27

Seminarski radSavremeni materijali

SADRAJ

1.UVOD3

2.TREND DOBIJANJA MATERIJALA6

3.MATERIJALI I DIJELOVI DOBIVENI METALURGIJOM PRAHA8

3.MATERIJALI I DIJELOVI DOBIVENI METALURGIJOM PRAHA8

4.PREGLED RAZVOJA METALNIH MATERIJALA 105.INTERMETALNI SPOJEVI12

6.POLIMERNI MATERIJALI127.TEHNIKA KERAMIKA148.POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAENJA POVRINA159."PAMETNI" MATERIJALI1510.NEKA POSEBNA PODRUJA RAZVOJA MATERIJALA17

11.ALUMINIJ (Al)19

12.DURALMINIJ23

13.ALUMINIJUMSKE LEGURE U AUTOINDUSTRIJI23

14.ZAKLJUAK28

15.LITERATURA29

1. UVOD

Od kako postoji ovjeka kao jedinka,pa kasnije polahko prelazi u zajednicu,koja je vremenom bila sve vea i vea, ovjek iznalazi rjeenja kako bih olakao sebi svakodnevni rad. Ispoetka bio je bespomoan, kasnije poinje da upotrebljava orua i oruja koja je izraivao od raznih materijala. Ispoetka to je uglavnom bio materijal kojega je on nalazio u prirodi (kao to je drvo ili kosti) kojima je trebalo znatno manje vremena i iskustva za obradu. Ali potrebe su ga tjerale da iznae novi materijal kojim bi poboljao kvalitete orua i oruja,jer bez njih nije mogao obavljati svakidanji posao. Tada prelazi na kamen,tako da se jedna itava era u ovjekovoj historiji naziva Kameno doba. Tada ovjek ponajvie koristi kamen,kojeg obrauje na primitivne naine. Prednost ovog materijala bila je u tome da je bio znatno tvri, uinkovitiji ali je bio teak za obradu (ako uzmemo u obzir neke tvre stijene). Oblikovao ga je na razne naine zavisno o potrebi. Tako da imamo neke od orua ili oruja koje je ovjek tada koristio sl.1.

Sl.1. materijal koji je koriten u Kamenom dobu

Ovim materijalima ovjek se koristi dui period i naeni su mnogi ostaci upotrebe kamena kao osnovnog materijala. Osim primjene kamena u izradi orua i oruja ovjek kamen koristi i za izgradnju velelijepih spomenika. Jedan od najpoznatijih je i Stonehedge[footnoteRef:1] u engleskoj koji prkosi vremenu. [1: Stonehedge jedan od najpoznatijih spomenika. Nikada se nije saznalo zato je ustvari bio koriten. Misli se da je bio koriten za religijske rituale, mada pravu istinu niko nikada nije otkrio.]

Pored njega tu je i mnotvo drugih graevina koje potiu iz tog perioda.Kako se broje ljudi svakim danom poveava jer ovjek poinje da se usavrava u svakom dijelu svog ivota i polahko poinje da ponovo usavrava svoj osnovni materijal, koji mu je znaio ivot. Tako ovjek poinje da koristi metal, koji je ispoetka uglavnom pronalazio kao samorodnog u prirodi. To su uglavnom bili samorodni metali. Kasnije se sve vie poinje da upotrebljava metal, koji je bio veoma cijenjen materijal, a koliko cijenjen to se moe primijetiti i danas. Vrijeme u ljudskoj historiji koje je oznaila upotreba metala naziva se Metalno doba (mada mislim da i danas traje). ovjek poinje na neki nain da mijea metale (legira-taj izraz tada nije bio poznat) da bi postigao odreenu kvalitetu metala, tako da dovija bronzu, koja je imala iroku primjenu. Nije bilo puno ljudi koji su znali nain dobivanja bronze, recept je bio veoma uvan. Tada civilizacija poinje da se osniva, jer ovjek je sada poinje da sve vie pronalazi i otkriva nove materijale koje moe da koristi u svakodnevnom ivotu. Egipani poinju da koriste papirus[footnoteRef:2], dok Kinezi koriste ve papirni novac, daleki istok bio je daleko ispred Europe to se tie razvoja tako da su tada koristili i barut. Feniani meu prvima iznalaze nain dobivanja stakla. [2: Papirus-pravljen od vlakana,sluio za pisanje raznih zapisa u starom Egiptu, liio je na dananji papir.]

Dolaze nove ere kada ovjek poinje modernizaciju, tako da se proizvodi i prvi kovani novac sl.2.. Uglavnom se koristilo zlato i srebro mada i bronza.

Sl.2. bosanski zlatni novac

Osnivaju se velike kulture, bliski Istok Babilonska civilizacija, Sumer i Akad, Perzija, Hatitska civilizacija, itd. Na afrikom tlu to su bili Egipani, dok na evropskom kontinentu to su bile Grka, a kasnije je nasljeuje rimska kultura. Sav taj rast ovjeanstva doveo je do sve vie primjene materijala, posebno metala koji su na primjer bili osnovna oprema svakog rimskog vojnika (tit, oklop, ma itd.). Osnivaju se razna udruenja zanatlija. Sve su se vie morali iznalaziti novi materijali koji bi bili laki ali tvri u odnosu na ostale. Metal postaje osnovni materijal bez kojeg se ni danas ne moe zamisliti ivot. Industrija se razvila zahvaljujui naravno prvo ovjeku, a poslije njega odmah dolazi metal, od kojeg se konstruirao prva parna lokomotiva[footnoteRef:3], a industrija poinje da cvjeta. Sve je podreeno metalu i metalnim konstrukcijama, poevi od autoindustrije, pa sve do najjednostavnijih grana industrije. [3: Parna lokomotiva-prvi konstruirao Dejms Vat, velika prekretnica u industriji i itavoj savremenoj civilizaciji.]

Prvi svjetski rat poinje, u njemu poinje jo masovnija upotreba metala, poslije njega dolazi do Drugog svjetskog rata gdje se upotreba metala ne ograniava samo na upotrebu osnovnih materijala nego se poinju da koriste, za to vrijeme, suvremeni materijali. Ti suvremeni materijali imali su dosta prednosti u odnosu na ranije. Njemaki inenjeri su preli sve granice koje je do tadanji ovjekov um mogao da dostigne. Pravili su poduhvate koje niko do tada nije uspio, uzme li se u obzir avioindustrija, ili automobilska, ili neka ratna mainerija kao to je Panter tenk koji je bio sastavljen iz dosta vie dijelova nego do tadanji. Mnogo je bio napredniji, ali poto je bio sloene konstrukcije esto se kvario. Poslije toga na scenu dolazi SAD sa svojim poznatim ekspedicijama u svemir. To je nalagalo veliku upotrebu materijala savremenijih nego ikada do tada. Ti materijali su morali da izdre velike temperature, razna kozmika zraenja. U sutini morali su da budu laki, jer se trebalo u prvom planu usprotiviti sili zemljine tee, a poslije toga trebalo je dostii veliku brzinu. Bilo je raznih letjelica, meu prvima bio je umjetni satelit Telstar, a kasnije tu je mnotvo svemirskih letjelica (sl.3.).

Sl.3. letjelica koja je prva dodirnula povrinu Marsa

Takoer novi materijali se sve vie koriste i u elektronici (upotreba kompjutora itd.). Jedno je sigurno a to je da je ovjeku u velikoj mjeri ovisio o materijalima!

[footnoteRef:4]2. TREND DOBIJANJA MATERIJALA [4: Prof.dr.sc. Tomislav Filetin Fakultet strojarstva i brdogradnje, Zavod za materijale]

Inovacije u konstrukcijskom oblikovanju proizvoda i u procesima proizvodnje bitno su odreenesvojstvima tehnikih materijala. Iskustva iz najrazvijenijih zemalja pokazuju da se primjenom novih materijala i pripadnih visokih tehnologija ostvaruju vrlo znaajne prednosti na tritu. Istraivanje,razvoj i primjena novih materijala te pripadnih tehnologija spada uz genetiku i biotehnologiju, informatiku i komunikacije, u generike discipline znanosti i tehnike. Znanost i inenjerstvo materijala stvara vrlo velik broj inovacija, bitnih za niz drugih grana tehnike. Primjena savremenih materijala izaziva razvoj proizvoda poboljanih karakteristika, naroito u sljedeim industrijskim granama:

a) Industrija strojeva i alata za klasine metalne materijale razvijaju se nove tehnologijeoblikovanja na gotovo konaan oblik metalurgija praha, injekcijsko preanje metala, istiskivanje u tjestastom (semi-solid) stanju, precizno i tlano lijevanje i dr. Za alate i dijelove izvrgnute troenju rabe se oksidne i sve vie neoksidne vrste tehnike keramike. Postupci modificiranja i prevlaenja dijelova strojeva i alata omoguuju bitno poveanje trajnosti (otpornosti na troenje i korozijske postojanosti).b) Industrija vozila u tenji da automobili i druga vozila imaju to manju masu, to veu sigurnost i uz to to niu cijenu, raste udio primjene elika poviene vrstoe (HSLA), polimernih materijala, aluminijskih i magnezijskih legura, tehnike keramike i dr. c) Energetska i procesna postrojenja, industrija nafte i plina u primjenu ulaze modificirane vrste martenzitnih, austenitnih i duplex elika poviene mehanike otpornosti pri visokim temperaturama, bolje otpornosti na posebne oblike korozije (interkristalnu, jamiastu i napetosnu) te otpornosti na visokotemperaturnu oksidaciju. Ni i Co-superlegure omoguuju povienje radne temperature plinskih turbina i stupnja djelovanja. d) Zrakoplovna industrija istrauje se vea primjena Al-Li legura i novih Ti-legura. Za borbene zrakoplove udio kompozita je u zadnjih 30-tak godina povean od oko 2% na preko 40%. Za lopatice plinske turbina rabi se monokristali superlegura nikla, te toplinska zatita s keramikim prevlakama. Tehnika keramika i keramiki kompoziti nalaze svoje mjesto u toplinski najoptereenijim dijelovima pogonskih sustava. e) Kuanski aparati polimerni materijali omoguili su velikoserijsku, sve jeftiniju, proizvodnju lakih i estetski atraktivnijih aparata. Uz to, kljune prednosti u odnosu na druge skupine materijala su: dobra kemijska postojanost, izolacijska svojstva i dobro priguenje vibracija. f) Sportski rekviziti i industrija zabave (npr.: skije, bicikli, daske za jedrenje, igrake i sl.) polimerni materijali i njihovi kompoziti gotovo su potpuno potisnuli iz primjene drvo i metalne materijale. g) Medicina nove vrste nehrajuih elika, Ti-legura, Co-legura i pametnih legura rabe se za implantate i fiksatore, istrauju se i primjenjuju polimerni materijali za medicinske aparate, krvne ile, umjetnu kou. Vanjski fiksatori i proteze izrauju se od polimernih kompozita itd. h) Elektronika i komunikacije npr. silicij je omoguio razvoj dananjih raunala, a oekuje se njihov jo nagliji razvoj primjenom nanocijevica ugljika. Takoer su staklena vlakna izazvala revoluciju 2 u nainu i brzini prijenosa informacija. i) Optika i optoelektronika npr. postupcima modificiranja povrina dobivaju se ultratanki slojevi na razliitim podlogama, koji imaju posebna svojstva. j) Nova podruja, kao npr. mikrosistem tehnika, senzorika, bionika, mikroelektronika, adaptronika... Dananji razvoj materijala odvija se primjenom znanstvenih pristupa, interdisciplinarnom suradnjom fundamentalnih i primjenjenih disciplina, kvantitativnih metoda i raunala, a ne kao nekad na osnovi vjetina i empirije. Tako su npr. mikrolegirani elici, elici poviene vrstoe i korozijske postojanosti, Ti-legure, Ni i Co-superlegure, poluvodii, legure s efektom prisjetljivosti oblika, kompozitni materijali, tehnika keramika, intermetalni spojevi i drugi dananji materijali razvijeni znanstvenim istraivanjima.U pravilu nema vie sluajnosti u otkrivanju novih materijala, nego je to posljedica smiljenog ikontinuiranog djelovanja. Prema nekim tvrdnjama u posljednjih 60-tak godina u primjenu je ulo toliko vrsta materijala koliko u svim prethodnim stoljeima! Procjene govore da danas raspolaemo s 70 000 do 100 000 razliitih vrsta tehnikih materijala. Pod pojmom novi materijal podrazumijeva se:

- Bitno novi sastav, struktura i svojstva materijala,- Bitno novi postupak proizvodnje i oblikovanja,- Nova podruja primjene u odnosu na klasine materijale - relativno jer ovisi o znanju korisnika na primjer: mikrolegirani sitnozrnati elici poviene vrstoe ili PH elici su poznati ve 20 do 30 godina, ali su u naoj praksi jo relativno nepoznati i izazivaju probleme u primjeni.Od ideje o novom materijalu do njegove industrijske primjene moe protei barem 10 do 15 godina, a kod sloenijih problema i vie od 40 godina. tako se npr. prvi patenti o metalnim pjenama pojavljuju prije skoro 50 godina, a one jo nisu komercijalno rairene u primjeni.Zato je vaan trenutak pravovremenog ukljuenja u odreenu fazu istraivanja razvoja.

