Detail předmětu
Nekovové materiály
FSI-WNE Ak. rok: 2023/2024 Zimní semestr
Úvodní kurz nekovových anorganických materiálů, který má studentům poskytnout základní informace o struktuře keramických materiálů a jejich fyzikálních a chemických vlastnostech. Přednášky také poskytují, vedle konkrétních informací o keramických materiálech, teoretické základy chemické termodynamiky a úvod do polymerů.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
7
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Vstupní znalosti
Studenti by měli mít znalosti fyziky, chemické thermodynamiky a kinetiky a také syntézy keramických materiálů na základní středoškolské úrovni.
Pravidla hodnocení a ukončení předmětu
Zkouška hodnotí teoretické znalosti a jejich praktické aplikace při řešení problemiky oboru. Je písemná a ústní; student absolvuje ústní zkoušku i v případě, že neuspěl v písemné části.
Podmínkou udělení zápočtu je přítomnost studenta ve všech cvičeních a splnění zadaných úkolů. Pokud student tuto podmínku nesplní, může mu být v odůvodněných případech stanovena náhradní podmínka.
Učební cíle
Cílem kurzu je seznámit studenty s keramickými materiály pro konstrukční, elektrotechnické a biolékařské aplikace z hlediska vztahů mezi strukturou materiálů a jejich vlastnostmi.
Absolvent kurzu bude schopen aplikovat získané poznatky při dalším magisterském studiu materiálového inženýrství a při řešení konkrétních problémů v průmyslové praxi, zejména problémů spojených s výběrem materiálů pro specifické aplikace.
Použití předmětu ve studijních plánech
Program B-ZSI-P: Základy strojního inženýrství, bakalářský
specializace MTI: Materiálové inženýrství, povinný
Typ (způsob) výuky
Přednáška
39 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1.Základy chemické termodynamiky a kinetiky
Klasifikace termodynamických systémů, proměnných a vztahů. Kritéria rovnováhy. Nultá, první a druhá termodynamická věta, druhy energie v systémech, entropie, třetí věta termodynamická.
2. Termodynamické vztahy a proměnné
Termodynamické potenciály uzavřených systémů. Kritérium a podmínky odvození termodynamické rovnováhy. Termochemie. Závislost tepelné kapacity, reakčního tepla, entropie a Gibbsovy energie na teplotě. Změny standardní Gibbsovy energie při chemických reakcích.
3. Fázové rovnováhy. Chemický potenciál. Gibbsův fázový zákon. Jednosložkové fázové diagramy v (p, T) prostoru. Clapeyronova rovnice a Clausius – Clapeyronova rovnice, jejich aplikace.
Vícesložkové systémy: vyjadřování složení, parciální molární veličiny. Ideální roztoky vs. reálné roztoky (Raoultův zákon). Reakce ve vícesložkových a vícefázových systémech: aktivity a aktivitní koeficienty, Van’t Hoffova izoterma, rovnovážná konstanta.
4. Polymery
Základní pojmy, historie, názvosloví, chemické složení polymerů, struktura polymerů, molekulová hmotnost a její stanovení, základní vlastnosti polymerů, polyreakce.
5. Vazba v nekovových anorganických materiálech (NAM)
Struktura atomů. Tuhé látky s iontovou vazbou a kovalentní vazbou. Mezimolekulové (meziatomové) síly.
Struktura NAM – krystalové struktury. Binární iontové sloučeniny. Složené krystalické struktury.
6. Strukturní poruchy a struktura skelných NAM
Strukturní poruchy – Bodové defekty: stechiometrické, nestechiometrické, vnitřní. Notace bodových defektů. Lineární defekty. Planární defekty. Tvorba skel. Modely skelné struktury. Struktura oxidových skel
7. Fázové diagramy vybraných NAM
Binární a ternární diagramy významných NAM. Mísitelnost fází-intermediální sloučeniny-tuhé roztoky NAM. Chemické reakce v NAM – Kinetika heterogenních reakcí. Slinování NAM
8. Mikrostruktura NAM. Mikrostrukturní charakteristiky. Zobrazovací metody, Mikrostruktura vs vlastnosti, Typické mikrostruktury: pokročilé keramiky, skel. Fraktografie
9. Fyzikální a termické vlastnosti, mechanické vlastnosti
Hustota, Porozita, Teplota tání, Tepelná kapacita a vodivost. Teplotní roztažnost. Teplotní ráz. Pružnost, Pevnost, Tvrdost, Lomová houževnatost, Tvárné vs křehké chování
10. Zpevňování a zhouževnaťování NAM, Vliv vnějších podmínek na vlastnosti NAM. Samovyztužitelná keramika. Transformační zhouževnatění. Mechanismy zhouževnaťování. Creep, Statická únava, Chemické vlivy, Mechanicky indukované defekty, Teplotní ráz
11. Elektronová a iontová vodivost, dielektrické vlastnosti. Pásová teorie NAM, vodiče, nevodiče, polovodiče Koncentrace vodičů náboje a jejich mobilita. Defekty – migrace iontů, Iontová vodivost, Tuhé elektrolyty a jejich aplikace. Dielektrické vlastnosti. Polarizační mechanismy. Dielektrické ztráty. Kondenzátory a izolátory.
12. Magnetické a optické vlastnosti NAM
Para-, ferro-, a antiferro- and ferrimagnetismus. Magnetické domény a hysterezní křivka. Typy magnetických NAMOptické vlastnosti – absorpce, index lomu, rozptyl, transparence, barva.
13. Oxidové, karbidové a nitridové NAM
Typičtí představitelé NAM, výroba, vlastnosti, použití
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Výpočty podle chemických rovnic. Termochemie – tepelné kapacity, reakční tepla a jejich závislost na teplotě.
2. Závislost Gibbsovy energie na teplotě.
3. Clapeyronova rovnice, Clausius-Clapeyronova rovnice.
4. Názvosloví a struktura polymerů, výpočty molekulových hmotností, příklady polymerací, polykondenzací, polyadicí.
5. Příprava základních technologických procesů a pomůcek pro výrobu těles z pokročilé keramiky metodou slip-casting.
6. Praktické zvládnutí přípravy stabilní keramické suspenze a její využití pro výrobu pokročilé keramiky metodou slip-casting.
7. Geometrická úprava, měření a vyhodnocení hustoty keramických těles ve stavu green body.
8. Prezentace studentů na zadané téma, měření a vyhodnocení hustoty keramických těles po tepelném zpracování (slinování) a jejich úprava zalitím do polystyrénu pro proces broušení a leštění.
9. Keramografie připravených keramických těles skládající se z ručního a automatického broušení a leštění.
10. Pozorování mikrostruktur pomocí skenovací elektronové mikroskopie, měření tvrdosti
11. Vyhodnocení velikosti zrn připravených keramik úsečkovou metodou, strukturní porovnání zkoumaných materiálů, odevzdání protokolu.
12. Exkurze v laboratořích Odboru keramiky a polymerů ÚMVI.
13. Zápočet.