Mérnöki Anyagtudomány 1

Átírás

1 Mérnöki Anyagtudomány 1 Dr. habil Németh Róbert NymE, Faipari Mérnöki Kar Faanyagtudományi Intézet nemethr@fmk.nyme.hu

2 Az anyag fogalma filozófiai megközelítés Lenin: Az anyag filozófiai kategória, mely érzékeinkben feltáruló, érzeteinkkel lemásolt, lefényképezett,visszatükrözött, érzeteinktől függetlenül létező objektív valóság megjelölésére szolgál. Paul-Henri d Holbach ( ): Az anyag mindaz, ami valamilyen módon érzékszerveinkre hat. Claud-Adrien Helvétius ( ): Az anyagot úgyszólván az emberek hozták létre; a valóságbanegyedek vannak, az anyag a minden egyedben közös. Denis Diderot ( ): Az anyag érzékelésünk általános oka. Read more:

3 Az anyag fogalma Nyersanyag, alapanyag fogalma Olyan anyag vagy dolog amit termékek elsődleges gyártási folyamatában használnak fel. A nyersanyagok gyakran természetből nyert anyagok: pl. olaj, vas és fa. A gyártásba vonás előtt az anyagokat gyakran módosítják, feldolgozásra alkalmassá teszik. Read more: ials.asp#ixzz2kyfsytxk

4 Anyag Az anyag fogalma Az a valami, ami a dolgokat alkotja, illetve amiből a dolgok elkészíthetők Valamilyen aktivitáshoz szükséges dolgok ( ish/material

5

6 Bevezetés A nyersanyagok mélyen beágyazódtak a kultúránkba. Szállítás Hajlék/ lakhatás Ruházat Kommunikáció Pihenés Élelmiszergyártás

7 Bevezetés Kőkorszak Bronzkor Vaskor

8 Alapanyagok használata történelmi aspektusban Azt használtak, amit találtak, általában eredeti formájában. Kő Agyag Fa Csont Bőr

9 Alapanyagok használata történelmi aspektusban Később hőkezeltek. Adalékokat használtak. Tulajdonságokat változtattak Csak az újkorban jöttünk rá, hogy az anyagok építőkövei befolyásolják az anyagok tulajdonágait. Mindössze 100 éve vagyunk képesek arra, hogy az anyagok tulajdonságait célzottan változtassuk meg.

10 Mára több ezer új anyagféleséget fejlesztettünk ki Fémek Műanyagok Kerámiák Üvegek Kompozitok (előzőekből) Szerkezetek: szálak, habok, rétegek bevonatok

11 Anyagok elterjedése A gyártástechnológiák fejlesztése, gazdaságosabbá tétele az anyag szerkezetének és tulajdonságainak jobb megértésén alapszik Pl. Gépkocsik olcsó acél Pl. Mobilelefon olcsó félvezető

12 Anyagtudomány és Anyagtechnológia Anyagtudomány: anyag szerkezetének és tulajdonságainak összefüggései Anyagtechnológia: anyagok kifejlesztése és feldolgozása

13 Anyag strukturális szintjei Szubatomi részecskék Atomok, Molkeulák Agglomeráció: molekulacsoportok = mikroszkópos szint Makroszkópos szint (szabad szemmel látható)

14 Az anyag tulajdonsága Az a mód, ahogyan az anyag a külső hatásokra reagál, ill. a reakció mértéke. Pl. mechanikai hatás, sugárzás, stb.. A tulajdonság általában független attól, hogy mekkora a próbatest (homogén anyagra igaz!)

15 Alapvető anyagjellemzők Mechanikai (szil, rug. Jellemzők) Elektromos (vezetőképesség, diel. áll) Hőtechnikai (fajhő, hővezetőképesség) Mágneses (anyag viselkedése mágneses térben) Optikai (törésindex, reflexiós képesség) Kémiai (reakcióképesség, korrózió, oxidáció Technológiai, használati jellemzőket külön tárgyaljuk

16 Mi a haszna az anyagtudománynak? A fejlesztésekhez szükséges az anyagok tulajdonságainak mélyebb ismerete Anyagok kiválasztása. Miből? Menniyért? Anyagkiválasztás = kompromisszumok elfogadása. Pl. magas szilárdság általában alacsony képlékenység (duktilitás). Tartósság (ellenálló képesség pl. korrózió) Ára? Végül a termék ára számít! Nem tökéletes, de piacképes.

