Anorganické nekovové materiály
description
Transcript of Anorganické nekovové materiály
Anorganické nekovové materiály
• Keramika
• Sklo
• Stavební pojiva – vápno
beton
sádra
(asfalt)
• Geopolymery
Keramika
Keramika
• Kdy - 9000 let př. n. l. – mladší doba kamenná (neolit).
• Kde - oblast Blízkého východu. • Co - nádoby z jílu, které byly po vysušení
vytvrzeny v ohni.• K čemu – k uskladňování úrody.
Keramika
• Ve střední Evropě první neolitická sídliště asi 6000 let př.n.l. – typickým znakem je lineární keramika.
• Samotné slovo keramika pochází z řeckého slova keramos = hrnčířská hlína, zboží.
Keramika
• Časem mnohá zlepšení technologie (vypalované cihly, porcelán).
• Základní „mokrý“ pracovní postup se zachoval dodnes.
• Formováním za mokra se vyrábí také keramika pro různé průmyslové aplikace (teplotně odolné vyzdívky pecí, vysokonapěťové izolátory).
• V posledních 30- ti letech keramika zažívá nový vzestup, změna výrobních technologií.
Keramika
• Na rozdíl od užitkové, kuchyňské a umělecké keramiky se vyrábí progresivní technická keramika lisováním prášku za vysoké teploty – sintrování (spékání).
• Důležitá je příprava výchozích materiálů spolu s technologií (jemné prášky, dokonalé promísení hmoty, optimalizace podmínek – teplota, tlak).
• Částice se propojí vzájemnou difúzí atomů v místech dotyku částic.
Keramika
Nová keramika vyniká:
• Vysokou tvrdostí• Oděruvzdorností• Pevností v tlaku
Současné cíle jsou:
• Zjemnění mikrostruktury
• Lepší propojení částic• Zlepšení
mechanických vlastností
Keramika
• Kluzné prvky a ventily v automobilových motorech a v turbínách
• Jaderné a chemické reaktory• Počítače a jejich přídavná zařízení• Solární kolektory• Raketoplány, vesmírné projekty• Náhrada lidských kostí, kloubů a zubů
Keramika
• Z chemického hlediska lze keramické materiály rozdělit na:
• Oxidy• Karbidy• Nitridy• Boridy• Titanáty• Niobáty
Keramika
Mezi oxidy patří:
• Al2O3
• Cr2O3
• MgO• ZrO2
• LiAl2SiO6
• Tyto oxidy jsou podstatou tzv. sklokeramiky.
Keramika
• Sklokeramika se připravuje řízenou krystalizací z taveniny.
• Zvláštním teplotním režimem se sklovitá tavenina převede do krystalického stavu.
• Vzniklé krystaly jsou tak drobné, že nerozptylují viditelné světlo a proto je sklokeramika poměrně dobře průhledná a také teplotně velmi odolná.
Keramika
Z karbidů jsou prakticky významné:
• ZrC – karbid zirkonia• TiC – karbid titanu• SiC – karbid křemíku• WC – karbid wolframu
Většinou jde o velmi tvrdé materiály. Jsou vhodné na řezné a brusné nástroje a trysky odolávající oděru a vysokým teplotám.
Keramika
Mezi nitridy patří:• SIALON – slitina křemíku, hliníku, kyslíku a
dusíku• TiN – nitrid titanu• Tyto materiály jsou využívány na řezné nástroje,
lopatky plynových turbín, slévárenské kelímky a licí trysky.
Boridy stejně jako nitridy se používají v elektrotechnice.
Keramika
Funkční keramika:
• Čidla na měření různých fyzikálních veličin.
• Keramické polovodiče (v základním stavu se chovají jako izolátory, jsou-li excitovány, dovolují průchod elektronů).
• Varistory (odporové součástky jejichž elektrický odpor se mění s velikostí protékajícího proudu).
Keramika
• Piezoelektrická keramika (vyvolává vybuzení elektrickým polem mechanickou deformaci nebo změnu krystalové modifikace a naopak, mechanická deformace vyvolá na protilehlých ploškách keramické destičky elektrický náboj).
• Takové chování vykazuje např. nerost perovskit – CaTiO3.
