Egzamin InzNowMat.doc

1.Jakie cechy wpływają na właściwości mechaniczne materiałów

Do właściwości mechanicznych materiałów zaliczamy:

- twardość

- rozciągliwość(granice plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie)

- udarność

- reakcja na zmiany temperatury
Wiele cech wpływa  na właściwości mechaniczne materiałów, takich jak:

Temperatura – pod wpływem wzrostu temperatury, niektóre materiały mogą zmieniać swoje właściwości jak np. metal zwiększa swoją powierzchnię. W bardzo wysokich temperaturach niektóre materiały zmieniają swój stan skupienia, a z kolei w bardzo niskich mogą stać się kruche i nie odporne na uderzenia.

Dodawanie różnych dodatków – poprzez mieszanie niektórych materiałów np. z piaskiem, drobinami metali, barwnikami itp. Materiały zmieniają swoje właściwości mechaniczne (w zależności od dodanych elementów), tak jak twardość,  plastyczność, rozciągliwość.

Ponadto:

Zwiększenie wytrzymałości roztworów stałych. Przykład: Cu + dodatki

Wzmocnienie za pomocą wydzieleń innej fazy: gdy nie tworzy się roztwór stały.

Stop o składzie eutektycznym jest twardy i wytrzymały (ale może być kruchy)

W rezultacie: Jaki skład stopu jest najlepszy?

Oczywiście, zależy to od przeznaczenia materiału. Skład stopu ma jednak istotny wpływ na właściwości mechaniczne:

Na wykresie przedstawiona jest zawartość cyny w stopie ołowiu, oraz jak zmienia się rozciągliwość w zależności od ilości (określonej procentowo) cyny w stopie ołowiu. Widzimy, ze do 60% rozciągliwość rośnie, a po 60% zaczyna spadać.

2.Dyfuzja(mechanizm, znaczenie w inżynierii itp.) w ciele stałym.

Dyfuzja jest niezwykle ważnym procesem w mikroelektronice. Poniżej widzimy niektóre zagadnienia inżynierii materiałowej w których dyfuzja odgrywa kluczową rolę:
                                                                      1.Przewodnictwo jonowe

2.Domieszkowanie półprzewodnikowe
              3.Dyfuzja reakcyjna
              5.Spiekanie, łączenie dyfuzyjne

6.Bariery termiczne

7.Bariery przeciwko dyfuzji

Niektóre zagadnienia inżynierii materiałowej w których dyfuzja odgrywa kluczową rolę:

1. Efekt Kirkendalla: przemieszczanie się granicy między fazami wskutek nierównych szybkości dyfuzji różnych atomów wewnątrz materiału.

                                                                      2. "purple plague": powstawanie dziur w połączeniach

spawanych aluminium - złoto (przyczyna jak wyżej).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dyfuzja jest to samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, a także większych cząstek zawieszonych w płynach.
yfuzja w stanie stałym.

Polega na przemieszczaniu się atomów podstawowych lub domieszek stanie stałym na skutek istnienia gradientu temperatury lub gradientu koncentracji dyfundujących atomów. Szybkość dyfuzji bardzo wzrasta kryształach z dużą ilością defektów strukturalnych. Do mechanizmów dyfuzji w stanie stałym możemy zaliczyć dyfuzję za pośrednictwem defektów Schottky’ego (atomy przemieszczają się drogą wymiany z wakacjami. Zachodzi w roztworach substytucyjnych, Gdzie średnice atomów są zbliżone,
Q – stanowi energię konieczną do utworzenia wakacji i ich wymiany z atomami), dyfuzję za pośrednictwem defektów Frenkla (atomy domieszek przeskakują z jednej luki międzywęzłowej do drugiej sąsiedniej Q – stanowi energię konieczną do przeskoku. Ma ona znacznie mniejszą wartość niż przy dyfuzji mechanizmem wakacyjnym, co powoduje, że domieszki międzywęzłowe dyfundują znacznie szybciej niż substytucyjne. Zachodzi w roztworach międzywęzłowych przy znacznej różnicy wielkości atomów domieszek i osnowy np. H, B, C, N, i O), dyfuzja granicami ziarn (zachodzi w materiale polikrystalicznym. W wysokiej temperaturze granice ziarn nie stanowią dróg uprzywilejowanej dyfuzji, jednak rola ich wzrasta w miarę obniżenia temperatury), dyfuzja przez dyslokacje (podobnie jak granice ziarn mogą być drogami łatwego przenikania a tomów w niższych temperaturach). Dwa ostatnie mechanizmy odgrywają rolę głównie w procesach obróbki cieplnej, które zachodzą w zakresach niższych temperatur.
Prócz zagadnienia dyfuzji obcych cząsteczek danej substancji, ważne jest również zagadnienie samodyfuzji tj. dyfuzji atomów danej substancji wewnątrz tej samej substancji. Szybkość samodyfuzji może być mierzona przy zastosowaniu techniki atomów znaczonych, zwykle izotopów radioaktywnych danej substancji.
Dyfuzja domieszek do kryształów jest jedną z podstawowych metod domieszkowania kryształów półprzewodnikowych w celu kontrolowanej zmiany rezystywności i typu ich przewodnictwa. Używa się jej w technologii półprzewodnikowej przy wytwarzaniu złącz p-n oraz do lokalnej zmiany rezystywności kryształów.

