Transcript Anorganicke nekovove materialy - prezentace

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:
Současné cíle jsou:
• Vysokou tvrdostí
• Oděruvzdorností
• Pevností v tlaku
• 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]
• Kritická tloušťka
[cm]
• SiO2 – 2.10-4
• GeO2 – 7. 10-2
• Ag – 10 10
• 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
kaolín
Tepelná aktivace
pro dosažení
vysoko
energetického
stavu
Aktivovaný
kaolín
(prekursor)
+
Alkalický
aktivátor
roztok NaOH
+vodní sklo
•Tepelná aktivace: 750°C, 24 hodin
Syntéza:
sušení 85°C, 2 hodiny
Anorganický polymer
= Geopolymer
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.