1.Budowa i właściwości materiałów metalicznych (odniesienie do struktury elektronowej i wiązao
chemicznych)
- wiązania metaliczne miedzy atomami
- krystalizują zazwyczaj w trzech typach sieci: Regularnej płasko centrowanej, regularnej przestrzennie
centrowanej i heksagonalnej
- w reakcji chemicznej wykazują tendencje do oddawania elektronów (tworzą kationy)
- z tlenem Tworzą tlenki metali, niektóre reagują z woda tworząc zasady
- w temperaturze pokojowej wszystkie metale, z wyjątkiem rtęci(ciecz) występują w stałym stanie skupienia
(tworzą tzw. Kryształy metaliczne)
-dobrze przewodnictwo cieplne i elektryczne
2.Budowa i właściwości materiałów ceramicznych
Nieograniczone związki metali z tlenem, azotem, węglem, borem i innymi pierwiastkami, w których atomy
połączone są wiązaniem jonowym i kowalencyjnym.
Przykład ( ceramika budowlana - cegły, szlachetna – stołowa, płytki ścienne i podłogowe, materiały
ogniotrwałe, cement i materiały wiążące, ceramika zaawansowana, szkło)
Twarde, odporne na ścieranie, kruche, odporne na wysoką temp., słabe przewodnictwo cieplne i elektryczne,
niemagnetyczne, odporne na utlenianie, stabilne chemicznie, trudno obrabialne, odpornośd na korozję,
wysoka biotolerancja.
3.Budowa i właściwości polimerów
Polimery (tworzywa sztuczne, plastiki) – materiały organiczne, złożone ze związków węgla, wodoru i innych
pierwiastków niemetalicznych.
Polimery są makrocząsteczkami i powstają w wyniku połączenia wiązaniami kowalencyjnymi w łaocuchy wielu
grup atomów zwanych monomerami.
Pomiędzy makrocząsteczkami – siły Van der Waalsa.
Zwykle duża odpornośd chemiczna (np. na korozję), na działanie substancji żrących, niezbyt duża odpornośd
termiczna, małe przewodnictwo cieplne i elektryczne, niska wytrzymałośd, mała gęstośd, łatwośd modelowania
i nadawania dowolnych kształtów.
4.Budowa i właściwości materiałów kompozytowych
Kompozyt – materiał powstały w wyniku połączenia dwóch lub więcej materiałów wyjściowych. Właściwości
kompozytu są odmienne (lepsze) od właściwości poszczególnych składników – efekty synergiczne.
Osnowa – metalowa, polimerowa, ceramiczna
Wzmocnienie – np.: cząstki, włókna (krótkie, długie) metalowe, polimerowe, ceramiczne
Wyróżniamy:
kompozyty ziarniste (Materiały te składają się z ciągłej matrycy w której umieszczone są izolowane elementy
drugiej fazy. Cząstki fazy zdyspergowanej modyfikują właściwości matrycy)
kompozyty włókniste ( Do matrycy wprowadza się włókna drugiej fazy przeważnie o wyższej sztywności i
wytrzymałości niż matryca )
laminaty: (Fazy wchodzące w skład kompozytu występują w postaci dwu lub wielu warstw łączonych ze sobą w
sposób trwały)
5.Nanomateriały
wszelkie materiały, w których występują regularne struktury na poziomie molekularnym, tj. nie przekraczającej
100 nanometrów. Zmniejszając rozmiar uporządkowanych struktur materiałów można uzyskad znacznie lepsze
właściwości fizyko-chemiczne, mechaniczne, itp.
Możemy je podzielid na: Nanomateriały zerowo-wymiarowe; Nanomateriały jedno lub dwuwymiarowe;
Nanomateriały trójwymiarowe
Nanomateriały mają odmienne właściwości fizyczne w porównaniu z materiałami tradycyjnymi. Technologie
stosowane do wytwarzania nanomateriałów pozwalają otrzymad tworzywa o składzie i właściwościach
niemożliwych do uzyskania metodami dotychczas znanymi.
6.Materiały inteligentne
materiał zmieniający swoje własności w kontrolowany sposób w reakcji na bodziec otoczenia. Materiał taki
łączy w ramach jednej struktury własności czujnika z własnościami aktywatora. Materiały tego typu konstruuje
się zwykle wykorzystując zjawiska piezoelektryczne, elektrostrykcyjne lub magnetostrykcyjne a także zjawiska
pamięci kształtu obserwowane w niektórych stopach metali.
przykłady:
układy zawieszenia pojazdów zmieniające swą charakterystykę zależnie od stanu nawierzchni,
narty dostosowujące swoją sztywnośd do warunków na stoku, rakiety tenisowe,
w medycynie stosowane np.: jako samo sprężające się stenty przywracające drożnośd naczyo krwionośnych,
przewodów żółciowych, przełyku, jelit, tchawicy lub dróg moczowych
7.Uwarunkowania energetyczne i geometryczne budowy kryształu
8.Zespoły koordynacyjne dla wiązao metalicznych, jonowych i kowalencyjnych
Niewielkie zespoły atomów złożone z atomu centralnego i powiązanych z nim wiązaniami pierwszorzędowymi
najbliższych mu sąsiednich atomów, nazywanych też ligandami.
Liczba Koordynacyjna (LK) - liczba ligandów otaczająca atom centralny.
W materiałach o wiązaniach metalicznych i jonowych LK zależy od m. m =r
A
/r
B
gdzie A – atom centralny, B
sąsiedni atom, r – promieo
W materiałach o wiązaniach kowalencyjnych charakterystyczne cechy zespołów koordynacyjnych zależne są od
wartościowości centralnych atomów, a więc od liczby wiązao tworzonych przez nie droga uwspólnienia
elektronów, niezależnie od rodzaju ligandów – kierunkowośd wiązao.
Zbiór zespołów koordynacyjnych może tworzyd strukturę krystaliczna lub amorficzna.
9.Struktura krystaliczna i amorficzna
Zbiór zespołów koordynacyjnych może tworzyd:
Strukturę krystaliczną - układ atomów/cząstek w przestrzeni jest statycznie uporządkowany, symetryczny.
Występuje tu uporządkowanie bliskiego i dalekiego zasięgu.
Najmniejszą częścią struktury kryształu jest komórka elementarna, zawierająca wszystkie rodzaje cząsteczek,
jonów i atomów tworzących określoną strukturę krystaliczną. Ma zawsze kształt równoległościanu. Komórka
elementarna powtarza się we wszystkich trzech kierunkach, tworząc zamkniętą sied przestrzenna(sied
krystaliczna), której główną cechą jest symetria.
Strukturę amorficzną (bezpostaciową) – układ atomów/cząsteczek w przestrzeni jest nieuporządkowany,
chaotyczny. Wys. tu uporządkowanie bliskiego zasięgu.
