Struktura krystaliczna i amorficzna metali

Transkrypt

1

2 Co to jest ciało amorficzne? Ciało amorficzne (bezpostaciowe) jest to ciało stałe nie wykazujące charakterystycznego dla kryształu okresowego uporządkowania atomów (cząsteczek) i wynikających z niego właściwości.

3 Materiały amorficzne Cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Z tego powodu ciało takie dość często nazywa się stałą cieczą przechłodzoną. Warstwa krystaliczna pomiędzy warstwami amorficznymi.

4 Postać amorficzną wyróżniamy w takich grupach materiałów jak: szkła metale i ich stopy stopy polimerów Struktura amorficzna Struktura krystaliczna

5 Metale i ich stopy o budowie amorficznej Faza amorficzna rzadko występuje w całej objęto tości substancji spotykanych w praktyce, lecz zwykle współistnieje z fazą krystaliczną.. W ciałach ach takich pojawiają się wówczas wczas domeny (niewielkie obszary) fazy krystalicznej, przemieszane z domenami fazy amorficznej. Struktura metalu Zmieniając c warunki schładzania cieczy, można zmieniać proporcje jednej fazy do drugiej w dość szerokim zakresie.

6 Otrzymywanie Metal w stanie ciekłym jest zamrażany w bardzo szybkim tempie (1000K/s). W trakcie tak nagłego schładzania cząsteczki nie zdążą utworzyć sieci krystalicznej i pozostają we wcześniejszej pozycji. Charakterystyczną cechą tego typu materiałów jest zdolność do ciągłego i odwracalnego przejścia ze stanu stałego w stan ciekły pod wpływem zmian temperatury i ciśnienia.

7 Szkło metaliczne 30µm x30µm Otrzymywane w ten sposób materiały y amorficzne noszą nazwę tzw.szk szkła a metalicznego, które posiada budowę jak zwykłe szkło o okienne. Szkło metaliczne (AL 87 NI 8.7 Y 4.3 )

8 Własności szkła metalicznego Materiał nie ma właściwości typowych dla szkła. Jest to jednocześnie amorficzny metal i metaliczne szkło wykazujące charakterystyczne cechy dla obydwu grup materiałów. Szkło metaliczne [żelazo (czerwony), cyrkon (niebieski), bor (srebrny)]

9 Własności szkła metalicznego Szkło metaliczne jest trzy razy bardziej wytrzymałe od najlepszych stali i dziesięć razy bardziej sprężyste.

10 Amorficzne stopy polimerów Ogólne zachowanie polimerów amorficznych jest w dużym stopniu uzależnione od ich temperatury zeszklenia Tg. Poniżej tej temperatury cząsteczki są w zasadzie zablokowane w stanie stałym. Tworzywo charakteryzuje się sztywnością i dużą odpornością na pełzanie, ale jednocześnie wykazuje tendencje do kruchości i wrażliwości na zmęczenie.

11 Nanomateriały Nanomateriałem przyjęto nazywać polikrystaliczną substancję złożoną z ziaren nie przekraczającą 100 nanometrów (nm). Jest nim zwykle wielkość ziarna, lecz może być też grubość warstw wytworzonych lub nałożonych na podłożu. Granica wielkości nanomateriałów jest różna dla materiałów, o różnych własnościach użytkowych i na ogół wiąże się z pojawieniem nowych jakościowo właściwości po jej przekroczeniu.

12 1 nano = 10-9 m Nanokryształami mogą być czyste materiały, ich stopy jak również tworzywa ceramiczne, szkła. Porównując materiały polikrystaliczne z materiałami nanokrystalicznymi, warto zwrócić uwagę na liczbę atomów w każdym z nich. Przykładowo, w 1µm 3 diamentu jest 176 bilionów atomów węgla,natomiast w 1nm 3 tylko176.

13 Nanomateriały można podzielić na następujące trzy grupy: Nanomateriały zerowo-wymiarowe, bądź materiały nanoheterogeniczne zbudowane z osnowy, w której są rozmieszczone cząstki o wymiarach nanometrów, Nanomateriały jedno- lub dwuwymiarowe. Warstwy o grubości nanometrów typu jednofazowego lub wielofazowego, Nanomateriały trójwymiarowe,tj. złożone z krystalicznych ziaren i klastrów odpowiednich faz o wymiarach rzędu nanometrów. Kropki kwantowe

14 Nanomateriały - klasyfikacja Do najważniejszych rodzajów nanomateriałów można zaliczyć: Nanomateriały metaliczne( stopy, kompozyty metal-metal i metal-ceramika), Nanomateriały ceramiczne i szklano-ceramiczne, Nanomateriały dla elektroniki, Funkcjonalne materiały gradientowe, Nanomateriały polimerowe, Nanomateriały biomedyczne do zastosowań medycznych.

