Εισαγωγή. Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών. Κεφάλαιο 1 Callister / Ashby. Στόχοι του Κεφαλαίου 1

Transcript

1 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών Εισαγωγή Στόχοι του Κεφαλαίου 1 Κεφάλαιο 1 Callister / Ashby Μία πρώτη επαφή με τις έννοιες της επιστήμης και τεχνολογίας υλικών Εισαγωγή στην ταξινόμηση των υλικών Κατανόηση των σχέσεων: Σύστασης / Δομής Σύνθεσης / Μορφοποίησης / Επεξεργασίας / Κατεργασίας Ιδιοτήτων και χαρακτηρισμού των υλικών Επιλογής υλικών και σχεδιασμού 1

2 Θέματα που θα συζητηθούν Τα υλικά γύρω μας σε όλες τις διαστάσεις Ιστορική αναδρομή Τι είναι επιστήμη και τι τεχνολογία των υλικών - τι πραγματεύονται Πως ταξινομούνται τα υλικά Ταξινόμηση των υλικών με βάση την λειτουργία τους Ταξινόμηση των υλικών με βάση την δομή τους Περιβαλλοντική επίδραση και άλλες επιδράσεις Σχεδιασμός υλικών και επιλογή τους 2

3 Εισαγωγή στην Επιστήμη των Υλικών 3

4 Από τον μακρόκοσμο στις νανοδιαστάσεις 4

5 Από τον μακρόκοσμο στις νανοδιαστάσεις 5

6 Από τον μακρόκοσμο στις νανοδιαστάσεις 6

7 Από τον μακρόκοσμο στις νανοδιαστάσεις Fly ash ~ μm 7

8 Από τον μακρόκοσμο στις νανοδιαστάσεις Ιεραρχική δομή οστού: Αναπαράσταση της ιεραρχικής δομής του οστού: (a) μακροσκοπικά το οστό, (b) osteons (~100 μm σε διάμετρο) με κυκλική διάταξη διαφορετικών προσανατολισμένων ινών κολλαγόνου, (c) Ίνα κολλαγόνου (~5 μm σε διάμετρο) η οποία αποτελείται από δέσμες ινιδίων κολλαγόνου (κάθε μία με διάμετρο ~500 nm), (d) Γραμμωτό ινίδιο κολλαγόνου (κάθε περιοδική δομή είναι ~68 nm σε μήκος) το οποίο αποτελείται από κλιμακωτή διάταξη μορίων κολλαγόνου (το καθένα έχει διάμετρο ~1.5 nm) με ενσωματωμένους μεταλλικούς κρυστάλλους (με διαμέτρους ~2 to 20 nm και μήκος 30 nm). (e) Μόριο κολλαγόνου τριπλής έλικας. 8

9 Πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή 9

10 Πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή Τα υλικά ήταν καθοριστικά για κάθε εποχή Παλαιολιθική εποχή (πριν από χρόνια): Εργαλεία από πέτρα και δοχεία από πηλό Μεσολιθική εποχή (πριν από χρόνια): Εκτεταμένη χρήση εργαλείων από πέτρα και πηλό, αγάλματα από πέτρα, χρωστικές από ώχρα Εποχή του χαλκού (πριν από χρόνια): Διακόσμηση από χαλκό, πήλινα είδη, κάμινος από μέταλλο Εποχή του μπρούντζου (ορείχαλκου) ( πριν χρόνια): Μπρούντζος (Cu/Sn), γυαλί, κάμινος από σίδερο Εποχή του σιδήρου (πριν χρόνια): Χυτοσίδηρος, σφυρήλατα είδη, πορσελάνη Εποχή του ατσαλιού και του σκυροδέματος (πριν χρόνια) Εποχή των πολυμερών (αρχές του 1900) Εποχή του πυριτίου (1960 ) Σήμερα: Εποχή των βιο- και νανοϋλικών; 10

