Mérnöki Anyagtudomány 1
Dr. habil Németh Róbert
NymE, Faipari Mérnöki Kar Faanyagtudományi Intézet
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
