Moduł oferowany także w ramach programów studiów:
Informacje ogólne:
Nazwa:
Podstawy inżynierii materiałów
Tok studiów:
2019/2020
Kod:
CTCH-1-502-s
Wydział:
Inżynierii Materiałowej i Ceramiki
Poziom studiów:
Studia I stopnia
Specjalność:
-
Kierunek:
Technologia Chemiczna
Semestr:
5
Profil:
Ogólnoakademicki (A)
Język wykładowy:
Polski
Forma studiów:
Stacjonarne
Strona www:
 
Prowadzący moduł:
dr hab. inż. Tkacz-Śmiech Katarzyna (smiech@agh.edu.pl)
Treści programowe zapewniające uzyskanie efektów uczenia się dla modułu zajęć

Moduł ma na celu przygotowanie Studenta do samodzielnego rozwiazywania problemów w zakresie technologii materiałów ceramicznych i projektowania tych technologii. Omawiane są: krystalizacja w układach jedno- i wieloskładnikowych (wielofazowych), CVD i spiekanie. Dogłębna charakterystyka procesów oparta jest o wiedzę podstawową z zakresu fizyki i chemii i obejmuje: aspekty termodynamiczne, mechanizmy, kinetykę oraz problem ewolucji mikrostruktury.

Opis efektów uczenia się dla modułu zajęć
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Powiązania z KEU Sposób weryfikacji i oceny efektów uczenia się osiągniętych przez studenta w ramach poszczególnych form zajęć i dla całego modułu zajęć
Wiedza: zna i rozumie
M_W001 Ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę z zakresu zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych i procesów chemicznych w technologiach materiałowych TCH1A_W01 Kolokwium
M_W002 Ma podstawową wiedzę w poszukiwaniu zależności pomiędzy parametrami otrzymywania materiałów a ich budową TCH1A_W03, TCH1A_W01 Aktywność na zajęciach
M_W003 Ma podstawową wiedzę w zakresie badań struktury i mikrostruktury materiałów TCH1A_W03, TCH1A_W04 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Umiejętności: potrafi
M_U001 Wykorzystuje wiedzę matematyczną do opisu zjawisk fizycznych i procesów chemicznych w technologiach materiałowych TCH1A_U01 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U002 Potrafi posługiwać się wiedzą chemiczną dla opracowania, kontroli i realizacji procesów technologicznych TCH1A_U05, TCH1A_U07 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
M_U003 Potrafi zaplanować eksperymenty i przeprowadzić analizę danych eksperymentalnych, zaprezentować je i wyciągnąć poprawne wnioski TCH1A_U02, TCH1A_U07, TCH1A_U01 Aktywność na zajęciach,
Egzamin,
Wykonanie ćwiczeń laboratoryjnych
Kompetencje społeczne: jest gotów do
M_K001 Posiada świadomość ważności wiedzy podstawowej dla rozwiązywania problemów technologicznych TCH1A_K01 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
M_K002 Rozumie znaczenie wpływu chemii na rozwój nowoczesnych technologii TCH1A_K03 Aktywność na zajęciach,
Egzamin
Liczba godzin zajęć w ramach poszczególnych form zajęć:
SUMA (godz.)
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
90 30 0 30 0 0 30 0 0 0 0 0
Matryca kierunkowych efektów uczenia się w odniesieniu do form zajęć i sposobu zaliczenia, które pozwalają na ich uzyskanie
Kod MEU Student, który zaliczył moduł zajęć zna i rozumie/potrafi/jest gotów do Forma zajęć dydaktycznych
Wykład
Ćwicz. aud
Ćwicz. lab
Ćw. proj.
Konw.
Zaj. sem.
Zaj. prakt
Zaj. terenowe
Zaj. warsztatowe
Prace kontr. przejść.
Lektorat
Wiedza
M_W001 Ma uporządkowaną, podbudowaną teoretycznie wiedzę z zakresu zrozumienia podstawowych zjawisk fizycznych i procesów chemicznych w technologiach materiałowych + - - - - + - - - - -
M_W002 Ma podstawową wiedzę w poszukiwaniu zależności pomiędzy parametrami otrzymywania materiałów a ich budową + - + - - + - - - - -
M_W003 Ma podstawową wiedzę w zakresie badań struktury i mikrostruktury materiałów - - + - - - - - - - -
Umiejętności
M_U001 Wykorzystuje wiedzę matematyczną do opisu zjawisk fizycznych i procesów chemicznych w technologiach materiałowych + - + - - + - - - - -
M_U002 Potrafi posługiwać się wiedzą chemiczną dla opracowania, kontroli i realizacji procesów technologicznych + - + - - + - - - - -
M_U003 Potrafi zaplanować eksperymenty i przeprowadzić analizę danych eksperymentalnych, zaprezentować je i wyciągnąć poprawne wnioski - - + - - - - - - - -
Kompetencje społeczne
M_K001 Posiada świadomość ważności wiedzy podstawowej dla rozwiązywania problemów technologicznych + - + - - + - - - - -
M_K002 Rozumie znaczenie wpływu chemii na rozwój nowoczesnych technologii + - - - - - - - - - -
Nakład pracy studenta (bilans punktów ECTS)
Forma aktywności studenta Obciążenie studenta
Sumaryczne obciążenie pracą studenta 184 godz
Punkty ECTS za moduł 7 ECTS
Udział w zajęciach dydaktycznych/praktyka 90 godz
Przygotowanie do zajęć 30 godz
przygotowanie projektu, prezentacji, pracy pisemnej, sprawozdania 30 godz
Samodzielne studiowanie tematyki zajęć 30 godz
Egzamin lub kolokwium zaliczeniowe 2 godz
Dodatkowe godziny kontaktowe 2 godz
Szczegółowe treści kształcenia w ramach poszczególnych form zajęć (szczegółowy program wykładów i pozostałych zajęć)
Wykład (30h):