17 Anyagok osztályozása Fémek Kerámiák Üvegek Polimerek ezen kívül Kompozitok Innovatív v. High-tech anyagok (félvezetők, bioanyagok, intelligens és nano-szerkezetű anyagok)

18 Anyagok sűrűsége Cirkónium-dioxid Alumíniumoxid, Szilíciumkarbid Szilícium-nitrát Szilikátüveg Poli(tetrafluoroetilén) Polivinilklorid Polisztirol Polietilén Üvegszál erősítésű kompozit Szénszál erősítésű kompozit Fa Sűrűségi értékek (szobahőm.). Kül fémek, kerámiák, üvegek, kompozitok

19 Anyagok Rugalmassági modulusa

20 Anyagok Húzószilárdsága Acélok Ötvözetek Arany

21 Anyagok ütésállósága (duktilitása) Ötvözött acélok Titánötvözetek Al-ötvözetek

22 Anyagok elektromos vezetőképessége Félvezetők Fémek Kerámiák és üvegek Polimerek

23 Kompozitok Üveg, fém, kerámia és polimer kombinációja (min. 2 db.) Természetes kompozitok: gránit fa csont

24 Kompozitok Mesterséges kompozitok: GFC (üvegszálerősítés) CFC (szénszálerősítés)

25 CFK

26 CFK

27 BMW i3 CFK

28 CFK Szénszálerősítésű kompozitok piacának fejlődése. Repülőgépgyártás húzóipar, sok tapasztalat. Gépjárműveknél terjedőben.

29 GFK

30 Nagyteljesítményű anyagok Félvezetők (vezető és szigetelő jelleg. Kis számú idegen atom jelentős hatása. Elektronika és komputeriparban nélkülözhetetlen) Bioanyagok (emberi szövettel kompatibilis, nem lökődik ki) Intelligens anyagok (smart materials) (előre programozott módon reagál a környezetére akár egy élő szervezet, pl. hőm., elektr. v. mágneses tér hatására alakját változtatja) emlékező fémötvözetek, piezoelektromos kerámiák, magnetorestriktív anyagok, elektro- vagy magnetoreológiai folyadékok) Nanoszerkezetű anyagok (fémek, kerámiák, üvegek és polimerek ill. ezek kompozitjai; 1-100nm-es tartományban) Kiinduló anyag atomjait szerkesztik alapvetően más, új tulajdonságok, tömeghez képest rendkívül nagy felület. Egészségügyi aggodalmak, tudományos vizsgálatok hiányoznak (toxikusság, DNS-károsodás, penetráció - bőrön keresztüli felvétel, sejtmembránon áthatolás)

31 Új anyagok iránti igény Szállítás energiaigényének csökkentése: Járművek tömegének csökkentése nagyszilárdságú szerkezeti anyagok fejlesztése Belsőégésű motorok üzemi hőmérsékletének növelése magas hő tűrőképességű anyagok fejlesztése Újratermelhető anyagok fontossága

32 Atomok felépítése és kémiai kötések Van-der-Waals kötések Sebtapasz - biomimikri

33 Bevezetés Az anyag számos fontos tulajdonsága a felépítő atomok vagy molekulák geometriai elrendeződéséből és kölcsönhatásából következik. A XIX.sz-ban világossá vált a tudósok számára, hogy az atomi világot nem lehet leírni a klasszikus mechanikával Az elektronok atomon, ill. kristályokon belüli viselkedését a kvantummechanika írja le.

34 Potenciális energia Vonzás taszítás Erő taszítás Vonzás Vonzó erő taszító erő Eredő erő taszító erő Atomok közötti távolság Kötőerők és kötési energiák Két atom közelít egymáshoz. A távolság csökkenésével a taszítóerő nő, a vonzás csökken. Az egyensúlyi távolság r0 elérésével (kb. 0,3nm) a közelítés megáll. Az atomok egymástól nem távolíthatók el. Itt van az energiapotenciálok minimuma, E0 a kötési energia, amit be kell vinni a kapcsolat szétszakításához.

35 Kötéstípusok Fővegyérték kötések Ionos Kovalens Fémes Mellékvegyérték kötések Van-der-Waals kötések

36 Ionos kötések Pl.: NaCl Na + Cl - A periódusos rendszer fémes és nemfémes elemei között jön létre. Fémek könnyen átadják elektronjukat a nemfémeknek. Eeltkromosan töltött ionok jönnek létre. Kötőerő = Coulomb-erők kJ/mol kötési energia magas olvadáspontot eredményez. Az ionos anyagok általában kemények és ridegek, elektromosan szigetelők, hőszigetelők.

