Základy strojnictví Kód předmětu N444005 Vysoká škola chemicko-technologická v Praze Základy strojnictví Kód předmětu N444005 Modul – 4 Konstrukční materiály Emil Jirák Ondřej Ekrt

Vztah struktury a vlastností materiálu Vlastnosti materiálů jsou určeny jejich složením a vnitřní strukturou. Pokud chceme měnit vlastnosti, musíme měnit v první řadě strukturu materiálů. Strukturu lze vnímat ve čtyřech základních úrovních: elektronová struktura (vodiče, nevodiče, polovodiče) molekulová struktura krystalová struktura (diamant vs. grafit) mikrostruktura (mechanické vlastnosti) Uvedené rozdělení je platné především pro látky krystalické. Amorfní materiály lze ovšem také charakterizovat určitou vnitřní strukturou, byť nedokonalou.

Elektronová struktura pásový model Pojem „elektronová struktura“ představuje prostorové a energetické rozložení elektronů v pevné látce a jejich vzájemné interakce PÁSOVÝ MODEL (jednoho atomu): vychází z předpokladu existence energetických pásů (stavů) v pevné látce Lineární kombinace atomových orbitalů (LCAO); kondenzovaná (pevná) fáze: během přibližování dvou atomů dochází ke vzniku dvou dalších molekulárních pásů (orbitalů) – vazebného a antivazebného; v případě vzájemného přibližování velkého počtu atomů se proces LCAO opakuje – vznikají další molekulové orbitaly. Výsledkem je velmi hustá struktura energetických úrovní tvořící v podstatě souvislý energetický pás. Energetické pásy – strukturu energetických tvoří dovolené pásy energií, které mohou elektrony nabývat. Intervaly mezi dovolenými pásy energií odpovídají zakázaným pásům energií. V pásovém modelu pevných látek se tedy střídají dovolené a zakázané pásy energií.

Elektronová struktura pásový model Pro klasifikaci materiálů z hlediska jejich elektrických vlastností (vodiče, nevodiče, polovodiče) jsou důležité dva nejvýše položené energetické pásy: VALENČNÍ PÁS (nejvyšší obsazený) VODIVOSTNÍ PÁS (nejnižší neobsazený – nachází se „nad“ valenčním pásem) Valenční a vodivostní pás je oddělen zakázaným pásem označovaným symbolem Eg a jeho šířka se udává v elektronvoltech [eV]. Rozdíl mezi kovy, polovodiči a izolanty spočívá v elektronové populaci (obsazení) valenčního a vodivostního pásu a v šířce zakázaného pásu.

Elektronová struktura klasifikace materiálů KOVY neúplně obsazený valenční pás; zakázaný pás je velmi úzký, případně dochází k překryvu valenčního a vodivostního pásu; vlivem velmi slabého vnějšího elektrického pole dochází k přeskoku elektronů z valenčního do vodivostního pásu IZOLANTY valenční pás zcela zaplněn a od vodivostního oddělen širokým zakázaným pásem (Eg ≈ 10 eV); přeskok elektronů z valenčního do vodivostního pásu není díky tomu možný; zcela zaplněný valenční pás není schopný vést elektrický proud POLOVODIČE šířka zakázaného pásu polovodičů je okolo Eg ≈ 1 eV, je funkcí teploty a dále je ovlivnitelná celou řadou faktorů (tlakem, ozářením, příměsemi); v polovodičích rozeznáváme vodivost typu n (elektronovou) a typu p (děrovou)

Chemická vazba IONTOVÝ KOVALENTNÍ KOVOVÝ MOLEKULÁRNÍ Podle charakteru chemické vazby, kterou mezi sebou atomy pevných látek vytvářejí rozlišujeme 4 vazebné typy: IONTOVÝ vazba zprostředkována kationty a anionty KOVALENTNÍ vazba tvořena atomy sdílejícími si elektrony KOVOVÝ vazba tvořena delokalizovanými elektrony MOLEKULÁRNÍ chemická vazba je v tomto případě tvořena slabými Van der Waalsovými interakcemi

Reálný krystal Ideální krystal je tvořen hmotnými body (atomy), které jsou „dosazeny“ do uzlových bodů ideální krystalové mříže a vykazuje nekonečnou periodicitu. Reálný krystal se vyznačuje poruchami periodicity krystalové mříže. Poruchy krystalové mříže jsou zodpovědné za významné vlastnosti materiálů (barva, elektrický odpor, plastické chování, lomová pevnost, tepelná a iontová vodivost…). Z hlediska geometrie dělíme poruchy na: BODOVÉ vakance, intersticiál, substituce, adice – mohou migrovat, zprostředkovávají difuzi ČÁROVÉ dislokace – způsobují plastické chování kovů PLOŠNÉ povrch (nevysycené vazby – katalytické a adhezní procesy), hranice zrn OBJEMOVÉ mikrodutiny, mikrotrhliny, póry, vměstky

