3. Anyagtudományi alapok

Átírás

1 3. Anyagtudományi alapok Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék Iroda: H épület 1. emelet; Tel.:

2 Vázlat Kristályszerkezet Kristálytan alapjai Kerámiák jellemző szerkezetei Főbb típusok Oxid és nem oxid kerámiák főbb típusai Szerkezeti példák Kötésviszonyok Néhány fontos tulajdonság Termikus, mechanikai és optikai tulajdonságok Tulajdonságok mérése 2

3 Kristályszerkezet Hatszöges elrendezés (2D és 3D) Köbös elrendeződés Gömbök szoros elrendeződése 3

4 Azonos átmérőjű gömbök elhelyezkedése Természeti példák 4

5 Kristályszerkezet Nem csak egyféle méretű atomok elrendeződése Különböző koordinációs szám 2-8 között A lehető legtömörebb szerkezet Stabil Stabil Instabil 5

6 Kristályszerkezet Kettős (biner) oxidok szerkezete 6

7 Kristályszerkezet, kristálytan Az összes lehetséges atomi elrendezést le lehet írni a 14 Bravais cella használatával Kristályállandók (6 db) Élhosszak (a, b, c) Sarokpont körüli szögek (α, β, γ) Kristályszerkezetek (7) 7

8 Kristályszerkezet, kristálytan Triklin 1 cella (P) Monoklin 2 cella (P, C) Rombos 4 cella (P, C, I, F) Hatszöges 1 cella (P) Négyzetes 2 cella (P, I) Romboéderes 1 cella (R) Köbös 3 cella (P, I, F) 8

9 Kristályszerkezet Lapon centrált elemi cella Na (116 pm) Ο Cl (167 pm) Izodezmikus kristály Ionok, ionsugarak Irányítatlan kötések r C /r A = 116/167 = 0,69 Koordinációs szám 6 Expandált elemi cella A oktaéderek a csúcspontjaikon kapcsolódnak 9

10 Kristályszerkezet Korund (Al 2 O 3 ) szerkezete Közepes méretű kationok sesquioxidjai (3 vegyértékű fémek oxidjai) Al Ο O Ionsugarak Al 3+ 67,5 pm O pm Koordinációs szám: 6 r C /r A = 67,5/125 = 0,54 0,414 < r C /r A < 0,

11 Kristályszerkezet Ritka földfém oxidok (nagyméretű kationok) A trigonális (La 2 O 3, Nd 2 O 3 ) Koordinációs szám: 8 B torozított monoklin (Sm 2 O 3, Gd 2 O 3 ) Koordinációs szám: 8 C köbös (Er 2 O 3 ) Koordinációs szám: Å 11

12 Kristályszerkezet Közepes méretű négyértékű kationok oxidjai Rutil (TiO 2 ) Ti, Ο O CrO 2 PbO 2 Koordinációs szám 6 12

13 Kristályszerkezet Nagyméretű két- és négyértékű kationok oxidjai és vegyületei CaF 2 (8) Ca Ο F ZrO 2 (6) CeO 2 (8) 13

14 Főbb típusok Oxid kerámiák SiO 2 (az egyik legfontosabb kerámiai anyag) Szerkezetileg az egyik legbonyolultabb kerámia Felhasználás Tűzálló tégla Kerámiai alapanyag Üveggyártás Egykristályként az elektronikai iparban Szigetelő filmek a félvezető chipekben 14

15 A SiO 2 kerámiák szerkezete Nagyon változatos szerkezetek Fontosabb polimorf módosulatok α-kvarc β-kvarc Nagy nyomású tridimit Normál nyomású tridimit 870 C alatt α- felette β-forma keletkezik α-krisztobalit β-krisztobalit 1470 C alatt α- felette β-forma keletkezik Amorf módosulatok SiO 2 üvegek SiO 2 aerogélek 15

16 A SiO 2 kerámiák szerkezete A kvarc módosulatai (Mezodezmikus kristályok) α-kvarc (alacsony T) β-kvarc (alacsony T)

17 Szilikátok SiO 2 -t tartalmazó vegyületek (szilikátkémia) Csoportosítás Szerkezet Si/O arány NBO/T ζ Példa Neoszilikát (ortoszilikát) Soroszilikát (piroszilikát) 1:4 4 0 Mg 2 SiO 4 2:7 3 1 Ca 2 MgSi 2 O 7 Cikloszilikát 1:3 2 2 Be 3 Al 2 Si 6 O 18 Inoszilikát (metaszilikát) Phylloszilikát (lapok) Tektoszilikát (háló) 1:3 2 2 CaMgSi 2 O 6 2:5 1 3 Mg 3 Si 4 O 10 (OH) 2 1:2 0 4 SiO 2 NBO nem kötő oxigén, T tetraéder, ζ kötő oxigén 17

18 A szilikátok fázisviszonyai Összetett viszonyok Al 2 O 3 -SiO 2 fázisdiagram 18

19 Szilikátok szerkezete Cirkon (ZrSiO 4 ) Neoszilikát Kerámísznezék Fém cirkónium előállítása Drágakőipar 19

20 Az Al 2 O 3 módosulatai Sok változatos polimorf módosulat 20

21 Az egyes módosulatok közötti átmenetek C α-alo(oh) (diaspore) α-al 2 O C C γ-al(oh) 3 (gibbsite) χ κ α-al 2 O 3 5Al 2 O 3 5H 2 O (tohdite) κ χ α-al 2 O 3 Vapor (CVD) κ α-al 2 O C C 750 C 900 C C C C C γ-alo(oh) (bohemite) γ δ θ α-al 2 O C C C α-al(oh) 3 (bayerite) η θ α-al 2 O 3 Melt γ δ,θ α-al 2 O 3 21

