UVOD

Znanost o materialih - zveza med

SESTAVO, STRUKTURO, LASTNOSTMI

in UPORABO materialov

1

Kaj so materiali?

2 2

Kaj so materiali?

3

predelovanje

karakterizacija

struktura in sestava

lastnosti

uporaba, delovanje

ZNANOST O MATERIALIH

VEDA O MATERIALIH

• “Materials science“ - razumevanje soodvisnosti sestave, zgradbe in lastnosti snovi

• “Materials engineering“ - na osnovi razumevanja soodvisnoti zgradbe in lastnosti snovi, priprava novih materialov

Struktura ali zgradba materialov

Lastnosti materialov

Sub-atomarni nivo, Atomarni nivo (Atomi – jakosti vezi - koordinacija) Mikroskopski nivo (faze) Makroskopski nivo

Mehanske lastnosti Električne lastnosti Termične lastnosti Magnetne lastnosti Optične lastnosti Trajnost /propad gradiv

Priprava materialov

Uporabnost materialov

Veda (nauk, znanost) o materialih proučuje zvezo med sestavo, strukturo (zgradbo) in lastnostmi izbranih materialov.

Pri tem material razumemo kot snov, ki ima uporabno vrednost. Pod sestavo materiala (snovi) razumemo predvsem kemijsko sestavo (vrsto atomov, molekul, ...), ki sestavljajo ta material. Struktura (zgradba) materialov pa pove, na kakšen način so sestavine razporejene v prostoru.

Sestava materialov

4

Sestava materialov

Periodni sistem elementov

5

I. II. III. IV. V. VI. VII. VIII.

Sestava materialov

Kisik

46,6 %

Silicij

27,7 %

Aluminij

8,1 %

Železo 5,0 %

Kalcij 3,6 %

Natrij 2,8 %

Kalij 2,6 %

Magnezij 2,1 %

Vsi ostali elementi

1,5 %

6

Masni delež elementov v zemeljski skorji

7

• Snov je vse, kar ima maso in prostornino. Poznamo več milijonov različnih snovi • Snovi delimo na čiste snovi in na zmesi. • Čista snov je kemijsko opredeljena snov s stalno sestavo. Med čiste snovi uvrščamo

elemente in spojine. a) Element je snov, ki je ne moremo razgraditi v še enostavnejšo snov – sestavljena je

le iz ene vrste atomov (atomi so osnovni gradniki elementov, ki sodelujejo v kem. reakcijah) - glej periodni sistem elementov.

b) Spojina je snov, sestavljena iz atomov ali ionov različnih elementov. • Zmes je sestavljena iz dveh ali več čistih snovi. Zmesi so lahko homogene ali heterogene.

Sestava materialov Snovi

SNOV

Ali jo lahko ločimo s

fizikalnimi procesi?

DA NE

ČISTA SNOV ZMES

element spojina homogena heterogena

DA NE DA NE

Ali jo lahko

ločimo s

kemijskimi

procesi?

Je na zunaj

videti

enotna?

Primer: železo Primer: voda Primer: raztopina sladkorja Primer: prst

8

Snovi se med seboj razlikujejo po lastnostih. Lastnosti snovi so odvisne od kemijske zgradbe snovi (sestave) in sestave. Lastnosti snovi razdelimo na: 1. Kemijske lastnosti: • reaktivnost - gorljivost, vnetljivost, eksplozivnost • kemijska stabilnost • toksičnost • entalpija, notranja energija, ...

2. Fizikalne lastnosti: • gostota • temperatura tališča in vrelišča • topnost • barva • vonj • viskoznost • mehanske lastnosti: trdnost,

trdota, … • električna prevodnost • toplotna prevodnost • magnetne lastnosti • optične lastnosti, ...

