Anyagtudomány: hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Bevezetés Menyhárd Alfréd +36-1-463-3477 amenyhard@mail.bme.hu Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
Vázlat Bevezetés Fogalmak A tárggyal kapcsolatos legfontosabb információk, háttér, történet Alapdefiníciók, anyagosztályozás, célkitűzések Példák Csoportosítás Szerkezet-tulajdonság összefüggések, gyakorlati példák Az anyagok csoportosításának szempontjai Anyagválasztás A felhasználás szempontjából legmegfelelőbb anyag kiválasztása Célok, Irodalom A tárgy célja, tematikája, irodalma 2
Bevezetés Definíció, történet és cél Anyagtudomány: az anyagok gyártástechnológiája, szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat feltárása A tudományág története Az antik (ősi) civilizációkat is az anyagok szerint osztjuk fel (kőkor, bronzkor stb.) Fejlettségi szintek a természetben található anyagok használata módosítás nélkül az anyagok módosítása (pl. hőkezelés, égetés) az utóbbi 50-60 évben a fejlődés óriási mértékben felgyorsult Cél a felhasználás szempontjából optimális tulajdonságok meghatározása és kialakítása 3
Bevezetés Csoportosítás, technológia Kiindulási anyag Alaptulajdonságok A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok Termék Szerkezet Feldolgozás, Technológia Optimális tulajdonságok Osztályozás Fémek, kerámiák, faanyagok, polimerek, kompozitok, intelligens és funkcionális anyagok Célkitűzés: A folyamat szabályzása az optimális tulajdonságok kialakítása érdekében Beavatkozási Ellenőrzési Mérhető lehetőség lehetőség mennyiség 4
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák Természet: szerkezeti izomerek különbségei Me Me O Me O Me H CH 2 Me H CH 2 Me H CH 2 Me H CH 2 Me (R)-limonén narancs illat (S)-limonén citrom illat (S)-karvon kömény illat (R)-karvon mentol illat 5
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák Eltérő izomerek mint köztitermékek Me Me H N H Me Me N H H (R)-metamfetamin (S)-metamfetamin H Me N Me Me Me N H H R Jumex, Parkinson kór kezelésére Extasy, kábítószer 6
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan Izomerek eltérő biológiai hatása O (R) N H O H N O O Thalidomid a Contergan gyógyszer hatóanyaga Az (R) izomer nyugtató hatású Az (S) izomer teratogén (magzatkárosító) hatású O O O N H (S) N H O 7
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan 2008-ban 50 évesek az első Contergan gyerekek. 1957 végén hozták forgalomba a Contergan nevű nyugtatót (hatóanyag a thalidomid). Pánikbetegség, migrén, altató és hányinger csillapító. Nem vényköteles készítmény, melynek elsődleges célcsoportja a terhes nők voltak. Kedvező hatása miatt gyorsan népszerűvé válik. Óriási profit a forgalmazó Grünenthal cégnek. Drasztikusan emelkedik a fejlődési rendellenességgel születettek száma. 8
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan Widukind Lenz 1961-ben nyilvánosságra hozta a thalidomid súlyos mellékhatását (teratogén hatás). A gyógyszert 1961-ben betiltották. A gyártó nem ismerte el a felelősségét, de 110 millió márkát fizetett a torz gyerekek segítésére. A thalidomid hatóanyaggal kapcsolatos kutatások folytatódtak. Hatékony a rák ellen. Újra engedélyezték, de csak szigorú felügyelet mellett A gyógyszerek hatóanyagait alaposabban meg kell vizsgálni. A királis hatóanyagok egyes izomereinek hatását is jellemezni kell, hogy a racém keverék forgalmazásáról dönteni lehessen. 9
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan 10
