Nekovové materiály (FSI-WNE)

Akademický rok 2022/2023
Garant: prof. RNDr. Karel Maca, Dr.  
Garantující pracoviště: ÚMVI všechny předměty garantované tímto pracovištěm
Jazyk výuky: čeština
Cíle předmětu:
Cílem kurzu je seznámit studenty s keramickými materiály pro konstrukční, elektrotechnické a biolékařské aplikace z hlediska vztahů mezi strukturou materiálů a jejich vlastnostmi.
Výstupy studia a kompetence:
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.
Prerekvizity:
Studenti by měli mít znalosti fyziky, chemické thermodynamiky a kinetiky a také syntézy keramických materiálů na základní středoškolské úrovni.
Obsah předmětu (anotace):
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.
Metody vyučování:
Předmět je vyučován formou přednášek, které mají charakter výkladu základních principů a teorie dané disciplíny. Výuka je doplněna laboratorním cvičením.
Způsob a kritéria hodnocení:
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.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky:
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.
Typ (způsob) výuky:
    Přednáška  13 × 3 hod. nepovinná                  
    Laboratorní cvičení  13 × 2 hod. povinná                  
Osnova:
    Přednáška 1. Základy chemické termodynamiky a kinetiky
Klasifikace termodynamických systémů, proměnných a vztahů. Kritéria rovnováhy. První a druhá termodynamická věta, druhy energie v systémech , entropie.
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 Gibbsovy energie při chemických reakcích.
3. Fázové rovnováhy - jednosložkové systémy a vícesložkové homogenní systémy (roztoky).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. chemický potenciál. Ideální roztoky – plyny, kapaliny. Raoultův zákon. Reálné roztoky.
4. Fázové rovnováhy - vícesložkové heterogenní systémy (směsi).
Popis vícefázových, vícesložkových, nereagujících systémů. Rovnováha plynné a kapalné fáze směsi. Reakce ve vícefázových systémech. Aktivity a aktivitní koeficienty. Van’t Hoffova izoterma. Rovnovážná konstanta. Podmínky rovnováhy v systémech se zakřivenými povrchy. Povrchové napětí. Young - Laplaceova rovnice. Kapilarita.
5. Polymery
Základní pojmy, historie, názvosloví, chemické složení polymerů, struktura polymerů, molekulová hmotnost a její stanovení, základní vlastnosti polymerů, polyreakce.
6. 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.
7. Struktura skelných a krystalických NAM
Tvorba skel. Modely skelné struktury. Struktura oxidových skel
Strukturní poruchy – Bodové defekty: stechiometrické, nestechiometrické, vnitřní. Notace bodových defektů. Lineární defekty. Planární defekty
Mikrostruktura NAM - mikrostrukturní charakteristiky. Typické mikrostruktury: pokročilé keramiky, skla, sklokeramiky.
8. Fázové diagramy vybraných NAM
Binární a ternární diagramy významných NAM. Mísitelnost fází-intermediální sloučeniny-tuhé roztoky NAM. Chemické reakce v NAM – Kinetika heterogenních reakcí.
9. Termické a mechanické vlastnosti
Tepelná kapacita a vodivost. Teplotní roztažnost. Teplotní ráz. Mikropraskání NAM. Pevnost a lomová houževnatost NAM. Mechanismy zhouževnaťování. Vliv vnějších podmínek na stárnutí a korozi NAM.
10. Pásová teorie NAM
Dielektrické vlastnosti. Polarizační mechanismy. Dielektrické ztráty. Kondenzátory a izolátory. Elektrická vodivost v NAM– difuse a vodivost. Iontová a elektronová vodivost. Elektrochemické tuhofázové články.
11. Magnetické vlastnosti a optické vlastnosti NAM
Para-, ferro-, a antiferro- and ferrimagnetismus. Magnetické NAM. Optické vlastnosti – absorpce, rozptyl, barva, fotoaktivita.
12. Oxidové NAM
13. Neoxidové NAM
    Laboratorní cvičení 1. Výpočty podle chemických rovnic. Termochemie – tepelné kapacity, reakční tepla a jejich závislost na teplotě.
2. Závislost Gibbsovy energie na teplotě.
3. Clapeyronova rovnice, Claussius-Clapeyronova rovnice.
4. Vyjadřování složení, Povrchové napětí, Young – Laplaceova rovnice, klasifikovaný test.
5. Názvosloví a struktura polymerů, výpočty molekulových hmotností, příklady polymerací, polykondenzací, polyadicí.
Laboratorní cvičení:
6. Příprava základních technologických procesů a pomůcek pro výrobu těles z pokročilé keramiky metodou slip-casting.
7. Praktické zvládnutí přípravy stabilní keramické suspenze a její využití pro výrobu pokročilé keramiky metodou slip-casting.
8. Geometrická úprava, měření a vyhodnocení hustoty keramických těles ve stavu green body.
9. 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.
10. Keramografie připravených keramických těles skládající se z ručního a automatického broušení a leštění.
11. Vyhodnocení velikosti zrn připravených keramik úsečkovou metodou, strukturní porovnání zkoumaných materiálů, odevzdání protokolu.
12. Exkurze v laboratořích odboru keramiky ÚMVI.
13. Zápočet.
Literatura - základní:
1. M.W.Barsoum: Fundamentals of Ceramics, IOP Publishing, London 2003
2. W.D.Kingery, H.K.Bowen and D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics,Wiley, New York 1976
3. D.W.Richerson: Modern Ceramic Engineering,Marcel Dekker,New York 1992
4. J. Cihlář: Chemie slévárenských materiálů, Nakladatelství VUT v Brně, 1991
5. V. Šatava: Úvod do Fyzikální Chemie Silikátů: SNTL, Praha, 1965
6. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, Část 2: Mechanika – Termodynamika, VUTIUM, Brno 2000
7. K. Maca: Základy chemické termodynamiky a kinetiky, učební texty ÚMVI, 2005
8. GREEN, D. J. An introduction to the mechanical properties of ceramics. Cambridge: Cambridge University Press, 2004, 336 s. ISBN 0-521-59913-x.
Literatura - doporučená:
1. M.W.Barsoum: Fundamentals of Ceramics, IOP Publishing, London 2003
2. W.D.Kingery, H.K.Bowen and D.R. Uhlmann: Introduction to Ceramics,Wiley, New York 1976
3. J. Cihlář: Chemie slévárenských materiálů, Nakladatelství VUT v Brně, 1991
4. D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, Část 2: Mechanika – Termodynamika, VUTIUM, Brno 2000
Zařazení předmětu ve studijních programech:
Program Forma Obor Spec. Typ ukončení   Kredity     Povinnost     St.     Roč.     Semestr  
CŽV prezenční studium CZV Základy strojního inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 1 Z
B-ZSI-P prezenční studium MTI Materiálové inženýrství -- zá,zk 7 Povinný 1 3 Z