Dyfuzja w gazach.
Teoria dyfuzji gazów rozwinęła się wraz z teorią kinetyczną gazów. Jak wiadomo, cząsteczki gazów mają ruchy translacji bardzo szybkie, o prędkościach idących w setki metrów na sekundę. Wydawałoby się, że dyfuzja gazów powinna przebiegać szybko. Tymczasem zupełnie tak nie jest, zderzenia, bowiem cząsteczek, idące w miliardy na sekundę w jednym centymetrze sześciennym tak przeszkadzają ich posuwaniu się w jakimś określonym kierunku, że proces dyfuzji przebiega wolniej. Dyfuzja, zatem jeśli chodzi o ilość (nie masę) przedzierających się cząsteczek będzie przebiegać intensywniej w wysokich temperaturach (wyższe prędkości translacji), przy niższym ciśnieniu (mniej cząsteczek, mniej zderzeń) i szybciej będą dyfundować cząsteczki lżejsze poruszające się szybciej od ciężkich.
Dyfuzja może być ustalona lub nieustalona. W pierwszym przypadku stężenie składnika wymienianego jest w każdym punkcie rozpatrywanej przestrzeni niezmienny w czasie. A w drugim przypadku dyfuzji pole stężeń składnika wymienianego jest nie tylko funkcją położenia, ale i czasu.
Teoria kinetyczna gazów przyjmuje następujące założenia: opór dyfuzji w pewnym kierunku przy dwu składnikach jest proporcjonalne do:
• Liczby cząsteczek składnika dyfundującego A
• Liczby cząsteczek składnika B przez, który dyfunduje składnik A
• Różnicy wypadkowych prędkości cząsteczek obu gazów, liczonych w kierunku dyfuzji
• Grubości warstwy, przez którą dyfuzja się odbywa, czyli inaczej drogi dyfuzji

Efekt Kirkendalla

-Zachodzi na granicy dwóch materiałów (metali), w przypadku, gdy szybkości dyfuzji A do B i B do A znacznie się różnią. Wskutek dyfuzji, na granicy dwóch metali

powstają puste miejsca

-Dodatkowy efekt: mogą również powstawań związki

międzymetaliczne, które najczęściej są kruche.

Konsekwencje technologiczne

-Wytwarzanie przewodów nadprzewodzących (Nb3Sn). Wytwarza się

je umieszczając Nb w brązie (Cu-Sn) i następnie wyciągając włókna.

Następnie, w czasie wygrzewania Nb reaguje z Sn dając Nb3Sn,

Samo Nb3Sn nie może być wyciągane w postaci włókien, ponieważ

jest kruche. Czarne punkty na rysunku po prawej są porami

wynikającymi z E.K.

-Podobnie wytwarza się stopy Ni-Ti z pamięcią kształtu

(Tzn wygrzewa się wielowarstwowe układy Ni/Ti/Ni/Ti...

3.Jakie właściwości materiału, istotne z praktycznego punktu widzenia, zależą od wiązania chemicznego

Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału, a zatem i potencjalnych funkcji pełnionych przez materiał są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracja elektronowa składników materiału.

Wiązania chemiczne dzielimy na:

-wiązania jonowe:

Stopy i roztwory związków chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe są elektrolitami, tzn. są zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego. W kryształach substancji jonowych, nośniki ładunku (jony) są "więźniami" sieci krystalicznej. W stopionych lub rozpuszczonych kryształach jony są z niej uwolnione i są zdolne przewodzić prąd elektryczny.

