Module also offered within study programmes:
General information:
Name:
Advanced Ceramic Materials
Course of study:
2019/2020
Code:
CIMT-2-325-s
Faculty of:
Materials Science and Ceramics
Study level:
Second-cycle studies
Specialty:
-
Field of study:
Materials Science
Semester:
3
Profile of education:
Academic (A)
Lecture language:
Polish
Form and type of study:
Full-time studies
Course homepage:
 
Responsible teacher:
prof. dr hab. inż. Kata Dariusz (kata@agh.edu.pl)
Module summary

Student zostaje zaznajomiony z zaawansowanymi technikami syntezy, spiekania i charakterystyki funkcjonalnej oraz strukturalnej tworzyw ceramicznych. Student zdobwya wiedzę w zakresie szeroko pojętej inżynierii materiałowej, ze szególnym uwzględnieniem technik stosowanych dla różnych gałęzi przemysłu, takich jak elektronika, energetyka, przemysł geotechniczny i motoryzacyjny. Zostaje zaznajomiony z nowoczesnymi osiągnięciami materiałoznawstwa z ostatnich dwóch dekad.

Description of learning outcomes for module
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Connections with FLO Method of learning outcomes verification (form of completion)
Social competence: is able to
M_K001 rozumie potrzebę dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych i społecznych IMT2A_K01 Examination,
Activity during classes
M_K002 prawidłowo interpretuje i rozstrzyga problemy technologiczne IMT2A_K03 Examination,
Activity during classes
M_K003 rozumie znaczenie wpływu inżynierii materiałowej na rozwój nowoczesnych technologii IMT2A_K03 Examination,
Activity during classes
Skills: he can
M_U001 Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; weryfikować poprawność danych; potrafi integrować uzyskane informacje, interpretować, a także wyciągać i formułować wnioski oraz merytorycznie uzasadniać opinie w obszarze nauki o materiałach IMT2A_U01 Presentation,
Examination
M_U002 Potrafi zaplanować i przeprowadzić pomiary właściwości użytkowych materiałów oraz interpretować uzyskane wyniki IMT2A_U04 Report,
Examination
M_U003 Potrafi opracować i przedstawić ustnie rezultaty badań, w języku polskim lub w języku angielskim, stosując techniki wizualizacji komputerowej. IMT2A_U05 Report,
Scientific paper
Knowledge: he knows and understands
M_W001 Ma wiedzę o aktualnych trendach rozwojowych inżynierii materiałowej i najistotniejszych nowych materiałach i technologiach materiałowych IMT2A_W03 Examination
M_W002 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie metod badań właściwości materiałów IMT2A_W04 Presentation,
Test,
Examination
M_W003 Ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę z zakresu wykorzystania nanostruktur tworzyw polikrystalicznych i nanozawiesin w technologiach przemysłowych IMT2A_W03 Test,
Examination
M_W004 Ma poszerzoną wiedzę z zakresu projektowania materiałowego produktów o założonej strukturze i właściwościach użytkowych oraz modelowaniu procesów. IMT2A_W03 Test,
Examination
Number of hours for each form of classes:
Sum (hours)
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
135 30 0 75 0 0 30 0 0 0 0 0
FLO matrix in relation to forms of classes
MLO code Student after module completion has the knowledge/ knows how to/is able to Form of classes
Lecture
Audit. classes
Lab. classes
Project classes
Conv. seminar
Seminar classes
Pract. classes
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Social competence
M_K001 rozumie potrzebę dokształcania się oraz podnoszenia swoich kompetencji zawodowych i społecznych + - - - - + - - - - -
M_K002 prawidłowo interpretuje i rozstrzyga problemy technologiczne - - - - - - - - - - -
M_K003 rozumie znaczenie wpływu inżynierii materiałowej na rozwój nowoczesnych technologii - - + - - - - - - - -
Skills
M_U001 Potrafi pozyskiwać informacje z literatury, baz danych i innych źródeł; weryfikować poprawność danych; potrafi integrować uzyskane informacje, interpretować, a także wyciągać i formułować wnioski oraz merytorycznie uzasadniać opinie w obszarze nauki o materiałach + - + - - - - - - - -
M_U002 Potrafi zaplanować i przeprowadzić pomiary właściwości użytkowych materiałów oraz interpretować uzyskane wyniki - - + - - + - - - - -
M_U003 Potrafi opracować i przedstawić ustnie rezultaty badań, w języku polskim lub w języku angielskim, stosując techniki wizualizacji komputerowej. - - - - - - - - - - -
Knowledge
M_W001 Ma wiedzę o aktualnych trendach rozwojowych inżynierii materiałowej i najistotniejszych nowych materiałach i technologiach materiałowych + - + - - + - - - - -
M_W002 Ma poszerzoną wiedzę w zakresie metod badań właściwości materiałów + - + - - + - - - - -
M_W003 Ma uporządkowaną i podbudowaną teoretycznie wiedzę z zakresu wykorzystania nanostruktur tworzyw polikrystalicznych i nanozawiesin w technologiach przemysłowych + - + - - + - - - - -
M_W004 Ma poszerzoną wiedzę z zakresu projektowania materiałowego produktów o założonej strukturze i właściwościach użytkowych oraz modelowaniu procesów. + - + - - + - - - - -
Student workload (ECTS credits balance)
Student activity form Student workload
Summary student workload 240 h
Module ECTS credits 8 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 135 h
Preparation for classes 30 h
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 30 h
Realization of independently performed tasks 40 h
Examination or Final test 2 h
Contact hours 3 h
Module content
Lectures (30h):
Tematyka wykładów