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák fémek, hőkezelés és edzés A kovácsok művészete, ami háborúkat döntött el Damaszkuszi acél 1100-1700 (a mai napig fogalom) az ilyen kardoknak misztikus erőt tulajdonítottak. Alternáló vas és vas karbid rétegek; vanádium tartalom szerkezet. Szamuráj kardok készítésének művészete családi hagyományként terjed még napjainkban is. 11
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák fémek Nem megfelelő anyagválasztás: Túl nagy C tartalom (0,2 %) Durva szemcseméret (H-60,4 μm; K-41,9 μm) ASTM 4.5-6 0 C alatt csak olyan acéllemezt lehet használni ami szemcsemérete nem haladja meg a 23 μm-t (ASTM 7.5) Az oldalfal ridegen repedt a 2 C-os vízben. 12
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák fémek A hibás anyagválasztás katasztrófához vezethet a második világháborúban egy osztálynyi szállítóhajó (Liberty ships) süllyedt el (kettévált a hajótest) mert hegesztéshez használt fém nem volt megfelelő. 13
Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák műanyagok orientáció Horgászzsinór (damil) Műanyag cérna PET palack Fröccsöntött termékek Rugalmassági modulus (GPa) 6 5 4 3 2 1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 Nyújtási arány Nagy szilárdság és merevség az orientáció irányában. 14
Az anyagok csoportosítása Eltérő szempontok ASHBY Fémek és ötvözeteik Polimerek Kerámiák Kompozitok Természetes anyagok CALLISTER Fémek Kerámiák Polimerek Kompozitok Fejlett anyagok (advanced) Félvezetők Bioanyagok Okos (smart) anyagok Nano-méretű anyagok 15
Szerkezeti anyagok Felhasználás 100 elsődleges fém 150 80 120 fa Felhasználás (Mt) 60 40 20 fa használt fém 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Év műanyag Felhasználás (Mm 3 ) 90 60 30 elsődleges fém 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995 Év műanyag Az USA anyagfelhasználása; nagy különbség a tömeg és térfogat szerinti felhasználásban. Gyorsan növekvő műanyag. 16
Szerkezeti anyagok Felhasználás Exponenciálisan emelkedő trend dc dt = r 100 C C = C 0 exp r t t 0 100 t D = 100 r ln2 70 r Fémek: r = 2 % (t D = 35 év) Felhasznált anyag, C (tonna/év) Terület = anyagfogyasztás t 0 és t között Polimerek: r = 5 % (t D = 14 év) t 0 Idő, t (év) t 17
Anyagok csoportosítása Fémek, acél Nagy merevség, szilárdság, keménység stb. nagy sűrűség, feldolgozási korlátok. 18
Anyagok csoportosítása Kerámiák Nagy merevség, szilárdság, kopás- és hőállóság, általában ridegek és törékenyek. 19
Anyagok csoportosítása Polimerek Tulajdonságok széles skálája, termelékeny feldolgozás, kis sűrűség, alacsony ár kis szilárdság, merevség. 20
Anyagok csoportosítása Fa Faanyagok alkalmazása az építészetben A firenzei dóm kupolája 24 db gerenda (6 m x 0,3 m x 0,3 m) Tölgyfa Nehéz beszerezni Gesztenyefa Találni kell megfelelő fát (2 év) A fát csak fogyó holdkor lehet kivágni (ellenállóbbak) 21
Anyagok csoportosítása Kompozitok Nagy merevség, szilárdság, tervezési szabadság felhasználva a szerkezet előnyeit, kis sűrűség nagyon drágák. 22
Anyagok csoportosítása Nanokompozitok GM felhasználás 300 t 2004-ben Egy PE vagy PP gyár kapacitása 200-400000 t/év Fémek, fa felhasználás 60-100 Mt/év A fejlődés iránya, nincs kiforrott technológia, a felhasznált mennyiség kevés szerkezet szabályozása nehéz. 23
Anyagok csoportosítása Intelligens anyagok Környezeti hatásra reagáló, intelligens (smart), adaptív anyagok, gélek. Gyógyászat, kozmetika. 24
Anyagok csoportosítása Intelligens anyagok Szuperhidrofób felület, nedvesítés teljes hiánya. Piszok és portaszító bevonatok. 25
