TYTO MATERIÁLY JSOU
VÝHRADNĚ URČENY
POUZE PRO STUDIJNÍ
ÚČELY STUDENTŮ
PŘEDMĚTU
CORE122
Chemie a společnost
C2000 Chemie a společnost
5. Kovy, jejich využití jako materiálů,
speciální aplikace
Využití kovů v minulosti a současnosti; Co je to kov; Vazba v kovech; Elektrické
vlastnosti (vodič, supravodič, levitace); Tepelné vlastnosti (termoelektrické
materiály); Magnetické vlastnosti (magnetický záznam); Optické vlastnosti (solární
články); Strukturní vlastnosti (amorfní kovy, precipitační vytvrzování, materiály
s tvarovou pamětí)
Jana PAVLŮ
Masarykova univerzita, Přírodovědecká fakulta, Ústav chemie
A: Kamenice 753/5, budova C12/222, CZ-625 00 Brno
T: +420 549 493 742 | E: houserova@chemi.muni.cz
 Před 8-6 tis. let lidé začali vyrábět předměty z kovů, jako je zlato, stříbro a měď
(měkké – šperky, nádoby na vaření, první nástroje a zbraně, platidla)
 3 500 let př. n. l. olovo (sošky)
 2 300–700 let př. n. l. – doba bronzová (Cu+Sn) – první cíleně vyrobená slitina
 750 let př. n. l. – rtuť
 700–0 let př. n. l. – doba železná (zemědělské nástroje a zbraně)
 1574 – první moderní ocel v Praze
Proč kovy?
Mark Ahsmann,
Reconstruction of
elite male burial,
with some of the
world's oldest
gold jewellery, c.
4,500 BC.
(online). (cit.
30.4.2024).
Dostupné z:
https://en.wikipedi
a.org/wiki/Varna_
Necropolis#/medi
a/File:20140611_
Varna_08.jpg CC
BY-SA 4.0
License
Využití kovů v minuloti
šperky, ozdobné předměty, hrnce a pánve na vaření, zemědělské nástroje, zbraně, …
https://www.rockstone-research.com/images/1%20news/History-of-Metals.jpg
Swadim,
Celtiberian
(Vettone) swords
with antennas,
National
Archaeological
Museum, Madrid.
(online). (cit.
30.4.2024).
Dostupné z:
https://en.wikipedi
a.org/wiki/Iron_A
ge_sword#/media
/File:Antenna_sw
ord.jpg CC BYSA
4.0 License
Proč kovy?
Donaldyt
ong, Burj
Khalifa.
(online).
(cit.
30.4.202
4).
Dostupn
é z:
https://en
.wikipedi
a.org/wik
i/File:Bur
j_Khalifa.
jpg GNU
Free
Docume
ntation
License
Využití kovů v současnosti – ve všech oblastech lidského života
stavebnictví – mosty, mrakodrapy, …
letecký a automobilový průmysl, dopravní prostředky, kolejnice, …
energetický průmysl – palivo (uran), turbíny, elektrické vedení, …
elektrotechnika – vodiče (Cu), polovodiče (Si), pájky (Sn, Pb), …
chemický a potravinářský průmysl – potrubí, reaktory, obaly, nádoby na vaření….
zdravotnictví – implantáty, stenty, operační nástroje, ochrana proti RTG záření…
zbrojní průmysl – zbraně, munice, …
umění – sochy, šperky, … sport – basebalové pálky, bicykly, …
Samy Yousef, Finger joint replacement
prosthesis. (online). (cit. 30.4.2024). Dostupné
z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Finger_
joint_replacement_prosthesis.png Creative
Commons Attribution 3.0 Unported License
Siemens
Pressebild, A
worker installing a
turbine blade on a
steam turbine
rotor being
assembled in a
Siemens factory in
Germany. (online).
(cit. 30.4.2024).
Dostupné z:
https://commons.
wikimedia.org/wiki
/File:Dampfturbine
_Laeufer01.jpg
GNU Free
Documentation
License
Jaké kovy znáte?
Co je to kov?
Fe Pt Cu
Jak poznáte, že jde o kov?
 většinou pevná látka
(POZOR Hg od -38,8 °C, Cs od 28,5 °C, Ga od 30 °C, Rb od 39 °C - kapalné
 lesklý (na lomu nebo čerstvě připravený)
 vysoká hustota
(Li 6,94 kg/l Fe 7,86, Pb 11,34 kg/l, Au 19.3 kg/l, Os 190,23 kg/l)
 vede elektřinu a teplo
 kujné
PROČ TOMU TAK JE?
Horst J. Meuter, Eisengitter vor einem Haus.
