ΧΜ380: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΥΛΙΚΩΝ 1 Ενότητα 1: Εισαγωγή Διδάσκων: Γεώργιος Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Πήττας Κωνσταντίνος, Διπλ. Μηχ. Μηχ. Τμήμα Χημικών.

Παρουσίαση με θέμα: "ΧΜ380: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΥΛΙΚΩΝ 1 Ενότητα 1: Εισαγωγή Διδάσκων: Γεώργιος Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Πήττας Κωνσταντίνος, Διπλ. Μηχ. Μηχ. Τμήμα Χημικών."— Μεταγράφημα παρουσίασης:

1 ΧΜ380: ΕΠΙΣΤΗΜΗ ΥΛΙΚΩΝ 1 Ενότητα 1: Εισαγωγή Διδάσκων: Γεώργιος Ν. Αγγελόπουλος, καθηγητής Επιμέλεια: Πήττας Κωνσταντίνος, Διπλ. Μηχ. Μηχ. Τμήμα Χημικών Μηχανικών ΠΑΤΡΑ 2014

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Πατρών» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

4 Στόχοι ενότητας Κύριος στόχος είναι η παρουσίαση των βασικών θεμελιώσεων της Επιστήμης των Υλικών Δεύτερος στόχος είναι η γνώση της εξελικτικής πορείας και των βασικών σταθμών της Επιστήμης των Υλικών Τέλος η κατανόηση της σημασίας της Επιστήμης των υλικών στην καθημερινότητα

5 Περιεχόμενα ενότητας Εξελικτική πορεία της Επιστήμης των Υλικών Το Πεντάγωνο των υλικών Τι ζητάμε σήμερα από τα υλικά Παραδείγματα της καθημερινής ζωής

6 Η εποχή των υλικών Η σημασία των υλικών καταδεικνύεται από το γεγονός ότι οι πρώτες ιστορικές περίοδοι της ανθρωπότητας χαρακτηρίζονται ως λίθινη εποχή, ως εποχή του χαλκού και ως εποχή του σιδήρου Ο πολιτισμός είναι άρρηκτα συνδεδεμένος μα τα υλικά. Ο άνθρωπος άρχισε να «δημιουργεί» πολιτισμό από την στιγμή που έφτιαξε «άστεα» δηλαδή οικισμούς, πόλεις με οικήματα που του έδιναν την δυνατότητα προστατευμένος, να μελετήσει την φύση και τα φυσικά φαινόμενα, να συζητήσει και να ανταλλάξει ιδέες απαλλασσόμενος έτσι σταδιακά από τις δοξασίες Ο υλικός κόσμος είναι απλώς ένας σωρός από υλικά. Για να δημιουργηθεί ένα καλό αποτέλεσμα πρέπει να καταλάβουμε τα υλικά, («Επιστήμη των Υλικών»), να τα κατεργαστούμε και να τα συνδυάσουμε, («Τεχνολογία των Υλικών»).

7 Φωτιά. Σταθμός για την ανάπτυξη των υλικών Εικόνα: Το όρνεο που τρώει το συκώτι του Προμηθέα Η τιμωρία του ημίθεου, αθάνατου Προμηθέα γιατί έδωσε τη δύναμη των Θεών, την φωτιά στους θνητούς. Έως τότε την έβλεπαν μόνο στους κεραυνούς ή στα ηφαίστεια, φαινόμενα που τα δημιουργούσαν οι τρομερές θεϊκές δυνάμεις (δοξασίες). Η φωτιά αποτελεί το βασικό συντελεστή, την απαραίτητη προϋπόθεση στη διαιώνιση και στην πρόοδο του ανθρώπινου γένους.

8 Επιστήμη Υλικών Ορισμός. Εξελικτική πορεία για πολλούς αιώνες η επιλογή της πέτρας, του ξύλου και του μετάλλου ως κατασκευαστικών υλικών αφηνόταν στη διαίσθηση ή στην εμπειρία του τεχνίτη ο άγγλος γεωλόγος Henry Clifton Sorby, το δεύτερο μισό του 19 ου αιώνα, μπόρεσε να συνδέσει τη μικροδομή του χάλυβα με τις ιδιότητες που παρουσιάζει και στη συνέχεια με τη θερμική κατεργασία του δημιουργία τρίγωνου «δομή - δεσμός - κατεργασία» που επηρεάζει τις ιδιότητες ενός προϊόντος και είναι το περιεχόμενο της Επιστήμης των Υλικών, μιας επιστήμης που ως επίσημος τίτλος εμφανίστηκε μόλις μεταξύ 1960 και 1965.

