TENDENCIJE RAZVOJA I PRIMJENE MATERIJALA

IZBOR MATERIJALA, 2+1, 2010.Vježba

Svjesnost o važnosti materijala –

u najrazvijenijim zemljama to nije više problem!

Vrlo sofisticirana i skupa oprema

Visokoobrazovani istraživači

Organizacija znanstvenog i istraživačkog rada –mreže institucija, lanci projekata od temeljnih do primijenjenih istraživanja, multidisciplinarni timovi -Primjer: FP6 i FP7 EU

Velika

ulaganja

–

Njemačka ulaže oko

400 milijunaEUR/god, Japan i SAD više od

1 milijarde

$ samo

iz

državnih

fondova.

NEKE BITNE PRETPOSTAVKE ISTRAŽIVANJA I RAZVOJA SUVREMENIH MATERIJALA

Ispunjenje područja u prostoru svojstava materijala

HOLE

HOLE

HOLE

Prostor svojstava materijala: E i

HOLE

Prostor svojstava materijala

:

i

Contours of

the index

Granice u prostoru svojstava materijalaPjene i rešetke Homogeni materijali Osmij

gustoćaTeorijska čvrstoća dijamanta

E/20

Strength - Density

Boundary of space

ρσ

Hole

CELULARNE -

ĆELIJASTE STRUKTURE I MATERIJALI

OPONAŠANJE PRIRODNIH MATERIJALA

I STRUKTURA:

DRVO, KOST, KAMEN, KORALJ I SL.

Optimiranje

strukture

i svojstava:

-

vrstom

materijala

ćelija

-

oblikom

i veličinom

ćelija

(gustoća)

-

oblikovanjem

slojastih

(sendvič) poluproizvoda

ĆELIJASTI MATERIJALI

Metalne, keramičke, polimernei ugljične pjene

Pjene i mikrorešetke (ćelije)

Polimerne pjene

500m

Istezanje-dominantnomikrorešetke

2mm

Savijanje-dominantnomikrorešetke

Mikro-rešetkasta konstrukcija

Plus:multifunctionality

Alu micro-trusses

Alufoams

HOLEHOLE

Šupljina

Ekstremno

lak mehanički sustav –

gustoća 10 kg/m3

PJENA

Keratin

Struktura kljuna TUCAN-a

Toplinski izolator

Yasuaki

Seki

–

doktorat

University

of

California, San Diego, 2005.

SVOJSTVA I PRIMJENA METALNIH PJENA

Zatvorene i otvorene ćelije

Zatvorene ćelije: mala masa, apsorpcija

energije, prigušenje

vibracija

(oko

10 x bolje

od osn. mat.) i zvuka, izolator

topline, dobar

omjer

krutosti

i gustoće, dobra elek. vodljivost...

Današnje: Al, Mg, Ti, Ni, Cu, Zn, Au, Ag, čelik. Al-pjene

su

danas

jedine

široko komercijalno

raspoložive.

METALNE PJENE -

POLUPROIZVODI

PRIMJERI PRIMJENA Al-PJENA

Konzola -

sendvič

Dijelovi ovjesa

Ublaživač

udara

POLIMERNI MATERIJALI Polimerne mješavine (blendovi);

Polimerni materijali posebnih svojstava

npr. otporni pri povišenim temperaturama:

-

Poliaromatski

-

PPS, PES, aramidi

(“Kevlar”), PEEK, PAEK;

-

Poliheterociklički

-

PI, PBI;

-

Silikonski elastomeri;

Kapljeviti

polimerni kristali (tekući kristalni polimeri -

LCP)

Izvrsna toplinska stabilnost, vrlo visoka čvrstoća i krutost,

visoka dimenzionalna

stabilnost, niža upojnost

vode, mala sklonost

gorenju, dobra preradljivost...

Elektrovodljivi

i inteligentni polimeri;

Polimerni nanokompoziti;

Biorazgradljivi

polimeri.

POLIMERNI MATERIJALI -

PRIMJENE

Primjena PPS s 40% stakl. vlakana za dijelove automobilskog motora i za zupčanike

Kapljeviti

polimerni kristali (LCP) u medicini

TEHNIČKA KERAMIKA Konstrukcijska:

-

oksidna: Al2

O3

, ZrO2

, Al2

TiO5

-

neoksidna: SiC, Si3

N4

, B4

C, SIALON, kubni

BN,

WC, TiN, TiC, AlN, umjetni

dijamant

Funkcionalna: senzori

i aktuatori, dijelovi

računala, inteligentna

stakla

(oksidni

slojevi),

visokotemperaturni

otpornici, supravodiči...

Novi keramičke prevlake i slojevi

Nanostrukturna

keramika

KERAMIKE -

MIKROELEMENTI

Piezoelektrični

keramičkisenzori

za

ultrazvučne

aparate

Mikrolijevane

keramičke

matriceza

izradu

tekstilne

pređe

Mikrolijevano

kućište

turbine(kateter

za

srce)

NOVI MATERIJALI ZA VISOKE TEMPERATURE

PP proizvodi punjeni drvom

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA POVRŠINA

OTPORNOST NA TROŠENJE

OTPORNOST NA KOROZIJU

ATRAKTIVAN IZGLED POVRŠINE

(dekorativnost)

Različiti

metali, legure, keramika, spojevi:

karbidi, nitridi

i oksidi.

Potpuno

nove

kombinacije

materijala

u jednom

ili

više slojeva

na

metalnom

ili

nemetalnom

substratu.

DIFUZIJA NEMETALNIH ELEMENATA:

LEGIRANJE PRIMJENOM LASERA

-POUGLJIČAVANJE -NITRIRANJE -BORIRANJE

NAŠTRCAVANJE: -PLAMENOM -PLAZMOM -DETONACIJSKO -ELEKTROLUČNO

IMPLANTACIJA IONA

SAČMARENJE -CVD-PVD-PA CVD

TOPLINSKA

TOPLINSKO-KEMIJSKA MEHANIČKA

TOPLINSKA

PREVLAČENJAMODIFICIRANJA

MEHANIČKA

TOPLINSKO-MEHANIČKA

KEMIJSKA

ELEKTRO-KEMIJSKA

U PARNOJFAZI

POVRŠINSKO KALJENJE: -PLAMENO -INDUKCIJSKO -ELEKTRONSKIM SNOPOM -LASEROM -NAVARIVANJE

-URANJANJE U RASTALJENI METAL

-FOSFATIRANJE-BEZSTRUJNO NIKLANJE-KROMATIRANJE-SOL-GEL.POSTUPCI

-KROMIRANJE-NIKLANJE-GALVANIZIRANJE

DEFORMACIJSKO SPAJANJE: -VALJANJEM -EKSPLOZIJOM

d d

DIFUZIJSKA PREVLAČENJA:

-METALNIM ELEMENTIMA

-METALNIM I NEMETALNIM ELEMENTIMA

ANODNA OKSIDACIJAO

2-

Al O2 3d

Al

POSTUPCI MODIFICIRANJA I PREVLAČENJA POVRŠINA

NANOSTRUKTURIRANI MATERIJALI

DEFINICIJA NANOMATERIJALA

Nanostrukturirani

ili

nanofazni

materijali

su oni

čija

je veličina

čestica, faza

(zrna) ili

debljina

slojeva

reda

veličine

nekoliko

do stotinjak

nm (10-9

m). Dimenzije

reda

veličine

nekoliko

atoma

ili

molekula.

Velika

specifična

površina

(npr. nanočestice

Al oko

50 m2/g)

velika kemijska aktivnost, na granicama zrna je pjenasta struktura.

Oblici: prahovi, tanki filmovi (slojevi), materijali

punog

volumena

(konsolidirani).

C60

ALOTROPSKE MODIFIKACIJE UGLJIKAFULERENBuckyball

SEM snimke nanocijevčica

nanocijevčica

vlačna čvrstoća: 1,2 GPamodul elastičnosti: 1 TPatoplinska vodljivost: 6000

W/m/K

(Cu

= 385)

toplinska postojanost do 2800 °Cvelika

specifična

površina

u odnosu na volumen:

-

nanocjevčice: do 700 m2/g- nanočestice:

do 50 m2/g.

niska gustoća: 0,05 -

0,22 g/cm3

SVOJSTVA UGLJIČNIH NANOCIJEVČICA

SOL-GEL PROCES

Mogućnosti

sol-gel procesa

Strukturne

jedinice

organsko-anorganskih

hibrida -

molekularnih

kompozita

(npr. ORMOCER®-a)

Institut

für

Silicatforschung, Würzburg

ORMOCER slojeviZaštitni

slojevi

(PC) Obojeni

slojevi

Zamućenje

stakla

nakonmehaničkog

trošenja

Porozni

polimerni

nanoslojevi

za antirefleksna

stakla

Institut

für

Nanotechnologie,Karlsruhe

POLIMERNO-KERAMIČKI KOMPOZITNI NANOSLOJEVI

SOL-GEL POSTUPAK -SLOJEVI OTPORNI NA GREBANJE

(npr. za

automobilsku

karoseriju)

SAMOČISTEĆI (NE PRIANJA PRLJAVŠTINA I VODA)SLOJEVI DOBIVENI U AEROSOL MAGLI KAPLJICA

ANTIBAKTERIJSKI SLOJEVI I NANOČESTICE

(Ag)primjena

u medicini,telefoni, kvake...

MULTIFUNKCIONALNI SLOJEVI:transparentnost, tvrdoća, neprianjanje

prljavštine,adaptivna

svojstva...

Crkva u Rimu –

beton premazan otopinom s TiO2Ne prianja se prljavština i voda

ANTIGRAFITNI SLOJEVI

Poslije nanošenja ne prianja grafite

Bez nanošenja

Primjeri

slojeva

-

INM -

Saarbrücken

Sloj

stakla

s hologramomna

nehrđajućem

čeliku

Prvo

zakrivljeno

elektrokromnostaklo

na

sol-gel osnovi

za

vozila

Fotokromni

efekt

na

papiru

AEROGELOVI

Poroznost u nm (95-99% zračnih kanalića, pora).NANOGEL

“Zamrznuti”

dim“Šećerna pjena (vuna)”, snijeg od bjelanjaka jaja

ŠEĆERNA VUNA (PJENA)

MATERIJALI:

kremeno (kvarcno) staklo -

SiO2 različiti metalni oksidi (Al, Ti i mješani) organski (polimerni) ugljični

- Vrlo mala gustoća (masa): 3-300 kg/m3

Najlakši materijal u čvrstom stanju.

- Izuzetno velika specifična površina: 250-3000 m2/g

SVOJSTVA I PRIMJENA:

-

toplinski izolatori- akustični antirefleksni

slojevi

- nosači katalizatora kemijskih procesa-

filtri i sakupljači nečistoća

-

spremnici goriva (ugljični)-

kondenzatori velikog kapaciteta (ugljični)

UGLJIČNI AEROGEL

AEROGEL

pločice kao hvatači

prašine komete Wild 2 na američkoj svemirskoj letjelici Stardust

PROZORSKA OKNATOPL. VODLJ. 0,02 W/m2K

OBIČNA STAKLA 1,5 W/m2K

Spremnici za hranu, lijekove i sl.

Ispušni

sustav

vojnog

vozila

-

General Dynamics

Elementi za izolaciju cjevovoda

Fotoluminiscentni

aerogelovi

OSTALI KERAMIČKI KOMPOZITI

Sustavi: Al2

O3

/n-TiN

(SiC

ili TaC), Si3

N4

/n-TiN

Primjena: ležajne

košuljice, brtve, rezni

alati, funkcionalna keramika (npr. elektrootporni

grijači)

SiC

+ nanododaci

koloidne

tehnike oblikovanja, injekcijsko prešanje, sinteriranje

bez tlaka

Primjena: grijači, sapnice plinskog grijača, izmjenjivači topline, tribološki

opterećeni elementi

Biomimetički

materijali

-

materijalna

bionika

Oponašanje

strukture

i svojstava

prirodnihnanostrukturiranih

materijala

-

oklopi

životinja,

zubi, kosti, biljke... Novi koncepti

razvoja

materijala

Veza

s genetičkim

inženjerstvom!?

nanovlakno

(dugo

oko

0,5 µm) spontano

oblikovanoiz

otopine

proteina

sintetizirane

iz

paukove

sline(H. Hansma, UC, Santa Barbara, US Army NRD Center, Massachusetts) (2002.)

Struktura sedefa -

oklopi školjaka

Marc Andre Meyers, A. Lin, J. Muyco

University of California, San Diego, 2005.

-

IZVANREDNA OTPORNOST NA UDARNA OPTEREĆENJAS VELIKIM BRZINAMA

–

protubalističke primjene

-

TOPLINSKI IZOLATOR

Naizmjenično složeni slojevi pločicananodebljine

tvrđeg (CaCO3

) materijala okruženih

mekšim (organskim)

Lomna žilavost oklopa je 3000X viša nego čistog CaCO3

OPONAŠANJE STRUKTURA ŠKOLJAKA PROTUBALISTIČKI

LAMINATI

Prof. Kenneth S. Vecchio - Department of Mechanical and Aerospace Engineering at the University of California at San Diego, La Jolla, CA. 2005.

“INTELIGENTNI”

(PAMETNI) MATERIJALI feromagnetni

materijali (FM)

feroelektrični materijali (FE)

piezoelektrični materijali (PE)

legure s efektom prisjetljivosti oblika (SMA)

toplinski rastezljivi elementi

vrsta mat. keramike, metali

keramike keramike, polimer metali (neke keramike)

smola, silikonsko ulje

veličina promjene oblika L

~ 0,1% < 1% < 0,1% < 10% L~

inicijacija magnetno polje

električno polje

električno polje temp. (ili meh. opterećenje)

temp.

fazna transformacija

+ + - + -

domena strukture + + - + - histereza uska uska uska široka široka primjeri vrsta mat. TbFe Pb3MgNb2O9 SiO2

Pb(Zr,Ti)O3 PVDF

NiTi CuZn CuAl,

CxH2x+2

komercijalno ime TERFENOL-D PMN Kvarc, PZT, PVDF NiTiNOL (NiTi)

Ni-Ti stentNanočestice

magnetita u ulju -magnetski upravljiva kapljevina