(online). (cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Woluwe-
Saint-Lambert_-_Region_Bruxelloise__Eisengitter_-_P1010387.jpg
Creative Commons
Attribution-Share Alike 4.0 International License
Pittigrilli, Platinum finger ring with diamond.
(online). (cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/t
humb/9/90/Platinum_finger_ring_with_diamond.jp
g/640px-Platinum_finger_ring_with_diamond.jpg
Creative Commons Attribution 4.0 License
Tangerineduel, Antique French copper fish pan
with lid. (online). (cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/t
humb/6/64/Antique_French_copper_fish_pan_wit
h_lid.jpg/640px-Antique_French_copper_fish_
pan_with_ lid.jpg Creative Commons
Attribution-Share Alike 4.0 License
Kovalentní vazba
Vazba
 sdílení elektronů za vzniku
elektronových párů meziH+ H+
-
--
Jana Pavlů, H2, 2024
Kovová vazba
 elektrony se delokalizují
 strukturu kovu lze vizualizovat jako
soubor atomů zasazených do oblaku
relativně mobilních elektronů
+ + + +
+ + + +
+ + + +
Jana Pavlů, kovová
vazba, 2024
Pásová struktura
Vazba
hladiny obsazované elektrony
se rozštěpí → elektronové
energetické pásy
William D. Callister, Jr.: Materials Science and Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
kovy (Cu) kovy (Mg) izolanty polovodiče (Si, Ge, Se)
zaplněné stavy
prázdné stavy
zakázaný pás
vodivostní pás
- u kovů stačí k excitaci energie
elektrického pole, teplo
- podílejí se na vodivosti
volné elektrony + díry
- podílejí se na vodivosti
Interakce světla s hmotou
Optické vlastnosti
Absorbce Rubín = safír (Al2O3) + (0.5 to 2) at% Cr2O3
- modré, žluté, zelené světlo je absorbováno
- propouštěna je červená → tmavě červený
Humanfeather, Ruby (online). (cit. 10.10.2023). Dostupné z:
https://en.wikipedia.org/wiki/Ruby#/media/File:Ruby_gem.JPG CC BY 3.0
Lom Ulflund, A pen partially
submerged in a bowl of water
appears bent due to refraction
at the water surface (online).
(cit. 10.10.2023). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/
wiki/File:Pen_in_water.jpg Cre
ative Commons CC0 1.0
Universal Public Domain
Dedication
Lucas Vieira , A
triangular prism,
dispersing light (online).
(cit. 10.10.2023).
Dostupné z:
•https://en.wikipedia.org/
wiki/Prism#/media/File:Li
ght_dispersion_conceptu
al_waves.gif Public
Domain
Odraz
Oregon's Mt. Hood Territory, The reflection of Mount Hood in Mirror Lake.
(online). (cit. 10.10.2023). Dostupné z:
https://en.wikipedia.org/wiki/Reflection_(physics)#/media/File:Mount_Hood_refle
cted_in_Mirror_Lake,_Oregon.jpg Public Domain
odraz světla na rozhraní
úhel dopadu = úhel odrazu
Optické vlastnosti
Aplikace
fosforescence, fluorescentní lampy, fotokonduktivita, LED, LASERy, solární články,
optická vlákna, …
Absorpce a emise světla
William D. Callister, Jr.: Materials Science and Engineering: An
Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
• Kovy většinu
absorbovaného záření
reemitují se stejným l
→ odražené světlo
• jasně stříbřité - odrazivé
v celém rozsahu
viditelného spektra
(Ag, Al)
• červeno-oranžová barva
- některá absorbovaného
světla část není
reemitována (Cu, Au)
excitace deexcitace
Solární články
p-n spoj
polovodič typu n
elektronová vodivost
polovodič typu p
děrová vodivost
- excitace (světlem, teplem) elektronů do vodivostního pásu
a vznik děr v páse valenčním → vedou elektrický proud
Hladina
B akceptoru
hladina
P donoru
Všechny obrázky: William D. Callister, Jr.:
Materials Science and Engineering: An
Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
Solární články
p-n spoj
William D. Callister, Jr.: Materials Science
and Engineering: An Introduction, John
Wiley & Sons, Inc., 2007
Některé z volných elektronů se pohybují přes spoj, aby zaplnily díry
v materiálu typu p
a díry se pohybují přes přechod do oblasti, kde je velké množství
volných elektronů.
Tento proces pokračuje, dokud počet elektronů, které prošly spojem,
nebude mít dostatečně velký elektrický náboj, aby zabránil dalším nosičům
v přechodu přes spoj.
Vznikne rovnovážný stav (elektricky neutrální situace) se zónou s
„potenciálovou bariérou“ (vyčerpaná vrstva) kolem spoje.
