Transcript
Page 1: Chemické  základy moderních  materiálů

CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ

Jan Grégr, Technická Univerzita v Liberci

jan.gregr<at>tul.cz

Page 2: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 3: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 4: Chemické  základy moderních  materiálů

XV. století

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]

Young ův modul [GPa]

Přírodní materiály

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

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

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání

Kovy a slitiny

tvrdé d řevo, podél vlákenAg

jan.gregr<at>tul.cz

Page 5: Chemické  základy moderních  materiálů

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]

Young ův modul [GPa]

Přírodní materiály

2012Elastomery

Polymery

Kompozity

Kámen a keramika

Pěny

Speciální keramika

1000

1

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

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

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání

Kovy a slitiny

jan.gregr<at>tul.cz

Page 6: Chemické  základy moderních  materiálů

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]

Young ův modul [GPa]

Přírodní materiály

2012Elastomery

Polymery

Kompozity

Kámen a keramika

Pěny

Kovy a slitiny

Speciální keramika

1000

1

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

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

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání

jan.gregr<at>tul.cz

Page 7: Chemické  základy moderních  materiálů

Pev

nost

, ela

stic

ký li

mit

[MP

a]

Young ův modul [GPa]

Přírodní materiály

2012Elastomery

Polymery

Kompozity

Kámen a keramika

Pěny

Kovy a slitiny

Speciální keramika

1000

1

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

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

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání

jan.gregr<at>tul.cz

Page 8: Chemické  základy moderních  materiálů

Kompozitní materiály

Z pozůstalosti Járy Cimrmana:

jan.gregr<at>tul.cz

Page 9: Chemické  základy moderních  materiálů

Kompozitní materiály

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

Page 10: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Kompozitní materiály

jan.gregr<at>tul.cz

Page 11: Chemické  základy moderních  materiálů

Kompozitní materiály

Composite materials

jan.gregr<at>tul.cz

Page 12: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Kompozitní materiály

jan.gregr<at>tul.cz

Page 13: Chemické  základy moderních  materiálů

Kompozitní materiály

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

Page 14: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 15: Chemické  základy moderních  materiálů

Složky kompozit ů

matrice

•pojiva

výztuže

•plnivajan.gregr<at>tul.cz

Page 16: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 17: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 18: Chemické  základy moderních  materiálů

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály

Americká uhlíková vlákna ze smol K1100, modul pružnosti 935 GPa

jan.gregr<at>tul.cz

Page 19: Chemické  základy moderních  materiálů

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály

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

jan.gregr<at>tul.cz

Page 20: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 21: Chemické  základy moderních  materiálů

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály

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

Page 22: Chemické  základy moderních  materiálů

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály

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

Page 23: Chemické  základy moderních  materiálů

– 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

Page 24: Chemické  základy moderních  materiálů

– 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

Page 25: Chemické  základy moderních  materiálů

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Page 26: Chemické  základy moderních  materiálů

Nanomateriály

Nanomaterials

jan.gregr<at>tul.cz

Page 27: Chemické  základy moderních  materiálů

Uplatn ění nanomateriál ů

jan.gregr<at>tul.cz

Page 28: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 29: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 30: Chemické  základy moderních  materiálů

Škála nanometrických velikostí

jan.gregr<at>tul.cz

Page 31: Chemické  základy moderních  materiálů

Uhlíkové nanotrubice

Carbon nanotube

jan.gregr<at>tul.cz

Page 32: Chemické  základy moderních  materiálů

Uhlíkové nanotrubice metodou CCVD

jan.gregr<at>tul.cz

Page 33: Chemické  základy moderních  materiálů

Uhlíkové nanohokejky

jan.gregr<at>tul.cz

Page 34: Chemické  základy moderních  materiálů

Anorganické částice v nanovláknech

Jodid bismutitý v polyvinylbutyralu

jan.gregr<at>tul.cz

Page 35: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 36: Chemické  základy moderních  materiálů

– 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

Page 37: Chemické  základy moderních  materiálů

jan.gregr<at>tul.cz

Page 38: Chemické  základy moderních  materiálů

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Page 39: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 40: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 41: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 42: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 43: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 44: Chemické  základy moderních  materiálů

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Page 45: Chemické  základy moderních  materiálů

UmElá pRípravakrystalU

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

jan.gregr<at>tul.cz

Page 46: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

proč připravujeme umělé krystaly

jan.gregr<at>tul.cz

Page 47: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

proč připravujeme umělé krystaly

protože přírodní zdroje nestačí

požadavk ům nejnov ějších technologií

jan.gregr<at>tul.cz

Page 48: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

jak p řipravujeme umělé krystaly

jan.gregr<at>tul.cz

Page 49: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

jak p řipravujeme umělé krystaly

metodami podobnými

přírodním dějům

jan.gregr<at>tul.cz

Page 50: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

1•z par

2•z taveniny

3•z roztoku

jan.gregr<at>tul.cz

Page 51: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů z par

prostá sublimace

chemická reakce v parách

jan.gregr<at>tul.cz

Page 52: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

Verneuillova metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Page 53: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

Verneuillova metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Page 54: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 55: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

Czochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Page 56: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ůCzochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Page 57: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

Czochralskiho metoda

jan.gregr<at>tul.cz

Page 58: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

jan.gregr<at>tul.cz

Page 59: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Umělá příprava krystal ů

Držák zárodku

Kelímek

Krystal

Tavenina

jan.gregr<at>tul.cz

Page 60: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

studený kelímek

jan.gregr<at>tul.cz

Page 61: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

studený kelímek

jan.gregr<at>tul.cz

Page 62: Chemické  základy moderních  materiálů

Skull crucible – studený kelímek – ZrO 2

jan.gregr<at>tul.cz

Page 63: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava krystal ů

studený kelímekoxid zirkoni čitý

jan.gregr<at>tul.cz

Page 64: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava hydrotermálních krystal ů

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

jan.gregr<at>tul.cz

Page 65: Chemické  základy moderních  materiálů

Umělá příprava hydrotermálních krystal ů

křemen

jan.gregr<at>tul.cz

Page 66: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 67: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 68: Chemické  základy moderních  materiálů

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

Page 69: Chemické  základy moderních  materiálů

Dotazy ?Dotazy ?

jan.gregr<at>tul.cz

Page 70: Chemické  základy moderních  materiálů

děkuji za vaši pozornost

[email protected]

CHEMICKÉ ZÁKLADY MODERNÍCH MATERIÁLŮ

jan.gregr<at>tul.cz