Tahák

iklá kapalina je zprvu neprůhledná a teprve při dalším zahřívání se od jisté teploty změní na průhlednou kapalinu. Látky mají dva body tání. Lehmannovi nazval tyto látky „mezofáze“ (později parakrystaly, kapalné krystaly, tekuté krystaly) . Zjistil, že tyto krystaly lze získat rozpouštěním v rozpouštědle (lyotropní tekuté krystaly), nebo roztavením (termotropní tekuté krystaly).
9.4.1. Struktura tekutých krystalů.
Obecně se dá říci, že tekuté krystaly se vyskytují u látek, které mají nesymetrické, protáhlé molekuly, tedy u látek organických. Takové dlouhé molekuly lze uspořádat tak, že jsou uloženy v trojrozměrné krystalové mřížce, uspořádané ve všech třech směrech. Dále je lze uspořádat ve dvou směrech, nebo v jednom směru. Proto se přímo nabízí rozdělení tekutých krystalů podle stupně uspořádání na:
a) Nematické tekuté krystaly Tyto tekuté krystaly jsou uspořádány v jednom směru (samozřejmě díky tepelnému pohybu jsou ze svého směru stále vychylovány).
b) Smektické tekuté krystaly V případě těchto tekutých krystalů existuje uspořádání ve dvou směrech, tj. molekuly jsou uspořádány ve vrstvách. Mezi vrstvami se u lyotropních tekutých krystalů nachází kapalina, v níž jsou rozpuštěny. Z obrázků je vidět, že podélné osy molekul v jednotlivých vrstvách mohou být orientovány různým směrem. Odtud plyne, že takové krystaly jsou určitě opticky aktivní.
c) Cholesterické tekuté krystaly: Plyne, že cholesterické tekuté krystaly jsou uspořádány v jednotlivých rovinách tak, že v každé z nich jsou podélné osy molekul rovnoběžné a v sousedních rovinách jsou vždy trochu pootočené. Cholesterické tekuté krystaly jsou opticky aktivní i tenká vrstvička těchto krystalů značně stáčí polarizační rovinu.
Diskotické tekuté krystaly: Struktura těchto krystalů připomíná hromádku mincí (molekuly jsou ploché, mají tvar disků).
9.4.2. Vlastnosti a využití tekutých krystalů.
Významnou vlastností tekutých krystalů je skutečnost, že jsou velmi citlivé na změnu fyzikálních polí, na změnu teploty, chemické látky apod. Tato citlivost se projevuje ve změně struktury a lze ji indikovat opticky. Například citlivosti na teplotu se využívá v lékařství. Citlivosti na změnu elektrického pole se využívá při konstrukci displejů a obrazovek s tekutými krystaly. Citlivosti na chemické látky se využívá při konstrukci přístrojů, umožňujících měřit přítomnost malého množství různých látek.
10. Získávání a měření nízkých tlaků.
Důvody vytváření vakua:
volný pohyb částic,
odstranění zejména chemického vlivu plynu při technologických postupech.
10.1. Vývěvy.
10.1.1. Vodní vývěva, vývěva pístová.
Princip: Bernoulliho rovnice, rovnice kontinuity.

Obr.10.1. Vodní vývěva Obr.10.2. Pístová vývěva.
(R – recipient)

Pístová vývěva.
Zřeďování je limitováno velikostí škodlivého prostoru S. Zřeďování plynu v recipientu ustane v tom okamžiku, jakmile bude tlak recipientu pR právě roven tlaku ve válci, vzniklém rozepnutím části vzduchu ve škodlivém prostoru
Pro dosažení vyššího vakua používáme vícestupňových pístových vývěv, nebo rtuťové vývěvy Geisslerovy, kde je pevný píst nahrazen pístem rtuťovým, který zaplní i škodlivý prostor
Obr.10.3. Geisslerova rtuťová vývěva.
Vývěvy, založené na principu přenosu.
Rotační vývěvy
Princip činnosti těchto vývěv: periodické zvětšování a zmenšování činného prostoru vývěvy. Patří sem Lopatková vývěva. Rotační olejová vývěva – olej je zde kvůli těsnosti aparatury a mazání.
Čerpací rychlost rotační vývěvy:
S = f(v + x)
kde f je frekvence otáčení rotoru, v je činný objem a x je škodlivý prostor (prostor pod výstupním ventilem).
Jiný typ rotační vývěvy: Gaedeova rtuťová vývěva
Rotační vývěvy s kolujícím rotorem
„kolování“ – rotor se dotýká při svém pohybu vnitřních stěn v různých místech.
