Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
This course provides a unified and detailed overview on the theory and characterization of disperse systems (powders and mainly suspensions) and heterogeneous materials (single-phase polycrystalline materials, multiphase, mainly two-phase, composites, and porous materials). The theoretical framework of this course is neoclassical continuum theory (so-called rational thermomechanics), classical electromagnetic field theory and the theory of multiphase mixtures or composites (so-called micromechanics). The first part of this course focusses on ensemble methods for the characterization of particle systems, mainly methods based on light scattering, and on methods for the characterization of microstructures via stereological relations. Then, after introducing the basic constitutive equations, the effective properties of disperse systems and hetergeneous materials are discussed, i.e. the viscosity of suspensions, the thermal conductivity of nanofluids, the elastic, thermal, thermoelastic and other properties of heterogeneous materials (single-phase polycrystalline, including nanocrystalline, and multiphase, mainly two-phase materials, including porous materials) are treated, with a special focus on rigorous bounds and predictive model relations (effective medium approximations). The course closes with brief outlooks on percolation theory, fluid flow in porous media, effective electric, magnetic and electromagnetic (optical) properties, including classical scattering theory (Mie theory), with which the course de facto starts and thus the circle closes.
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
Předmět podává ucelený a detailní přehled o teorii a charakterizaci disperzních soustav (prášků a především suspenzí) a heterogenních materialů (jednofázových polykrystalických materiálů, vícefázových kompozitů, především dvoufázových, a porézních materiálů). Teoretický rámec předmětu je neoklasická teorie kontinua (tzv. racionální termomechanika), klasická teorie elektromagnetického pole a teorie vícefázových směsí resp. kompozitů (tzv. mikromechanika). Na začátku předmětu jsou vysvětleny ensemblové metody charakterizace částicových soustav, především na základě rozptylu světla, a metody charakterizace mikrostruktur pomocí obrazové analýzy s důrazem na stereologické vztahy. Po uvedení základních konstitutivních rovnic jsou pak probrány jednotlivé efektivní vlastnosti těchto disperzních soustav resp. heterogenních materiálů, tj. viskozita suspenzí, tepelná vodivost nanofluidů, elastické, tepelné, termoelastické a jiné vlastnosti heterogenních materiálů (jednofázových polykrystalických, včetně nanokrystalických, a vícefázových, především dvoufázových resp. porézních), se zvláštním důrazem na exaktní meze a prediktivní modelové vztahy (aproximace efektivního prostředí). Závěr předmětu tvoří stručné přehledy o perkolační teorii, proudění tekutin v porézním prostředí, efektivních elektrických, magnetických a elektromagnetických (optických) vlastnostech a klasické teorii rozptylu (Mieovy teorie), kterou předmět de facto začíná, čímž se kruh uzavírá.
Aim of the course -
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
The students will be able to
(of course depending on the individual students‘ abilities to digest the matter offered in this course)
1. assign the models of disperse systems and heterogeneous materials into the corresponding framework theory (classical continuum theory, non-classical continuum theory, mixture theory etc.) and take full benefit from theories of micromechanics and scattering,
2. characterize disperse systems and the microstructure of heterogeneous materials lege artis and apply this ability in his or her own publications,
critically assess the models of disperse systems and heterogeneous materials published so far and distinguish scientific folklore from physically admissible models,
3. become aware of, critically assess and scrutinize the common practice of many current authors to confuse curve fitting with predcitive modeling, and on this basis rethink the whole problem and its consequences and achieve a firm standpoint for his or her own scientific work,
4. devolep new models or adapt existing models describing the relationship between the microstructure and properties of disperse systems and heterogeneous materials and apply these models in his or her own scientific work.
