Wydział Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki Politechniki Wrocławskiej... INŻYNIERIA MATERIAŁOWA w elektronice... Dr hab. inż. JAN FELBA Profesor nadzwyczajny PWr 1
PROGRAM WYKŁADU Struktura materiałów Równowaga termodynamiczna Przemiany fazowe w metalach Dyfuzja Właściwości mechaniczne metali i stopów Umacnianie metali Materiały ceramiczne Polimery Materiały kompozytowe 2
STRUKTURA CIAŁ KRYSTALICZNYCH Większość substancji, wchodzących w skład materiałów konstrukcyjnych ma charakter krystaliczny tzn. regularny układ przestrzenny atomów, jonów lub cząstek Najmniejszy, charakterystyczny element przestrzenny sieci krystalograficznej nazywa się komórką elementarną NAJCZĘŚCIEJ WYSTĘPUJĄ TRZY RODZAJE STRUKTUR: 2. regularna płasko centryczna (ściennie centrowana) face-centered cubic FCC 3. regularna przestrzennie centrowana body-centered cubic BCC 4. heksagonalna zwarta hexagonal-close-packed HCP. 3
DEFEKTY PUNKTOWE LUKI LUB WAKANSY to nieobsadzone węzły sieci przestrzennej. Mogą one powstawać wskutek przejścia atomu lub jonu w położenie międzywęzłowe, w procesie krystalizacji lub w wyniku wibracji atomów ATOMY W POŁOŻENIU MIĘDZYWĘZŁOWYM (własne, a nie domieszki), wprowadzają stosunkowo duże zaburzenie sąsiedniej sieci, ponieważ atomy są większe niż miejsce w sieci przez nie zajmowane. Stąd prawdopodobieństwo występowania takich defektów jest znacznie mniejsze niż w przypadku luk. 4
UKŁADY Z PRZEMINĄ EUTEKTYCZNĄ Pb/Sn PUNKT EUTEKTYCZNY, o temperaturze 183C, zawiera fazy: roztwór ciekły C E = 61,9% Sn roztwór stały o zawartości C E = 19,2 % Sn roztwór stały o zawartości C E = 2,5% Pb. 5
WARUNKI SKOKOWEJ MIGRACJI ATOMÓW W SIECI: puste miejsce w sąsiedztwie wystarczająca energia atomu (energia drgań). Energia drgań rośnie wraz z temperaturą. MECHANIZM DYFUZJI DYFUZJA WAKANSOWA: przejście atomu domieszki (lub materiału podstawowego) z położenia węzłowego w lukę znajdującą się w sąsiedztwie DYFUZJA MIĘDZYWĘZŁOWA: atomy wędrują z jednej pozycji międzywęzłowej w drugą N v N Q v exp kt N v - liczba wakansów, N całkowita liczba węzłów (dla większości metali w stanie stałym N v /N jest rzędu 10-4 ), Q v energia aktywacji 6
ZJAWISKO KIRKENDALLA DYFUZJA ZWARCIOWA - przebiega wzdłuż dyslokacji, granic ziaren, i po powierzchniach zewnętrznych.(szybkość tego typu dyfuzji jest znacznie większa niż dyfuzji objętościowej) połączenie Cu-Au: dyfuzja objętościowa D, dyfuzja na granicach ziaren D tworzenie się związków międzymetalicznych Dyfuzja Cu Au jest znacznie szybsza niż dyfuzja w przeciwnym kierunku. Atomy Cu pozostawiają więc wakansy w sieci krystalicznej. Na skutek lokalnego przesycenia lukami w warstwie powierzchniowej Cu tworzą się pory jest to zjawisko Kirkendalla. Pory te mogą koagulować powodując powstanie przerw (w metalizacji) lub rozwarstwienia. 7
WŁAŚCIWOŚCI MECHANICZNE naprężenie nominalne wydłużenie względne F A 0 [ N / m 2 ] l l l 0 0 100 [%] 8
ROZROST ZIAREN rozrost ziaren polega na migracji granic wskutek dyfuzji 9
STRUKTURA MATERIAŁÓW CERAMICZNYCH Większość ceramik to związki pierwiastków metalicznych i niemetalicznych, których wiązania międzyatomowe są albo wyłącznie jonowe, albo w przeważającym stopniu jonowe. Większość kryształów ceramicznych można zatem rozpatrywać jako zbiory jonów: kationów pierwiastków metalicznych i anionów pierwiastków niemetalicznych Ze względu na konieczność zachowania równowagi ładunków, kryształ jako całość musi być elektrycznie obojętny. O ilości ładunków wskazuje wzór chemiczny związku. Np. CaF 2, fluorek wapnia, można przedstawić jako Ca 2+ oraz 2F -. kation anion 10
POLIMER MER (MONOMER) POLIREAKCJA POLIMER polimery są materiałami zbudowanymi z makrocząsteczek organicznych lub krzemianoorganicznych o ciężarze cząsteczkowym od 10.000 do kilku milionów HOMOPOLIMERY - polimery zbudowane z jednakowych merów KOPOLIMERY - polimery złożone z dwóch lub większej liczby różnych merów Węglowodory: Wiązanie pojedyncze (metan CH 4 ) Wiązanie podwójne (etylen C 2 H 4 ) Wiązanie potrójne (acetylen C 2 H 2 ) Związki nasycone Związki nienasycone izomery - struktury tego samego węglowodoru o odmiennych ułożeniach tych samych atomów 11
KOMPOZYTY O WZMOCNIENIU WŁÓKNISTYM Kompozyty wzmocnione fazą dyspersyjną w postaci włókien odznaczają się dużą wytrzymałością przy jednocześnie małym ciężarze właściwym, co jest opisywane: wytrzymałością właściwą (stosunek wytrzymałości na rozciąganie do ciężaru właściwego) modułem sprężystości (właściwym) (stosunek modułu sprężystości do ciężaru właściwego) DŁUGOŚĆ WŁÓKIEN w istotny sposób wpływa na własności mechaniczne kompozytów KRYTYCZNA DŁUGOŚĆ WŁÓKIEN, l c zależy do średnicy włókna d, jego wytrzymałości na rozciąganie f, oraz od siły wiązania włókno matryca (lub wytrzymałości na ścinanie matrycy) c l c f c d Dla większości włókien szklanych lub węglowych krytyczna długość włókien jest rządu 1 mm (20...150 x d). 12