Rotační vývěvy se konstruují obvykle jako dvoustupňové
Olej do rotačních vývěv: mazání, těsnění – nutná vhodná viskozita a nízká tenze par. Protože se v něm rozpouštějí čerpané plyny, dochází často k degradaci oleje a korozi součástek vývěv.
Rootsova vývěva
Obr.10.8. Rootsova vývěva (R1, R2 – rotory, PV – výstupní otvor,
VO – vstupní otvor.
Plyn se v této vývěvě nestlačuje, pouze posouvá. Rotory se o sebe netřou, není je tedy třeba mazat. Frekvence rotace – až tisíce otáček za minutu. Velká čerpací rychlost. Jako předstupeň vyžadují rotační vývěvy. Jsou citlivé na vniknutí nečistot (( jsou nutné filtry (ale tím se sníží čerpací rychlost). Mezní tlak: až 10-5 torr (dvoustupňová vývěva)
Turbomolekulární vývěvy
Obr.10.9. Molekulární vývěva (R – rotor, S – plášť vývěvy).
Velká rychlost otáčení rotoru – až 104 ot./min. Molekuly získají impuls ve směru rotace Jsou náročné na přesnost opracování součástek a choulostivé v provozu. Mezní tlak max. 10-7 torr (nelze je odplynit zahřátím na vysokou teplotu). Úpravou rotoru do tvaru kotoučů s lopatkami (statory mají lopatky orientované naopak) se uvedené nedostatky odstraní, tj. lze je zahřát a odplynit. Tak lze dosáhnout mezního tlaku až 10-11 torr. Mají velkou čerpací rychlost, neobsahují olej => žádná tenze par oleje.
Difúzní vývěvy
Princip opět stejný – sdílení impulzu mezi molekulami čerpaného plynu a rychle se pohybujícím proudem par oleje (nadzvukovou rychlostí). Páry na vodou ochlazovaných stěnách kondenzují a stékají do varníku. Kromě oleje se užívá též rtuť (je ale třeba vyšších teplot a aby páry nevnikaly do čerpaného prostoru, musí být vymrazovány pomocí tekutého dusíku – Langmuirova rtuťová vývěva). Mezní tlak pro olejové vývěvy: 10-8 torr. Pro Hg vývěvy a vývěvy s velmi kvalitními oleji: 10-13 torr. Obvykle jsou vícestupňové.
Vývěvy, založené na principu vazby molekul v systému.
Molekuly nejsou transportovány mimo vývěvu, ale jsou v ní vázány.
Proto se užívají jenom při velmi nízkých tlacích (mají omezenou vazbu molekul).
Kondenzační vývěvy.
Využívají kondenzace plynu na stěnách vývěvy, chlazené kapalným vodíkem, nebo heliem. Molekuly plynu dopadají na stěny, adsorbují se zde a nakonec vytvoří krystalický kondenzát
Iontově sorpční vývěvy
Využívají chemisorpce molekul na vrstvě aktivního kovu. Kov se buď vypařuje, nebo katodově rozprašuje. Vypařovací vývěvy vyžadují značný elektrický příkon a musí být chlazeny vodou. Vývěvy rozprašovací (např. titanová): skládá se ze dvou paralelních titanových deskových elektrod a mezi nimi je roštová anoda. Magnetické pole je orientováno tak, aby bylo kolmé k rovině elektrod. Na anodu se vloží napětí několik kV, takže vznikne výboj, který rozprašuje materiál elektrod na okolní stěny. Na rozprášený materiál se váže zbytkový plyn (který je ionizovaný). Lze dosáhnout tlaku 10-11 – 10-12 torr. Nevýhoda – je potřebný silný magnet. Getrování – využití při výrobě elektronek
Měření nízkých tlaků.
10.2.1. Rtuťové manometry (Mc Leodův)

Obr.10.16. Mac Leodův Obr.10.17. K objasnění principu činnosti Mac Leodova
rtuťový manometr. manometru.
Membránové manometry
Tyto manometry využívají pružných vlastností membrán (které se prohnou v závislosti na rozdílu tlaku vně a uvnitř prostoru, který rozdělují).
Obr.10.18. Různé tvary nádob membránových manometrů (měch, krabice, pevná nádobka
s membránou, nádobka spirálního tvaru.
Molekulární manometr (Knudsenův)
Tlak závisí na střední aritmetické rychlosti molekul a ta je funkcí teploty.
Princip: destička na křemenném vlákně se zrcátkem. Volná destička A je umístěna mezi dvěma elektrickým proudem vyhřívanými pevnými destičkami B tak, že se tepelný tlak na destičku A sčítá.
Ionizační manometr
Skládá se ze žhavené katody – zdroje elektronů, které ionizují zbytkový plyn. Množství vzniklých iontů je úměrné hustotě plynu a tedy i jeho tlaku. Napětí anoda – katoda je 150 V – 200 V. Tlak plynu se určuje z proudu kolektorem.

Langmuirův – Dushmanův manometr
Využívá přenos impulzu zředěným plynem. Dolní kotouček rotuje a molekuly mezi oběma kotoučky přenášejí impulz na horní kotouček. Tlak se určuje z úhlu natočení zrcátka.
Inverzní ionizační manometr.
Princip: žhavená katoda, měří se proud iontů, dopadajících na kolektor. Proud iontů je však zkreslován proudem fotoelektronů, které se uvolňují z kolektoru vlivem měkkého rtg. záření, které se uvolňuje z mřížky, na kterou dopadají elektrony z katody.
Výbojový manometr s magnetickým polem (Penningův)
Existuje několik různých typů takových manometrů. Ionizační dráha se prodlužuje díky magnetickému poli. Jeho elektrody jsou studené, není problém s odplyněním. Mezi katodami je prstencová, nebo válcová anoda. Kolmo na osu anody působí magnetické pole, takže elektrony se pohybují po spirále od jedné katody k druhé a zpět, dokud srážky s atomy plynu nezpůsobí, že elektrony spadnou na anodu. Množství srážek a tím i doba průletu elektronu mezi katodou a anodou je dána tlakem plynu. Doba průletu elektronu určuje velikost proudu mezi katodou a anodou. Měření tohoto proudu určuje tedy tlak.
Inverzní výbojový manometr (Redheadův)
Osou válcové katody prochází tyčová anoda.
Je třeba doplnit stínícími elektrodami (aby nevznikala autoemise elektronů z katod).
11. Keramika, kompozity, polymery.
11.1. Keramika.
Keramika spolu s dřevem, kostmi, kůží a kameny patřila mezi první materiály, které pravěký člověk zpracovával. Materiál převážně krystalický, složený především z anorganických sloučenin nekovového charakteru. Z toho je vidět, že nekovových prvků je v ní velké procento a surovinová základna pro výrobu keramiky je tedy velmi široká. Rovněž energetická náročnost výroby keramiky je nižší.
Struktura keramických materiálů je heterogenní, polykrystalická a polyfázová. Keramika obsahují zpravidla více krystalických fází a často i fáze skelné, vzniklé roztavením některých anorganických látek (křemičitanů). Z makroskopického hlediska se ale keramické materiály jeví jako homogenní a izotropní. Je to dáno tím, že jednotlivá zrna (fáze a složky) jsou uspořádána náhodně. Velkou důležitost hrají u keramik i póry, které se v nich uplatňují jako zvláštní fáze se specifickými vlastnostmi (nulová hmotnost a tuhost, tepelná vodivost, apod.).
Z předcházejícího výkladu plyne, že existuje velké množství různých druhů keramik a to tradičních (cihly, porcelán, cement), až po speciální keramika, vyvíjená v posledních desetiletích (vysokoteplotní supravodiče, materiály pro leteckou, kosmickou, automobilní a vojenskou techniku).
Na závěr shrňme základní poznatky o perspektivních keramikách, jejich možnostech, vlastnostech a užití (předpokládáme, že vše základní o využití tradičních keramik je čtenáři alespoň částečně známo z praktického života).
Z předcházejících obrázků plyne, že keramika mají většinou vysoký bod tání a poměrně nízkou hustotu. Proto jsou předurčena pro využití v automobilovém, leteckém a kosmickém průmyslu. Vyšší pracovní teplota spalovacího motoru totiž zvyšuje jeho účinnost a nižší hmotnost motoru ještě dále tento trend podporuje. Takové moderní motory, založené na bázi keramik mají navíc další výhodu – jsou otěruvzdorné.
Hlavní nevýhoda keramik – jejich křehkost může být eliminována několika způsoby:
Nanášením křehkých keramik na vhodný kov (tažnější). V takovém případě bývá problémem zajištění dobré přilnavosti mezi keramikem a kovem.
Malá plasticita keramik je důsledkem malého počtu skluzových systému, ve kterých se mohou dislokace pohybovat. Zvýšení počtu těchto systémů bude pravděpodobně možné uskutečnit pomocí vhodných příměsí a pomocí vhodného technologického zpracování keramika.
Některá keramika jsou využívána i za účelem ochrany osob, nebo jiných objektů před působením střel (např. neprůstřelné vesty). Jejich podstatou je kompozit, složený z keramických destiček, kombinovaných s tažnějším a měkčím podkladem (speciální plastová matrice).