Author unknown, Photovoltaic Solar Cell Construction (online). (cit. 5.12.2023). Dostupné z:
https://www.alternative-energy-tutorials.com/solar-power/photovoltaics.html ---
Foton narazí na p-n spoj polovodičového
materiálu a uvolní elektron z p-části,
který přeskočí vyčerpanou vrstvu a už
nemůže zpět.
V důsledku toho se v polovodičovém
materiálu typu n hromadí přebytek
volných elektronů, který vytváří
elektrický proud uvnitř solárního článku
a bude pokračovat neomezeně dlouho,
dokud bude vystaven slunečnímu záření.
Solární články
Fotovoltaický článek MONOKRYSTALICKÉ ČLÁNKY
- nařezáním křemíkového
monokrystalu na plátky
- účinnost od 14 do 20 %
POLYKRYSTALICKÉ ČLÁNKY
- podložka z většího počtu menších
křemíkových krystalů
- účinnost od 12 do 15 %
- lépe využijí rozptýlené světlo
AMORFNÍ ČLÁNKY
- tenká vrstva fotocitlivého materiálu,
napařená na podkladový materiál
- lze i vícevrstvé
- účinnost od 8 do 10 %
- lépe využijí rozptýlené světlo
Author unknown, Solar Photovoltaic Panel (online). (cit.
20.3.2021). Dostupné z: https://www.alternative-energy-
tutorials.com/solar-power/pv-panel.html---
Author unknown, Princip práce fotovoltaického článku generujícího stejnosměrný elektrický proud
(online). (cit. 17.1.2024). Dostupné z:
https://www.svetenergie.cz/cz/energetika-zblizka/obnovitelne-zdroje-energie/slunecni-elektrarnypodrobne/fotovoltaicke-clanky-a-panely/vyklad,
---
Optická vlákna
https://youtu.be/jZOg39v73c4?t=49
- 2 malá optická. vlákna – přenesou ekvivalent 24 000 telefonních hovorů
- pro stejný přenos jako u 0,1 kg optiky je nutno 33 t Cu
Rickyrab , Use of optical fiber in a decorative lamp or nightlight
(online). (cit. 20.3.2021). Dostupné z:
•https://en.wikipedia.org/wiki/Optical_fiber#/media/File:Use_of_optical
_fiber_in_a_lamp..JPG CC BY-SA 3.0
Author Buy_on_turbosquid_optical.jpg: Cable master
derivative work: Srleffler (talk) , Optical cable(online). (cit. 20.3.2021). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Optical_fiber_cable.jpg CC BY-SA 3.0
vlákno tenké jako vlas
Optické vlákno Optický kabel
Optická vlákna
Lucas Vieira , A
triangular prism,
dispersing light
(online). (cit.
10.10.2023).
Dostupné z:
•https://en.wikipedia
.org/wiki/Prism#/me
dia/File:Light_dispe
rsion_conceptual_w
aves.gif Public
Domain
Rychlost světla
𝑛 =
rychlost světla ve vakuu
rychlost světla v mediu
𝑛vzduch 𝑛sklo
𝑛vzduch < 𝑛sklo
Index lomu světla
- pro různé materiály různá
- interakce světla s elektronovým oblakem → pokles rychlosti → ohnutí na rozhraní
Ulflund, A pen partially submerged in a bowl of
water appears bent due to refraction at the water
surface (online). (cit. 10.10.2023). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pen_in_
water.jpg Creative Commons CC0 1.0 Universal
Public Domain Dedication
Lom světla
𝑛sklo
- můžeme zvyšovat index lomu skla – až se světlo nakonec bude na
rozhraní odrážet
Optická vlákna
Josell7, Optical reflection:
critical angle and total internal
reflection. (online). (cit.
20.3.2021). Dostupné z:
•https://en.wikipedia.org/wiki/Fi
le:RefractionReflextion.svg C
C BY-SA 3.0
Odraz světla
- můžeme zvyšovat úhel dopadu paprsku – až se světlo nakonec bude na rozhraní odrážet
Oregon's Mt. Hood Territory,
The reflection of Mount Hood in
Mirror Lake. (online). (cit.