Sestava materialov Snovi in njihove lastnosti

Ločevanje zmesi

• Čista snov ima določene in stalne fizikalne

lastnosti (vrelišče, tališče)

• Različne lastnosti snovi omogočajo ločevanje

zmesi po različnih postopkih

• Pri ločevanju zmesi se čiste snovi ne

spreminjajo

Snovi in njihove lastnosti – sprememba agregatnega stanja

9

• Snovi se lahko nahajajo v različnih agregatnih stanjih: trdno, tekoče, plinasto, plazma. • V plinastem in tekočem agregatnem stanju se delci lahko gibljejo (v plinu je bistveno

hitrejše), v trdnem pa delci le nihajo okoli svojega položaja. • Agregatno stanje neke snovi je odvisno od temperature in tlaka. S spremembo teh dveh

lahko spremenimo agregatno stanje snovi. Vse spremembe agregatnih stanj so fizikalne spremembe.

• Tališče je temperatura, pri kateri se snov stali, vrelišče je temperatura, pri kateri tekočina vre. Temperaturi tališča in vrelišča sta odvisni od zunanjega tlaka.

Primeri: (pri zunanjem tlaku 101,3 kPa) VODA: Led se stali pri 0 °C, tekoča voda

pa zavre pri 100 °C. ŽIVO SREBRO: Tališče živega srebra je

pri –39 °C, vrelišče pa pri 357 °C. DUŠIK: Tališče dušika je pri -210oC,

vrelišče pa pri -196oC.

Snovi in njihove lastnosti - gostota snovi

10

V

m [g cm–3, g dm–3, g L–1] f(T, P)

snov agregatno stanje gostota [g cm–3]

vodik plin 0,0000900

kisik plin 0,00143

voda tekočina 0,997

kuhinjska sol trdna snov 2,17

aluminij trdna snov 2,7

brom tekočina 3,12

železo trdna snov 7,86

svinec trdna snov 11,4

živo srebro tekočina 13,6

platina trdna snov 21,5

Gostota nekaterih snovi pri 25 °C in 101,3 kPa

Struktura (zgradba) materialov?

11

• Sub-atomarni nivo

Elektronska zgradba posameznih atomov, ki

definira interakcije med atomi (kemijske in

sekundarne vezi)

• Atomarni nivo

Razporeditev atomov v materialu (za iste vrste

atomov lahko različna razporeditev, na primer

ogljik v obliki grafita ali diamanta)

• Mikroskopski nivo / mikrostruktura

Razporeditev zrn v materialu, ki jo lahko

opazujemo le z mikroskopom

• Makroskopski nivo / makrostruktura

Strukturni elementi v materialu, ki jih lahko

opazujemo s prostim očesom.

11

12

Angstrem = 1Å = 10-10 m

Nanometer = 1 nm = 10-9 m

Mikrometer = 1µm = 10-6 m

Millimeter = 1mm = 10-3 m

Medatomska razdalja ~ nekaj Å

Človeški las ~ 50 µm

Th

e M

icro

wo

rld

0.1 nm

1 nanometer (nm)

0.01 mm

10 nm

0.1 mm

100 nm

1 micrometer (mm)

0.01 mm

10 mm

0.1 mm

100 mm

1 millimeter (mm)

0.01 m

1 cm

10 mm

0.1 m

100 mm

1 meter (m) 100 m

10-1 m

10-2 m

10-3 m

10-4 m

10-5 m

10-6 m

10-7 m

10-8 m

10-9 m

10-10 m

Vis

ible

sp

ectr

um

Th

e N

an

ow

orl

d

Monarch butterfly ~ 0.1 m

Bee ~ 15 mm

Human hair ~ 50 mm wide

Red blood cells with white cell

~ 2-5 mm

DNA

~2 nm wide

10 nm

ATP synthase

Objects fashioned from metals, ceramics, glasses, polymers ...

Head of a pin 1-2 mm

Microelectronics

MEMS (MicroElectroMechanical Systems) Devices 10 -100 mm wide

Red blood cells

Pollen grain

Quantum corral of 48 iron atoms on copper surface positioned one at a time with an STM tip

Corral diameter 14 nm

Merske enote

http://www.sc.doe.gov/production/bes/scale_of_things.html

Osnovna razdelitev materialov • KOVINE : železo in jekla, aluminij in zlitine, baker in zlitine, nikelj in zlitine, titan in zlitine, ostalo

13

• KERAMIKA: kremen (SiO2), korund (Al2O3), porcelan (alumosilikat), karborund (SiC), silicijev nitrid (Si3N4), perovskiti (BaTiO3, PZT), klasična keramika, steklo, steklo-keramika, cement,...