Substancje krystaliczne są anizotropowe ( w różnych kierunkach maja różne właściwości fizyczne jak: łupliwośd,
rozszerzalnośd cieplna, przewodnictwo elektryczne, współczynnik załamania światła), ściśle określona
temperatura topnienia, skokowe zmiany: gęstości, przewodnictwa, lepkości, wsp. załamania światła. Np.:
metale i ceramika.
Ciała amorficzne są izotropowe – ich właściwości są takie same we wszystkich kierunkach, takie substancje
często nie mają określonej temperatury topnienia, tylko w pewnym zakresie temperatur powoli miękną. Ciągła
zmiana właściwości fizycznych. Np.: szkło, polimery
10Budowa kryształu – parametry opisujące budowę
Dane do opisu budowy kryształu:
- nazwa związku chemicznego (pierwiastek, wzór cząsteczkowy)
- układ krystalograficzny, typ sieci i grupy przestrzennej
- parametry komórki elementarnej
11.Cechy kryształu idealnego
- atomy w węzłach sieci (pozycje równowagowe)
- trójwymiarowa okresowa sied (sied przestrzenna)
- możliwośd translacji w 3 kierunkach
- periodycznośd (uporządkowanie dalekiego zasięgu)
-nieskooczonośd
12.Mono- i polikryształy
Monokryształ – ciało stałe będące jednym niepodzielnym kryształem. Monokryształ może zawierad w całej swej
objętości niewielką ilośd defektów tejże struktury, a jego zewnętrzna forma nie musi odzwierciedlad struktury
krystalicznej. Proces uzyskiwania monokryształów nazywa się monokrystalizacją.
Polikryształ – ciało stałe złożone z wielu kryształów, zwanych ziarnami lub krystalitami. W miejscu zetknięcia
kryształów występuje granica, zwana granicą ziaren.
struktura polikrystaliczna jest typowa dla większości metali, wielu ceramik i niektórych polimerów. Ziarna mogą
różnid się orientacją krystalo., wielkością i kształtem co ma wpływ na właściwości. Polikryształy mogą byd
jednofazowe lub wielofazowe.
Podst. elementy budowy Poli.: ziarna (pojedyncze kryształy), pory, faza amorficzna, wtrącenia dyspersyjne.
13.Opis mikrostruktury materiałów
opis mikrostruktury uwzględnia:
- kształt, wielkośd i orientację ziaren
- w materiałach wielofazowych ponadto rodzaj faz, ich udział objętościowy i wzajemne usytuowanie ich ziaren
- rozmieszczenie zanieczyszczeo
- wady materiałowe, jak pory, pęknięcia, wtrącenia i ich rozmieszczenie
Ze względu na mikrostrukturę możemy wyróżnid nast. materiały.: Nano-mikro, ziarniste, porowate,
wysokoporowate, włókniste, płytkowe, kompozyty, naturalne, intermetaliki, plastra miodu.
14.Odmiany polimorficzne
Polimorfizm – ta sama substancja, zależnie od warunków występuje w dwóch lub więcej odmianach różniących
się postacią krystaliczną i strukturą sieci przestrzennej. Odmiany polimorficzne różnią się właściwościami
fizycznymi i niekiedy chemicznymi. Np. CaCO
3
- kalcyt (struktura trygonalna) i aragonit (rombowa), SiO
2
– kwarc,
trydymit, krystobalit
Alotropia – wys. tego samego pierwiastka w dwóch lub więcej formach zwanych odmianami alotropowymi:C,Fe
Izomorfizm – przyjmowanie takich samych form krystalograficznych przez substancje o odmiennych, bądź tylko
częściowo podobnym składzie chemicznym. Np.: KBr i KCl – identyczna sied przestrzenna i podobne promienie
jonów Br- i Cl-
15.Defekty sieci krystalicznej
kryształy idealne – mają budowę zgodną z prawami krystalo., w związku z tym nie zawierają żadnych defektów.
Kryształy rzeczywiste – zawierają defekty, które powodują zniekształcenia sieci krystalicznej. Defekty sieci kryst.
mają wpływ na właściwości bardzo znacząco.
Rodzaje:
defekty punktowe - są to zaburzenia sieci krystalicznej w zasięgu wymiarów atomów (jonów). Są to: wakancje,
atomy międzywęzłowe, obcy atom w sieci krystalicznej(ekspansja sieci lub kontrakcja sieci), defekt schottky’ego
(atom na powierzchnie), defekt Frenkla ( atom do przestrzeni międzywęzłowej))
defekty liniowe(dyslokacje) – są to zaburzenia jednowymiarowe wzdłuż linii w krysztale. Są to krawędziowe,
śrubowe, mieszane. Do opisu defektów liniowych w krysztale służy wektor Burgersa (b). Dyslokacje w
strukturach o dużej ruchliwości defektów (np.metale) mogą oddziaływad na siebie, dzielid się, poruszad,
wspinad się wpływając na właściwości materiałów. W dyslokacji śrubowej występuje przemieszczenie części
kryształu wokół osi zwanej linią dyslokacji śrubowej.
Defekty płaskie –to dwuwymiarowe defekty struktury krystalicznej. Są to granice ziaren (niskokątowe
(wąskokątowe) i szeroko kątowe, bliźniacze(wys. tu granica bliźniacza), jak i zewnętrzne powierzchnie
kryształu), granice międzyfazowe (koherentne – atomy granicy ziarna są wspólnymi atomami obydwu ziaren,
połkoherentne, zerwanie koherentności – największe umocnienie)
Defekty punktowe mogą tworzyd zespoły – klastery zmieniające lokalnie budowę kryształu – domeny i
wtrącenia. Defekty płaskie zmieniają budowę idealnego kryształu w budowę mozaikową. Bezpośrednią
przyczyna powstawania defektów punktowych jest wzrost temperatury.
16.Budowa granic międzyziarnowych
Zaburzenia budowy granic międzyziarnowych powodują, że atomy tworzące granice posiadają nadmiarową
energię w porównaniu z atomami we wnętrzu kryształ. wartośd tej energii jest porównywalna z wielkością
energii powierzchniowej. wielkośd energii granic mogą obniżyd m.in. zjawiska: wspólne węzły dla sąsiednich
ziaren, struktury „daszkowe”, gromadzenie się na granicy zanieczyszczeo.
???17.Energia i napięcie powierzchniowe. Powierzchnia.
Na atom lub jon we wnętrzu struktury krystalicznej działają ze wszystkich stron siły wzajemnego oddziaływania
z otaczającymi go jonami lub atomami. Atomy na powierzchni pozbawione są części sąsiadów, stąd atomy na
powierzchni posiadają nadmiar energii w porównaniu z atomami wewnątrz. Nadmiar energii w przeliczeniu na
jednostkę rozwinięcia powierzchni to Energia powierzchniowa.