Nekrystalické látky Struktura nekrystalických látek je neuspořádaná (neperiodická). Určitá periodicita je pozorovatelná pouze na krátkou vzdálenost (cca 50 Å). Vykazují izotropii vlastností, což znamená, že hodnota určité fyzikální veličiny nezávisí na směru ve kterém ji měříme. Významnou vlastností nekrystalických látek je nejednoznačný bod tání. V nekrystalických látkách neexistuje uspořádání na dlouhou vzdálenost a proto je pevnost vazeb mezi jednotlivými stavebními jednotkami různá. Při zahřívání dochází na nahodilých místech k porušování nejslabších vazeb a postupnému měknutí materiálu. Strukturu nekrystalické pevné látky lze modelovat radiální distribuční funkcí, jejíž průběh značí rozložení meziatomových vzdáleností v materiálu. Ukazuje se, že uspořádání struktury nekrystalických látek na krátkou vzdálenost se prakticky shoduje s uspořádáním v látkách krystalických.

Rozdělení materiálů Kovy Anorganické materiály Polymerní materiály struktura, vlastnosti, zpracování slitiny železa slitiny neželezných kovů Anorganické materiály sklo, keramika, stavební pojiva, horniny Polymerní materiály syntéza, molekulová hmotnost, zpracování, aditiva fázové stavy polymerů zpracování odpadů, recyklace Speciální materiály uhlík, optická vlákna polovodiče, supravodiče, magnetika kompozitní materiály

Kovové materiály Tvárnost (kujnost), houževnatost Elektrická vodivost Hovoříme-li o kovových materiálech, máme tím ve většině případů na mysli slitiny. Čisté kovy se v technické praxi využívají jen velmi ojediněle. Slitiny se skládají z hlavního kovového prvku a přísad, kterým se říká legury nebo legující prvky. Vlastnosti kovů jsou velmi různorodé, přesto však lze vyjmenovat fyzikální vlastnosti, které jsou společné pro všechny kovy: Tvárnost (kujnost), houževnatost schopnost trvalé deformace, důležité pro zpracování do požadovaného tvaru Elektrická vodivost Tepelná vodivost Kovový lesk, odrazivost viditelného záření

Kovové materiály struktura Na strukturu kovových materiálů můžeme pohlížet v několika základních úrovních: elektronová struktura kovová chemická vazba (nesměrová !!) – soubor kovových kationtů obklopených „plynem“ delokalizovaných elektronů; důsledkem tohoto typu vazby je elektrická vodivost kovů, soudržnost kovů a vznik tzv. těsně uspořádaných krystalických struktur (maximální zaplnění prostoru) krystalická struktura nejčastější typy krystalických struktur kovů je struktura hexagonální (nejtěsnější) a kubická plošně centrovaná; velmi častá je také kubická prostorově centrovaná ta však již nedosahuje maximálního vyplnění prostoru mikrostruktura tvar a uspořádání složek materiálu, které lze sledovat mikroskopem

Kovové materiály mikrostruktura Mikrostruktura zásadním způsobem určuje mechanické vlastnosti. Materiál o stejném chemickém složení může mít různou mikrostrukturu v závislosti na výrobním postupu a zpracování. čisté kovy Mikrostruktura je tvořena jednou fází. Vzhledem k tomu, že kovové materiály jsou polykrystalické, v mikrostruktuře jsou vidět jednotlivá zrna (krystaly) materiálu. Tvar a velikost zrn významně ovlivňuje vlastnosti kovů. tuhé roztoky Pokud čistý kov legujeme přísadou, dochází nejprve k jejímu rozpouštění v matrici základního kovu. Mikrostruktura je tedy stále tvořena jednou fází. polyfázové materiály Pokud obsah přísady překročí mez rozpustnosti v matrici, nadbytečné množství vytvoří novou fázi. Mikrostruktura je tedy tvořena tuhým roztokem a další fází nebo fázemi. Nová fáze může být tvořena čistým legujícím prvkem, mnohem častěji však dojde ke vzniku tzv. INTERMEDIÁLNÍ FÁZE. Intermediální fáze výrazně modifikují vlastnosti kovových slitin.

Kovové materiály mikrostruktura mikrostruktura kovu s obsahem legur pod mezí rozpustnosti v matrici základního kovu (tuhý roztok) mikrostruktura kovu s obsahem legur větším než je mez rozpustnosti v matrici (polyfázový materiál) Mikrostruktura je tvořena jednou fází (bílé oblasti). Černé oblasti jsou hranice zrn. Mikrostruktura je tvořena tuhým roztokem (bílé oblasti) a intermediálními fázemi (šedé a černé oblasti).

Kovové materiály mechanické vlastnosti Tvárnost (plasticita) je jednou z nejzákladnějších vlastností kovů. Pokud na materiál působíme silou dojde k jeho deformaci. Během zatěžování dochází nejprve k elastické deformaci – po odlehčení se materiál vrátí do původního tvaru. Po překročení určitého napětí, kterému říkáme mez kluzu, přechází elastická deformace v deformaci plastickou. Plastická deformace je trvalá – po odlehčení zůstává materiál trvale deformovaný. Pro provozní podmínky je mez kluzu nejdůležitější - omezuje velikost namáhání součásti tak, aby nedocházelo k nevratným deformacím. Významným parametrem je také mez pevnosti, což je maximální napětí, které můžeme na materiál aplikovat. Po překročení meze pevnosti je materiál výrazně deformován aniž je potřeba nárůstu napětí a dochází k porušení soudržnosti – lomu.