-wiązania kowalencyjne:

-W stanie stałym i ciekłym nie przewodzą prądu elektrycznego (wyjątkiem jest grafit).
- W stanie stałym tworzą kryształy cząsteczkowe lub kowalencyjne.
- Kryształy cząsteczkowe mają stosunkowo niskie temperatury wrzenia i topnienia.
-Kryształy kowalencyjne są trwałe, odporne mechanicznie, mają wysokie temperatury topnienia.
- Nie ulegają dysocjacji jonowej.
- Reagują zwykle wolno.
- Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych.

-wiązania metaliczne:

Obecność wiązania metalicznego nadaje substancji określone własności, które przyjęło się uważać za charakterystyczne dla metali, takie jak połysk, kowalność, dobra przewodność prądu i ciepła, termoemisja elektronów.

-wiązania wodorowe:

Związki zawierające wiązania wodorowe mogą występować we wszystkich stanach skupienia.

-wiązania pomiędzy cząsteczkami:

Przyciąganie pomiedzy dipolami(mogą to też być chwilowe dipole)

4.Reguła Faz Gibasa

Jeśli policzymy ile parametrów (stopni swobody) F musimy podać, aby jednoznacznie określić stan układu zawierającego C niezależnychskładników i P faz:

Zmiennych stężeniowych: C – 1    dla każdej fazy,   oraz      P(C – 1) dla wszystkich faz, a                                 uwzględniwszy P i T: P(C – 1)+2

Jak wykazaliśmy, dla każdego składnika: αJ βJ ... βJ γJ ... μ = μ μ = μ

co daje: P – 1 równań dla jednego składnika, oraz C(P – 1)

co daje: P – 1 równań dla jednego składnika, oraz C(P – 1)

dla wszystkich składników. Pomniejsza to liczbę parametrów koniecznychdo scharakteryzowania układu (czyli liczbę stopni swobody):

F = P(C – 1) + 2 – C(P – 1) = C – P + 2

Jest to reguła faz Gibbsa.

Innymi słowy mówiąc: Zmiany stanu skupienia są szczególnym przypadkiem przemian fazowych. Przez fazę rozumiemy jednorodną część układu chemicznego oddzieloną od pozostałych części wyraźnymi granicami – granicami międzyfazowymi. Każdy układ chemiczny określony jest przez liczbę faz oraz liczbę składników niezbędnych do zbudowania tego układu.

Ilość faz oraz składników jaka może występować w danym układzie jest zależna od temperatury, ciśnienia. Zależność tę ujmuje reguła faz Gibbsa:

gdzie:
s  –  ilość stopni swobody, czyli parametrów które możemy dowolnie zmieniać bez  zmiany ilości składników  a i ilości faz b w danym układzie,
- ilość składników niezależnych,
-  ilość faz.

5.Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest YBCO

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C).

YBCO:

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe występuje w temperaturze powyżej 30K, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju. Na razie nie ma teorii wyjaśniającej to zjawisko. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K (-135,15°C) dla związku (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

Głównym reprezentantem nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego jest związek YBa2Cu3O6+x (YBCO), który jest złożonym tlenkiem o warstwowej strukturze płaszczyzn CuO połączonych łańcuchami miedziowo-tlenowymi. YBCO (tlenek itrowo –barowo -miedziany)

4BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 → 2 YBa2Cu3O{7-x} + 13 CO2 + (3+x)O2

Związek YBa2Cu3O6 jest izolatorem. Musi być domieszkowany, by stać się metalicznym przewodnikiem, a poniżej Tc nadprzewodnikiem. Domieszkowanie polega na zwiększaniu zawartości tlenu – dodatkowe atomy tlenu tworzą łańcuchy miedziowo-tlenowe. Jony tlenu przyciągają elektrony z płaszczyzn CuO2, dzięki czemu przewodnictwo w tych płaszczyznach ma charakter metaliczny.

YBCO (YBa2Cu3O6+x)jest:

-          izolatorem - gdy 0<x<0,4,

-          nadprzewodnikiem - gdy 0,4<x<1.

Struktura YBCO może być schematycznie przedstawiona jako składająca się z dwóch warstw CuO2 rozdzielonych itrem. Te dwie warstwy rozdzielone są obszarem między warstwowym, składającym się z łańcuchów CuO i płaszczyzn BaO. Łańcuchy Cu-O można traktować jako swoisty „magazyn ładunku”, z którego może on być przekazywany do płaszczyzn CuO2.

6. Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest Guma

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) – związki chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą np. ich temperatury topnienia.

Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców ...