Metal jest materiałem (najczęściej krystalicznym) o wiązaniach metalicznych, którego główne cechy to:

• plastyczność sprężystość

dobre przewodnictwo prądu elektrycznego oraz ciepła ujemny współczynnik temperaturowy przewodności elektrycznej nieprzezroczysto ść

• metaliczny połysk

• wytrzymałość mechaniczna

• łatwość obróbki

Polimer

Polimer (gr. pofymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) - związek chemiczny o bardzo dużej masie cząsteczkowej, który składa się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle laką 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 mąjąjeszcze 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 organizmów żywych. Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wiciu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.

Podział polimerów

Wyróżnia się następujące podziały polimerów:

• ze względu na ich pochodzenie

• ze względu na topologie cząsteczek, czyli ich ogólny kształt przestrzenny

• ze względu na jednorodność budowy

• ze względu na budowę chemiczną

Podział ze względu na pochodzenie

• polimery syntetyczne - są to polimery pochodzące w 100% z syntezy chemicznej zaczynającej się od prostych monomerów

• polimery naturalne - są to polimery wytwarzane w 100% przez organizmy żywe: są to m.in. celuloza, białko, kwas nukleinowy.

• polimery modyfikowane - są to polimery naturalne, które jednak zostały sztucznie zmodyfikowane chemicznie, zwykle w celu zmiany ich własności użytkowych np.: octan celulozy, białko modyfikowane, skrobia modyfikowana.

Podział ze względu na topologię

• polimer liniowy - są to polimery, w których łańcuchy główne są proste i nie mają żadnych rozgałęzień np: wysokociśnieniowy polietylen lub teflon.

• polimer rozgałęziony - są to polimery, w których łańcuchy główne są w ten czy inny sposób rozgałęzione ■ wyróżnia się tutaj:

o polimer bocznołańcuchowy - w którym, krótkie, boczne łańcuchy są

regularnie bądź nieregularnie rozmieszczone wzdłuż głównego łańcucha:

o polimer rozgałęziony wielokrotnie po angielsku hyperhroncheci w

którym występuje wiele wielkokrotnych rozgałęzień. lak że nie da się już

wyróżnić głównego łańcucha:

o polimer gwiazdowy - w którym z jednego centralnego punktu wybiega

kilka do kilkunastu "ramion" będących zwykłymi liniowymi łańcuchami:

o dendrymer - są to polimery rozgałęzione wielokrotnie, ale w bardzo

regularny sposób, tworzące struktury podobne clo fraktali;

• polimer drabinkowy - są to polimery, w których występują dwa równolegle łańcuchy główne połączone od czasu do czasu, krótkimi, bocznymi łańcuchami

• polimer usieciowany - są to polimery, które tworzą przestrzenną ciągłą sieć, tak że nie da się już w nich wyróżnić pojedynczych cząsteczek.

• polimer cykliczny - stosunkowo rzadko spotykany - w którym zamiast liniowych cząsteczek występują ogromne cząsteczki cykliczne.

Podział ze względu na jednorodność budowy chemicznej

Podział ten opiera się na tym, czy w łańcuchu polimeru występuje jeden merów, czy też jest zbudow^rany z bloków pochodzących od dwóch lub więcej monomerów. Polimery zbudowane z wielu bloków pochodzących od kilku monomerów nazywa się kopolimerami zaś te które są otrzymywane z jednego monomeru homopolimerami.

Kopolimery dzieli się z kolei na:

• kopolimer statystyczny - są to polimery, w których występują krótkie losowo przemieszane bloki pochodzące od poszczególnych merów

• kopolimer gradientowy - są to polimery, w których wstępują krótkie losowo przemieszane bloki, jednak na jednym z końców cząsteczki można znaleźć więcej bloków jednego rodzaju a na drugim drugiego rodzaju

• kopolimer naprzemienny - są to polimery, w których ściśle naprzemiennie występują krótkie bloki pochodzące od poszczególnych merów

• kopolimer blokowy - są to polimery, w których występują długie bloki pochodzące z poszczególnych merów - zazwyczaj tylko 2 lub 3

• polimer szczepiony - są polimery, w których do głównego łańcucha są przyłączone bloki pochodzące od innego monomeru w formie bocznych odgałęzień.

Podział ze względu na budowę

• poliolefina - są to polimery zawierające tylko węgiel i wodór, w których występują długie łańcuchy węglowe -C-C-C-. Do najbardziej znanych przykładów zaliczają się polietylen, polipropylen i polistyren

• polimer winylowy - są to polimeiy otrzymywane w wyniku rozerwania wiązań C=C występujących w monomerach, na skutek czego powstają długie łańcuchy węglowe. Formalnie rzecz biorąc większość poliolefin również należy do polimerów winylowych, ale zazwyczaj rozumie się pod tą nazwą takie polimery jak poliakrylan. polimetakrylan. polichlorek winylu itp.. a więc zawierające oprócz węgla i wodoru także inne atomy.

• poliester - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania estrowe

• pol i eter - są to polimery, w których w głównych łańcuchach występują wiązania eterowe, najbardziej znanym przedstawicielem jest poliftlenek etylenu)

• poliamid - są to polimery w których występuje wiązanie amidowe (-NH-C(O)-)

• poliuretan - są to polimery, w których występują wiązania uretanowe ( -NH-C(O)-O)

• polimer nieorganiczny - są to polimery, w których w głównych łańcuchach nie występują atomy węgla, takie jak polisiloksan. połifosfazen. polisiarczek i wiele innych.

