1 Materiały Współczesnych TechnologiiGrzegorz Karwasz Wykład XV Toruń,

2 Fe: stale, żeliwa Cu: mosiądze, brązy Aluminium, tytan, nikielMetale, stopy Fe: stale, żeliwa Cu: mosiądze, brązy Aluminium, tytan, nikiel Materiały wykład 1

3 Szkła (SiO2) Ceramiki CementyCeramiki, szkła Szkła (SiO2) Ceramiki Cementy Cofanetto da toeletta di Merit Nuovo Regno, XVIII dinastia, regno di Amenofi II-III ( a.C.) Legno (sicomoro) con recipienti di alabastro, vetro e ceramica Materiały wykład 1

4 1) Jednorodne 2) Chemoutrwardzalne (żywice) Kompozyty NanopolimeryPolimery, kompozyty 1) Jednorodne 2) Chemoutrwardzalne (żywice) Kompozyty Nanopolimery The thermal protection system of space-shuttles consists of various materials. Reinforced Carbon Carbon (RCC) components protect the shuttle’s nose section, wing leading edges and chin panel from extreme heat. Materiały wykład 1

5 Ebonit, bakelit … ad 1) ebonit (1843) – guma, 30 % siarki polietylenad 2) bakelit (1907) fenol + aldehyd mrówkowy

6 Materiały nowoczesnych technologii – podglądanie naturyNauka o materiałach jest taka stara jak cywilizacja. • W starożytnych piecach do wypalania żelaza, dymarkach, znanych w Egipcie w III tysiącleciu p.n.e w umiejętny sposób wykorzystywano fakt, że żelazo z domieszką węgla topi się w niższej temperaturze (nawet 1154ºC) niż czyste żelazo (1538ºC) ; dziś nie bardzo potrafimy odtworzyć proces dymarkowy • odlewanie brązu, na pomniki lub dzwony, jest jeszcze trudniejsze • sekrety produkcji porcelany były strzeżone przez tysiąclecia Okazuje się, że natura jest nie mniej pomysłowa niż człowiek. Drewno, muszla czy nić pajęcza pozostają prawie niedościgłymi wzorami…

7 Beton, stal, porcelana i muszleBadania mikroskopowe materiałów pokazują, że wiele z nich ma podobną strukturę, nawet jeśli są one pozornie bardzo różne Najbardziej odporne materiały konstrukcyjne: - beton zbrojony chińska porcelana hartowana stal - kompozyty polimerowe mają strukturę składającą się z dwóch faz – jednej włóknistej (pręty zbrojeniowe w betonie, włókna Al2O2 w porcelanie, wydłużone kryształy martenzytu w stali, włókna węglowe lub szklane w polimerach), odpornej na rozciąganie i drugiej wypełniającej (beton, mulit, austenit, żywica), odpornej na zgniatanie Okazuje się, że muszle małż też mają podobną strukturę, wapienno-organiczną, jak to pokazują wyniki naukowe poniżej

8 Biomateriały (1) The nanostructural unity of Mollusc shellsY. Dauphin* UMR 8148 IDES, bât. 504, Université Paris XI-Orsay, Orsay cedex, France * ABSTRACT Calcite and aragonite shell layers of the main classes of Molluscs are composed of monocrystalline units (prisms, tablets, laths or fibres). Scanning electron and atomic force microscopy studies show these units are composed of small round granules with a thin cortex (amorphous calcium carbonate and/or organic matrix). These granules are organo-mineral composites. A comparison of the size and shape of the granules in different taxa (Mollusca, Brachiopoda) suggests a possible relationship with taxonomy and/or phylogeny.

