docPrezentacja programu PowerPoint
download 
Reklamacja Transkrypt
Prezentacja programu PowerPoint
2016-01-07 Polikryształy Podstawy Nauki o Materiałach – 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, Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Polikryształy – podział 1 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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; Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów jednofazowych - model Kąt dwuścienny na granicy faz w ciele stałym zwilżanie fazy stałej przez fazę ciekłą Kąt dwuścienny w polikrysztale 2 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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: = 120o czyli = = = 120o Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów jednofazowych - model A w przypadku miejsca styku czterech ścian? = = = = 109o 28’ Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów jednofazowych spiek korundowy Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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. Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych SiC + B4C ZrO2 + WC Korund + Si + grafit Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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), Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych Stan spieku proszek po formowaniu materiały ziarniste np. ogniotrwałe materiały budowlane porcelana ceramika specjalna szkło Porowatość w praktyce 40 - 60 % 30 - 40 % 20 - 40 % poniżej 2 % poniżej 5 % poniżej 1 % Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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; Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 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 = 2sc cos(/2) czyli: cos(/2) =(1/2)ss/sc Przypadki graniczne: 1. Pełne zwilżanie - = 0o gdy ss /sc 2 2. Brak zwilżalności - gdy ss << sc = 180o Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 7 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych 8 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Budowa polikryształów wielofazowych porcelana Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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/ Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów • 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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, Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów Obróbka cieplna najczęściej dwustopniowa dla wytworzenia zarodków i wzrostu krystalitów; 10 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów Budowa tworzyw szkłokrystalicznych: faza krystaliczna - 5 do 95%, wielkość ziaren 0,02 - 2 m, (nieprzeźroczyste), porowatość 0% Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów Przykłady składów: SiO2 - Al2O3 - LiO2 - z metalami szlachetnymi SiO2 - Al2O3 - MgO z metalami lub TiO2 typu miki (o wyglądzie porcelany) ; 58 %SiO2 -16% Al2O3 -12% CaO Właściwości : • Wysoka wytrzymałość, • Wyższa niż szkło odporność na pękanie, • Odporność na szoki cieplne, • Nieprzeźroczystość, • Możliwość formowania metodami szklarskimi. Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów a) proszek wyjściowy b) kształtka po prasowaniu c) kształtka po doprasowaniu izostatycznym d) po spiekaniu e) po obróbce mechanicznej Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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. Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 12 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów Schemat rozkładu naprężeń w szyjce między ziarnami Wielkość i rozkład naprężeń w szyjce wynika z działania sił napięcia powierzchniowego na zakrzywionych powierzchniach. Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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). Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 13 2016-01-07 Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów 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 SiO2 (C3 S) - alit (60%) Krzemian dwuwapniowy - belit Glinian dwuwapniowy C2S C3 A Faza ferrytowa Podstawy Nauki o Materiałach – Polikryształy Otrzymywanie polikryształów Podstawowe reakcje hydratacji 2 C3 S + 6H = C3 S2 H3 + 3CH 2 C2 S + 5H = C2 S2 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