10.10.2023). Dostupné z:
https://en.wikipedia.org/wiki/Refl
ection_(physics)#/media/File:M
ount_Hood_reflected_in_Mirror
_Lake,_Oregon.jpg Public
Domain
• Provedení se stupňovitým indexem lomu (n):
Adapted from Fig. 21.19, Callister 6e. (Fig. 21.19 adapted from S.R. Nagel, IEEE Communications Magazine, Vol. 25, No. 4, p. 34, 1987.)
paprsek jde všude stejně rychle, ale po delších trajektoriích mu trvá cesta déle
• Provedení s parabolickým indexu lomu (n):
uprostřed je vyšší index lomu – paprsek tam jde pomaleji než na okraji
ale okrajový jde zase delší cestu – do cíle dorazí současně
Optická vlákna
- sklo s vysokým indexem lomu (core) + okolo vzduch s nízkým indexem lomu
- nutný ochranný povlak (buffer)
- chrání optické vlákno před vlhkostí a fyzickým poškozením
- nemá vlastnosti vzduchu
- proto se mezi sklo optického vlákna a ochranný povlak
dává vrstva skla s nízkým indexem lomu nahrazující
„funkci“ vzduchu tzv. opláštění (cladding)
- skla optického vlákna a opláštění se liší v dopantech
- vrchní vrstva (jacket) crání před vnějšími fyzikálními silami
a chemickým poškozením
- spolu s optickým vláknem je v optickém kabelu mimo jiné
i měděná slupka, která přenáší elektrickou energii
nutnou na občasné zesílení signálu
Optický kabel
Original by Bob Mellish, SVG derivative by Benchill,
Diagram of a single mode (SM) optical fiber. (online).
(cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Levitating_s
uperconductor.jpg Creative
Commons Attribution-Share Alike 3.0
Unported license
1.- Core 8-10 µm
2.- Cladding 125 µm
3.- Buffer 250 µm
4.- Jacket 400 µm
- informace je zakódována ve formě posloupností 0 a 1 (mobil) → elekmagnetické
vlnění o vysoké a nízké frekvenci (signál z mobilu) → světelný nebo nulový
pulz (optické vlákno)
Přenos informace
Optická vlákna
Ohmův zákon
Elektrické vlastnosti
Napětí mezi konci vodiče je přímo úměrné proudu procházejícímu vodičem
][  AVIRU elektrické napětí U, elektrický proud I, el. odpor R
elektrická vodivost G][
1 1-

R
G
Kov
 odpor klesá z klesající teplotou ke
koncové hodnotě
Supravodič
 odpor
 klesá s klesající teplotou
 za kritické teploty TC padá k nule
William D. Callister, Jr.: Materials Science and Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
Aplikace
vodiče, izolanty, polovodiče, Hallův jev, diody, tranzistory, PC, mikroelektronické obvody,
piezoelektřina, supravodiče, Josephsonův jev, …
Nízkoteplotní supravodiče, typ I
Supravodiče
- kovy pod kritickou teplotou TC
- nutno mít dobré chlazení (1911 Heike Kamerlingh ONES zkapalnil He)
- umožnilo měřit supravodivost Hg
Prvek TC Struktura
Olovo (Pb) 7,196 K FCC
Tantal (Ta) 4,47 K BCC
Rtuť (Hg) 4,15 K RHL
Cín (Sn) 3,72 K TET
Hliník (Al) 1,175 K FCC
Molybden (Mo) 0,915 K BCC
Zinek (Zn) 0,85 K HEX
Titan (Ti) 0,40 K HEX
Wolfram (W) 0,0154 K BCC
Litium (Li) 0,0004 K BCC
William D. Callister, Jr.: Materials Science and Engineering:
An Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
Meissnerův efekt
(a) V supravodivém stavu (pod TC) těleso (kruh) vylučuje magnetické pole
(šipky) ze svého nitra.
(b) Magnetické pole proniká stejným materiálem, jakmile se stane
normálně vodivým.
T<TC T>TC
diamagne-
tický
Vysokoteplotní supravodiče, typ II
Supravodiče
– kromě V, Tc a Nb jsou to slitiny (Nb-Ti, Nb-Zr) a kovové sloučeniny (V3Ga, Nb3Sn)
– směsné oxidy
1986 - LaBaCuO (30 K, -243.15 °C) - Karl Müller, Johannes Bednorz – IBM, Nobelova cena
1987 - YBaCuO (90 K, -183.15 °C)
2017 - Sn12SbTe11Ba2V2Mg24O50+ (489,15 K, 216 °C)
(16. 1. 2024, http://www.superconductors.org)
Haj33, Unit cell for
the Cuprate of
Barium and
Yttrium (YBCO)
(online). (cit.
10.10.2023).
Dostupné z:
https://en.wikipedi
a.org/wiki/High-
temperature_supe
rconductivity#/me
dia/File:Ybco.jpg
Public Domain
Hc
Carl R. Nave, Critical
Magnetic Field
(online). (cit. 19.3.2021).
Dostupné z:
http://hyperphysics.phy-
astr.gsu.edu/hbase/Solids/
scbc.html CC BY 3.0
Diamagnetické / Supravodivé do
kritického magnetického pole HC.
Nad HC se vodivost stává normální
a dochází k úplnému pronikání
magnetického pole.
Supravodiče a vnější magnetické pole
Hc2
Hc1
Diamagnetické / Supravodivé po dolní kritické magnetické pole HC1.
