Orientacyjny plan zajęć (semestr VI)

Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 1. Wprowadzenie 2. Wiadomości wstępne Struktura, defekty, wiązania a właściwości; Podstawy termodynamiczne; Dyfuzja; Reakcje w fazie stałej. Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 3. Wybrane materiały funkcjonalne i technologie stosowane w elektronice i elektrotechnice: Materiały elektroniczne i elektrotechniczne: metale; Materiały elektroniczne i elektrotechniczne: półprzewodniki; Wytwarzanie monokryształów; Cienkie warstwy; Litografia, trawienie i inne technologie półprzewodnikowe; Układ scalony, połączenia między różnymi materiałami;

Orientacyjny plan zajęć (semestr VI) 4. Inne materiały funkcjonalne Szkło i aerożele; Nadprzewodniki; Kompozyty; Materiały twarde; Orientacyjny plan zajęć (semestr IX) 1. Materiały ceramiczne Izolatory; Przewodniki jonów; Materiały magnetyczne; Ceramiki o szczególnych właściwościach mechanicznych; 2. Materiały a energia Magazynowanie i oszczędzanie energii Ogniwa fotowoltaiczne; Diody elektroluminescencyjne i lasery; Ogniwa paliwowe; 3. Materiały naturalne

Świat materiałów Metale Ceramika, szkło Kompozyty Polimery, elastomery Pianki Materiały naturalne Unit 1, Frame 1.4 Znaczenie różnych materiałów

Funkcja materiału... SKŁAD, STRUKTURA, WIĄZANIA PROCESY TECHNOLO- GICZNE FUNKCJA WŁAŚCI- WOŚCI I KSZTAŁT Na czym polega wybór odpowiedniego materiału? PROJEKTOWANIE

Projektowanie Stworzyć produkt efektywnie i bezpiecznie spełniający swoją funkcję przy rozsądnych kosztach Gromadzenie danych analiza statystycz na Wybór materiałów i procesów Analiza Ekonomiczna Mechanical Properties Bulk Modulus 4.1-4.6 GPa Compressive 55-60 MPa Strength Ductility 0.06-0.07 Elastic Limit 40-45 MPa Endurance Limit 24-27 MPa Fracture Toughness 2.3-2.6 MPa.m 1/2 Hardness 100-140 MPa Loss Coefficient 0.009-0.026 Modulus of Rupture 50-55 MPa Poisson's Ratio 0.38-0.42 Shear Modulus 0.85-0.95 GPa Tensile Strength 45-48 MPa Young's Modulus 2.5-2.8 GPa $ Test Wyniki testu Wszystkie dane Potencjalne zastosowania Produkt końcowy Badania Wybór i wdrożenie Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Ogólne: gęstość 1.05-1.07 g/cm 3 cena około 8 zł/kg Własności mechaniczne: Moduł Younga 1.1-2.9 GPa Granica sprężystości 18-50 MPa Wytrzymałość 27-55 MPa Wydłużenie 6-8 % Twardość - Vickers 6-15 HV Odporność na uderzenia duża

Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Własności termiczne Maksymalna temperatura pracy 350-370 K Rozszerzalność termiczna 70-75 x10-6 1/K Ciepło właściwe 1500-1510 J/kg.K Przewodność cieplna 0.17-0.24 W/m.K Własności elektryczne Dobry izolator Własności optyczne Nieprzezroczysty Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Procesy technologiczne ABS może być wyciągane, kształtowane w formach pod ciśnieniem lub wytwarzane w postaci arkuszy, które są później ostatecznie formowane w próżni w podwyższonej temperaturze. Fragmenty można ze sobą łączyć za pomocą ultradźwięków, zgrzewania, lub można je sklejać żywicami poliestrowymi, epoksydowymi itd.

Przykład: ABS Acrylonitrile-butadiene-styrene (ABS) - (CH 2 -CH-C 6 H 4 ) n Mając to wszystko na uwadze: Z ABS wytwarza się: kaski, rury hydrauliczne, wewnętrzne części wyposażenia samochodów, pokłady łodzi, walizki, tace,obudowy komputerów, zabawki,.. 1. Wiadomości wstępne 1. Wiązania chemiczne. 2. Struktura krystaliczna. 3. Defekty strukturalne. 4. Co z tego wszystkiego wynika: niektóre właściwości fizyczne i chemiczne.

Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału a zatem i potencjalnych funkcji pełnionych przez materiał są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracjia elektronowa składników materiału. Wiązania: uwagi ogólne F A F R r F = F + F N A R 1. Gdzie F N : Wypadkowa siła działająca między atomami 2. F A : Siła przyciągająca 3. F R : Siła odpychająca

Obliczanie energii wiązania: 1. Zależność między siłą i energią: de 2. Gdy dr wiązania E = E N = = = Fdr r F r E N F dr + A dr A = 0, E E N N = + E 0 R r F R dr Energia Siła i energia

Wiązanie jonowe Wiązanie kowalencyjne 1. Nie jest to zwykłe nałożenie chmur elektronowych; 2. Zmiana rozkładu gęstości elektronowej i energii;

Wiązanie metaliczne Wiązania pomiędzy cząsteczkami: + + - + - + Przyciąganie między dipolami (mogą to być też tylko chwilowe dipole),

Wiązanie wodorowe Rodzaje ciał stałych Krystaliczne i amorficzne

Można sobie kryształ wyobrazić jako: Powtarzające się w przestrzeni, identyczne bryły geometryczne KOMÓRKI ELEMENTARNE lub PRYMITYWNE Aby jednoznacznie opisać budowę ciała krystalicznego: Należy podać: KSZTAŁT ROZMIAR ZAWARTOŚĆ Komórki elementarnej lub prymitywnej

Kształty możliwych komórek elementarnych Istotne pojęcia: Stosowane oznaczenia: wskaźniki kierunków i płaszczyzn; Liczba atomów w komórce elementarnej; Liczba koordynacyjna; Gęstość upakowania; Kierunki i płaszczyzny gęsto upakowane; Luki tetraedryczne, oktaedryczne, sześcienne;

Wskaźniki kierunków, płaszczyzn,.. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Gęstość upakowania, liczba koordynacyjna,... Ilość atomów w komórce: 4 Liczba koordynacyjna: 12 Gęstość upakowania: 0.74 Płaszczyzny najgęściej upakowane: (001) i (111)

Gęstość upakowania na płaszczyźnie: (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Kierunki gęsto upakowane. Znajdowanie kierunku gęsto upakowanego. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Położenia międzywęzłowe Położenia międzywęzłowe (luka międzywęzłowa) Położenia pomiędzy normalnymi atomami i jonami w krysztale w których inny atom lub jon może się znajdować. Zazwyczaj, rozmiar położenia międzywęzłowego jest mniejszy niż jon lub atom zajmujący takie położenie. Położenia międzywęzłowe są ważne m in dlatego, że są one często zajęte przez mniejsze atomy (w kryształach związków chemicznych). Położenia międzywęzłowe Położenia międzywęzłowe mogą być różne: Luka sześcienna Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną osiem. Luka oktaedryczna - Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną sześć. Luka tetraedryczna - Atom międzywęzłowy ma liczbę koordynacyjną cztery.

Położenia międzywęzłowe w regularnych komórkach elementarnych. (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Przykład: luki oktaedryczne w komórce fcc (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning

Przykład: luki oktaedryczne w komórce fcc 12 oktaedrycznych położeń międzywęzłowych na środkach krawędzi sześcianu: 1,0,0 2 1 0,,0 2 1 0,0, 2 1,1,0 2 1 1,,0 2 1 1,0, 2 1,0,1 2 1 1,,1 2 1 1,1, 2 1,1,1 2 1 0, 2 1 0,1, 2,1 Oraz jedna w środku: 1/2, 1/2, 1/2. Każde z położeń na krawędziach komórki należy do czterech sąsiednich komórek, zatem tylko 1/4 każdego położenia należy do komórki. Zatem, liczba oktaedrycznych położeń międzywęzłowych w jednej komórce elementarnej fcc: (12 krawędzi) (1/4 na komórkę) + 1 w środku = 4

Materiały amorficzne O tym, czy dane ciało będzie krystaliczne, czy amorficzne decydują różne czynniki, z których najważniejszym jest szybkość chłodzenia.

Materiały amorficzne 1. Uporządowanie atomów w materiale amorfcznym nie jest całowicie przypadowe: 1) Koordynacja atomów jest podobna. 2) Kąty między wązaniami i ich długość też są zbliżone do tych w krysztale. Uporządowanie jest reprezentowane przez radialną funckję rozkładu, g(r) g(r) jest prawdopodobieństwem znalezienia atomu w odległości między r a r+δr od środka atomu odniesienia. Radialna funkcja rozkładu 1. Wybieramy atom odniesienia o promieniu a; Wtedy: 2. g(r) = 0 dla r<a 3. g(r) 1 dla dużych r 4.W odległościach pośrednich, g(r) oscyluje wokół jedności - uporządkowanie bliskiego zasięgu. Najbliżsi sąsiedzi dowolnego atomu wykazują pewne uporządkowanie - jednak nie takie jak w krysztale. SiO 4 -kąty są około 120º ale nie są dokładnie równe 120 º

Radialna funkcja rozkładu 1.Wynik pomiaru i obliczone na jego podstawie odległości między atomami w szkle kwarcowym: Radialna funkcja rozkładu Nie ma dużej różnicy między amorficznym ciałem stałym a cieczą.

Mikrostruktura 1. Granice międzyziarnowe występują we wszystkich materiałach polikrystalicznych. Jak wszystko to się ze sobą wiąże, zależy jedno od drugiego i wpływa na właściwości materiału

1. Jak wiązanie chemiczne wpływa na strukturę materiału Wiązanie jonowe. Wiadomo, że kryształy jonowe krystalizują tylko w niektórych strukturach. Wynika to z silnego elektrostatycznego odpychania między jonami tego samego znaku.