1)Rozwój nanotechnologii i mikrotechnologii w Polsce i na świecie 2 godz.
Definicja pojęcia nanotechnologia, podstawowe własności nanomateriałów, rożnice w pojęciach nanokompozyt i kompozyt. Przykłady nanokompozytów. Definicja pojęcia mikrotechnologia. Przykłady technologii odniesionej do skali mikro. Różnice w pojęciach mikrotechnologia a nanotechnologia.
2)Otrzymywanie i technologia nanomateriałów 2 godz.
Pojęcia: kropka kwantowa, drut kwantowy, fulereny. Sposoby otrzymywania nanoproszków i nanokompozytów: ziarnistych, warstwowych, włóknistych, zerowymiarowych, jednowymiarowych i trójwymiarowych. Specyficzne własności nanomateriałów oraz ich wykorzystanie.
3)Zastosowanie nanotechnologii w ogniwach paliwowych; 4 godz. Definicja ogniwa paliwowego; rodzaje ogniw paliwowych: PEMFC (Proton-exchange membrane fuel cell), DMFC (Direct-methanol fuel cell), AFC (Alkaline fuel cell), PAFC (Phosphoric acid fuel cell), SOFC (Solid-oxide fuel cell), MCFC (Molten-carbonate fuel cell), DCFC (Direct carbon fuel cell). Wykorzystanie nanomateriałów na elektrody w ogniwach. Wpływ mikro i nano struktury na wydajność ogniw.
4) Zastosowanie mikrotechnologii w mikrourządzeniach 6 godz.Mikroreaktory do produkcji wodoru – budowa zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu produkcji wodoru, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikrorekatory typu T do badania krwi – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu detekcji, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikroreaktory typu H do detekcji i rozdziału DNA – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu rozdziału, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikrowymienniki ciepła – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu wymiany ciepła w mikrourządzeniach, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikromieszalniki cieczy – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu mieszania małych objętości cieczy, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikroreaktory przeznaczone do reakcji w fazie gazowej – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu detekcji, możliwości zastosowania na szeroką skalę
Mikroreaktory przeznaczone do reakcji w fazie ciekłej – budowa, zasada działania, podstawy fizykochemiczne procesu detekcji, możliwości zastosowania na szeroką skalę
5) Metody formowania ogniw paliwowych i mikroreaktorów dwuwymiarowe 4 godz. Sitodruk – sposób przygotowania zawiesin ceramicznych, właściwości reologiczne zawiesin, technika wydruku, rodzaje sit, zalety i wady sitodruku;
LIGA – podstawy fizykochemiczne procesu, ograniczenia metody LIGA, możliwości aplikacyjne, aparatura;
Micromachining – sposób przygotowania procesu, jego podstawowe etapy, możliwości aplikacyjne;
Litografia – historia litografii, współczesne zastosowanie,
Fotolitografia – rodzaje fotolitografii, sposób realizacji procesu, techniki otrzymywania masek fotolitograficznych
6) Metody formowania ogniw paliwowych i mikroreaktorów trzywymiarowe 6 godz. Stereolitografia – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady; Selective Laser Sintering (SLS) – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
Laser Enginered Net Shaping (LENS) – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
Laminated Object Manufacturing (LOM) – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
Fused Deposition Modeling (FDM) – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
Solid Ground Curing (SGC) – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
3D printing – podstawy fizykochemiczne procesu, sposoby realizacji, aparatura zalety i wady;
7) Żywice światłoutwardzalne używane do technik Rapid Prototyping. 2 godz. Charakterystyka reologiczna tych żywic oraz ich skład, rodzaje żywic, procedura otrzymywania past ceramicznych na bazie tych żywic, podstawy fotopolimeryzacji
8) Układy elektroniczne otrzymywane metodami zaawansowanego formowania 2 godz. Charakterystyka materiałów ceramicznych używanych w elektronice, budowa układów elektronicznych oraz sposoby ich formowania, możliwości zastosowania przestrzennego formowania do projektowania układów w elektronice
9) Podsumowanie materiału wykładów. 2 godz.