• POLIMERI: termoplasti in duroplasti – poletilen (PE), polipropilen (PP), najlon, teflon, polimetilmetakrilat (PMMA) - "PLEKSI“, polivinilklorid(PVC), fenolformaldehid (FF), polistiren (PS), polizopren, poliuretan (PU), akrilonitril- butadien-stiren (ABS),... • KOMPOZITNI MATERIALI: z vakni utrjene plastične snovi – npr: polimeri/ C vlakna (CFRP), polimeri s polnili, cermeti (WIDIA), les, “fiberglas”, beton, nanokompoziti, ...

•ELEKTRONSKI MATERIALI: polprevodniki

Zgodovinski pregled materialov Uporaba materialov se z leti spreminja. V zgodovini poznamo obdobja, ki smo jih poimenovali po pogostosti uporabe določenih materialov: kamena, bakrena, bronasta, železna doba.

Relativni pomen materialov skozi čas, in napoved za bližnjo bodočnost:

14

polimeri polimeri

polimeri kompoziti

kompoziti

kovine kovine

keramika

stekla keramika

stekla

Zgodovinski pregled materialov • Začetek znanosti o materialih – ljudje so začeli izdelovati orodje iz kamna – kamena doba

- pred približno 2 milijonoma let. Glavni materiali v uporabi: naravni materiali - kamen, les, glina, koža, itd.

• Kamena doba se je končala pred okrog 6000 leti – začela se je bakrena (4000 pr.n.št.) in nato bronasta (2300 pr.n.št.) doba. Bron je zlitina (kovina narejena iz več elementov). Bron se lažje obdeluje, korodira zelo počasi potem ko se na njem formira oksidna plast

• Železna doba se je začela okrog 1000 pr.n.št. Uporaba železa in jekla še danes zelo velika. Trdnejši in cenejši material – močno vplival in spremenil vsakodnevno življenje ljudi.

• Do danes so odkrili zelo veliko novih tipov materialov (polprevodniki, polimeri, kompoziti, …).

• Danes - doba naprednih materialov: pametni materiali (na primer, ki se sami popravijo ali se sami očistijo, ali se prilagodijo na zunanje razmere), okoljsko prijazni materiali (biorazgradljivi ali fotorazgradljivi polimerni materiali), posebni funkcionalni materiali z najrazličnejšimi vlogami, …

• Prihodnost (smeri razvoja): miniturizacija (nanostrukturirani materiali), materiali za čim lažje baterije, lopatice turbin, ki bi zdržale zelo visoke T, superprevodniki pri sobni T, kemijski senzorji z ekstremno občutljivostjo, bombažne obleke, ki ne bi potrebovale likanja,…

15

Napredek pri razvoju materialov • Dobro razumevanje odvisnosti med strukturo, sestavo in lastnostmi materialov je pripeljalo

do velikega napredka pri razvoju materialov v smislu izboljševanja lastnosti. • Primer: napredek v razmerju trdnost proti gostoti materialov – rezultat je: široke možnosti

uporabe materialov.

Trd

no

st /

go

sto

ta

leto

les kamen bron

lito železo

jeklo

kompoziti

aramidna vlakna, ogljikova vlakna

16

Lastnosti in cene materialov

cena

trd

no

st

cena ener

gija

, up

ora

blj

ena

za p

roiz

vod

njo

17

Kriteriji za ustreznost materialov

• Funkcionalnost: specifična teža, modul in dušenje, meja plastičnosti, prožnost, trdota, zlomna trdnost, odpornost proti mehanski in termični utrujenosti, odpor proti lezenju, trenje, abrazija in obraba, oksidacija in korozija ter ostale termične, optične, magnetne in električne lastnosti

• Kompatibilnost • Zanesljivost • Trajnost • Sposobnost izdelave: oblikovanje, spajanje, končna obdelava, izgled, ... • Dosegljivost - dostopnost • Gospodarnost – cena • Ekološka sprejemljivost končnega produkta in njegove proizvodnje

18