Kovové materiály vlastnosti Tahový diagram znázorňuje závislost zvyšujícího se napětí na relativní deformaci materiálu. deformace napětí elastická deformace rovnoměrná plastická deformace nerovnoměrná plastická deformace Mez kluzu Mez pevnosti Lom

Kovové materiály mechanické vlastnosti Mezi další mechanické vlastnosti, které se sledují u kovových materiálů patří tažnost a tvrdost. TAŽNOST charakterizuje plastické vlastnosti materiálu a představuje trvalou relativní deformaci (v procentech). TVRDOST je definována jako odpor materiálu proti vnikání cizího tělesa. U kovů se zkoušky tvrdosti provádějí vtlačováním vhodného tělíska (ocelové kuličky, diamantového jehlanu…) do materiálu předepsanou silou. Jednotky tvrdosti se liší podle použité metody měření a jsou odvozovány z různých parametrů vtisku (hloubka vtisku, délka úhlopříčky vtisku, atd…).

Kovové materiály zpracování Odlévání Odlévání je významný technologický krok zpracování kovů. Uspořádání je celá řada: kontinuální a diskontinuální lití, gravitační, odstředivé nebo tlakové lití, odlévání ingotů nebo odlitků ve tvaru finálního výrobku atd… Určitým úskalím je vznik slévárenských vad (dutiny, trhliny vzniklé při chladnutí, staženiny nebo přítomnost vměstků) a také fakt, že odlévat je možno pouze určité materiály se specifickými vlastnostmi (nepříliš vysoká teplota tavení, úzký krystalizační interval, dobrá zabíhavost a nízký sklon k naplynění). Tváření Tváření je změna tvaru slitiny plastickou deformací. Podle teploty rozdělujeme tváření za studena a tváření za tepla, podle metody na válcování, protlačovaní, kování a tažení. Při tváření dochází k částečné eliminaci vad vzniklých litím a rovněž ke vzniku tzv. deformační textury – protažení zrn materiálu ve směru tváření. Tvářené materiály mají obecně lepší mechanické vlastnosti, než materiály lité. Prášková metalurgie Relativně mladá technologie zpracování kovů. Spočívá v přípravě prášku dané slitiny (rozstřikováním taveniny tlakovým médiem, případně chemickou reakcí) a následné kompaktizaci (lisování a slinování). Touto technologií lze zpracovávat např. vysokotavitelné kovy a jejich slitiny (W, Mo).

Kovové materiály zpracování Obrábění Slouží k dosažení přesného finální tvaru výrobku a požadované kvality povrchu. Mezi tyto operace patří např. soustružení, frézování, vrtání, broušení nebo leštění. Obrobitelnost závisí na mechanických vlastnostech. Obecně se špatně obrábějí velmi tvrdé nebo příliš měkké materiály. Tepelné zpracování Tepelným zpracováním je u kovových materiálů dosahováno požadovaných vlastností (zejména mechanických). Patří sem žíhání, zušlechťování (kalení a popouštění) a vytvrzování. Aplikace daného teplotního režimu na materiál je spojena se změnou mikrostruktury (rekrystalizační pochody, rozpouštění intermediálních fází, změna morfologie) a tím i vlastností materiálu. Povrchové úpravy Povrchové úpravy jsou velmi často zařazovány jako finální operace zpracování kovových materiálů. Cílem povrchových úprav je zejména zvýšení korozní odolnosti, dosažení požadovaného vzhledu a zvýšení tvrdosti povrchu. Metody povrchových úprav mohou být mechanické (otryskávání), chemické (moření, odmašťování, barvení, bezproudové pokovování ), elektrochemické (galvanické pokovování), tepelné (žárové pokovení, plazmové nástřiky, smaltování) a vakuové (CVD, PVD). U ocelí se často používá chemicko-tepelné zpracování (cementace, nitridace) vedoucí k tvorbě velmi tvrdé povrchové vrstvy.

Kovové materiály slitiny železa Železo je technicky nejvýznamnější kov. Vyskytuje se ve dvou krystalografických modifikacích, které mají následující označení: α(Fe) kubická prostorově centrovaná γ(Fe) kubická plošně centrovaná Výroba železa se děje redukcí železné rudy (oxidy železa) uhlíkem. Vzhledem k tomu je uhlík ve vyrobeném materiálu VŽDY přítomen! Obsah uhlíku významným způsobem ovlivňuje vlastnosti železa. Podle obsahu uhlíku dělíme slitiny železa na dvě základní skupiny: OCELI (< 2,1%) LITINY (> 2,1%) Uhlík se vyskytuje v železe v různých formách. Nejdůležitější jsou: ferit – tuhý roztok uhlíku v α(Fe) austenit – tuhý roztok uhlíku v γ(Fe) cementit – karbid železa Fe3C grafit