Promienie jonowe Promienie jonowe, r k /r a r kation r anion LK ZnS <.155.155-.225.225-.414.414-.732.732-1.0 2 3 4 6 8 NaCl CsCl 4

Przykład: CsCl r Cs + = 0.17 nm i r Cl - = 0.181 nm, zatem: r Cs +/ r Cl - = 0.17/0.181 = 0.939 Ponieważ 0.732 < 0.939 < 1.000, więc liczba koordynacyjna powinna być 8. Taka właśnie jest. (c) 2003 Brooks/Cole Publising / Thomson Learning Struktura fluorytu.

Wiązanie kowalencyjne. Również kryształy kowalencyjne krystalizują tylko w niektórych strukturach. Wynika to z kierunkowości wiązania. W rezultacie:

Przykłady struktur krystalicznych o dominującym wiązaniu kowalencyjnym Wiązanie metaliczne 1. Wiązanie jest bezkierunkowe. Im więcej elektronów uczestniczy w tworzeniu wiązania, tym lepiej. +ve ion cores -ve electron sea

Kryształy metaliczne są gęsto upakowane

2. Jak wiązanie chemiczne wpływa na defekty Wiązanie jonowe. Podstawowym warunkiem, który musi być spełniony aby utworzyć defekt jest warunek obojętności elektrycznej: kryształ jako całość musi pozostać obojętny.

Wakanse Defekt Schottky ego = para wakansów: kationowego i anionowego Defekt Frenkla = Para wakans atom międzywęzłowy Domieszki 1. Sprawa jest prosta, gdy mają taki sam ładunek: Gdy podstawnik ma inny ładunek: wakans -1-1 -1-1 -1-2 -1-1

Dyslokacje w kryształach jonowych. Dyslokacja w krysztale MgO Wiązanie kowalencyjne. Wiązanie kowalencyjne jest zazwyczaj silne. W związku z tym utworzenie wakansu wymaga dużej energii. Domieszki, natomiast, można wytworzyć łatwo i mają one bardzo duże znaczenie technologiczne. Dyslokacje powstają, ale są mało ruchliwe.

Wiązanie metaliczne. W kryształach metalicznych występują wszystkie możliwe defekty. Podsumowanie: jaki to wszystko ma wpływ na właściwości materiału (w wielkim skrócie)

F F Właściwości fizyczne 1. Temperatura topnienia; 2. Moduły sprężystości moduł Younga (E). 3. Wytrzymałość - naprężenie, powyżej którego materiał się trwale odkształca. 4. Współczynnik rozszerzalności cieplnej miara zmiany rozmiarów materiału wskutek zmiany temperatury. 5. Właściwości elektryczne. T M Długość wiązania, r r Temperatura topnienia, Tm Energia (r) Energia wiązania, Eo Energia (r) r o mniejsza T m r Długość równowagowa r o r Eo= energia wiązania większa T m Tm jest wyższa gdy Eo większa. 15

d( Energia) sila = = d( odleglosc) de da 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning E Prawo Hooke a length, Lo niezdeformowane L rozciągnięte Przekrój poprzeczny A 0 F Moduł Younga F L = E A o Lo A naprężenie odkształcenie Zatem: F = 0 E( L ) siła jest liniową funkcją zmiany Lo długości, a współczynnik proporcjonalności zależy od E.

E 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Zatem moduł Younga zależy od nachylenia dflda w pobliżu odległości równowagowej. Oznacza to, że: E Moduł Younga jest większy gdy Eo jest większe Energia r o Długość równowagowa r Mniejszy moduł Younga Większy moduł Younga 16

α Współczynnik rozszerzalności cieplej, α długość Lo T 1 < T 2 T 1 L T 2 L = α (T 2 -T 1 ) Lo α 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning Materiały o silnym wiązaniu: duże E 0, co oznacza głębokie i wąskie minimum energii, mają mały współczynnik rozszerzalności cieplnej.

Wytrzymałość Wytrzymałość i granica plastyczności zależy od rodzaju wiązań chemicznych, od struktury krystalicznej i od defektów struktury Naprężenie Stal Aluminium Alumina Glass Odkształcenie Przewodnictwo elektryczne

Metale Tylko w metalach są prawie swobodne elektrony, które przewodza prąd. Pasmo przewodzenia Pasmo walencyjne Półprzewodniki i izolatory Pasmo przewodzenia (puste) Duża przerwa energetyczna Pasmo walencyjne (całkowicie zapełnione) Pasmo przewodzenia (puste) Mała przerwa Pasmo walencyjne (całkowicie zapełnione) Izolator Półprzewodnik

Wpływ defektów na właściwości elektryczne: P N Pasmo przewodnictwa Pasmo przewodnictwa Poziomy domieszek Pasmo walencyjne Pasmo walencyjne