1. Zagadnienia wprowadzające
Hierarchiczny model budowy materiałów – połączenie elementów budowy materiału na różnych poziomach struktury z właściwościami. Przegląd procesów otrzymywania tworzyw.

2-3. Elementy termodynamiki procesów nieodwracalnych i procesów nierównowagowych. Elementy termodynamiki fazy skondensowanej
Funkcje stanu, równowaga termodynamiczna, termodynamiczny warunek samorzutności procesów i II zasada termodynamiki, Równowaga w układzie gaz – faza stała, Diagramy Ellinghama, Reakcje heterogeniczne w układzie gaz – faza stała, Kinetyka reakcji w fazie stałej.

4. Dyfuzja w fazie stałej
Termodynamika dyfuzji (dyfuzja jako proces samorzutny), Prawa dyfuzji, Dyfuzja w stopach wieloskładnikowych i wielofazowych, Dyfuzja wzajemna i efekt Kirkendalla, dufuzja w polu naprężeń i termodyfuzja

5. Przemiany fazowe
Co to jest przemiana fazowa? Termodynamiczna klasyfikacja przemian fazowych, Fenomenologiczna teoria przemian fazowych, Zmiany stanu skupienia, Przemiany porządek – nieporządek, Rozpad spinodalny i zarodkowanie,

6-7. Krystalizacja jako przemiana fazowa
Parametry określające odchylenia od stanu równowagi w układach gaz-ciało stałe, roztwór-ciało stałe, stop-ciało stałe, Klasyczna teoria krystalizacji ze stopu, Kinetyka krystalizacji, Krystalizacja w układach wieloskładnikowych, warunki sprzyjające powstawaniu monokryształów, polikryształów, faz amorficznych, diagramy TTT

8-9. Otrzymywanie materiałów z fazy gazowej z udziałem reakcji chemicznych (CVD)
Transport masy i energii w układzie CVD, reakcje homo- i heterogeniczne, metody określania równowagi fazy gazowej względem powierzchni oparte na: obliczeniach termodynamicznych, izotermach Langmuira, teoria kompleksu aktywnego, kinetyka wzrostu warstw w procesie CVD.

10. Spiekanie w fazie stałej w ujęciu modelowym
Samorzutność procesu spiekania, siła napędowa spiekania, model i energia niskokątowej granicy miedzyziarnowej, mechanizm spiekania: procesy dyfuzyjne w spiekaniu, odkształcanie plastyczne, płynięcie lepkościowe

11. Kinetyka spiekania
Równania fenomenologiczne, szybkość spiekania dla mechanizmu dyfuzyjnego, zależność od temperatury, uziarnienia proszku, ciśnienia.

12. Ewolucja mikrostruktury w spiekaniu
Ewolucja porów: I i II katastrofy topologiczne, rozrost ziarn w końcowych etapach spiekania: samorzutność i kinetyka, hamowanie rozrostu ziarn: hamowanie rozrostu w świetle termodynamiki, wleczenie porów i domieszek przez granice międzyziarnowe

13. Podsumowanie
Standardowy model spiekania i odstępstwa od modelu

14. Fizyczne spiekanie z udziałem fazy ciekłej
Samorzutność procesu, procesy transportu masy, czynniki określające przebieg transportu masy: lepkość cieczy, ilość cieczy, zwilżanie ciała stałego przez ciecz oraz ich wpływ na mikrostrukturę końcowego produktu, rozrost ziarn, kinetyka rozrostu ziarn.

