Polikryształy Polikryształy. Polikryształy podział

Podobne dokumenty
Nauka o Materiałach. Wykład IV. Polikryształy I. Jerzy Lis

Wykład IV: Polikryształy I. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Wykład V: Polikryształy II. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

30/01/2018. Wykład V: Polikryształy II. Treść wykładu (część II): Krystalizacja ze stopu. Podstawowe metody otrzymywania polikryształów

Nauka o Materiałach. Wykład XI. Właściwości cieplne. Jerzy Lis

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

Technologie wytwarzania metali. Odlewanie Metalurgia proszków Otrzymywanie monokryształów Otrzymywanie materiałów superczystych Techniki próżniowe

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PLASTYCZNOŚĆ. Zmiany makroskopowe. Zmiany makroskopowe

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 097

Wykład IX: Odkształcenie materiałów - właściwości plastyczne

Nauka o Materiałach. Wykład IX. Odkształcenie materiałów właściwości plastyczne. Jerzy Lis

Materiałoznawstwo optyczne CERAMIKA OPTYCZNA

Kompozyty Ceramiczne. Materiały Kompozytowe. kompozyty. ziarniste. strukturalne. z włóknami

Sylabus modułu kształcenia/przedmiotu

Wykład XI: Właściwości cieplne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

30/01/2018. Wykład X: Właściwości cieplne. Treść wykładu: Stabilność termiczna materiałów

Nauka o Materiałach. Wykład VI. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste i plastyczne. Jerzy Lis

30/01/2018. Wykład IX: Dekohezja. Treść wykładu: Dekohezja - wprowadzenie. 1. Dekohezja materiałów - wprowadzenie.

Wykład X: Dekohezja. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Właściwości cieplne Stabilność termiczna materiałów. Stabilność termiczna materiałów

Materiały Reaktorowe. Efekty fizyczne uszkodzeń radiacyjnych c.d.

σ c wytrzymałość mechaniczna, tzn. krytyczna wartość naprężenia, zapoczątkowująca pękanie

MATERIAŁY SPIEKANE (SPIEKI)

Technologie wytwarzania. Opracował Dr inż. Stanisław Rymkiewicz KIM WM PG

PRODUKCJA CEMENTU str. 1 A9

Dekohezja materiałów. Przedmiot: Degradacja i metody badań materiałów Wykład na podstawie materiałów prof. dr hab. inż. Jerzego Lisa, prof. zw.

Statyka Cieczy i Gazów. Temat : Podstawy teorii kinetyczno-molekularnej budowy ciał

Budowa stopów. (układy równowagi fazowej)

Wpływ popiołów lotnych krzemionkowych kategorii S na wybrane właściwości kompozytów cementowych

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 097

Ćwiczenie nr 2. Badanie kształtu i wielkości porów oraz połączeń między porami w biomateriałach ceramicznych

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: CTC s Punkty ECTS: 8. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

CERAMIKI PRZEZROCZYSTE

KRYSTALIZACJA METALI I STOPÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Rok akademicki: 2014/2015 Kod: CIM s Punkty ECTS: 8. Poziom studiów: Studia I stopnia Forma i tryb studiów: Stacjonarne

9.CERAMIKA, SZKŁO. Irena Zubel Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechnika Wrocławska (na prawach rękopisu)

Nauka o Materiałach dr hab. inż. Mirosław Bućko, prof. AGH B-8, p. 1.13, tel

MATERIAŁOZNAWSTWO Wydział Mechaniczny, Mechatronika, sem. I. dr inż. Hanna Smoleńska

Wyznaczanie temperatur charakterystycznych przy użyciu mikroskopu wysokotemperaturowego

ĆWICZENIE. Wpływ nano- i mikroproszków na udział wody związanej przez składniki hydrauliczne ogniotrwałych cementów glinowych

STRUKTURA STOPÓW UKŁADY RÓWNOWAGI FAZOWEJ. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE PĘKANIE. Dekohezja. Wytrzymałość materiałów. zniszczenie materiału pod wpływem naprężeń

Technologia ceramiki: -zaawansowanej -ogniotrwałej Jerzy Lis, Dariusz Kata Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Wybrane przykłady zastosowania materiałów ceramicznych Prof. dr hab. Krzysztof Szamałek Sekretarz naukowy ICiMB