Nad horním kritickým magnetickým polem HC2 je materiál normální.
Mezi HC1 a HC2 je smíšený stav
– přítomny normální i supravodivé oblasti.
Přechod ze supravodivého do normálního stavu je pozvolný.
Čáry magnetického pole začnou pronikat do tělesa materiálu
a se zvyšujícím se aplikovaným magnetickým polem toto
pronikání pokračuje.
V blízkosti supravodiče je silný magnet.
Vnější magnetické pole indukuje na povrchu supravodivé
proudy. Ty vytvoří magnetické pole stejné velikosti jako vnější
pole ale opačného znaménka. Tím se magnetické pole uvnitř
supravodiče zcela vyruší. Dochází k jejich vzájemnému
odpuzování nezávisle na natočení magnetu.
Supravodiče - levitace
https://youtu.be/X5EoUD-BIss?si=rPE4OomTjB-MBhON&t=167 min 3:14
Julian Litzel (Jullit31), High temperature superconductor levitating
above a ring magnet. (online). (cit. 17.1.2024). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Levitating_superconductor.j
pg GNU Free Documentation License
Supravodiče typu II nevykazují úplný Meissnerův jev, ale dovolují částečné pronikání
magnetických siločar do svého objemu ve formě tzv. vortexů.
V místech, kde magnetické pole prochází supravodičem typu II, je supravodivost zničena. Troška
magnetického pole se dostane do supravodiče a drží ho na místě / na magnetu.
Díky vortexům je magnet umístěný nad supravodičem nejen odpuzován, ale zároveň udržován ve
stabilní poloze v určité vzdálenosti od supravodiče (levitace).
Magnet může být i zavěšen pod supravodičem (magnetický závěs).
Levitující magnet se může točit bez tření, zpomalovaný pouze odporem vzduchu,
ve vakuu by se točil nekonečně dlouho.
William D. Callister, Jr.:
Materials Science and
Engineering:
An Introduction, John
Wiley & Sons, Inc., 2007
T<TC T>TC
Aplikace
Supravodiče - použití
- přenos elektrické energie – malé ztráty + malé napětí
- magnety pro urychlovače částic
- superpočítače – vyšší rychlost přepínání a rychlejší přenos signálu
- levitující vysokorychlostní vlaky (Maglev = Magnetic levitation)
- vysoká magnetická pole (NMR, MS…)
Stahlkocher, Transrapid on testing center in Germany
nearby Lathen (online). (cit. 15.8.2024). Dostupné z:
https://cs.wikipedia.org/wiki/Maglev#/media/Soubor:Tran
srapid.jpg BY-SA 3.0
Author unknown, Princip maglév (online). (cit. 17.12.2021). Dostupné z:
https://www.vysokorychlostni-zeleznice.cz/maglev-rychlovlaky/
Ptrump16, Patient being positioned for
MR study of the head and abdomen.
(online). (cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:
Siemens_Magnetom_Aera_MRI_scanne
r.jpg Creative Commons AttributionShare
Alike 4.0 International licnence
Magnetické vlastnosti
- vektorový součet orbitálních a spinových momentů všech elektronů
- příspěvky se mohou vyrušit
(Fe – 2,22 mB, Co – 1,72 mB, Ni – 0,61 mB)
Magnetický moment atomu
Moroni E.G., Kresse G., Hafner J., Furthmu¨ller J.: Phys. Rev. B 56 (1997) 15629.
Aplikace
dveře ledniček, kompas, harddisk, kreditky, indukční vařiče, generátory, motory, MRI, …
Magnetický moment elektronu
William D. Callister, Jr.: Materials
Science and Engineering: An
Introduction, John Wiley & Sons,
Inc., 2007
orbitální pohyb elektronu kolem jádra
~ e- ~ malá smyčka s proudem
Orbitální magnetický moment
ml×mB (ml – mag. kvant. č.)
