
„Pro č ješt ě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazk ů
Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavi čku?”
„Cht ěl bych popsat obor, v němž se toho dosud
udělalo málo, ale v principu toho v n ěm může být
vykonáno nesmírn ě mnoho.“
jan.gregr<at>tul.cz
Škála nanometrických velikostí
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíkové nanotrubice
Carbon nanotube
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíkové nanotrubice metodou CCVD
jan.gregr<at>tul.cz
Uhlíkové nanohokejky
jan.gregr<at>tul.cz
Anorganické částice v nanovláknech
Jodid bismutitý v polyvinylbutyralu
jan.gregr<at>tul.cz
Nanohrátky
– papírový proužek přestřihnout na polovinu, tu zase na polovinu, atd. - kolika "střihy" se dostaneme na délku ústřižku 1 nanometr, když původní proužek bude 1 m dlouhý– širší papír nastřihovat postupně střídavě ze stran a potom pro natáhnout – hranolek sýra krájet a počítat velikost povrchu– papír pro stočení na nanotrubicehttp://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/wrapping3/wrapping.html
– papírový model, jak slepit fulleren najdete např na http://cd1.edb.hkedcity.net/cd/science/chemistry/s67chem/pdf/sPS_2_C60.pdfhttp://de.wikipedia.org/wiki/Fullerene#/media/File:Fulleren_C60_Netzwerk.svg
jan.gregr<at>tul.cz
– zkusit si na modelu základní buňky krystalu železa, jak s postupným zvětšováním, spojováním krychlí se mění počet povrchových a vnitřních atomů a jejich poměr– připravte si koloidní roztok nerozpustně sloučeniny: Cu2O redukcí glukózou za komplexace vinanem sodnodraselným, laserovým ukazovátkem si předveďte Tyndallův efekt (podobně lze srážet koloidní stříbro, nanočástice hydroxidu železitého z roztoku chloridu železitého a amoniaku)– nanokolovrat – připravit nanovlákna PVB, a PVB s magnetickými částicemi – prokázat jejich přítomnost magnetem– nanokolovrat – zkusit zvláknit roztok polymerního lepidla
jan.gregr<at>tul.cz
jan.gregr<at>tul.cz
Dotazy ?Dotazy ?
jan.gregr<at>tul.cz
Tvrdé materiály, které se používají v technické praxi m ůžeme rozd ělit na
a
Synteticky je p řipravován um ělý diamant a korund a p ředevším karbidy, boridy, nitridy a silicidy kov ů
TVRDÉ MATERIÁLY
synteticky p řipravované
přírodní materiály
jan.gregr<at>tul.cz
Tvrdost materiál ů
Tvrdost materiál ů souvisí s vazebnými silami v materiálu
čím jsou stavební částice blíž k sob ě (vyšší energie vazby) a čím je struktura materiálu hustší
Diamant K řemen
jan.gregr<at>tul.cz
Tvrdost materiál ů
Mohsova stupnice tvrdosti vyjad řuje schopnost jednoho materiálu rýpat do druhého. Byla vytvo řena německým mineralogem Friedrichem Mohsem a slouží pro ur čení tvrdosti látek.Stupnice není rovnom ěrná.
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
diamant
korund
topazfluorit
vápenec
apatit
masteksůl kamenná živec
křemen
jan.gregr<at>tul.cz
Karbid k řemíku
byl objeven náhodn ě v roce 1891 a ozna čen názvem carborundum , podle toho, že jeho tvrdost v Mohsov ě stupnici 9,5 leží mezi tvrdostí C carbon (diamant) a Al 2O3 corundum . Průmyslov ě se vyrábí reakcí velmi čistého k řemenného pískus uhlíkem (koksem nebo antracitem) v elektrické odp orové peci (2200-2400 oC) SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO. Technické využití pro SiC bylo p ůvodn ě jako vynikající brusivo, díky jeho tvrdosti a také zvláštní lámavost i při které vznikají velmi ostré řezné hrany. Možnosti jeho využití jsou však mnohem širší. I přes pom ěrně vysokou cenu má karbid k řemíku význam jako žáruvzdorný výrobek, k rozkladu dochází teprve p ři 2700oC, přičemž se využívá jeho vynikajících vlastností, jako vys oké tepelné vodivosti, tvrdosti a mechanické pevnosti.