Neke bitne pretpostavke istraivanja i razvoja suvremenih materijala jesu:- Svjesnost o vanosti materijala u najrazvijenijim zemljama to nije vie problem;- Vrlo sofisticirana i skupa oprema;- Visokoobrazovani istraivai;- Organizacija znanstvenog i istraivakog rada mree institucija, lanac projekata od temeljnih do primjenjenih istraivanja, multidisciplinarni timovi;- Velika ulaganja Njemaka oko 380 milijuna EUR/god, Japan i SAD preko 1 miljarde $ iz dravnih fondova. Unatrag 20-tak godina razvoj materijala odvija se po novom obrascu (paradigmi)- "materijali kao vrijednost", a ne po klasinoj "materijali kao resurs".Dananja istraivanja materijala mogu se saeto karakterizirati sljedeim obiljejima: Nove analitike metode i suvremena instrumentacija za karakterizaciju materijala (npr. tunelniskening mikroskop i sinkrotron) je moda najvaniji pokreta otkrivanja i poboljanja svojstava na atomarnoj i molekularnoj razini. Raunalne simulacije omoguuju kreiranje materijala in situ ukljuujui modeliranje promjena strukture i svojstava tijekom procesa oblikovanja. Mogunosti prepoznavanja, slikovnog predoavanja i kvantifikacije strukturnih oblika u nano i3 mikro svijetu, uz raunalno modeliranje, uvode nas u izazovno podruje projektiranja materijala eljenog sastava, strukture i svojstava, polazei od atomarne i molekularne razine. Materijal se izravno oblikuje u gotovo konaan oblik izratka bez meufaza za dobivanjepoluproizvoda u obliku ipki, cijevi, limova i sl. tzv. net shape i near net shape postupci; Proizvodnja novih materijala usko je povezana s postupcima koji bi se uvjetno mogli nazvatitehnologijama materijala. Radi se o svim onim postupcima tijekom kojih se bitno mijenja sastav i struktura, odnosno formiraju svojstva materijala, a esto i ujedno svojstva konanog proizvoda. To su npr. klasini postupci lijevanja, postupci oblikovanja praha, lasersko sinteriranje, postupci modificiranja i prevlaenja povrina, postupci oblikovanje kompozita itd.Zahvaljujui navedenim karakteristikama istraivanja, posljednjih 30-tak godina, znanost i inenjerstvo materijala obiljeava generiranje novih spoznaja o vezama izmeu sastava, nanostrukture, mikrostrukture te svojstava i ponaanja materijala. U ovom pregledu se analiziraju neki odabrani pravci razvoja i primjene najvanijih skupina metalnih i nemetalnih materijala i pripadnih tehnologija, koji slue za izradu industrijskih i uporabnih proizvoda.

[footnoteRef:5]3. MATERIJALI I DIJELOVI DOBIVENI METALURGIJOM PRAHA [5: Prof.dr.sc. Tomislav Filetin Fakultet strojarstva i brdogradnje, Zavod za materijale]

Dananji savremeni materijali dobivaju se optimiranjem sastava i mikrostrukture materijala prema eljenim svojstvima. Metalurgija praha (Powder Metallurgy PM ) prua velike mogunosti zaostvarenje takvog pristupa proizvodnji materijala i dijelova. Metalurgija praha danas obuhvaa ne samoproizvodnju metala u obliku praha nego i nemetalnih prahova, te oblikovanje dijelova iz takvih prahovapostupkom sinteriranja, odnosno sraivanja. Godinja proizvodnja prahova u svijetu iznosi vie od800 000 t od toga polovica u SAD, a promet s prahovima i PM izradcima u SAD iznosi oko 2 miljarde$ godinje.

klasini PM postupciNagliji razvoj PM poeo je proizvodnjom i uporabom "tvrdih metala, a posljednjih godina PM prolazikroz razdoblje skokovitog napretka. Danas se PM postupcima postiu jednaka ili bolja svojstva odtradicionalnih postupaka oblikovanja metala. Postupci oblikovanja praha danas se takoer primjenjujuu proizvodnji keramike i metalnih kompozita. Npr. ultrabrzo skruivanje prua nove mogunosti proirenja legiranja i proiavanja mikrostrukture, dobivanje prije nedostinih kompozita, amorfnih i kristalnih struktura. Mehaniko legiranje omoguava, izmeu ostalog, dobivanje disperzijski ovrstivih legura (ODS - "oxide-dispersion-strengthened" metalnih kompozita) za primjenu na povienim temperaturama. U ovom procesu se melje mjeavina metalnih prahova i vatrostalnog materijala kroz due vrijeme tijekom kojeg se vatrostalne estice lome i ukljuuju u metal. "Legirani" se prah zatim kompaktira, sinterira, i obino ekstrudira ili toplo valja. Ve su u uporabi ODS superlegure (npr. Inconel) proizvedene ovim nainom, a razvijene su i mehaniki legirane vrste aluminija. Postoji velik broj materijala i dijelova za koje postoje razlozi da se proizvedu upravo PM postupcima: tvrdi metali, vatrostalni metali, kompoziti frikcijski materijali, dijamantne brusne ploe, visokotemperaturno postojane legure, specijalne legure, porozni i neporozni klizni leaji i dr.

savremeni postupci izrade na gotovo konaan oblik (net shape i near net shape technologies)Jedan od osnovnih ciljeva ovih postupaka je visoka iskoristivost materijala, uz to manje primjenjenih operacija u procesu oblikovanja.Naelno se ovi postupci mogu se svrstati u tri kategorije:a) Konsolidacijski postupci za postizanje pune gustoe (vrue izostatiko preanje HIP, injekcijsko preanje metala MIM, oblikovanje metala u tjestastom stanju (semi-solid), hladno/vrue izostatiko preanje CHIP/HIP, kovanje praha;b) Nanoenje rasprivanjem (plasma spraying) i oblikovanje rasprivanjem (spray forming);c) Oblikovanje nadogradnjom brza izrada prototipova (Rapid Prototyping) i brza proizvodnja dijelova (Rapid Manufacturing npr. laserskim sinteriranjem). U tablici 1 usporeeni su postupci prerade praha prema nekoliko proizvodnih karakteristika.

Jedan od potencijalno vrlo zanimljivih postupaka za izradu dijelova u jednoj operaciji je proceslaserskog taloenja (sinteriranja) metalnih prahova sloj po sloj. Metalne estice se injektiraju u fokuslaserskog snopa ija je putanja raunalno voena u po tri osi. Putanja je odreena geometrijomtrodimenzionalnog modela izratka dobivenog oblikovanjem pomou CAD sustava. Od nekoliko postupaka oblikovanja u poluvrstom stanju (semi-solid) najpoznatiji je Thixomoulding Radi se o istiskivanju praha metala u kalup u tjestastom, poluskruenom stanju, to je slino injekcijskom preanju polimera. Postupak je najprije ispitan i uveden za Mg-legure, a mogu se oblikovati Al i Zn legure.

Tablica 1: Primjenjivost postupaka prerade praha(Ocjene: A - izvrsno, B - vrlo dobro, C dobro, D dovoljno, E loe; Trokovi: A - najnii; E najvii)

Jedan od potencijalno vrlo zanimljivih postupaka za izradu dijelova u jednoj operaciji je proceslaserskog taloenja (sinteriranja) metalnih prahova sloj po sloj. Metalne estice se injektiraju u fokuslaserskog snopa ija je putanja raunalno voena u po tri osi. Putanja je odreena geometrijomtrodimenzionalnog modela izratka dobivenog oblikovanjem pomou CAD sustava. Od nekoliko postupaka oblikovanja u poluvrstom stanju (semi-solid) najpoznatiji je Thixomoulding Radi se o istiskivanju praha metala u kalup u tjestastom, poluskruenom stanju, to je slino injekcijskom preanju polimera. Postupak je najprije ispitan i uveden za Mg-legure, a mogu se oblikovati Al i Zn legure.Prednosti ovog postupka jesu: poveana tonost i iskoristivost materijala u odnosu na tlano i preciznolijevanje, izostanak zavrnih operacija obrade, oblikovanje vrlo sloenih geometrija i tankih stijenki.Oblikovanje rasprivanjem ili postupak dinamikog kompaktiranja kapljica (LDC Liquid DynamicCompaction) rabi se za dobivanje ultrasitnih prahova iz rasprenog mlaza kapljica, za pripremuultrabrzo gaenih metala (amorfni metali), za oblikovanje poluproizvoda i izradaka realnih oblika idimenzija, ili za nanoenje prevlaka skeniranjem povrine podloge mlazom kapljica.Mikrostruktura dijelova oblikovanih rasprivanjem estica karakterizirana je jednolinom raspodjelom sitno dispergiranih konstituenata u odnosu na lijevano stanje. Visoki trokovi LDC postupaka ograniuju za sada iru primjenu. Posebno obeavajue PM tehnologije odnose se na oblikovanje nanostrukturiranih materijala iz prahova ija su zrnca promjera manjih od 1 mm. Trenutne primjene vezane su uz magnetske materijale, katalizatore, senzore i aktuatore, integrirane krugove, slojeve za toplinske zatitne barijere.4. PREGLED RAZVOJA METALNIH MATERIJALA

