KERAMIKA, KOMPOZITY, POLYMERY Náhrada za kovy Keramika ¨ Keramika spolu s dřevem, kostmi, kůží a kameny patřila mezi první materiály, které pravěký člověk zpracovával. Chceme – li definovat pojem keramika, můžeme říci, že je to materiál převážně krystalický, složený především z anorganických sloučenin nekovového charakteru. Litosféra obsahuje 50% kyslíku, 25% křemíku, 7% hliníku, 4% železa, .. Rovněž energetická náročnost výroby keramiky je nižší, než je energetická náročnost metalurgie (na výrobu 1 m3 portlandského cementu se spotřebuje 30 GJ, zatímco na výrobu stejného objemu polystyrénu je to 180 GJ a nerezavějící oceli 870 GJ). ¨ ¨ ¨ Keramika ¨Keramika má některé velmi dobré a v praxi využitelné vlastnosti. Většina keramik jsou výbornými izolátory. Mají poměrně malou hustotu (cihly ~ 2.103 kg.m-3, beton ~ 3.103 kg.m-3, ale hliník ~ 2,5.103 kg.m-3 a ocel ~ 7,8 .10-3 kg.m-3) a patří k vůbec nejtvrdším látkám. Proto jsou velmi dobrým konstrukčním materiálem ve stavebnictví a ve strojírenství. Většině z nich však chybí kujnost. Struktura keramických materiálů je heterogenní, polykrystalická a polyfázová. Keramiky obsahují zpravidla více krystalických fází a často i fáze skelné, keramické materiály se jeví jako homogenní a izotropní. ¨ ¨ ¨ Keramika ¨Existuje velké množství různých druhů keramik a to: -tradiční (cihly, porcelán, cement), -speciální keramika, vyvíjená v posledních desetiletích (vysokoteplotní supravodiče, materiály pro leteckou, kosmickou, automobilní a vojenskou techniku). ¨ ¨ ¨ Keramika ¨Keramika mají většinou vysoký bod tání a poměrně nízkou hustotu. Proto jsou předurčena pro využití v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu. Vyšší pracovní teplota spalovacího motoru totiž zvyšuje jeho účinnost a nižší hmotnost motoru ještě dále tento trend podporuje. Takové moderní motory, založené na bázi keramik Si3N4, SiC, Al2O3 a ZrO2 mají navíc další výhodu – jsou otěruvzdorné. ¨ ¨ ¨ Keramika ¨Hlavní nevýhoda keramik – jejich křehkost může být eliminována několika způsoby: ¨a) Nanášením křehkých keramik na vhodný kov (tažnější). ¨b) Malá plasticita keramik je důsledkem malého počtu skluzových systému, ve kterých se mohou dislokace pohybovat. Zvýšení počtu těchto systémů pomocí vhodných příměsí. ¨c) Některá keramika jsou využívána i za účelem ochrany osob, nebo jiných objektů před působením střel (např. neprůstřelné vesty). ¨ ¨ Kompozity ¨Již podle názvu lze kompozity definovat jako vícesložkové, nebo vícefázové materiály, přičemž důležitou roli u nich nehrají pouze složky či fáze, ale i rozhraní mezi nimi. Jinými slovy, kompozity jsou složené heterogenní systémy, tvořené minimálně dvěma složkami či fázemi, které se od sebe liší svými fyzikálními vlastnostmi. ¨Přestože nauka o kompozitech je chápána jako moderní vědní odvětví nauky o materiálu, jsou kompozity využívány lidstvem od nepaměti a to zejména pro jejich výborné mechanické vlastnosti. ¨ ¨ ¨ ¨ Kompozity ¨Typickými, již dávno známými kompozity jsou dřevo a stébla (tvořená pružnými vlákny celulózy a tvrdým ligninem), kosti (pružná bílkovinná tkáň a tvrdé soli vápníku a fosforu). Pravěký člověk vyráběl