• poljpeptyd- poli( węglowodan), kwas nukleinowy - to wszystko sa biopolimery.

Podział ze względu na taktyczność

• polimer izotaktyczny - grupy boczne wyłącznie po jednej stronie łańcucha

• polimer syndiotaktyczny - grupy boczne naprzemiennie po obu stronach łańcucha

• polimer ataktyczny - losowe położenie grup bocznych

Zastosowania polimerów

farby i lakiery

kleje i podobne środki powierzchniowo czynne

polimery ciekłokrystaliczne

membrany i inne materiały o zdolnościach rozdzielczych

mikrosfery polimerowe

Przykłady polimerów

• polietylen (PE) — pojemniki, zabawki, folie, jest bardzo odporny chemicznie i łatwo się go barwi na żywe kolory

• polipropylen (PP) - bardziej wytrzymały niż polietylen (wyższa temperatura topnienia) np. wykładziny, rury. ale jest trudniejszy w obróbce, mniej odporny chemicznie i trudno się go baiwi.

• polistyren (PS) - tworzywo konstrukcyjne, kruche ale wytrzymałe na zgniatanie.

• poliakrylonitryl (PAN) - popularna "anilana" - podstawowy składnik tzw. sztucznego jedwabiu

• poli(tereftalan etylenu) - (PET) - tworzywo przezroczyste, z którego produkuje się większość plastikowych butelek, oraz jest też stosowane jak sztuczne włókno (patrz polartee).

• poli(tlenek etylenu) (PEO) - "sztuczna stal" - tworzywo konstrukcyjne o bardzo dużej wytrzymałości na rozciąganie i skręcanie

• polichlorek winylu) (PCW. PVC) - wykazuje dużą odporność na działanie stężonych kwasów i zasad, produkuje się z niego panele podłogowe, rurki i węże, często występuje jako składnik klejów i lakierów. ' .

• nylon - mocny, rozciągliwy, liny, sztuczne włókna

• kauczuk syntetyczny - cala grupa polimerów o własnościach elastycznych

• teflon (PTFE) - posiada wyjątkowo niską energie powierzchniowa oraz jest wyjątkowo odporny chemicznie, ma też dość wysoką odporność termiczną, ale jest bardzo kosztowny i trudny w obrócę

• polimetakrylan metylu) (PMM) (szkło organiczne) - tworzywo o dużej przezroczystości, w zakresie światła widzialnego i UV.

• polisiloksan - cała gama tworzyw, od kauczuków i żeli stosowanych w medycynie po tworzywa konstrukcyjne, farby i smary

Elastomer

Elastomer - to polimerowe tworzywo sztuczne lub naturalne-, które cechuje zdolność do odwracalnej deformacji pod wpływem działania sil mechanicznych, z zachowaniem ciągłości jego struktury. Elastomer}' to szersza grupa materiałów niż gumy, które stanowią tylko jedną z klas elastomerów.

Elastomer posiada zdolność zmiany w szerokim zakresie swoich wymiarów w momencie, gdy jest poddawany naprężeniom rozciągającym, ścinającym lub ściskającym, a następnie powrót do poprzednich wymiarów, Np: niektóre rodzaje gum opartych na kauczukach silikonowych można rozciągnąć o 100% pierwotnych wymiarów bez zerwania.

Zdolność elastomerów do zmiany wymiarów wynika z ich specyficznej budowy chemicznej. Elastomery są usieciowanymi polimerami amorficznymi, które posiadają niską temperaturę zeszklenia, grubo poniżej temperatury pokojowej, Materiały polimerowe można sobie wyobrazić jako chaotyczną plątaninę bardzo długich i cienkich cząsteczek, która przypomina nieco ugotowanie spaghetti. Łańcuchy polimerów w temperaturze powyżej zeszklenia posiadają zdolność tzw, ruchów scgmentalnycb, które polegają na skoordynowanej zmianie konformacji grup 3-5 merów. Dzięki możliwości wykonywania ruchów segmentalnych łańcuchy polimerów mogą pod wpływem zewnętrznych naprężeń ulegać deformacjom (np: "prostować się") co powoduje zmianę wymiarów zbudowanych z nich materiałów. Ze względu na to, że wymuszone "prostowanie się" łańcuchów polimerów jest związane ze spadkiem entropii wynikającymi ze wzrostu stopnia uporządkowania całego układu, w momencie gdy naprężenie przestaje działać na elastomer, łańcuchy polimerów zaczynają się samorzutnie "skręcać", wykonując potrzebne do tego mchy segmentalne, tak aby cały układ osiągnął możliwie jak najwyższą entropię. "Prostowanie" łańcuchów polimerów powoduje zmianę wymiarów zbudowanego z nich materiału, zaś "skręcanie" powrót do poprzedniego stanu.