elici i eljezni ljevoviDananji ivot i proizvodnja nezamislivi su bez materijala na bazi eljeza, posebno elika, jer jenjegova proizvodnja i uporaba peterostruka prema ostalim tehnikim materijalima. Iako od sredine 70-tih godina prolog stoljea proizvodnja ostaje na gotovo jednakoj razini, oekuje se da e barem prvetreine 21. stoljea elici dominirati u proizvodnji i primjeni.Neke tendencije sadanjeg razvoja elika jesu: Poboljanje kvalitete u svim fazama dobivanja i prerade bitna poboljanja postignuta su upoveanju istoe i kontroli kemijskog sastava. Vakuumskim proiavanjem dobivaju seultraniskougljini (< 0,005% C) i visokoisti elici (suma pratilaca i ugljika ispod 70 ppm). Kontrolirano dodavanje elemenata za povienje rezljivosti; Raste udio postupaka sekundarne (lonaste) metalurgije; Razvoj i uvoenje metalurgije praha i mehanikog legiranja u proizvodnji elika i legura; Povienje udjela kontinuiranog lijevanja od 20 % ukupne proizvodnje u 1979. do 70% u 1987.godini ime se ostvaruju utede u materijalu i energiji; Termomehanika obrada kontinuiranim valjanjem doprinosi povienju vrstoe i ilavosti uzzadranu dobru zavarljivost elika; Uvoenje statistikog praenja i raunalnog upravljanja procesom smanjenje energije, potronjeferolegura i povienje kvalitete;Iako su mikrolegirani elici poviene vrstoe - HSLA ve desetljeima u primjeni, i dalje se istrauju mogunosti povienja ilavosti i optimiranje parametara zavarivanja. Kod toga se tei to iim elicima. Razvoj obuhvaa postupke kontroliranog ohlaivanja uz optimiranje kemijskog sastava.Posljednjih godina pojavljuje se niz podvrsta HSLA elika, posebno za dijelove automobila: bainitni,feritni, kovani ili hladno vueni mikrolegirani, viefazni (Mn-Nb-V ili Mn-Nb-Ti-Mo-B). elici s Cu s granicom razvlaenja od 550 do 900 MPa nalaze primjenu za vozila, cisterne i platforme za eksploataciju nafte i plina. Kombinacijama razliitih poznatih mehanizama ovrsnua usitnjenjem zrna, martenzitnom transformacijom, precipitacijom, povezano s deformacijom austenita postiu se najvie vrijednosti granice razvlaenja i vrstoe - ultravrsti elici. Od 1950. do danas najvei porast potronje imaju nehrajui elici, meu njima su najzastupljeniji austenitni. Smanjenjem udjela ugljika i neistoa, kontrolom legiranja da ne doe do izluivanja nepoeljnih precipitata, dobivaju se elici bolje otpornosti na jamiastu, napetosnu ili interkristalnu koroziju. Posebno se istrauju mogunosti povienja korozijske postojanosti u okolini H2 i H2S i to u industriji nafte i plina. Smanjenje segregacija S, P, C i Mn kao i tretman s Ca i rijetkim zemljama smanjuju opasnost od korozije zbog djelovanja H2 i H2S.U skupini korozijski i kemijski postojanih elika sve je vea uporaba visokolegiranih elika s Cr i sasnienim %C, tzv. superferitnih, koji su bolje hladne oblikovljivosti i jeftiniji od austenitnih Cr-Nielika. Udio neistoa i intersticijskih legirajuih elemenata je vrlo nizak. Austenitni elici snienog sadraja ugljika < 0,03 %C (Extra Low Carbon - ELC) imaju bolju otpornost na interkristalnu koroziju, zavarljivost i oblikovljivost od klasinih austenitnih elika. Povienje vrstoe i otpornosti na jamiastu koroziju kod austenitnih elika postie se dodacima duika. Novi duplex elici i elini odljevci, s mikrostrukturom od oko 50% austenita i oko 50% ferita, pokazuju dobru otpornost na napetosnu koroziju, jamiastu koroziju u kloridnim otopinama (morska voda) primjena za off shore platforme, petrokemijsku i procesnu industriju. Duplex elici s feritnom strukturom i otocima martenzita odnosno bainita pokazuju uz korozijsku postojanost i dobru hladnu oblikovljivost. Kod martenzitnih nehrajuih elika nastoji se smanjiti sadraj ugljika (tzv. mekomartenzitni elici) i uz to podesiti vrste i udjele legirajuih elemenata tako, da se zadri dovoljna vrstoa, snizi prijelazna temperatura ilavosti, povisi korozijska postojanost te pobolja zavarljivost. Precipitacijski ovrsnuti (PH) niskougljini nehrajui elici odlikuju se vrlo visokom vrstoom (Rp0,2 > 1000 MPa) uz dobru korozijsku postojanost.Kvalitetni alatni elici sve se vie proizvode metalurgijom praha (PM-elici). Ovi su elici veehomogenosti sastava i strukture, ponajprije u veliini i raspodjeli karbida. Pri jednakoj razini tvrdoeovi elici imaju veu ilavost kao i otpornost na toplinski umor. Znanstvenici predviaju vrlo dobru perspektivu nanokristalnih metala, dobivenih iz ultrasitnih prahova. Dobivene strukture imaju potpuno drugaija svojstva od klasinih materijala nia gustoa, vea toplinska rastezljivost, vei specifini toplinski kapacitet i dr. Usavravanje postupaka lijevanja i bolja kontrola procesa lijevanja dovodi do mogunosti lijevanja sloenih oblika uz manji otpad, viu kvalitetu i svojstva odljevaka slina svojstvima otkovaka. U nastojanju da se odupru konkurenciji Al i Mg odljevaka, ljevaonice sivog lijeva pokrenule su inicijativu za razvoj postupaka lijevanja tankostijenih odljevaka (< 2,5 mm debljine stijenke). Tlano injekcijski lijevan postupkom squeeze casting i nakon toga izotermiki poboljan nodularni lijev ADI (Austempered Ductile Iron) vrlo uspjeno zamjenjuje odljevke elinog lijeva zazupanike, lananike, koljenaste osovine, a iri se primjena i za druge dinamiki i triboloki optereenestrojne dijelove. Protugravitacijsko lijevanje rjeava problem formiranja oksida i raireno je za lijevanje Al-legura za automobilsku industriju. Napredak lijevanja velikim dijelom je potaknut razvojem raunalnih programa za simulaciju procesa skruivanja. Komercijalnim programima mogue je pratiti ispunjavanje kalupne upljine, predvidjeti mikrostrukturu, mikro- i makroporoznost, makrosegregacije, vrue pukotine, deformacije i svojstva odljevka.

ostali metalni materijaliPrimjena aluminija i njegovih legura iri se u graditeljstvu, proizvodnji vozila i za pakiranje, radimanje gustoe od elika, dobre korozijske postojanosti, sve boljih mehanikih i proizvodnih svojstava idobre reciklinosti. Od poveane primjene aluminijskih legura u automobilu oekuje se smanjenjemase za oko 40 % to bi omoguilo snienje emisije CO2 za oko 20 %. Kod vozila karakteristinidijelovi od Al-legura jesu: nosivi okvir, oplata karoserije, blok motora, kuita mjenjaa i diferencijala,lijevani naplaci, itd. Od legura najzastupljenije su toplinski ovrstljive Al-Mg-Si i zavarljiva Al-Zn-Mg, te hladno oblikovani limovi od AlMg i Al-Mg-Mn. Za potrebe zrakoplovne industrije posebno se intenzivno istrauju Al-Li legure. Al-Cu-Li i Al-Cu-Li-Mg konkuriraju najvrim legurama Al-Zn-Mg-Cu, s time da im je manja gustoa i vei modul elastinosti. Vrlo su obeavajue legure Al-Mg-Li. Daljnja poboljanja svojstava postiu se disperzijskim ovrsnuem esticama TiB2 ili ZrO2. Suvremeni postupci lijevanja i oblikovanja na gotovo konaan oblik proiruju podruja primjene Mgleguraza dijelove vozila (volan, naslon sjedala i dr.), motocikla, bicikla, tankostijenih kuita kamera,mobitela, prijenosnih raunala i sl., zamjenjujui polimerne materijale, Al-legure i elike. Uz malumasu Mg-legure pruaju i druge prednosti: dobru livljivost, visoku duktilnost, veu ilavost.Usmjerenom kristalizacijom postie se vea ilavost i trajnost lopatica plinskih turbina od Nisuperlegura. Rastom zrna u jednom smjeru snien je modul elastinosti, a time se smanjuju toplinskanaprezanja. Daljnji razvoj usmjerene kristalizacije rezultirao je postupcima dobivanja monokristalabolje vrstoe i vieg talita. Takoer, raste znaaj Ti-legura, proizvedenih PM tehnologijom, uz primjenu hladnog i vrueg izostatikog preanja. TiAl6V4 legura, proizvedena ili mjeanjem elementarnih prahova, ili pak u obliku predlegiranog praha, rabi se za proizvodnju ventila i kuglica ventila, za proizvodnju opreme za kemijsku industriju, za kirurke instrumente i implantate, za dijelove letjelica, oplate i stabilizatore na raznim projektilima, za aksijalne rotore i lopatice kompresora, te u automobilskoj industriji za razne dijelove odnosno njihove prototipove. Radi visoke sklonosti k upijanju kisika i duika pri visokim temperaturama Ti-legure se zatiuju fizikalnim nanoenjem (snopom elektrona) iz parne faze submikrometarski tankih slojeva aluminija i SiO2 koji pri visokim temperaturama reagiraju s titanom ime nastaju toplinski postojani spojevi silicida i aluminida.Metalne pjene sa elijastom strukturom imaju visoku poroznost (40...90% vol.), nisku specifinumasu, visoku krutost, dobro priguenje mehanikih vibracija i zvuka, negorivost, toplinska izolacijskasvojstva i dr. Najproireniji je proces metalurgije praha kod kojeg se smjesa praha i agensa za pjenjenje (obino TiH2) oblikuje u poluproizvode preanjem ili ekstruzijom i na kraju ugrijava blizu talita metala, ime se raspada agens i oslobaa vodik koji ekspandira i stvara poroznu strukturu. Izravno ekspandiranje u kalupu omoguuje dobivanje vrlo sloenih oblika. Metalne pjene su naroito prikladne za izradu sendvi konstrukcija vozila, letjelica i graevinskih elemenata, kao i za filtere, izmjenjivaa topline i sl. Razvoj je zapoeo s aluminijem i njegovim legurama (naroito Al-Si legure), a iri se na cink, olovo, broncu, elik, nikal (baterije), titan, zlato i srebro (nakit). Metalna stakla su amorfne metalne strukture karakterizirane metalnom vezom, s velikom elektrinom vodljivou, optikom reflektivnou, visokom vrstoom, tvrdoom i lomnom ilavou. Metalna stakla se dobivaju ultrabrzim gaenjem (104 do 106 K/s) rastaljenih estica od niza metala. Anizotropna struktura omoguuje lako magnetiziranje u odreenom smjeru i optimalna mekomagnetska svojstva s ekstremno niskom koercitivnou.U fazi razvoja je dobivanje Al, Ti i Mg-legura brzim skruivanjem, a takvi bi dijelovi trebali svojuprimjenu nai ponajprije u zrakoplovnoj i svemirskoj industriji, smanjujui teinu letjelica.Metalni kompoziti se uglavnom proizvode postupcima oblikovanja prahova, ali se taloenjem iz parnefaze mogu takoer dobiti slojeviti metalni kompoziti. Tijekom proizvodnje postoji opasnost kemijskihreakcija izmeu ojaala i matrice pa se npr. primjenjuje difuzijsko spajanje pri visokim tlakovima itemperaturama blizu talita. Matrice najee od Al-, Ti- i Mg-legura, a za primjene pri viim radnim temperaturama i Cu-legura. U metalnoj osnovi nalazi se sitno dispergirana nemetalna faza u obliku estica, viskera ili vlakana. Za vie radne temperature ojaala su od: SiC, Al2O3, B ili W, C, Ta, Mo.Ovrsnue precipitacijom prouava se ve niz godina, ali situacija se je bitno promijenila uvoenjemnovih PM postupaka za dobivanje mnogo finije rasprenosti nemetalne faze. Najnoviji napredakostvaren je kod matrica od Ti-legure, s ukljuenim TiC esticama, ime se poveava vrstoa privisokim temperaturama, povisuje tvrdoa i modul elastinosti. Razvijene su superlegure od brzo skruenog legiranog praha koji je HIP postupkom ili ekstruzijom kompaktiran i superplastino valjan u trakasti oblik. Takoer, valja istaknuti razvoj Fe-Ni-Co ODS superlegura niske toplinske rastezljivosti, te Ni i Ni-Cr legura s dispergiranim esticama ThO2. Metalno-keramiki kompoziti proizvedeni in situ smanjuju trokove i broj operacija oblikovanja te eliminiraju prevlaenje vlakana. Ovi su kompoziti termodinamiki mnogo stabilniji od klasino dobivenih MMC i imaju vrlo jednolinu raspodjelu vrlo sitnih ojaavajuih faza. Stoga se ovi procesi nastoje primjeniti za dobivanje nanokompozita.

5. INTERMETALNI SPOJEVI

Radi se o spoju dva elementa u pet moguih stehiometrijskih kombinacija. Neki od estih spojeva jesu: Ni3Al, Ti3Al, TiAl, NiAl, FeAl, Nb3Al, MoSi2, Cr2Nb... Danas u primjeni uglavnom nalazimo dva spoja nikal-aluminid i titan-aluminid. Intermetalni spojevi se odlikuju visokom otpornou oksidaciji pri temperaturama preko 1100 C, a osnovni nedostatak je niska ilavost.Ovi su materijali potencijalno zanimljivi za primjenu pri visokim temperaturama plinske turbine,svemirske letjelice i sl.