Keramika
• Jednou z aplikací piezoelektrické keramiky jsou kanálky tryskových tiskáren k počítačům – elektrickými signály se s vysokou frekvencí otevírají a zase uzavírají a tak se podle povelů počítače řídí průchod tiskové barvy.
Keramika
• Keramické snímače citlivě registrují mechanické kmity – používají se např. pro snímání akustické emise v průběhu namáhání materiálů – lze získat včas informaci o místních lomových procesech, vzniku a růstu trhliny.
• Titanáty zirkonia a lanthanu reagují elektrickým signálem na dopadající světlo – využití v optoelektronice.
Keramika
Konstrukční keramika:• Zahrnuje nitridy, karbidy, oxidy. • Hlavní předností oproti kovům je podstatně vyšší
teplotní odolnost, nižší teplotní roztažnost, vysoká odolnost proti korozi a oděru.
• Mechanické vlastnosti jsou uspokojivé i nad teplotou 1000oC, hustota je přibližně poloviční než u kovů (snížení hmotnosti, úspora paliva – dopravní technika).
Keramika
Nevýhody keramiky:
• 1) velmi křehká (má nízkou houževnatost)
• 2) špatná reprodukovatelnost vlastností (mnohem větší rozptyl pevnostních vlastností než u odpovídajících kovových strojních součástí)
Keramika
• Příčinou obou nedostatků je struktura.
• Struktura je tvořená vzájemně propojenými drobnými částečkami s množstvím slabých míst, defektů a pórů.
• Keramika se porušuje křehkou trhlinou, která se šíří vždy podél rozhraní mezi zrny.
• Pro zvýšení houževnatosti se používá tzv. transformačního zpevnění, při kterém se využívá specifického chování oxidu zirkoničitého.
Keramika
• ZrO2 přechází do rovnovážné a stabilní krystalové struktury, pokud je vystaven velké elastické deformaci (jde o tzv. martenzitický strukturní přechod, při kterém krystalky skokem zvětší svůj objem).
• Oxid zirkoničitý v nestabilní formě se může používat dvěma způsoby:
Keramika
• 1) Jemné částice se rovnoměrně rozptýlí v jiném keramickém materiálu – např. Al2O3.
Když se v základním keramickém materiálu vytvoří trhlina, částice ZrO2 v okolí jejího vrcholu expandují a vzniklý tlak trhlinu opět uzavírá a brání jí v růstu.
Výsledkem je vyšší houževnatost.
Keramika
• 2) Přísně řízeným teplotním režimem se vydělí nestabilní částice ZrO2 v matrici ze stabilní formy téže látky. Velikost a podíl nestabilních částic lze poměrně dobře nastavit.
Z takové houževnaté zirkoničité keramiky se vyrábějí např. nemagnetické nože a nůžky.
Keramika
Keramické kompozitní materiály:
keramická vlákna + keramická matrice = > materiál
s typickou tvrdostí keramiky
s teplotní odolností keramiky
s odolností proti teplotním šokům
s odolností proti deformaci při extrémně vysokých teplotách
s vyšší pevností oproti samotné keramické matrici
Keramika
• Smyslem výroby keramických kompozitních materiálů oproti kompozitům s polymerní matricí je zvýšení houževnatosti (u polymerních zvýšení pevnosti).
• Vyztužení vlákny nebo mikroskopickými destičkami může celou strukturu lépe propojit a zpevnit a zlepšit její chování.
• Kompozity využívají i uhlíkové nanotrubičky.
Keramika
Keramika
Aplikace:
• Keramické nástroje• Biokeramika• Keramický motor• Keramika ve vesmíru
Keramika
Keramické nástroje
• Keramické řezné nástroje• Ložiska• Keramické povlaky kovových řezných nástrojů
Keramika
Biokeramika – překonává plasty i kovy.
• Je lehká, biologicky snášenlivá, nekoroduje. Může být připravena s řízenou pórovitostí, takže kostní tkáň do keramické protézy postupně vrůstá.
• Náhrady zubů, kostí, částí kloubů.