Rotace elektronu kolem sve osy
– lze jen orientace up nebo down
Spinový magnetický moment
±mB = Bohr magneton (9,27 x 10-24 Am-2)
Magnetický moment látky a vnější magnetické pole H
Magnetické vlastnosti
Diamagnetismus
Feromagnetismus
Fe, Co, Ni
Všechny obrázky:
William D. Callister,
Jr.: Materials Science
and Engineering: An
Introduction, John
Wiley & Sons, Inc.,
2007
He, Cu, Au, Ag, Hg, Zn
Paramagnetismus
Al, Mo, Ti, Na
domény
uspořádávání
domén
mag. indukce
intenzita
mag. pole
překlápění domén
Záznam a načítání
Magnetický záznam
William D. Callister, Jr.: Materials Science
and Engineering: An Introduction, John Wiley
& Sons, Inc., 2007
páska nebo disk
indukční čtecí a zapisovací hlava
- drátová cívka navinutá kolem magnetického
materiálu jádra, do kterého je vyříznuta mezera
- elektrický signál v cívce vytváří magnetické
pole napříč mezerou, které magnetizuje velmi
malou oblast disku nebo pásky v blízkosti hlavy
- po odstranění magnetického pole zůstává
magnetizace; signál byl uložen
- disková paměťová média, kreditní karty, …
DALŠÍ ČTENÍ
http://fyzika.jreichl.com/main.article/view/1348-magneticky-zaznam-zvuku
Částicová média
Magnetický záznam
- jehličkovité částice, obvykle g Fe2O3 ferit nebo
CrO2 rovnoběžné se směrem pohybu hlavy
každá jehlice je jedinou doménou, tu lze
magnetizovat pouze podél její osy nebo „proti“ ní
- ukládání informací v digitální podobě, jako 1
(změna orientace) a 0 (beze změny orientace)
- páska, disketa
Všechny obrázky: William D. Callister, Jr.: Materials Science
and Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc., 2007
Technologie tenkého filmu
- vyšší úložné kapacity při nižších nákladech
- tenký film, obvykle slitina CoPtCr nebo CoCrTa
o tloušťce mezi 10 a 50 nm + substrát z Cr nebo
jeho slitiny
- film je polykrystalický se zrny mezi 10 a 30 nm
- každé zrno je jedinou doménou
- pevné disky
Mikrostruktura
magnetického
paměťového disku.
Jehlicovitý g Fe2O3
v epoxidové fenolové
pryskyřici.8000×
125 nm
(a) TenkýCo-Cr-Pt
film v magnetickém
paměťovém médiu
s vysokou hustotou.
Šipka ukazuje směr
pohybu média.
500 000×.
(b) struktura zrna pro
obr. (a); šipky
u některých zrn
naznačují texturu
nebo směr snadné
magnetizace.
30 nm
Tepelné vlastnosti
Aplikace
snadno se ohřívající materiály, materiály vedoucí teplo, bimetaly, termoelektrika, …
Tepelná kapacita • říká, kolik je třeba tepla Qp na ohřev látky o jeden
stupeň Celsia
𝐶 𝑝 =
𝑄 𝑝
∆T
Citlivé teploměry musí být vyrobeny z
materiálů s malou měrnou tepelnou
kapacitou, aby mohly detekovat a
ukazovat změny teploty rychle a přesně
P. Kratochvil, Thermometer (online). (cit. 1.3.2021).
Dostupné z:
https://all-free-download.com/free-photos/download/red-
fireworks_193087.html
Jebulon, Collection of copper
saucepans in kitchen of Vauxle-Vicomte
castle. (online). (cit.
30.4.2024). Dostupné z:
https://upload.wikimedia.org/wi
kipedia/commons/9/93/Casser
oles_cuivre_Vaux.jpg public
domainl icnence
• prodloužení je úměrné počáteční délce l0, přírůstku
teploty DT a teplotnímu součiniteli délkové roztažnosti
aTll DD 0 a
Bimetal (dvojkov) = dva pevně spojené kovy s různou teplotní roztažností
(teploměr, elektromechanický termostat (žehličky, přímotopy, …),
elektrické jističe)
Hustvedt, A bimetal coil from a thermometer reacts to the heat from a lighter,
by uncoiling and then coiling back up when the lighter is removed. (online).
(cit. 30.4.2024). Dostupné z:
https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/26/Bimetal_coil_reacts_to_l
ighter.gif Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported licnence
Délková teplotní roztažnost
Termoelektrika
snadno se ohřívající materiály, materiály vedoucí teplo, bimetaly, termoelektrika, …
Peltierův-Seebeckův (termoelektrický) jev
• je přímou přeměnou rozdílu teplot na elektrické napětí (Peltier) a naopak (Seebeck).
To způsobuje nepřetržité proudění elektronů nebo děr, pokud vodiče vytvoří uzavřený
obvod.
Ken Brazier, A diagram of a
thermoelectric generator.
Made with Inkscape and
GVim. (online). (cit.
30.4.2024). Dostupné z:
https://upload.wikimedia.org/wi
kipedia/commons/8/8b/Therm
oelectric_Generator_Diagram.
svg GNU Free Documentation
License
Termoelektrický (Seebeckův) generátor
• dražší a méně účinný než tepelné motory
• vzniklé napětí je v řádu několika mikrovoltů na stupeň Celsia
Hamish Johnston, Multiple
valleys boost thermoelectric
performance. (online). (cit.