15 Do najciekawszych osiągnięć nanotechnologii na przestrzeni ostatnich lat zaliczyć należy opracowanie nanokrystalicznych materiałów magnetycznie miękkich otrzymywanych przez krystalizację szkieł metalicznych oraz wytworzenie izotropowych magnesów o dużej energii magnetycznej Przenikalność równoważna, ě e 5*10 5 2* *10 4 2* *10 3 2* Stopy amorficzne na osnowie Co Ferryty Mn-Zn Nanokrystaliczne Nanokrystaliczne stopy Fe-Si-B-Nb-Cu stopy Fe-M-B-Cu FINEMET NANOPERM Stopy amorficzne na osnowie Fe Stale krzemowe 5*10 2 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Indukcja nasycenia, B[ s T ] Nanokrystaliczne stopy (Fe-Co)-M-B-Cu HITPERM Stopy Fe-Co Zależność indukcji nasycenia Bs od przenikalności me dla wybranych stopów amorficznych i nanokrystalicznych oraz konwencjonalnych materiałów magnetycznie miękkich.

16 Cechy nanomateriałów: Stopy metali o strukturze nanometrycznej otrzymywane metodą mechanicznej syntezy mogą mieć skład fazowy i chemiczny nieosiągalny metodami konwencjonalnymi i dzięki temu, w porównaniu ze stopami konwencjonalnymi, mają lepszą wytrzymałość mechaniczną i odporność korozyjną. nanorurki

17 Zmniejszenie wielkości ziaren związków międzymetalicznych do skali nanometrów powoduje pojawienie się zjawiska superplastyczności, Odporność na pełzanie zaawansowanych wysokotemperaturowych konstrukcyjnych materiałów ceramicznych, może być zwiększone prawie o rząd wielkości przez wytworzenie ich w postaci nanomateriałów typu zerowymiarowego, gdzie w matrycy są wytrącenia drugiej fazy o wymiarze nanometrycznym, NANOKAPSUŁKI

18 materiały polimerowe z wbudowanymi cząstkami o rozmiarach nanometrycznych wykazują wysoką odporność na ścieranie i właściwości ślizgowe, znajdując zastosowanie jako bezsmarowe elementy maszyn, nanokrystalicze układy warstwowe mogą mieć zastosowanie jako materiały gradientowe w układach elektronicznych lub jako materiały o gigantycznym i tulejowym magnetooporze, implanty z biomateriałów metalicznych, węglowych, tlenkowych zwiększają wytrzymałość protez i ich bioaktywność. Nanorurki

19 Otrzymywanie nanomateriałów Nanomateriały są wytwarzane na świecie w laboratoriach naukowych od około połowy lat osiemdziesiątych, między innymi w postaci proszków, cienkich warstw lub izolowanych cząstek przy wykorzystaniu metod mechanicznych, fizycznych lub chemicznych:

20 Najbardziej znane postacie nanomateriałów: Fuleren Powierzchnia fulerenów składa się z układu sprzężonych pierścieni składających się z pięciu i sześciu atomów węgla. Najpopularniejszy fuleren, zawierający 60 atomów węgla (tzw. C 60 ) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. Zastosowanie: Medycyna, Nadprzewodniki, Fotooptyka, Katalizatory etc.

21 Nanorurki -Składają się z ułożonych warstwami płaskich arkuszy sześciokątów węglowych. Najcieńsza z możliwych rurek ma średnicę 1,38 nm, akurat idealnie taką, aby można ją było z obu stron zamknąć. Nanorurki można napełnieniać metalami. Przez takie "nadziewanie" można otrzymywać z nanorurek ukształtowane w pożądany sposób przewodniki i półprzewodniki.

22 Krystaliczna struktura metali W kryształach atomy są ułożone w odstępach okresowo powtarzających się w co najmniej trzech nierównoległych kierunkach. Kryształ charakteryzuje się symetrycznym ułożeniem elementów sieci przestrzennej.

23 Schematy rodzajów sieci przestrzennych (według A. Bravais`ego)

24 Współrzędne węzłów i kierunków sieciowych

25 Przykłady wskaźnikowania płaszczyzn sieciowych w układzie regularnym