jan.gregr<at>tul.cz
Tvrdohrátky
– karborundum brousek zkusit rýpat do skla či do křemene– smirkový papír hrubší a jemnější – zkusit opracovat plochu vápencového kamínku– dva křemenné oblázky – rozbít a prokázat škrábáním větší tvrdost hrany než obliny– vyhledávání v počítači: DLC a NDC (diamond like carbon, nanodiamond crystals)
jan.gregr<at>tul.cz
Dotazy ?Dotazy ?
jan.gregr<at>tul.cz
UmElá pRípravakrystalU
Katedra chemie FP TUL – www. kch.tul.cz
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
proč připravujeme umělé krystaly
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
proč připravujeme umělé krystaly
protože přírodní zdroje nestačí
požadavk ům nejnov ějších technologií
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
jak p řipravujeme umělé krystaly
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
jak p řipravujeme umělé krystaly
metodami podobnými
přírodním dějům
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
1•z par
2•z taveniny
3•z roztoku
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů z par
prostá sublimace
chemická reakce v parách
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
Verneuillova metoda
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
Verneuillova metoda
jan.gregr<at>tul.cz
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bri dgman-Stockbarger-Verfahren.svg&filetimestamp=20100 418091231
Umělá příprava krystal ů z taveniny
Měření teploty
Tavenina
Tepelná izolace
Krystal
Kelímek
Odporový oh řev
Metoda podle Stockbargeraa Bridgmana
Hor
ní p
ecD
olní
pec
Teplota
Dél
ka p
ece
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
Czochralskiho metoda
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ůCzochralskiho metoda
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
Czochralskiho metoda
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
jan.gregr<at>tul.cz
Spyro Kyropoulos , (též Spiro Σπυρίδων Κυρόπουλος Σπύρος) *1887; †1967 (USA) řecko-n ěmecký fyzik. Vynálezce metody p ěstování monokrystal ů z taveniny .
Umělá příprava krystal ů
Držák zárodku
Kelímek
Krystal
Tavenina
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
studený kelímek
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
studený kelímek
jan.gregr<at>tul.cz
Skull crucible – studený kelímek – ZrO 2
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava krystal ů
studený kelímekoxid zirkoni čitý
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava hydrotermálních krystal ů
Krystaly nar ůstají na zárodku z roztoku za velmi vysokých tlak ů
jan.gregr<at>tul.cz
Umělá příprava hydrotermálních krystal ů
křemen
jan.gregr<at>tul.cz
Tetrahedral press for synthetic diamond making http://ele mentsunearthed.com/2009/04/
http://www.youtube.com/watch?v=A4_l3pKhaJo
http://www.ussynthetic.com/
http://venturebeat.com/2011/10/10/the-diamond-age-synthetic-diamond-maker-element-six-sets-up-venture -
office-in-silicon-valley/
Umělá příprava krystal ů diamantu
vysokotlaká metoda
jan.gregr<at>tul.cz
Žluté diamanty vyrobené Gemesis, první spole čnost vyráb ějící produk čně a tržně
zajímavé syntetické diamanty v drahokamové kvalit ě. Největší krystaly o
hmotnosti 3 karát ů
Umělá příprava krystal ů diamantu
jan.gregr<at>tul.cz
Krystalohrátky
– vhodné látky dobře krystalizující: ADP (fosforečnan dihydrogenamonný), skalice, Tuttonovy soli, kamence …– pod mikroskopem pozorujeme krystalky PbI2 (zlatý déšť), CaSO4, CaHPO4 ...– na drátku udělat perličku natavením boraxu a tu obarvit solemi kovů (Co, Cu, Fe, Ni …)– vyhledat na webu další přípravy metody krystalů umělých diamantů– jak slepit základní krystalové tvary – čtyřstěn, osmistěn, krychli ... http://www.laetusinpraesens.org/docs10s/geozeroy.phphttp://www.webmineral.com/crystall.shtml#.VRAovo4kX-s
jan.gregr<at>tul.cz
Dotazy ?Dotazy ?
jan.gregr<at>tul.cz
děkuji za vaši pozornost
jan.gregr@tul.cz
CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ
jan.gregr<at>tul.cz
Recommended