Elementy opisujące powierzchnię:
- topografia/tekstura powierzchni
- skład chemiczny ( na poziomie atomowym, submolekularnym, makromolekularnym)
- niejednorodnośd w płaszczyźnie równoległej do powierzchni (np.: domenowośd)
- niejednorodnośd w płaszczyźnie prostopadłej do powierzchni ( np.: gradientowośd)
- krystalicznośd
18.Układy zdyspergowane
Materiały mają postad małych cząstek rozprowadzonych w ośrodku gazowym lub ciekłym. Układy takie
charakteryzują się specyficznymi właściwościami, na które wpływa oddziaływanie środowiska na materiał.
19.Materiały włókniste, budowa i typy włókien (włókna węglowe, szklane, Kevlar, SiC<-pokurwione jakieś ,
borowe)
Włókno – elementy o wydłużonym kształcie w których stosunek wymiaru podłużnego do poprzecznego jest
większa od 10. Włókna dzielimy na krótkie czyli nieciągłe (maty) i ciągłe (tkaniny).
Cechy materiałów włóknistych:
- elastycznośd postaci i „nieskooczony” wymiar (możliwośd gięcia, nawijania na szpule, tkania)
- duże rozwinięcie powierzchni – właściwości sorpcyjne i katalityczne
- zdyspergowany charakter i mały wymiar poprzeczny - właściwości izolacyjne, możliwośd rozprowadzenia w
ciągłym medium
- mało zdefektowana budowa – podwyższone właściwości mechaniczne – zast. jako zbrojenie do kompozytów
- specyficzne właściwości optyczne – wewnętrzne odbicie – światłowody
- podłoża dla inżynierii tkankowej – biozgodnośd, porowatośd
Włókna dzielimy ze względu na:
- strukturę: amorficzne(szkło, SiO2), monokrystaliczne(ceramika, metale), polikrystaliczne(ceramika, metale, C),
wielofazowe (B na C lub W, węgliki na C lub W), makrocząsteczki – organiczne (Kevlar, polilaktyd, polietylen)
- temperaturę pracy: 100˚C(wszystkie włókna dostępne), 100-400˚C(szklane ,B, C, metale, ceramika), 400-700˚C
(metale, ceramika), >700˚C (C bez O
2
do 2000˚C, ceramika)
Parametry makroskopowe charakteryzujące włókna:
- średnica ( od mikrometra do kilkuset mikrometrów)
- długośd (od kilkudziesięciu mikrometrów do włókien ciągłych)
- gęstośd (monolitu) – jak materiału litego (małe zdefektowanie)
- gęstośd nasypowa
- powierzchnie właściwa
Włókna węglowe:
materiały o strukturze grafitopochodnej, możliwośd modyfikacji właściwości poprzez dobór parametrów
procesu technologicznego o obróbki chemicznej, są wysokowytrzymałe i wysokomodułowe. Mają największe
potencjalnie możliwości w zakresie E/ρ i temp pracy w warunkach beztlenowych(3000C), zast medyczne, w
energetyce, motor, lotnictwie, hełmy, kaski.
Kevlar: PPTA , Poli(tereftalano-1,4-fenyloamid)
Otrzymuje się w wyniku reakcji polikondensacji chlorków kwasów di karboksylowych z aminami
aromatycznymi. moduł Younga E = 126GPa, wytrzymałośd właściwa pięciokrotnie większa niż stali, nie
rozpuszcza się w rozpuszczalnikach organicznych, rozpuszcza się w stężonym kwasie siarkowym, lekki, bardzo
dobra wytrzymałośd zmęczeniowa, bardzo dobra odpornośd na ścieranie, duża energia zniszczenia, dobre
właściwości elektryczne ,mniej podatne przy pełzaniu, niepolane (materiał samo gasnący), duża odpornośd
chemiczna z wyjątkiem mocnych kwasów nieorg. i zasad, czułe na UV.
Typy włókien: Kevlar – włókno przeznaczone do wzmacniania gumy, opon, pasów klinowych i transmisyjnych,
Kevlar 29 – włókno przeznaczone do zastosowao przemysłowych (tkaniny, taśmy powlekane), Kevlar 49 –
włókno o dużym module i dużej wytrzymałości przeznaczone do wzmacniania polimerów, do wyrobu
kompozytów.
Zast.: hełmy i kamizelki kuloodporne, balistyka ciężka, paski transmisyjne, kontenery lotnicze, węże
samochodowe, kable, światłowody.
włókno szklane:
Podział:
- o dużej zawartości alkaliów(>10%) – stosowane do izolacji cieplnej i akustycznej w postaci wełny lub waty
- o niskiej zawartości alkaliów (ok.10%) – stosowanie do celów filtracyjnych i częściowo do wzmacniania
tworzyw sztucznych
- bezalkaliczne – nadające się do wzmacniania tworzyw sztucznych i zastosowao elektroizolacyjnych.
lub: alkaliczne (A), bezalkaliczne (B), odporne chemiczne (C), wysokomodułowe (M), wysokowytrzymałe (S)
włókna szklane grube(wełna szklana) są włóknami nieciągłymi, o średnicy 5-30mikrom., stosowane
jako izolacja cieplna, akustyczna, przeciw wilgoci
włókna szklane ciągłe - o średnicy 3-13mikrom. są stosowane w postaci przędzy, wyrób tkanych i
dzianych oraz rowingu jako materiał izolacyjny w elektrotechnice, do wzmacniania tworzyw sztucznych
włókna supercienkie – o średnicy1-3mikrom. są stosowane do wyrobu izolacji akustycznych i cieplnych
Włókna Borowe:
wielofazowe lub nanokrystaliczne, otrzymywane przez chemiczne osadzanie boru na nici wolframowej,
struktura osadzonego boru jest bardzo drobnokrystaliczne, co zapewnia dużą wytrzymałośd.
Powierzchnia przypomina kaczan kukurydzy, bardzo wrażliwe na uszkodzenia powierzchni, moduł ok. 420GPa,
w celu zabezpieczenia przed utlenieniem oraz polepszenia zwilżalności przez osnowy metaliczne pokrywa się je
warstewką SiC (Borsic)
Zast.: wzmocnienie aluminium lub jego stopów w lotnictwie, konstrukcje z matrycami polimerowymi w
przemyśle rakietowym i lotniczym.
20.Rodzaje odkształceo materiałów
Naprężenia mogą powodowad dekohezję (zmianę ciągłości materiału) i odkształcenia (zmianę wymiarów
liniowych, kątowych).
- sprężyste (odwracalne; po odjęciu siły próbka wraca do pierwotnych rozmiarów)
- plastyczne (nieodwracalne; podstawowym mechanizmem odkształcenia plastycznego jest ruch dyslokacji)
- elastomeryczne
- lepkosprężyste
Lub:
- wskutek rozciągania (ε = Δl/l
0
)
- wskutek ścinania (na ciało działa obciążenie styczne do powierzchni materiału, kąt między liniami wzajemnie
prostopadłymi w ciele ulega zmianie, odkształcenie = tangens tego kąta).
21.Stałe sprężystości – zależnośd modułu Younga od natury wiązao
Stałe materiałowe:
- moduł Younga (sprężystości): E =σ/ε, ς – naprężenia normalne, ε – odkształcenie względne przy wydłużeniu
- moduł Kirchhoffa (ścinania): G = τ/ε’, τ – naprężenia styczne, ε’ – odkształcenie wskutek ścinania (postaciowe)
- moduł ściśliwości: K = - [P
v
/(ΔV/V)], P
v
– jednorodne ciśnienie działające na materiał, ΔV/V=3ε – odkszt.
objętościowe materiału
- liczba Poissona: Δd/d = - ν(Δl/l
0
), d – średnica pręta, l – długośd pręta (Δl/l
0
=ε); podczas rozciągania obok
wydłużenia występuje także skurcz poprzeczny próbki, liczba Poissona określa stosunek odkształceo
poprzecznych do podłużnych
E = 2G(1+ν)
Stałe sprężystości C:
- w celu scharakteryzowania współczynnika kierunkowego stycznej do krzywej F(r) w pobliżu r
0
:
C
11
= 1/r
0
(dF/dr) (czyli że pochodne i srututut)
- ilośd stałych sprężystości zależy od symetrii ciała stałego, dla układu regularnego liczba niezależnych stałych
niezerowych wynosi 3
- uogólnione prawo Hooke’a: (ς
i
) = (C
ij
)(ε
j
), (ε
i
) = (S
ij
)(ς
j
), ς, ε – macierze naprężeo i odkształceo, C, S – macierze
stałych sprężystości i stałych podatności sprężystej
Zależnośd E od natury wiązao:
Im silniejsze wiązania, tym wyższy moduł Younga. Od najwyższego E: wiązania kowalencyjne, jonowo-
kowalencyjne, metaliczne, jonowe, na koocu kowalencyjne z udziałem wiązao van der Waalsa.
22.Sprężystośd materiałów wielofazowych
Kompozyty – model równoległy
założenia ε= ε1 = ε2; ν = ν1 = ν2
włókna jednorodne, ciągłe, ułożone równoległe w kierunku działającej siły F, idelna adhezja włókien do osnowy.
E=E1V1+E2V2 (reguła mieszanin)
Moduł Younga jest średnią ważoną modołów obydwu składowych faz.
1-osnowa, 2-włókna. E1,E2 – moduł Y. osonowy i włókien; V1,V2 – udział objętościowy osnowy i włókien.
Kompozyt – model szeregowy
ε ≠ ε ≠ ε
ς = ς1 = ς2
1/E = V1/E1 + V2/E2
ε - = V1 ε1+V2 ε2 – odkształcenie kompozytu jest ważoną sumą odkształceo każdego ze składników
materiały porowate
I – faza stała, II – faza gazowa w porach
Dla gazu można przyjąd że E
II
=0, ponieważ V
I
=1-V
II
Z reguły mieszanin: E = E
I
(1-V
II
) V
II
– moduł Y. materiału gęstego, V
II
– udział objętościowy porów
W rzeczywistych materiałach wszelkie nieciągłości fazy stałej powodują koncentracje naprężeo i zwiększenie
gęstości zmagazynowanej energii odkształcenia sprężystego w tej fazie w pobliży występowania nieciągłości.
Uwzględniając wpływ koncentracji naprężeo w pobliżu porów: E= E
I
(1-kV
II
) k- współczynnik koncentracji
naprężeo
pory eliptyczne: k=(5/4)(a/c)+3/4 a- dl osi szczeliny prostopadłej do działającego naprężenia
c- dl osi szczeliny równoległej do działającego naprężenia
23.Mechanizmy odkształcenia plastycznego
- poślizg dyslokacyjny (podczas ślizgania się dyslokacji kolejne wiązania są zrywane i powstają nowe; zjawisko to
jest powodem niskiej granicy plastyczności)(płaszczyzna poślizgu – płaszczyzna o najgęstszym ułożeniu atomów,
kierunek poślizgu – kierunek o najgęstszym ułożeniu atomów, system poślizgu – kombinacja płaszczyzny i
kierunku poślizgu; kryterium von Missesa: materiały uważa się za plastyczne, jeżeli posiadają więcej niż 5
niezależnych systemów poślizgu)
- poślizg po granicach ziaren (skutek ruchu wzdłuż granic ziarn dyslokacji, granic ziarn lub dyslokacji sieciowych;
dyslokacje sieciowe zablokowane przez granice ziarn wywołują ruch dyslokacji granic ziarn lub dyslokacji
sieciowych, które uszły do granicy)
- bliźniakowanie (jednorodne ścinanie o wektor bliźniakowania kolejnych warstw atomów w płaszczyznach
bliźniakowania)
- dyfuzja
24.Granica plastyczności
Plastycznośd – zdolnośd do trwałego materiałów. Teoretyczna granica plastyczności różni się od rzeczywistej,
ponieważ i rzeczywistym materiale występują dyslokacje a w idealnym nie.
Plastycznośd umożliwia kształtowanie metali, absorpcje energii (tolerowanie uderzeo). Ma także wady jakimi
są: trwałe odkształcenia elementów konstrukcyjnych samolotów (utrata stabilności), trwałe ugięcia konstrukcji
mostów.
Mechanizmy odkształcenia plastycznego:
- poślizg dyslokacyjny
- bliźniakowanie
- dyfuzja
- poślizg po granicach ziaren
25.Mechanizmy umocnienia w metalach
26.Wytrzymałośd teoretyczna i rzeczywista
Wytrzymałośd teoretyczna:
Wytrzymałośd rzeczywista:
27.Energia pękania, mechanizmy podwyższania odporności na pękanie
Energia pękania – wielkością decydującą o odporności materiału na kruche zniszczenie jest efektywna energia
pekania. Energię pękania podwyższają wszystkie procesy pochłaniania energii w toku pękania np.
γ ef= γ+γp+ γr+ γpf+ γi
y – energia powierzchniowa
yp – energia odkształcenia plastycznego
yr – energia powstawania dodatkowych spękao
ypf – energia pochłaniana w tokou przemian fazowych
yi – wszelkie inne procesy pochłaniania energii
1. Rozszczepianie pęknięd
2. Usuwanie defektów powierzchniowych ( szlifowanie, trawienie)
3.Wprowadzanie naprężeo ściskających w warstwy powierzchniowe
4.Dewitryfikacja
5.Wprowadzenie cząstek plastycznych
6.Wyciąganie wydłużonych ziaren (pull-out), spiekanie z udziałem fazy ciekłej
7.Mostkowanie mikropęknięd: relaksacja naprężeo; spinanie powierzchni pęknięcia
8.Przemiana fazowa wywołana polem naprężeo
9.Odchylanie biegu pęknięcia przez cząsteczki nieizometryczne
10.Mechanizm Cook’a-Gordona
11.Modyfikacja mikrostruktury
12. Mechanizm dyslokacyjny: spiętrzenie dyslokacji -> tworzenie mikropęknięd -> relaksacja części naprężeo
wokół mikropęknięcia-> wzrost K
IC
(YAY!)