11 Πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή Πέτρινη Εποχή Εποχή Χαλκού Εποχή Μπρούντζου Εποχή Σιδήρου Εποχή Ατσαλιού Εποχή Πολυμερών Εποχή Πυριτίου Εποχή Βιο / Νάνο 11

12 Πολύ σύντομη ιστορική αναδρομή 12

13 Ο άνθρωπος Επιλογή υλικών από την φύση σε ακατέργαστη μορφή (πέτρα, ξύλο, πηλός, δέρμα) Αλλαγή ιδιοτήτων υλικών μέσω θερμικών και άλλων διεργασιών (είδη αγγειοπλαστικής, διάφορα μέταλλα) Παραγωγή νέων υλικών μέσω της κατανόησης της σχέσης δομής επεξεργασίας/ κατεργασίας ιδιοτήτων των υλικών Προηγμένα Υλικά 13

14 Επιστήμη και Τεχνολογία Υλικών Επιστήμη των υλικών: Μελέτη της στερεάς ύλης: οργανικής και ανόργανης Κατανόηση της σχέσης δομής - ιδιοτήτων Τεχνολογία / Μηχανική των υλικών ; Ο σχεδιασμός της δομής των υλικών με στόχο μία συγκεκριμένη σειρά ιδιοτήτων Κυρίαρχο πρόβλημα: η επιλογή του κατάλληλου υλικού μεταξύ χιλιάδων υλικών που είναι διαθέσιμα. Αλλά δύο σημαντικά στοιχεία: ικανότητα μορφοποίησης και απόδοση 14

15 Επιστήμη, Τεχνολογία και Μηχανική Υλικών 15

16 Η επιστήμη μιμούμενη τον άνθρωπο Επιστήμη Υλικών Μελέτη της σχέσης μεταξύ σύστασης, δομής και ιδιοτήτων των υλικών. Δομή Επιστήμονας Υλικών Συνθέτει ή αναπτύσσει νέα υλικά Ιδιότητες / Απόδοση Σύσταση Τεχνολογία Υλικών Σχεδιασμός με βάση τη σύσταση και τη δομή του υλικού των διεργασιών επεξεργασίας / μορφοποίησης ώστε να επιτευχθούν ειδικές ιδιότητες και απόδοσή του. Επεξεργασία / Μορφοποίηση Μηχανικός Υλικών Αναπτύσσει νέα προϊόντα ή συστήματα ή τεχνικές για την μορφοποίηση των υλικών 16

17 Βασικές έννοιες επιστήμης και τεχνολογίας υλικών Σύσταση: πως είναι χημικά φτιαγμένο ένα υλικό. Δομή: περιγραφή της διάταξης των ατόμων ή ιόντων σε ένα υλικό. Σύνθεση: η διαδικασία με την οποία κατασκευάζεται ένα υλικό από φυσικές πηγές ή άλλα χημικά. Μορφοποίηση: οι διαφορετικοί τρόποι με τους οποίους ένα υλικό μορφοποιείται σε χρήσιμα κατασκευαστικά στοιχεία, ή γίνεται επεξεργασία του ώστε να επιτευχθούν επιθυμητές ιδιότητες. 17

18 Η διαδικασία επιλογής υλικού Επιλέγουμε την εφαρμογή αυτό μας καθορίζει τις απαιτούμενες Ιδιότητες Από τις απαιτούμενες ιδιότητες καθορίζονται τα υποψήφια ΥΛΙΚΑ Υλικό: σύσταση και δομή Από το επιλεγέν υλικό αλλά και την εφαρμογή καθορίζεται η διεργασία κατασκευής / μορφοποίησης Η κατασκευή / μορφοποίηση μπορεί να αλλάξει τις ιδιότητες 18

19 Βασικές Ιδιότητες των Υλικών Ιδιότητες είναι ο τρόπος που ένα υλικό αντιδρά στο περιβάλλον και σε εξωτερικά ερεθίσματα. Μηχανικές ιδιότητες απόκριση σε μηχανικά φορτία, τάσεις, κλπ. Ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες απόκριση σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία, αγωγιμότητα, κλπ. Θερμικές ιδιότητες σχετίζονται με την μετάδοση θερμότητας και την θερμοχωρητικότητα. Οπτικές ιδιότητες συμπεριλαμβάνουν την απορρόφηση, διάδοση και σκέδαση φωτός. Ανθεκτικότητα στο περιβάλλον αντίσταση στην διάβρωση, στην ακτινοβολία, κλπ. 19

20 Βασικές Ιδιότητες των Υλικών μηχανικές θερμικές οπτικές ηλεκτρικές μαγνητικές ανθεκτικότητα

21 Μηχανικές Ιδιότητες και Αστοχία

22 Θερμικές Ιδιότητες

23 Ηλεκτρικές, Μαγνητικές και Οπτικές Ιδιότητες

24 Χημικές Ιδιότητες Ανθεκτικότητα

25 Ταξινόμηση των υλικών Υλικά: δεν είναι πάντα μονολιθικά ή απλά σύνθετα! Ατσάλι Χυτοσίδηρος Μέταλλα Κράματα Αλουμινίου, Χαλκού Νικελίου, Τιτανίου Επιπλέον θέματα: σχήμα, κόστος, κατεργασιμότητα, περιβαλλοντική επίδραση σε σχέση με μηχανική απόδοση κλπ. Αλούμινα Κεραμικά Νιτρίδιο / καρβίδιο του πυριτίου Ζιρκόνιο Σύνθετα Sandwiches Υβριδικά PE, PP, PC PS, PET, PVC PA (Nylon) Πολυμερή Πολυεστέρες Ρητίνες Soda glass Borosilicate Γυαλιά Silica glass Glass ceramic Isoprene Butyl rubber Ελαστομερή Natural rubber Silicones EVA 25

26 Μέταλλα Ταξινόμηση των υλικών Κεραμικά Ενώσεις μεταλλικών στοιχείων Ηλεκτρικοί και θερμικοί αγωγοί Μεγάλη αντοχή, εύκολη παραμόρφωση (δεν σπάνε) Πολυμερή Ενώσεις μεταλλικών και μή μεταλλικών στοιχείων (π.χ. O, N, C) Ηλεκτρικοί και θερμικοί μονωτές Μεγάλη αντοχή, δύσκολη παραμόρφωση Εύθραυστα Οργανικές ενώσεις (C, O, H) Μεγάλα μόρια, χαμηλή πυκνότητα Εξαιρετικά εύκαμπτα 26

27 Σύνθετα Ταξινόμηση των υλικών Ημιαγώγιμα Συνδυασμός δύο και περισσοτέρων υλικών (π.χ. Carbon fibers με ρητίνη) Συνδυάζουν τις ιδιότητες των υλικών από τα οποία αποτελούνται με στόχο νέες ιδιότητες Βιοϋλικά Απλά στοιχεία (Si, Ge) ή δυαδικά (GaAs) Ηλεκτρικά μεταξύ μετάλλων και μονωτών Εξαιρετικά ευαίσθητες ιδιότητες σε προσμίξεις, έξοχος έλεγχος λειτουργίας Κατέστησαν εφικτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα, computers Εμφυτεύματα Οποιοδήποτε απο τα παραπάνω υλικά Μή τοξικά, συμβατά με τον ανθρώπινο ιστό 27

28 Πυκνότητα των υλικών

29 Δυσκαμψία των υλικών 29

30 Αντοχή των υλικών 30

31 Αντίσταση στη θραύση (Δυσθραυστότητα) 31

32 Ηλεκτρική Αγωγιμότητα 32

33 Ταξινόμηση των υλικών βάση των λειτουργιών τους Αεροπορικά Εμβιομηχανικά Ηλεκτρονικά Ενεργειακά Μαγνητικά Φωτονικά ή οπτικά Έξυπνα Δομικά 33

34 Ταξινόμηση των υλικών βάση των λειτουργιών τους 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 34

35 Ταξινόμηση των υλικών βάση της δομής τους Κρυσταλλικά υλικά είναι αυτά που αποτελούνται από έναν ή πολλούς κρυστάλλους. Σε κάθε κρύσταλλο, άτομα, ιόντα ή αλυσίδες δείχνουν περιοδική διάταξη. Απλός κρύσταλλος είναι ένα κρυσταλλικό υλικό που αποτελείται μόνο από έναν κρύσταλλο (δεν υπάρχουν όρια κόκκων). Κόκκοι είναι οι κρύσταλλοι σε ένα πολυκρυσταλλικό υλικό. Πολυκρυσταλλικό υλικό είναι ένα υλικό με πολλούς κρυστάλλους (σε αντίθεση με τα μονοκρυσταλλικά υλικά που έχουν μόνο έναν κρύσταλλο). Όρια κόκκων είναι περιοχές μεταξύ των κόκκων ενός πολυκρυσταλλικού υλικού. 35

36 Δομή Υλικών Ηλεκτρονική Υπο-ατομικό επίπεδο (Κεφάλαιο 2) Ηλεκτρονική δομή ξεχωριστών ατόμων που καθορίζει την αλληλεπίδραση μεταξύ ατόμων (δια-ατομικός δεσμός). Ατομική Ατομικό επίπεδο (Κεφάλαια 2 & 3) Διάταξη ατόμων σε υλικά (για το ίδιο άτομο μπορεί να έχουμε διαφορετικές ιδιότητες, για παράδειγμα δύο μορφές άνθρακα: γραφίτης και διαμάντι) διαμάντι Μικροσκοπική Μικροσκοπική δομή (Κεφάλαιο 4) Διάταξη μικρών κόκκων υλικού τα οποία μπορούν να αναγνωριστούν με μικροσκοπία. Μακροσκοπική Μακροσκοπική δομή Δομικά στοιχεία τα οποία μπορεί να δει κανείς με γυμνό οφθαλμό. 36 ατσάλι

37 Επεξεργασία και Απόδοση Ως μηχανικοί, μας ενδιαφέρει η σχέση: Επεξεργασία Απόδοση Μέχρι τώρα είδαμε την σχέση: Δομή Ιδιότητες Πώς συνδέονται; Επεξεργασία: καθορίζει την δομή Απόδοση: καθορίζεται από τις ιδιότητες Οξείδιο του Αλουμινίου Μικροδομή οξειδίου του Αλουμινίου Επεξεργασία Δομή Ιδιότητες Απόδοση

38 Διεργασίες 38

39 Σχεδιασμός και επιλογή υλικών Είδος και συνθήκες λειτουργίας Αντοχή στην υποβάθμιση κατά την λειτουργία Κόστος κατασκευής Κόστος λειτουργίας Πυκνότητα (μάζα ανά μονάδα όγκου ενός υλικού, συνήθως σε g/cm 3 ) Ειδικές Ιδιότητες, όπως ειδική αντοχή, ειδικό μέτρο ελαστικότητας κλπ: είναι η ιδιότητα ενός υλικού διά της πυκνότητάς του υλικά με υψηλό λόγο αντοχής προς πυκνότητα είναι δυνατά αλλά ταυτόχρονα ελαφροβαρή

40 40

41 Παράδειγμα Εμφύτευμα ισχίου Με την ηλικία ή λόγω συγκεκριμένων ασθενειών οι αρθρώσεις υποβαθμίζονται. Ειδικότερα αυτές οι οποίες φέρουν ισχυρό φορτίο (όπως το ισχίο). Adapted from Fig , Callister 7e. 41

