Mérnöki Anyagtudomány 1nyme.hu/fileadmin/Image_Archive/fmk/faanyag/eloadas...Az „anyag” fogalma •Nyersanyag, alapanyag fogalma •Olyan anyag vagy „dolog” amit termékek

Mérnöki Anyagtudomány 1

Dr. habil Németh Róbert

NymE, Faipari Mérnöki Kar Faanyagtudományi Intézet

[email protected]

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 (1723 – 1789): Az anyag mindaz, ami valamilyen módon érzékszerveinkre hat.

• Claud-Adrien Helvétius (1715 – 1771): Az anyagot úgyszólván az emberek hozták létre; a valóságbanegyedek vannak, az anyag a minden egyedben közös.

• Denis Diderot (1713 – 1784): Az anyag érzékelésünk általános oka.

• Read more: http://hu.scribd.com/doc/56426835/16/Az-anyag-meghatarozasa

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: http://www.investopedia.com/terms/r/rawmaterials.asp#ixzz2KyFSyTxk

Az „anyag” fogalma

• Anyag

• Az a valami, ami a dolgokat alkotja, illetve amiből a dolgok elkészíthetők

• Valamilyen aktivitáshoz szükséges dolgok

• (http://oxforddictionaries.com/definition/english/material

Bevezetés

• A nyersanyagok mélyen beágyazódtak a kultúránkba.

• Szállítás

• Hajlék/ lakhatás

• Ruházat

• Kommunikáció

• Pihenés

• Élelmiszergyártás

Bevezetés

• Kőkorszak

• Bronzkor

• Vaskor

Alapanyagok használata – történelmi aspektusban

• Azt használtak, amit találtak, általában eredeti formájában.

• Kő

• Agyag

• Fa

• Csont

• Bőr

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.

Mára több ezer „új” anyagféleséget fejlesztettünk ki

• Fémek

• Műanyagok

• Kerámiák

• Üvegek

• Kompozitok (előzőekből)

• Szerkezetek: szálak, habok, rétegek…bevonatok

Anyagok elterjedése

• A gyártástechnológiák fejlesztése, gazdaságosabbá tétele az anyag szerkezetének és tulajdonságainak jobb megértésén alapszik

• Pl. Gépkocsik – „olcsó” acél

• Pl. Mobilelefon – „olcsó” félvezető

Anyagtudomány és Anyagtechnológia

• Anyagtudomány: anyag szerkezetének és tulajdonságainak összefüggései

• Anyagtechnológia: anyagok kifejlesztése és feldolgozása

Anyag strukturális szintjei

• Szubatomi részecskék

• Atomok, Molkeulák

• Agglomeráció: molekulacsoportok = mikroszkópos szint

• Makroszkópos szint (szabad szemmel látható)

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!)

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

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.

Anyagok osztályozása

• Fémek

• Kerámiák

• Üvegek

• Polimerek

ezen kívül

• Kompozitok

• Innovatív v. High-tech anyagok (félvezetők, bioanyagok, intelligens és nano-szerkezetű anyagok)

Anyagok sűrűsége

Sűrűségi értékek (szobahőm.). Kül fémek, kerámiák, üvegek, kompozitok

Cirkónium-dioxid Alumíniumoxid, Szilíciumkarbid Szilícium-nitrát Szilikátüveg

Poli(tetrafluoroetilén) Polivinilklorid Polisztirol Polietilén Üvegszál erősítésű kompozit

Szénszál erősítésű kompozit Fa

Anyagok Rugalmassági modulusa

Anyagok Húzószilárdsága

Acélok Ötvözetek Arany

Anyagok ütésállósága (duktilitása)

Ötvözött acélok Titánötvözetek Al-ötvözetek

Anyagok elektromos vezetőképessége

Kerámiák és üvegek

Polimerek

Félvezetők

Fémek

Kompozitok

• Üveg, fém, kerámia és polimer kombinációja (min. 2 db.)

• Természetes kompozitok: gránit fa csont

Kompozitok

• Mesterséges kompozitok: GFC (üvegszálerősítés) CFC (szénszálerősítés)

CFK

CFK

CFK BMW i3

CFK

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

GFK

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)

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

Atomok felépítése és kémiai kötések

Van-der-Waals kötések

Sebtapasz - biomimikri

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.

Kötőerők és kötési

energiák

Pote

nci

ális

en

ergi

a V

on

zás

ta

szít

ás

Erő

ta

szít

ás

Vo

nzá

s

Atomok közötti távolság

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.

taszító erő

Eredő erő

taszító erő

Vonzó erő

Kötéstípusok

• Fővegyérték kötések Ionos Kovalens Fémes

• Mellékvegyérték kötések Van-der-Waals kötések

Ionos kötések

• A periódusos rendszer fémes és nemfémes elemei között jön létre. Fémek könnyen átadják elektronjukat a nemfémeknek. Eeltkromosan töltött ionok jönnek létre. Kötőerő = Coulomb-erők. 600-1500kJ/mol kötési energia magas olvadáspontot eredményez.

• Az ionos anyagok általában kemények és ridegek, elektromosan szigetelők, hőszigetelők.

Pl.: NaCl Na+

Cl-

Különböző anyagok kötési energiái és olvadáspontja (°C)

Ionos

Kovalens

Fémes

Van-der-Waals

Hidrogén-híd

Kovalens kötés

• 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. Metán molekula (CH4)

C- 4 db. vegyértékelektron H -1 db. vegyértékelektron

Szén közösen használt elektronja

Hidrogénközösen használt elektronja

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

Fémes kötés

• 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).

Pozitív töltésű atomok

Szabadon mozgó elektronok alkotta elektrongáz

Tönkremenetelek (mechanikai)

• Fémek duktilis alakváltozással mennek tönkre (képlékenyek)

• Ionos és kovalens kötésűek általában rideg alakváltozás után törnek

Mellékvegyérték kötések Van-der-Waals kötések (fizikai kötések)

• Kb. 250 N-os tapadás • http://www.youtube.com/watch?v=jVd6bOhDUKI

• http://www.youtube.com/watch?v=hd5upt3IrWM&feature=endscreen&NR=1

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

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.

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.

Van-der-Waals kötések (fizikai kötések) permanensen poláris molekulák között (dipól-

dipól 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.

Fagyás közbeni térfogat-növekedés víznél

• 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.

jég

folyadék

H-hidak

Molekulák

• 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.

Hidrogén forrásban: -259.14 °C

PVC-idomok