3. Anyagtudományi alapok Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék amenyhard@mail.bme.hu Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477
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
Kristályszerkezet Hatszöges elrendezés (2D és 3D) Köbös elrendeződés Gömbök szoros elrendeződése 3
Azonos átmérőjű gömbök elhelyezkedése Természeti példák 4
Kristályszerkezet Nem csak egyféle méretű atomok elrendeződése Különböző koordinációs szám 2-8 között A lehető legtömörebb szerkezet Stabil Stabil Instabil 5
Kristályszerkezet Kettős (biner) oxidok szerkezete 6
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
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
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
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 2-126 pm Koordinációs szám: 6 r C /r A = 67,5/125 = 0,54 0,414 < r C /r A < 0,732 http://webmineral.com/jpowd/jpx/jpowd.php?target_file=corundum.jpx 10
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: 8 0.861 Å 11
Kristályszerkezet Közepes méretű négyértékű kationok oxidjai Rutil (TiO 2 ) Ti, Ο O CrO 2 PbO 2 Koordinációs szám 6 12
Kristályszerkezet Nagyméretű két- és négyértékű kationok oxidjai és vegyületei CaF 2 (8) Ca Ο F ZrO 2 (6) CeO 2 (8) 13
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
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
A SiO 2 kerámiák szerkezete A kvarc módosulatai (Mezodezmikus kristályok) α-kvarc (alacsony T) β-kvarc (alacsony T) http://webmineral.com/data/cristobalite.shtml http://webmineral.com/data/quartz.shtml 16
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
A szilikátok fázisviszonyai Összetett viszonyok Al 2 O 3 -SiO 2 fázisdiagram 18
Szilikátok szerkezete Cirkon (ZrSiO 4 ) Neoszilikát Kerámísznezék Fém cirkónium előállítása Drágakőipar http://webmineral.com/data/zircon.shtml#.uw2t9fl5om8 19
Az Al 2 O 3 módosulatai Sok változatos polimorf módosulat 20
Az egyes módosulatok közötti átmenetek 700-800 C α-alo(oh) (diaspore) α-al 2 O 3 150-300 C 650-750 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 3 1000 C 700-800 C 750 C 900 C 300-500 C 700-800 C 900-1000 C 1000-1100 C γ-alo(oh) (bohemite) γ δ θ α-al 2 O 3 200-300 C 600-800 C 1000-1100 C α-al(oh) 3 (bayerite) η θ α-al 2 O 3 Melt γ δ,θ α-al 2 O 3 21
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
Az Al 2 MgO 4 spinel szerkezete http://webmineral.com/data/spinel.shtml#.uw2u9pl5om8 23
A spinelek csoportosítása 24
Nem-oxid kerámiák BN szerkezete atmoszférikus nyomáson Kettős kötések jellege 25
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
SIALON fázisdiagram 27
Karbid-kerámiák Gyémánt szerkezet Lapon centrált köbös rács A csúcsaikon kapcsolódó tetraéderek SiC Londasdelit szerkezet Hexagonális rácsú gyémánt 28
Borid-kerámiák A LaB 6 szerkezete (keresztkötésű bór oktaéderek) 29
Kötésviszonyok A kötéstípusok és jellemzőik 30
Ionos kötés 31
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
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
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
Rugalmassági tényezők 35
Mechanikai tulajdonságok Keménységmérés Knoop vagy Vickers keménység Gyémánt indentorok Knoop keménység maximuma 90 GPa 36
Mechanikai tulajdonságok Vickers keménység adatok 37
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
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
Optikai tulajdonságok Elektromágneses elnyelés 40
Optikai tulajdonságok Szín: 3 tényező függvénye Fényforrás Megvilágított objektum Emberi szem Látható fény: 400-700 nm hullámhossz Objektum: abszorpciós vagy reflexiós spektrum Emberi szem: Hullámhossz érzékeny Legélesebb látás a spektrum zöld tartományában 41
Optikai tulajdonságok Lumineszcencia 42
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
Mágneses tulajdonságok Hiszterézis görbe 44
Mágneses tulajdonságok Lágy és kemény mágnesek 45