Kovové materiály Diagram Fe - Fe3C

Kovové materiály OCELI Oceli jsou slitiny železa s uhlíkem a případně s dalšími legujícími prvky definovaného chemického složení, které jsou za vysokých teplot tvárné. Obsah uhlíku musí být menší než je jeho maximální rozpustnost v austenitu (tzn. 0 - 2,1%). Podle chemického složení dělíme oceli na UHLÍKOVÉ a oceli LEGOVANÉ. Více než 90% všech vyrobených ocelí představují oceli uhlíkové (s obsahem uhlíku obvykle do 0,3%). Pro zvýšení užitných vlastností se oceli legují vhodnými legujícími prvky (nejčastěji Cr, Ni, Mn, Si, V, Mo, W) – vznikají oceli legované. Významným technologickým krokem zpracování ocelí je tepelné zpracování. Nejvýznamnější způsob T.Z. je zušlechťování, což je kombinace kalení s následným popouštěním. Během kalení dojde k rozpuštění cementitu v austenitu při teplotě cca 880°C. Po následném prudkém ochlazení se nestačí cementit znovu vyloučit. Uhlík zůstává rozpuštěn v tuhém roztoku α. Rozpuštěný uhlík způsobuje pnutí krystalické mříže a vzniklá struktura je velmi tvrdá a křehká. Následující popouštění významně snižuje křehkost a spočívá ve vyloučení velmi jemných částic Fe3C při teplotách nižších než je teplota kalení.

Kovové materiály LITINY Litiny jsou slitiny železa se zvýšeným obsahem uhlíku (nad 2,1%) a dalších prvků, zejména křemíku. Litiny se díky své výborné slévatelnosti vždy zpracovávají odléváním a lze z nich odlévat i tvarově náročné odlitky. Díky tomu jsou výrobky z litiny levnější než výrobky z oceli, která se zpracovává tvářením (finančně nákladnější). Litiny se dělí na: bílé (uhlík přítomen ve formě Fe3C) grafitické Díky vysokému obsahu tvrdého karbidu Fe3C jsou bílé litiny velmi tvrdé a používají se na součásti extrémně namáhané třením (součásti mlýnů nebo drtičů). Více používané jsou však litiny grafitické (motory, čerpadla, potrubí, topná tělesa, sloupy…)

Kovové materiály NEŽELEZNÉ KOVY Z hlediska světové roční produkce neželezných kovů zaujímá první místo hliník. Následuje měď, zinek a olovo. Neželezné kovy lze dělit podle různý kritérií. Jedno z možných dělení může být např.: Lehké kovy (Al, Ti, Mg) Kovy s nízkými teplotami tání (Pb, Zn, Sn, Hg, Bi) Kovy se středními teplotami tání (Cu, Ni, Co) Kovy s nízkými teplotami tání (W, Mo, Zr) Ušlechtilé kovy (Ag, Au, Pt, Pd)

Kovové materiály Použití některých neželezných kovů a slitin Hliník je nejdůležitější neželezný kov. V praxi nalézá velmi široké uplatnění (obalová technika, elektrotechnika, dopravní prostředky, stavebnictví, spotřební zboží). Je vynikající elektrický a tepelný vodič, mezi jeho významné vlastnosti patří nízká hustota. Nejrozšířenější slitinou hliníku je dural (Al-Cu, případně Al-Cu-Mg). Hořčík - slitiny hořčíku nejsou tak pevné jako hliníkové, přesto se hojně využívají v letectví a automobilovém průmyslu (díky nízké hustotě hořčíku). Titan má vynikající pevnostní vlastnosti vysokou korozní odolnost, přičemž velkou výhodou je jeho nízká hustota. Titan je velice perspektivní materiál pro letecký a kosmický průmysl s extrémními nároky na spolehlivost. Olovo – nejvíce olova je spotřebováno na výrobu akumulátorů v automobilovém průmyslu. Další využití má díky své vynikající korozní odolnosti v chemickém průmyslu a v ochraně proti röntgenovému záření. Zinek – povrchové úpravy ocelových výrobků. Cín – povrchová ochrana ocelí, potravinářství (plechovky), výroba tabulového skla. Rtuť – kapalný kov s velmi malou smáčivostí – měřící technika (teploměry, tlakoměry), další využití spočívá např. v přípravě dentálních amalgámů nebo rtuťových katod v chemickém průmyslu. Měď – téměř polovina mědi se spotřebovává na výrobu kabelů, další využití: stavebnictví, rozvod vody, tepelné výměníky. Významné jsou slitiny mědi (mosazi, bronzy)

Kovové materiály Použití některých neželezných kovů a slitin Nikl nalézá největší uplatnění při výrobě chrom-niklových ocelí. Dále je základem špičkových materiálů s vysokou korozní a tepelnou odolností Kobalt – především legující prvek (slitiny s niklem, případně oceli), výroba vysoce tvrdých materiálů Další skupinu kovů tvoří kovy s vysokými teplotami tání. Patří sem wolfram, molybden a zirkonium. Využívají se pro vysokoteplotní aplikace, legování nástrojových a korozivzdorných ocelí, výrobu slinutých karbidů případně v jaderné energetice. Poslední významnou skupinu kovů představují ušlechtilé kovy. Patří sem zlato, stříbro a platina. Pro všechny tři je společnou vlastností vysoká chemická odolnost a výborná tvařitelnost. Stříbro je nejlepší elektrický vodič a kromě klenotnictví se často využívá v elektrotechnice na výrobu kontaktů. Zlato je kromě klenotnictví a elektrotechniky využíváno v chemickém průmyslu a lékařství. Platina má velmi vysokou chemickou odolnost i v agresivních chemikáliích. Používá se v chemickém průmyslu (laboratorní nádobí, elektrody, katalyzátory), klenotnictví a elektrotechnice.