Ab)^r elastomer pozostawał ciałem starym w temperaturze pokojowej i posiadał odpowiednio wysoką odporność na zerwanie, miedzy jego cząsteczkami muszą występować odpowiednio silne, ale nie za silne oddziaływania, które zapewniają jego ciągłość w trakcie zmian wymiarów pod wpływem naprężeń mechanicznych. Gdy oddziaływania między cząsteczkami są za słabe materiał będzie rozciągliwy, ale nie będzie posiada! zdolności powrotu do poprzednich rozmiarów, będzie więc przypominał swoim własnościami plastelinę. Gdy oddziaływania te są za silne, materia! traci zdolność do zmiany wymiarów z zachowaniem własnej ciągłości.

Odpowiednio silne oddziaływania między cząsteczkami elastomerów osiąga się poprzez:

• niezbyt gęste usieciowane chemicznie, zwane wulkanizacja - w wyniku czego otrzymuje się materiały elastyczne, ale nietopliwe i nierozpuszczalne - czyli gumy

• tworzenie warunków do powstania odpowiednio silnych oddziaływań niiędzyczasteczkowych. takich jak słabe wiązania wodorowe lub siły Van Der Waalsa -materiały takie są topliwe i rozpuszczalne - nazywane są one elastomerami lanymi lub elastopłastami.

Plastomery

Ogólnie tworzywa polimerowe dzielą się na plastomery i elastomery, co jest związane z ich własnościami elastycznymi. Nazwa elastomery obejmuje kauczuk naturalny oraz wszelkie kauczki syntetyczne (niekiedy do tej grupy zalicza się umownie także polietylen i niektóre odmiany zmiękczonego polichlorku winylu), czyli tworzywa, które po dużym odksztaceniu wykazują zdolność prawie natychmiastowego powrotu do postaci pierwotnej lub bardzo do niej zbliżonej i które albo są, albo mogą być modyfikowane (proces wulkanizacji) do stanu, nierozpuszczalnego we wrzących rozpuszczalnikach organicznych.

Wydłużenie elastomerów - przy rozerwaniu sięga kilkuset procent, moduł sprężystości zawiera się w granicach 1 =4 MPa. Wszystkie pozostałe tworzywa polimerowe są plastomerami, a ich wspólnymi cechami są: niewielka gęstość wahająca się w granicach 0,9-2,2 g/cm3, mała przewodność cieplna właściwa (126 - 210 W/(m °C)) i konduktancja (przewodność elektryczna), elektroizolacyjność, dość dobre własności mechaniczne, odporność na działanie czynników chemicznych, łatwość formowania w stanie plastycznym (przez prasowanie na gorąco lub odlewanie bezciśnieniowe), spawalność (tylko tworzyw termoplastycznych), możliwość klejenia, duża gładkość powierzchni i estetyczny wygląd. Wydłużenie przy rozerwaniu plastomerów waha się od 1% (tworzywa kruche) do 200% (tworzywa sprężyste). Również ich palność jest zróżnicowana: od łatwo palnej nitrocelulozy do niepalnych silikonów.

Ze względu na własności fizyczne i technologiczne plastomery dzielą się na tworzywa termoplastyczne (termoplasty) i duroplasty. Pierwsze są plastyczne w temperaturze podwyższonej, a twardnieją w temperaturze otoczenia, przy czym proces ten jest odwracalny. Duroplasty natomiast przechodzą nieodwracalnie ze stanu plastycznego w stan utwardzony, bądź pod działaniem podwyższonej temperatury (tworzywa termoutwardzalne), bądź pod wpływem czynników chemicznych (tworzywa chemoutwardzalne), bądź pod łącznym działaniem temperatury i czynników chemicznych. Utwardzenie jest wynikiem chemicznego sieciowania pierwotnie liniowych lub rozgałęzionych makrocząsteczek żywicy, która ze stanu rezolu poprzez pośredni stan rezitolu przekształca się w całkowicie utwardzony rezit.

Rozróżnia się tworzywa konstrukcyjne, do wyrobu przedmiotów użytkowych (w postaci tłoczyw, czyli proszków do prasowania, żywic lanych, płyt, folii, prętów, laminatów, tworzyw,komórkowych itd.), tworzywa adhezyjne. do łączenia różnych materiałów (kleje, kity, cementy), tworzywa impregnacyjne (do uszlachetniania drewna, papieru i tkanin) oraz tworzywa powłokowe (błanotwórcze) do ochronnego lub dekoracyjnego pokrywania gotowych wyrobów.

Tworzywo termoplastyczne

Tworzywo termoplastyczne - tworzywo sztuczne, które w określonej temperaturze i ciśnieniu zaczyna mieć własności lepkiego płynu, Tworzywa termoplastyczne można kształtować przez tłoczenie i wtryskiwanie w podwyższonej temperaturze a następnie szybkie schłodzenie do temperatury użytkowej.

Termoplasty można przetwarzać wielokrotnie w przeciwieństwie do duropłastów, jednak po każdym przetworzeniu zazwyczaj pogarszają się ich własności użytkowe i mechaniczne na skutek zjawiska depolimeryzacji oraz degradacji tworzących te tworzywa polimerów łub żywic.

Dzięki zjawisku termoplatyczności tworzyw sztucznych, można je kształtować w jednym, względnie prostym i szybkim procesie technologicznym. Umożliwia to tworzenie z nich przedmiotów o bardzo złożonym kształcie, który nie mógłby być osiągnięty przy pomocy technik skrawania, stosowanych., metali czy technik spiekania stosowanych dla materiałów ceramicznych. Oprócz masowej produkcji z tworzyw termoplastycznych za pomocą technologii wtrysku skomplikowanych kształtek wykorzystywanych jako naczynia domowego użytku, elementy zabawek, mebli czy karoserii samochodów, można z nich także otrzymywać rury i folie w procesach ciągłego tłoczenia i wytłaczania. Wydmuchiwanie tworzyw termoplastycznych jest z kolei stosowane masowo do produkcji plastikowych butelek.