6. POLIMERNI MATERIJALI

Od svih tehnikih materijala polimerni biljee najvei rast proizvodnje (vie od 200 milijuna t) ipotronje. Danas postoji vie od 10 000 komercijalnih tipova polimernih materijala sve se vei broj upotrebljava u strojarstvu i tehnici openito. Radi ekonominosti i zahtjeva reciklinosti, broj razliitih temeljnih vrsta nastoji se smanjiti. Prednosti u primjeni ove skupine materijala jesu: mala gustoa, korozijska i kemijska postojanost, laka oblikovljivost, dobra klizna svojstva i druga specifina svojstva. Radi navedenih svojstava zamjenjuju metale, naroito Al, Cu i Mg legure i nehrajue elike. Masovni polimeri ine najvei dio proizvodnje i primjene iako se radi o samo nekoliko vrsta plastomera: poli(etilen) - PE, polipropilen - PP, polistiren - PS i poli(vinil-klorid) PVC. Sljedea skupina konstrukcijski polimerni materijali s boljim mehanikim i drugim tehnikim svojstvima, ali i s oko pet puta viom cijenom od obinih polimera. Meu najznaajnije konstrukcijske plastomere ubrajaju se: poliamid - PA, polikarbonat - PC, poliacetal - POM, poli(metil metakrilat) PMMA, stiren/akrilonitril kopolimer SAN, stiren/akrilonitril/polibutilen ABS, fluoro polimeri PTFE (Teflon), poli(etilen tereftalat) i poli(butilen tereftalat) - PET i PBT te polifenileneter - PPEmod i neke polimerne smjese. Najire polje primjene u tehnici zauzimaju PA, PC i ABS. Raste proizvodnja polimernih smjesa tzv. blendova koje donose nove kombinacije svojstava. Neke poznate smjese jesu: PC + PBT - izrada automobilskih odbojnika; PC + ABS (akril-butadienstiren)- potpuno prevladava za izradu kuita u bijeloj tehnici i elektronici, PA + PP ili PA (semikristalni) + PPO (polifenilenoksid), PPE + S/B (stiren/butadien) - dijelovi visoke ilavosti, dimenzijske i toplinske stabilnosti. Kombinacijama plastomera i elastomera dobivaju se nova svojstva za specifine primjene npr. elastoplastomerni poliuretan. Najvaniji duromeri su: alkidne, fenolne, amino i epoksidne smole, nezasieni poliesteri i poliuretani. Velike su mogunosti modificiranja duromera punilima, ojaalima i u kombinacijama s plastomerima i elastomerima. Poliesterske i epoksidne smole najee su matrice polimernih kompozita.Polimerni materijali posebnih svojstava odlikuju se visokom vrstoom, krutou, i ilavou, naroito pri dugotrajnom optereenju pri povienim temperaturama. Osim tih svojstava od njih se oekuje i visoka kemijska postojanost, mala dielektrina konstanta, niska gorivost i sl. Budui da je trajna temperatura uporabe osnovno ogranienje u primjeni polimernih konstrukcijskih materijala, istrauju se nove plastomerne vrste, koje imaju viu temperaturnu postojanost oblika od duromera. To su ponajprije sljedee vrste:- Poliaromatski polimeri: poli(fenilenoksid) PPS; aromatski polieter sulfon (PES); aromatski poliesteri; aromatski poliamidi (aramidi) npr. Kevlar; polieter(eterketon) PEEK; poli(arilketon) PAEK;- Poliheterocikliki polimeri: poliimidi PI; poli(benzimidazol) PBI;- Silikonski elastomeri;- Kapljeviti polimerni kristali (LCP) na bazi aromatskih kopoliestera s visoko ureenom strukturom u tekuem i vrstom stanju imaju bone mezogene skupine sa "samoojaavajuim" svojstvima. Osnovna svojstva LCP jesu: izvanredna toplinska stabilnost, vrlo visoka vrstoa i krutost, visoka dimenzijska stabilnost povienjem temperature, mala upojnost vode, male sklonosti gorenju, mali pad ilavosti snienjem temperature, izvanredna svojstva preradljivosti, i dr. Primjenjuju se u elektronici (npr. nosai SIMM memorijskih modula), optoelektronici (npr. dijelovi fotokopirnih aparata), medicini (zamjena za nehrajui elik za kirurke instrumente i za dijelove sterilizatora), te u ostalim ureajima za spremanje magnetnih, foto, termo i drugih informacija. Komercijalno je proizvedeno niz vrsta vlakana od LCP.

Za dijelove koji moraju odvesti statiki elektricitet, za elektronike komponente, zanimljiva je pojava elektrovodljivih polimera npr. poliacetilen ili poli(fenilen-vinilen. Neki elektrovodljivi polimeripokazuju fluorescentna ili piezoelektrina svojstva, ovisno o konformaciji lanaca molekula, pa kaotakvi ulaze meu pametne materijale. Posebno zanimljivo podruje je istraivanje novih vrsta nanokompozita. Dodaci anorganskih punila (oksida) nanodimenzija (< 100 nm) u polimere izazivaju sasvim nove efekte u strukturi. Istraivanja u tom smjeru trebala bi rezultirati novim vrstama hibridnih organsko/anorganskih kompozita - tzv. kerameri ili polikerami. Imaju prestina mehanika, optika, elektrika i elektrokemijska svojstva izmeu organskih polimera i anorganskog stakla Neki primjeri za to su: dodacima posebnih vrsta glina (bentonita) rasprenih u slojevima u polimernu matricu dobiva senepropusnost za vodu i kisik; ili dodacima nanoestica SiO2 u automobilsku gumu, umjesto ae,postie se manji faktor trenja i bolja reciklinost gume. Znaajni istraivaki napori usmjereni su na razvoj biorazgradljivih polimera (prirodno unitivih) - npr. na osnovi ili s dodacima kroba, celuloze, lignina, proteina, ili na recikline vrste polimera. Dijelovi od polimernih kompozita ojaanih vlaknima (staklenim, ugljinim, aramidnim, polietilenskim i dr.) su lagani a istovremeno vrsti te otporni na djelovanje niza agresivnih medija. Primjena polimernih kompozita je mnogostruka a najee slue za izradu djelova vozila i strojeva, zrakoplova, helikoptera, automobila (oklop "Formule 1" i motocikla), opruga, ovjesa, vretena alatnih strojeva, za sportsku opremu: jarboli i jedrilice, daske za jedrenje, skije, okviri bicikla, palice za golf, streljaki luk, ribiki tap, zatim u medicini: vanjski fiksatori, proteze, pomagala za hodanje, a takoer i za vojnu opremu kao to su kacige zatitni prsluci, djelovi oruja i sl.

7. TEHNIKA KERAMIKAPrema metalnim materijalima konstrukcijska keramika ima sljedee prednosti: viu tvrdoa, viu tlanu i savojnu vrstou, naroito pri povienim temperaturama, vii modul elastinosti - krutost, niu toplinsku i elektrinu vodljivost (bolja izolacijska svojstva), viu otpornost troenju, bolju kemijskupostojanost, niu gustou, niu toplinsku rastezljivost, dugoronija i sigurnija opskrba sirovinama. Opi nedostaci jesu: mala ilavost - visoka krhkost, niska otpornost toplinskom oku, niska vlana vrstoa, velika rasipanja vrijednosti za svojstva, visoki trokovi sirovina i postupaka oblikovanja. Prema primjeni, tehnika keramika se dijeli na konstrukcijsku i funkcionalnu (npr. elektrokeramika i biokeramika), a od nje se formiraju puni presjeci ili nanose slojevi. Kod izrade keramikih konstrukcijskih dijelova polazi se od finih prahova pomijeanih s vezivom, koji se zatim oblikuju razliitim postupcima preanja ili lijevanja u predoblik i konano sinteriraju pri visokim temperaturama (reakcijski - RB, uz vrue preanje - HP ili vrue izostatiko preanje - HIP). U primjeni su najzastupljenije sljedee vrste tehnike keramike: oksidna Al2O3, ZrO2, Al2TiO5, MgO, barijev titanat - BaTiO3, torijev oksid - ThO2, cirkonija ZrO2.xY2O3, alumina Al2O3xZrO2; neoksidna silicijev karbid - SiC, silicijev nitrid - Si3N4, bor-karbid B4C, SIALON (Si6-xAlxN8-xOx), kubni bor-nitrid-BN, WC, TiN, TiC, AlN, umjetni dijamant. Neki primjeri primjene u strojarstvu jesu: rezne ploice (Al2O3), vodilice i kotaii u tekstilnoj industriji (Al2O3), tanki slojevi na metalnim podlogama (ZrO2), cilindri i vodilice ventila, dijelovi pumpi za agresivne medije u kemijskoj industriji (Al2O3, i SiC), alati za vuenje i voenje ice i cijevi (ZrO2, HPSN), kuglini i klizni leajevi, dijelovi ventila izloenih eroziji (Al2O3, HPSN i SiSiC), brtveni prstenovi (SSiC i SiSiC), dijelovi filtera i izmjenjivaa topline (SiC), dijelovi turbina i motora - npr. rotor turbopunjaa od SSiC. Funkcionalne keramike se rabe za izradu senzora u kemijskoj i procesnoj industriji (kisikova sonda od ZrO2 u katalizatorima vozila i industrijskim peima i sl.), za aktuatore, za dijelove raunala, inteligentne prozore (slojevi oksida), za visokotemperaturne otpornike (SiC). "Pametna keramika" (npr. za senzore) reagira na vanjske utjecaje mehanike, elektrine, magnetske, toplinske, radijacijske ili kemijske. Istrauju se nove vrste supravodljivih keramika (Y-Ba-Cu-O ili Ta-Ba-Se-Cu-O) ili keramika s ionskom vodljivou: za izvore elektrine energije (baterije) - ZrO2 (Y2O3), SrCeO3 (Yb2O3), b-Al2O3 (NaO) i dr. Za dijelove elektronikih ureaja razvijaju se mjeoviti oksidi BaTiO3, SrTiO3, PbZrO3 i razliiti feriti. Primjena biokeramike je sve uestalija za kotane i zubne implantate. Pogodnim sastavom keramikog materijala moe se dobiti aktivna biokeramika kod koje dolazi do kemijskih reakcija u kojima se stvara veza izmeu kotanog tkiva i povrine materijala koji se ugrauje. Keramiki kompoziti su primjenjivi za mehaniki optereene dijelove pri najviim radnim temperaturama (to su npr. ugljik/ugljik kompoziti za dijelove svemirskih letjelica). Razvoj ovih vrsta kompozita je u vrlo ranoj fazi i postoji jo niz tehnolokih problema, te se njihova ira primjena oekuje tek za 10-tak godina. ilavost keramikom kompozitu povisuju vlakna na taj nain to se energija za irenje pukotine troi za lomljenje, odvajanje i izvlaenje vlakana iz matrice. to su vlakna tanja i mrena struktura bolje projektirana (3-D tkanje) to se moe oekivati ukupno bolja mehanika otpornost. Ovi su kompoziti tei za izradu od drugih jer su potrebne vie temperature i tlakovi a keramika matrica se tee prilagoava ojaalu od polimerne ili metalne.

8. POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAENJA POVRINAPostupci modificiranja i prevlaenja povrina primjenjuju se zbog povienja otpornosti na troenje, korozijske i kemijske postojanosti, radi dekorativnih razloga. Mogue je nanositi razliite metale, legure, keramike spojeve (karbide, nitride i okside) i sasvim nove kombinacije materijala, u jednom ili vie slojeva na metalne i nemetalne substrate. Koristei viekomponentne prahove dobivaju se sasvim neoekivana svojstva povrinskih slojeva. Osim za prevlaenje alata i dijelova strojnih elemenata, podruja primjene nalazimo u elektronici senzorika, folije, optoelektronici solarne elije, foto i laserske diode, optici, medicinskoj tehnici itd. U primjeni su najzastupljeniji postupci za nanoenje tankih slojeva taloenjem iz parne faze PVD (preko 50%), zatim kemijskim taloenjem iz parne faze CVD. U buduim se primjenama oekuje porast udjela modificiranja u plazmi i implantacije iona.Glavna primjena PVD tehnologije je prevlaenje alata od tvrdih metala (u Europi se vie od 10% tihalata prevlai s TiC ili TiN), a oekuje se i znatno proirenje primjene na drugim alatima. Ponegdje je ipreko 50% reznih ploica obraeno na taj nain. Od postupaka toplinskog natrcavanja oekuje se i dalje najvea zastupljenost nanoenja u plazmi, zatim natrcavanja u struji oksi-goriva velike brzine (HVOF) i natrcavanja icom s pomou elektrinog luka. Velika pozornost se poklanja optimiranju parametara procesa u plazmi kao i automatiziranju cijelog postupka. Za debljine od 0,05 do 1 mm rabi se natrcavanje u plazmi, a za vee debljine navarivanje prahom u plazmi uz dodatnu volfram elektrodu. Osim atmosferskog plazma natrcavanja sve se vie uvodi vakuumsko plazma natrcavanje, ponajprije za oplemenjivanje materijala osjetljivih na kisik (npr. Ti). Reaktivno natrcavanje u vakuumu koristi se za sintezu materijala ali i za modificiranje povrina (npr. ojaavanje NiCr slojeva s TiC). Od nedavno ovim se postupkom dobivaju DLC (Diamond Like Carbon) slojevi pomou Ar/H2 plazme, (DC plazma) koja se uvodi u struju metana. Laser se koristi za: povrinsko kaljenje, otvrdnjavanje usitnjenjem strukture, otvrdnjavanje rastaljivanjem, povrinsko legiranje i stapanje toplinski naneenih prevlaka ili traka.