42 Παράδειγμα Εμφύτευμα ισχίου Απαιτήσεις Μηχανική αντοχή (πολλοί κύκλοι) Καλή λιπαντικότητα βιοσυμβατότητα Λεκάνη Κεφαλή Κοτύλη Σπονδυλική Στήλη Adapted from Fig , Callister 7e. Λεκάνη Μηριαίο οστό 42

43 Παράδειγμα Εμφύτευμα ισχίου Λεκάνη Σφαιρικό περίβλημα Καθιστικό περίβλημα Μέσο στερέωσης Μηριαίο Στέλεχος Μέσο στερέωσης Μηριαίο Οστό Adapted from Fig , Callister 7e. 43

44 Εμφύτευμα ισχίου Κύρια προβλήματα που πρέπει να υπερβληθούν Κατάλληλο μέσο στερέωσης το οποίο να «κρατά» το καθιστικό περίβλημα Υλικό λίπανσης του περιβλήματος Μηριαίο στέλεχος μέσο στερέωσης ( κόλλα ) Πρέπει να αποφευχθεί οποιαδήποτε θραύσματα στο σφαιρικό εμφύτευμα Μηριαίο Femoral Στέλεχος Stem Adapted from chapter-opening photograph, Chapter 22, Callister 7e. Σφαιρικό περίβλημα Ball Καθιστικό Acetabular Cup and Liner Περίβλημα και επικάλυψη 44

45 Σχεδιασμός και επιλογή υλικών 45

46 Σχεδιασμός και επιλογή υλικών

47 Παράδειγμα σασί αυτοκινήτου Μικροδομή Ποια χαρακτηριστικά της μικροδομής οριοθετούν την αντοχή και δυνατότητα μορφοποίησης; Απόδοση / Κόστος Ποίος είναι ο λόγος αντοχής / πυκνότητα Ποια η δυνατότητα μορφοποίησης; Ποια η συμπεριφορά του αυτοκινήτου σε κρούση; Ποιο το κόστος κατασκευής; Σύσταση Από ατσάλι; Από αλουμίνιο; Τι κράμα θα χρησιμοποιηθεί; Σε ποιες ποσότητες; Μορφοποίηση Πως μπορεί να γίνει έλεγχος ώστε το υλικό να έχει μεγάλη στερρότητα και να είναι εύπλαστο; Πως μπορεί να διαμορφωθεί ώστε να προσφέρει καλή αεροδυναμική Εφαρμογή του τετραέδρου της επιστήμης και τεχνολογίας υλικών για την δημιουργία σασί αυτοκινήτου από μέταλλο. Η μικροδομή σύνθεση και η επεξεργασία σύσταση αλληεπιδρούν μεταξύ τους αλλά και στις ιδιότητες απόδοση - κόστος 47

48 Παράδειγμα συσκευασία ανθρακούχων ποτών Απαιτήσεις: 1. Παροχή φραγμού στο διοξείδιο του άνθρακα, το οποίο βρίσκεται υπό πίεση μέσα στη συσκευασία 2. Μη τοξική, αδρανής σε σχέση με το ποτό και κατά προτίμηση ανακυκλώσιμη 3. Σχετικά ανθεκτική, ικανή να μπορεί να πέσει από κάποιο ύψος μαζί με το ποτό χωρίς να αστοχήσει 4. Χαμηλού κόστος ως προς την πρώτη ύλη αλλά και ως προς την επεξεργασία της 5. Αν είναι διαφανής να διατηρεί τη διαφάνειά της κατά την μεταφορά, αποθήκευση, χρήση 6. Να μπορεί να παραχθεί σε διαφορετικά χρώματα ή να καλυφθεί με διαφορετικές ετικέτες Διαθέσιμα υλικά που πληρούν τις απαιτήσεις: 1. Μέταλλα (αλουμίνιο) Σχετικά δυνατό αλλά παραμορφώνεται εύκολα, παρέχει φραγμό, ανακυκλώνεται εύκολα, εύκολη ψύξη, μπορεί να γίνει εκτύπωση πάνω στην επιφάνειά του 2. Κεραμικό (γυαλί) Μη-περατό στο διοξείδιο του άνθρακα, φθηνό, ανακυκλώσιμο, αλλά εύθραυστο, και σχετικά βαρύ 3. Πολυμερές (PET) σχετικά δυνατό, μπορεί να είναι διαφανές, φθηνό, ελαφροβαρές και να ανακυκλώνεται αλλά δεν παρέχει αρκετά καλό φραγμό στο διοξείδιο 48