Do najczęściej stosowanych tworzyw termoplastycznych można zaliczyć:

• polietylen (PE)

^w polipropylen (PP)

• polistyren (PS)

• polichlorek winylu (PVC)

• poliftlenek metylenu) (PMO)

• polUtereftalan etylenu) (PET)

Duromer (duroplasty)

Duromer - polimerowe tworzywo sztuczne posiadające cechy metalu lub ceramiki - twarde, nieelastyczne, z wysoką wytrzymałością mechaniczną na rozciąganie i ściskanie, ale zazwyczaj nietopliwe lub trudnotopliwe i czysto kruche. Trudnotopliwe duromery są też nazywane duroulastami.

Polimery posiadają własności duromeru jeśli:

• sąusieciowane w wysokim stopniu i/lub

• posiadają bardzo wysoką masę cząsteczkową i jednocześnie sztywne, polarne łańcuch)' główne, które silnie oddziałują między sobą tworząc np: sieć wiązań wodorowych.

Op najbardziej znanych duromerów należą:

• usieciowane:

o bakelit i inne fenoplasty

o usieciowane żywice poliestrowe

o usieciowane żywice epoksydowe

• nieusieciowane

• poli(tlenek etylenu)

poliacetylen

polKoctan winylu)

poliakrvlonitryl

niektóre rodzaje poliamidów np. kgylar

polibenzimidazol

karb on

Ceramika

Ceramika w rozumieniu tradycyjnym są to tworzywa/wyroby otrzymywane w wyniku wypalenia odpowiednio uformowanej gliny. Nazwa tych wyrobów wywodzi się z greckiego wyrażenia Kepafwcoc (keramikos) oznaczającego działanie ognja. Obecnie jako ceramikę rozumie się wszystkie tworzywa/wyroby nicorganiczno - niemetaliczne, w trakcie otrzymywania których istotnym procesem jest obróbka cieplna np. spiekanie lub prażenie.

Klasyczny proces produkcji wyrobów ceramicznych polega na dokładnym wymieszaniu odpowiednich surowców, zaformowaniu, wysuszeniu i wypaleniu (jednokrotnym lub wielokrotnym). Proces wypalania odbywa się w piecach: tunelowych, komorowych (ceramika budowlana, sanitarna itp.) oraz w piecach grafitowych i innych, często o kontrolowanej atmosferze wypalania (ceramika specjalna). Temperatura wypalania mieści się w zakresie od 900°C (ceramika budowlana) do 2000°C (ceramika węglikowa). W wysokich temperaturach zachodzi zjawisko spiekania, przejawiające się uzyskaniem czerepu o gęstości bliskiej gęstości teoretycznej. Niektóre wyroby ceramiczne po wypaleniu pokrywa się szkliwem.

Ceramika znajduje zastosowanie w różnych dziedzinach gospodarki, np. w budownictwie, elektronice, hutnictwie a także w przemyśle kosmicznym itp.

Materiał kompozytowy

Materiał kompozytowy (lub kompozyt) - materiał o strukturze niejednorodnej, złożony z dwóch lub więcej komponentów. Właściwości kompozytów nigdy nie są sumą. czy średnią właściwości jego składników. Najczęściej jeden z komponentów stanowi lepiszcze, które gwarantuje jego spójność, twardość, elastyczność i odporność na ściskanie, a drugi. tzw. komponent konstrukcyjny zapewnia większość pozostałych własności mechanicznych kompozytu.

. lele kompozytów wykazuje anizotropie różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne. Np: po I aro id to przykład kompozytu, który osiągnął sukces komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom clcktrooptyczuym.

Jednymi z najczęściej stosowanych komponentów konstrukcyjnych są silne włókna takie jak włókno szklane, kwarc, azbest. kevlar czy włókna węglowe dając materiałowi dużą odporność na rozciąganie. Do najczęściej stosowanych lepiszczy zaliczają się żywice syntetyczne oparte na poliesterach. polieterach (epoksydach), poliuretanach i żywicach silikonowych.

Materiały kompozytowe znane są ludzkości od tysięcy lat. Np. tradycyjna, chińska laka, służąca do wyrobu naczyń i mebli otrzymywana przez, przesycanie wielu cienkich warstw papiem i tkanin żywicznym „samoutwardzalnym" sokiem z sumaka rhus, była stosowana od co najmniej V w. p.n.e. Równie starym i powszechnie stosowanym od wieków kompozytem jest drewniana sklejka.

Współczesny rozwój materiałów kompozytowych zaczął się jednak dopiero po opanowaniu procesu produkcji żywic syntetycznych, stanowiącym podstawę produkcji laminatów. Jednym z pierwszych kompozytów opartych na tych żywicach był bakelit, pierwszy przedstawiciel fen opól astów. Gwałtowny rozwój materiałów kompozytowych w trakcie i po II wojnie światowej był też związany z rosnącym zapotrzebowaniem przemysłu lotniczego, kosmicznego i motoryzacyjnego na lekkie i wytrzymałe materiały, którymi dałoby się zastąpić stal i inne metale. Obecnie, kompozyty stosuje w wielu technologiach - począwszy od implantów stosowanych w medycynie po tanie materiały konstrukcyjne stosowane w budownictwie.

