Anorganické nekovové materiály

Prezentace na téma: "Anorganické nekovové materiály"— Transkript prezentace:

1 Anorganické nekovové materiály

2 Keramika Sklo Stavební pojiva – vápno beton sádra (asfalt) Geopolymery

3 Keramika

4 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.

5 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.

6 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.

7 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.

8 Keramika Nová keramika vyniká: Vysokou tvrdostí Oděruvzdorností
Pevností v tlaku Současné cíle jsou: Zjemnění mikrostruktury Lepší propojení částic Zlepšení mechanických vlastností

9 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

10 Keramika Z chemického hlediska lze keramické materiály rozdělit na:
Oxidy Karbidy Nitridy Boridy Titanáty Niobáty

11 Keramika Mezi oxidy patří: Al2O3 Cr2O3 MgO ZrO2 LiAl2SiO6
Tyto oxidy jsou podstatou tzv. sklokeramiky.

12 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.

13 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.

14 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.

15 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).

16 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.

17 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.

18 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.

19 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).

20 Keramika Nevýhody keramiky: 1) velmi křehká (má nízkou houževnatost)
2) špatná reprodukovatelnost vlastností (mnohem větší rozptyl pevnostních vlastností než u odpovídajících kovových strojních součástí)

21 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.

22 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:

23 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.

24 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.

25 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

26 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.

27 Keramika

28 Keramika Aplikace: Keramické nástroje Biokeramika Keramický motor
Keramika ve vesmíru

29 Keramika Keramické nástroje Keramické řezné nástroje Ložiska
Keramické povlaky kovových řezných nástrojů

30 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.

31 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.

32 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.

33 Sklo

34 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.

35 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

36 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

37 Sklo Kritická rychlost chlazení [oC/s] SiO2 – 2.10-4 GeO2 – 7. 10-2
Ag – 10 10 Kritická tloušťka [cm] SiO2 – GeO2 – 7 Ag – 10 -5

38 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).

39 Sklo

40 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.

41 Sklo

42 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.

43 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.

44 Sklo 13. století – na byzantskou tradici navázali skláři v Benátkách – ostrov Murano (požáry), křišťálové sklo.

45 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.

46 Sklo Sklenice Láhve Umělecké předměty Stavebnictví Chemické aparatury

47 Sklo Optické prvky Solární články Světlovodná vlákna Skelné tkaniny

48 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

49 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.

50 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.

51 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.

52 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.

53 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.

54 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

55 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.

56 Sklo Tepelně odolná skla SIMAX nebo PYREX
80% SiO2 + 13% B2O + 3% Na2O + 1% K2O

57 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.

58 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.

59 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

60 Sklo Vlákna, tkaniny, rohože, kombinace s uhlíkovými vlákny.

61 Stavební pojiva - maltoviny

62 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.

63 Vápno

64 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

65 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)

66 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.

67 Vápno Písek se na chemické reakci přímo nepodílí, ale přispívá k pórovitosti výsledného materiálu. Póry usnadňují pronikání CO2 dovnitř a H2O ven.

68 Beton

69 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.

70 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.

71 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.

72 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.

73 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.

74 Sádra

75 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.

76 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.

77 Sádra Uplatnění: Stavebnictví Umělecké předměty
Odsiřování elektráren – sádrovec – sádrokartonové desky (kompozit s vrstevnatou strukturou – kombinace papírové hmoty a sádry)

78 Asfalt

79 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.

80 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.

81 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.

82 Asfalt – Zikkurat v Uru – původní asfalt

83 Geopolymery New fire-resistant, blast-resistant and acid-resistant building materials could be on the market within the next year. Geopolymers - ceramic-like, inorganic polymers produced at low temperatures - are an emerging class of engineering materials that have the potential to transform the building products industry. CSIRO Manufacturing and Infrastructure Technology (CMIT) researchers are working with industry partners to lead Australia into this new field of building innovation.

84 Co jsou geopolymery? Amorfní trojrozměrné aluminosilikátové materiály s vlastnostmi podobnými keramice. Jsou syntetizovány a vytvrzovány při pokojové teplotě a atmosférickém tlaku.

85 Aktivovaný kaolín (prekursor)
Schéma syntézy Tepelná aktivace pro dosažení vysoko energetického stavu Alkalický aktivátor roztok NaOH +vodní sklo Aktivovaný kaolín (prekursor) kaolín + Tepelná aktivace: 750°C, 24 hodin Syntéza: sušení 85°C, 2 hodiny Anorganický polymer = Geopolymer

86 Chemická struktura a aplikace

87 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. New state-of-the-art materials designed with the help of geopolymerisation reactions are opening up new applications and procedures, and transforming ideas that have been taken for granted in inorganic and mineral chemistry.

88 Aplikace

89 Děkuji za pozornost.