CHE 12: kompozity - nanotechnologie

Chemické základy moderních materiálUÚvod historie materiálůKompozitní materiály výztuže, pojiva, technologieNanomateriály paradoxy nanosvěta anorganicko-organické materiály nanovlákna uhlíkové nanotrubice vodivé vrstvy polymerů

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání 3000 BC Kovy a slitiny Ag bronz Au tvrdé dřevo, podél vláken Cu vápenec bambus měkké dřevo, podél vlákenPevnost, elastický limit [MPa] Skla slitiny olova kůže Na-Ca sklo Přírodní materiály břidlice žula cín mramor cihly čisté olovo tvrdé dřevo, přes vlákna pískovec měkké dřevo, korek přes vlákna Kámen a keramika Youngův modul [GPa] Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání za 4500 let přibyly pouze šedá litina, mosaz a cement Kovy a slitiny XV. století Ag bronz šedá Au mosaz litina tvrdé dřevo, podél vláken bambus vápenec CuPevnost, elastický limit [MPa] měkké dřevo, podél vláken Skla slitiny olova kůže Na-Ca sklo Přírodní materiály břidlice žula cín mramor cihly cement čisté olovo tvrdé dřevo, přes vlákna pískovec měkké dřevo, korek přes vlákna Kámen a keramika Youngův modul [GPa] Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm

MATERIÁLy – HISTORIE POUŽívání XXI. století nabízí podstatně širší paletu materiálů v zřetelně širším rozsahu vlastností 1000 2012 Kompozity Elastomery Přírodní materiály PolymeryPevnost, elastický limit [MPa] 1 Kovy a slitiny Speciální keramika Kámen a keramika Pěny Youngův modul [GPa] Podle Asby M.F., Melia H. , Silva A., http://www.grantadesign.com/education/resources/types/project-files.htm

MATERIÁLOVÁ MAPA – PEVNOST – HUSTOTA

PEVNOST – HUSTOTA v louhu sodném

PEVNOST – HUSTOTA v uhlovodících

ODOLNOSTI materiálu v chemikáliích

ZÁKON WIEDEMANNA A FRANZE

Kompozitní materiály Composite materials

Kompozitní materiály http://technet.idnes.cz/novy-boeing-787-dreamliner-konstrukce-a-vyroba-superletadla-poa-/tec_technika.aspx?c=A070528_113318_tec_technika_NYV

Kompozitní materiálytvoří materiálový systém, složený ze dvou nebo více fází,s makroskopicky rozeznatelným rozhraním mezi fázemi,dosahující vlastností, které nemohou být dosaženy kteroukoliv složkou samostatně ani prostým součtem vlastností

Synergický efektJev, kdy je získán materiál s lepšímivlastnostmi, než mají jednotlivé složkysamostatněSynergie je výsledkem chemické interakcepovrchů složek kompozitůMůže se jednat o chemickou vazbui o nevazebné interakce

Jaký je rozdíl mezi chemickouvazbou a nevazebnou interakcí? ?

Jaký je rozdíl mezi chemickouvazbou a nevazebnou interakcí? ? Chemická vazba spojuje atomy, nevazebné interakce jsou síly mezi molekulami …

Jaké typy chemických vazeb anevazebných interakcí rozlišujeme? ?

Jaké typy chemických vazeb anevazebných interakcí rozlišujeme? ? Chemická vazba: iontová, kovová a kovalentní, nevazebné interakce: van der Waalsovy síly a vodíkové můstky

Jak jsou zhruba velké chemické vazby a nevazebné interakce? ?

Jak jsou zhruba velké chemické vazby a nevazebné interakce? ? Chemická vazba: 100 – 800 kJ/mol, nevazebné interakce: 1 – 80 kJ/mol

Kompozitní materiályVíce informací můžete získat prostudováním knih:R.A. Bareš: Kompozitní materiály, SNTL Praha1988, ISBN 04-734-88, 325 stranJ. Kolařík: Vysokomodulová polymerní vláknaa vláknové kompozity, Academia Praha 1984,ISBN21-013-84, 103 stran

Složky kompozitů matrice výztuže•pojiva •plniva

MatricePolymerní termosety, termoplasty...skla,kovy,keramika,cementy,geopolymery...