Keramika
Keramický motor• V Japonsku bylo již ověřováno – motor však
zatím neschopen běžného provozu.• Z termodynamických zákonů vyplývá, že účinnost
tepelných strojů roste s provozní teplotou. • Keramický motor by mohl pracovat při vyšší
teplotě při snížené spotřebě paliva.• Schůdnější cesta – dílčí náhrady exponovaných
dílů nebo keramické povlaky.
Keramika
Keramika ve vesmíru• Keramické destičky vyvinuté pro tepelnou
ochranu při přistávání raketoplánu – teplota při přistávání 1400o až 1500oC – přesahuje teplotu tání oceli.
• Strukturu destiček tvoří velmi jemná křemenná vlákna pokrytá keramickým povlakem. Asi 95% objemu destiček zaujímá prázdný prostor – nízká hustota.
Sklo
Sklo
• Z fyzikálního hlediska je sklo každý amorfní, homogenní a tuhý materiál.
• Vzniká nejčastěji ochlazením taveniny takovým způsobem, že nezkrystalizuje a přitom dosáhne tak vysoké viskozity, že se chová jako pevná látka.
• Materiál ve sklovitém stavu lze získat také za stálé teploty (např. tavenina selenu) při dostatečně vysokém tlaku.
Sklo
• Sklovité materiály nemají ostrý bod tání, v taveninu přecházejí postupně v určitém teplotním
rozmezí.• V nižší teplotní oblasti vykazují další přechodovou
teplotu – teplota skelného přechodu (transformační) – výrazně se mění
- tuhost amorfního materiálu - koeficient teplotní roztažnosti - teprve pod touto teplotou se materiál skutečně
chová jako sklo
Sklo
• Křemenné sklo – 1330oC• Křemičitá skla – 400 – 550oC• Plexisklo – 105oC• Silikonový kaučuk – -120oC• Schopnost „zamrznutí“ neuspořádané kapaliny do
sklovitého stavu záleží na : - chemické struktuře dané látky - rychlosti chlazení - tloušťce ochlazované vrstvy
Sklo
• Kritická rychlost chlazení [oC/s]
• SiO2 – 2.10-4
• GeO2 – 7. 10-2
• Ag – 10 10
• Kritická tloušťka
[cm]
• SiO2 – 4.10 2
• GeO2 – 7
• Ag – 10 -5
Sklo
Křemenné sklo
• Vyrábí se ze samotného roztaveného křemene – křemenného písku (1720 – 2000oC) – energie a technologie!
• Vynikající fyzikální a chemické vlastnosti.• Bod tání křemene lze podstatně snížit přidáním
tavících přísad (tavidel = soda).
Sklo
Sklo
Křemičitá skla
• Sodné sklo – obsahuje 25% Na2O, taví se při 850oC, příměsí je soda Na2CO3
• Mnohem snáze se tvaruje za horka.
• Použití sody – výrobní tajemství starověkých sklářů.
Sklo
Sklo
Přírodní sklo – vltavíny (moldavity)
• Jde s největší pravděpodobností o ztuhlé kapičky roztavených hornin, které byly nejprve vymrštěny do stratosféry po dopadu meteoritu v Bavorsku.
• Při zpětném průletu vzdušným obalem Země se roztavily a jako horký skelný déšť dopadly do míst dnešních nalezišť, kde do nich kyselé písky za miliony let vyleptaly jemný reliéf.
Sklo
• Nejstarší doklady o uměle vyrobeném skle – 5000 let před Kristem archeologická naleziště v Sýrii.
• Egypt –1000 let před Kristem vynalezena sklářská píšťala.
• Staří Římané – tvarování skla do forem nebo do volného prostoru, zdobení.
Sklo
• 13. století
– na byzantskou tradici navázali skláři v Benátkách – ostrov Murano (požáry), křišťálové sklo.
Sklo
• České sklárny – 17. století, Jablonecko, Železnobrodsko (Nový Amsterodam).
• Středověk i doba renesance – vzácný a drahý materiál, průsvitnost a průhlednost skla důležitá pro jeho aplikace.
• 15.století – Nizozemí – skleněné čočky – brýle, dalekohledy, mikroskopy (1606).
• Dnes celosvětová výroba skla dosahuje ¼ objemu výroby železa.
