Anorganické nekovové materiály

Anorganické nekovové materiály

• Keramika

• Sklo

• Stavební pojiva – vápno

beton

sádra

(asfalt)

• Geopolymery

Keramika

Keramika

• Kdy - 9000 let př. n. l. – mladší doba kamenná (neolit).

• Kde - oblast Blízkého východu. • Co - nádoby z jílu, které byly po vysušení

vytvrzeny v ohni.• K čemu – k uskladňování úrody.

Keramika

• Ve střední Evropě první neolitická sídliště asi 6000 let př.n.l. – typickým znakem je lineární keramika.

• Samotné slovo keramika pochází z řeckého slova keramos = hrnčířská hlína, zboží.

Keramika

• Časem mnohá zlepšení technologie (vypalované cihly, porcelán).

• Základní „mokrý“ pracovní postup se zachoval dodnes.

• Formováním za mokra se vyrábí také keramika pro různé průmyslové aplikace (teplotně odolné vyzdívky pecí, vysokonapěťové izolátory).

• V posledních 30- ti letech keramika zažívá nový vzestup, změna výrobních technologií.

Keramika

• Na rozdíl od užitkové, kuchyňské a umělecké keramiky se vyrábí progresivní technická keramika lisováním prášku za vysoké teploty – sintrování (spékání).

• Důležitá je příprava výchozích materiálů spolu s technologií (jemné prášky, dokonalé promísení hmoty, optimalizace podmínek – teplota, tlak).

• Částice se propojí vzájemnou difúzí atomů v místech dotyku částic.

Keramika

Nová keramika vyniká:

• Vysokou tvrdostí• Oděruvzdorností• Pevností v tlaku

Současné cíle jsou:

• Zjemnění mikrostruktury

• Lepší propojení částic• Zlepšení

mechanických vlastností

Keramika

• Kluzné prvky a ventily v automobilových motorech a v turbínách

• Jaderné a chemické reaktory• Počítače a jejich přídavná zařízení• Solární kolektory• Raketoplány, vesmírné projekty• Náhrada lidských kostí, kloubů a zubů

Keramika

• Z chemického hlediska lze keramické materiály rozdělit na:

• Oxidy• Karbidy• Nitridy• Boridy• Titanáty• Niobáty

Keramika

Mezi oxidy patří:

• Al2O3

• Cr2O3

• MgO• ZrO2

• LiAl2SiO6

• Tyto oxidy jsou podstatou tzv. sklokeramiky.

Keramika

• Sklokeramika se připravuje řízenou krystalizací z taveniny.

• Zvláštním teplotním režimem se sklovitá tavenina převede do krystalického stavu.

• Vzniklé krystaly jsou tak drobné, že nerozptylují viditelné světlo a proto je sklokeramika poměrně dobře průhledná a také teplotně velmi odolná.

Keramika

Z karbidů jsou prakticky významné:

• ZrC – karbid zirkonia• TiC – karbid titanu• SiC – karbid křemíku• WC – karbid wolframu

Většinou jde o velmi tvrdé materiály. Jsou vhodné na řezné a brusné nástroje a trysky odolávající oděru a vysokým teplotám.

Keramika

Mezi nitridy patří:• SIALON – slitina křemíku, hliníku, kyslíku a

dusíku• TiN – nitrid titanu• Tyto materiály jsou využívány na řezné nástroje,

lopatky plynových turbín, slévárenské kelímky a licí trysky.

Boridy stejně jako nitridy se používají v elektrotechnice.

Keramika

Funkční keramika:

• Čidla na měření různých fyzikálních veličin.

• Keramické polovodiče (v základním stavu se chovají jako izolátory, jsou-li excitovány, dovolují průchod elektronů).

• Varistory (odporové součástky jejichž elektrický odpor se mění s velikostí protékajícího proudu).

Keramika

• Piezoelektrická keramika (vyvolává vybuzení elektrickým polem mechanickou deformaci nebo změnu krystalové modifikace a naopak, mechanická deformace vyvolá na protilehlých ploškách keramické destičky elektrický náboj).

• Takové chování vykazuje např. nerost perovskit – CaTiO3.

