tehnički materijali

tehnički materijali, tehnički uporabljive tvari koje služe pri izradbi i proizvodnji najrazličitijih materijalnih tvorevina (predmeta, objekata, konstrukcija). Iako se materijalom može smatrati svaka tvar s tehn. uporabnim svojstvima u bilo kojem agregatnom stanju, iz povijesnih i praktičnih razloga pojam materijala sužen je na tvari koje se u uporabi bitno ne troše i kemijski se ne mijenjaju, što praktički znači na materijale u čvrstom stanju, pa se većina takvih materijala naziva tehničkim, katkad i konstrukcijskim materijalom. U svojem tipičnom životnom ciklusu tehnički materijali prolaze više stadija, od ekstrakcije iz sirovina, preko proizvodnje, preradbe i doradbe do uporabe i na kraju do oporabe (recikliranja), ili do odbacivanja kao otpada. Neke prirodne tvari (drvo, kamen) nalaze izravnu tehn. uporabu, ali se većina tehn. materijala dobiva izravnom ekstrakcijom iz mineralnih ili biol. izvora. U vezi s time nastao je naziv sirovina za prirodnu tvar koja ulazi u postupak tvorbe materijala. Taj se naziv ne rabi dosljedno, samo za prirodne tvari, već se u višestupanjskim tehnol. postupcima ulazna tvar viših stupnjeva također često naziva sirovinom, iako je ona rezultat tehnol. postupka prethodnoga stupnja. Tako su petrokem. proizvodi rezultat rada u petrokem. industriji, a nazivaju se sirovinama u proizvodnji plastike i gume. Neki proizvodni postupci zahtijevaju dodatne (posredne) materijale koji ne ulaze u proizvod, npr. katalizatore, a ponekad je završni stupanj proizvodnje materijala istovjetan s proizvodnjom izratka, npr. reakcijsko kalupljenje, kojim se dobivaju polimerni odljevci ili otpresci.

Tehnički materijali mogu se klasificirati na različitim osnovama, npr. na osnovi njihovih različitosti (prirodni–sintetski, anorganski–organski, metalni–nemetalni, tradicijski–novi) ili prema primjeni (građevinski, izolacijski, električni, elektronički, tekstilni, magnetski, optički, nuklearni, biomedicinski, dentalni i dr.). U praksi je najčešća klasifikacija na temelju uporabnih svojstava: metali i slitine (čelik, željezni ljevovi, laki i obojeni metali), keramika, staklo, beton, plastika, guma, drvo, papir, vlakna, kompozitni materijali. Te su klasifikacije stručno korisne, ali često nisu dosljedne, jer vlakno može npr. biti polimerno, metalno, stakleno ili keramičko. Dosljednija, općenitija klasifikacija može se postaviti na temelju kem. sastava i strukture, pa bi time keramika, osim oksidne i neoksidne konstrukcijske (kristalične) keramike, obuhvatila i glinenu (silikatnu) keramiku te staklo, dok bi se drvo, papir i plastika svrstali u polimerne, a beton i guma u kompozitne materijale. Tako se dobiva podjela tehn. materijala na metale, keramiku, polimerne materijale i kompozitne materijale. Metali su definirani svojstvima koja potječu od metalne kem. veze (→ kovine ili metali), keramika kao anorganski nemetalni krhki materijal velike tvrdoće, toplinske i kem. postojanosti (→ keramika), a polimeri kao org. tvari građene od makromolekula, lako dostupne i vrlo prikladne za oblikovanje (→ polimerni materijali).

Kompozitni materijali (kompoziti) građeni su od međusobno čvrsto spojenih različitih materijala radi dobivanja novoga, drugačijega materijala, s fizikalnim ili kem. svojstvima koja nadmašuju svojstva pojedinačnih komponenata ili sa svojstvima koja te komponente same nemaju. Pritom se ne radi samo o poboljšanju preradbenih, doradnih i uporabnih svojstava (npr. povećanje specifične čvrstoće i specifičnoga modula elastičnosti, lomne žilavosti, toplinske postojanosti, otpornosti prema abraziji i puzanju), nego i transportnih, skladišnih, otpadnih, uključujući konačno i cijenu. Većina kompozita sadrži jedan materijal kao kontinuiranu fazu (matricu), a u nju su uklopljeni odvojeni dijelovi druge faze, koja najčešće ima funkciju ojačala. Razlikuju se kompoziti ojačani vlaknima, kompoziti ojačani česticama, strukturni kompoziti i stanična kruta tijela.

