Chemické základy moderních materiálů

CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ

Jan Grégr, Technická Univerzita v Liberci

jan.gregr<at>tul.cz

Chemické základy moderních materiálů

Chemické základy moderních materiál ů

� Kompozitní materiály� Nanomateriály a nanotechnologie� Tvrdé a žáruvzdorné materiály� Umělé krystaly jan.gregr<at>tul.cz

Přírodní materiály

korek

kůže

3000 BC

Kovy a slitiny

Skla

Kámen a keramika

Young ův modul [GPa]

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]

měkké d řevo, přes vlákna

tvrdé d řevo, p řes vlákna

měkké d řevo, podél vlákenslitiny olova

čisté olovo

bambus

břidlice

pískovec

Agtvrdé d řevo, podél vláken

cín mramor

CuAu

bronz

žula

Na-Ca sklo

cihly

vápenec

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání

Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grant adesign.com/education/resources/types/project-files .htm

jan.gregr<at>tul.cz

XV. století

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]



Kámen a keramika

kůže

korekměkké d řevo, přes vlákna

tvrdé d řevo, p řes vlákna

měkké d řevo, podél vlákenslitiny

olova

bambus

pískovec

cín mramor

Skla

břidlice

Cu

Aubronz

žula

Na-Ca sklo

vápenec

čisté olovocihly cement

mosazšedá litina

za 4500 let p řibyly pouze šedá litina, mosaz a cement



Kovy a slitiny

tvrdé d řevo, podél vlákenAg

jan.gregr<at>tul.cz

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]



2012Elastomery

Polymery

Kompozity

Kámen a keramika

Pěny

Speciální keramika

1000

1


XXI. století nabízí podstatn ě širší paletu materiál ů v zřetelně širším rozsahu vlastností


Kovy a slitiny

jan.gregr<at>tul.cz

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]



2012Elastomery

Polymery

Kompozity

Kámen a keramika

Pěny

Kovy a slitiny

Speciální keramika

1000

1


XXI. století nabízí podstatn ě širší paletu materiál ů v zřetelně širším rozsahu vlastností


jan.gregr<at>tul.cz

Kompozitní materiály

Z pozůstalosti Járy Cimrmana:

jan.gregr<at>tul.cz


Laboratorní výrobu a technické použití sklen ěných vláken uvád ějí ve svých pracích zakladatelé moderní fyziky Hooke a Réaumur (17. až počátek 18. století). Koncem 19. stol. se objevují první zmínky o technic kém zužitkování sklen ěného vlákna v patentové literatu ře. Nejstarší dochovaná zmínka je z roku 1880 a zabývá se drátem pro telegraf op ředeným sklen ěnou izolací. Veřejný zájem o sklen ěná vlákna byl vzbuzen na Sv ětové výstav ě v Chicagu v roce 1893, kdy Edward Drummond Libbey vy táhl pramence vláken z rozžhavených konc ů tyčí a namotal je na otáčející se buben velkého pr ůměru.V roce 1916 podává R. Kemp první patent na vlákny v yztužený plast

Gupta, P.K.: Glass Fibers for Composite Materials in Fibre Reinforcements for Composite Materials, ed. Bunsell A.R., Elsevier, Amsterodam 1988

jan.gregr<at>tul.cz

Edward Drummond Libbey (1854-1925) a jeho žena Florence Scott

Libbey (1863-1938), ca. 1901

Georgia Eva Cayvan v šatech ze sklen ěného hedvábí 1893


jan.gregr<at>tul.cz


Composite materials

jan.gregr<at>tul.cz

http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-k onstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_11331 8_tec_technika_NYV

http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-k onstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_11331 8_tec_technika_NYV


jan.gregr<at>tul.cz


tvo ří materiálový systém, složený ze dvou nebo více fází, s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi, dosahující vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoliv složkou samostatn ě ani prostým sou čtem vlastností

jan.gregr<at>tul.cz

Synergický efekt

Jev, kdy je získán materiál s lepšími vlastnostmi, než mají jednotlivé složky samostatn ě