Keramika

• Jednou z aplikací piezoelektrické keramiky jsou kanálky tryskových tiskáren k počítačům – elektrickými signály se s vysokou frekvencí otevírají a zase uzavírají a tak se podle povelů počítače řídí průchod tiskové barvy.

Keramika

• Keramické snímače citlivě registrují mechanické kmity – používají se např. pro snímání akustické emise v průběhu namáhání materiálů – lze získat včas informaci o místních lomových procesech, vzniku a růstu trhliny.

• Titanáty zirkonia a lanthanu reagují elektrickým signálem na dopadající světlo – využití v optoelektronice.

Keramika

Konstrukční keramika:• Zahrnuje nitridy, karbidy, oxidy. • Hlavní předností oproti kovům je podstatně vyšší

teplotní odolnost, nižší teplotní roztažnost, vysoká odolnost proti korozi a oděru.

• Mechanické vlastnosti jsou uspokojivé i nad teplotou 1000oC, hustota je přibližně poloviční než u kovů (snížení hmotnosti, úspora paliva – dopravní technika).

Keramika

Nevýhody keramiky:

• 1) velmi křehká (má nízkou houževnatost)

• 2) špatná reprodukovatelnost vlastností (mnohem větší rozptyl pevnostních vlastností než u odpovídajících kovových strojních součástí)

Keramika

• Příčinou obou nedostatků je struktura.

• Struktura je tvořená vzájemně propojenými drobnými částečkami s množstvím slabých míst, defektů a pórů.

• Keramika se porušuje křehkou trhlinou, která se šíří vždy podél rozhraní mezi zrny.

• Pro zvýšení houževnatosti se používá tzv. transformačního zpevnění, při kterém se využívá specifického chování oxidu zirkoničitého.

Keramika

• ZrO2 přechází do rovnovážné a stabilní krystalové struktury, pokud je vystaven velké elastické deformaci (jde o tzv. martenzitický strukturní přechod, při kterém krystalky skokem zvětší svůj objem).

• Oxid zirkoničitý v nestabilní formě se může používat dvěma způsoby:

Keramika

• 1) Jemné částice se rovnoměrně rozptýlí v jiném keramickém materiálu – např. Al2O3.

Když se v základním keramickém materiálu vytvoří trhlina, částice ZrO2 v okolí jejího vrcholu expandují a vzniklý tlak trhlinu opět uzavírá a brání jí v růstu.

Výsledkem je vyšší houževnatost.

Keramika

• 2) Přísně řízeným teplotním režimem se vydělí nestabilní částice ZrO2 v matrici ze stabilní formy téže látky. Velikost a podíl nestabilních částic lze poměrně dobře nastavit.

Z takové houževnaté zirkoničité keramiky se vyrábějí např. nemagnetické nože a nůžky.

Keramika

Keramické kompozitní materiály:

keramická vlákna + keramická matrice = > materiál

s typickou tvrdostí keramiky

s teplotní odolností keramiky

s odolností proti teplotním šokům

s odolností proti deformaci při extrémně vysokých teplotách

s vyšší pevností oproti samotné keramické matrici

Keramika

• Smyslem výroby keramických kompozitních materiálů oproti kompozitům s polymerní matricí je zvýšení houževnatosti (u polymerních zvýšení pevnosti).

• Vyztužení vlákny nebo mikroskopickými destičkami může celou strukturu lépe propojit a zpevnit a zlepšit její chování.

• Kompozity využívají i uhlíkové nanotrubičky.

Keramika

Keramika

Aplikace:

• Keramické nástroje• Biokeramika• Keramický motor• Keramika ve vesmíru

Keramika

Keramické nástroje

• Keramické řezné nástroje• Ložiska• Keramické povlaky kovových řezných nástrojů

Keramika

Biokeramika – překonává plasty i kovy.

• Je lehká, biologicky snášenlivá, nekoroduje. Může být připravena s řízenou pórovitostí, takže kostní tkáň do keramické protézy postupně vrůstá.

• Náhrady zubů, kostí, částí kloubů.