11.2. Kompozity.
Již podle názvu lze kompozity definovat jako vícesložkové, nebo vícefázové materiály, přičemž důležitou roli u nich nehrají pouze složky či fáze, ale i rozhraní mezi nimi. Jinými slovy, kompozity jsou složené heterogenní systémy, tvořené minimálně dvěma složkami či fázemi, které se od sebe liší svými fyzikálními vlastnostmi.
Typickými, již dávno známými kompozity jsou dřevo a stébla, kosti. Běžným kompozitním materiálem současnosti je železobeton, nebo sklolaminát, či materiál pro výrobu „neviditelných“ letadel. I tak známé výrobky, jako jsou pneumatiky, nebo moderní laminátové lyže jsou typickými vícesložkovými kompozity.
Co se týká vnitřní struktury, dělíme kompozity na kompozity s částicovými plnivy, kompozity s vyztužujícími vlákny a lamelární kompozity.
11.2.1. Kompozity s částicovými plnivy (disperzně zpevněné kompozity).
Částice, používané jako plniva kompozitů, mají tvar kulovitý, destičkovitý, jehlicovitý, nebo nepravidelný. Jejich složení je též rozmanité: vápenec, oxid křemičitý, oxidy křemíku, hořčíku a hliníku, skleněné mikrokuličky, slída, nebo mikročástice kovů. Částicová plniva mění značně takové mechanické vlastnosti matrice, jako je modul pružnosti, houževnatost, tvrdost, apod.
11.2.2. Kompozity, vyztužené vlákny.
Významnou kvantitativní charakteristikou vláken, používaných jako plniva u kompozitů, zpevněných vlákny, je poměr EV / V (modul pružnosti, dělený hustotou) a poměr RmV / V (pevnost v tahu, dělená hustotou), neboť právě tyto veličiny rozhodují o hmotnosti celé konstrukce. Nejčastěji používanými materiály pro taková vlákna je sklo, uhlík, bór s wolframem, ocel, kevlar (druh polymeru), apod.
Obr.11.19. Různé postupy při lisování vlákny zpevněných kompozitů.
Výroba vláknových kompozitů odléváním: a) kapilárním vzestupem, b) tlakové lití, c) vakuové tažení, d) kontinuální lití.
11.2.3. Laminární kompozity.
Laminární kompozity jsou tvořeny střídajícími se vrstvami (nebo vrstvičkami) složek o různých vlastnostech. Řadíme sem např. kombinace velmi tenkých povlakových vrstev, tlustší ochranné antikorozní vrstvy, ale i tak známé laminární kompozity, jakými je dřevěná překližka, nebo moderní laminátové lyže.
Moderní kompozity pronikají stále více do běžného života. Setkáme se s nimi ve zdravotnictví (bílé zubní plomby, náhrady kostí, atd.), v automobilovém průmyslu (interiér, nárazníky, ale i části motorů) ve stavebnictví, letecké a kosmické technice, při výrobě lodí, atd. Proto jsou kompozity dalším kandidátem (stejně jako keramika), po němž by mohla být nazvána doba, která nahradí dobu železnou.
11.3. Polymery.
11.3.1. Úvod, rozdělení polymerů.
Přestože jsou makromolekuly jedním z nejrozšířenějších druhů organických látek v přírodě.
Molekuly polymerů, jak plyne z jejich názvu, se skládají z velkého množství základních stavebních kamenů, zvaných monomery.
Polymery můžeme dělit podle různých hledisek, z nichž první je rozdělení na termoplasty a duroplasty.
Termoplasty (např. polyetylén) mají dlouhé molekuly, jejichž délka s rostoucí teplotou klesá, polymer degraduje a ztrácí své původní dobré vlastnost.
Duroplasty (např. bakelit) mají síťovitou strukturu, která je činí pevnými. Při vyšších teplotách se rozpadávají (oxidují).
Polymery jsou často kombinovány s různými plnivy, které mají zpravidla zlepšit zejména jejich mechanické vlastnosti, jako je modul pružnosti, mez pevnosti, otěruvzdornost apod. Jako plniva používáme částice (saze, křemičitany, křídu i částice kovů aj.), nebo vlákna (např. papír, textilie). Polymery lze dále barvit, parfémovat a vytvářet z nich kompozity.
Jiné dělení kompozitů vychází ze způsobu jejich vzniku:
Polymery přírodní (bílkoviny, škrob, celulóza, kaučuk a látky syntetické, ale přírodním polymerům podobné (celuloid, vulkánfíbr, viskóza, umělé hedvábí, umělá rohovina apod.).