28.Teoria Griffitha i Irwina
Griffith przyjął iż jeśli w materiale występują szczeliny (defekty) to pod wpływem naprężeo zewnętrznych
rozwijają się dzięki zmianie energii sprężystej na energię powierzchniową związaną z tworzeniem powierzchni
spękania. Wzór:
ς
z
=(2Eγ/πc)
0,5
, gdzie c jest długością szczeliny, γ- energia powierzchniowa
Irwin – uwzględnienie odkształcenia plastycznego :
G = siła oporu rozprzestrzeniania się pęknięcia
29.Mechanizmy pękania polimerów, metali i ceramiki
30.Mechanizmy przewodzenia ciepła w ciałach stałych
Przewodnictwo cieplne jest transferem energii cieplnej z części cieplejszej ciała do części zimniejszej.
Podstawowym prawem przekazywania ciepła jest druga zasada termodynamiki, która głosi, że samoczynne
przekazywanie ciepła jest możliwe tylko w kierunku spadku temperatury, zaś o intensywności przekazywania
ilości ciepła decyduje głównie różnica temperatury. Ciepło przenoszone jest przez fonony (fonony to nic innego
jak drgania cieplne sieci krystalicznej - kwanty energii) i elektrony przewodnictwa. W zależności od materiału
ciepło może byd przenoszone przez:
same fonony np. w izolatorach z powodu braku wolnych elektronów;
przez bardzo ruchliwe elektrony np. w metalach, które posiadają ich dużą ilośd
W celu zachowania elektroobojętności liczba elektronów przemieszczających się z kooca gorącego do
kooca zimnego musi się równad licznie elektronów przemieszczających się z kooca zimnego do kooca
zimnego
W procesie przenoszenia ciepła przez fonony sytuacja wygląda inaczej. W cieplejszym obszarze
zgromadzona jest większa ilośd fononów, a wyrównanie temperatur następuje przez przepływ
fononów z obszaru ciepłe do zimnego.
Metale nie mają zapełnionego pasma walencyjnego co pozwala im przy niskim wzbudzeniu cieplnym
uczestniczyd w przewodnictwie cieplnym. Wraz z wzrostem temperatury rośnie ilośd pobudzonych elektronów
zdolnych do przewodzenia energii cieplej lecz równocześnie obserwujemy wzrost amplitud drgao cząsteczek
wpływając na zmniejszenie ruchliwości elektronów. Wpływ tych czynników wpływa różnie na zdolności
przewodzenia ciepła poszczególnych metali.
31.Rozszerzalnośd cieplna, naprężenia cieplne
Liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej wyraża względne wydłużenie materiału występujące podczas
ogrzania materiału o jeden stopieo. Asymetria krzywej zależności energii potencjalnej od odległości
międzyatomowej powoduje efekt zmian wymiarów kryształu z temperaturą. Efekt ten jest tym większy im
mniejsza jest siła wiązania.
Naprężenie cieplne: W materiałach poddawanych zmianom temperatury w obszarze odkształceo sprężystych
możliwe jest nierównomierne rozszerzanie cieplne w różnych obszarach.
Efektem tego zjawiska jest powstawanie naprężeo cieplnych:
I rodzaju -naprężenia wynikają z anizotropii rozszerzalności
poszczególnych ziaren lun anizotropii modułu Younga E
II rodzaju -naprężenia wynikające z nierównomiernego rozkładu temperatury w objętości
32.Odpornośd na wstrząs cieplny
Pod pojęciem odporności na wstrząs cieplny rozumie się maksymalną różnicę temperatur, przy której
maksymalne naprężenia cieplne są równe wytrzymałości tworzywa, czyli:
ΔT= Δ t
max
gdy ς
cieplne
=ς
wytrzymałośd
w ujęciu modelowym:
Krzywa Hasellmana jest eksperymentalnie wyznaczonym wykresem zależnośd wytrzymałości od wielkości
wstrząsu cieplnego ΔT
a- Szkło; b- polikryształ
33.Zjawisko pełzania
Pełzanie – powolne trwałe odkształcenie materiału
ε = f(ς,t,T) – pełzanie
ε = f(ς) – odkształcenia sprężyste, plastyczne
T
pocz. pełzania
> 0,3-0,4 T
topnienia metali
T
pocz. pełzania
> 0,3-0,5 T
topnienia ceramiki
Mechanizmy pełzania: wspinanie i poślizg linii dyslokacji, poślizg po granicy ziaren, mechanizmy dyfuzyjne (Nabarro-
Herringa – dyfuzja sieciowa; Coble’a – dyfuzja po granicach ziaren )
Mapy Ashby’ego:
Pękanie w warunkach pełzania:
Trzecie stadium pełzania : wzrost prędkości i pełzania:
Rodzaje pęknięd podczas pełzania:
1)
Międzyziarnowe – szczelinowe (klinowe)
3)
zarodkowanie pustek na obcych wtrąceniach
1-pustka; 2- wtrącenie; 3- granica ziaren
5)zarodkowanie i koalescencja pustek
2)
z utworzeniem mikropustek na uskokach
granicy ziaren
4) rozrost pustek
koalescencja
wakacji:
1-
dyfuzja
objętościowa;
2-
dyfuzja wzdłuż granic ziaren;
3- poślizg wzdłuż granic
ziaren
ceramika -> faza szklista
Odpornośd materiałów na pełzanie:
wysoka temperatura topnienia
duży opór sieci krystalicznej
udział wtrąceo (ograniczenie ruchu dyslokacji)
modyfikacja mikrostruktury
ograniczenie poślizgu po granicach ziaren (modyfikacja fazy szklistej na granicach)
34.Mechanizmy przewodzenia prądu elektrycznego
Przewodnictwo elektronowe (przewodnictwo typu n) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez ciało pod
działaniem zewnętrznego pola elektrycznego w którym nośnikiem ładunków są elektrony. W modelu
pasmowym krystalicznych ciał stałych zjawisko polegające na tym, że elektrony zajmujące stany kwantowe w
obrębie pasma przewodnictwa przesuwają się do sąsiednich nieobsadzonych stanów kwantowych w obrębie
tego pasma, w kierunku przeciwnym do kierunku wektora pola elektrycznego.
W przewodnictwie elektronowym uczestniczą jedynie elektrony. W metalach elektrony przewodnictwa
stanowią elektrony walencyjne poszczególnych atomów. W sieci krystalicznej odrywają się one od swoich
atomów i zaczynają swobodnie poruszad się w całej objętości metalu, tworząc tzw. gaz elektronowy.