37 Különböző anyagok kötési energiái és olvadáspontja ( C) Ionos Kovalens Fémes Van-der-Waals Hidrogén-híd

38 Kovalens kötés Hidrogénközös en használt elektronja Metán molekula (CH4) C- 4 db. vegyértékelektron H -1 db. vegyértékelektron Szén közösen használt elektronja Két atom közösen használja az elektronokat = Stabil elektronkonfiguráció elérése. Számos nemfémes molekulárisan kötött elem kovalens kötésben van. Pl. gyémánt: szén 4 külső elektronjával tud kötést létesíteni: 3+1 szénatom alkot rácsot. Igen erős kötés = magas olvadáspont (>3550 C). Polimerekben kovalnes kötések uralkodnak. Szénlánc = 1 szénatom két szomszédjával lakot láncot. A maradék kettő: más atomok megkötése.

39 Ionos és kovalens karakter Ritka a tisztán ionos és kovalens karakter Kötés típusa az elektronnegativitások különbsége határozza meg. Nagy távolság a periódusos rendszerben = fokozott ionos karakter, közeli helyzet a periódusos rendszerben = fokozott kovalens karakter. Ökölszabály: elektronnegativitások különbsége > 1,7 = ionos kötés dominál, < 1,7 = kovalens kötés dominál

40 Fémes kötés Pozitív töltésű atomok Szabadon mozgó elektronok alkotta elektrongáz Fémekben és ötvözeteikben. Fémek 1,2, max. 3 vegyértékelektronnal rendelkeznek, melyek a fém anyagában többé-kevésbé szabadon áramlanak. A fémes kötések lehetnek gyengék (Hg : -39 C) és erősek (W: 3410 C). olvadáspontok! Jó elektromos- és jó hővezetők a szabadon mozgó elektronok miatt (szemben a kovalens és Ionos kötésű anyagokkal).

41 Tönkremenetelek (mechanikai) Fémek duktilis alakváltozással mennek tönkre (képlékenyek) Ionos és kovalens kötésűek általában rideg alakváltozás után törnek

42 Mellékvegyérték kötések Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) Kb. 250 N-os tapadás

43 Mellékvegyérték kötések Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) 10 kj/mol, alacsony kötési energiák Szinte mindig jelen van, de a kovalens kötések elfedik (stabil nemesgázokban is kimutatták) Atomi vagy molekuláris dipólusok a háttérben Két dipólusmolekula ellentétes töltésű pólusai kapcsolódnak. - Indukált dipólusok között - indukált dipólusok és poláris (permanensen) molekulák között - poláris molekulák között

44 Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) Indukált dipólusok között Az elektronfelhő torzulása megbontja a szimmetriát és dipólus szerkezet jön létre. Ez egy másik, szomszédos molekulát is dipolusossá tesz = létrejön a Van-der-Waals kötés. Átmeneti és rövid idejű kötések ezek. Nemesgázok és H2, Cl2 megszilárdulása és folyékonnyá válása ilyen kötésekre vezethető vissza. Igen gyenge erők, extrém alacsony olvadáspontok.

45 Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) poláris molekula és indukált dipólusok között Egyes molekulák eredendően aszimmetrikus elektronfelhője állandó dipólusos szerkezetet jelent. A dipólus molekulák a szomszédos molekulákat dipólusossá alakítják.

46 Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) permanensen poláris molekulák között (dipóldipól kölcsönhatás) Szomszédos poláros molekulák között lép fel. Van-der-Waals erők közül ez a legnagyobb. Hidrogénhidas kötés a dipól-dipól egy speciális esete.pl. Víz (H-O), ammónia (H-N), vagy H-F kapcsolatok.

47 Fagyás közbeni térfogat-növekedés víznél H-hidak jég A folyékonyból szilárd fázisba történő átmenet a legtöbb anyagnál a sűrűség növekedésével jár, vagyis térfogatcsökkenéssel. Víz kivétel, itt 9%-os térfogati tágulás következik be. Hidrogénhidas kötésekben rejlik a magyarázat. Minden vízmolekula körül 4db H-hidas kötés alakul ki. A jég viszonylag laza térkitöltő szerkezete olvadáskor részbenszétesik, egy tömörebb térbeli szerkezet jön létre = csökken a térfogat. folyadék

48 Hidrogén forrásban: C Molekulák PVC-idomok Egymáshoz erős kovalens kötésekkel kapcsolódó atomok építik fel. Kétatomos molekulák (O2, H2) és további kötések (CH4, CO2, stb.) Kondenzált folyadékokban és szilárd anyagokban molekulák között gyenge mellék vegyértékkötések vannak (alacsony olvadás és forráspont). Kis méretű és kis számú atomból álló molekulák általában gáz halmazállapotúak. A modern polimerek, nagy molekulájú anyagok, szilárdak, tulajdonságaikat jelentsen befolyásolják a Van-der-Waals erők és a Hidrogénhidas kötések.