Az anyagok kiválasztása Szempontok Gazdaságosság Ár és beszerezhetőség Újrafeldolgozhatóság Általános fizikai jellemző Sűrűség Mechanikai Modulus Folyási feszültség, szilárdság Keménység Törési ellenállás Fáradási ellenállás Kúszási ellenállás Csillapítás Termikus Hővezetőképesség Fajhő Hőtágulási együttható Elektromos és mágneses Ellenállás Dielektromos állandó Mágneses permeábilitás Környezeti hatás Oxidáció Korrózió Kopás Előállítás Termelékenység Kapcsolás Felületi megmunkálás Esztétikai Szín Textúra Érzés 26
Az anyagok kiválasztása Példák fémek MŰANYAG CSAVARHÚZÓ Penge acél Nagy modulus Nagy folyási feszültség Keménység Törési ellenállás Nyél PMMA Súrlódási együttható Feldolgozhatóság Külső megjelenés Textúra Kis sűrűség Alacsony ár TURBINA LAPÁT TI ÖTVÖZET Fáradási ellenállás Kopásállóság Korrózióállóság Kis sűrűség Kúszási ellenállás (950 C) Ellenállás oxidációnak 27
Tematika Előadás Csütörtök 10-12 óra Ch. 205. Bevezetés (1 előadás) Alapfogalmak (1 előadás) Anyagok szerkezete és jellemző tulajdonságai (4 előadás) Szerkezeti anyagok tulajdonságainak módosítása szerkezetmódosítás révén (2 előadás) Társított rendszerek (2 előadás) Intelligens anyagok (2 előadás) 28
Tematika Részletes előadás tervezet Dátum Előadás Február 18. Bevezetés Február 25. Alapfogalmak Március 3. Fémek szerkezete és tulajdonsága Március 10. Polimerek szerkezete és tulajdonságai Március 24. Kerámiák és faanyagok szerkezete és tulajdonságai Március 31. Termikus tulajdonságok és egyedi jellegzetességek Április 7. Feldolgozás hatása a szerkezetre 1 Április 14. Feldolgozás hatása a szerkezetre 2 Április 28. Társított rendszerek 1 Május 5. Társított rendszerek 2 Május 12. Intelligens anyagok Május 19. Gélek Május 19. Összefoglalás 29
Tematika Laborgyakorlat Szerda 8-12 és 14-18 óra Laborgyakorlat (4 alkalom, hetente a félév során) Bevezető tájékoztató Fémek deformációja Faanyagok deformációja és törése Polimerek deformációja Funkcionális és intelligens anyagok Laborbevezető az első laborgyakorlat alkalmával (H. ép. Fszt. előadó) Egyéni feladatok a volt anyagtudós és műanyagos hallgatóknak Nincs laborgyakorlat, de egyéni mérések lesznek Leadási határidő: 2016. május 23. Hétfő Aláírás: sikeres laborgyakorlat, egyéni feladat 30
Tematika Számonkérés Kétféle szóbeli vizsga lesz Egyéni feladatosoknak esszét kell írni (körülbelül 5 oldal) és annak alapján beszélgetünk az anyagról (az elvégzett mérések alapján kapnak laborjegyet, amit az egyéni feladat vezetője javasol) A többiek tételt húznak, amelyen négyes csokorban összeválogatott kérdések lesznek Végső jegy (J) Vizsga (V) szóbeli Laborjegy (L) a leadott jegyzőkönyvek átlaga J = 0,7V + 0,3L 31
Irodalom Ajánlott irodalom Ashby, M.F., Jones, D.R.H.: Engineering materials 1. An introduction to their properties and applications. Butterworth, Oxford, 1996 Callister, W.D.Jr: Materials science and engineering. An introduction. Wiley, New York, 2007 Kittel, C., Zettl, A., McEuen, P.: An introduction to solid state physics. Wiley, New York, 2004 Guy, A.G.: Fémfizika. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978 Kovács, I., Zsoldos, L.: Diszlokációk és képlékeny alakváltozás. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1965 Carter, C.B., Norton, M.G.: Ceramic materials. Science and engineering. Springer, New York, 2007 Molnár, S.: Faanyagismeret. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 2004 Roesler, J., Harders, H., Baeker, M.: Mechanical behavior of engineering materials: Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Springer, Berlin, 2007 32