Przewodnictwo dziurowe (przewodnictwo typu p) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez kryształ pod
działaniem zewnętrznego pola elektrycznego, polegające na tym, że elektrony pozostające w niecałkowicie
zapełnionym paśmie podstawowym przesuwają się do niezajętych poziomów kwantowych (dziur
elektronowych) w obrębie tego pasma w kierunku przeciwnym do wektora pola elektrycznego, co formalnie
odpowiada przesuwaniu się ładunków dodatnich zgodnie z kierunkiem wektora pola elektrycznego.
przewodnictwo domieszkowe Przewodnictwo domieszkowe - to rodzaj niesamoistnego przewodnictwa
elektrycznego w półprzewodnikach wywołanego wprowadzeniem do sieci krystalicznej atomów obcych
pierwiastków.
przewodnictwo mieszane - Przewodnictwo mieszane - to przewodnictwo elektryczne, przy którym nośnikami
prądu elektrycznego są zarówno elektrony, jak i jony.
przewodnictwo jonowe - to przewodnictwo elektryczne, przy którym nośnikami prądu elektrycznego są jony.
Ten typ przewodnictwa występuje w cieczach lub gazach. Źródłem nośników prądu jest zazwyczaj elektrolit
rozpuszczony w cieczy, np. sole w wodzie.
Ponadto przewodnictwo elektryczne można podzielid na: samoistne i niesamoistne
Przewodnictwo samoistne - to przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach nieuwarunkowane
występowaniem zakłóceo atomowych sieci krystalicznej, lecz powstające na skutek pobudzenia cieplnego lub
pod wpływem pola elektrycznego. Występuje we wszystkich półprzewodnikach, lecz zwykle jest bardzo małe w
porównaniu z przewodnictwem niesamoistnym.
Przewodnictwo niesamoistne - to przewodnictwo elektryczne w półprzewodnikach uwarunkowane
występowaniem zakłóceo atomowych sieci krystalicznej.
35.Model pasmowy
Teoria opisująca przewodnictwo elektryczne. najważniejszym pojęciem tej teorii jest pasmo energetyczne czyli
przedział energii, jaką mogą posiadad elektrony w przewodniku.
Elektronika posługuje się uproszczonym modelem
energetycznym, w którym energię elektronów
walencyjnych
opisuje
się
dwoma
pasami
dozwolonymi:
- pasmo walencyjne – zakres energii jaką posiadają
elektrony walencyjne związane z jadrem atomu
- pasmo przewodnictwa – zakres energii jaką
posiadają elektrony walencyjne uwolnione z atomu
będące wówczas nośnikami swobodnymi w ciele
stałym.
Przerwa energetyczna pomiędzy tymi pasmami jest nazywana pasmem wzbronionym.
Żeby w danym materiale mógł płynąd prąd elektryczny muszą istnied swobodne nośniki - pojawią się one, gdy elektrony z
pasma walencyjnego przejdą do pasma przewodnictwa. Musi więc zostad z zewnątrz dostarczona energia co najmniej tak
duża, jak przerwa zabroniona.
Energia Fermiego – podaje prawdopodobieostwo obsadzenia elektronów w paśmie przewodnictwa.
wraz ze wzrostem temperatury przewodnictwo rośnie, zwiesza się liczba nośników prądu.
36.Rodzaje półprzewodników
Półprzewodniki, substancje zachowujące się w pewnych warunkach jak dielektryk, a w innych jak przewodnik.
Typowymi półprzewodnikami są: krzem, german, arsenek galu lub antymonek galu. Półprzewodniki mają małą
szerokośd pasma wzbronionego.
Ze względu na typ przewodnictwa wyróżnia się półprzewodniki typu n - inaczej nadmiarowe (występuje tu przewodnictwo
elektronowe, liczba elektronów w paśmie przewodnictwa przekracza liczbę dziur przewodzących w paśmie walencyjnym,
uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami V grupy nazywanymi donorami) oraz typu p -
inaczej niedomiarowe (występuje w nich przewodnictwo dziurowe w paśmie walencyjnym, liczba dziur przekracza liczbę
elektronów w paśmie przewodnictwa, uzyskuje się je przez domieszkowanie krzemu lub germanu pierwiastkami III grupy
nazywanymi akceptorami).
Półprzewodniki samoistne: Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty, bez
żadnych zanieczyszczeo struktury krystalicznej. Koncentracja wolnych elektronów w półprzewodniku samoistnym jest
równa koncentracji dziur.
Przyjmuje się, że w temperaturze zera bezwzględnego (0 K) w paśmie przewodnictwa nie ma elektronów, natomiast w
temperaturach większych ma miejsce generacja par elektron-dziura; im wyższa temperatura, tym więcej takich par
powstaje.
37.Nadprzewodniki
Nadprzewodniki charakteryzuje zerowy opór (R=0 dla T<Tkryt.), zerowa indukcja magnetyczna B=0.
Rodzaje nadprzewodników:
Nadprzewodniki I rodzaju wypychają całkowicie pole magnetyczne (efekt Meissnera)
Nadprzewodnik II rodzaju – wnikanie pola w postaci wirów o strumieni pojedynczych fluksonów.
Rodzaje nadprzewodnictwa:
- niskotemperaturowe - Występuje w temperaturach poniżej 30 kelwinów, dla czystych metali i stopów
metalicznych będących w większości nadprzewodnikami I rodzaju. zakłada łączenie nośników ładunku w pary
Coopera.
- wysokotemperaturowe - Występuje w temperaturze powyżej 30 kelwinów, ten typ nadprzewodnictwa
wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju
Rodzaje materiałów:
- nadprzewodniki pierwotne ( Al, Nb)
- stopy dwuskładnikowe ( Nb3Sn, Nb3Ge)
- nadprzewodniki organiczne
- nadprzewodniki wysokotemperaturowe
Zast.: silnoprądowe – przenoszenie dużych prądów transportowych przy małych startach energetycznych, w
elektronice – cienkie warstwy.
38.Dielektryki, mechanizm polaryzacji elektrycznej
Dielektryki – materiały nie przewodzące prądu, w których występuje zjawisko nazywane polaryzacją
elektryczną.
Polaryzacja elektryczna – orientacja lub wzbudzenie dipoli elektrycznych – lokalnych układów ładunków
dodatnich i ujemnych przesuniętych względem siebie.
mechanizmy polaryzacji elektrycznej:
polaryzacja elektronowa - przesunięcie pod wpływem pola elektrycznego, orbity elektronów w
stosunku do jądra atomowego. Polaryzacja szybka, bezinercyjna.
polaryzacja jonowa - zmiana odległości jonów pod wpływem pola elektrycznego. Polaryzacja szybka,
bezinercyjna (bezstratna).
polaryzacja dipolowa - zmiana położenia dipoli pod wpływem pola elektrycznego. Polaryzacja
powolna, inercyjna (ze stratami).
polaryzacja orientacyjna - Pod wpływem pola elektrycznego dodatnie i ujemne ładunki (związane) w
dielektryku przemieszczają się na niewielkie odległości: Istniejące już dipole obracają się tak, aby
ustawid się możliwie zgodnie z polem.
polaryzacja molekularna - Polega na przemieszczeniu ładunków na pewne odległości w dielektrykach
niejednorodnych (na granicach ziaren, granicach międzyfazowych itp. ).