Polymery syntetické (polyetylén, polyvinylchlorid, atd. – viz přehled polymerů a jejich vlastností např. v knize, doporučené v tomto odstavci).
Dále můžeme dělit polymery podle způsobu jejich použití a to na vlákna, fólie, desky, trubky, laky, eleastomery (kaučuky), lepidla, maziva, apod.
Z chemicko – technologického hlediska dělíme polymery na polymeráty, polykondenzáty a polyadukty.
Přehled nejvýznačnějších druhů polymerů a jejich vlastností spolu se způsobem jejich použití lze nalézt.
11.3.2. Struktura polymerů.
Polymery jsou tvořeny tzv. makromolekulami, složenými z jednotlivých opakujících se dílců – monomerů. Podle jejich seřazení dělíme polymery na:
Lineární polymery. Jednotlivé monomery seřazeny za sebou, viz. Obr.11.29. (a), takže vytvoří jednoduchý řetězec. Mezi těmito pružnými řetězci působí slabé Van der Waalsovy vazby.
Rozvětvené polymery. Jejich makromolekula se vyznačuje hlavním řetězcem, z něhož vystupují postranní „větve“. Celá struktura má menší hustotu, než lineární polymery.
Polymery se zkříženými články. Sousední řetězce těchto polymerů jsou mezi sebou propojeny články, které jsou vázány pomocí silné kovalentní vazby. Sem patří různé elastické materiály.
Síťované polymery. Trojrozměrné monomery, které mají tři aktivní kovalentní vazby vytvářejí trojrozměrnou síť. Tyto polymery mají zajímavé mechanické vlastnosti. Patří sem epoxidy.
Kopolymery. Tyto polymery vznikají polymerací více než jednoho druhu monomerů. Tyto monomery se mohou střídat buď náhodně, nebo střídavě.
Krystalické a semikrystalické polymery. Velká délka makromolekul je na překážku jejich úplné krystalizaci. Přesto i u polymerů pozorujeme krystalický stav takový, že makromolekuly jsou pravidelně uspořádány v omezeném objemu. Protože jsou uspořádány jenom částečně, hovoříme také o semikrystalickém stavu. Mnohé polymery, krystalizující z taveniny, vytvářejí tzv. sférolity, které mají, jak zní jejich název kulovitý tvar.
11.3.3. Vlastnosti a technologie polymerů.
Mechanické vlastnosti polymerů jsou velmi rozdílné a silně závislé na teplotě. Názorný mechanismus elastické a plastické deformace polymerů.
Na počátku deformace odpovídá struktura polymeru, tj. v oblasti mezi krystalickými oblastmi se nachází amorfní oblasti. V prvním stádiu deformace (elastická oblast) dochází k malému prodloužení řetězců, které mezi sebou vážou krystalické oblasti. Během třetího stádia (počátek plastické oblasti) dochází k naklánění lamelárních krystalických vrstev. Ve třetím stádiu dochází již k separaci jednotlivých krystalických bloků. Na závěr deformace pak dochází k orientaci krystalických segmentů a řetězců makromolekul v amorfní oblasti do směru působícího napětí.
Výroba polymerů.
Některé tradiční technologické postupy při výrobě plastů.
Použití polymerů.
S použitím polymerů se setkáme doslova každý den a na každém kroku. Vyjmenovat jejich využití od domácnosti, průmyslu, zemědělství, automobilismu až po kosmickou techniku by zabralo mnoho místa a ponecháme to na čtenáři.
12. Perspektivní materiály
12.1. Kovová skla
Již dříve jsme uvedli, že kapalná fáze se od fáze pevné liší mimo jiné zejména uspořádáním. Vyberme si jako příklad dvě pevné látky, sklo a kov. Pokud obě látky roztavíme, budou mít obě amorfní strukturu, typickou pro kapaliny. Po ochlazení pod teplotu tuhnutí si sklo zachová strukturu amorfní, ale kov zkrystalizuje. Příčinou tohoto odlišného chování při tuhnutí je zřejmě (kromě jiných důvodů) velikost částic, tvořících případnou krystalickou strukturu a tím pádem viskozita dané kapaliny (taveniny). V případě kovů jsou to atomy, v případě skel poměrně dosti velké molekuly. Chceme – li vyrobit amorfní kov, musíme ho ochlazovat velmi rychle (aby atomy nestačily „naskákat“ do mřížových bodů krystalové struktury). Výroba kovových skel litím mezi dva chlazené válce. Výroba kovových skel litím na chlazený rotující kotouč. Výroba kovových skel litím na jeden chlazený kovový buben. Výroba kovov