Výztužedispersní částice – prášky, vločky... mikrokuličkyvrstevnaté částice – pásky, destičky...vlákna – krátká, nepřetržitá, zpracovaná do textilních útvarů...

Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů Cena Fyzikálně - mechanické vlastnosti modul pružnosti pevnost tažnost rázová houževnatost tvrdost koeficient tření opotřebení

Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů Reologické vlastnosti Chemická odolnost Tepelně - fyzikální vlastnosti koeficient tepelné roztažnosti tepelná vodivost tepelná kapacita tepelná odolnost

Vliv vyztužování na vlastnosti kompozitů Optické vlastnosti barva index lomu Elektrické vlastnosti elektrická vodivost elektrická pevnost

Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerůPřírodní suroviny: těžba, mletí, třídění ...– vápenec, kaolin, živec, wollastonit ...

Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerůChemická syntéza nebo rozklad:SiO2, CaCO3: srážení - sušení - třídění ...saze: pyrolýza - mletí - třídění ...SiC, Al2O3, Si3N4, B4C: syntéza - drcení - třídění …

Způsoby získávání materiálů pro vyztužování polymerůSložitější pochodyskleněná vlákna: příprava skloviny - zvlákňování -povrchové úpravy ...aramidová vlákna: syntéza polymeru - zvlákňování -dloužení - povrchové úpravy ...uhlíková vlákna: syntéza suroviny - zvlákňování -stabilizace - karbonizace - povrchové úpravy ...whiskery: pěstování monokrystalů whiskerů - třídění -povrchové úpravykeramická vlákna: keramické sintrační pochody -povrchové úpravy ...

Matrice polymerních kompozitůtermoplasty – termosety – elastomery – pěnyZpůsoby jejich získávání přírodní látky - přírodní kaučuk polymerace, polykondenzace, polyadice jednodušších látek získaných z ropy, hnědého uhlí nebo acetylenovou chemií, rozkladem biomasy - lignin, furalové pryskyřice

Skleněná vlákna pro kompozitní materiály skleněná vlákna jsou nejběžnějším výztužovým materiálem výhody: nízká cena, nevýhody: nízké moduly pružnosti, problémy na mezivrstvě vlákno – pojivo

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály uhlíková vlákna stala materiálem, který má tyto unikátní vlastnosti: maximální tepelnou vodivost – až 3 krát větší než má měď maximální specifickou pevnost maximální tuhost – modul pružnosti

Proč mají uhlíková vlákna vynikající vlastnostiStruktura uhlíkových vláken vychází z velmi jemnýchkrystalitů grafitut.zn. uhlík je tu v hybridizaci sp2čím jsou krystality větší a lépe orientovány podle osyvlákna, tím vyšších modulů pružnosti i vyšší tepelnéa elektrické vodivosti dosáhneme

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály pevnost uhlíkových vláken je limitována kvalitou povrchu vláken (nepřítomnost nečistot) a tím, jak jsou grafitické krystaly vzájemně provázány

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály Americká uhlíková vlákna ze smol K1100, modul pružnosti 935 GPa

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály Japonská uhlíková vlákna ze smol CN90 a CN80, modul pružnosti 890 a 780 GPa

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály Uhlíkové vlákno ze smol, Uhlíkové vlákno z polyakrylonitrilu, modul pružnosti 680 GPa modul pružnosti 580 GPa

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály Standardní uhlíkové vlákno z polyakrylonitrilu, E-modul 285 GPa

Uhlíková vlákna pro kompozitní materiály Uhlíkové vlákno z viskózové suroviny modul pružnosti 60 GPa

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály vlákna z aromatických para-polyamidů, výhody: vysoká houževnatost nevýhody: poškozuje je UV záření, vlhkost narušuje vazbu vlákno-matrice

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiályvynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejichvnitřní strukturou – pravidelné střídání benzenových jadera –CONH– skupin v řetězci vytváří pevnou makromolekulu