39.Ferroelektryki, piezoelektryki
Ferroelektryki to materiały wykazujące spontaniczną polaryzację, której kierunek można zmienid przykładając
zewnętrzne pole elektryczne. Wskutek tego i występowania spontanicznie spolaryzowanych obszarów (domen)
ferroelektryki mają bardzo dużą przenikalnośd elektryczną (ε).
W ferroelektrykach podobnie jak ferromagnetykach występuje zjawisko histerezy oraz zanik właściwości
ferroelektrycznych powyżej określonej temperatury (zwanej podobnie jak w ferromagnetykach temperaturą
Curie).
Piezoelektryki - kryształy, w których obserwowane jest zjawisko piezoelektryczne. Mogą to byd zarówno
monokryształy (np. kwarc) jak i polikryształy, które nie mają swojego środka symetrii. Piezoelektryki
wykorzystywane są w różnych dziedzinach nauki i techniki. ( w zapalniczkach, wagi analityczne, w sondach USG,
sygnalizatory akustyczne, głośniki, perkusja elektroniczna)
Zjawisko piezoelektryczne – zjawisko fizyczne polegające na mechanicznej deformacji kryształu, pod wpływem
zewnętrznego pola elektrycznego, a także na powstaniu na przeciwległych ścianach kryształów ładunków
elektrycznych przeciwnego znalu w wyniku deformacji kryształu.
przykłady materiałów piezoelektrycznych : kwarc, topaz, turmalin, blenda cynkowa, tytanian baru.
Odwrotny efekt piezoelektryczny – przyłożenie napięcia el. do powierzchni kryształu wywołuje naprężenia
mechaniczne związane ze zmianami jego wymiarów.
40.Podział materiałów ze względu na właściwości magnetyczne (diamagnetyki, paramagnetyki, ferromagnetyki)
Diamagnetyk – występuje zerowy moment magnetyczny atomu. ( momenty magnetyczne elektronów
wzajemnie się znoszą), samorzutnie nie wykazuje własności magnetycznych czyli nie są przyciągane przez
magnes. Umieszczenie d. w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola mag.
skierowanego przeciwnie, osłabiają pole mag. Przykłady (gazy szlachetne, prawie wszystkie metale, Zn, Mg, Cu,
Si, Bi, F, grafit, woda, DNA i wiele białek, nadprzewodniki - bo wypierają linie pola magnetycznego)
Paramagnetyki - przypadkowa orientacja momentów magnetycznych (moment mag. elektronów nie ule
kompensacji i atomy (cząsteczki) posiadają cały czas moment magnetyczny). Magnesowanie się w zew. polu
zgodnie z kierunkiem pola mag. substancji, powodują wzmocnienie zew pola mag. Są to substancje o
niecałkowicie sparowanych spinach i niecałkowicie zapełnionej zew powłoce elektronowe. Brak zew pola mag,
podatnośd magnetyczna odwrotnie proporcjonalna do temp, poniżej T Curie przejście ferromagnetyk.
Przykłady: (metale alkaliczne, Al., Ca, Mg, Pt, Sn, W)
Ferromagnetyk - Znajdują się w nim obszary stałego namagnesowania (tzw. domeny magnetyczne),
wytwarzające wokół siebie pole magnetyczne (jak małe magnesy). Silne właściwości magnetyczne. Do
ferromagnetyków należą m.in. żelazo, kobalt, nikiel i niektóre stopy oraz metale przejściowe z grupy żelaza i
metale ziem rzadkich.
Ferromagnetyki dzieli się umownie na:
twarde - zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola magnetycznego,
miękkie - tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie
namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego,
półtwarde - zachowują stan namagnesowania, ale jest on stosunkowo łatwy do usunięcia.
Ferromagnetyki twarde stosuje się do wyrobu magnesów trwałych. Ferromagnetyki miękkie do budowy
magnetowodów i rdzeni magnetycznych silników elektrycznych, transformatorów itp. w celu kształtowania
pola magnetycznego. Ferromagnetyki półtwarde używane są np. do zapisu danych cyfrowych na dyskach lub
kartach magnetycznych.
41.Budowa domenowa, pętla histerezy
domena magnetyczna - spontaniczne namagnesowane obszary w ferromagnetykach lub ferrimagnetykach, w
których występuje uporządkowanie momentów magnetycznych. Każda z domen jest namagnesowana do
nasycenia magnetycznego. Sąsiednie domeny są rozdzielone ściankami domenowymi, w których następuje
zmiana orientacji momentów. Domeny zanikają powyżej temperatury Curie, ponieważ materiał traci wówczas
własności ferromagnetyczne.
Rozróżnia się dwa rodzaje ścianek domenowych:
Ścianki Blocha- obrót momentów następuje równolegle do powierzchni ścianki.
Ścianki Néela - obrót momentów następuje prostopadle do powierzchni ścianki.
Istnienie i zachowanie domen magnetycznych ma olbrzymie znaczenie praktyczne. W procesie
przemagnesowania zachodzi ciągła zmiana objętości domen (w wyniku przesuwania ścianek) co skutkuje
zmianą globalnego stanu namagnesowania materiału
Histereza, zjawisko zależności aktualnego stanu układu od stanów w
poprzedzających chwilach. Histereza towarzyszy takim procesom, jak
zmiany namagnesowania ferromagnetyków (histereza magnetyczna),
odkształcanie sprężyste ciał rzeczywistych (histereza sprężysta) lub zmiany
polaryzacji ferroelektryków (histereza dielektryczna).
Przykładowo
histerezę magnetyczną opisuje zamknięta krzywa (pętla) we
współrzędnych namagnesowania (I) - pole magnetyczne (H).
Ferromagnetyk,
po
pierwszym
osiągnięciu
maksymalnego
namagnesowania Is, (w wyniku przyłożonego pola nasycenia Hm),
wykazuje ciągle pewne namagnesowanie Ir zwane namagnesowaniem
resztkowym, nawet przy zaniku zewnętrznego pola.
Namagnesowanie usuwa się przykładając przeciwne pole magnetyczne o natężeniu równym -Hc, zwane polem
koercji. Dalszy wzrost natężenia przeciwnego pola doprowadza do ponownego stanu maksymalnego
namagnesowania -Is. Przebieg namagnesowania przy powrocie od pola -Hm do Hm odbywa się po
symetrycznej krzywej zamykającej pętle histerezy.
Pole zawarte pomiędzy obiema gałęziami pętli histerezy równe jest pracy wykonanej przez zewnętrzne pole
magnetyczne.
42.Materiały magnetycznie miękkie i twarde
Materiały magnetycznie miękkie - Pętla histerezy materiału magnetycznie miękkiego jest stosunkowo
"wąska" z uwagi na niewielkie wartości Hc.
Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie miękkiego są:
- duża przenikalnośd magnetyczna, pozwalająca uzyskad duże wartości indukcji magnetycznej przy użyciu
małego prądu magnesowania
- jak najmniejsza stratnośd (pole objęte pętlą histerezy), pozwalająca na wysokosprawne przetwarzanie energii
- duża indukcja nasycenia, pozwalająca na uzyskanie jak największej siły mechanicznej (proporcjonalnej do
kwadratu indukcji)
- duża rezystywnośd w celu zmniejszenia strat mocy powodowanych prądami wirowymi
- odpowiednie własności mechaniczne (w zależności od zastosowania)
Zast.: transformatory, generatory, alternatory, prądnice, silniki mechaniczne, czujniki magnetyczne.
Np.: Fe, ferryt krzemowy, stopy Fe-Al., szkła metaliczne na osnowie Fe, Fe-Ni, Fe-Ni-Co
Materiały magnetycznie ciężkie -
Pętla histerezy materiału magnetycznie twardego jest stosunkowo
"szeroka" z uwagi na duże wartości H
C
.
Pożądanymi parametrami materiału magnetycznie twardego są:
-duża wartośd remanencji (indukcji szczątkowej), pozwalająca uzyskad siły mechanicznej (proporcjonalnej do
kwadratu indukcji)
-duże natężenie koercji, pozwalające na uzyskanie jak największej energii magnetycznej
-odpowiednie własności mechaniczne (w zależności od zastosowania)
-odpornośd na korozję
Zast.: przyciąganie ozdobnych magnesów(lodówki torebki damskie) silniki, generatory synchronicznych, czujniki
Np.: twarde ferryty, stopy metali ferromagnetycznych np. Alnico.
43.Zjawiska zachodzące w wyniku oddziaływania fali elektromagnetycznej na materiał (załamanie, odbicie,
absorpcja, transmisja światła)
44.Mechanizmy absorpcji światła w metalach, półprzewodnikach i izolatorach
Absorpcja fotonów zachodzi przez wzbudzenie (przejście) układów energetycznych w materiale do wyższych
stanów energetycznych (wzbudzonych). Powrót do stanu niższego jest możliwy poprzez emisje
promieniowanie o odpowiedniej długości. materiał może absorbowad jedynie kwanty energii większe od
wartości energii przerwy energetycznej.
Metale:
dla metali przy braku przerwy energetycznej możliwe jest pochłanianie kwantów energii promieniowania
praktycznie w całym zakresie promieniowania widzialnego. metale są więc nieprzeźroczyste dla światłą
widzialnego. niektóre metale mogą mied barwę wskutek selektywnego odbicia światła (złoto, miedź)
Półprzewodnik:
w typowym półprzewodniku szerokośd przerwy energetycznej wynosi 1-4eV, co odpowiada długości światła
widzialnego. półprzewodniki są więc nieprzeźroczyste dla świtał widzialnego natomiast przeźroczyste dla
podczerwieni.
Izolatory:
czyste kryształy jonowe i kowalencyjne posiadają wielkośd przerwy energetycznej >10eV, co czyni je
przeźroczystymi dla światła widzialnego. w polikryształach następuje absorpcja światła na tych elementach
mikrostruktury (ziarna, pory), które posiadają wymiary wiesze od długości światła. W praktyce polikryształy
ceramiczne są nieprzeźroczyste barwy białej.
45.Mechanizmy powstawania barwy
selektywna absorpcja lub odbicie światła powodujące wyeliminowanie części promieniowania prowadzi do
odczucia barwy (oko ludzkie).
Do mechanizmów absorpcji promieniowania elektromagnetycznego, w tym światła należą:
- drgania atomów wokół ich średnicy położeo
- wzbudzenie elektronów do wyższych stanów energetycznych
mechanizm powstawania barwy wiąże się z występowaniem w izolatorze centrów barwnych. Są to występujące
w materiale lokalne dodatkowe poziomy energetyczne, które mogą absorbowad światło w zakresie widzialnym.
Zagadnienia te są bardzo ważne praktycznie dla pigmentów, szkła, szkliw ceramicznych, kryształów, laserów itp.
Typy centrów barwnych: 1) domieszki metali grup przejściowych, 2) defekty punktowe w kryształach.
Ad. 1).
jony metali grup przejściowych ze względu na nieobsadzone wewnętrzne orbity mogą absorbowad
promieniowanie w zakresie widzialnym stając się podstawowym sposobem barwienia szkła i kryształów.
długośd absorbowanego promieniowania może byd modyfikowana w zależności od otoczenia w jakiej jony
znajdują się w strukturze.
Ad. 2).
defekty punktowe w kombinacji z defektami elektronowymi mogą stanowid dodatkowe poziomy energetyczne,
które pochłaniając selektywnie promieniowanie widzialnie barwią kryształy
46.Luminescencja, zasada działania laserów
Luminescencja (zimne świecenie, jarzenie) – zjawisko emisji fal świetlnych przez ciała wywołane inna przyczyną
niż rozgrzanie ich do odpowiednio wysokiej temp.
47.Materiały optyczne, elementy optoelektroniki
Optyczne materiały, materiały wykorzystywane do konstruowania optycznych układów. W przypadku układów
pracujących w zakresie widzialnym typowym materiałem optycznym są różnego rodzaju szkła mineralne (np.
crown, flint, itp.) lub tworzywa sztuczne.
Dla układów pracujących w zakresie podczerwieni lub ultrafioletu mogą to byd np. kryształy kwarcu lub soli
kamiennej oraz szkła ceramiczne lub organiczne (szkło organiczne).
Przykłady:
- szkła optyczne tlenkowe ( SiO2), tlenki Pb, Ba, B, Na, K – stosowane w produkcji rdzeni światłowodów
- szkła halogenkowe – halogenki S, Se, Te, w obecności modyfikatorów Se, Si, As, Sb, P – stos. w średniej i
dalszej podczerwieni
- szkła fluorowcowi (halidy) – BeF2, HfF4, ZrF4, ThF4, BaF2, LaF3, AlF3, ZnCl2 – sos. na światłowody w podczer.
- materiały pyroceramiczne (dewitryfikaty) – Sio2 – Al2O3 – LiO2 – TiO2 – stos. na elem. optyczne zwierciadlane
- ceramika optyczna – MgF2, ZnS, CaF2, ZnSe, MgO, CdTe - stos. w optyce w podczerwieni
- materiały naturalne – nomo lub polikrystaliczne – stos. jako polaryzatory, płytki fazowe, modulatory itp.
- materiały polimerowe (szkła org.) – PMMA, PS, żywica poliwęglowa – stos. w przyrządach optycznych, w
produkcji szkieł okularowych.
- ciekłe kryształy – stosowane jako elementy systemów obrazowania
48.Biomateriały – pojęcia podstawowe (biozgodnośd, biofunkcyjnośd)
49.Przykłady materiałów stosowanych w implantologii, ich wady i zalety
50.Mechanizmy oddziaływania materiałów ze środowiskiem biologicznym