Sklo
• Sklenice• Láhve• Umělecké předměty• Stavebnictví• Chemické aparatury
Sklo
• Optické prvky• Solární články• Světlovodná vlákna• Skelné tkaniny
Sklo• Pro každý typ skleněných výrobků byla vyvinuta
nejvhodnější technologie. • Všechny výrobní technologie využívají
skutečnosti, že viskozita skloviny se s teplotou plynule mění.
• Tažení – ploché sklo – svislé tažení (v Čechách po 80 letech výroba ukončena)
• Lití – novější technologie FLOAT – lití skloviny na vodorovnou hladinu roztaveného kovu
• Lisování• Foukání
Sklo
• Pozvolné chlazení každého výrobku – zabránění vzniku vnitřního pnutí.
• Kompaktní sklo neobsahuje žádné vnitřní rozhraní ani vyztužující elementy – ideální prostředí pro šíření trhlin – sklo je křehké – má malou houževnatost.
• Lom nastává v nejslabším místě struktury materiálu.
Sklo
• Rm v tahu běžných skleněných předmětů je cca 100 MPa.
• Tenká skleněná vlákna – i několik GPa.
• Zvýšení pevnosti:• Pro zvýšení pevnosti se odleptává povrchová
vrstva (HF) – na určitou dobu se odstraní povrchové vady.
Sklo
• Další úpravy vedoucí ke zvýšení pevnosti:• Do povrchové vrstvy výrobku ze sodného skla
mohou být iontovou difúzí vpraveny atomy draslíku. Protože K má rozměrnější atomy než Si, vznikne v povrchové vrstvě tlakové pnutí, které zabrání rozběhnutí trhliny.
• Prudké zakalení výrobku vytvoří na povrchu tlakové pnutí kompenzované tahovým napětím v hlubších vrstvách, což vede k vyšší pevnosti.
Sklo
• Po rozbití vzniknou místo velkých střepů drobné úlomky.
• Částečné nahrazení atomů kyslíku v běžném skle atomy dusíku. Mezi Si a N vzniknou kovalentní vazby, sklo je pevnější v celém průřezu.
• Kompozity – sklovitá matrice vyztužená drátky nebo kovovou síťkou.
Sklo
• Výroba skla:• Směs surovin =„ sklářský kmen“• Hlavní součástí je křemenný písek cca 70 %• + Na2CO3 – soda, K2CO3 – potaš, CaCO3 –
vápenec.• Další přísady: oxidy boru, fosforu, hliníku,
hořčíku, barya, olova.• Případně střepy z recyklací – „sklářská vsádka“.• Liší se chemické složení – liší se i vlastnosti skel.
Sklo
Křemenné sklo – čirý sklovitý SiO2
• Vysoká teplotní odolnost (do1200oC)• Nízký koeficient roztažnosti• Odolné vůči teplotním rázům• Vysoký elektrický odpor i při zvýšené teplotě• Mimořádně odolné vůči kyselinám
Sklo
Ploché sklo FLOAT
• 73% SiO2 + 14% Na2O + 4% MgO + další příměsi
• Podobné složení má lahvové sklo.• Zelené nebo hnědé zabarvení je způsobeno
příměsí cca 0,4%Fe2O3 a oxidačně redukčními podmínkami.
Sklo
Tepelně odolná skla
• SIMAX nebo PYREX
• 80% SiO2 + 13% B2O + 3% Na2O + 1% K2O
Sklo
Křišťálové sklo• Složení je voleno tak, aby bylo dosaženo co
nejvyššího indexu lomu.• K2O – CaO – SiO2 český křišťál• K2O – PbO – SiO2 olovnatý = anglický křišťál• Pravý olovnatý křišťál – 24% PbO.• Dekorativní vlastnosti olovnatého křišťálu jsou v
jeho vysokém indexu lomu a výrazné závislosti indexu lomu na vlnové délce světla.
Sklo
• Skleněná světlovodná vlákna.
• Princip světlovodného vlákna s vnitřní vrstvou s vyšším indexem lomu.
• Úplným odrazem na rozhraní mezi vnitřní a vnější vrstvou se světelný paprsek udržuje podél osy vlákna.