22 Spinelek (Mg, Al oxidok) Vegyes fémoxidok Példa: MgAl 2 O 4 (rubin) Drágakövek A fém vegyértékétől függő különböző koordináció Stabilis szerkezet Sokféle kation, illetve anion helyettesítés Változatos színek 22

23 Az Al 2 MgO 4 spinel szerkezete 23

24 A spinelek csoportosítása 24

25 Nem-oxid kerámiák BN szerkezete atmoszférikus nyomáson Kettős kötések jellege 25

26 SIALON Kiindulási vegyület: Si 3 N 4 Alfa és béta módosulatok SiN 4 tetraéderek A nitrogén részben helyettesítve: Si 2 N 2 O Az Si 3 N 4 és SiO 2 1:1 arányú vegyülete További alkotók (ALON) AlN Al 2 O 3 A négy alkotó együtt SIALON 26

27 SIALON fázisdiagram 27

28 Karbid-kerámiák Gyémánt szerkezet Lapon centrált köbös rács A csúcsaikon kapcsolódó tetraéderek SiC Londasdelit szerkezet Hexagonális rácsú gyémánt 28

29 Borid-kerámiák A LaB 6 szerkezete (keresztkötésű bór oktaéderek) 29

30 Kötésviszonyok A kötéstípusok és jellemzőik 30

31 Ionos kötés 31

32 Néhány fontos tulajdonság Termikus tulajdonságok d V Hőtágulás (10-6 K -1 ) α l = 1 d T P α V = 1 V T P Vegyület Szerkezet Koord. szám. α 1000 MgO NaCl 6 13,0 ZnO Wurtzite 4 7,3 Al 2 O 3 Corundum 6 8,6 ThO 2 Fluorite 8 9,0 ZrO 2 Baddeleyite 7 8,2 β-sio 2 High quartz 4 0,0 ZnS Sphalerite 4 9,0 GaAs Sphalerite 4 6,7 BN Sphalerite 4 13,0 TiC NaCl 6 8 C Diamond 4 3,5 32

33 Termikus tulajdonságok Hővezetés jellemző értékek h = -k gradt h a hővezető képesség Vegyület Szerkezet K (Wm -1 K -1 ) Ag Al (fcc) 430 Cu Al (fcc) 400 C Diamond 2000 c-bn Sphalerite 1300 SiC Sphalerite 490 AlN Sphalerite 320 Si Diamond 160 Al 2 O 3 Corundum 24 Al 2 MgO 4 Spinel 10,2 Cr 2 MgO 4 Spinel 7,5 Mg 2 SiO 4 Olivine 5,2 Fe 3 O 4 Spinel 5,1 ZnS Sphalerite 17,2 CaLa 2 S 4 Th 3 P 4 1,7 33

34 Mechanikai tulajdonságok Deformáció egyirányú terhelésnél ε = sδ és δ = cε ε fajlagos nyúlás(strain), s rugalmassági tényező, δ mechanikai (húzó vagy nyomó) feszültség (stress), c merevségi tényező Izotróp anyagoknál (üvegek, polikristályos kerámiák) δ = Eε E a Young modulus (rugalmassági tényező) Nyírás esetén τ = Gγ τ nyíró(csúsztató) feszültség, G nyírási rugalmassági modulus, γ nyírási alakváltozás (szögelfordulás) 34

35 Rugalmassági tényezők 35

36 Mechanikai tulajdonságok Keménységmérés Knoop vagy Vickers keménység Gyémánt indentorok Knoop keménység maximuma 90 GPa 36

37 Mechanikai tulajdonságok Vickers keménység adatok 37

38 Mechanikai tulajdonságok Törési szívósság Kritikus feszültség intenzitási tényező (K ic ) K I = σ a Y a W σ az el nem tört testre jellemző feszültség (pl. húzófeszültség), a törés mérete, Y a törési síkra merőleges távolság, W minta szélessége 38

39 Optikai tulajdonságok Fényelnyelés Lambert-Beer törvény I = I o e -αt α elnyelési (abszorpciós) tényező α= 4π k ν k kioltási (extinkciós) tényező, ν fényfrekvenciája 39

40 Optikai tulajdonságok Elektromágneses elnyelés 40

41 Optikai tulajdonságok Szín: 3 tényező függvénye Fényforrás Megvilágított objektum Emberi szem Látható fény: nm hullámhossz Objektum: abszorpciós vagy reflexiós spektrum Emberi szem: Hullámhossz érzékeny Legélesebb látás a spektrum zöld tartományában 41

42 Optikai tulajdonságok Lumineszcencia 42

43 Elektromos tulajdonságok Dielektrikumok Dielektromos kerámiák (kondenzátorok) Piroelektromos kerámiák (hőérzékelők) Piezoelektromos kerámiák (adatátvivők, vezérlők) Ferroelektromos kerámiák (kapacitások) Elektromos vezetők Gyors ionvezetők (nagy energiasűrűségű telepek) Fémes vezetők (magas hőmérsékletű vezetők) Szupravezetők (energiatermelés) 43

44 Mágneses tulajdonságok Hiszterézis görbe 44

45 Mágneses tulajdonságok Lágy és kemény mágnesek 45