Anyagtudomány:
hagyományos szerkezeti anyagok és polimerek Bevezetés Menyhárd Alfréd +36-1-463-3477
[email protected] Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék BME Műanyag- és Gumiipari Laboratórium H ép. I. emelet
•Vázlat Bevezetés
A tárggyal kapcsolatos legfontosabb információk, háttér, történet
Fogalmak
Alapdefiníciók, anyagosztályozás, célkitűzések
Példák
Csoportosítás Anyagválasztás
Célok, Irodalom
Szerkezet-tulajdonság összefüggések, gyakorlati példák Az anyagok csoportosításának szempontjai A felhasználás szempontjából legmegfelelőbb anyag kiválasztása A tárgy célja, tematikája, irodalma 2
•Bevezetés
Definíció, történet és cél
•
•
Anyagtudomány: az anyagok gyártástechnológiája, szerkezete és tulajdonságai közötti kapcsolat feltárása A tudományág története •
•
Az antik (ősi) civilizációkat is az anyagok szerint osztjuk fel (kőkor, bronzkor stb.) Fejlettségi szintek •
•
a természetben található anyagok használata módosítás nélkül
•
az anyagok módosítása (pl. hőkezelés, égetés)
•
az utóbbi 50-60 évben a fejlődés óriási mértékben felgyorsult
Cél a felhasználás szempontjából optimális tulajdonságok meghatározása és kialakítása 3
•Bevezetés
Csoportosítás, technológia •
Osztályozás
Kiindulási anyag Alaptulajdonságok
•
Szerkezet
Feldolgozás, Technológia
Fémek, kerámiák, faanyagok, polimerek, kompozitok, intelligens és funkcionális anyagok
A szerkezet átalakul a technológiától függően Megváltozott tulajdonságok
•
Célkitűzés:
Optimális tulajdonságok
Termék
•
A folyamat szabályzása az optimális tulajdonságok kialakítása érdekében
Beavatkozási lehetőség
Ellenőrzési lehetőség
Mérhető mennyiség
4
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák Természet: szerkezeti izomerek különbségei Me
Me
Me
Me
O
H
Me CH2
(R)-limonén narancs illat
H
Me CH2
(S)-limonén citrom illat
O
H
Me CH2
(S)-karvon kömény illat
H
Me CH2
(R)-karvon mentol illat
5
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák Eltérő izomerek mint köztitermékek Me
Me
H N Me Me N H H H (R)-metamfetamin Me H N Me
Jumex, Parkinson–kór kezelésére
(S)-metamfetamin Me Me N H H
R
Extasy, kábítószer
6
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan • Izomerek
eltérő biológiai hatása O
H
O
N
N
(R) O
N H
O
• Thalidomid
O
H (S)
O
O
N H
O
a Contergan gyógyszer hatóanyaga • Az
(R) izomer nyugtató hatású • Az (S) izomer teratogén (magzatkárosító) hatású
7
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan • • • • • • •
2008-ban 50 évesek az első Contergan gyerekek. 1957 végén hozták forgalomba a Contergan nevű nyugtatót (hatóanyag a thalidomid). Pánikbetegség, migrén, altató és hányinger csillapító. Nem vényköteles készítmény, melynek elsődleges célcsoportja a terhes nők voltak. Kedvező hatása miatt gyorsan népszerűvé válik. Óriási profit a forgalmazó Grünenthal cégnek. Drasztikusan emelkedik a fejlődési rendellenességgel születettek száma. 8
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan • • • • • • • •
Widukind Lenz 1961-ben nyilvánosságra hozta a thalidomid súlyos mellékhatását (teratogén hatás). A gyógyszert 1961-ben betiltották. A gyártó nem ismerte el a felelősségét, de 110 millió márkát fizetett a torz gyerekek segítésére. A thalidomid hatóanyaggal kapcsolatos kutatások folytatódtak. Hatékony a rák ellen. Újra engedélyezték, de csak szigorú felügyelet mellett A gyógyszerek hatóanyagait alaposabban meg kell vizsgálni. A királis hatóanyagok egyes izomereinek hatását is jellemezni kell, hogy a racém keverék forgalmazásáról dönteni lehessen. 9
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák - Contergan
10
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák – fémek, hőkezelés és edzés •
A kovácsok „művészete”, ami háborúkat döntött el •
•
Damaszkuszi acél 1100-1700 (a mai napig fogalom) – az ilyen kardoknak misztikus erőt tulajdonítottak. Alternáló vas és vas karbid rétegek; vanádium tartalom → szerkezet.
Szamuráj kardok készítésének művészete – családi hagyományként terjed még napjainkban is.