9 Red abalone Haliotis rufescens ang. Red abalonepol. Słuchotka kalifornijska – do 30 cm

10 Haliotis rufescens Fig. 1. (a and b) SEM images of fractured nacre from H. rufescens illustrating tiles on nearly parallel lamella. The “terrace” consisting of one interlamellar layer of nacre is shown at higher magnification in (b), where the black arrow points to a central region discussed below and referred to in Mutvei (1979). (c) Flat pearls grown on a glass slide inserted into the mantle of a live red abalone (described below). Note the “stack of coins” arrangement with a smaller tile (or tiles) nucleated at the top of each stack. (d) SEM image of a cross section of H. rufescens organic matrix, demineralized in EDTA, illustrating individual and apparently porous interlamellar layers Macromolecular structure of the organic framework of nacre in Haliotis rufescens: Implications for growth and mechanical behavior Jiddu Bezaresa, Robert J. Asaroa, , and Marilyn Hawleyb a Department of Structural Engineering, University of California, San Diego, CA 92093, USA b Materials Science and Technology Division, Los Alamos National lab., Los Alamos, NM 87545, USA Journal of Structural Biology Volume 163, Issue 1, July 2008, Pages 61-75

11 Haliotis rufescens

12 Klasy krystalograficzne (0-a): trygonalny (trigonal, ≈rhombohedral) = sześcian skrzywiony jednakowo w 3D Korund (Al2O3) Cynober (HgS) α-kwarc (SiO2)

13 Klasy krystalograficzne (0-a): trygonalny (trigonal, ≈rhombohedral) = sześcian skrzywiony jednakowo w 3D Kalcyt (CaCO3) Własności anizotropowe: dwójłomność światła, tj. dwie różne prędkości propagacji światła w różnych kierunkach (kalcyt) efekt piezoelektryczny, tj. powstawanie napięcia elektrycznego w trakcie ściskania (kwarc)

14 Kryształ regularny: chlorek soduUkład regularny ściennie centrowany dla Cl- (zielone) z jonami Na+ (szare) w lukach oktaedrycznych RNa+< RCl-

15 Kryształ regularny: diamentZnS – blenda cynkowa (sfaleryt) Układ regularny, ściennie centrowany Kubisch flächenzentrierte Kristallstruktur (fcc) des Diamant. Jedes Kohlenstoffatom ist gleichwertig mit vier Nachbaratomen kovalent gebunden, unten links in der Zeichnung hervorgehoben.

16 Własności materiałów (1) Skala twardości MohsaMateriał twardszy zostawia rysę na materiale miększym. Paznokieć ma twardość ok. 2.5, szkło 5.5, pilnik do paznokci ok. 6.5. AllAboutGemstones.com

17 1 talk http://www.mii.org/Minerals/Minpics1/Talc%202.jpg

18 2 gips (alabaster) CaSO4

19 3 kalcyt (wapień, szpat islandzki) CaCO3

20 4 fluoryt CaF2

21 5 apatyt Ca5(PO4)3

22 6 ortoklaz KAlSi3O8

23 7 kwarc (SiO2)

24 8 topaz Al2SiO4

25 tlenek glinu, Al2O3 – papier ścierny9 korund Al2O3 tlenek glinu, Al2O3 – papier ścierny - domieszkowany jonami Fe: szafir - domieszkowany jonami Cr: rubin Źródło: Wikipedia

26 10 diament http://loopable.files.wordpress.com/2007/07/diamant.gif

27 Kamienie szlachetne granaty wszystkie kolory, oprócz niebieskiego

28 Kamienie szlachetne turmalin

29 Kamienie szlachetne Szmaragd Be3Al2(SiO3)6

30 Metale, rodzime Miedż, srebro, kalcyt Złoto, miedź, srebro

31 Metale, rodzime (2) Żelazo, ołów, platynaArsen, antymon, bizmut, tellur

32 Zestawienie modułów Younga i temperatury topnieniaMetal Temperatura topnienia (OC) Moduł Younga (GPa) Pb 327 14 Zn 420 43 Mg 649 45 Al 660 71 Ag 962 76 Au 1064 82 Cu 1085 124 Ni 1455 214 Fe 1538 196 Cr 1863 289 Mo 2623 324 W 3422 411

33 Wpływ zawartości węgla na temperaturę przejścia w stan kruchy stali niestopowej o strukturze ferrytyczno - perlitycznej Burns, K. W. and Pickering, F. B., Deformation and fracture of ferrite-pearlite structures, J. Iron and Steel Inst., 1964, 202: 899-

34 Kruchość stopów lutowniczych [NASA 1965]

35 Stopy – poprawa własności mechanicznych, obniżenie temperatury topnienia„próba 750” „próba 916” srebro jubilerskie

36 Brąz - stop miedzi i cyny

37 „Epoka żelaza” Historia – dymarki, rudy żelazaWypalanie w dymarkach odbywało się przypuszczalnie w temperaturze około 1200ºC i dawało „kęs” żelaza. Podlegał on dalszej obróbce termicznej, redukcji (?), przekuwaniu. Jaki był skład chemiczny tego „kęsa” i dalsza obróbka, tego nie wiemy

38 Stal: stop żelaza i węgla

39 Żelazo „czyste”: ferryt = α-Fe bcc (<0.028%C@738ºC)Czyste żelazo jest miększe od miedzi!