9 Επιστήμη Υλικών Ορισμός. Εξελικτική πορεία η Επιστήμη των Υλικών σήμερα εξετάζει το υλικό από τη διαδικασία παραγωγής ως το τελικό προϊόν, μελετά τη χημική, κρυσταλλική, μοριακή και ηλεκτρονική δομή (μια και η δομή επηρεάζει τις μηχανικές, ηλεκτρικές και μαγνητικές ιδιότητες), παρακολουθεί τον τρόπο συμπεριφοράς σε τριβή, διάβρωση και οξείδωση, προσπαθώντας να τη βελτιώσει και, τέλος, συνδυάζει ή αναπτύσσει υλικά κατάλληλα για κάθε εφαρμογή της σημερινής ιδιαίτερα σύνθετης τεχνολογίας. με τη θυελλώδη ανάπτυξη της Επιστήμης των Υλικών τα όρια ανάμεσα στη βασική έρευνα, στην ανάπτυξη και στην εφαρμογή γίνονται δυσδιάκριτα, ενώ το χρονικό διάστημα μεταξύ βασικής έρευνας για ένα νέο υλικό και της βιομηχανικής παραγωγής του συνεχώς μικραίνει. (πηγή: Γ. Αντωνόπουλος, Θ. Καρακώστας. Δημοσίευση στο ΒΗΜΑ 21/01/2001)

10 Επιστήμη Υλικών-Βασικοί σταθμοί

11 Dmitri Mendeleev devises the Periodic Table of Elements.(1864) Egyptians smelt iron (perhaps as a by-product of copper refining) for the first time, using tiny amounts mostly for ornamental or ceremonial purposes. (3500 π.Χ.) John Bardeen, Walter H. Brattain, and William Shockley invent the transistor. (1948) The peoples of northwestern Iran invent glass. (2200 π.Χ.) Anton van Leeuwenhoek develops optical microscopy capable of magnifications of 200 times and greater. (1668)

12 Επιστήμη Υλικών-Βασικοί σταθμοί John Smeaton invents modern concrete (hydraulic cement).(1755) Metal workers in south India develop crucible steel making.(300π.Χ.) In and around modern Turkey, people discover that liquid copper can be extracted from malachite and azurite and that the molten metal can be cast into different shapes. (5000 π.Χ.) Max von Laue discovers the diffraction of x-rays by crystals. (1912) Henry Bessemer patents a bottom-blown acid process for melting low- carbon iron. (1856)

13 Τα δαμασκηνά σπαθιά φτιάχνονταν από το ατσάλι Wootz steel. Αυτό είχε περίπου 1,5% σεμεντίτη (Fe 3 C) καθώς και προσμείξεις P, Cu, S, Ni και Si. Κατά τη σφυρηλάτησή του στα μεταλλουργεία της Δαμασκού στην αιχμή της λάμας συγκεντρώνονταν καρβίδια (που της έδιναν τη ζηλευτή κόψη), ενώ εγκαρσίως στη λάμα ο σεμεντίτης διαμοιραζόταν σε στενές λωρίδες. Αυτές ξεχώριζαν από το υπόλοιπο ατσάλι όντας ανοιχτόχρωμες. Μετά την επεξεργασία και το γυάλισμα η λάμα αποκτούσε το ιδιαίτερο γκρι-ασημί της χρώμα με τα ιριδίζοντα νερά. Χάλυβας Δαμασκού

14 -Εδώ και πολλές χιλιάδες χρόνια οι βασικές κατηγορίες των υλικών πολύ λίγο έχουν αλλάξει. -Νεολιθική εποχή (10.000-5500 π.Χ.): Χρήση πύρο-διεργασιών για κατασκευή κεραμικών. -Το 6000 π.Χ. πύρο-μεταλλουργικές διεργασίες παραγωγής χαλκού. -Χετταίοι 1700 π.Χ. (επτασφράγιστο μυστικό, πανίσχυρο βασίλειο), στον Ελλαδικό χώρο 1200 π.Χ., εμφάνιση παραγωγής και κατεργασίας σιδήρου με πύρο- μεταλλουργία. -Έως τα μέσα του 17ου αιώνα ήταν γνωστά μόνο 12 από τα 86 σήμερα γνωστά μεταλλικά στοιχεία. Το πεντάγωνο των Υλικών