11
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák – fémek
•
• •
Nem megfelelő anyagválasztás: Túl nagy C tartalom (0,2 %) Durva szemcseméret (H-60,4 μm; K-41,9 μm) ASTM 4.5-6 0 °C alatt csak olyan acéllemezt lehet használni ami szemcsemérete nem haladja meg a 23 μm-t (ASTM 7.5) Az oldalfal ridegen repedt a 2 °C-os vízben. 12
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák – fémek
A hibás anyagválasztás katasztrófához vezethet – a második világháborúban egy osztálynyi szállítóhajó (Liberty ships) süllyedt el (kettévált a hajótest) mert hegesztéshez használt fém nem volt megfelelő. 13
•Szerkezet-tulajdonság összefüggések Példák – műanyagok orientáció • •
•
Horgászzsinór (damil) Műanyag cérna PET palack Fröccsöntött termékek
6
Rugalmassági modulus (GPa)
•
5 4 3 2 1 0 1
2
3
4
5
6
7
8
Nyújtási arány
Nagy szilárdság és merevség az orientáció irányában.
14
•Az anyagok csoportosítása Eltérő szempontok
ASHBY • •
• • •
Fémek és ötvözeteik Polimerek Kerámiák Kompozitok Természetes anyagok
CALLISTER • •
• • •
Fémek Kerámiák Polimerek Kompozitok Fejlett anyagok (advanced) • • • •
Félvezetők Bioanyagok Okos (smart) anyagok Nano-méretű anyagok 15
•Szerkezeti anyagok Felhasználás
150
100 elsődleges fém
120
fa
3
Felhasználás (Mm )
Felhasználás (Mt)
80
60
fa
40 használt fém 20
90
60 műanyag
30 elsődleges fém
műanyag 0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
0 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1995
Év
Év
Az USA anyagfelhasználása; nagy különbség a tömeg és térfogat szerinti felhasználásban. Gyorsan növekvő műanyag.
16
•Szerkezeti anyagok Felhasználás
Exponenciálisan emelkedő trend d𝐶 𝑟 = 𝐶 d𝑡 100 𝑟 𝑡 − 𝑡0 𝐶 = 𝐶0 exp 100 100 70 𝑡𝐷 = ln2 ≈ 𝑟 𝑟
Felhasznált anyag, C (tonna/év)
•
•
Fémek: r = 2 % (tD = 35 év)
•
Polimerek: r = 5 % (tD = 14 év)
Terület = anyagfogyasztás t0 és t között
t0
Idő, t (év)
t 17
•Anyagok csoportosítása Fémek, acél
Nagy merevség, szilárdság, keménység stb. – nagy sűrűség, feldolgozási korlátok. 18
•Anyagok csoportosítása Kerámiák
Nagy merevség, szilárdság, kopás- és hőállóság, – általában ridegek és törékenyek. 19
•Anyagok csoportosítása Polimerek
Tulajdonságok széles skálája, termelékeny feldolgozás, kis sűrűség, alacsony ár – kis szilárdság, merevség.
20
•Anyagok csoportosítása Fa • • • • • •
• •
Faanyagok alkalmazása az építészetben A firenzei dóm kupolája 24 db gerenda (6 m x 0,3 m x 0,3 m) Tölgyfa Nehéz beszerezni Gesztenyefa Találni kell megfelelő fát (2 év) A fát csak fogyó holdkor lehet kivágni (ellenállóbbak)
21
•Anyagok csoportosítása Kompozitok
Nagy merevség, szilárdság, tervezési szabadság felhasználva a szerkezet előnyeit, kis sűrűség – nagyon drágák.
22
•Anyagok csoportosítása Nanokompozitok •
•
•
GM felhasználás 300 t 2004-ben Egy PE vagy PP gyár kapacitása 200-400000 t/év
Fémek, fa felhasználás 60100 Mt/év
A fejlődés iránya, nincs kiforrott technológia, a felhasznált mennyiség kevés – szerkezet szabályozása nehéz. 23
•Anyagok csoportosítása Intelligens anyagok
Környezeti hatásra reagáló, intelligens (smart), adaptív anyagok, gélek. Gyógyászat, kozmetika.
24
•Anyagok csoportosítása Intelligens anyagok
Szuperhidrofób felület, nedvesítés teljes hiánya. Piszok és portaszító bevonatok.