40 Przy większej zawartości C pojawiają się dwie fazy:alfa-ferryt (88 wt%) cementyt (12%) - igły The group and their :"contracts": Chris Lattin Kurt Eaton Victor Simkovic Ike Eikenlaub

41 Przy jeszcze więszej zawartości C: Ferryt →Perlit→Sorbit

42 Stal wysokogatunkowa: ferryt i austenitŹródło: Prowans, Struktura stopów

43 Hartowanie stali The martensite is formed by rapid cooling (quenching) of austenite which traps carbon atoms that do not have time to diffuse out of the crystal structure martensite has a body centered tetragonal crystal structure, whereas austenite has a face center cubic (FCC) structure. Martensite in AISI 4140 steel 0.35%C Steel, water-quenched from 870°C

44 Kaloryfery, ruszty pieców = żeliwo (czyli do 4% węgla)Źródło: Prowans, Struktura stopów

45 Brązy fosforowe Phosphor bronze is an alloy of copper with 3.5 to 10% of tin and a significant phosphorus content of up to 1%. The phosphorus is added as deoxidizing agent during melting. These alloys are notable for their toughness, strength, low coefficient of friction, and fine grain. The phosphorus also improves the fluidity of the molten metal and thereby improves the castability, and improves mechanical properties by cleaning up the grain boundaries. Phosphor bronze propellor salvaged from 1940s American warship Bauhaus Walstein tenor saxophone manufactured in 2008 from phosphor bronze Acoustic guitar string wrapped with phosphor bronze

46 Stopy mennicze Monety polskie: 1, 2, 5 gr - Cu59Zn40Mn110, 20 ,50 gr i 1 zł - Cu75Ni25 2 zł : Cu92Al6Ni2- zewn., Cu75Ni25- wewn. Euro: stalowe, pokryte Cu 10, 20, 50 cents Cu89Al5Zn5Sn1 (nordic gold – szwedzkie złoto) inner: Cu75Ni25 outer Cu75Zn20Ni5 Piotr Gramza.

47 Al-Zn-Mg… - super-stopy lotniczefaza między-metaliczna Al7Cu2Fe i nierozpuszczony Mg2Si dendrytyczna sieć Al3Zr wzrost twardości po hartowaniu wzrost moduły Younga pod wpływem obciążenia

48 Stopy dentystyczne Fig. 2. Morphology of fct precipitates in the fcc palladium solid solution matrix of as-cast S-S. (a) Bright-field micrograph. (b) Higher-magnification bright-field micrograph of the striations within the precipitates. Fig. 4. Bright-field micrograph showing dislocations in the palladium solid solution matrix of Super Star after heat treatment simulating the firing cycles for a dental porcelain. Fig. 1. Dark-field micrographs showing the morphologies of a dendrite (a) and the eutectic structure (b) in as-cast Super Star. For the two-beam condition used to obtain (b), the fct lamellae of the eutectic structure have a bright appearance and the fcc lamellae (i.e., the dark regions between the fct lamellae) are not imaged. Fig. 3. Dark-field micrograph of heat-treated Super Star, showing discontinuous fct precipitates, which have rectangular platelet morphology. Dislocations are present in both the adjacent fcc palladium solid solution matrix and within the precipitates.