Synergie je výsledkem chemické interakce povrch ů složek kompozit ůMůže se jednat o chemickou vazbu i o nevazebné interakce

jan.gregr<at>tul.cz

Složky kompozit ů

matrice

•pojiva

výztuže

•plnivajan.gregr<at>tul.cz

Skleněná vlákna pro kompozitní materiály

sklen ěná vlákna jsou nejb ěžnějším

výztužovým materiálem

výhody:

nízká cena,

nevýhody:

nízké moduly pružnosti,

problémy na mezivrstv ě vlákno – pojivo

jan.gregr<at>tul.cz

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály

uhlíková vlákna stala materiálem, který má tyto unikátní vlastnosti:

maximální specifickou pevnostmaximální tuhost – modul pružnostimaximální tepelnou vodivost – až 3 krát větší než má m ěď

jan.gregr<at>tul.cz


Americká uhlíková vlákna ze smol K1100, modul pružnosti 935 GPa

jan.gregr<at>tul.cz


Japonská uhlíková vlákna ze smol CN90 a CN80, modul pružnosti 890 a 780 GPa

jan.gregr<at>tul.cz

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály

vlákna z aromatických para -polyamid ů, výhody:

vysoká houževnatostnevýhody:

poškozuje je UV zá ření, vlhkost narušuje vazbu vlákno -matrice

jan.gregr<at>tul.cz


vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejich vnit řní strukturou jednotlivé makromolekulární řetězce jsou mezi sebou vázány vodíkovou vazbou

vodíkové vazby zvyšují

pevnost

jan.gregr<at>tul.cz


vodíkové vazby spojují orientované makromolekuly v p ásy, benzenová jádra v řetězcích jsou mírn ě uklon ěna a způsobují tak mechanické zaklín ění jednotlivých pás ů k sob ě

jan.gregr<at>tul.cz

– na PE folii si slepit do tyčinky svazek vláken, nebo nití třeba kanagomem, nebo podobným lepidlem, podobně lze slepit destičku z proužků bavlněné nebo lněné látky– experiment na vysvětlení synergie: papírové proužky slepit lepidlem ze škrobu, totéž zkusit s proužky z PE pytlíků (v prvním případě se dá udělat miska na plastové podložce)– jak poznáte PE od PVC (žhavý měděný drátek na něj nalepit plast a zkusit dát na okraj plamene hořáku: PVC přítomným chlórem zapříčiní zelenavý plamen)– výpočetní hrátky – kolik C vláken je vedle sebe v tyčce o průměru 6 mm, při obsahu vláken 60% objemových a průměru monovlákna 6 mikrometrů, kolik to bude pramenců (kabílků), když jeden má 12000 monofilů

Kompozitní hrátky

jan.gregr<at>tul.cz

– ukázat Kevlarové a uhlíkové vlákno, či vzorky z nich(bereme celou vestu)– na uhlíkovém vláknu pomocí uzlu vysvětlit anizotropii vlastností– chování uhlíkového vlákna v plameni– počítačové vyhledávání: informace o Dreamlineru – prvním letadle s celokompozitní stavbou ...

jan.gregr<at>tul.cz

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Nanomateriály

Nanomaterials

jan.gregr<at>tul.cz

Uplatn ění nanomateriál ů

jan.gregr<at>tul.cz

Nanotechnologie – nanomateriály

nano (s) = v řečtině „trpaslík“

nano – předpona pro jednu miliardinu , tedy 10–9 základní jednotky

nanotechnologie + nanomateriályse zabývají skladbou materiál ů

v rozm ěrech nanometr ů

jan.gregr<at>tul.cz

Nanotechnologie – nanomateriály

Richard Feynman, 29. 12. 1959

„Sm ěrem dol ů je spousta místa“

„Pro č ješt ě neumíme zapsat všech dvacet čtyři svazk ů

Encyklopedie Britanniky na špendlíkovou hlavi čku?”