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
Studenti budou umět:
(samozřejmě v závislosti na schopnostech každého jednotlivce vstřebat látku zde nabízenou)
1. zařadit jednotlivé modely disperzních soustav a heterogenních materiálů do příslušného teoretického rámce (klasická teorie kontinua, neklasická teorie kontinua, teorie směsí atd.) a orientovat se v teorii mikromechaniky a rozptylu,
2. charakterizovat disperzní soustavy a mikrostrukturu heterogenních materiálů lege artis a aplikovat tuto schopnost ve vlastních publikacích,
3. kriticky hodnotit dosud publikované modely disperzních soustav a heterogenních materiálů a rozlišit populární vědecký folklor od fyzikálně skutečně přípustných modelů,
4. uvědomit si, kriticky hodnotit a prohlédnout rozšířenou praxi mnoha dnešních autorů nerozlišovat fitovací rovnice od predikčních modelů a na tomto základě celou problematiku zvážit, vytvořit si vlastní názor v této otázce a stanovisko pro vlastní vědeckou činnost,
5. sami vyvinout nové modely resp. adaptovat stávající modely popisující souvislosti mezi mikrostrukturou a vlastnostmi disperzních soustav a heterogenních materiálů a tyto modely aplikovat ve vlastní výzkumné práci.
Literature -
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
R - Torquato S.: Random Heterogeneous Materials - Microstructure and Macrosopic Properties. Springer, New York 2002. (ISBN 0-387-95167-9).
R - Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley-VCH, Weinheim 2004. (ISBN 0-471-29340-7).
R - Pabst W., Hostaša J.: Thermal conductivity of ceramics - from monolithic to multiphase, from dense to porous, from micro to nano, pp. 1-112 in Wythers M.C. (ed.): Advances in Materials Science Research. Nova Science, New York 2011. (ISBN 978-1-61209-821-0).
A - van de Hulst H. C.: Light Scattering by Small Particles. Dover, New York 1981. (ISBN 0-486-64228-3).
A - Pabst W., Gregorová E.: Effective elastic moduli of alumina, zirconia and alumina-zirconia composite ceramics, pp. 31-100 in Caruta B.M. (ed.): Ceramics and Composite Materials - New Research. Nova Science, New York 2006. (ISBN 1-59454-370-4).
A - Pabst W., Gregorová E.: Effective thermal and thermoelastic properties of alumina, zirconia and alumina-zirconia composite ceramics, pp. 77-138 in Caruta B.M. (ed.): New Developments in Materials Science Research. Nova Science, New York 2007. (ISBN 1-59454-854-4).
A - Pabst W.: Steps across the border - from micromechanics to the properties of nanoceramics, pp. 207-228 in Tseng T.-Y., Nalwa H.S. (eds.): Handbook of Nanoceramics and Their Based Nanodevices - Volume 3. American Scientific Publishers, Stevenson Ranch (California) 2009. (ISBN 1-58883-117-5).
A - Pabst W., Gregorová E.: Phase Mixture Models for the Properties of Nanoceramics. Nova Science Publishers, New York 2010. (ISBN 978-1-61668-673-4).
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
Z - Torquato S.: Random Heterogeneous Materials - Microstructure and Macrosopic Properties. Springer, New York 2002. (ISBN 0-387-95167-9).
Z - Bohren C. F., Huffman D. R.: Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley-VCH, Weinheim 2004. (ISBN 0-471-29340-7).
Z - Pabst W., Hostaša J.: Thermal conductivity of ceramics - from monolithic to multiphase, from dense to porous, from micro to nano, pp. 1-112 in Wythers M.C. (ed.): Advances in Materials Science Research. Nova Science, New York 2011. (ISBN 978-1-61209-821-0).
D - van de Hulst H. C.: Light Scattering by Small Particles. Dover, New York 1981. (ISBN 0-486-64228-3).
D - Pabst W., Gregorová E.: Effective elastic moduli of alumina, zirconia and alumina-zirconia composite ceramics, pp. 31-100 in Caruta B.M. (ed.): Ceramics and Composite Materials - New Research. Nova Science, New York 2006. (ISBN 1-59454-370-4).