15. Spiekanie „chemiczne”
Aspekty termodynamiczne, mechanizmy przenoszenia masy: dyfuzja, płynięcie cieczy, płynięcie (dryf) pęcherzyków gazu w cieczy, czynniki określające przebieg spiekania: zwilżanie, ilość cieczy, lepkość cieczy, procesy prowadzące do zmiany składu chemicznego: reakcje chemiczne w fazie stałej, reaktywność stopu, krystalizacja ze stopu, odstępstwo od globalnej równowagi w zależności od czasu spiekania, dochodzenie do stanu równowagi wysokotemperaturowej i związane z nim efekty: powstawania nowych faz stałych, pojawianie się fazy ciekłej, zmiana składu fazy ciekłej, krystalizacja, równowaga niskotemperaturowa: przemiany faza ciekła-faza stała.

Ćwiczenia laboratoryjne (30h):

Mają na celu praktyczne zapoznanie się z metodami otrzymywania materiałów.

1. Otrzymywanie warstw metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej (PACVD)
2. Komputerowe modele upakowania ziarn.
3. Analiza problemu ciągłości faz – perkolacja.
4. Określenie dominującego mechanizmu przenoszenia masy w spiekaniu modelowym proszków.
5. Badanie kinetyki procesu spiekania.
6. Spiekanie z udziałem fazy ciekłej – wpływ kąta zwilżania ciała stałego przez ciecz.
7. Spiekanie „chemiczne” (konsolidacja) – analiza trójskładnikowych diagramów fazowych.

Zajęcia seminaryjne (30h):

Ugruntowanie wiedzy zdobytej na wykładach, poprzez studia literaturowe, dyskusje, analizy przykładów, formułowanie i rozwiązywanie problemów w ujęciu ilościowym.

1. Przemiany fazowe I i II rodzaju – aspekty termodynamiczne.
2. Charakterystyka metody CVD w ujęciu ilościowym: obliczenia związane z ustaleniem szybkości przepływu gazów, stężenia reagentów w reaktorze, strumienia dyfuzji w gazie, przykłady mechanizmu wzrostu warstw w ujęciu teorii kompleksu aktywnego.
3. Wpływ parametrów CVD na strukturę i morfologię końcowych produktów.
4. Aspekty termodynamiczne procesu spiekania – obliczenia spadku entalpii swobodnej w trakcie spiekania określonych proszków.
5. Mechanizm procesu spiekania w fazie stałej – przegrupowanie ziarn, dyfuzyjny transport masy, energia aktywacji dyfuzji objętościowej po granicach ziarn, po swobodnych powierzchniach.
6. Kinetyka procesu spiekania
7. Katastrofy topologiczne.
8. Rozrost ziarn w procesie spiekania i jego hamowanie przez domieszki i pory.
9. Spiekanie fizyczne z udziałem fazy ciekłej – aspekty termodynamiczne i kinetyczne.
10. Spiekanie „chemiczne” – aspekty termodynamiczne.
11. Reakcje chemiczne w fazie stałej podczas spiekania.
12. Reakcje chemiczne stop-ciało stałe.
13. Porównanie mechanizmu procesu spiekania fizycznego i chemicznego

Pozostałe informacje
Metody i techniki kształcenia:
  • Wykład: Treści prezentowane na wykładzie są przekazywane w formie prezentacji multimedialnej w połączeniu z klasycznym wykładem tablicowym. Kazdy wykład rozpoczyna sie od krótkiego powtórzenia tresci z poprzedniego wykładu i kończy zapowiedzią kolejnego wykładu.
  • Ćwiczenia laboratoryjne: 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.
  • Zajęcia seminaryjne: 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. W uzupełnieniu prowadzacy formułuje problemy i zadania do rozwiązania samodzielnego i w grupach. Problemy maja charakter projektowy.
Warunki i sposób zaliczenia poszczególnych form zajęć, w tym zasady zaliczeń poprawkowych, a także warunki dopuszczenia do egzaminu:

Seminaria
Zaliczenie zajęć seminaryjnych Student otrzymuje w oparciu o oceny z kolokwiów, z prezentacji, pracy w grupach i indywidualnej nad zgadnieniami formułowanymi przez prowadzącego. Ocenie podlega również aktywność na zajęciach. Wymagana jest obecność na 12 (na 15) seminariach.