49 Krzemionka: SiO2 1) Luźne tetrahedry SiO4-2 otoczone Fe+, Al.+ itd: granaty 2) Struktura płaska (mika, glina) 3) Struktura przestrzenna (kwarc)

50 Skład szkła (%) - przykładySzkło SiO2 ZnO B2O3 Fe2O3 Na2O Al2O3 BaO CaO PbO vycor* 96 3 0.4 <1 pyrex 80-81 12-13 4 crown Zn 55-65 5-15 kilka crown Ba 31 12 8 48 Crown 75 9 11 crown Pb 16 13 ciężki flint 65 35 żelazowe 67 15 18 włókna opt. 54 22 sodowe (okienne) 17 *porowatość 28% Źródło; CRC i M. Blicharski, Wstęp do inżynierii…

51 rzymskie szkło butelkowe (niebiesko- zielone)Table 1. Sample analyses G6106 G13125 G3622 G14114 G14131 SiO2/wt% 69.0 69.4 67.1 Al2O3/wt% 2.3 2.6 2.1 Fe2O3/wt% 0.49 0.64 0.80 0.74 0.33 MgO/wt% 0.59 0.48 0.47 0.55 CaO/wt% 6.2 6.7 6.3 6.0 9.3 Na2O/wt% 18.2 17.3 17.4 16.6 K2O/wt% 0.52 0.54 0.50 TiO2/wt% 0.08 0.10 0.05 P2O5/wt% 0.09 0.12 MnO/wt% 0.35 0.51 0.46 0.37 0.92 SO3/wt% 0.22 0.36 0.30 0.23 Cl/wt% 1.4 1.1 1.2 1.6 Sb2O3/wt% 0.28 0.43 0.00 Fig. 3. Reflection-corrected, normalised visible wavelength optical absorption spectra. Roman blue-green bottle glass: chemical–optical analysis and high temperature viscosity modelling P.A. Binghama,    ,    and C.M. Jacksonb aDepartment of Engineering Materials, University of Sheffield, Sir Robert Hadfield Building, Mappin Street, Sheffield, South Yorkshire S1 3JD, UK bDepartment of Archaeology and Prehistory, University of Sheffield, Northgate House, West Street, Sheffield S1 4ET, UK Journal of Archaeological Science Volume 35, Issue 2, February 2008, Pages

52 Bo Zhang and Xiang Cheng/University of MinnesotaSzkła – amorficzne ? Bo Zhang and Xiang Cheng/University of Minnesota Glassy materials are characterized by their irregular structure. However, new 3D imaging experiments show that the positions of particles within a colloidal glass made from a suspension of micrometer-sized particles aren’t completely random.

53 Korund (topaz, rubin) = Al2O3Twardość Mohsa 9 temp. topnienia 2044ºC Struktura Al2O3: heksagonalna jonów O2- z jonami Al3+ w 2/3 luk struktury

54 Materiały ogniotrwałe: Al2O3:SiO2Kaolinit Al2Si2O5(OH)4 (tj. Al2O3•2SiO2•2H2O) º 2 Al2Si2O5(OH)4 —> 2 Al2Si2O7 + 4 H2O º 2 Al2Si2O7 —> Si3Al4O12 + SiO2 (spinel) 1050º Si3Al4O12 —> 2 Si2Al6O SiO2 (mulit + krystobalit)

55 Mulit http://webmineral.com/crystal/Orthorhombic-Dipyramidal.shtmlCopyright © Dave Barthelmy

56 Porcelana Skład: kaolin Al.2Si2O5(OH)4 – „Kao-Lin” główny składnik = lepiszcze glina (kaolin z domieszkami, np. Fe2O3) skaleń (niem. Feldspat, ang. feldspar, np. ortoklaz (K, Na)2Al2O3•6SiO2 lub plagioklaz CaO•Al2O3•SiO2 ) - topnik kwarc SiO2 zapewnia zeszkliwienie Influence of macroscopic residual stresses on the mechanical behavior and microstructure of porcelain tile     Journal of the European Ceramic Society Volume 28, Issue 13, September 2008, Pages Agenor De Noni Jr.a, Dachamir Hotzab, Vicente Cantavella Solerc and Enrique Sanchez Vilchesc aInstituto Maximiliano Gaidzinski (IMG), Cocal do Sul, SC, Brazil bUniversidade Federal de Santa Catarina (UFSC), Florianópolis, SC, Brazil cInstituto de Tecnologia Cerámica (ITC), Castellón, Spain W wygrzanej strukturze zwraca uwagę obecność wytrąceń kwarcu (ciemne)