Anorganické materiály SKLO Sklo je nekrystalická látka, která se nejčastěji připravuje utavením tzv. sklářského kmene, což je směs křemene - SiO2, vápence – CaCO3 a sody – Na2CO3. Při přípravě skla je nutné odstranit z taveniny bubliny (produkt chemických reakcí) a dodržet vysokou ochlazovací rychlost taveniny (vyhneme se tak nežádoucí krystalizaci vedoucí odskelnění). Dělení skel a jejich použití má široký rozsah: Anorganická a organická skla Oxidová (převážná většina) a neoxidová (kovová, S, Se, Te, F) skla Skla obalová, tabulová, tvrzená, barevná, chemicky a tepelně odolná (křemenné sklo – tavený SiO2, často se však používají vícesložková skla, nízká tepelná roztažnost, odolává tepelným šoků), optická (index lomu, disperze, optická propustnost), tepelně izolační, křišťálová (potaš místo sody), bioskla (bioaktivní, bioinertní). Sklokeramika – řízená krystalizace, zbytková skelná fáze, mechanicky pevnější než sklo (sporáky, nádobí, obkladové desky, energetika) Modifikátory oxidy K, Li, Pb, Ba, Cr, Fe, Al, síťotvorný oxid B2O3

Anorganické materiály KERAMIKA Keramika je krystalický anorganický materiál. Výrobky z keramiky se připravují tvarováním plastické suroviny, vysušením a vypálením (slinutím) při teplotách nad 700°C. Mezi výhody patří tvrdost, otěruvzdornost, chemická odolnost, žárovzdornost. Nevýhodami jsou křehkost, náročná výroba složitých tvarů, špatné plastické chování a její obtížné spojování keramických částí (případně jejich spojování s kovy). Vlastnosti keramiky jsou určeny především její mikrostrukturou, která je ovlivnitelná čistotou a zrnitostí výchozích surovin a technologickým zpracováním. Dělení keramiky může být podle: chemického složení (oxidová, neoxidová, zirkoničitá, titaničitá…) mineralogického složení (korundová, kordieritová) použití (stavební, zdravotnická, užitková, konstrukční, řezná, elektrotechnická, biokeramika, atd…). Zvláštní kapitolu tvoří žárovzdorné materiály odolávající teplotám 1500°C i více. Obvykle se jedná o materiály na bázi SiO2, Al2O3, ZrO2 nebo Cr2O3. Suroviny mohou být přírodní (jíly, hlíny, kaolíny), odpadní (popílek, struska, uhelný kal) a syntetické. Pro užitkovou keramiku jsou často základní surovinou minerály s vysokým obsahem MgO a CaO (vápenec, dolomit, mastek, magnezit…). Konstrukční keramika je obvykle připravována ze syntetických prášku velmi jemné zrnitosti.

Anorganické materiály KERAMIKA Další složkou používanou při přípravě keramiky jsou tzv. neplastické suroviny. Patří sem ostřiva, která snižují smršťování materiálu při sušení (křemičitý písek, šamot) a taviva, která snižují teplotu výpalu (hlinitokřemičitany). Prvním krokem technologie keramiky je příprava výchozí směsi. V případě tradiční keramiky se výchozí směs připravuje mletím za mokra v bubnových mlýnech. Takto je získán polydisperzní prášek se zrnem nedefinovaného tvaru, který je znečištěn materiálem mlecích koulí a vyzdívky mlýnu. V případě náročnějších konstrukčních keramických materiálů je třeba připravit čistý monodisperzní prášek se zrnem definovaného tvaru. K tomuto účelu se používají chemické reakce v plynné fázi, srážecí reakce, laserové a plazmové technologie a technika sol-gel. Druhý krokem je tvarování, které se provádí litím do forem, vstřikováním nebo lisováním. Dalším krokem je sušení, které má za účel snížit obsah vody v materiálu před výpalem. Bez vysušení by výrobek při výpalu popraskal v důsledku expanze vodní páry. Nejdůležitějším krokem technologie je výpal (slinování), při němž dojde ke zhutnění materiálu. Slinování spočívá v natavení a spojení jednotlivých částic. Posledním krokem jsou pak povrchové úpravy keramiky (glazury, engoby, keramické barvy).