Rodzaje kompozytów

• Kompozyty strukturalne - w których występują ciągle struktury komponentów konstrukcyjnych - warstwy (np. sklejka), pręty (np. żelbet) lub regularne struktury trójwymiarowe np: przypominające plaster miodu

• laminaty - które składają się z włókien zatopionych w lepiszczach - w zależności od sposobu uporządkowania włókien rozróżnia się taśmy kompozytowe - włókna ułożone w jednym kierunku - maty kompozytowe - w dwóch prostopadłych kierunkach - lub nieuporządkowane

• mikro kompozyty i nanokompozyty - w których regularna struktura dwóch lub więcej składników jest zorganizowana już na poziomie nadcząsteczkowym - tego rodzaju kompozyty występują w organizmach naturalnych - np. drewno - jest rodzajem mikrokompozytu, w skład którego wchodzą zorganizowane w skręcone pęczki włókna celulozowe, "sklejone" lignina - współcześnie próby sztucznego otrzymywania tego rodzaju kompozytów są prowadzone w ramach badań nanotechnologieznych

• stopy strukturalne - które są rodzajem stopów metali, metali z niemetalami, polimerów między sobą i polimerów z metalami i niemetalami o bardzo regularnej mikrostrukturze - przykładem tego rodzaju kompozytu jest stal damasceńska i duraluminium.

Porównanie układu pasm

Półprzewodniki - najczęściej substancje krystaliczne, których konduktywność (zwana też konduktancją właściwą) jest rzędu 10"⁸ do 10⁶ S/m (simensa na metr), co plasuje je między przewodnikami a izolatorami. Wartość rezystancji półprzewodnika maleje ze wzrostem temperatur}'. Półprzewodniki posiadają pasmo wzbronione między pasmem walencyjnym a pasmem przewodzenia w zakresie 0 - 5 ęV (np. Ge 0,7 eV, Si 1,1 eV , GaAs 1,4 eV, GaN 3.4 eV). Koncentracje nośników ładunku w półprzewodnikach można zmieniać w bardzo szerokich granicach, zmieniając temperaturę półprzewodnika lub natężenie padającego na niego światła lub nawet przez ściskanie lub rozciąganie półprzewodnika.

W przemyśle elektronicznym najczęściej stosowanymi materiałami półprzewodnikowymi są pieiwiastki grupy 14 (np. krzem, german) oraz związki pierwiastków grup 13 i 15 (np. arsenek galu. azotek galu, antymonek indu) lub 12 i 16 (tellurek kadmu). Materiały półprzewodnikowe są wytwarzane w postaci monokryształu, polikrysztalu lub proszku.

Rodzaje półprzewodników

* samoistne

• domieszkowe

Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej, których koncentracja elektronów jest równa koncentracji dziur.

Domieszkowe

Półprzewodniki samoistne nie posiadają zbyt wielu elektronów swobodnych (co objawia się dużym oporem właściwym, czyli małą przewodnością właściwą), dlatego też stosuje się domieszkowanie. Materiały uzyskane przez domieszkowanie nazywają się półprzewodnikami niesamoisinymi lub półprzewodnikami domieszkowanymi'.

,.; mieszkowa nie polega na wprowadzeniu do struktury kryształu dodatkowych atomów pierwiastka, który nie wchodzi w skład półprzewodnika samoistnego. Na przykład domieszka krzemu (Si) w arsenku galu (GaAs). Ponieważ w wiązaniach kowalencyjnych bierze udział ustalona liczba elektronów podmiana któregoś z jonów atomem domieszki może spowodować wystąpienie nadmiaru lub niedoboru elektronów.

Wprowadzenie domieszki produkującej nadmiar elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu n, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką donorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom donorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko dna pasma przewodnictwa, lub w samym paśmie przewodnictwa. Nadmiar elektronów jest uwalniany do pasma przewodnictwa (prawie pustego w przypadku półprzewodników samoistnych) w postaci elektronów swobodnych zdolnych do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie elektronowym, lub przewodnictwie typu n (z ang. negalive - ujemny).

Wprowadzenie domieszki produkującej niedobór elektronów (w stosunku do ilości niezbędnej do stworzenia wiązań) powoduje powstanie półprzewodnika typu p, zaś domieszka taka nazywana jest domieszką akceptorową. W takim półprzewodniku powstaje dodatkowy poziom energetyczny (poziom akceptorowy) położony w obszarze energii wzbronionej bardzo blisko wierzchołka pasma walencyjnego, lub w samym paśmie walencyjnym. Poziomy takie wiążą elektrony znajdujące się w paśmie walencyjnym (prawie zapełnionym w przypadku półprzewodników samoistnych) powodując powstanie w nim wolnych miejsc. Takie wolne miejsce nazwano dziurą elektronową, Zachowuje się ona jak swobodna cząstka o ładunku dodatnim i jest zdolna do przewodzenia prądu. Mówimy wtedy o przewodnictwie dziurawym, lub przewodnictwie typu p (z ang. positive - dodatni). Dziury, ze względu na swoją masę efektywną, zwykle większą od masy efektywnej elektronów, mają mniejszą ruchliwość a przez to oporność materiałów typu p jest z reguły większa niż materiałów typu n.