49 Διαγράμματα επιλογής υλικών Ερωτήσεις:Που οφείλονται οι διαφορές? E Γιατί είναι εδώ τα μέταλλα και εδώ τα πολυμερή? Δεσμοί, αποστάσεις. density

50 Διαγράμματα επιλογής υλικών Σε αυτό το στάδιο έχετε ένα εργαλείο επιλογής. Ποια υλικά είναι δύσκαμπτα? Ποια υλικά είναι ελαφριά και εύκαμπτα? Ποια υλικά είναι ελαφριά και δύσκαμπτα? Τα διαγράμματα βοηθούν να αποκτήσει κανείς μία γρήγορη άποψη => Και πολύ περισσότερο: Τα διαγράμματα επιτρέπουν ποσοτική ταξινόμηση και επιλογή

51 Γραφήματα Ashby Log (Ιδιότητα 1) - Log (Ιδιότητα 2) Ποια υλικά είναι πιο ανθεκτικά σε θραύση; Παίζει ρόλο η πυκνότητα; Συμφωνούν οι παρατηρήσεις με την εμπειρία σας; Θα χρησιμοποιηθούν για τον σχεδιασμό! 51

52 Η διαδικασία επιλογής υλικού 1. Επιλογή Εφαρμογής Καθορισμός απαιτούμενων Ιδιοτήτων Ιδιότητες: μηχανικές, ηλεκτρικές, θερμικές, μαγνητικές, οπτικές, περιβαλλοντικές / ανθεκτικότητας 2. Ιδιότητες Καθορισμός υποψήφιων Υλικών(ου) Υλικό: σύσταση, δομή, σύνθεση 3. Υλικό Καθορισμός απαιτούμενης διεργασίας μορφοποίησης Μορφοποίηση: αλλαγή στη δομή και στο σχήμα Π.χ. : θερμή συμπίεση, διέλαση, μορφοποίηση με κενό, συναρμογή, ανόπτηση κλπ 52

53 Θα τελειώσει η ανάγκη για νέα υλικά; ΟΧΙ. Υπάρχουν τρείς τομείς που δεν θα στερέψουν: Υγεία Βιοϋλικά Συστήματα δοσολογίας Νέες θεραπείες, ή και νέοι τρόποι γνωστής θεραπείας Ενέργεια Μηχανές καύσης υδρογόνου Φωτοβολταϊκά Πιο αποτελεσματικές μηχανές Περιβάλλον Συστήματα φιλτραρισμού Συμβατά υλικά Ανακύκλωση

54 Οι στόχοι του μαθήματος: Συνοπτικά Χρησιμοποίηση του κατάλληλου υλικού για την δουλειά. Κατανόηση της σχέσης ιδιοτήτων, δομής, και μορφοποίησης. Αναγνώριση νέων σχεδιαστικών δυνατοτήτων που προσφέρονται από την διαδικασία επιλογής υλικών. Ενώ τα νάνο-, βίο-, έξυπνα- υλικά μπορούν να δημιουργήσουν τεχνολογική επανάσταση, συντηρητικές μέθοδοι και πολιτικές επανα-χρησιμοποίησης μπορεί να έχουν τρομερό περιβαλλοντικό και τεχνολογικό αντίκτυπο! 54