15 κράματα ή πλαστικά που θα ελαττώσουν το βάρος και το κόστος των κατασκευών χωρίς μείωση της αντοχής κεραμικά ανθεκτικά σε υψηλές θερμοκρασίες που θα αυξήσουν την απόδοση και τον χρόνο ζωής των μηχανών υλικά μεταλλικής κυρίως βάσης για αεροδιαστημική με καλή αντοχή σε αυξανόμενες θερμοκρασίες και καλή αντίσταση σε διάβρωση, οξείδωση και ερπυσμό μαγνητικά και ηλεκτρονικά υλικά για γρηγορότερους και μεγαλύτερης χωρητικότητας ηλεκτρονικούς υπολογιστές οπτικές ίνες και τους laser ημιαγωγούς που αντικαθιστούν στις επικοινωνίες τα χάλκινα σύρματα Τι ζητάμε σήμερα από τα Υλικά (μερικές περιπτώσεις)

16 άμορφα μέταλλα: σχηματίζονται ψύχοντας το τηγμένο μέταλλο με εξαιρετικά μεγάλες ταχύτητες που ξεπερνούν κατά πολύ τους 1.000 ο C το δευτερόλεπτο. Έτσι δεν προλαβαίνουν να σχηματιστούν πυρήνες για να αναπτυχθεί ο κρύσταλλος. Έχουν εξαιρετική αντίσταση σε χημική διάβρωση και ιδιαίτερα αυξημένη μηχανική αντοχή με δυνατότητα πλαστικής παραμόρφωσης. Παραδείγματα Metallic glasses

17 υγροί κρύσταλλοι: κάτι μεταξύ υγρού και κρυσταλλικού στερεού, με κοινό χαρακτηριστικό σχεδόν κυλινδρικά μόρια, που συνδέονται ασθενικά μεταξύ τους. Στις αρχές της δεκαετίας του '80 παρουσιάστηκε η πρώτη εφαρμογή σε οθόνη. Η μικρότερη απαιτούμενη ισχύς λειτουργίας, το μικρότερο βάρος και το λεπτότερο πάχος οθόνης έδωσαν τη δυνατότητα κατασκευής φορητών διατάξεων, με χαρακτηριστικό παράδειγμα τους φορητούς Η/Υ. Παραδείγματα

18 Υπερ-αγώγιμα υλικά: Υλικά που παρουσιάζουν σχεδόν μηδενική ηλεκτρική αντίσταση σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Στη δεκαετία του '80, ένα κεραμικό οξείδιο του χαλκού εμφάνισε υπεραγωγιμότητα στους 77 Κ, δηλαδή ήταν δυνατό να ψύχεται με το κατά πολύ φθηνότερο υγρό άζωτο. Παραδείγματα Μαγνήτης αιωρούμενος πάνω από έναν υψηλής θερμοκρασίας υπεραγωγό που ψύχεται από υγρό άζωτο. Το ηλεκτρικό ρεύμα που διαπερνά την επιφάνεια του υπεραγωγού δημιουργεί ηλεκτρομαγνητικό πεδίο που απωθεί τον μαγνήτη.

19 Υπερ-κράματα: παρουσιάζουν αυξημένη μηχανική αντοχή, αντίσταση στην διάβρωση και στην οξείδωση σε υψηλές θερμοκρασίες. Έχουν χαρακτηριστικές εφαρμογές στην αεροναυπηγική. Παραδείγματα

20 Νανοτρεχνολογία: δημιουργία και χρήση λειτουργικών δομών μεγέθους μεταξύ 1 και 100 nm. Σταθμοί οι ανακαλύψεις των φουλερένιων, διατάξεων ατόμων άνθρακα που εμφανίζουν υπεραγωγιμότητα σε υψηλές θερμοκρασίες και των νανοσωλήνων άνθρακα που είναι ομόκεντροι κύλινδροι γραφίτη, κλειστοί σε κάθε άκρο με πενταμελείς δακτυλίους. Παραδείγματα

21 Η Φύση, πηγή έμπνευσης για νέα υλικά Συνδυάζοντας με σχετικά απλό τρόπο δομικά μπλοκ, ίνες, ορυκτά κλπ, η φύση με έναν θαυμαστό τρόπο μπόρεσε να κατασκευάσει εντυπωσιακά πολύ- λειτουργικά υλικά που μπορούν να λειτουργήσουν σαν πηγή έμπνευσης για νέα τεχνητά υλικά.