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiály vynikající vlastnosti kevlarových vláken jsou dány jejich vnitřní strukturou jednotlivé makromolekulární řetězce jsou mezi sebou vázány vodíkovou vazbou vodíkovévazby zvyšují pevnost

Kevlarová vlákna pro kompozitní materiályvodíkové vazby spojují orientované makromolekuly v pásybenzenová jádra v řetězcích jsou mírně ukloněna a způsobujítak mechanické zaklínění jednotlivých pásů k sobě

Kevlarové tkaniny pro kompozityNásledující obrázky věnovala firma Havel-Composite(www.havel-composites.com)

Tkaniny: uhlíková a kevlarová vlákna

Tkaniny ze skleněných vláken

Tkaniny z uhlíkových vláken

Propletové pásky – kevlar + uhlík

Propletové pásky – uhlíková vlákna

Propletové pásky sklo + uhlík

Tkané pásky uhlík + sklo

Technologie výroby kompozitů Ruční lisováníUpraveno podle: ASHBY, M F. Materials Selection and Process in Mechanical Design. Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9

Technologie výroby kompozitů Ruční kladení výztuže a laminováníhttp://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm

Technologie výroby kompozitů Nástřik – sprejování – pryskyřice se sekanými vláknyhttp://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm

Technologie výroby kompozitů Přesné skládání prepregů, případně předimpregnovaných vlákenných svazkůhttp://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm

Technologie výroby kompozitůTažení profilůUpraveno podle: ASHBY, M F. Materials Selection and Process in Mechanical Design. Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9

Technologie výroby kompozitů Pultruze – tažení profilů

Technologie výroby kompozitů Pultruze – tažení profilůwww.lawrietechnology.com/images/pultrusion1.png

Technologie výroby kompozitů Injekční lisováníUpraveno podle: ASHBY, M F. Materials Selection and Process in Mechanical Design. Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9

Technologie výroby kompozitů Injekční lisování northbaymolding.com/images/injectionmold.gif

Technologie výroby kompozitů Injekční lisováníhttp://www.osha.gov/dts/osta/otm/otm_iii/otm_iii_1fig08.gif

Technologie výroby kompozitů Lisování s ohřevem www.idands.com/15622/index.html

Technologie výroby kompozitů NavíjeníUpraveno podle: ASHBY, M F. Materials Selection and Process in Mechanical Design. Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9

Technologie výroby kompozitů Navíjeníwww.owenscorning.com/... www.azom.com/.../image006./filament_winding.gif gif

Technologie výroby kompozitů Navíjeníhttp://www.precisioneering.com/glossary_laminating_methods.htm

Technologie výroby kompozitů Lisování v autoklávuhttp://www.tygavac.co.uk/assets/images/autoclave-diagram.jpg

Technologie výroby kompozitů Lisování ve vakuovaném přípravkuhttp://www.azom.com/work/47wEj793H71F6t8kntY2_files/image005.gif

Technologie výroby kompozitůUpraveno podle: ASHBY, M F. Materials Selection and Process in Mechanical Design. Butterworth Heinemann, Oxford, 1999 ISBN 0-7506-4357-9

Technologie výroby kompozitů Autokláv – pohled dovnitřhttp://www.aiad.it/upload/aziende/azienda_/SISTCOM_Autoclave.jpg

Technologie výroby kompozitů Proces „resin transfer molding“ vakuové prosycování výztužehttp://commons.wikimedia.org/wiki/File:RTM_process.png

Technologie výroby kompozitůČeský popis těchto i dalších technologií přípravykompozitů naleznete na stránkách firmyHavel - Compositeshttp://www.havel-composites.com/clanky/0-home/76-Technologie- jejich-popis-a-schemata.html

Nanomateriály Nanomaterials

NanomateriályInformace o aktivitách naší univerzity v oblastinanotechnologií a nanomateriálů najdete na adrese: http://nano.tul.cz/