Keramika

Keramický motor• V Japonsku bylo již ověřováno – motor však

zatím neschopen běžného provozu.• Z termodynamických zákonů vyplývá, že účinnost

tepelných strojů roste s provozní teplotou. • Keramický motor by mohl pracovat při vyšší

teplotě při snížené spotřebě paliva.• Schůdnější cesta – dílčí náhrady exponovaných

dílů nebo keramické povlaky.

Keramika

Keramika ve vesmíru• Keramické destičky vyvinuté pro tepelnou

ochranu při přistávání raketoplánu – teplota při přistávání 1400o až 1500oC – přesahuje teplotu tání oceli.

• Strukturu destiček tvoří velmi jemná křemenná vlákna pokrytá keramickým povlakem. Asi 95% objemu destiček zaujímá prázdný prostor – nízká hustota.

Sklo

Sklo

• Z fyzikálního hlediska je sklo každý amorfní, homogenní a tuhý materiál.

• Vzniká nejčastěji ochlazením taveniny takovým způsobem, že nezkrystalizuje a přitom dosáhne tak vysoké viskozity, že se chová jako pevná látka.

• Materiál ve sklovitém stavu lze získat také za stálé teploty (např. tavenina selenu) při dostatečně vysokém tlaku.

Sklo

• Sklovité materiály nemají ostrý bod tání, v taveninu přecházejí postupně v určitém teplotním

rozmezí.• V nižší teplotní oblasti vykazují další přechodovou

teplotu – teplota skelného přechodu (transformační) – výrazně se mění

- tuhost amorfního materiálu - koeficient teplotní roztažnosti - teprve pod touto teplotou se materiál skutečně

chová jako sklo

Sklo

• Křemenné sklo – 1330oC• Křemičitá skla – 400 – 550oC• Plexisklo – 105oC• Silikonový kaučuk – -120oC• Schopnost „zamrznutí“ neuspořádané kapaliny do

sklovitého stavu záleží na : - chemické struktuře dané látky - rychlosti chlazení - tloušťce ochlazované vrstvy

Sklo

• Kritická rychlost chlazení [oC/s]

• SiO2 – 2.10-4

• GeO2 – 7. 10-2

• Ag – 10 10

• Kritická tloušťka

[cm]

• SiO2 – 4.10 2

• GeO2 – 7

• Ag – 10 -5

Sklo

Křemenné sklo

• Vyrábí se ze samotného roztaveného křemene – křemenného písku (1720 – 2000oC) – energie a technologie!

• Vynikající fyzikální a chemické vlastnosti.• Bod tání křemene lze podstatně snížit přidáním

tavících přísad (tavidel = soda).

Sklo

Sklo

Křemičitá skla

• Sodné sklo – obsahuje 25% Na2O, taví se při 850oC, příměsí je soda Na2CO3

• Mnohem snáze se tvaruje za horka.

• Použití sody – výrobní tajemství starověkých sklářů.

Sklo

Sklo

Přírodní sklo – vltavíny (moldavity)

• Jde s největší pravděpodobností o ztuhlé kapičky roztavených hornin, které byly nejprve vymrštěny do stratosféry po dopadu meteoritu v Bavorsku.

• Při zpětném průletu vzdušným obalem Země se roztavily a jako horký skelný déšť dopadly do míst dnešních nalezišť, kde do nich kyselé písky za miliony let vyleptaly jemný reliéf.

Sklo

• Nejstarší doklady o uměle vyrobeném skle – 5000 let před Kristem archeologická naleziště v Sýrii.

• Egypt –1000 let před Kristem vynalezena sklářská píšťala.

• Staří Římané – tvarování skla do forem nebo do volného prostoru, zdobení.

Sklo

• 13. století

– na byzantskou tradici navázali skláři v Benátkách – ostrov Murano (požáry), křišťálové sklo.

Sklo

• České sklárny – 17. století, Jablonecko, Železnobrodsko (Nový Amsterodam).

• Středověk i doba renesance – vzácný a drahý materiál, průsvitnost a průhlednost skla důležitá pro jeho aplikace.

• 15.století – Nizozemí – skleněné čočky – brýle, dalekohledy, mikroskopy (1606).

• Dnes celosvětová výroba skla dosahuje ¼ objemu výroby železa.