Sklo
Skleněná vlákna pro kompozity • E – sklo neobsahuje alkálie – koroze!• Vlákna pružná, ohebná, velmi pevná, při výrobě
povrchová úprava podle předpokládané aplikace.• Z materiálového hlediska důležitá pevnost
v kombinaci s hustotou.• d = 0,1 mm – Rm = 300 MPa strukturní vady!• d = 1 µm – Rm =10 GPa
Sklo
• Vlákna, tkaniny, rohože, kombinace s uhlíkovými vlákny.
Stavební pojiva - maltoviny
Stavební pojiva - maltoviny
• Egypt – 4000 let před Kristem – vápenosádrové malty.
• Maltoviny se vyrábějí z nerostných surovin, před zpracováním jsou sypké, zrnité či práškovité.
• Po přidání vody získávají pastovitou konzistenci a poté se mění v kompaktní tvrdý materiál.
• V průběhu zpevňování maltovin se rozlišují 2 etapy – 1. tuhnutí – roste viskozita maltoviny• 2. tvrdnutí – maltovina je v pevném stavu,
dále roste její pevnost a tvrdost.
Vápno
Vápno
• Je nejstarší ze všech stavebních pojiv.• V současnosti - 19% stavebnictví• 80% jako průmyslová chemikálie v metalurgii
ocelí, neželezných kovů, výroba papíru, skla.• „nehašené vápno“ = CaO s příměsí oxidů (MgO)• Příprava: tepelný rozklad přírodního vápence při
teplotě větší než 800oC• CaCO3 + teplo –> CaO + CO2 „pálení vápna“ ve
vápenkách
Vápno
• Vápenec + koks 1:10, 20 – 32 hodin => vzdušné vápno – tuhne na vzduchu
• Hydraulické vápno – tuhne i pod vodou• Před použitím do malty nebo omítky se musí
nehašené vápno „hasit“.• CaO + H2O –> Ca(OH)2 + teplo• Nedostatečně vyhašené vápno je příčinou
materiálových vad. (vápno se spálí nebo utopí)
Vápno
• Z hašeného vápna, písku a vody se připravují vápenné malty na zdění a omítání.
• Při postupném tuhnutí a tvrdnutí na vzduchu probíhá reakce:
Ca(OH)2 + CO2 –> CaCO3 + H2O• Kruh chemických rovnic se tak uzavírá a
konečným produktem je opět tvrdý materiál jako na začátku s rozdílem, že pevně spojuje stavební prvky.
Vápno
• Písek se na chemické reakci přímo nepodílí, ale přispívá k pórovitosti výsledného materiálu.
• Póry usnadňují pronikání CO2 dovnitř a H2O ven.
Beton
Beton
• Znali už Římané – římský Pantheon postaven v letech 115 – 125 jako válcová betonová stavba zevně obložená cihlami a překrytá betonovou kupolí s průměrem 43,2 m – nebylo překonáno dalších 1300 let.
• Podstatou tuhnutí betonu je celá řada chemických reakcí cementu s vodou.
• Cement (v současnosti portlandský cement) - je práškovitá směs řady anorganických látek,
jejichž poměr se může značně lišit.
Beton
• Rozlišují se 3 složky cementu:• alit – 3CaO . SiO2
• belit – 2CaO . SiO2
• celit – spojovací hmota s vysokým podílem železa a s krystalickým brownmilleritem
4CaO . Al2O3 . Fe2O3
Směs těchto minerálních látek vzniká v cementárně vypálením vápence CaCO3 společně s hlínami a jíly v rotační peci při teplotě cca 1450oC.
Beton
• Vzniklý „slínek“ se pak rozemele na jemný prášek, ke kterému se poté přidává ještě sádrovec CaSO4 .2H2O, popř. rozemletá vysokopecní struska.
• Složky cementu reagují s vodou za vzniku tepla.• Reakce mohou být poměrně složité, dohromady se
označují jako hydratace. • Po 28 dnech se beton považuje za uspokojivě
tvrdý, ve skutečnosti tvrdnutí a zpevňování probíhá celá léta a vlastně nikdy nekončí.