Kolę domieszki może pełnić również atom międzywęzłowy (atom umiejscowiony poza węzłami sieci) oraz wakans (puste miejsce w w^ęźle sieci w którym powinien znajdować się atom).

Zastosowania

• diody

o dioda prostująca (dioda prostownicza")

o dioda stabilizacyjna (dioda Zencra)

o dioda pojemnościowa

o dioda Schottkv'ego

o dioda tunelowa

o dioda świecąca (dioda elektroluminescencyjna - LED)

o dioda laserowa

o dioda sterowana tyrystor

o fotodioda półprzewodnikowa

• tranzystory

o tranzystor unipolarny (tranzystor polowy)

• fototranzystor

tranzystor bipolarny

hallotron

termistor

Nadprzewodnictwo

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym. że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancje. 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 (-273,15fC). . . .. -.......

Podstawy fizyczne zjawiska

Należy zwrócić uwagę, że zerowa oporność elektryczna nic wystarczy do zdefiniowania nadprzewodnictwa. Materiały charakteryzujące się zerowym oporem elektrycznym nazywa się idealnymi przewodnikami. Co więcej, w stanie nadprzewodnictwa opór elektryczny dla nośników prądu (ale nie dla par Coopera) jest nadal niezerowy! Poprawne określenie wymaga spełnienia jednocześnie dwóch warunków

• zaniku oporu elektrycznego

• doskonałego diamagnetyzmu materiałów nadprzewodzących (zwanym efektem Meissnera).

Istnieją także nadprzewodniki, w których w pary Coopera łączą się nie elektrony lecz, dziury. Przewodnictwo dziurawe wykazuje większość nadprzewodników drugiego rodzaju (wyjątkiem jest np. Nd2.xCexCu4.8).

Zgodnie z prawem Ohma, podczas przepływu prądu elektrycznego przez przewodnik na przewodniku powstaje pewien spadek napięcia, a z powodu niezerowego oporu elektrycznego wydziela się energią w postaci ciepła.

Obecnie stosowanym modelem opisu nadprzewodnictwa jest teoria BCS zakładająca, że jest to proces kolektywny, pojawiający się jako efekt zaniku drgań anharmonicznych sieci krystalicznej materiału w niskiej temperaturze. Prowadzi to do pojawienia się sprzężenia pomiędzy elektronami przewodnictwa i stanami fononowymi w sieci krystalicznej. Sprzężenie to pozwala na "sparowanie" elektronów w tzw. pary Coopera. Para Coopera to rodzaj wzbudzenia elektronowo-fononowego: są to dwa elektrony związane ze sobą dzięki oddziaływaniu z siecią krystaliczną, czyli wymianie fononów.

.riy Coopera, będące bozonami, mogą się skondensować na jednym poziomie energetycznym. Dla materiałów nadprzewodzących poziom ten jest odseparowany od innych poziomów przerwą energetyczną oraz charakteryzuje się niezerowym pędem: pary się poruszają. W niskiej temperaturze żadna z par nie może się "wyswobodzić", bo musiałaby pokonać przerwę energetyczną, a to wymaga energii, która w normalnym materiale jest dostarczana dzięki drganiom anharmonicznym sieci krystalicznej. W niskiej temperaturze drgania te jednak nie występują, obecne są tylko drgania harmoniczne.

W efekcie pary są trwale i muszą się poruszać: tak powstaje ruch ładunków i stąd wynika jego odporność na zaburzenia. Istotą zjawiska nadprzewodnictwa jest jego kolektywny charakter oraz fakt, że nośnikami prądu elektrycznego są w nadprzewodnikach pary elektronowe o ładunku 2e. Szczątkowy opór elektryczny nie może doprowadzić do rozpraszania par Coopera, gdyż nie jest możliwe pokonanie przerwy energetycznej w ten sposób i nie istnieją tym samym stany kwantowe do jakich miałaby się para rozproszyć.

Poszukiwania i zastosowania materiałów nadprzewodzących

Ciągle poszukuje się substancji o jak najniższej rezystywności. Obecnie substancjami o najniższej rezystywności w temperaturze pokojowej są złoto i srebro, jednak ze względu na cenę metale te nie mogą być stosowane do przesyłu energii elektrycznej: ponadto ich rezystywność wciąż jest stosunkowo duża.

Podczas analizy właściwości metali i stopów zauważono, że ich rezystywność maleje wraz z temperaturą. W temperaturach bliskich zeru bezwzględnemu niektóre substancje stają się nadprzewodnikami, co potwierdzono empirycznie (bez źródła napięcia utrzymano przepływ stałej wartości prądu w pętli przez około 2 lata, przerywając po tym czasie doświadczenie jako zbyt kosztowne). Do substancji takich należą aluminium, cyna oraz wiele innych metali i niektóre półprzewodniki. Dobre właściwości mają również spieki i związki miedzi i tlenu. Nadprzewodnictwo nie występuje w metalach szlachetnych (złoto, srebro) i ferromagnetykaeh (żelazo i jego stopy).

Postęp nauki przyczynia się do poznawania substancji, które umożliwiają bezstratny przepływ prądu w coraz wyższych temperaturach. Wciąż jednak jest to temperatura zbyt niska dla praktycznych zastosowań i wykorzystanie nadprzewodników jest nadal nieopłacalne w masowych zastosowaniach. Oczekuje się odkrycia taniego nadprzewodnika, który pracowałby w temperaturze normalnej (a. więc do ok. 20 !©.

Tym niemniej nadprzewodniki działające w temperaturze ciekłego helu są już praktycznie wykorzystywane w szczególnych sytuacjach. Przykładem są tu nadprzewodnikowi elektromagnesy stosowane w aparatach NMR, w których generują one bardzo silne pola magnetyczne przy niewielkim poborze mocy, potrzebnym głównie do pompowania ciekłego helu. Podobne elektromagnesy są też stosowane w przemysłowych generatorach plazmy oraz w akceleratorach cząstek elementarnych.

Rozróżnia się dwa zasadnicze rodzaje nadprzewodnictwa:

Meta] jT_c[K] T_c [°C]

* nadprzewodnictwo niskotemperaturowe - odkryte w 1911 przez holenderskiego fizyka Kamerlingha-Ontiesa (Nagroda Nobla w 1913) dla rtęci. Występuje w temperaturach poniżej 30 kelwinów, dla czystych metali i stopów metalicznych będących w większości nadprzewodnikami I rodzaju. Nadprzewodnictwo to jest dobrze opisywane przez teorie BCS.

• nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe zaproponowane przez Georga Bednorza i Mullera w 1986 roku. Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, 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 (I Igo.₈Tl₀.₂)Ba₂Ca₂Cu₃O_g.;,3.

Podjęto próbę opisania nadprzewodnictwa teorią fenomenologiczną zbliżoną do zależności stosowanych w termodynamice. Przejście między stanem normalnym oraz stanem nadprzewodnictwa potraktowano jako przejście fazowe, takie jak np. skraplanie się gazu. W ten sposób powstała teoria nadprzewodnictwa Ginsburga-Landaua. Szkło metaliczne - dziwnie brzmiące określenie tajemniczego materiału coraz częściej towarzyszy nam w naszym codziennym życiu. Podczas gdy atomy w metalu są uporządkowane w określone grupy, atomy w szkle metalicznym są rozmieszczone przypadkowo, podobnie jak te w cieczach. Czym jest więc szkło metaliczne i co je wyróżnia spośród innych materiałów? Pierwszym twórcą metody produkcji stopów metali o strukturze podobnej do struktury szkła był Pol Duwez z Califomia Institute of Technology w Pasadenie, który stworzył ten materiał w 1960 roku . Szkła te przez analogię nazwano później szkłami metalicznymi. Aby wytworzyć taki materia! niezbędne jest niezwykle szybkie schłodzenie ciekłego stopu. Otrzymuje się je w postaci taśm o szerokości do 12 mm, drutów lub proszków. Ta nowa grupa materiałów ma bardzo interesujące właściwości magnetyczne i mechaniczne, łepsze niż materiały polikrystaliczne, tradycyjnie stosowane w technice. Poza tym są to materiały odporne na. działanie środowiska. Szkła metaliczne stosowane są w elektronice, energetyce i przemyśle lotniczym zastępując dominujące dotychczas materiały krystaliczne. Szkło metaliczne z pewnością jest o wiele bardziej wytrzymałe od innych metali. Uderzenie młotkiem w metal krystaliczny zrobi w nim pewnej głębokości dziurę. Po części zostanie więc wykorzystana energia, która została zużyta do jej wykonania. W przypadku szkła metalicznego sytuacja jest zupełnie odwrotna - tam atomy znajdują się bardzo blisko siebie i jakiekolwiek ich przesunięcie ma małe szanse powodzenia (trudniej więc odkształcić dany przedmiot). Kolejną jego zaletąjest topliwość. Topi się w bardzo niskich temperaturach i może być formowany przez nas prawie jak plastik. W 2003 roku Joseph Poon i Gary Shiflet z University of Virginia w CharIottesviUe ogłosili światu stworzenie pierwszego stalowego szkła składającego się z węgla, żelaza i małej ilości manganu. Mangan nie ma zdolności magnetycznych. Rezultatem ich .■Kiiń było wyprodukowanie pierwszej niemagnetycznej stali, którą z pewnością stosować się będzie do produkcji różnego typu maszyn, które z łatwością będą radzić sobie z radarami.

Grafit

Grafit - minerał z gromady pierwiastków rodzimych. Jest minerałem pospolitym i szeroko rozpowszechnionym.

Nazwa pochodzi od gr, graphein = pisać, nawiązuje do tradycyjnego zastosowania tego minerału.

Jest obok diamentu i fulerytu odmianą alotropowa węgla.

Właściwości

* Wzór chemiczny: C - węgieł

* Układ krystalograficzny - heksagonalny (niekiedy trygonahiy)

* Twardość w skali Mohsa - I do 1,5

* Łupłiwość - doskonała, jednokierunkowa

* Rysa- ciemnoszara, czarna, błyszcząca.

* Przełam - nierówny

* Gęstość - 2,09 do 2,23 g/cm³

* Barwa - czarna, ciemnoszara

* Połysk - półmetaliczny

* Dobrze przewodzi prąd elektryczny i ciepło

* Odporny na wysoką temperaturę

W przyrodzie bardzo rzadko spotyka się dobrze wykształcone kryształy. Najczęściej występuje w postaci agregatów łuseczkowych, blaszkowych lub w formie zbitej masy o szaroczarnej barwie. Jest minerałem giętkim, ale nie jest sprężysty. Jest krajalny i nieprzezroczysty, w dotyku jest tłusty i brudzi ręce.

Występowanie

Powstaje w wyniku zmetamorfizowania skał, jako produkt końcowy przemiany substancji organicznych bogatych w węgiel. Pojawia się także w pegmatytach i żyłach hydrotermalnych. Niekiedy bywa znajdowany wśród granitów, porfirów, gabr, gran ul i tó w. Wspólwystępuje z pirytem. markasytem, kalcytem.

Polska - Tworzy znaczne nagromadzenia w postaci łupków grafitowych w okolicach Stronia Śląskiego oraz wkładki skał grafitowych napotykane k. Strzelina. Dzierżoniowa. Wałbrzycha i Bystrzycy Kłodzkiej. Występuje w wielu różnych skałach metamorficznych (m.in. w lupkach krystalicznych Tatr Zachodnich).

Miejsca występowania: Sri Lanka - największe złoża grafitu, Madagaskar. Rosi a - Syberia, USA -Ogdensburg, Edison, Alabama (najpiękniejsze kryształy grafitu pochodzą z Sterling Hill w New Jersey), Kanada - Quebec, Meksyk - Sonora, Niemcy - Bawaria.

Struktura grafitu składa się z warstw, w których występują sprzężone, sześcioczłonowe aromatyczne układy cykliczne, podobne do benzenu. Podobnie jak to jest w benzenie, każde wiązanie C-C w warstwie ma charakter zdelokalizowanego, "1.5 krotnego" wiązania aromatycznego. Wiązania te tworzą obszary zdelokalizowanych orbitali n, które, podobnie jak to się dzieje w metalach umożliwiają swobodny ruch elektronów równolegle do warstw, dzięki czemu grafit wykazuje stosunkowo wysokie przewodnictwo elektryczne.

Między warstwami występują jedynie słabe oddziaływania Van der Waalsa. Odległości między sąsiednimi atomami węgla w jednej warstwie wynoszą 1.42 A (czyli 0.142 nmj. zaś między warstwami 3,35 A (0,335 nm). Powoduje to, że grafit wykazuje znaczną anizotropię (czyli kierunkowość) różnych własności fizycznych. Np; Monokryształy grafitu przewodzą dobrze grad elektryczny w kierunku równoległym do warstw i znacznie gorzej w kierunku prostopadłym.

Ze względu na to, że grafit techniczny jest zlepkiem niewielkich monokryształów, wykazuje on wysoką odporność mechaniczną na ściskanie i niewielką na rozciąganie i ścinanie. Jest więc jednocześnie twardy, łupliwy i podatny na ścieranie.

£ szczególne własności mechaniczne powodują, że grafit posiada wyjątkowe dobre własności smarujące. Podczas poddawania go siłom ścinającym jakie występują miedzy obracającymi się zębatkami, lub zębatkami i łańcuchem, ulega on rozdrobnieniu do postaci proszku, o mikro metrycznych rozmiarach drobin. Każda z, tych drobin zachowuje jednak dużą odporność na ściskanie co prowadzi do zjawiska supersmarowania.

Mikrokrysztalki grafitu są głównym składnikiem sadzy. Również w strukturze węgla kamiennego występują grafitopodobne struktury przedzielone fazą amorficzną.

Czysty grafit otrzymuje się w przemyśle przez kontrolowaną pirolizę antracytu w atmosferze azotu.

ma znaczenie naukowe - służy do określania genezy skal metamorficznych.

do wyrobu suchych smarów

do wyrobu cegieł ogniotrwałych

grafit do ołówków

czarne farby chroniące ołów przed korozją

naczyń ia ognioodporne

elektrody

jako zbrojenie materiałów kompozytowych

Grafit służy do wyrobu elektrod, tygli ogniotrwałych, ołówków, farb, środków polerskich i smarów. W reaktorach jądrowych pręty grafitu spełniają rolę moderatora.

Fuleryt

Fuleryty - ciała stałe utworzone z fulerenów i ich pochodnych.

Typy fuletytów

Polimeryzowane nanorurki węglowe (P-SWNT) są klasą fulerytów o twardości porównywalnej z diamentem. W przeciwieństwie do diamentu nie mają jednak struktury krystalicznej, która umożliwia uzyskanie gładkich płaszczyzn cięcia. Dzięki temu są również mniej kruche, ponieważ wszelkie siły rozkładają się w nich równomiernie po całej objętości. Stanowią materiał lżejszy i wytrzymalszy od stali, jednak ich zastosowanie na masową skalę jest obecnie niemożliwe ze względu na bardzo wysokie koszty ich uzyskiwania.

Polimeryzacja niektórych typów fulerenów pozwala uzyskać tzw. ultratwarde fuleryty, przewyższające twardością diament. Obecnie najtwardszym ze znanych materiałów tego typu jest ADNR. Pokazano że ultratwarde fuleryty mogą zarysować diament.

---