�ݺ�ߣ

CHEMICKÉ ZÁKLADY
MODERNÍCH MATERIÁLŮ
Jan Grégr, Technická Univerzita v Liberci
jan.gregr<at>tul.cz

Chemické základy moderních materiálů
Chemické základy moderních materiálů
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
Youngův modul [GPa]
Pevnost,elastickýlimit
[MPa]
měkké dřevo,
přes vlákna
tvrdé dřevo, přes vlákna
měkké dřevo, podél
vlákenslitiny olova
čisté olovo
bambus
břidlice
pískovec
Ag
tvrdé dřevo, podél vláken
cín mramor
Cu
Au
bronz
žula
Na-Ca
sklo
cihly
vápenec
MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání
Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm
jan.gregr<at>tul.cz

XV. století
[MPa]
Přírodní
materiály
Kámen a keramika
kůže
korek
měkké dřevo,
přes vlákna
tvrdé dřevo, přes vlákna
měkké dřevo, podél
vlákenslitiny
olova
bambus
pískovec
cín
mramor
Skla
břidlice
Cu
Au
bronz
žula
Na-Ca
sklo
vápenec
čisté olovo
cihly cement
mosaz
šedá
litina
za 4500 let přibyly pouze šedá litina, mosaz a cement
Kovy a
slitiny
tvrdé dřevo, podél vláken
Ag
jan.gregr<at>tul.cz

[MPa]
Přírodní
materiály
2012
Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Speciální
keramika
1000
1
XXI. století nabízí podstatně širší paletu materiálů
v zřetelně širším rozsahu vlastností
Kovy a
slitiny
jan.gregr<at>tul.cz

[MPa]
Přírodní
materiály
2012
Elastomery
Polymery
Kompozity
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a
slitiny
Speciální
keramika
1000
1
jan.gregr<at>tul.cz

[MPa]
Přírodní
materiály
2012
Elastomery
Polymery
Kompozit
y
Kámen a keramika
Pěny
Kovy a
slitiny
Speciální
keramika
1000
1
jan.gregr<at>tul.cz

Kompozitní
materiály
Z pozůstalosti Járy Cimrmana:
jan.gregr<at>tul.cz

Laboratorní výrobu a technické použití skleněných vláken uvádějí
ve svých pracích zakladatelé moderní fyziky Hooke a Réaumur (17.
až počátek 18. století).
Koncem 19. stol. se objevují první zmínky o technickém zužitkování
skleněného vlákna v patentové literatuře.
Nejstarší dochovaná zmínka je z roku 1880 a zabývá se drátem pro
telegraf opředeným skleněnou izolací.
Veřejný zájem o skleněná vlákna byl vzbuzen na Světové výstavě
v Chicagu v roce 1893, kdy Edward Drummond Libbey vytáhl
pramence vláken z rozžhavených konců tyčí a namotal je na
otáčející se buben velkého průměru.
V roce 1916 podává R. Kemp první patent na vlákny vyztužený
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 skleněného hedvábí 1893
jan.gregr<at>tul.cz

Composite materials
jan.gregr<at>tul.cz

http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-konstrukce-a-vyroba-
superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_113318_tec_technika_NYV
http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-konstrukce-a-vyroba-
superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_113318_tec_technika_NYV
jan.gregr<at>tul.cz

tvoří materiálový systém, složený ze dvou
nebo více fází,
s makroskopicky rozeznatelným rozhraním
mezi fázemi,
dosahující vlastností, které nemohou být
dosaženy kteroukoliv složkou samostatně ani
prostým součtem vlastností
jan.gregr<at>tul.cz

Synergický efekt
Jev, kdy je získán materiál s lepšími vlastnostmi,
než mají jednotlivé složky samostatně
Synergie je výsledkem chemické interakce
povrchů složek kompozitů
Může se jednat o chemickou vazbu i o nevazebné
interakce
jan.gregr<at>tul.cz

Složky kompozitů
matrice
•pojiva
výztuže
•plniva
jan.gregr<at>tul.cz

Skleněná vlákna pro kompozitní materiály
skleněná vlákna jsou nejběžnějším
výztužovým materiálem
výhody:
nízká cena,
nevýhody:
nízké moduly pružnosti,
problémy na mezivrstvě vlákno – pojivo
jan.gregr<at>tul.cz

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály
uhlíková vlákna stala materiálem, který má tyto
unikátní vlastnosti:
maximální specifickou pevnost
maximální tuhost – modul pružnosti
maximální tepelnou vodivost – až 3 krát
větší než má měď
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-polyamidů,
výhody:
vysoká houževnatost
nevýhody:
poškozuje je UV záření,
vlhkost narušuje vazbu vlákno-matrice
jan.gregr<at>tul.cz

vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány
jejich vnitřní 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 pásy,
benzenová jádra v řetězcích jsou mírně ukloněna a způsobují tak
mechanické zaklínění jednotlivých pásů k sobě
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