Laboratoria
Student wykonuje w ciagu semestru 6 ćwiczeń w grupach 2-osobowych i 1 ćwiczenie w całej grupie. Wymagane jest wykonanie wszystkich ćwiczeń. Ocena za ćwiczenie składa się z 2 części: przygotowanie i wykonanie ćwiczenia, wykonanie sprawozdania.

Zasady udziału w zajęciach:
  • Wykład:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: Studenci uczestniczą w zajęciach poznając kolejne treści nauczania zgodnie z syllabusem przedmiotu. Studenci winni na bieżąco zadawać pytania i wyjaśniać wątpliwości. Studenci z wyprzedzeniem otrzymują materiały do wykładów.
  • Ćwiczenia laboratoryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: 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.
  • Zajęcia seminaryjne:
    – Obecność obowiązkowa: Tak
    – Zasady udziału w zajęciach: 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. Studenci rozwiazuja problemy, samodzielnie i w grupach, zadane przez prowadzącego.
Sposób obliczania oceny końcowej:

Egzamin pisemny i ustny
Ocena końcowa jest średnią ważoną ocen z egzaminu (waga 0.5), seminarium (waga 0.3), laboratorium (waga 0.2)
W przypadku oceny niedostatecznej z egzaminu w terminie I i ewentualnie II. Oceną z egzaminu jest średnia ważona z wagą 0,7 dla ostatniej oceny.

Uwaga:
Do egzaminu w terminie “0” dopuszczone są osoby, które uzyskały z laboratorium i seminarium średnią 4.0

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

Seminaria
Student może mieć 3 nieusprawiedliwione nieobecnosci na seminariach. Zobowiazany jest napisać 4 kolokwia w ciagu semestru. Zaległe kolokwia Student pisze w czasie godzin kontaktowych. Zaległą prezentację może przedstawić, za zgodą prowadzacego, na nastepnych zajęciach.

Laboratoria
Wymagana jest wykonanie wszystkich ćwiczeń. Zaległe ćwiczenie mozna odrobić, za zgoda prowadzacego, z inną grupą.

Wymagania wstępne i dodatkowe, z uwzględnieniem sekwencyjności modułów :

Znajomość zagadnień z zakresu chemii fizycznej, krystalochemii i chemii ciała stałego nauczanych w trakcie pierwszych dwóch lat studiów

Zalecana literatura i pomoce naukowe:

1.F.Nadachowski, S.Jonas, W.S.Ptak; Wstęp do projektowania technologii ceramicznych.
Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków 1999
2. K. Tkacz – Śmiech: Termodynamika dla ceramików, Kraków, 2013
2.R. Pampuch; Materiały ceramiczne. PWN, Warszawa 1988
3.R. Pampuch, K.Haberko, M.Kordek ; Nauka o procesach ceramicznych. PWN, Warszawa 1992
4.F. Nadachowski, S.Jonas, K.Wodnicka; Zarys Ceramografii; Ceramika/Ceramics, vol. 82,
2003.
5.„Wykłady z nauki o materiałach dla ceramików” w wersji elektronicznej, umieszczone
na serwerze Ośrodka Edukacji Niestacjonarnej AGH.

Literatura uzupełniająca:
1.A. Staronka; Chemia fizyczna
2.J. Dereń, J.Haber, R.Pampuch; Chemia ciała stałego

Publikacje naukowe osób prowadzących zajęcia związane z tematyką modułu:

1. K. Tkacz – Śmiech: Termodynamika dla ceramików, Kraków, 2013
2. Katarzyna Tkacz-Śmiech: Kryształy jonowo–kowalencyjne typu AB i ABO3: związki pomiędzy składem chemicznym, budową, naturą wiązań i wybranymi właściwościami, Ceramika, Polski Biuletyn Ceramiczny, 95, 2006.
3. Jonas S., Koleżyński A., Lis J., Tkacz-Smiech K..: Model studies of microstructure changes in sintering of ceramics, Solid State Phenomena, 147-149 (2009) 890.
4. 5. Katarzyna Tkacz-Śmiech: Multicomponent Diffusion, Kraków 2018 (ISBN 978-83-65955-06-7)
5. B. Bożek, M. Danielewski, K. Tkacz-Śmiech, M. Zajusz: Interdiffusion: compatibility of Darken and Onsager formalisms, Materials Science and Technology 31 (2015) 1633.
6. Katarzyna Tkacz-Śmiech, K,Koper, A, Mikuła, B, Sahraoui, J, Jaglarz : Structural and Optical Characterization of Carbon Nitride Layers Deposited by Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition at Various Conditions, Thin Solid Films 646 (2018) 28

Informacje dodatkowe:

Brak