KLIWOŚCI WYZNACZANIE NASIĄKLIWO. eu dział laboratoria. Więcej na: Robert Gabor, Krzysztof Klepacz

Materiały Reaktorowe. Właściwości mechaniczne

MATERIAŁOZNAWSTWO. dr hab. inż. Joanna Hucińska Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 128 (budynek Żelbetu )

chemia wykład 3 Przemiany fazowe

PRACE. Instytutu Szk³a, Ceramiki Materia³ów Ogniotrwa³ych i Budowlanych. Nr 5

BADANIA STRUKTURY MATERIAŁÓW. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

MATERIAŁOZNAWSTWO. Prof. dr hab. inż. Andrzej Zieliński Katedra Inżynierii Materiałowej Pok. 204

Krystalizacja. Zarodkowanie

INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice

forma studiów: studia stacjonarne Liczba godzin/tydzień: 2W, 1L PRZEWODNIK PO PRZEDMIOCIE

Termodynamiczne warunki krystalizacji

Synteza Nanoproszków Metody Chemiczne II

MATERIAŁY KOMPOZYTOWE

Nauka o Materiałach. Wykład V. Polikryształy II. Jerzy Lis

W tygle używane do topienia (grzanie indukcyjne) metali (szlachetnych) W płyty piecowe / płyty ślizgowe / wyposażenie pieca

Kierunek i poziom studiów: Chemia budowlana, II stopień Sylabus modułu: Chemia ciała stałego 0310-CH-S2-B-065

Nowoczesne materiały konstrukcyjne : wybrane zagadnienia / Wojciech Kucharczyk, Andrzej Mazurkiewicz, Wojciech śurowski. wyd. 3. Radom, cop.

Struktura materiałów. Zakres tematyczny. Politechnika Rzeszowska - Materiały lotnicze - I LD / dr inż. Maciej Motyka.

NIEDOSKONAŁOŚCI BUDOWY CIAŁA STAŁEGO KRYSZTAŁY RZECZYWISTE.

30/01/2018. Wykład VI: Proszki, włókna, warstwy. Nauka o Materiałach. Treść wykładu:

ZAKRES AKREDYTACJI LABORATORIUM BADAWCZEGO Nr AB 687

WŁAŚCIWOŚCI KRUSZYW LEKKICH MODYFIKOWANYCH ZUśYTYMI ADSORBENTAMI

Materiały budowlane - systematyka i uwarunkowania właściwości użytkowych

Równowagi fazowe. Zakład Chemii Medycznej Pomorski Uniwersytet Medyczny

Nauka o Materiałach. Wykład VIII. Odkształcenie materiałów właściwości sprężyste. Jerzy Lis

BADANIE WŁAŚCIWOŚCI CEMENTU GLINOWEGO

Możliwość stosowania frakcjonowanych UPS w produkcji autoklawizowanego betonu komórkowego

Czym się różni ciecz od ciała stałego?

Nauka o Materiałach Wykład II Monokryształy Jerzy Lis

Wstęp... CZĘŚĆ 1. Podstawy technologii materiałów budowlanych...

Wykład VI: Proszki, włókna, warstwy. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

LABORATORIUM NAUKI O MATERIAŁACH

INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ

Przedmiot: Chemia budowlana Zakład Materiałoznawstwa i Technologii Betonu

Materiały ceramiczne. Publikacja współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

Konsolidacja Nanoproszków I - Formowanie. Zastosowanie Nanoproszków. Konsolidacja. Konsolidacja Nanoproszków - Formowanie

MIKROSKOPIA METALOGRAFICZNA

Technologie Materiałowe II Wykład 2 Technologia wyżarzania stali

Pytania do egzaminu inżynierskiego, PWSZ Głogów, Przeróbka Plastyczna

Właściwości kryształów

Analiza strukturalna materiałów Ćwiczenie 4

WyŜsza Szkoła InŜynierii Dentystycznej im. prof. Meissnera

SEMINARIUM Z NAUKI O MATERIAŁACH

1. BADANIE SPIEKÓW 1.1. Oznaczanie gęstości i porowatości spieków

Politechnika Gdańska, Inżynieria Biomedyczna. Przedmiot: BIOMATERIAŁY. Metody pasywacji powierzchni biomateriałów. Dr inż. Agnieszka Ossowska

Wykład XIV: Właściwości optyczne. JERZY LIS Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki Katedra Technologii Ceramiki i Materiałów Ogniotrwałych

Materiały Ogniotrwałe

Tlenkowe Materiały Konstrukcyjne

Niektóre zagadnienia inżynierii materiałowej, w których dyfuzja odgrywa podstawową rolę.

