Struktura krystaliczna i amorficzna metali Podstawy nauki o
Transkrypt
Struktura krystaliczna i amorficzna metali Podstawy nauki o
Podstawy nauki o materiałach Struktura krystaliczna i amorficzna metali Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Postać amorficzną wyróżniamy w takich grupach materiałów jak: szkła metale i ich stopy Struktura amorficzna Struktura krystaliczna stopy polimerów Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Metale i ich stopy o budowie amorficznej Faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości substancji spotykanych w praktyce, lecz zwykle współistnieje z fazą krystaliczną. W ciałach takich pojawiają się wówczas domeny (niewielkie obszary) fazy krystalicznej, przemieszane z domenami fazy amorficznej. Struktura metalu Zmieniając warunki schładzania cieczy, można zmieniać proporcje jednej fazy do drugiej w dość szerokim zakresie. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Szkło metaliczne 30µm x30µm Otrzymywane w ten sposób materiały amorficzne noszą nazwę tzw.szkła metalicznego, które posiada budowę jak zwykłe szkło okienne. Szkło metaliczne (AL87NI8.7Y4.3) Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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)] Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Własności szkła metalicznego Szkło metaliczne jest trzy razy bardziej wytrzymałe od najlepszych stali i dziesięć razy bardziej sprężyste. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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 1µm3 diamentu jest 176 bilionów atomów węgla,natomiast w 1nm3 tylko176. 1 nano = 10-9m Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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 Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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, ěe 5*10 5 2*10 5 10 5 5*10 4 10 4 Nanokrystaliczne Nanokrystaliczne stopy Fe-Si-B-Nb-Cu stopy Fe-M-B-Cu FINEMET NANOPERM Nanokrystaliczne stopy (Fe-Co)-M-B-Cu HITPERM Stopy amorficzne 4 2*10 na osnowie Co 5*10 3 2*10 3 10 3 5*10 2 Stopy amorficzne na osnowie Fe Ferryty Mn-Zn Stopy Fe-Co Stale krzemowe 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 Indukcja nasycenia, B[s T ] Zależność indukcji nasycenia Bs od przenikalności me dla wybranych stopów amorficznych i nanokrystalicznych oraz konwencjonalnych materiałów magnetycznie miękkich. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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 Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach { { 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 Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach • 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 Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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: Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. C60) ma kształt dwudziestościanu ściętego, czyli wygląda dokładnie tak jak piłka futbolowa. Zastosowanie: •Medycyna, •Nadprzewodniki, •Fotooptyka, •Katalizatory etc. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach •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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach 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. Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Schematy rodzajów sieci przestrzennych (według A. Bravais`ego) Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Współrzędne węzłów i kierunków sieciowych Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006 Podstawy nauki o materiałach Przykłady wskaźnikowania płaszczyzn sieciowych w układzie regularnym Struktura krystaliczna i amorficzna metali © Copyright by L.A. Dobrzański, IMIiB, Gliwice 2006
Podobne dokumenty
Techniczne zastosowania materiałów inżynierskich
Materiały odporne na zużycie trybologiczne Samosmarujące bezżelazowe tuleje łożyskowe z dodatkiem grafitu ZASTOSOWANIE: rozruszniki wszystkich typów samochodów polskiej produkcji i innych podzespoł...
Bardziej szczegółowo