25
•Az anyagok kiválasztása Szempontok
•
Gazdaságosság • •
•
Sűrűség
• • • • • •
Modulus Folyási feszültség, szilárdság Keménység Törési ellenállás Fáradási ellenállás Kúszási ellenállás Csillapítás
Termikus • • •
Hővezetőképesség Fajhő Hőtágulási együttható
Elektromos és mágneses • • •
•
Mechanikai •
•
Ár és beszerezhetőség Újrafeldolgozhatóság
Általános fizikai jellemző •
•
•
Környezeti hatás • •
•
•
Oxidáció Korrózió Kopás
Előállítás • • •
•
Ellenállás Dielektromos állandó Mágneses permeábilitás
Termelékenység Kapcsolás Felületi megmunkálás
Esztétikai • • •
Szín Textúra Érzés
26
•Az anyagok kiválasztása Példák – fémek
MŰANYAG CSAVARHÚZÓ •
•
Penge – acél • Nagy modulus • Nagy folyási feszültség • Keménység • Törési ellenállás Nyél – PMMA • Súrlódási együttható • Feldolgozhatóság • Külső megjelenés • Textúra • Kis sűrűség • Alacsony ár
TURBINA LAPÁT – TI ÖTVÖZET • • • •
• •
Fáradási ellenállás Kopásállóság Korrózióállóság Kis sűrűség Kúszási ellenállás (950 °C) Ellenállás oxidációnak
27
•Tematika
Előadás – Csütörtök 10-12 óra Ch. 205.
•
Bevezetés (1 előadás)
•
Alapfogalmak (1 előadás)
•
Anyagok szerkezete és jellemző tulajdonságai (4 előadás)
•
Szerkezeti anyagok tulajdonságainak módosítása szerkezetmódosítás révén (2 előadás)
•
Társított rendszerek (2 előadás)
•
Intelligens anyagok (2 előadás) 28
•Tematika
Részletes előadás tervezet
Dátum
Előadás
Február 18.
Bevezetés
Február 25.
Alapfogalmak
Március 3.
Fémek szerkezete és tulajdonsága
Március 10.
Polimerek szerkezete és tulajdonságai
Március 24.
Kerámiák és faanyagok szerkezete és tulajdonságai
Március 31.
Termikus tulajdonságok és egyedi jellegzetességek
Április 7.
Feldolgozás hatása a szerkezetre 1
Április 14.
Feldolgozás hatása a szerkezetre 2
Április 28.
Társított rendszerek 1
Május 5.
Társított rendszerek 2
Május 12.
Intelligens anyagok
Május 19.
Gélek
Május 19.
Összefoglalás
29
•Tematika
Laborgyakorlat – Szerda 8-12 és 14-18 óra
•
•
•
•
Laborgyakorlat (4 alkalom, hetente a félév során) •
Bevezető tájékoztató
•
Fémek deformációja
•
Faanyagok deformációja és törése
•
Polimerek deformációja
•
Funkcionális és intelligens anyagok
Laborbevezető az első laborgyakorlat alkalmával (H. ép. Fszt. előadó) Egyéni feladatok a volt anyagtudós és műanyagos hallgatóknak •
Nincs laborgyakorlat, de egyéni mérések lesznek
•
Leadási határidő: 2016. május 23. Hétfő
Aláírás: sikeres laborgyakorlat, egyéni feladat
30
•Tematika •
Számonkérés
•
Kétféle szóbeli vizsga lesz •
Egyéni feladatosoknak esszét kell írni (körülbelül 5 oldal) és annak alapján beszélgetünk az anyagról (az elvégzett mérések alapján kapnak laborjegyet, amit az egyéni feladat vezetője javasol)
•
A többiek tételt húznak, amelyen négyes csokorban összeválogatott kérdések lesznek
•
Végső jegy (J)
•J
•
Vizsga (V) szóbeli
•
Laborjegy (L) a leadott jegyzőkönyvek átlaga
= 0,7V + 0,3L 31
•Irodalom
Ajánlott irodalom
•
Ashby, M.F., Jones, D.R.H.: Engineering materials 1. An introduction to their
properties and applications. Butterworth, Oxford, 1996 •
Callister, W.D.Jr: Materials science and engineering. An introduction. Wiley, New York, 2007
•
Kittel, C., Zettl, A., McEuen, P.: An introduction to solid state physics. Wiley, New York, 2004
•
Guy, A.G.: Fémfizika. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1978
•
Kovács, I., Zsoldos, L.: Diszlokációk és képlékeny alakváltozás. Műszaki könyvkiadó, Budapest, 1965
•
Carter, C.B., Norton, M.G.: Ceramic materials. Science and engineering. Springer, New York, 2007
•
Molnár, S.: Faanyagismeret. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 2004
•
Roesler, J., Harders, H., Baeker, M.: Mechanical behavior of engineering materials: Metals, Ceramics, Polymers and Composites. Springer, Berlin, 2007
32