30.4.2024). Dostupné z:
https://physicsworld.com/wp-
content/uploads/2011/05/valle
y.jpg a
https://physicsworld.com/a/mul
tiple-valleys-boost-
thermoelectric-performance/
Aplikace
• dražší a méně účinný než tepelné motory
• vzniklé napětí je v řádu několika mikrovoltů na stupeň Celsia
• generování elektřiny, měření elektřiny nebo chlazení objektů
• rekuperace odpadního tepla v průmyslu (elektrárny, továrny) a dopravě (automobily),
vesmírná výroba energie, biotermální baterie, polovodičové termoelektrické chlazení,
optoelektronická zařízení, ventilátory kamen
Termoelektrika
snadno se ohřívající materiály, materiály vedoucí teplo, bimetaly, termoelektrika, …
Charakteristika použitých materiálů - figure of merit ZT
• Bi2Te3 a PdTe – NEšetrné k životnímu prostředí
• Bi2Te3 - komerčně dostupná zařízení - produkce cca 10 W s účinností konverze cca 5–7 %
při teplotním rozdílu 200–250 °C
• Materiály na bázi PbTe - dlouhá životnost a funkčnost při vysokých teplotách (výfukové plyny automobilů apod.)
- ale ZT stále pod 1
• Od roku 2021 - materiály dosahující ZT > 3; monovrstvy AsP3 (ZT = 3.36); n-dopovaný InP3 (ZT = 3.23);
p-dopovaný SnP3; p-dopovaný SbP3 (ZT = 3.5).
𝑍𝑇 =
𝑆2
𝑘
𝜎𝑇
Li, Bo, Kuo
Huang, and
Yuying Yan. 2018.
‘Thermoelectric
Power Generation
for Heat Recovery
in Automotive
Industries’.
Bringing
Thermoelectricity
into Reality.
InTech.
doi:10.5772/intech
open.75467.
• Seebeckův koeficient S, tepelná vodivost k,
elektrická vodivost σ a absolutní teplota T
• termoelektrický materiál musí být dobrý ve vedení elektřiny (S),
ale špatný ve vedení tepla (k). Musí mít také velký tepelný
výkon (poměr napětí a teplotního rozdílu napříč materiálem)
H.B. Gao, G.H.
Huang, H.J. Li, Z.G.
Qu, Y.J. Zhang,
Development of
stove-powered
thermoelectric
generators: A
review,
Applied Thermal
Engineering,
96 (2016)297-310,
https://doi.org/10.10
16/j.applthermaleng
.2015.11.032.
Strukturní vlastnosti
Aplikace
• tvrdé materiály (řezné nástroje pro obrábění, těžbu, vrtání základů, technické
součásti, tvrdokovové vrtáky, soustružnické, frézovací a kovoobráběcí nástroje, …)
• měkké materiály (výroba šperků, pokovování a elektroinstalace, …)
• měkké oceli (konstrukční ocel, značky, automobily, nábytek, oplocení, … )
• porézní materiály (reaktory, implantáty, …)
• nanočástice (katalýza, nosiče pro podávání léčiv, elektrody, baterie, antimikrobiální
účinky (např. nanoměď nebo nanostříbro - nátěry pro povrchy ve zdravotnických
zařízeních a v oblastech přípravy jídel), …)
• amorfní kovy, precipitační vytvrzování, materiály s tvarovou pamětí
Jana Pavlů,
Krystalová
struktura
Krystalová struktura
Amorfní (nekrystalické) kovy
- Postrádají klasickou krystalovou strukturu se zrny a hranicemi zrn
Telford, Mark. (2004). The case for bulk
metallic glass. Materials Today. 7. 36-43.
10.1016/S1369-7021(04)00124-5.
Vlastnosti
• Pevnost – 2x větší než ocel, tvrdost
• Houževnatost – lepší než keramiky
• Elasticita – vyšší mez kluzu
• korozivzdornost, kompatibilní s lidskými kostmi
Absence hranic mezi zrny
• Odolnost proti korozi a opotřebení
• Velmi měkké magnetické vlastnosti
• Vysoký elektrický odpor
• Snadná magnetizace-demagnetizace
• Nízká tepelná vodivost
---, Amorphous Coils and Core for Transformers (online). (cit. 13.5.2021).
Dostupné z: https://www.hitachi-metals.co.jp/e/products/infr/en/p0_1.html
Příprava
velmi rychlé ochlazování taveniny
• Tenká kovová fólie 25 µm x 200 mm
• Chlazení 1 000 000 °C / s, aby
nedošlo ke krystalizaci a zachovala se
meta-stabilní amorfní struktura
• Natlačení taveniny na rychle rotující
vodou chlazený Cu válec
---, Amorphous Alloys
(online). Dostupné
z:www.sekels.com/en/sekels-
products/amorphous-c-
cores/amorphous-alloys
Aplikace
- Sportovní vybavení – golf, baseball,
tenis,lyže, snowboardy ...