Uplatnění nanomateriálů

Nanotechnologie – nanomateriály nano = v řečtině „trpaslík“nano– předpona pro jednu miliardinu, tedy 10–9 základní jednotky nanotechnologie + nanomateriály se zabývají skladbou materiálů v rozměrech nanometrů

Nanotechnologie – nanomateriály „Chtěl bych popsat obor, v němž se toho dosud udělalo málo, ale v principu toho v něm může být vykonáno nesmírně mnoho.“ „Proč ještě neumíme zapsatRichard Feynman, všech dvacet čtyři svazků 29. 12. 1959 Encyklopedie Britanniky na„Směrem dolů je špendlíkovou hlavičku?” spousta místa“

Škála nanometrických velikostí

Velikosti v nanometrechMost královny Alexandriny – Dánsko: délka cca 1012 nm Mravenec 5 000 000 nm

Velikosti v nanometrech Fotbalový míč: průměr 220 000 000 nm Molekula fulerenu C60: průměr cca 1 nm

Poměr počtu povrchových a vnitřních atomů Paradoxy nanosvěta 10 Počet buněk v hraně krychle 1 1 10 100 1000 10000 100000 0,1 Výpočet pro strukturu železa 0,01 0,001 0,0001 1E-05

Paradoxy nanosvěta Bod tání masivního zlata 1064 oCBod tání [oC] Poloměr částic [nm]

Paradoxy nanosvěta zmenšení zvětšení průměru povrchuvláken stokrát stokrát

Paradoxy nanosvěta zmenšení zmenšení manipulačníprůměru drátů, pevnosti vlákenvláken stokrát desetitisíckrát

Paradoxy nanosvěta Zmenšení zmenšeníprůměru vláken hmotnosti vláken stokrát desetitisíckrát

Paradoxy nanosvěta Zmenšení Zmenšeníprůměru vláken ohybové tuhosti stokrát milionkrát

Pozorování nanočásticSEM AFM Mikroskopie atomových sil Rastrovací elektronová mikroskopie

AerogelyPoprvé byly vytvořeny Samuelem Stephensenem Kistlerem v roce1931Principem přípravy je nahrazení kapaliny v gelu kapalinou jinou,s nižší kritickou teplotou a tlakem.Podmínkou je, že měněné kapaliny jsou vzájemně neomezeněmísitelné (např. voda – etanol – diethyléter).Poté se gel za vysokého tlaku ohřeje nad kritickou teplotu a veškerákapalina se okamžitě přemění na plyn.Jedině tak nedojde ke zdeformování gelu vlivem kapilárních jevů,které by provázely vypařování.

AerogelyVnitřní struktura aerogelu se skládá z křemičitých dutých koulí ovelikosti řádově několika nanometrů.Díky jejich uspořádání a tvaru má materiál obrovský vnitřní povrch(1 g až 1000 m²), tudíž je ideální pro absorpci.Hustota aerogelů je pouze 3 mg.cm-3.

AerogelySnesou až 2000× větší zatížení než je jejich vlastní hmotnost – na obrázku je vzorek aerogelu zatížen klasickou cihlou

AerogelyMají extrémně nízkoutepelnou vodivost (0,015 –0,020 W.m-1.K-1; prosrovnání, vzduch mátepelnou vodivost0,026 W.m-1.K-1).Teplota tání je cca 1200 °C.Dobře tlumí vibrace a zvuk.

Anorganicko-organické materiálynejedná se o kompozity, ale o hybridníanorganicko-organické polymery tvořící jednuvelkou makromolekuluORMOCER (ORganically MOdified CERamic)ORMOSIL (ORganically MOdified SILica)

Anorganicko-organické materiályKovalentní vazba mezi anorganickou a organickou částí s různou polaritou až s přechodem do iontové vazby hlavně vazba C – Simateriál se blíží polysiloxanům (silikonům)

Anorganicko-organické materiályalkylskupiny heteroatomyna atomech v anorganické Si síti organická polymerní polymerní síť anorganická síťkřemičitanová