Laboratory classes (75h):
Tematy zajęć laboratoryjnych

1)Pomiary własności reologicznych nanopast ceramicznych
2)Charakterystyka mikrostrukturalna nanoproszków ceramicznych;
3)Drukowanie miko reaktorów ceramicznych metodą sitodrukową;
4)Otrzymywanie podłoży elektrodowych do ogniw paliwowych
5)Synteza nanokompozytów ziarnistych metodą SHS
6)Pomiary przewodnictwa cieplnego i rozszerzalności cieplnej uzyskanych polikryształów
7) Spiekanie metodą SPS polikrystalicznych materiałów o strukturze skuderytu
8) Badanie właściwości nanoproszków ceramicznych metodą XRD i SEM.

Seminar classes (30h):

Zaznajomienie studentów z podstawowymi zagadnieniami związanymi z nano i mikrotechnologią chemiczną. Pokazanie zaawansowanych technik otrzymywania trzech typów nanomateriałów: ceramicznych, metalicznych i polimerowych. Przedstawienie przykładów zastosowania nanomatriałów w biotechnologii. Omówienie zastosowań mikrotechnologii materiałowej do otrzymywania mikroreaktorów chemicznych i fizycznych. Technikig formowania mikroreaktorów fizycznych i chemicznych. Sposoby formowania i zasady działania ogniw paliwowych.
Przedmiot ma na celu zaznajomienie studentów ze współczesnymi zaawansowanymi materiałami ceramicznymi, w tym w skali nano. Porusza zagadnienia związane z mikrotechnologią chemiczną oraz przedstawia techniki formowania mikrourządzeń. Program przedmiotu został tak ułożony, że w pierwszej części została przedstawiona ogólna charakterystyka zaawansowanych materiałów cermiacznych, ich synteza oraz możliwości zastosowania. Następnie przedstawiono fizykochemiczne zasady działania mikro i nano urządzeń takich jak: ogniwa paliwowe, mikroreaktory, detektory, sensory, mikromieszalniki. Następna część opiera się głównie na pokazaniu perepsektywicznych metod formowania tych urządzeń technikami 2D i 3D. Przedmiot kończy się podsumowaniem materiału wykładów.

Additional information
Teaching methods and techniques:
  • Lectures: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym wzbogaconymi o pokazy odnoszące się do prezentowanych zagadnień.
  • Laboratory classes: W trakcie zajęć laboratoryjnych studenci samodzielnie rozwiązują zadany problem praktyczny, dobierając odpowiednie narzędzia. Prowadzący stymuluje grupę do refleksji nad problemem, tak by otrzymane wyniki miały wysoką wartość merytoryczną.
  • Seminar classes: Na zajęciach seminaryjnych podstawą jest prezentacja multimedialna oraz ustna prowadzona przez studentów. Kolejnym ważnym elementem kształcenia są odpowiedzi na powstałe pytania, a także dyskusja studentów nad prezentowanymi treściami.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Warunkiem zaliczenia modułu jest obowiązkowa obecność na wykladach oraz zaliczenie zajęć laboratoryjnych i seminaryjnych (wykonanie ćwiczeń, oddanie sprawozdania i zaliczenie kolokwium wstępnego przed każdym laboratorium, przedstawienie prezentacji). Warunkiem dopuszczenia do egazaminu jest uzyskanie pozytywnej oceny z zajęć laboratoryjnych i seminaryjnych.

Participation rules in classes:
  • Lectures:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Rejestracja audiowizualna wykładu wymaga zgody prowadzącego.
  • Laboratory classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci wykonują ćwiczenia laboratoryjne zgodnie z materiałami udostępnionymi przez prowadzącego. Student jest zobowiązany do przygotowania się w przedmiocie wykonywanego ćwiczenia, co może zostać zweryfikowane kolokwium w formie ustnej lub pisemnej. Zaliczenie zajęć odbywa się na podstawie zaprezentowania rozwiązania postawionego problemu. Zaliczenie modułu jest możliwe po zaliczeniu wszystkich zajęć laboratoryjnych.
  • Seminar classes:
    – Attendance is mandatory: Yes
    – Participation rules in classes: Studenci prezentują na forum grupy temat wskazany przez prowadzącego oraz uczestniczą w dyskusji nad tym tematem. Ocenie podlega zarówno wartość merytoryczna prezentacji, jak i tzw. kompetencje miękkie.
Method of calculating the final grade:

Ocena końcowa będzie średnią ważoną ocen z laboratorium, seminarium i egzaminu. Ocena końcowa = 0,4x ocena z egzaminu + 0,4 ocena z zajęć laboratoryjnych + 0,2 ocena z zajęć seminaryjnych

Sposób i tryb wyrównywania zaległości powstałych wskutek nieobecności studenta na zajęciach:

W przypadku nieobecności na zajęciach laboratoryjnych student musi napisać kolokwium wstępne z danego tematu i odrobić zajęcia w terminie dodatkowym podanym przez prowadzącego. Dopuszcza się tylko jedną nieobecność na laboratorium, którą. należy odrobić. Dopuszcza się dwie nieobecności na wykładach, które należy samodzielnie nadrobić poprzez naukę własną. W przypadku nieobecności na zajęciach seminaryjnych i niemożności przedstawienia prezentacji, student zobowiązany jest do napisania kolokwium z trzech wybranych prezentacji innych studentów przedstawionych na seminarium.

Prerequisites and additional requirements:

Pogłębiona wiedza na temat syntezy i właściwości nanomateriałów.

Recommended literature and teaching resources:

1)Neal Lane at all. “Springer Handbook Of Nanotechnology” Bharat Bhushan Ed. Springer-Verlag Berlin Heidelberg (2004).
2)R. Pampuch, „Współczesne Materiały” Wyd. AGH, (2005).
3)V. Hessel, S. Hardt, H. Lowe, “Chemical Micro Process Engineering” WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA (2004)
4)J.J. Lerou, M.P. Harold, J. Ryley, J. Ashmead, T.C. O’Brien, M. Johnson, J. Perrotto, C.T. Blaisdel, T.A. Rensi, J. Nyquist, “Microfabricated mini-chemical systems: technical feasibility in Microsystem Technology for Chemical and Biological Microreactors; Ed. W. Ehrefeld, DECHEMA Monographs, vol. 132, pp.51-69 Verlag Chemie, Weinheim (1996).

Scientific publications of module course instructors related to the topic of the module:

1. Dominika Madej, „Size-dependent hydration mechanism and kinetics for reactive MgO and Al2O3 powders with respect to the calcia-free hydraulic binder systems designed for refractory castables”, Journal of Materials Science, 2017 vol. 52 iss. 12, s. 7478–7590.
2. Dominika Madej, „Examination of dehydration and dehydroxylation of synthetic layered (oxy)hydroxides through thermal analysis (TG-DSC-EGA-MS) and a discussion to the second Pauling’s rule”, Inorganica Chimica Acta, 2018 vol. 482, s. 402–410.
3. Joanna Mastalska-Popławska, Matteo Pernechele, Tom Troczynski, Piotr Izak, “Thermal properties of silica-coated cellulose fibers for increased fire-resistance” , Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2017 vol. 83 iss. 3, s. 683–691.
4. Agata Stempkowska, Joanna Mastalska-Popławska, Piotr Izak, Longin Ogłaza, Magdalena Turkowska, “Stabilization of kaolin clay slurry with sodium silicate of different silicate moduli : note”, Applied Clay Science, 2017 vol. 146, s. 147–151.
5. Paweł Rutkowski, Jan Huebner, Dariusz Kata, Jerzy Lis, Adrian Graboś, Leszek Chlubny, “Laser initiated Ti3SiC2 powder and coating synthesis”, Ceramics International, 2018 vol. 44 is. 9, s. 10883–10890.
6. Dariusz Kata, “Zastosowanie azotku krzemu do otrzymywania tworzyw kowalencyjnych metodą samorozwijającej się syntezy wysokotemperaturowej (SHS)”, Kraków : PTC, 2006 s. 166 s., (Polski Biuletyn Ceramiczny / Polskie Towarzystwo Ceramiczne ; vol. 94).
7. Jan Huebner, Dariusz Kata, Paweł Rutkowski, Paweł Petrzak, Jan Kusiński, “Grain-boundary interaction between Inconel 625 and WC during laser metal deposition”, Materials [Dokument elektroniczny]. 2018 vol. 11 is. 10 art. no. 1797, s. 1–12.
8. Jan Huebner, Dariusz Kata, Jan Kusiński, Paweł Rutkowski, Jerzy Lis, “Microstructure of laser cladded carbide reinforced Inconel 625 alloy for turbine blade application”, Ceramics International, 2017 vol. 43 is. 12, s. 8677–8684.
9. Maciej Woźniak, Thomas Graule, Yoram de Hazan, Dariusz Kata, Jerzy Lis, “Highly loaded UV curable nanosilica dispersions for rapid prototyping applications”, Journal of the European Ceramic Society, 2009 vol. 29 is. 11, s. 2259–2265.

Additional information:

Brak.