99 % energie přeneseno na míček
- Obalová technika, povrchy - luxusní hodinky,
lehké obaly elektroniky (mobily, notebooky)
- Medicína – oční skalpely, implantáty,
pouzdra kardiostimulátorů
- Vojenství – projektily, bomby, letadla,
ponorky
Telford, Mark. (2004). The case for bulk metallic glass. Materials Today. 7.
36-43. 10.1016/S1369-7021(04)00124-5.
Telford, Mark. (2004). The case for bulk metallic glass. Materials
Today. 7. 36-43. 10.1016/S1369-7021(04)00124-5.
Amorfní (nekrystalické) kovy
Metallic Glass Consulting, LLC, ---
(online). (cit. 1.5.2024) Dostupné
z:https://metallicglassconsulting.com/
https://i0.wp.com/metallicglassconsulting.com/wp-
content/uploads/2015/04/FrontPagePicture.jpg?w=1
500&ssl=1
Precipitační vytvrzování
William D. Callister, Jr.: Materials Science and
Engineering: An Introduction, John Wiley & Sons, Inc.
Al-Cu
sled fázových přeměn, které vedou k homogenní
dispersi nanometrických koherentních či
semikoherentních precipitátů v měkké a
houževnaté matrici
Precipitates in an Al-Alloy
William D. Callister, Jr.: Materials
Science and Engineering: An
Introduction, John Wiley & Sons, Inc. p.
405 figure 11.26
GPI koherentní GPII semikoherentní ´ semikoher.
---, Precipitace (online). (cit. 13.5.2021). Dostupné z:
https://www.opi.zcu.cz/download/Precipitace09_10.pdf
Aplikace
Precipitační vytvrzování
Al (fcc) matrice + Al2Cu = dural
- základní odlitek hrubozrnné Al + CuAl2
- slitinu ohřejeme, rychle ochladíme v H2O
- a znovu ohřejeme na nižší teplotu
→ velmi jemné částice intermetalické fáze
- velmi tvrdé + lehké
• Rámy letadel
• Rámy motorových člunů a automobilů
• Jízdní kola
• Lehké zbraně
• Chirurgické a ortopedické nástroje
• Výroba komponentů měřicích přístrojů
https://youtu.be/EeXabVKaIWg
Pre98 Antiques, Duralumin sauer behorden pistol
(online). (cit. 1.5.2024) Dostupné z https://pre98.com/shop/wed-12-11-extremely-
rare-important-duralumin-sauer-behorden-pistol-with-black-anodized-finish-1-of-
3-known/ https://pre98.com/wp-content/uploads/2019/12/sauerDural-1.jpg
Bernd K, Ju-Air Junkers Ju 52/3m HB/HOS in flight over Austria. (online).
(cit. 1.5.2024). Dostupné z:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/
7/72/Ju-Air_Junkers_Ju-52_in_flight_over_Austria.jpg Creative Commons
Attribution-Share Alike 4.0 International license
Besco Medical, Duralumin Crutch. (online). (cit. 1.5.2024). Dostupné z:
https://www.bescomedical.com/512-Duralumin-Crutches.html
https://www.bescomedical.com/data/attachment/202011/20/d85d8b9606ccb
d94f6f58400acbbcbca.jpg
Materiály s tvarovou pamětí
teplota
martenzitické
transformace
Austenit
Martenzit
William D. Callister, Jr.: Materials
Science and Engineering: An
Introduction, John Wiley & Sons, Inc.
Ni-Ti (Nitinol)
Cu-Al-Zn, Cu-Al-Ni
Aplikace
vynikající konstrukční vlastnosti
-spojky potrubí - spojování
špatně svařitelných materiálů
nebo na nepřístupných místech
– například v křídlech letadel.
- otevírače a zavírače žaluzií
klimatizátoru, směšovací
vodní baterie, pojistné ventily
- SMA prvek detekuje teplotu a
zároveň na ni reaguje akcí
- katetry, stenty, chirurgické
nástroje, rovnátka
Materiály s tvarovou pamětí
Blausen.com staff (2014). "Medical gallery of Blausen Medical 2014".
WikiJournal of Medicine 1 (2). DOI:10.15347/wjm/2014.010. ISSN 2002-4436
A. Nespoli, S. Besseghini, S. Pittaccio, E. Villa, S. Viscuso, The high potential of
shape memory alloys in developing miniature mechanical devices: A review on
shape memory alloy mini-actuators, Sensors and Actuators A: Physical,
158 (1) (2010) 149-160, ISSN 0924-4247, https://doi.org/10.1016/j.sna.2009.12.020.
Děkuji za pozornost