Detail předmětu

Nekovové materiály

FSI-WNEAk. rok: 2023/2024

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

prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

Zajišťuje ústav

Ústav materiálových věd a inženýrství (ÚMVI)

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.

Základní literatura

M.W.Barsoum: Fundamentals of Ceramics, IOP Publishing, London 2003 (EN)
W.D.Kingery, H.K.Bowen and D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics,Wiley, New York 1976 (EN)
D.W.Richerson: Modern Ceramic Engineering,Marcel Dekker,New York 1992 (EN)
J. Cihlář: Chemie slévárenských materiálů, Nakladatelství VUT v Brně, 1991 (CS)
V. Šatava: Úvod do Fyzikální Chemie Silikátů: SNTL, Praha, 1965 (CS)
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, Část 2: Mechanika – Termodynamika, VUTIUM, Brno 2000 (CS)
K. Maca: Základy chemické termodynamiky a kinetiky, učební texty ÚMVI, 2005 (CS)
GREEN, D. J. An introduction to the mechanical properties of ceramics. Cambridge: Cambridge University Press, 2004, 336 s. ISBN 0-521-59913-x. (EN)

Doporučená literatura

M.W.Barsoum: Fundamentals of Ceramics, IOP Publishing, London 2003
W.D.Kingery, H.K.Bowen and D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics,Wiley, New York 1976
J. Cihlář: Chemie slévárenských materiálů, Nakladatelství VUT v Brně, 1991 (CS)
D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, Část 2: Mechanika – Termodynamika, VUTIUM, Brno 2000 (CS)

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program B-ZSI-P bakalářský

    specializace MTI , 3. ročník, zimní semestr, povinný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

39 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

prof. RNDr. Jaroslav Cihlář, CSc.
doc. Ing. Klára Částková, Ph.D.
prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

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

doc. Ing. Klára Částková, Ph.D.
Ing. Daniel Drdlík, Ph.D.
prof. RNDr. Karel Maca, Dr.

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.