Beton
• Vlastní beton se připraví smícháním cementu s vodou a pískem, popř. hrubým kamenivem.
• Optimální množství vody:
málo – nízká pevnost betonu,
mnoho – pevnost klesá, smršťování betonu,
optimální množství vody je cca 0,45 – 0,55 • Beton obsahuje i určité množství vzduchu –
pórovitost.
Beton
Parametry:• Vysoká pevnost v tlaku.• Malá pevnost v tahu.• Vyztužování ocelovými tyčemi, dráty, rohožemi,
v současnosti i polymerní vlákna.• Předepjatý beton – výztuž se napne do rámu ještě
před ztuhnutím betonové směsi a po dokončení ztuhnutí se opět uvolní.
Sádra
Sádra
• Sádrová pojiva se připravují částečnou nebo úplnou dehydratací sádrovce CaSO4 . 2H2O.
• Při teplotě 95 – 130oC přechází nerost sádrovec na polohydrát CaSO4 . ½ H2O.
• Při 150 – 300oC na anhydrit CaSO4, který je rozpustný ve vodě.
• Podstatou sádry je polohydrát s malým podílem anhydritu.
Sádra
• S vhodným množstvím vody přechází sádra zpět na sádrovec, tuhne a tvrdne.
• Výchozí krystalky hemihydrátu se rozpustí ve vodě, poté se začnou vytvářet krystalky dihydrátu, které mají oproti výchozímu nižší rozpustnost ve vodě.
• Výsledkem je poměrně pevná struktura tvořená vzájemně propletenými krystalky.
• Tuhnutí sádry lze zpomalit – malířský klih, mléko. • Urychlit – kuchyňská sůl, síran sodný.
Sádra
Uplatnění:• Stavebnictví• Umělecké předměty• Odsiřování elektráren – sádrovec –
sádrokartonové desky (kompozit s vrstevnatou strukturou – kombinace papírové hmoty a sádry)
Asfalt
Asfalt
• Všechny přírodní tuhé a tekuté uhlovodíky se zahrnují pod obecný termín „živice“.
• Asfalt je za normální teploty tuhý, zahříváním kapalní.
• Těží se přímo ze země – asfaltové jezero na ostrově Trinidad – přírodní asfalt.
• Ropný asfalt – zbytek po destilaci ropy. • Podstatou asfaltu je směs uhlovodíků s vysokou
molekulovou hmotností.
Asfalt
• Pro vlastnosti asfaltu používaného na povrchy vozovek je důležitý poměr kameniva a pojiva.
• Ideální struktura obsahuje hranaté částice různé velikosti propojené stejnoměrnou vrstvou asfaltového pojiva (5 – 10%), póry (2 – 5%) – důležité – při tlakovém namáhání asfalt vyplňuje póry místo aby byl vytlačován z prostoru mezi částicemi.
Asfalt
• Novinka – asfalt plněný drcenými skleněnými střepy – využití odpadu z nevratných lahví.
• Modifikace asfaltu odpady z PE – zvýšení pružnosti a odolnosti praskání za nízkých teplot – využití v místech vyššího dynamického namáhání – např. mostní vozovky.
Asfalt – Zikkurat v Uru – původní asfalt
Geopolymery
Co jsou geopolymery?
• Amorfní trojrozměrné aluminosilikátové materiály s vlastnostmi podobnými keramice.
• Jsou syntetizovány
a vytvrzovány při pokojové teplotě
a atmosférickém tlaku.
Schéma syntézy
Tepelná aktivacepro dosažení
vysokoenergetického
stavu
kaolín
Aktivovaný kaolín
(prekursor)
Alkalický aktivátor
roztok NaOH +vodní sklo
+
Anorganický polymer = Geopolymer
•Tepelná aktivace: 750°C, 24 hodinSyntéza:
sušení 85°C, 2 hodiny
Chemická struktura a aplikace
Aplikace
• Nová generace materiálů, které mohou být použité čisté, s plnivy nebo vyztužujícími vlákny pro různé aplikace.
• Automobilový a letecký průmysl, formy pro odlévání kovů, zapouzdření odpadů, dekorace, opravy budov.
Aplikace
Děkuji za pozornost.