57 Ceramiki dentystyczne (ZrO2)Journal of Applied Oral Science Print version ISSN J. Appl. Oral Sci. vol.12 no.spe Bauru  2004 doi: /S   Dental ceramics and the molar crown testing ground Van P. ThompsonI; Dianne E. RekowII IDepartment of Biomaterials and Biomimetics, New York University College of Dentistry IIDivision of Basic Sciences , New York University College of Dentistry

58 Inne tlenki (TiO2) TiO2 – rutyl, anatase (biały pigment do farb)TiO2 nanorurki nanowłókna z TiO2

59 Porowaty węgiel

60 Polietylen (PE) Stosuje się go jako tworzywo powłokowe, w produkcji folii i innych opakowań, do wyrobu rur, wyrobu elementów gospodarstwa domowego.

61 Polipropylen - PP Ma zastosowanie w produkcji elementów, osłon i obudów maszyn, wykładzin, opakowań, pojemników na chemikalia, rur, folii, włókien, itp

62 Polistyren - PS Zastosowanie: do wyrobu materiałów elektroizolacyjnych, części samochodów, rowerów, lodówek, naczyń, pojemników, zabawek, galanterii, a także biżuterii. Można z niego otrzymać styropian.

63 Polichlorek winylu - PVCJest stosowany w różnych gałęziach gospodarki: w budownictwie: do produkcji wykładzin podłogowych, stolarki okiennej i drzwiowej, akcesoriów (w postaci różnych listew wykończeniowych), rur i kształtek do wykonywania instalacji w budynkach, jako elewacja (siding) itp. w medycynie: dreny, sondy, cewniki, strzykawki w energetyce: materiał elektroizolacyjny do wyrobu opakowań (głównie przezroczystych) do cieczy i proszków używanych w gospodarstwie domowym i kosmetyce jako igelit, stosowany do pokrywania nawierzchni skoczni narciarskich, stoków zjazdowych, peronów kolejek linowych i wyciągów narciarskich w sporcie: do pokrywania boisk piłki siatkowej, koszykowej, ręcznej, halowej piłki nożnej do wyrobu kart ID (bankomaty, dostępu, rozliczania czasu pracy) do wyrobu folii dachowych

64 Poliamidy (nylony) - PAZastosowanie jako tworzywa konstrukcyjne szeroko stosowane w przemyśle. Wytwarzane w postaci folii, żyłek, włókien, proszku i bloków do obróbki mechanicznej.

65 Polimerkylan metylu - PMMAZnany też jako szkło akrylowe (pleksiglas). Zastosowanie: wytwarzanie płyt, szyb lotniczych, soczewek, szkieł odblaskowych i zegarowych, reflektorów, elementów dekoracyjnych.

66 Policzterofluoroetylen - PTFE Nazywany teflonem. Stosowany do nakładania powłok ochronnych, uszczelniania, do wykonywania zaworów, membran pomp itp.

67 Mylar, kapton, itd. Polyethylene terephthalate (mylar)poly-oxydiphenylene-pyromellitimide (kapton) Opakowania żywności, żagle słoneczne, Metalizowane Al jak filtry słoneczne Izolacja kabli w kosmosie i w próżni laboratoryjnej (0-700K)

68 Dimery kwasu mrówkowegoTotal Energy = kcal/mol ZPVE = kcal/mol Electron affinity EA = -21 kcal/mol EA with ZPVE corr. = -18,68 kcal/mol (HCOOH)2 H C Wiązanie poprzez uwspólnienie atomu wodoru, tzw. wiązanie „wodorowe” Gęstość elektronów wokół atomu wodoru jest mała, oznacza to, że jest to praktycznie „goły” proton. O O gęstość elektronowa H Karwasz i in. 2007

69 „Polimery” wody (klastery) Wiązanie „wodorowe” czyli protonowe Dimery wody zostały właśnie (2015) odkryte w atmosferze Karwasz i in., 2004

70 Dodatek: Jak należy kręcić ciasto?Mama mówi, że zawsze w jedną stronę? A co mówi fizyka współczesna? Dobrze wymieszane ciasto, to emulsja , czyli mieszanina wody i tłuszczu, w której tworzą się długie łańcuchy molekuł. Zmiana kierunku mieszania powoduje rozerwanie tych łańcuchów. when the stirring direction is reversed, particles are pulled out of contact with each other