Vrstvy s elektrickými funkcemi• vrstvy SiO2 a nově i ORMOCERu jako dielektrické vrstvy v elektronice a mikroelektronice• ORMOCER s dielektrickou pevností 200 V/µm jako separační vrstva do palivových článků.• vodivé vrstvy soustavy In2O3 – SnO2, pro optické dispeje a solární články• ferroelektrické a piezoelektrické vrstvy BaTiO3 nebo LiNbO3• supravodivé vrstvy YBa2Cu3O7-x• magnetické povlaky s částicemi Fe2O3 v boritokřemičitém skle

Polymerní nanovláknanepřítomnost dutiny, průměry – mezi 50 -1000 nm,délka – různá dle technologie výroby (většinou všakse jedná o vlákna kontinuální – nekonečná)Může se jednat o vlákna z organických polymerů alei o vlákna anorganického původu – křemičitá,titaničitá, nebo kombinovaná anorganicko-organická

Výroba polymerních nanovlákenmetoda melt-blown, podrobně známá technologie provýrobu netkaných textilií,výroba bikomponentních vláken typu „ostrovy v moři“ anásledné odstranění (rozpuštění) matrice,metoda elektrostatického zvlákňování – electrospinningmetoda odstředivého zvlákňování – forcespinningmetoda vytahování nanovláken – drawing …

Výroba polymerních nanovlákenOldřich Jirsák; prof. RNDr., CSc.rozvinul metodu elektrospinningumá světově uznané patentyna produkční úpravu této metody

Schéma elektrospinningu z jehly

Schéma elektrospinningu z tyčinky kolektortyčinka zdroj vysokého napětí

Schéma elektrospinningu z válečku

Elektrospinning z válečku – NANOSPIDER

Využití polymerních nanovlákenústní roušky či respirátorynáplasti urychlující hojení ran a zabraňující tvorbě jizev,výroba filtrů pro klimatizace v nemocnicíchfiltrů na vodu, které zachycují bakterie a zabraňují jejichmnožení

Biodegradabilní nanovlákna

Orientovaná nanovlákna

Ruční elektrospiner

Pyl z lilie na nanovláknech

Pyl z kopretiny na nanovláknech

Modelové zařízení pro sanace

Pracoviště studia ferroelektrik

AFM snímek povrchu korundové podložky

Plazmatická úpravy povrchu kovů

Pracoviště plazmatické úpravy kovů

Nanoúpravy povrchů součástek pro auta

Nanomateriály v automobilech

uhlíkové nanotrubice Carbon nanotube

Uhlíkové nanotrubice Vlastnosti uhlíkových nanotrubic: pevnost v tahu 20 - 100 GPa modul pružnosti 1,2 TPa 1/5 měrné hmotnosti oceli vysoká tepelná vodivost vysoká elektrická vodivost Cena: rok 2004 – 400 €/g 2006 – 5 €/g 2010 – 10 c/g

Uhlíkové nanotrubice metodou CCVD

Prales uhlíkových nanotrubic

Uhlíkové nanohokejky

Vodivé vrstvy polypyrrolu vodivé nanovrstvy pro textilní materiály, vhodné pro elektromagnetické stínění

Vodivé vrstvy polypyrrolu

Jak se připravit na zápočet ? jednotlivé přednášky jsou na stránkách KCH TUL www.kch.tul.czzde najdete také textové materiály, řešené příklady a ukázky testů přihlášení na termíny klasifikovaných zápočtů přes IS/STAG http://stag-new.tul.cz/wps/portal/

www.kch.tul.czKlepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů.http://www.kch.tul.cz/materials/chemie-pro-strojni-fakultu

Klepnutím lze upravit styl předlohy nadpisů. Hezké vánoční svátky a šťastný rok 2013

http://www.kch.tul.cz	966
https://moodle.fp.tul.cz	53
http://bestclean.cz	26
http://www.slideshare.net	18
http://katedry.fp.tul.cz	1

CHE 12: kompozity - nanotechnologie

by Department of Chemistry FP TUL

Accessibility

Categories

Upload Details

Usage Rights

5 Embeds 1,064

Statistics

CHE 12: kompozity - nanotechnologie Presentation Transcript