velmi kvalitní kompozitní luky (z dřeva a rohoviny) a rovněž damascénská ocel a ocel, z níž byly zhotovovány meče samurajů, patří rovněž mezi kompozity. Běžným kompozitním materiálem současnosti je železobeton (tvrdý, ale křehký beton + měkčí, ale pružné ocelové pruty), nebo sklolaminát. ¨ ¨ ¨ ¨ Kompozity ¨Co se týká vnitřní struktury, dělíme kompozity na: ¨- částicové, ¨- Vláknové (krátká vlákna a dlouhá vlákna), ¨- lamelární kompozity. Kompozity - částicové ¨Částice, používané jako plniva kompozitů, mají tvar kulovitý, destičkovitý, jehlicovitý, nebo nepravidelný. Jejich složení je též rozmanité: vápenec, oxid křemičitý, oxidy křemíku, hořčíku a hliníku, skleněné mikrokuličky, slída, nebo mikročástice kovů. Částicová plniva mění značně mechanické vlastnosti. Kompozity - vláknové ¨Významnou kvantitativní charakteristikou vláken, používaných jako plniva u kompozitů, zpevněných vlákny, je poměr EV / rV (modul pružnosti, dělený hustotou) a poměr RmV / rV (pevnost v tahu, dělená hustotou), neboť právě tyto veličiny rozhodují o hmotnosti celé konstrukce. Nejčastěji používanými materiály pro taková vlákna je sklo, uhlík, bór s wolframem, ocel, kevlar (druh polymeru), apod. Kompozity - lamelární ¨Laminární kompozity jsou tvořeny střídajícími se vrstvami (nebo vrstvičkami) složek o různých vlastnostech. Řadíme sem např. kombinace velmi tenkých povlakových vrstev, tlustší ochranné antikorozní vrstvy. Polymery ¨Přestože jsou makromolekuly jedním z nejrozšířenějších druhů organických látek v přírodě, větší pozornost jim byla věnována až po první světové válce. ¨Molekuly polymerů, jak plyne z jejich názvu, se skládají z velkého množství základních stavebních kamenů, zvaných monomery. Polymery ¨Polymery můžeme dělit: ¨- Termoplasty (např. polyetylén) mají dlouhé molekuly, jejichž délka s rostoucí teplotou klesá, polymer degraduje a ztrácí své původní dobré vlastnost. ¨- Duroplasty či reaktoplasty (např. bakelit) mají síťovitou strukturu, která je činí pevnými. Při vyšších teplotách se rozpadávají (oxidují). ¨Polymery jsou často kombinovány s různými plnivy, které mají zpravidla zlepšit zejména jejich mechanické vlastnosti, jako je modul pružnosti, mez pevnosti, otěruvzdornost apod. Jako plniva používáme částice (saze, křemičitany, křídu i částice kovů aj.), nebo vlákna (např. papír, textilie). Polymery lze dále barvit, parfémovat a vytvářet z nich kompozity. Struktura polymerů ¨ Využití polymerů ¨S použitím polymerů se setkáme doslova každý den a na každém kroku. Vyjmenovat jejich využití od domácnosti, průmyslu, zemědělství, automobilismu až po kosmickou techniku. ¨Na základě dosavadního vývoje a použití polymerů lze konstatovat, že stejně jako keramika a kompozity jsou i plasty významným kandidátem na náhradu oceli v dalším století či tisíciletí. Závěr ¨Literatura: ¨[1] Pokluda, J., Kroupa, F., Obdržálek, L.: Mechanické vlastnosti a struktura pevných látek. PC-DIR spol. s r.o., Brno, 1994, 385s. ¨[2] Vondráček, F. Materiály a technologie I a II, 1985, 243+244s. ¨[3] Ptáček a kol. Nauka o materiálu I a II. CERM, 2003, 520+396 s. ¨[4] internet http://www.ped.muni.cz/wphy/fyzvla/ ¨ ¨ ¨ ¨