9. "PAMETNI" MATERIJALIPod pojmom pametni misli se na materijale koji mjenjaju svoju mikrostrukturu i svojstva poddjelovanjem okolnih uvjeta (temperature, mehanikog naprezanja, kemijskog djelovanja, elektrinog ilimagnetnog polja, svjetlosti i dr.). Za prirodne materijale to nije novost drvo npr. je sposobno samo ojaati pod djelovanjem mehanikog optereenja ili ozdraviti ako doe do oteenja. Oko 100 godina poznat Hadfield-ov elik s 1% C i 12% Mn je prvi umjetan pametan materijal. Kod ovog relativno mekog austenitnog elika dolazi do otvrdnua uslijed lokalne transformacije u martenzit, a zbog visokih specifinih pritisaka pri trenju ili udaranju. Slian fenomen je poznat kod polipropilena gdje na vrku mikropukotine dolazi do plastinog preustroja molekula i zaustavljanja rasta pukotine. Slijedea faza razvoja obuhvaa materijale za senzore i aktuatore. Materijali za senzore su sposobni transformirati neku veliinu u drugo lake mjerljivo svojstvo. Aktuatori mogu izvesti pomake i/ili izazvati (podnijeti) optereenje, a mogu biti aktivirani promjenama magnetnog i elektrinog polja ili temperature.Feroelektini (FE) i feromagnetni (FM) materijali zajedno s legurama s efektom prisjetljivosti oblika(Shape Memory Alloy- SMA) imaju fazne transformacije pri niim temperaturama povezane spromjenom volumena i oblika kao i formiranjem domene strukture. Ovi efekti ograniuju veliinupromjene oblika (tablica 2). Piezoelektrini materijali (PE) su prikladni za senzore u uvjetimamehanikog optereenja i deformacija. Razvoj SMA legura zapoinje s legurama tipa Ni-Ti a kasnije se otkrivaju ternarne legure na bazi Cu: Cu-Al-Ni, Cu-Zn-Al i Cu-Al-Be (+ 0,5 %Si i male dodatke Cr, V, Mn ili Ti), kao i ostale legure na bazi eljeza. Ponaanje SMA odreeno je s tri mogua efekta prisjetljivosti oblika:a) jednosmjerni efekt (pseudoplastinost) nastupa prividna relativno velika plastina deformacija pod djelovanjem naprezanja. Budui da je deformacija posljedica martenzitne pretvorbe, zagrijavanjem dolazi do povratne pretvorbe i deformacija isezava;b) dvosmjerni efekt deformacija je posljedica promjene temperature, ali se legura prije mora izvjebati (nauiti);c) pseudoelastinost materijal se nakon strukturne transformacije izazvane naprezanjem znatno deformira pri konstantnom naprezanju. Nakon rastereenja deformacija u potpunosti isezava.

Za aktuatore se najee rabe SMA s dvosmjernim efektom jer promjena oblika nastupa pri ugrijavanju i pri ohlaivanju. Kod legura FeNiCoTi i FeMnSi fazne transformacije su povezane sa znaajnom promjenom volumena. One se koriste za primjene s jednosmjernim efektom, kao to su npr. cijevne spojnice, elementi za priguenje vibracija, ali ne za aktuatore gdje su nune opetovane transformacije. U Japanu se je pojavio nehrajui Cr-Ni-Mn-Si elik s efektom prisjetljivosti oblika za koji se predviaprimjena za spojnice cijevi, kvaice, zatvarae, opruge i temperaturne senzore, u agresivnoj okolini.Danas se sve vie istrauju i umreeni polimeri gdje se efekt pamenja oblika ostvaruje prekoformiranja dvostruke mree molekularnih lanaca.

Tablica 2: Usporedba karakteristika nekih vanijih materijala za aktuatore

U primjenu su najvie uvedene SMA legure i to za: elektrine spojnice i prekidae, termostate, opruge, spojnice cijevi za visoke tlakove, spajanje kompozitnih materijala, mobilne telefonske antene, ortodonske naprave, podupirae (stentove) unutar krvnih ila i prostate, vodee ice katetera, fiksatorekraljenice. Naredni cilj je izvedba inteligentnih struktura (konstrukcija) sa zadaom obavljanja posebnih funkcija pod utjecajem vanjskih podraaja - npr. pametni senzori i aktuatori ugraeni u mostove ili krilazrakoplova, lopatice rotora helikoptera, gdje mogu reagirati na prekomjerne deformacije ili pojavu pukotina, ili kao dijelovi razliitih biomedicinskih pomagala (npr. umjetna aka) i sl.

10. NEKA POSEBNA PODRUJA RAZVOJA MATERIJALA

biomimetriki materijali

Istraivanje sintetikih materijala na osnovi materijalne bionike spada u interdisciplinarno podruje izmeu biologije, kemije, konstrukcije (strojarstva) i medicine. Tijekom prirodnog evolucijskog procesa, neprestana selekcija doprinijela je tomu da dananji ivotni oblici na zemlji nude rjeenja koja su optimalno prilagoena odreenim funkcijama i uvjetima u okolini. Priroda nudi molekularne arhitekture za mnoge nove koncepte razvoja materijala. Iz prirode uimo kako iz jednostavnih i raspoloivih spojeva biolokim procesima nastaju sloene polimerno/keramike strukture visoke vrstoe, krutosti, tvrdoe i ilavosti, kao npr. oklopi, rogovi, zubi, bodlje ivotinja, paukova mrea itd. Radi se o nanostrukturiranim biolokim strukturama bez pogreaka. Na osnovi prouavanja i oponaanja sastava i strukture takvih sustava razvijaju se procesi umjetne sinteze oksida, sulfida i drugih spojeva u vodenim ili polimernim otopinama s ciljem dobivanja umjetnih kosti i tkiva (npr. ljudske koe), razgradljivih vlakana za ivanje rana, razliitih kompozita, membrana za dijalizu, funkcionalnih materijala (npr. nelinearna optika svojstva nanostrukturiranog kadmijevog oksida). Bioloki inicirani procesi odvijaju se pri sobnoj temperaturi i teko se mogu toplinski ubrzati. Zbog toga su brzine izdvajanja (taloenja) openito jako niske. U prirodi u naelu ima cijeli niz fizikalno/kemijskih efekata, koji se nude kao uzor tehnikim sustavima, ako npr. elektroaktivnost kod riba ili luminiscencija raznih ivotinja i manjih biljaka. esto priroda favorizira multifunkcionalna ili ak inteligentna rjeenja. Iako je do danas uspjelo teorijski razumjeti kompleksne fenomene fizikalnih, kemijskih osnovnih procesa, ipak treba obaviti jo mnogo istraivakog posla kako bi se mogli kopirati ta naela u biomimetikim materijalima. Za pretpostaviti je da e u skoroj budunosti genetiko inenjerstvo donijeti nove spoznaje, korisne i za upravljanje procesima nastajanja prirodnih obnovljivih i drugih bionikih materijala.

aerogeloviAerogelovi su visokoporozni materijali s ekstremno malom gustoom, koja je normalno izmeu 30 i 300 kg/m3. Dok je veliina pora kod standardnih poroznih materijala, kao to su spuve ili pjene zaizoliranje, u mikrometrima ili milimetrima, kod aerogelova se upljine mjere u nanometrima. U naeluse radi o nanostruktuiranim materijalima. Aerogelovi se mogu sastojati 99 % od zranih kanala, torezultira velikom unutarnjom specifinom povrinom. Klasini postupci stvaranja aerogelova, poznati su ve 60 godina, proizlaze iz tzv. sol-gel procesa kod kojeg iz tekue mjeavine (sol) raste amorfna, vrsta mrea (gel). U tako nastaloj gel mrei uskladitena je jo tekuina koja ekstrahira u nadkritinom stanju, pri visokom tlaku i temperaturi. Pri tome struktura gela ostaje nepromjenjena. U meuvremenu su se razvile vrlo sigurne varijante postupaka, koje omoguuju veu proizvodnju tih materijala. Pored najrairenijih aerogelova iz kremenog stakla, koji se baziraju na silicij-oksidu, danas se rabe drugi osnovni materijali kao to su aluminij-oksid, titan-oksid ili mjeani oksidi. Prije nekoliko godina je uspjela proizvodnja organskih aerogelova koji su u usporedbi s keramikim gelovima manje porozni i bolje zadravaju toplinu. Osim toga zagrijavanjem bez dovoda zraka (piroliza) mogu se problikovati u ugljine aerogele koji provode struju. Njihov razvoj jo je u relativno ranoj fazi. Praktino sve mogunosti za uporabu aerogelova baziraju se na njihovoj vrlo poroznoj nanostrukturi. Ona je odgovorna za nizak indeks loma, nizak modul elastinosti, nisku akustinu impedanciju i maluvodljivost topline. U pojedinim sluajevima je korisna i visoka optika transparentnost. Aerogelovi imaju u budunosti posebne izglede kao materijal za izoliranje topline. Poto silicij-oksidni aerogelovi teko gore i smiju se reciklirati, pogodni su kao nadomjestak za izolacijske pjene koje sadravaju freone, npr. za friidere. Prikladni su za pasivno koritenje sunane energije na zidovima kua ili kao krovni prozori jer proputaju svjetlo. Brzina zvuka u aerogelovima znatno nia nego u zraku i moe se mjenjati variranjem proizvodnih parametara. Taj efekt se moe iskoristiti kod podeavanja akustine impendancije na graninim podrujima (akustini antirefleksni slojevi). Zbog velike specifine povrine i lake ugradnje katalitiki aktivnih supstanci, aerogelovi imaju ogroman potencijal kao nosioci katalizatora za kemijske procese. U svemirskom prometu moe se koristiti kao lagani medij za spremanje goriva. Atraktivna je i mogunost ugljinih aerogelova kod izgradnje super kondenzatora s ekstremnom gustoom vodljivosti. Slaba strana aerogelova je relativno visoka osjetljivost na okolne utjecaje. Tako se moraju silicijoksidni aerogelovi uvati od vlage, jer je njihova mrea (kostur) zbog kemijske strukture takva da upija vodu.

dijamantiZbog kovalentne veze dijamant je izuzetno tvrd i kemijski postojan. Istovremeno je optikitransparentan i ima malu sposobnost stlaivosti i visoku toplinsku vodljivost. Sve znaajnije je neposredno prevlaenje povrina dijamantnim slojem. Tu se radi o raznim varijantama CDV postupaka (Chemical Vapour Deposition) kod kojih se ugljik iz plinskih ugljinih spojeva, kao to je metan ili acetilen, izdvaja pomou atomarnog vodika i na odgovarajuoj podlozi nastaju dijamantni slojevi. Jedini uvjet je da se substrat moe ugrijati na temperaturu viu od 600C. Razvoj takvih postupaka danas se koncentrira na daljnja poboljanja teorijskog razumijevanja kao i poveanja brzine taloenja i snienje temperature procesa. Na tritu je ve cijeli niz proizvoda prevuenih CVD dijamantnim slojem. U to spadaju npr. membrane zvunika, rezni alati, te kuglini leaji. Dijamant je pogodan i za optiku uporabu zbog svoje visoke transparentnosti kroz iroko podruje valnih duljina. Glavna primjena dijamantnih slojeva u elektronici je njihovo koritenje za sniavanje temperature elektronikih sklopova. Zbog dobre kombinacije kemijske postojanosti i visoke toplinske vodljivosti, dijamant je zanimljiv za elektronike dijelove i senzore, koji se mogu rabiti u agresivnim medijima pri znatno viim radnim temperaturama nego to je to sluaj kod silicijskih komponenti. Ovdje se krije velik trini potencijal.U usporedbi sa silicijem i drugim poluvodikim materijalima (galijev arsenid, indijev fosfid), dijamantima niz boljih svojstava, to omoguuje izradu integriranih krugova na osnovi monokristalnih slojevadijamanata s najveom vrstoom i probojnim naponom, kao i temperaturnim otporom iznad 700C(silicij do 200C). Pored toga takav dotirani dijamant ima jako dobru pokretljivost atoma i praznina(nasuprot galijevom arsenidu), dok isti dijamant ima dobra izolacijska svojstva. Tako se mogu zajednosa izvanrednom toplinskom vodljivou realizirati brze, visoko integrirani sklopovi do najveih frekvencija.