Zjawiska powierzchniowe

WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE SPRĘŻYSTOŚĆ MATERIAŁ. Właściwości materiałów. Właściwości materiałów

SKURCZ BETONU. str. 1

Leon Murawski, Katedra Fizyki Ciała Stałego Wydział Fizyki Technicznej i Matematyki Stosowanej

Popiół lotny jako dodatek typu II w składzie betonu str. 1 A8. Rys. 1. Stosowanie koncepcji współczynnika k wg PN-EN 206 0,4

MATERIAŁY CERAMICZNE

IKiFP im. J. Habera PAN

Transkrypt:

Polikryształy Polikryształy materiały o złożonej budowie, którego podstawą są połączone trwale (granicami fazowymi) różnie zorientowane elementy krystaliczne (monokrystaliczne?). Większość występujących naturalnie w przyrodzie i wytwarzanych syntetycznie materiałów ma budowę polikrystaliczną. Polikryształy są układami termodynamicznie nietrwałymi, Budowa polikryształów jest ściśle związana ze sposobem ich otrzymywania, Budowa polikryształu może być bardzo zróżnicowana, Polikryształy podział 1

Budowa polikryształu A. ZIARNA - pojedyncze kryształy oddzielone granicami międzyziarnowymi. W polikrysztale mogą znajdować się ziarna wielu faz. B. PORY - puste przestrzenie między ziarnami wypełnione fazą gazową C. FAZA AMORFICZNA (SZKLISTA) - występująca jako oddzielne elementy mikrostruktury lub w postaci warstw na granicach ziaren D. WTRĄCENIA DYSPERSYJNE - małe kryształy występujące w objętości ziaren Budowa polikryształów jednofazowych Budowa polikryształów tj. geometria ziaren wynika z dwóch zasad: 1. Tendencji do zapełnienia przestrzeni elementami geometrycznymi (ziarnami); 2. Ustalania się lokalnych stanów równowagi w miejscach styku granic międzyziarnowych; Mikrostruktura budowa polikryształu na poziomie mikroskopowym; Zgład przekrój polikryształu, powierzchnia wypolerowana i wytrawiona, w mikroskopie optycznym lub SEM; Budowa polikryształów jednofazowych - model Kąt dwuścienny na granicy faz w ciele stałym zwilżanie fazy stałej przez fazę ciekłą Kąt dwuścienny w polikrysztale 2

Budowa polikryształów jednofazowych - model Równowaga na styku trzech ścian W warunkach równowagi i = 0 stąd dla trzech ścian: 1 = 2 cos( /2)+ 3 cos( /2) jeżeli: 1 = 2 = 3 = to = 2 cos( /2) stąd cos( /2) = 1/2 to: = 120 o czyli = = = 120 o A w przypadku miejsca styku czterech ścian? Budowa polikryształów jednofazowych - model = = = = 109 o 28 Budowa polikryształów jednofazowych - model Brak jest bryły foremenej spełniające powyższe warunki równości kątów i kryterium zapełnienia przestrzeni. Kryteria te najlepiej przybliża tzw. czternastościan Kelvina który posiada 8 ścian sześciobocznych i 6 ścian kwadratowych 3

Budowa polikryształów jednofazowych W rzeczywistości w polikryształach jednofazowych ziarna mają różne wymiary. Zachowanie warunków równowagi napięć powierzchniowych powoduje, że ściany ziaren mają krzywizny - wypukłe lub wklęsłe. Mikrostrukturę polikryształu obrazuje struktura piany mydlanej Budowa polikryształów jednofazowych spiek korundowy Budowa polikryształów jednofazowych W przypadku silnego zróżnicowania wartości energii powierzchniowej na poszczególnych płaszczyznach krystalograficznych, w polikrysztale mogą powstawać ziarna o dominacji ścian o najniższych energiach zorientowanych tak, aby wystąpiła największa koincydencja sieci. Zjawisko to występuje zwłaszcza w materiałach o wiązaniach kowalencyjnych spiek SiC 4

Budowę polikryształów złożonych z ziaren różnych faz określają także warunki równowagi w miejscach styku granic międzyziarnowych. Przykład gęstego spieku 25 %SiC - sialon Gęsty polikryształ dwufazowy o zbliżonych wartościach energii powierzchniowej obu faz. SiC + B 4 C ZrO 2 + WC Korund + Si + grafit W wypadku polikryształów wielofazowych (zwłaszcza ceramicznych) istotny wpływ właściwości ma obecność w materiale drugiej fazy w postaci: fazy gazowej (porowatość) będącej konsekwencją procesu otrzymywania materiału. fazy szklistej, W praktyce ss = sc Stąd pory są negatywem ziaren 5

Przyczyny obecności porów w materiale - otrzymywanie polikryształów porowatych - proces technologiczny nie pozwala (lub się nie opłaca) na otrzymanie w pełni gęstego polikryształu (w wypadku spiekania z proszków), -w sposób świadomy otrzymuje się polikryształ o założonym udziale i kształcie porów (materiały izolacyjne, filtry, podłoża do katalizatorów), Stan spieku Porowatość w praktyce proszek po formowaniu 40-60 % materiały ziarniste np. ogniotrwałe 30-40 % materiały budowlane 20-40 % porcelana poniżej 2 % ceramika specjalna poniżej 5 % szkło poniżej 1 % Przykłady materiałów o kontrolowanej, wysokiej porowatości (50-90%) Przygotowanie specjalnej formy materiału wstępnie uformowanego typu plaster miodu ; Przygotowanie do spiekania materiału w formie piany; Wprowadzenie do spiekanej masy elementów, które po usunięciu z układu zostawiają pory; Wydzielanie się w toku wypalania gazu wskutek reakcji chemicznych; Spiekanie żeli otrzymanych metodami chemicznymi - metoda zol-żel; Odwzorowanie mikrostruktury gąbki; 6

Polikryształy z fazą szklistą Obecność w polikrysztale fazy amorficznej (szklistej) jest typowa dla materiałów ceramiki szlachetnej (stopy krzemianowe), ceramiki ogniotrwałej (niskotopliwe eutektyki) i ceramiki specjalnej (aktywatory spiekania); Fazy te powstały przez zestalenie się stopionych faz występujących w procesie powstawania polikryształów; Forma i sposób rozprowadzenia fazy szklistej w polikrysztale zależy od: a) stopnia zwilżania ciała stałego przez fazę szklistą (w warunkach powstawania polikryształu), b) udziału objętościowego fazy szklistej, Równowaga granic w obecności fazy szklistej (stopionej): ss = 2 sc cos( /2) czyli: cos( /2) =(1/2) ss / sc Przypadki graniczne: 1. Pełne zwilżanie - = 0 o gdy ss / sc 2 2. Brak zwilżalności - = 180 o gdy ss << sc 7

8

porcelana Podstawowe metody otrzymywania polikryształów krystalizacja ze stopów, krystalizacja szkieł - materiały szkło-krystaliczne, spiekanie proszków (jednofazowych, z fazą ciekłą, witryfikacja) wiązanie chemiczne i hydratacja, http://neper.sourceforge.net/ Podstawową metodą otrzymywania polikryształów jest otrzymywanie drogą krystalizacji ze stopów, Metodą ta otrzymuje się większość tworzyw metalicznych, Polikryształy ze stopu otrzymuje się w warunkach sprzyjających krystalizacji wielozarodkowej, 9