Sklo

• Sklenice• Láhve• Umělecké předměty• Stavebnictví• Chemické aparatury

Sklo

• Optické prvky• Solární články• Světlovodná vlákna• Skelné tkaniny

Sklo• Pro každý typ skleněných výrobků byla vyvinuta

nejvhodnější technologie. • Všechny výrobní technologie využívají

skutečnosti, že viskozita skloviny se s teplotou plynule mění.

• Tažení – ploché sklo – svislé tažení (v Čechách po 80 letech výroba ukončena)

• Lití – novější technologie FLOAT – lití skloviny na vodorovnou hladinu roztaveného kovu

• Lisování• Foukání

Sklo

• Pozvolné chlazení každého výrobku – zabránění vzniku vnitřního pnutí.

• Kompaktní sklo neobsahuje žádné vnitřní rozhraní ani vyztužující elementy – ideální prostředí pro šíření trhlin – sklo je křehké – má malou houževnatost.

• Lom nastává v nejslabším místě struktury materiálu.

Sklo

• Rm v tahu běžných skleněných předmětů je cca 100 MPa.

• Tenká skleněná vlákna – i několik GPa.

• Zvýšení pevnosti:• Pro zvýšení pevnosti se odleptává povrchová

vrstva (HF) – na určitou dobu se odstraní povrchové vady.

Sklo

• Další úpravy vedoucí ke zvýšení pevnosti:• Do povrchové vrstvy výrobku ze sodného skla

mohou být iontovou difúzí vpraveny atomy draslíku. Protože K má rozměrnější atomy než Si, vznikne v povrchové vrstvě tlakové pnutí, které zabrání rozběhnutí trhliny.

• Prudké zakalení výrobku vytvoří na povrchu tlakové pnutí kompenzované tahovým napětím v hlubších vrstvách, což vede k vyšší pevnosti.

Sklo

• Po rozbití vzniknou místo velkých střepů drobné úlomky.

• Částečné nahrazení atomů kyslíku v běžném skle atomy dusíku. Mezi Si a N vzniknou kovalentní vazby, sklo je pevnější v celém průřezu.

• Kompozity – sklovitá matrice vyztužená drátky nebo kovovou síťkou.

Sklo

• Výroba skla:• Směs surovin =„ sklářský kmen“• Hlavní součástí je křemenný písek cca 70 %• + Na2CO3 – soda, K2CO3 – potaš, CaCO3 –

vápenec.• Další přísady: oxidy boru, fosforu, hliníku,

hořčíku, barya, olova.• Případně střepy z recyklací – „sklářská vsádka“.• Liší se chemické složení – liší se i vlastnosti skel.

Sklo

Křemenné sklo – čirý sklovitý SiO2

• Vysoká teplotní odolnost (do1200oC)• Nízký koeficient roztažnosti• Odolné vůči teplotním rázům• Vysoký elektrický odpor i při zvýšené teplotě• Mimořádně odolné vůči kyselinám

Sklo

Ploché sklo FLOAT

• 73% SiO2 + 14% Na2O + 4% MgO + další příměsi

• Podobné složení má lahvové sklo.• Zelené nebo hnědé zabarvení je způsobeno

příměsí cca 0,4%Fe2O3 a oxidačně redukčními podmínkami.

Sklo

Tepelně odolná skla

• SIMAX nebo PYREX

• 80% SiO2 + 13% B2O + 3% Na2O + 1% K2O

Sklo

Křišťálové sklo• Složení je voleno tak, aby bylo dosaženo co

nejvyššího indexu lomu.• K2O – CaO – SiO2 český křišťál• K2O – PbO – SiO2 olovnatý = anglický křišťál• Pravý olovnatý křišťál – 24% PbO.• Dekorativní vlastnosti olovnatého křišťálu jsou v

jeho vysokém indexu lomu a výrazné závislosti indexu lomu na vlnové délce světla.

Sklo

• Skleněná světlovodná vlákna.

• Princip světlovodného vlákna s vnitřní vrstvou s vyšším indexem lomu.

• Úplným odrazem na rozhraní mezi vnitřní a vnější vrstvou se světelný paprsek udržuje podél osy vlákna.

Sklo

Skleněná vlákna pro kompozity • E – sklo neobsahuje alkálie – koroze!• Vlákna pružná, ohebná, velmi pevná, při výrobě

povrchová úprava podle předpokládané aplikace.• Z materiálového hlediska důležitá pevnost

v kombinaci s hustotou.• d = 0,1 mm – Rm = 300 MPa strukturní vady!• d = 1 µm – Rm =10 GPa

Sklo

• Vlákna, tkaniny, rohože, kombinace s uhlíkovými vlákny.

Stavební pojiva - maltoviny

Stavební pojiva - maltoviny

• Egypt – 4000 let před Kristem – vápenosádrové malty.

• Maltoviny se vyrábějí z nerostných surovin, před zpracováním jsou sypké, zrnité či práškovité.

• Po přidání vody získávají pastovitou konzistenci a poté se mění v kompaktní tvrdý materiál.

• V průběhu zpevňování maltovin se rozlišují 2 etapy – 1. tuhnutí – roste viskozita maltoviny• 2. tvrdnutí – maltovina je v pevném stavu,

dále roste její pevnost a tvrdost.

Vápno

Vápno

• Je nejstarší ze všech stavebních pojiv.• V současnosti - 19% stavebnictví• 80% jako průmyslová chemikálie v metalurgii

ocelí, neželezných kovů, výroba papíru, skla.• „nehašené vápno“ = CaO s příměsí oxidů (MgO)• Příprava: tepelný rozklad přírodního vápence při

teplotě větší než 800oC• CaCO3 + teplo –> CaO + CO2 „pálení vápna“ ve

vápenkách

Vápno

• Vápenec + koks 1:10, 20 – 32 hodin => vzdušné vápno – tuhne na vzduchu

• Hydraulické vápno – tuhne i pod vodou• Před použitím do malty nebo omítky se musí

nehašené vápno „hasit“.• CaO + H2O –> Ca(OH)2 + teplo• Nedostatečně vyhašené vápno je příčinou

materiálových vad. (vápno se spálí nebo utopí)

Vápno

• Z hašeného vápna, písku a vody se připravují vápenné malty na zdění a omítání.

• Při postupném tuhnutí a tvrdnutí na vzduchu probíhá reakce:

Ca(OH)2 + CO2 –> CaCO3 + H2O• Kruh chemických rovnic se tak uzavírá a

konečným produktem je opět tvrdý materiál jako na začátku s rozdílem, že pevně spojuje stavební prvky.

Vápno

• Písek se na chemické reakci přímo nepodílí, ale přispívá k pórovitosti výsledného materiálu.

• Póry usnadňují pronikání CO2 dovnitř a H2O ven.

Beton

Beton

• Znali už Římané – římský Pantheon postaven v letech 115 – 125 jako válcová betonová stavba zevně obložená cihlami a překrytá betonovou kupolí s průměrem 43,2 m – nebylo překonáno dalších 1300 let.

• Podstatou tuhnutí betonu je celá řada chemických reakcí cementu s vodou.

• Cement (v současnosti portlandský cement) - je práškovitá směs řady anorganických látek,

jejichž poměr se může značně lišit.

Beton

• Rozlišují se 3 složky cementu:• alit – 3CaO . SiO2

• belit – 2CaO . SiO2

• celit – spojovací hmota s vysokým podílem železa a s krystalickým brownmilleritem

4CaO . Al2O3 . Fe2O3

Směs těchto minerálních látek vzniká v cementárně vypálením vápence CaCO3 společně s hlínami a jíly v rotační peci při teplotě cca 1450oC.

Beton

• Vzniklý „slínek“ se pak rozemele na jemný prášek, ke kterému se poté přidává ještě sádrovec CaSO4 .2H2O, popř. rozemletá vysokopecní struska.

• Složky cementu reagují s vodou za vzniku tepla.• Reakce mohou být poměrně složité, dohromady se

označují jako hydratace. • Po 28 dnech se beton považuje za uspokojivě

tvrdý, ve skutečnosti tvrdnutí a zpevňování probíhá celá léta a vlastně nikdy nekončí.