Anorganické materiály ANORGANICKÁ POJIVA Stavební pojiva jsou práškovité látky, které po rozdělání s vodou spojí zrnitý materiál do kompaktního celku. Kvalita spojení je dána mírou adheze povrchů pojiva a spojovaného zrnitého materiálu. Povrch zrnitého materiálu musí být tedy tekutým pojivem dobře smáčen. Dělení: stavební pojiva (maltoviny) – cementy, vápna, sádra technická pojiva – vodní sklo (koloidní roztok křemičitanu sodného) vzdušná pojiva – ztvrdnou na vzduchu a ztvrdlá nejsou příliš odolná vodě (sádra) hydraulická pojiva - ztvrdnou na vzduchu i ve vodě a trvale odolávají působení vody (cementy) Cementy: základní suroviny: vápenec (CaCO3) a dolomit (CaMg(CO3)2) doplňkové suroviny: jíly, hlíny, břidlice, vysokopecní struska, bauxit – obohacují cementy o další oxidy (SiO2, Fe2O3, Al2O3) Cementy dělíme podle převažující aktivní složky (oxidu): křemičitanové (CaO [60-70%] + SiO2 [18-24%], nejpoužívanější – např. portlandský cement) hlinitanové (až 35% Al2O3, chemicky odolné a žárovzdorné) speciální (silniční, přehradní, rozpínavé, barevné)

Anorganické materiály STAVEBNÍ POJIVA Výroba cementu se děje vypalováním surovin v pecích při teplotách 1300-1400°C až do slinutí (!). Při výrobě vzniká velké množství CO2 což představuje závažný ekologický problém. Vápno: základní suroviny: stejně jako u cementu vápenec (CaCO3) a dolomit (CaMg(CO3)2) Vápna dělíme podle chemického složení: vzdušné – tuhne pouze na vzduchu nehašené (CaO + MgO) hašené (Ca(OH)2 + Mg(OH)2) hydraulické – kromě CaO a MgO obsahuje 25% tzv. hydraulických oxidů (SiO2, Al2O3, Fe2O3), tuhne také pod vodou Výroba vápna se děje vypalováním surovin v pecích při teplotách do 1100°C (pod teplotou slinutí). Tímto postupem vzniká nehašené vápno. Tvrdnutí vápna (resp. vápenné malty) probíhá karbonatací což je přeměna Ca(OH)2 na CaCO3 působením vzdušného CO2.

Anorganické materiály STAVEBNÍ POJIVA Sádra: Sádra je anorganické pojivo na bázi CaSO4. základní suroviny: přírodní sádrovec (CaSO4·2H2O), odpadní sádrovec Odpadní sádrovec je produktem odsiřování uhlí, při kterém se spaluje uhelný prach s přídavkem mletého vápna. Vznikající oxid siřičitý je dále oxidován kyslíkem a současně se slučuje s vápnem za vzniku odpadního sádrovce. Výroba sádry spočívá v kalcinaci sádrovce – odstranění krystalové vody při teplotách přes 100°C. Vzniká bezvodý CaSO4 případně hemihydrát CaSO4. Tuhnutí sádry je pochod při kterém dochází k opětovné rehydrataci bezvodého (hemihydrátu) CaSO4. Použití: tmely, omítky, modelování, formy a především výroba sádrokartonových desek.

Polymerní materiály Polymerní materiály jsou přírodní nebo syntetické látky v jejichž makromolekulách se mnohonásobně opakuje jednodušší monomerní jednotka (obdobně jako článek v řetězu). Polymerní látky disponují velkou strukturní variabilitou což vede k široké škále vlastností výsledného materiálu. Základní rozdělení polymerních látek: Elastomery polymery snadno deformovatelné malou silou za běžných podmínek (kaučuky, pryže) Termoplasty plasty, které lze lze opakovaně převádět do plastického stavu ohřevem a zpět do tuhého stavu ochlazením Reaktoplasty plasty, které mají strukturu ve formě husté trojrozměrné sítě, k zesíťování a tváření dochází během výroby za vyšší teploty a tlaku, jakmile je proces zesíťování dokončen, dojde k vytvrzení a opětovným ohřevem již nejde připravený reaktoplast roztavit a tvarovat (pryskyřice, bakelit)

Polymerní materiály Syntéza polymerů se děje chemickým procesem, během něhož dochází ke spojování jednotlivých jednodušších monomerních jednotek za vzniku makromolekuly. Tento proces se nazývá polymerace. Nejvýznamnější je polymerace monomerů obsahujících jednotku C=C. Dvojná vazba mezi uhlíky má schopnost štěpení a vzájemného propojení s další rozštěpenou jednotkou. Pokud je makromolekula sestavena z různých základních jednotek nazýváme výsledný materiál kopolymer. Podle charakteru reagujících monomerů a vlastní chemické reakce rozeznáváme vedle běžné polymerace také: polyadice - syntéza monomerů obsahujících násobné vazby s monomery, které obsahují vhodné funkční skupiny polykondenzace – syntéza z monomerů obsahujících reakční funkční skupiny; během polykondenzační reakce vzniká vedle polymeru také nízkomolekulární produkt (voda, methanol, amoniak). Z hlediska technologie rozlišujeme polymerace na blokové, roztokové, suspenzní a emulzní.