Tworzywa szkło-krystaliczne Szkło w zwykłych warunkach jest termodynamicznie metatrwałe. Procesy krystalizacji są bardzo wolne ze względu na wysoką lepkość. Sztucznie wywoływana krystalizacja (katalityczna) ma na celu otrzymanie tworzywa posiadającego wyższą odporność mechaniczną Tworzywa takie nazywamy szkło-ceramicznymi (dewitryfikaty, pyroceram). Otrzymane w 1960 r. w USA - PYROCERAM Krystalizacja szkła - do szkła wprowadza się zarodki heterogeniczne powodujące powstawanie centrów krystalizacji: a) cząstki metali (Ag, Au, Pt, Pd) lub fluorki (0.01-0.15 %), b) zarodki drugiej fazy szklistej powstałe wskutek likwacji, Obróbka cieplna najczęściej dwustopniowa dla wytworzenia zarodków i wzrostu krystalitów; 10

Budowa tworzyw szkłokrystalicznych: faza krystaliczna - 5 do 95%, wielkość ziaren 0,02-2 m, (nieprzeźroczyste), porowatość 0% Przykłady składów: SiO 2 - Al 2 O 3 - LiO 2 - z metalami szlachetnymi SiO 2 - Al 2 O 3 - MgO z metalami lub TiO 2 typu miki (o wyglądzie porcelany) ; 58 %SiO 2-16% Al 2 O 3-12% CaO Właściwości : Wysoka wytrzymałość, Wyższa niż szkło odporność na pękanie, Odporność na szoki cieplne, Nieprzeźroczystość, Możliwość formowania metodami szklarskimi. Spiekanie to podstawowy proces w technologiach otrzymywania materiałów ceramicznych i w metalurgii proszków zachodzące podczas obróbki wysokotemperaturowej; Spiekanie jest procesem w którym zbiór drobnych ziaren (proszek) przekształca się w sposób trwały w lity polikryształ. Proces zachodzi w temperaturze niższej od temperatury topienia podstawowego składnika proszku (0.5-0.8 temperatury topienia). Spiekanie jest procesem samorzutnym, gdyż wiąże się z obniżeniem nadmiarowej energii powierzchniowej układu tj. sumaryczna energia powierzchni swobodnej proszku jest większa niż energii powstających w polikrysztale granic międzyziarnowych. 11

a) proszek wyjściowy b) kształtka po prasowaniu c) kształtka po doprasowaniu izostatycznym d) po spiekaniu e) po obróbce mechanicznej W układzie proszku występują zjawiska realizujące przemiany układu w kierunku obniżenia sumarycznej energii proszku wywoływane lokalnymi siłami napędowymi wynikającymi ze zróżnicowania wartości potencjału chemicznego. Zróżnicowanie to wynika głównie z różnic krzywizn powierzchni ziaren w miejscu kontaktu. 12

Schemat rozkładu naprężeń w szyjce między ziarnami Wielkość i rozkład naprężeń w szyjce wynika z działania sił napięcia powierzchniowego na zakrzywionych powierzchniach. Przyczyną ukształtowania się w porowatym zbiorze ziaren stanu odpowiadającego hydrostatycznemu ściskaniu są występujące wewnątrz tego zbioru naprężenia spiekania, których źródłem są zakrzywione granice rozdziału: ciało stałe - gaz (por). 13

Polikryształy wytwarzane drogą wiązania chemicznego - wiązanie tworzyw drogą reakcji hydratacji; Tworzywa polikrystaliczne można otrzymywać drogą wiązania chemicznego w temperaturach pokojowych. Ważną grupę zajmują tworzywa otrzymywane wykorzystując reakcje hydratacji cementu z wodą. Podstawowe składniki klinkieru cementu portlandzkiego: Krzemian trójwapniowy 3 CaO SiO 2 (C 3 S) - alit (60%) Krzemian dwuwapniowy C 2 S - belit Glinian dwuwapniowy C 3 A Faza ferrytowa Podstawowe reakcje hydratacji 2 C 3 S + 6H = C 3 S 2 H 3 + 3CH 2 C 2 S + 5H = C 2 S 2 H4 + CH Powstają fazy C-S-H o zmiennym składzie chemicznym. Fazy te początkowo w formie żelu a następnie wydłużonych igieł (rurek) powodują stężenie zaczynu cementowego i wiążąc ziarna kruszywa powstawanie trwałej struktury betonu. 14