22 Προβλήματα στο κοινωνικό σύνολο Βασικό πρόβλημα οι κάθε μορφής «ρυπάνσεις» που δημιουργούνται κατά την παραγωγή τους. Με την πρόοδο της τεχνολογίας και την αυξανόμενη ευαισθητοποίηση πολιτών και κυβερνήσεων αναπτύσσονται ραγδαία αντι-ρυπαντικές τεχνολογίες, ενώ παράλληλα δημιουργούνται νέα, φιλικά προς το περιβάλλον, υλικά.

23 Παράδειγμα ανάπτυξης τεχνολογίας Πρόβλημα Κατά την επεξεργασία του βωξίτη για την παραγωγή αλούμινας και αλουμινίου στο εργοστάσιο του Αλουμινίου της Ελλάδος, παράγονται 800.000 t/y Ερυθράς Ιλύος (Ε.Ι.) που απορρίπτονταν στον Κορινθιακό κόλπο δημιουργώντας περιβαλλοντικά προβλήματα. Στόχος Η αξιοποίηση της ερυθράς ιλύος στις βιομηχανίες παραγωγής τσιμέντου και δομικών κεραμικών υλικών.

24 - Ένα απόβλητο έγινε πρώτη ύλη - Η παραγωγή ενός νέου προϊόντος της Σιδηραλούμινας (Σ.Α.) από την Ε.Ι., η αξιοποίηση του σαν πρώτη ύλη στην παραγωγή τσιμέντου και δομικών κεραμικών και η βιομηχανική εγκατάσταση επεξεργασίας του. Αξιοποίηση της Ε.Ι. στις Βιομηχανίες Τσιμέντου και Κεραμικών Αλουμίνιο της ΕλλάδοςΣυντονιστής (Δ. Μπουφούνος) ΤΙΤΑΝΕταίρος ΑΓΕΤ ΗρακλήςΕταίρος ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ Κεραμοτουβλοποιία Εταίρος ΠΑΝ/ΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ, Εργαστήριο Υλικών και Μεταλλουργίας Επιστημονικός Υπεύθυνος (Γ.Ν. Αγγελόπουλος) ΦΟΡΕΑΣ Εγκεκριμένος Προϋπολογισμός ΣύνολοΔημόσια Δαπάνη ΑΛΟΥΜΙΝΙΟ746.547370.564 ΤΙΤΑΝ260.000119.265 ΑΓΕΤ386.756165.545 ΠΑΝΑΓΙΩΤΟΠΟΥΛΟΣ212.823106.402 ΠΑΝ.ΠΑΤΡΩΝ205.120 ΣΥΝΟΛΟ 1.811.246966.896

25 Διασπορά Ερυθράς ιλύος στον Κεντρικό Κορινθιακό Κόλπο (800.000 τόννοι/έτος) Εγκατάσταση 4 φιλτροπρεσσών. Συνολική επένδυση 12.000.000€ !!!!!! ΤΕΛΟΣ ΑΠΟΡΡΙΨΗΣ 31-12-2011 !!!!!! (Πρόγραμμα ΕΠΑΝ με ΠΠ) Αξιοποίηση ερευνητικών αποτελεσμάτων

26 Σημείωμα χρήσης έργων τρίτων Εικόνες από Wikipedia, http://lifeboat.com/ex/10.futuristic.materials http://lifeboat.com/ex/10.futuristic.materials http://www.nanoscience.ch/nccr/nanoscience /pictures/gallery_01/gallery_01_03 http://www.nanoscience.ch/nccr/nanoscience /pictures/gallery_01/gallery_01_03 http://www.globalspec.com/reference/30804 /203279/chapter-6-superalloys http://www.globalspec.com/reference/30804 /203279/chapter-6-superalloys people.ccmr.cornell.edu

27 Τέλος Ενότητας