Kompoziti ojačani vlaknima sadrže mekaniju, duktilnu matricu u koju su ugrađena čvrsta, kruta i krhka vlakna. Djelotvornost ojačanja najveća je upravo u tim kompozitima. Opterećenja se s matrice prenose na vlakna, pa su ona osnovni nosioci opterećenja. Matrica je obično polimerna, metalna ili keramička, a može biti i ugljična. Najčešća je polimerna matrica od nezasićenih poliestera i vinilnih estera, za zahtjevnije primjene i od epoksidnih smola, a ojačava se staklenim (za gradnju trupa plovila), aramidnim (zaštitni neprobojni materijali) ili ugljičnim vlaknima (šport. rekviziti); kompozit s polimernom matricom ojačan staklenim vlaknima ima u smjeru vlakana vlačnu čvrstoću približno jednaku čeliku, ali je od njega 14 puta lakši. Metalna matrica sastoji se od slitina aluminija, magnezija, titanija ili bakra ojačanih vlaknima ugljika, bora, aluminija ili silicijeva karbida; kompozit s aluminijskom matricom ojačanom ugljičnim vlaknima rabi se npr. za izradbu dijelova motora, zrakoplova i svemirskih letjelica (raketoplan). Keramička matrica ojačava se keramičkim vlaknima od silicijeva karbida ili nitrida; kompozit se rabi za rezne alate jer je vrlo otporan prema širenju napuklina. Ugljična matrica ojačava se ugljičnim vlaknima; materijal je velike čvrstoće i na visokim temperaturama i nalazi primjenu u raketnim motorima i toplinskim turbinama. Hibridnim kompozitima nazivaju se oni kojima se jedinstvena matrica ojačava s više vrsta vlakana.

Kompoziti ojačani česticama sadrže matricu u koju su ugrađena ojačala u obliku diskretnih, jednoliko raspoređenih tvrdih i krhkih čestica. Razlikuju se kompoziti s velikim česticama te kompoziti s disperzijom, tj. ojačani vrlo malim česticama (10 do 250 nm, volumni udjel do 15%), koje povećavaju čvrstoću usporavanjem gibanja dislokacija u materijalu. Primjeri su kompozita ojačanih česticama: beton (koji se može dodatno ojačati armiranjem), abrazivne paste za poliranje, → tvrdi metali, čađom ojačana guma za pneumatike i dr.

U strukturne kompozite ubrajaju se laminati i složene konstrukcije. Laminati su plošni slojeviti proizvodi od različitih materijala, npr. furnirske ploče ili šperploče, te kompoziti u kojima se vlakna u polimernoj matrici nalaze u slojevima. Različitom orijentacijom pojedinih slojeva mogu se smanjiti nedostatci linearne orijentiranosti kompozita ojačanih vlaknima. Složene konstrukcije (tzv. sendvič-konstrukcije) sastoje se od tankih vanjskih slojeva između kojih se nalazi neki laki materijal u obliku pčelinjega saća (primjena u građi zrakoplova), pjene, nepravilnih vrpca ili listova (npr. valoviti karton) i sl.

Stanična kruta tijela odlikuju se staničnom, ćelijskom građom. Primjer je takva prirodnoga materijala pluto, a među sintetskim materijalima takve su strukture čvrste pjene, u kojima je plinovita faza raspršena u matrici od polimernoga materijala i tvori ćelijsku strukturu. Obično se proizvode dodatkom pjenila, tvari koje se zagrijavanjem unutar polimerne matrice isparavaju ili kemijski reagiraju, stvarajući mjehuriće plina (najčešće ugljikov dioksid) koji iz nje izlazi (otvoreni tip ćelija) ili ostaje uklopljen u stvrdnutom polimeru (zatvoreni tip). Među najpoznatijim su čvrstim pjenama poliuretanska pjena i pjenasti polistiren, a najviše se rabe kao materijali za ambalažu te za toplinsku i zvučnu izolaciju.

tehnički materijali. Hrvatska enciklopedija, mrežno izdanje. Leksikografski zavod Miroslav Krleža, 2018. Pristupljeno 11.12.2018. <http://www.enciklopedija.hr/Natuknica.aspx?ID=60649>.