Fulereni i nanocjeviceFulerenima se oznauju velike molekule koje se sastoje iskljuivo od ugljika, a imaju prostorne, u sebi zatvorene kuglaste strukture. Najvaniji je predstavnik molekula C60 (Buckminster) u obliku nogometne lopte sastavljena od 12 peterokuta i 20 esterokuta. Ovaj fuleren ima promjer oko 0,7 nm a unutranjost je prazna. Fulerenske nanocjevice (tzv. nanotubes) promjera 1...10 nm i duine do 1000 nm pokazuju impresivna mehanika i elektrina svojstva. Vlana vrstoa je oko 10 puta via od vrstoe ugljinih vlakana a gustoa pola manja. Elektrina vodljivost je kao u bakra, a toplinska vodljivost tako visoka kao kod dijamanta. Za budua istraivanja novih materijala, na osnovi fulerena, zanimljivo je formiranje kaveza u koji bi se dodavali razliiti elementi i njihovi spojevi. Molekula C36 se istrauje kao osnova za supravodie. iroke varijacije svojstava mogu se ostvariti tijekom postupka proizvodnje a potencijalne primjene su za kemijske senzore, ultravrste kompozite, za tanke mree za prijenos informacija u bionikim materijalima itd. Strunjaci IBM-a intenzivno rade na primjeni nanocjevica u gradnji novih vrsta procesora, ali prve primjene oekuju za 10-tak godina. NASA smatra da bi istraivanja u smjeru dobivanja uporabivih nanocjevica mogla dovesti do revolucionarnih primjena u razliitim podrujim.11. ALUMINIJ (Al)-dobivanje aluminijaBudui da su aluminijevi spojevi rasprostranjeni i ine znaajan sastojak Zemljine kore, dostupni su, a aluminij se moe izdvojiti iz bilo kojeg od njih. Meutim, komercijalno se koriste samo boksiti koji sadre visok postotak (najmanje 50 %) aluminijevog(III)-oksida (AI2O3) uz istovremeno nizak sadraj silicijevog(IV)-oksida (do 3 %, a u nekim sluajevima do 10 %). Ime rude boksit potjee od Les Baux, mjesta u Francuskoj gdje je otkriven. Boksit je smjesa aluminijem bogatih minerala (bemita i dijaspora a katkad i hidrargilita), a od primjesa najvie ima silicijevog i eljezovih oksida. Crveni boksiti sadre 20-25% Fe203 i 1-5% SiO2, a bijeli boksiti do 5% Fe2O3 i do 25% SiO2. Da bi se ruda prevela u bezvodni Al2O3 (glinicu), potrebno ju je oistiti od primjesa. Primjenjuje se vie postupaka, a daleko se najvie upotrebljava mokri postupak po Bayeru otkriven 1889. g. U Bayerovom postupku fino samljevena ruda rainjava se u autoklavu pri temperaturi od 160-170C i tlaku 5-7 atm kroz 6-8 sati pomou 35-50%-tne otopine natrijeve luine. Nerainjeni ostatak kojeg tvore uglavnom eljezovi oksidi i nastali netopljivi spoj natrijev aluminijev silikat (Na2[Al2SiO6] x 2H2O) otpad je, poznat kao "crveni mulj" koji se odlae na posebna, samo za to izgraena odlagalita (iz tog mulja mogu se izdvojiti drugi pratei elementi). Iz vrueg filtrata iskristalizira se aluminijev hidroksid cijepljenjem otopine kristalima hidrargilita. Aluminijev hidroksid se arenjem u rotacijskim peima, na temperaturi iznad 1200C, prevodi u glinicu (Al2O3) koja se podvrgava elektrolizi. Pri Bayerovom postupku javlja se znaajan gubitak aluminija i osobito natrijeve luine zbog prisutnosti silicija pa je dobro da ga u rudi ima to manje. Elektroliza se provodi u elektrolitikim kupkama s grafitnim elektrodama. Bayerovim postupkom dobivena glinica otapa se u kriolitu Na3AIF6 radi snienja talita, tako da dobivena otopina ima talite oko 1000C, to je dvostruko manje od talita same glinice (postupak Heroulta i Halla). Aluminij se izluuje na katodi i pada na dno kupke, a na anodi se oslobaa ugljini dioksid. Sam kriolit ne sudjeluje u elektrolitikom procesu, a kako je njegova talina rijea od aluminija, pliva na povrini i titi aluminij od oksidacije. Dobiveni aluminij ima primjese drugih metala (titanija, bakra i cinka), a najvie silicija. Daljnje proiavanje vri se pretaljivanjem aluminija u otpornim ili induktivnim elektrinim peima tako da se talina aluminija dri nekoliko sati na temperaturi - 700C kako bi primjese isparile ili isplivale na povrinu, a proieni aluminij isputa se na dnu. Za dobivanje aluminija visoke istoe provodi se naknadna elektrolitika rafinacija.

-svojstva i upotreba aluminija Aluminij je srebrnobijel, mekan, relativno krt i sjajan metal. Lagan je, moe se kovati, valjati u vrlo tanke listie i izvui u fine niti. Po plastinosti je trei, a po kovnosti esti od tehniki vanih metala. Dobar je vodi topline i elektrine struje. Iako spada u skupinu neplemenitih metala, vrlo je otporan prema utjecaju korozivnih tvari kao to su voda, duine kiseline, mnoga organska otapala, te atmosferski utjecaji. Uzrok postojanosti je stvaranje tankog oksidnog sloja na povrini metala koji se ne ljuti i titi metal od daljnje oksidacije. Umjetno pasiviziranje povrine vri se postupkom elektrolitike oksidacije poznate pod tehnikim nazivom eloksiranje. Aluminij nije otrovan. ali nema niti posebnu bioloku funkciju. Ve pri sobnoj temperaturi se lako otapa u luinama pri emu nastaju aluminati, i u neoksidirajuim kiselinama kada nastaju soli. Sposobnost otapanja elementa u kiselinama i luinama naziva se amfoternost. Zahvaljujui navedenim svojstvima aluminij ima vrlo iroku primjenu u graevinarstvu, metalurgiji, strojogradnji i velikom broju drugih djelatnosti. Sam elementarni aluminij ima znatno uu primjenu jer je mek i krt. Elementarni aluminij koristi se npr. za naparivanje na glatke plohe gdje stvara visokoreflektirajui sloj - gotovo idealno zrcalo, pa se koristi kao nanos na teleskopskim zrcalima i drugim reflektirajuim plohama. Kao tehnoloki metal aluminij se prvenstveno koristi legiran s drugim metalima. Obino su to viekomponentne legure u kojima su drugi metali u manjim koliinama, a tvore vrstu otopinu s aluminijem ili su dispergirani u sitnim esticama. Postoje dvije skupine legura aluminija: ljevne i kovne. Radi poboljanja ljevnih svojstava, aluminiju se dodaje silicij, bakar ili magnezij, pojedinano ili u kombinaciji. Ove legure imaju vrlo dobra mehanika svojstva i lagane su, pa se koriste u izgradnji strojnih dijelova, zrakoplova i svemirskih letjelica. Kovne aluminijeve legure sadre bakar, magnezij, mangan, a ponekad cink i nikal. Pogodne su za izvlaenje i preanje. Posebno su vani durali kod kojih je termikim postupkom brzog hlaenja kod legiranja zamrznuta metastabilna faza vrste otopine legirajuih elemenata. Time su "zamrznuta" zaostala unutranja mikronaprezanja koja daju veliku vrstou na makroskopskoj skali. Velike koliine aluminija koriste se za izradu industrijske ambalae u obliku folija, zatvaraa, spremnika hrane i biljnih proizvoda, a takoer i za izradu kuhinjskog pribora. U graevinarstvu se koristi u velikim koliinama u obliku panela, ploa, pokrova i profilnih elemenata najrazliitijih oblika. Prvenstveno se koristi za oblaganje zidova i fasada zgrada (u kombinaciji sa staklom), za izradu pokrova i okvira u formi aluminijske graevne galanterije (prozora, vrata i sl.) U elektrotehnici aluminij slui za izradu dalekovodnih i telefonskih vodova, za zatitne oplate raznih namjenskih i specijalnih kablova te za podnoke elektrinih arulja. Velike koliine legiranog aluminija visokih mehanikih svojstava koristi strojogradnja i industrija transportnih sredstava, od automobila do zrakoplova. Za izradu zrakoplova aluminij je danas nezamjenjiv materijal, posebno nakon usvajanja novih tehnika varenja i spajanja aluminijskih elemenata. Osim navedenih najvanijih, stotine dananjih proizvoda sadre aluminijske elemente u svojoj grai.

-spojevi aluminija Aluminij tvori spojeve u kojima ima samo oksidacijski broj +3. Najvaniji spojevi aluminija u prirodi su razni mijeani hidratizirani sulfati (alauni), alumosilikati (boksiti i zeoliti), a osobito oksidi i hidroksidi. Najvaniji spojevi aluminija svakako su aluminijev hidroksid (Al(OH)3 kao mineral hidrargilit) i aluminijev oksid (glinica, korund). Aluminijev hidroksid (Al(OH)3) bijela je ili ukasta elatinozna masa ako se dobije taloenjem iz otopina aluminijevih soli amonijakom (u tom sluaju je amorfan i hidroliziran), a u prirodi postoji kao mineral hidrargilit monoklinske strukture. Iz amorfne mase kristalizira (bre ako se grije) najprije u rompski bemit (AlOOH) koji prelazi u metastabilni bajerit, Al(OH)3 a na kraju prelazi u stabilni hidrargilit. Pored hidroksida postoji i aluminijev metahidroksid, AlO(OH), koji postoji u dvije modifikacije - kao dijaspor i bemit, oba rompske strukture. Aluminijev oksid (Al2O3) javlja se u vie kristalnih struktura (afa, beta i gama). y - Al2O3 nastaje arenjem hidroksida na srednjim temperaturama (preko 400C) i ima defektnu strukturu spinela. Ima veliku mo adsorpcije pa se koristi kao katalizator u proizvodnji umjetnog dragog kamenja (npr. korunda ili rubina). Obino se naziva i aktivni korund. Najstabilnija i najvanija je heksagonska struktura (alfa - Al2O3) zvana korund. Dobiva se arenjem hidroksida ili gama - Al2O3 na temperaturi vioj od 1100 C. isti korund je vrlo tvrd bezbojan mineral koji se jo naziva i hijalin i leukosafir. Talite mu je pri 2045C i kemijski je izuzetno inertan. Ako sadri male koliine drugih metala obojen je i poznat kao drago kamenje: rubin (crveni), safir (modri), orijentalni topaz (uti), orijentalni ametist (ljubiasti) i orijentalni smaragd (zeleni). Aluminijev oksid je tvrd, kemijski i termiki vrlo otporan materijal te se koristi kao abraziv i vatrostalni materijal u staklarskoj industriji i naroito za dobivanje visokovrijednih keramika postupkom sinteriranja praha. Keramike mogu biti isti sinterirani Al2O3 ili sinterirana smjesa Al2O3 i drugih materijala (ZrC, ZrO2, SiC), a upotrebljavaju se za elemente i dijelove postrojenja koji su izloeni ekstremnim uvjetima temperature, tlaka, naprezanja i kemijskih utjecaja. Primjeri primjene su rezni alati, automobilske svjeice, mlaznice mlaznih motora i drugi. Posebna vrsta alumosilikata su zeoliti. Postoji pedesetak prirodnih i preko 150 umjetnih vrsta, a zbog svoje jedinstvene strukture oblika kristala koji sadre upljine povezane kanalima upotrebljavaju se kao kationski izmjenjivai (za uklanjanje tekih metala iz otpadnih voda, amonijaka iz vode za pie, radioaktivnih kationa iz otpadnih radioaktivnih tekuina), katalizatori (za kreking nafte, razne selektivne reakcije u organskoj kemiji, konverzija duikovih oksida u ispunim cijevima motora), te kao adsorbensi vlage i molekulska sita (koja slue za izdvajanje istovrsnih molekula iz smjese razliitih). Zahvaljujui navedenim svojstvima, neki zeoliti (zeolit A, zeolit X, zeolit P1) upotrebljavaju se umjesto fosfata u sredstvima za pranje koja popularno zovemo ekolokim deterdentima. Ona su vrlo znaajna u dananje vrijeme velike ekoloke brige jer nisu bioloki aktivna te puno manje oneiuju okoli.

-dodatno o aluminijuAluminij je najzastupljeniji metal na Zemlji. U odnosu na druge elemente, po koliini, nalazi se na treem mjestu, odmah iza kiseonika (47%) i silicijuma (28%). Zbog svoje reaktivnosti, ne postoji kao samorodni (slobodan) metal, ve je tijesno povezan sa drugim elementima pa se veina njegove mase na planeti nalazi se u aluminosilikatima. Ovo ne vai sa Zemljin satelit Mjesec. Mjesec nema atmosferu a u uzorcima njegovog tla naena su zrnca istog aluminija.

Rubin

Mnogi minerali koji sadre aluminij spadaju u drago ili poludrago kamenje Korund (Al2O3)je veoma tvrd, bezbojan i prozraan a primjese drugih metalnih oksida ine ga razliito obojenim. Crveni varijetet je rubin, obojen primjesom hroma. Plavi safir je obojen primjesama gvoa i titana. Orijentalni topaz je ut, a orijentalni ametist ljubiast. Orijentalni smaragd je zelen. Pored ovih varijeteta korunda, tu su i drugi minerali koji sadre aluminij: akvamarin (Be3Al2Si6O18) - svijetloplav do zelen, andaluzit (Al2SiO5) - od bezbojnog preko svijetlocrvenog do braun i zelenog, smaragd (Bc3Al2Si4O18) - od zelenog, tirkizno plavog i plavo zelenog, topaz boje meda, ultramarin (Na4Al3Si3S2O13)- od berlinsko do nebesko plavog. Nalazi se i u mineralima koji imaju industrijsku primjenu, kao to su: boksit (Al2O3), liskun (K2H4Al6Si6O24), alumosilikat zeolit...

Tirkiz

U Francuskoj je, u prvoj polovini 19. vijeka, vladao car Napoleon III, mali neak velikog strica, kako su ga zvali. Da bi zasjenio okolinu, priredio je banket na kojem su lanovi carske porodice i najuvaeniji gosti jeli priborom od aluminija. Ostali su morali da se zadovolje zlatnim priborom. Kasnije, taj isti car je potroio silno zlato da bi svojoj linoj gardi napravio oklope od aluminija.

vrsta sjedinjenost aluminija u stijenama i mineralima uslovila je njegovo relativno kasno pojavljivanje u svojstvu istog metala. Prije nepunih dvjesta godina. 1827, njemaki hemiar Veler, na osnovu radova svog pretee Ersteda, objavio je metodu dobijanja novog metala, posle niza bezuspjenih pokuaja najpoznatijih hemiara toga doba (Bercelijus, Dejvi). Osobine novog metala bile su iznenaujue, ime je interes za njegovu proizvodnju naglo narastao. Nain dobijanja bio je veoma sloen. Dobijan je dejstvom metalnog aluminija na bezvodni aluminij hlorid. Tom prilikom izdvajali su se otrovni gasovi pa su prve koliine dobijenog aluminija bile daleko skuplje od zlata! Aluminij je srebrnasto sjajan i lagan metal, oko tri puta tei od vode i otprilike isto toliko laki od gvoa ili bakra. Elektroprovodljivost mu je vrlo visoka. Po toj osobine nalazi se odmah iza srebra i bakra. Izuzetno je istegljiv i moe da se izvue u icu duine preko 1000 m, teine samo 27 gr. Jedini nedostatak mu je mala vrstoa. Taj nedostatak je reen dodavanjem drugih metala, ime su dobijene legure izvanrednih osobina. Mada je vrlo reaktivan, veoma je otporan na koroziju na vazduhu se odmah prekrije opnom oksida debljine 0,0001 mm, koja ga titi od dalje oksidacije. Deblje i vre opne mogu da se dobiju elektrohemijskim postupkom anodne oksidacije, to se naziva eloksiranje. ist aluminij reflektuje 90% svijetlosti koja padne na njega, i to ne samo vidljivog ve i ultraljubiastog i infracrvenog dijela spektra.

Smaragd

Aluminij i njegove legure koriste se u raznim granama industrije. Uz vazduhoplovstvo, tu je proizvodnja automobila i kamiona, vagona i brodova, izrada raketa, satelita i svemirskih stanica Lagane metalne konstrukcije u graevinarstvu danas se ne mogu zamisliti bez aluminija. Prehrambena industrija je takoer vaan korisnik ovog metala jer je poznato da on ne unitava vitamine u namirnicama. Ogledala najveih teleskopa prekrivena su tankim slojem aluminija, a proizvedena je i specijalna tkanina prekrivena aluminijem, koja zimi grije a ljeti hladi, u zavisnosti od toga kako je okrenuta. Penoaluminij je materijal dobijen specijalnim postupkom - veoma je vrst i pet puta laki od vode! Osim primjene aluminija i njegovih legura u industriji, veoma se koriste i njegova jedinjenja. Aluminij sulfat je neophodan u procesu preiavanja pijue vode i u proizvodnji papira. Stipsa (alumen) po kojoj je aluminij i dobio ime poznata je od davnina Po Herodotu, grkom historiaru iz 5. vijeka pijre nove ere, drevni narodi su pri bojenju tkanina, da bi uvrstili boju, upotrebljavali kamen koji su zvali alumen, tj. vezujui.

Lazurit

Sintetiki aluminij oksid korund, zbog svoje velike tvrdoe, upotrebljava se za bruenje, sjeenje i poliranje. Posude od aluminij oksida upotrebljavaju se za topljenje metala poto im je taka topljenja veoma visoka (preko 2000 stepeni). Alumosilikati, poznati pod nazivom zeoliti, imaju veliku ulogu u izmjeni jona pa se upotrebljavaju u industriji deterdenata, mineralnih ubriva, preiavanju gasova, vode i organskih jedinjenja. Liskun je sjajan, srebrnkast i providan mineral, slojevite strukture koja moe da se lista u veoma tanke slojeve. Poto je izvanredan elektro i toplotni izolator, primjenjuje se u elektrotehnici, a od njega se prave i prozori za pei. Soli aluminija sa viim masnim kiselinama, aluminijumski sapuni upotrebljavaju se u industriji maziva, u proizvodnji plastinih masa i vojnoj industriji. Aluminij je obiljeio 20. vijek. Odletio je i u svemir. Sa amerike kosmike letjelice pionir 2 poslata je pozlaena aluminijska ploa na dalek put. Na ovoj Zemljinoj vizit-karti ugravirana je simbolina slika koja bi trebalo da predstavnicima drugih civilizacija pria o naoj planeti. Poslije bakarnog, bronzanog i gvozdenog doba, oigledno je da se nalazimo u aluminijskom dobu. Elektroliza prije nove ere? I pored ogromnog interesovanja za novi metal, na njegovu komercijalnu proizvodnju dugo se ekalo. Godine 1886. razraen je elektrolitiki metod dobijanja aluminija (ni danas, vie od jednog vijeka kasnije, dobijanje aluminija ne moe se zamisliti bez elektrolize). Aluminij se dobija elektrolizom rastvora boksita u istopljenom kriolitu. Proces se izvodi u specijalnoj elektrinoj pei u kojoj temperatura dostie hiljadu stepeni. Za dobijanje jedne tone aluminija potroi se oko 20.000 kilovat-asova elektrine energije. Zbog toga ostaje zagonetna injenica da su, u grobnici kineskog vojskovoe Dou Duna, koji je umro krajem 3. vijeka n.e. pronaeni ornamenti napravljeni od legure koja sadri 85% aluminija! Nevjerovatna je i pria koju je zabiljeio Plinije Stariji, prije gotovo dvije hiljade godina Rimskom imperatoru Tiberiju neki majstor donio je na poklon au izraenu od blistavog i neobino lakog metala. Majstor je objasnio da je taj metal dobio iz gline. Tiberije se uplaio da e novi metal smanjiti cijene zlatu i srebru pa je naredio da se majstor ubije a njegova radionica razrui. Da li su stari majstori znali za neki drugi nain dobijanja aluminija, bez upotrebe elektrine energije koja tada, koliko se zna, nije postojala, ostaje tajna. Zanimljiva je i reenica koju je u svojoj knjizi Rat svjetova napisao poznati pisac naune fantastike H.D. Vels :Od zalaska sunca do pojave zvijezda, ova spretna maina je direktno iz gline pravila vie od stotinu aluminijskih traka.12. DURALMINIJ

Duraluminij je legura aluminija, bakra i magnezija. Legure aluminija su se kao konstruktivni materijal u zrakoplovstvu poele koristiti ve krajem 19. stoljea poznate pod imenom Schwarzov aluminij. Zbog male vrstoe isti aluminij se ne moe koristiti pri izradi noseih elemenata konstrukcije. Zato ga treba legirati, odnosno dodavati razne druge metale koji e poboljati mehanike osobine osnovnog elementa, tj. aluminija. Kao elementi za legiranje uglavnom se dodaju: bakar, cink, silicij, magnezij, nikal, krom, eljezo itd. Najei elementi kojima se legira aluminij su bakar i magnezij. Kao isti element aluminij se moe upotrijebiti za cjevovode instrumenata (danas se koriste polivinil crijeva) i razne kapotae (pokrovi otvora na oplati zrakolova za servisiranje). Poslije termike obrade konane osobine legure ne dobivamo odmah ve nakon nekoliko dana, u zavisnosti od tipa legure. vrstoa na lom raste s vremenom i s temperaturom arenja (starenje). Iz duraluminija se mogu izraivati cijevi, ipke, limovi, trake itd. vrstoa na lom poslije starenja, u zavisnosti od tipa legure i naina termike obrade, dostie veliinu do 50 kp/mm2. Po osobinama obradivosti, ove su legure vrlo zahvalan materijal. Mogu se lijevati, tiskati, kaliti, strojno obraivati, zavarivati, valjati ili izvlaiti. Upotrebljavaju se za izradu kompletnih ramenjaa, preanih profila, rebara, okvira, oplate, cijevi i zakovica.

13. ALUMINIJUMSKE LEGURE U AUTOINDUSTRIJI

Skromno, kako samo to automobilska industrija zna, u proizvodnju na sporedna vrata ulaze novi materijali. Njima se tedi na ukupnoj masi vozila, ali i poveava trajnost nekih komponenti

Teko je rei tko je prvi zapoeo, moda je malo lake procijeniti ko je dao najvie doprinosa u pogledu ulaska novih tehnologija i materijala u svijet industrije automobila. Metal je, tradicionalno, bio osnovom svih konstrukcija i premda pod tim pojmom podrazumijevamo razliite materijale, elik je gotovo u pravilu dominirao gotovo cijelo stoljee. Sada u cijelu priu sve vie ulaze novi materijali, bilo da je rije o doraenim legurama tradicionalnih, ili sintetikim proizvodima.

Kada nekoga pitate to bi mu prvo palo na pamet pod idejom lakih materijala u autoindustriji, odgovor e gotovo trenutno i u veini sluajeva biti - karbon. Ali taj umjetni kompozit nevjerojatno vrijednih svojstava tek je jedan od (za sada jo uvijek manjih) dijelova prie o laganim materijalima koji polako, sve vie, pronalaze svoj put do modernih automobila. Prednosti primjene ovakvih materijala su jasne i svode se prvenstveno na utede na ukupnoj masi vozila (posredno i na potronju goriva te ekoloku prihvatljivost, ali i na performanse), trajnost te u konanici, poveanu mogunost recikliranja (ovisno o materijalu).

General Dynamics F-16 (Fokker)

Plastika za mase

Koji je glavni razlog sporog ulaska novih materijala u automobilsku industriju? Pogaate, radi se o cijeni istih. Jednostavnim ekonomskim gledanjem, brzo nam postaje jasno kako se ne radi iskljuivo o cijeni proizvodnje samih materijala, ve o injenici da su u proizvodnji zastupljeni u veoma malim koliinama. To je prvenstveni razlog relativno visoke cijene npr. kevlarskih vlakana, kompariramo li ju s cijenom elika koji se proizvodi masovno i koji je ve vie od stoljea u irokoj primjeni. Cinici bi sada mogli rei da e sa sve rairenijom upotrebom materijala iz kineskih eliana svijet metalnih automobila ubrzo nestati, no ostavimo se politike. Barem ovom prilikom.

Najnaprednija grana industrije, na tugu ljudskog roda, oduvijek je bila ona vojna. Tako su ve za vrijeme drugog sv. rata primjenjivana rjeenja koja mi jo uvijek doivljavamo kao neka moderna uda (100-oktanski benzin bio je ve tada normalna pojava i supermarineov Spitfire velik dio svog uspjeha duguje upravo tom gorivu koje je omoguilo ugradnju motora koji je bio laki od onih u konkurentskim letjelicama za oko 100 kg).

Noryl: Renault Clio II (1998.)

Jednako tako se svi kojima je brada ve nekoliko godina bijela, dobro sjeaju sredine 1970-ih kada je ameriki General Dynamics buno najavio svoj novi lovaki avion (postat e to legendarni F-16), letjelicu ije su mnoge vanjske povrine napravljen od kompozita. No, mi smo obini smrtnici, mogli samo gledati visoko u zrak i diviti se to sve mogu strojevi napravljeni od tih, tada relativno novih, materijala.