Uplatnění nanomateriálů
jan.gregr<at>tul.cz

Nanotechnologie – nanomateriály
nano(s) = v řečtině „trpaslík“
nano– předpona pro jednu miliardinu, tedy
10–9 základní jednotky
nanotechnologie + nanomateriály
se zabývají skladbou materiálů
v rozměrech nanometrů
jan.gregr<at>tul.cz

Nanotechnologie – nanomateriály
Richard Feynman,
29. 12. 1959
„Směrem dolů je
spousta místa“
„Proč ještě neumíme zapsat
všech dvacet čtyři svazků
Encyklopedie Britanniky na
špendlíkovou hlavičku?”
„Chtěl bych popsat obor,
v němž se toho dosud
udělalo málo, ale v principu
toho v něm může být
vykonáno nesmírně 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 nanotrubice
http://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.pdf
http://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

Tvrdé materiály, které se používají v technické
praxi můžeme rozdělit na
a
Synteticky je připravován umělý diamant a
korund a především karbidy, boridy, nitridy a
silicidy kovů
TVRDÉ MATERIÁLY
synteticky připravované
přírodní materiály
jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdost materiálů
Tvrdost materiálů souvisí s vazebnými silami v materiálu
čím jsou stavební částice blíž k sobě (vyšší energie vazby) a
čím je struktura materiálu hustší
Diamant Křemen
jan.gregr<at>tul.cz

Tvrdost materiálů
Mohsova stupnice
tvrdosti vyjadřuje
schopnost jednoho
materiálu rýpat do
druhého.
Byla vytvořena
německým
mineralogem
Friedrichem Mohsem a
slouží pro určení
tvrdosti látek.
Stupnice není
rovnoměrná.
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
mastek
sůl kamenná živec
křemen
jan.gregr<at>tul.cz

Karbid křemíku
byl objeven náhodně v roce 1891 a označen názvem
carborundum, podle toho, že jeho tvrdost v Mohsově stupnici
9,5 leží mezi tvrdostí C carbon (diamant) a Al2O3 corundum.
Průmyslově se vyrábí reakcí velmi čistého křemenného písku
s uhlíkem (koksem nebo antracitem) v elektrické odporové
peci (2200-2400oC) SiO2 + 3 C = SiC + 2 CO.
Technické využití pro SiC bylo původně jako vynikající
brusivo, díky jeho tvrdosti a také zvláštní lámavosti při které
vznikají velmi ostré řezné hrany.
Možnosti jeho využití jsou však mnohem širší.
I přes poměrně vysokou cenu má karbid křemíku význam jako
žáruvzdorný výrobek, k rozkladu dochází teprve při 2700oC,
přičemž se využívá jeho vynikajících vlastností, jako vysoké
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

UmElá pRíprava
krystalU
Katedra chemie FP TUL – www.kch.tul.cz
jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava krystalů
proč připravujeme
umělé krystaly
jan.gregr<at>tul.cz

proč připravujeme
umělé krystaly
protože
přírodní
zdroje
nestačí
požadavkům
nejnovějších
technologií
jan.gregr<at>tul.cz

jak připravujeme
umělé krystaly
jan.gregr<at>tul.cz

jak připravujeme
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 krystalů 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:Bridgman-Stockbarger-Verfahren.svg&filetimestamp=20100418091231
Umělá příprava krystalů z taveniny
Měření teploty
Tavenina
Tepelná izolace
Krystal
Kelímek
Odporový ohřev
Metoda podle Stockbargera
a Bridgmana
HornípecDolnípec
Teplota
Délkapece
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-německý fyzik. Vynálezce metody pěstování monokrystalů
z taveniny.
Držák
zárodku
Kelímek
Krystal
Tavenina
jan.gregr<at>tul.cz

studený kelímek
jan.gregr<at>tul.cz

Skull crucible – studený kelímek – ZrO2
jan.gregr<at>tul.cz

studený kelímek
oxid zirkoničitý
jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava hydrotermálních krystalů
Krystaly narůstají na
zárodku z roztoku za
velmi vysokých tlaků
jan.gregr<at>tul.cz

Umělá příprava hydrotermálních krystalů
křemen
jan.gregr<at>tul.cz

Tetrahedral press for synthetic diamond making http://elementsunearthed.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 krystalů diamantu
vysokotlaká metoda
jan.gregr<at>tul.cz

Žluté diamanty vyrobené Gemesis, první
společnost vyrábějící produkčně a tržně
zajímavé syntetické diamanty v
drahokamové kvalitě. Největší krystaly o
hmotnosti 3 karátů
Umělá příprava krystalů 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.php
http://www.webmineral.com/crystall.shtml#.VRAovo4kX-s
jan.gregr<at>tul.cz

děkuji za vaši pozornost
jan.gregr@tul.cz
CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ
jan.gregr<at>tul.cz

�ݺ�ߣ

Chemické základy moderních materiálů

Recommended

More Related Content

More from Martin Slavík (8)

Chemické základy moderních materiálů