Beton

• Vlastní beton se připraví smícháním cementu s vodou a pískem, popř. hrubým kamenivem.

• Optimální množství vody:

málo – nízká pevnost betonu,

mnoho – pevnost klesá, smršťování betonu,

optimální množství vody je cca 0,45 – 0,55 • Beton obsahuje i určité množství vzduchu –

pórovitost.

Beton

Parametry:• Vysoká pevnost v tlaku.• Malá pevnost v tahu.• Vyztužování ocelovými tyčemi, dráty, rohožemi,

v současnosti i polymerní vlákna.• Předepjatý beton – výztuž se napne do rámu ještě

před ztuhnutím betonové směsi a po dokončení ztuhnutí se opět uvolní.

Sádra

Sádra

• Sádrová pojiva se připravují částečnou nebo úplnou dehydratací sádrovce CaSO4 . 2H2O.

• Při teplotě 95 – 130oC přechází nerost sádrovec na polohydrát CaSO4 . ½ H2O.

• Při 150 – 300oC na anhydrit CaSO4, který je rozpustný ve vodě.

• Podstatou sádry je polohydrát s malým podílem anhydritu.

Sádra

• S vhodným množstvím vody přechází sádra zpět na sádrovec, tuhne a tvrdne.

• Výchozí krystalky hemihydrátu se rozpustí ve vodě, poté se začnou vytvářet krystalky dihydrátu, které mají oproti výchozímu nižší rozpustnost ve vodě.

• Výsledkem je poměrně pevná struktura tvořená vzájemně propletenými krystalky.

• Tuhnutí sádry lze zpomalit – malířský klih, mléko. • Urychlit – kuchyňská sůl, síran sodný.

Sádra

Uplatnění:• Stavebnictví• Umělecké předměty• Odsiřování elektráren – sádrovec –

sádrokartonové desky (kompozit s vrstevnatou strukturou – kombinace papírové hmoty a sádry)

Asfalt

Asfalt

• Všechny přírodní tuhé a tekuté uhlovodíky se zahrnují pod obecný termín „živice“.

• Asfalt je za normální teploty tuhý, zahříváním kapalní.

• Těží se přímo ze země – asfaltové jezero na ostrově Trinidad – přírodní asfalt.

• Ropný asfalt – zbytek po destilaci ropy. • Podstatou asfaltu je směs uhlovodíků s vysokou

molekulovou hmotností.

Asfalt

• Pro vlastnosti asfaltu používaného na povrchy vozovek je důležitý poměr kameniva a pojiva.

• Ideální struktura obsahuje hranaté částice různé velikosti propojené stejnoměrnou vrstvou asfaltového pojiva (5 – 10%), póry (2 – 5%) – důležité – při tlakovém namáhání asfalt vyplňuje póry místo aby byl vytlačován z prostoru mezi částicemi.

Asfalt

• Novinka – asfalt plněný drcenými skleněnými střepy – využití odpadu z nevratných lahví.

• Modifikace asfaltu odpady z PE – zvýšení pružnosti a odolnosti praskání za nízkých teplot – využití v místech vyššího dynamického namáhání – např. mostní vozovky.

Asfalt – Zikkurat v Uru – původní asfalt

Geopolymery

Co jsou geopolymery?

• Amorfní trojrozměrné aluminosilikátové materiály s vlastnostmi podobnými keramice.

• Jsou syntetizovány

a vytvrzovány při pokojové teplotě

a atmosférickém tlaku.

Schéma syntézy

Tepelná aktivacepro dosažení

vysokoenergetického

stavu

kaolín

Aktivovaný kaolín

(prekursor)

Alkalický aktivátor

roztok NaOH +vodní sklo

+

Anorganický polymer = Geopolymer

•Tepelná aktivace: 750°C, 24 hodinSyntéza:

sušení 85°C, 2 hodiny

Chemická struktura a aplikace

Aplikace

• Nová generace materiálů, které mohou být použité čisté, s plnivy nebo vyztužujícími vlákny pro různé aplikace.

• Automobilový a letecký průmysl, formy pro odlévání kovů, zapouzdření odpadů, dekorace, opravy budov.

Aplikace

Děkuji za pozornost.