Kevlarsko vlakno, debelo poput ljudske kose, teko ete potrgati rukama. Prvi susret s novim materijalima, za veinu prosjenih ljubitelja automobila na starom kontinentu, nije se sveo na takvo to. Jedan od prvih automobila koji su doveli nove materijale u svijet masovne proizvodnje bio je renaultov Clio II iz 1998. s prednjim blatobranima napravljenim od Noryla, materijala koji je razvio General Electric 1966. Rije je o, relativno savitljivoj, plastici ija je velika prednost u injenici da se nakon lakih udaraca vraa u poetni oblik. Takoer, ovakav je blatobran laki od metalnog te u potpunosti otporan na koroziju.

Audi A2: Aluminium Space Frame (ASF)

Metali se ne predaju

I dok su umjetni materijali (prvenstveno razne varijante "plastike"), za sada skromno, pokazali kako bi mogla izgledati budunost automobila, metal je i dalje najee koriteni materijal u svim moguim varijantama ove prie. Jedan od vienijih lakih metala na automobilima svakako je aluminij (odn. njegove legure ija je specifina teina manja od one istog Al) ija je primjena u automobilskoj industriji sve ea, no jo uvijek relativno skromna (spomenimo da u 21. stoljeu postoji tek nekoliko automobila potpuno aluminijske konstrukcije u serijskoj proizvodnji, dok su se legure ovog metala koristile za izradu letjelica ve nairoko u 1930-ima). I tako, u svoj svojoj inertnosti, automobilska industrija koristi aluminij najee u izradi high-end vozila. Dodue, bilo je i drugaijih pokuaja.

Vjerovatno najpoznatiji aluminijski automobil zauvijek e ostati audijev A2 koji je bio oajno skup i ija je loa prodaja zaustavila produkciju negdje na polovini planiranog proizvodnog ciklusa. No, ovaj automobil nije sam prema sebi bio skup. Visoku cijenu donijela je prvenstveno tehnologija izrade automobila od aluminija, koja je jo uvijek skuplja od one u kojoj koristimo elik. Takoer, dolo je do paradoksa kod ovog automobila ija je karoserija 100% reciklabilna i time veoma ekoloki prihvatljiva. Naime, komplicirani proizvodni proces troio je toliko vie energije da je u konanici pozitivni ekoloki uinak posve izgubljen.

Modularni automobil: koncept Lotus APX

Najnoviji "krik" upotrebe aluminija dolazi nam iz jedne druge zemlje, usamljene na svom otoku u hladnim morima Europe. Naime, strunjaci iz engleskog Lotusa predstavili su konceptni automobil APX koji se, pored aluminijske konstrukcije, odlikuje i veoma modularnom shemom. S napretkom proizvodnih metoda, samonosiva karoserija vie ne predstavlja imperativ za masovnu proizvodnju i ovakav bi se auto prema tvrdnjama iz Lotus Engineeringa, mogao pokazati veoma supjenim u produkcijskim razmjerima od oko 50.000 primjeraka godinje.Konstrukcija Lotusa APX garantira jednostavno postavljanje razliitih karoserija na istu platformu ime je, bez mnogo zadiranja u proizvodni proces, mogue na zajednikoj platformi napraviti nekoliko razliitih modela automobila. Dakako, osnovu konstrukcije APX-a ini aluminij koji je spajan lijepljenjem, zakovicama i samoreznim vijcima. Ovime se, pored ostalih prednosti koje prua aluminij, smanjuje i udio zavarivanja u proizvodnji automobila, a time i trokovi.

Opel Zafira B (2005.)

Tanki lim - nova perspektiva elika

Jo jedan nain utede na masi, bez kompromisa prema pitanju mehanikih svojstava, koristi prilino uobiajeni materijal - elik. Rije je o tehnologiji koju je razvio Opel za poklopce motora, o tankim elinim limovima. Tako nova generacija jednovolumena Zafire ima poklopac motora napravljen od pocinanog elinog lima debljine od samo 0,6 mm za vanjsku povrinu te od 0,5 mm za unutranju profiliranu povrinu (uobiajena debljina lima iznosi oko 1,5 do 2 mm).

Opel tvrdi da je tako napravljen poklopac motora laki od konvencionalnog za oko 3,1 kg, odnosno 30-ak posto. Uz to, tvrtka iz Rsselsheima je uspjela postii da trokovi proizvodnje tanjih elinih limova nisu vii od trokova proizvodnje onih konvencionalne debljine. I konano, novi poklopac motora na Zafiri, zahvaljujui posebnoj profiliranoj unutranjoj konstrukciji te svojstvima nove vrste elika, ima veu torzijsku vrstou od konvencionalnog za oko 160%.

Honda Legend (2006.)

Prednosti i utede u proizvodnim procesima

Kako smo ve zakljuili, lagani materijali poput aluminija ne donose iskljuivo utedu na masi vozila. Utede u smislu trokova proizvodnje takoer su znaajne jer ovaj materijal omoguava primjenu novih tehnologija obrade, a samim time i manju potronju energije u nekim sluajevima. Takoer, prednosti materijala poput aluminija odlikuju se u mogunosti izrade dijelova automobila boljih svojstava. Pored novih naina spajanja aluminijskih povrina primijenjenih na lotusovom konceptu APX, jedna zanimljiva prednost ovog metala iskoritena je u Hondi.Ovaj je japanski proizvoa za novu generaciju limuzine Legend razvio poseban nain preanja aluminijskog lima koji se koristi za izradu poklopca motora i prtljanika te prednjih blatobrana. U tom se procesu aluminijski lim zagrijava na temperaturu od 500 C u grijanom kalupu. Nakon to je lim zagrijan, na njega djeluje medij pod visokim pritiskom (najee ulje ili inertni plin, ovisno o veliini lima) i oblikuje dio prema kalupu. Cijeli ovaj proces odvija se u nekoliko sekundi, a u Hondi tvrde da se njime ostvaruje bolja kvaliteta povrine nego li kod klasinih naina preanja limova.

Mercedes-Benz

Mistika ugljinih i kevlarskih vlakana

Pria koja ponajvie uzbuuje matu kada govorimo o laganim materijalima u automobilskoj industriji svakako je ona o karbonu i kevlaru. Rije je o sintetikim materijalima koji se proizvode u obliku veoma tankih vlakana koja se potom pletu u tkaninu, ubacuju u kalup te zalijevaju u epoksid (epoksidna smola) ijim otvrdnjavanjem dobivamo iznimno vrst i lagan materijal. Dijelovi napravljeni od ugljinih vlakana su oko 5 puta vri od onih napravljenih od elika (prema volumenu su i jeftiniji), uz to imaju i znatno manju masu. Kevlar, koji takoer dolazi u obliku vlakana, odn. pletiva, osmislili su Stephanie Kwolek i Herbert Blades u laboratorijima DuPonta, 1965. i taj je materijal jo boljih svojstava od ugljinih vlakana, no ujedno i osjetno skuplji. No, automobilskoj industriji navikloj na 100 godina stare proizvodne procese, sve je skupo...

Zanimljivo je kako je automobilska industrija (kao i mnoge srodne) nain pripreme materijala od ugljinih i kevlarskih vlakana nauila od tekstilne industrije. Naime, dok je obinu "plahtu" ovog materijala jednostavno oblikovati prema kalupu i zaliti epoksidom (suenje se vri u autoklavu, vakumskoj pei pri relativno niskim temperaturama poevi od 60 C), problem se javlja kada elimo napraviti zatvoren kruni oblik, npr. cijev ili slino. U izradi takvih oblika primjenjuju se strojevi za pletenje tkanina kakav je koriten i npr. pri izradi prednjih deformabilnih struktura na Mercedes-Benzovom modelu SLR McLaren.

Ferrari 599 GTB Fiorano (2006.)

Dakako, u svijetu automobila karbon i kevlar promovirala su natjecanja pa tako trkai modeli ve godinama uivaju u blagodatima tih materijala. Meu serijskim automobilima, veih pomaka jo uvijek nema, a pitanje je da li se zapravo radi o injenici da ovakve kompozite, nazivamo ih kompozitima jer elementi od ugljinih vlakana ili kevlara zapravo sadre dva materijala (+ epoksid, ili kombinacije pletiva kevlara i karbona), nije mogue reciklirati ili su naprosto toliko uinkoviti da bi ozbiljno ugrozili industriju prerade metala. Kako god bilo, elite li uivati u pletivu koje se pred vaim oima magino presijava, morat ete kupiti Porsche, Ferrari ili neto tome slino. Zanimljivo je da je upravo ovaj posljednji proizvoa nedavno objavio da sa svojim najnovijim modelom, 599 GTB, u potpunosti naputa upotrebu elika u konstrukciji karoserije i vanjskih povrina i prelazi iskljuivo na aluminij, umjetne materijale i posebnije metale poput magnezija i sl.

Na kraju, postavlja se pitanje za koji materijal, ili za koju skupinu materijala, moemo rei da predstavljaju budunost automobilske industrije? U vojnoj tehnologiji svari su kudikamo jednostavnije postavljene i tamo je uinkovitost parametar br. 1. No, osobni su automobili jedna sasvim druga pria. Uz injenicu da i ovakvi, tradicionalno napravljeni, auti kakve danas poznajemo, iz dana u dan stoje sve vie novaca, u strahu gledamo na budunost koja bi u cijelu priu ukljuivala i neke, nazovimo ih tako, egzotine materijale. Dakako, problem ne lei iskljuivo u injenici da su ovakvi materijali skupi, ve i u tome da je inercija automobilske industrije golema. To je vidljivo i iz jednog sasvim drugog primjera, a to su alternativni pogoni koji praktiki nemaju nikakvih izgleda da uu u masovnu primjenu dok god svu mo u rukama dri naftna industrija. I tako, u nedogled s novim primjerima.

15. LITERATURA

1. M F. Ashby: Materials Selection in Mechanical Design, Pergamon Press, Oxford, 2001.2. Z. Janovi: Trends in Polymeric Materials, Annual 2000 of the Croatian Academy of Engineering, Zagreb, 2000.3. A. Altgeld, C. Schneider: Stahl 2000, Thyssen technische Berichte Hf. 1/92., s. 1-20.4 ...European Powder Metallurgy Ass., www.epma.com, 1999.5 ...ASM Handbook Vol. 20, Materials Selection and Design, ASM Int. Ohio, 1997.6. D. M. Walukas, R. F. Decker, R. E. Vining, R. D. Carnahan: Thixomolding of Magnesium, Proceedings of 1st Int. Conf. on Mg Science&Technology, Israel, 1997.7. I. Hrivnjak, J. Zrnik: Recent developments in advanced and novel materials, Metalurgija 8, 1993.8. J. J. Fischer: Marktstellung mechanisch legierter Werkstoffe, Ingenieur Werkstoffe 4(1992) Nr. 7/8, s. 16-19.9. M. Stupniek; B. Matijevi: Pregled postupaka modificiranja i prevlaenja metala, Zbornik radova znanstveno-strunog skupa Toplinska obradba i inenjerstvo povrina, ZV, Zagreb, 2000., s. 53-63.10. E. Hornbogen, M. Mertmann: Intelligent Materials, Composites and Systems, Proceedings of the 1st Int. Conference MATEH 1996, Opatija, 1996., s. 1-11.11. M. Franz: Slitine s efektom prisjetljivosti oblika, tekst predavanja u HAZU, Zagreb, 1995.12. D. Fle, U. Osredkar: Polimerni materijali za specijalne namjene, 1990., s. 565-574.13. T. Filetin: Pregled razvoja i primjene suvremenih materijala, Hrv. drutvo za materijale i tribologiju, Zagreb, 2000.14...Novi materijali i pripadne tehnologije, Bilten br. 1 Razreda za tehnike znanosti Hrvatske akademije znanosti i umjetnosti, Zagreb, 1998.15...Advanced Materials & Processes, brojevi od 1993. do 2001.16. G. Dowson: Introduction to Powder Metallurgy The Process and its Products, European Powder Metallurgy Ass., Shrewsbury, England, 1993.17. T. Kretschmer, J. Kohlhoff: Werkstoffe Trends, Sonderdruck aus der Fachzeitschrift Werkstoffe in der Fertigung, Holzverlag, Mering, 2001.18. Prof.dr.sc. Tomislav Filetin Fakultet strojarstva i brdogradnje, Zavod za materijale19. Internet, izmeu ostalog www.wikipedija.org

BILJEKE:

27