„Cht ěl bych popsat obor, v němž se toho dosud

udělalo málo, ale v principu toho v n ěm může být

vykonáno nesmírn ě mnoho.“

jan.gregr<at>tul.cz

Škála nanometrických velikostí

jan.gregr<at>tul.cz

Uhlíkové nanotrubice

Carbon nanotube

jan.gregr<at>tul.cz

Uhlíkové nanotrubice metodou CCVD

jan.gregr<at>tul.cz

Uhlíkové nanohokejky

jan.gregr<at>tul.cz

Anorganické částice v nanovláknech

Jodid bismutitý v polyvinylbutyralu

jan.gregr<at>tul.cz

Nanohrátky

– papírový proužek přestřihnout na polovinu, tu zase na polovinu, atd. - kolika "střihy" se dostaneme na délku ústřižku 1 nanometr, když původní proužek bude 1 m dlouhý– širší papír nastřihovat postupně střídavě ze stran a potom pro natáhnout – hranolek sýra krájet a počítat velikost povrchu– papír pro stočení na nanotrubicehttp://www.photon.t.u-tokyo.ac.jp/~maruyama/wrapping3/wrapping.html

– papírový model, jak slepit fulleren najdete např na http://cd1.edb.hkedcity.net/cd/science/chemistry/s67chem/pdf/sPS_2_C60.pdfhttp://de.wikipedia.org/wiki/Fullerene#/media/File:Fulleren_C60_Netzwerk.svg

jan.gregr<at>tul.cz

– zkusit si na modelu základní buňky krystalu železa, jak s postupným zvětšováním, spojováním krychlí se mění počet povrchových a vnitřních atomů a jejich poměr– připravte si koloidní roztok nerozpustně sloučeniny: Cu2O redukcí glukózou za komplexace vinanem sodnodraselným, laserovým ukazovátkem si předveďte Tyndallův efekt (podobně lze srážet koloidní stříbro, nanočástice hydroxidu železitého z roztoku chloridu železitého a amoniaku)– nanokolovrat – připravit nanovlákna PVB, a PVB s magnetickými částicemi – prokázat jejich přítomnost magnetem– nanokolovrat – zkusit zvláknit roztok polymerního lepidla

jan.gregr<at>tul.cz

jan.gregr<at>tul.cz

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdé materiály, které se používají v technické praxi m ůžeme rozd ělit na

a

Synteticky je p řipravován um ělý diamant a korund a p ředevším karbidy, boridy, nitridy a silicidy kov ů

TVRDÉ MATERIÁLY

synteticky p řipravované

přírodní materiály

jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdost materiál ů

Tvrdost materiál ů souvisí s vazebnými silami v materiálu

čím jsou stavební částice blíž k sob ě (vyšší energie vazby) a čím je struktura materiálu hustší

Diamant K řemen

jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdost materiál ů

Mohsova stupnice tvrdosti vyjad řuje schopnost jednoho materiálu rýpat do druhého. Byla vytvo řena německým mineralogem Friedrichem Mohsem a slouží pro ur čení tvrdosti látek.Stupnice není rovnom ěrná.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

diamant

korund

topazfluorit

vápenec

apatit

masteksůl kamenná živec

křemen

jan.gregr<at>tul.cz

Karbid k řemíku

byl objeven náhodn ě v roce 1891 a ozna čen názvem carborundum , podle toho, že jeho tvrdost v Mohsov ě stupnici 9,5 leží mezi tvrdostí C carbon (diamant) a Al 2O3 corundum . Průmyslov ě se vyrábí reakcí velmi čistého k řemenného pískus uhlíkem (koksem nebo antracitem) v elektrické odp orové peci (2200-2400 oC) SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO. Technické využití pro SiC bylo p ůvodn ě jako vynikající brusivo, díky jeho tvrdosti a také zvláštní lámavost i při které vznikají velmi ostré řezné hrany. Možnosti jeho využití jsou však mnohem širší. I přes pom ěrně vysokou cenu má karbid k řemíku význam jako žáruvzdorný výrobek, k rozkladu dochází teprve p ři 2700oC, přičemž se využívá jeho vynikajících vlastností, jako vys oké tepelné vodivosti, tvrdosti a mechanické pevnosti.

jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdohrátky

– karborundum brousek zkusit rýpat do skla či do křemene– smirkový papír hrubší a jemnější – zkusit opracovat plochu vápencového kamínku– dva křemenné oblázky – rozbít a prokázat škrábáním větší tvrdost hrany než obliny– vyhledávání v počítači: DLC a NDC (diamond like carbon, nanodiamond crystals)

jan.gregr<at>tul.cz

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

UmElá pRípravakrystalU

Katedra chemie FP TUL – www. kch.tul.cz

jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava krystal ů

proč připravujeme umělé krystaly

jan.gregr<at>tul.cz


proč připravujeme umělé krystaly

protože přírodní zdroje nestačí

požadavk ům nejnov ějších technologií

jan.gregr<at>tul.cz


jak p řipravujeme umělé krystaly

jan.gregr<at>tul.cz


jak p řipravujeme umělé krystaly

metodami podobnými

přírodním dějům

jan.gregr<at>tul.cz


1•z par

2•z taveniny

3•z roztoku

jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava krystal ů z par

prostá sublimace

chemická reakce v parách

jan.gregr<at>tul.cz


Verneuillova metoda

jan.gregr<at>tul.cz

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Bri dgman-Stockbarger-Verfahren.svg&filetimestamp=20100 418091231

Umělá příprava krystal ů z taveniny

Měření teploty

Tavenina

Tepelná izolace

Krystal

Kelímek

Odporový oh řev

Metoda podle Stockbargeraa Bridgmana

Hor

ní p

ecD

olní

pec

Teplota

Dél

ka p

ece

jan.gregr<at>tul.cz


Czochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava krystal ůCzochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz


Czochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz


jan.gregr<at>tul.cz

Spyro Kyropoulos , (též Spiro Σπυρίδων Κυρόπουλος Σπύρος) *1887; †1967 (USA) řecko-n ěmecký fyzik. Vynálezce metody p ěstování monokrystal ů z taveniny .


Držák zárodku

Kelímek

Krystal

Tavenina

jan.gregr<at>tul.cz


studený kelímek

jan.gregr<at>tul.cz

Skull crucible – studený kelímek – ZrO 2

jan.gregr<at>tul.cz


studený kelímekoxid zirkoni čitý

jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava hydrotermálních krystal ů

Krystaly nar ůstají na zárodku z roztoku za velmi vysokých tlak ů

jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava hydrotermálních krystal ů

křemen

jan.gregr<at>tul.cz

Tetrahedral press for synthetic diamond making http://ele mentsunearthed.com/2009/04/

http://www.youtube.com/watch?v=A4_l3pKhaJo

http://www.ussynthetic.com/

http://venturebeat.com/2011/10/10/the-diamond-age-synthetic-diamond-maker-element-six-sets-up-venture -

office-in-silicon-valley/

Umělá příprava krystal ů diamantu

vysokotlaká metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Žluté diamanty vyrobené Gemesis, první spole čnost vyráb ějící produk čně a tržně

zajímavé syntetické diamanty v drahokamové kvalit ě. Největší krystaly o

hmotnosti 3 karát ů

Umělá příprava krystal ů diamantu

jan.gregr<at>tul.cz

Krystalohrátky

– vhodné látky dobře krystalizující: ADP (fosforečnan dihydrogenamonný), skalice, Tuttonovy soli, kamence …– pod mikroskopem pozorujeme krystalky PbI2 (zlatý déšť), CaSO4, CaHPO4 ...– na drátku udělat perličku natavením boraxu a tu obarvit solemi kovů (Co, Cu, Fe, Ni …)– vyhledat na webu další přípravy metody krystalů umělých diamantů– jak slepit základní krystalové tvary – čtyřstěn, osmistěn, krychli ... http://www.laetusinpraesens.org/docs10s/geozeroy.phphttp://www.webmineral.com/crystall.shtml#.VRAovo4kX-s

jan.gregr<at>tul.cz

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

děkuji za vaši pozornost

[email protected]

CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ

jan.gregr<at>tul.cz

Chemické základy moderních materiálů

Education

Transcript of Chemické základy moderních materiálů