Polymerní materiály MOLEKULOVÁ HMOTNOST Molekulová hmotnost je nejvýznamnější strukturní parametr polymerních látek určující chování polymeru za různých podmínek. Jednotlivé polymerní řetězce daného materiálu mají ovšem různou délku a jsou tedy polydisperzní. Molekulová hmotnost polymerů je veličina se statistickým charakterem a s určitou distribucí, ze které se určuje se střední molekulová hmotnost. Molekulová hmotnost a její distribuce má vliv na teplotu měknutí polymerů, rozpustnost, viskozitu roztoků a tavenin, pružnost a pevnost.

Polymerní materiály FÁZOVÉ STAVY Bod varu polymerů je nižší než bod jejich rozkladu – z tohoto důvodu neexistují polymery v plynném stavu, ale pouze ve stavu kapalném nebo tuhém. V tuhém stavu rozlišujeme stav krystalický a amorfní (sklovitý). Mezi sklovitým a kapalným stavem se nachází stav kaučukovitý, ve kterém je polymer možno téměř vratně deformovat až o stovky %. Důležitým parametrem, který určuje teplotní chování amorfního polymeru je teplota skelného přechodu – Tg. Pod touto teplotou se materiál nachází ve sklovitém stavu, nad touto teplotou ve stavu kaučukovitém. Nad teplotou Tg leží teplota plastického toku – Tf. Pro krystalické polymery je z tohoto hlediska určující teplota tání – Tm. Vysoce krystalické polymery nevykazují kaučukovitou oblast! Pro každý polymer je charakteristická tzv. termomechanická křivka představující závislost mechanických vlastností polymerů na teplotě.

Polymerní materiály ZPRACOVÁNÍ ODPADŮ Dělení odpadních plastů: odpad vratný (vzniká při výrobě) odpad sběrový (po upotřebení výrobku) Vzhledem k velmi dlouhé době přirozené degradace polymerních materiálů je praktičtější likvidovat polymerní odpady průmyslovými způsoby spíše než skládkováním. Nejpokročilejší je tepelná degradace. Patří sem spalování, které je ekonomicky výhodné. Nevýhodou je vznik agresivních exhalací (chlorovodík, fluorovodík…). Odpad lze také degradovat redukční pyrolýzou, kdy na polymer působí za zvýšené teploty oxid uhelnatý a voda, čímž se odpadní polymer transformuje na výhřevná paliva. Další možností je recyklace, při které se chemickou cestou připravuje znovu polymerizovatelný monomer. Zpracování sběrného odpadu se často provádí mechanickou cestou – drcení, lisování a zpracování za tepla.

Speciální materiály UHLÍK Uhlík je základním prvkem organické chemie a biochemie a lze jej označit za základní stavební jednotku života. Vynecháme-li biologické formy, nachází se v přírodě zejména ve formě ropy a uhlí. Z materiálového hlediska jsou však významné jeho dvě krystalické modifikace – diamant a grafit (tuha). DIAMANT – Nejtvrdší přírodní látka, chemicky a mechanicky velice odolný. Při vysokých teplotách reaguje se vzdušným kyslíkem za vzniku CO2, bez přístupu kyslíku se mění v grafit. Diamant lze připravit z grafitu působením vysokých tlaků a teplot. GRAFIT – Chemicky a mechanicky velmi málo odolný. Je tvořen šestiúhelníkovými vrstvami atomů C, přičemž vrstvy mezi sebou jsou vázány slabými silami. Následkem je výborná štěpnost a kluznost grafitu. Uhlík se vyskytuje také v amorfní formě – saze. Saze jsou důležitou surovinou pro řadu průmyslových odvětví. Nejvýznamnější je její použití při výrobě technické pryže. Saze jsou také obsaženy v aktivním uhlí (filtry), palivové rašelině nebo koksu.

Speciální materiály UHLÍK V současné době je velká pozornost věnována speciálním uhlíkovým materiálům: uhlíkové nanopěně, uhlíkovým nanotrubičkám a fullerenům. UHLÍKOVÁ NANOPĚNA – síť pospojovaných trubiček 5 nm dlouhých, zajímavostí je, že vykazuje feromagnetické vlastnosti. Připravuje se pulsní laserovou technologií. Využití se nabízí v medicíně. FULLERENY – sférické uhlíkové molekuly tvořící jakési duté kulové klece. Jsou mimořádně odolné vůči vnějším fyzikálním vlivům. Připravují se laserovou degradací organických látek. Perspektivní obor pro jejich využití jako materiálů pro techniku nebo v lékařství. Mezi důležité vlastnosti fullerenů patří supravodivost. NANOTRUBICE jsou podobné molekuly jako fullereny, tvarem však připomínají válec libovolné délky jehož vnitřní objem není uzavřený. Nanotrubice byly úspěšně aplikovány v mikroelektronice.