D - Pabst W., Gregorová E.: Effective thermal and thermoelastic properties of alumina, zirconia and alumina-zirconia composite ceramics, pp. 77-138 in Caruta B.M. (ed.): New Developments in Materials Science Research. Nova Science, New York 2007. (ISBN 1-59454-854-4).
D - Pabst W.: Steps across the border - from micromechanics to the properties of nanoceramics, pp. 207-228 in Tseng T.-Y., Nalwa H.S. (eds.): Handbook of Nanoceramics and Their Based Nanodevices - Volume 3. American Scientific Publishers, Stevenson Ranch (California) 2009. (ISBN 1-58883-117-5).
D - Pabst W., Gregorová E.: Phase Mixture Models for the Properties of Nanoceramics. Nova Science Publishers, New York 2010. (ISBN 978-1-61668-673-4).
Syllabus -
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
1. Size and shape characterization of particles and particle systems (including anisometric particles) - from sedimentation to light scattering methods
2. Microstructural characterization of heterogeneous materials (including anisotropic microstructures) - from Archimedes to stereology-based image analysis
3. Stereology I: Volume fractions, porosity, interface density, mean curvature integral density, mean chord length and other size measures
4. Stereology II: Unfolding of size distributions using transformations based on Volterra-type integral equations, correlation functions
5. Rational mechanics of viscous fluids and elastic solids
6. Suspension rheology: Effective viscosity of dilute or concentrated suspensions with spherical or non-spherical particles
7. Linear theory of thermoelasticity (solids) and thermoviscosity (fluids)
8. Nanofluids: Effective viscosity and thermal conductivity
9. Effective properties of polycrystalline and nanocrystalline materials
10. Effective elastic properties and thermal conductivity of composites and porous solids I: Rigorous bounds, dilute and self-consistent approximations
11. Effective elastic properties and thermal conductivity of composites and porous solids II: Differential approximations, cluster expansions and other nonlinear models
12. Percolation theory and fluid flow in porous media
13. Effective electric, magnetic and electromagnetic (optical) properties
14. Classical theory of scattering (Mie theory and its approximations)
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
1. Velikostní a tvarová charakterizace částic a částicových soustav (včetně anizometrických částic) - od sedimentace k metodám využívajícím rozptyl světla
2. Charakterizace mikrostruktury heterogenních materiálů (včetně anizotropních) - od Archimeda k obrazové analýze pomocí stereologie
3. Stereologie I: Objemové frakce, pórovitost, hustota rozhraní, hustota integrálu středního zakřivení, střední délka úseků a jiné velikostní míry
4. Stereologie II: Rekonstrukce distribucí velikosti pomocí transformací na bázi Volterrových integrálních rovnic, korelační funkce
5. Racionální mechanika viskózních tekutin a elastických pevných látek
6. Reologie suspenzí: Efektivní viskozita zředěných a koncentrovaných suspenzí s kulovitými resp. nekulovitými částicemi
7. Lineární teorie termoelasticity a termoviskozity
8. Nanofluidy: Efektivní viskozita a tepelná vodivost
9. Efektivní vlastnosti polykrystalických a nanokrystalických materiálů
10. Efektivní elastické vlastnosti a tepelná vodivost kompozitů a porézních pevných látek I: Exaktní meze, lineární a self-konsistentní aproximace
11. Efektivní elastické vlastnosti a tepelná vodivost kompozitů a porézních pevných látek II: Diferenciální aproximace, clusterové rozvoje a jiné nelineární modely
12. Teorie perkolace a proudění tekutin v porézních prostředích
13. Efektivní elektrické, magnetické a elektromagnetické (optické) vlastnosti
14. Klasická teorie rozptylu (Mieova teorie a její aproximace)
Course completion requirements -
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
Oral exam.
Last update: Pabst Willi prof. Dr. Dipl.-Min. (14.04.2014)
