Nekovové materiály (FSI-WNE)

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.

Studenti by měli mít základní znalosti fyziky, chemie a materiálového inženýrství získané v prvních dvou letech studia na FSI.

Zkouška hodnotí teoretické znalosti a jejich praktické aplikace při řešení problematiky oboru. Nestanoví-li zkoušející jinak, je zkouška ústní,

Podmínkou udělení zápočtu je přítomnost studenta ve všech cvičeních a splnění zadaných úkolů a odevzdání vypracovaného protokolu.

Zkouška hodnotí teoretické znalosti a jejich praktické aplikace při řešení problemiky oboru. Nestanoví-li zkoušející jinak, je zkouška ústní.

Podmínkou udělení zápočtu je přítomnost studenta ve všech cvičeních, splnění zadaných úkolů a odevzdání vypracovaného protokolu.  

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Mikrostruktura NAM
Mikrostrukturní charakteristiky. Zobrazovací metody. Mikrostruktura vs vlastnosti. Typické mikrostruktury: pokročilé keramiky, skel. Fraktografie.

5. 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.

6. 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.

7. 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.

8. Magnetické a optické vlastnosti NAM
Para-, ferro-, antiferro- a ferrimagnetismus. Magnetické domény a hysterezní křivka. Typy magnetických NAM. Optické vlastnosti – absorpce, index lomu, rozptyl, transparence, barva.

9. Oxidové, karbidové a nitridové NAM
Typičtí představitelé NAM, výroba, vlastnosti, použití.

10. Polymery
Základní pojmy, historie, názvosloví, chemické složení polymerů, struktura polymerů, molekulová hmotnost a její stanovení, základní vlastnosti polymerů, polyreakce.

11. 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.

12. 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. Aplikace termodynamických výpočtů na keramické systémy,

13. 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, aplikace termodynamických výpočtů na keramické systémy.

1. Příprava základních technologických procesů a pomůcek pro výrobu těles z pokročilé keramiky metodou slip-casting.

2. Praktické zvládnutí přípravy stabilní keramické suspenze a její využití pro výrobu pokročilé keramiky metodou slip-casting.

3. Geometrická úprava, měření a vyhodnocení hustoty keramických těles ve stavu green body.

4. 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.

5. Keramografie připravených keramických těles skládající se z ručního a automatického broušení a leštění.

6. Pozorování mikrostruktur pomocí skenovací elektronové mikroskopie, měření tvrdosti

7. Vyhodnocení velikosti zrn připravených keramik úsečkovou metodou, strukturní porovnání zkoumaných materiálů, odevzdání protokolu.

8. Měření Vickersovy tvrdosti na připravených keramických materiálech při různých zátěžných silách, stanovení lomové houževnatosti.

9. Názvosloví a struktura polymerů, výpočty molekulových hmotností, příklady polymerací, polykondenzací, polyadicí.

10. Výpočty podle chemických rovnic. Termochemie – tepelné kapacity, reakční tepla a jejich závislost na teplotě.

11. Závislost Gibbsovy energie na teplotě.

12. Clapeyronova rovnice, Clausius-Clapeyronova rovnice.

13. Zápočet.