Speciální materiály polovodiče, supravodiče, magnetika Polovodiče jsou materiály jejichž šířka zakázaného pásu činí ≈ 1 eV (viz úvod). Jejich rezistivita se pohybuje v mezích od 10-3 do 108 Ω·m (mezi izolanty a vodiči). Od kovů se liší v několika vlastnostech - nosičem náboje mohou být jednak elektrony (polovodiče typu „N“) a jednak kladné „díry“ (polovodiče typu „P“). Při zahřívání se zmenšuje jejich odpor. Vhodné příměsi výrazně zmenšují jejich odpor a mění typ vodivosti. Supravodiče jsou materiály, které mají při nízkých teplotách neměřitelný odpor vedení elektrického proudu a velmi intenzivně vytěsňují magnetické pole ze svého objemu. Z technického hlediska je problémem nutnost chlazení na velmi nízké teploty (nejvyšší teplota supravodivosti činí -135°C). Magnetika – magnetické vlastnosti látek jsou charakterizovány veličinami relativní permeabilita (µr) a relativní susceptibilita (χm), přičemž platí: µr = 1 + χm. Materiály dělíme na diamagnetické (µr < 1; χm < 0), paramagnetické (µr < 1; χm > 0) a feromagnetické (µr >> 1; χm >> 0). Diamagnetika – nezeslabují vnější magnetické pole a jsou jím odpuzovány Paramagnetika – mírně zesilují mg. pole a jsou jím mírně přitahovány Feromagnetika – výrazně zesilují mg. pole, µr ~ 8000 (ocel); Fe, Co, Ni

Speciální materiály kompozitní materiály Kompozity jsou všechny materiálové systémy, které jsou složeny z více (nejméně dvou) fází, z nichž alespoň jedna je pevná, a tyto fáze mají makroskopicky rozeznatelné rozhraní. Cílem při vývoji a výrobě kompozitního materiálu je získat materiál se synergickým účinkem v jeho struktuře tak, aby bylo možno získat nový materiál s lepšími vlastnostmi, než mají jednotlivé složky samy nebo ve směsi. Obecně jsou kompozitní materiály složeny z matrice (spojitá fáze) a výztuže (nespojitá fáze). Na vlastnosti výsledného kompozitu má zásadní vliv kvalita rozhraní matrice/výztuž. Dělení kompozitů spočívá v geometrickém tvaru výztuže a povahy matrice. Rozeznáváme kompozity s částicovou nebo vláknovou výztuží, z hlediska matrice potom kompozity kovové, polymerní nebo keramické.

Degradace materiálů Degradace materiálu je proces, který vede ke změně vlastností materiálu díky nimž se stává materiál pro danou aplikaci nepoužitelný. Dělení degradačních procesů: degradace mehanickým zatěžováním degradace tepleným zatěžováním chemická degradace (koroze) degradace zářením DEGRADACE MECHANICKÝM ZATĚŽOVÁNÍM: deformace – z hlediska degradace je podstatná plastická deformace při které dochází k trvalé změně tvaru lom – oddělení dvou částí materiálu, rozlišujeme houževnatý a křehký lom únava – změna vlastností materiálu (v krajním případě vedoucí k lomu) vlivem cyklického namáhání, přičemž velikost zatížení je nižší než mez pevnosti příp. kluzu opotřebení – změna povrchu a rozměrů materiálu vlivem kontaktu s jiným materiálem nebo médiem (abrazivní, adhezivní, erozivní a kavitační opotřebení)

Degradace materiálů DEGRADACE MECHANICKÝM ZATĚŽOVÁNÍM: tečení – pomalá plastická deformace probíhající za zvýšených teplot v elastické oblasti poškození náhlými změnami teplot – plastická deformace způsobená vznikem teplotních gradientů a vnitřních pnutí (vlivem tepelné roztažnosti) při náhlé změně teploty chemický rozklad – především polymerní materiály, za zvýšených teplot dochází ke štěpení makromolekul CHEMICKÁ DEGRADACE (KOROZE): Probíhá díky chemickému působení složek prostředí na materiál. Rozlišujeme korozi v plynném a kapalném prostředí. V plynném prostředí je pro korozi nejvýznamnější kyslík. U kovů vznikají oxidy, které ovšem v některých případech chrání (pasivují) povrch, sklo a keramika jsou proti oxidaci výrazně odolnější a polymery jsou proti oxidaci nejméně odolné (vznik volných radikálů). V případě koroze v kapalném prostředí je prakticky nejvýznamnější koroze kovů ve vodných roztocích. Jedná se o oxidačně-redukční děj, při kterém dochází k oxidaci kovu (anodická reakce) a redukci složek prostředí (katodická reakce). Sklo a keramika je odolnější vodným roztokům než kovy. Z hlediska mechanismu koroze dochází spíše k rozpouštění složek materiálu (nikoli k oxidačně-redukčním reakcím). U polymerů je významná spíše odolnost proti organickým rozpouštědlům. V praxi je velmi významná koroze betonu – v tomto případě dochází k expanzi objemu korozních produktů, která může vést až k destrukci konstrukce.

Degradace materiálů DEGRADACE ZÁŘENÍM: degradace polymerů ultrafialovým zářením – vznik volných radikálů v důsledku absorbce fotonů dvojnými vazbami a následné excitaci molekuly. radiační poškození kovů – významné v jaderné energetice, proud neutronů zvyšuje koncentraci bodových poruch což vede ke vzniku tzv. radiačního křehnutí, případně radiačního tečení