Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

1

Mikrosystemy I -

Materiały

(na prawach rękopisu)

HELENA TETERYCZ

Katedra Elektroniki i Fotoniki

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

2

Metale - polikryształy



Al, Au, Cu, W, Ni, TiNi, NiFe

Szkło - SiO

2

-termiczny lub osadzany (CVD)

Polimery - amorficzne
Ceramika - polikryształ (Si

3

N

4

- CVD)

Kompozyty
„Król” półprzewodników: KRZEM



mocniejszy niż stal, lżejszy niż aluminium



monokryształ lub polikryształ



10 nm do 10 mm

Materiały do MEMS

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

3

23

11

Na

Powłoka K (n=1)

Powłoka L (n=2)

Powłoka M (n=3)

11 protonów
12 neutronów

Struktura elektronowa atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

4

Schemat struktury elektronowej atomu
sodu

elektron 11 n=3, l=0, m

l

=0, m

s

=+1/2 lub -1/2

elektron 10 n=2, l=1, m

l

=+1, m

s

=-1/2

elektron 9 n=2, l=1, m

l

=+1, m

s

=+1/2

elektron 8 n=2, l=1, m

l

=0, m

s

=-1/2

elektron 7 n=2, l=1, m

l

=0, m

s

=+1/2

elektron 6 n=2, l=1, m

l

=-1, m

s

=-1/2

elektron 5 n=2, l=1, m

l

=-1, m

s

=+1/2

elektron 4 n=2, l=0, m

l

=0, m

s

=-1/2

elektron 3 n=2, l=0, m

l

=0, m

s

=+1/2

elektron 2 n=2, l=0, m

l

=0, m

s

=-1/2

elektron 1 n=2, l=0, m

l

=0, m

s

=+1/2

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

Struktura elektronowa
atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

5

Zapełnienie poziomów i podpoziomów energetycznych w atomie

l=0 l=1 l=2 l=3 l=4 l=5
(s) (p) (d) (f) (g) (h)

n=1 (K) 2
n=2 (L) 2 6
n=3 (M) 2 6 10
n=4 (N) 2 6 10 14
n=5 (O) 2 6 10 14 18
n=6 (P) 2 6 10 14 18 22

2; 6; 10; 14; 18; 22 - maksymalna liczba elektronów na poziomie

Struktura elektronowa atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

6

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Ce

Ti

Zr

Hf

Rf

Pr

V

Nb

Ta

Ha

Nd

Cr

Mo

W

Sg

Pm

Mn

Tc

Re

Ns

Sm

Fe

Ru

Os

Hs

Eu

Co

Rh

Ir

Mt

Gd

Ni

Pd

Pt

Unn

Tb

Cu

Ag

Au

Dy

Zn

Cd

Hg

Ho

B

Al

Ga

In

Tl

Er

C

Si

Ge

Sn

Pb

Tm

N

P

As

Sb

Bi

Yb

O

S

Se

Te

Po

Lu

F

Cl

Br

I

At

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

metale - dobre przewodniki, ciągliwe, połysk metaliczny, tworzą kationy

niemetale - typowo złe przewodniki, kruche,
niemetaliczny połysk, tworzą aniony

metaloidy - wzdłuż “linii schodkowej”,
czasami przewodniki (półprzewodniki),
jeśli tworzą kowalencyjne wiązania
typu niemetal

UuuUub

Uuq

Uuh

Uuo

109/

85

Układ okresowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

7

Właściwości pierwiastków

0

1

2

3

4

g

az

y

sz

la

ch

et

n

e

s

2

p

6

s

2

p

5

s

2

p

4

s

2

p

3

s

2

p

2

s

2

p

1

s

2

p

0

s

1

p

0

VIIIA

VIIA

VIA

VA

IVA

IIIA

IA

IIA

Br

Se

As

Ge

Ga

Ca

K

Cl

S

P

Si

Al

Mg

Na

F

O

N

C

B

Be

Li

H

E

le

kt

ro

u

je

m

n

o

ść

w

g

. s

ka

li

P

au

lin

g

a

Położenie w układzie okresowym

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

8

jądro

+

jądro

+

Wiązanie metaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

9

atom Si

wiązanie
kowalencyjne

Wiązanie kowalencyjne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

10

Wiązanie kowalencyjne jest kierunkowe.
Struktura tetragonalna (C, Si),
kąt pomiędzy wiązaniami 109,5

o

Wiązanie kowalencyjne - hybrydyzacja

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

11

Schemat wiązania jonowego

atom Na

atom Cl

przeniesienie

elektronu

jon Na

+

jon Cl

-

chlorek sodu

NaCl

Wiązanie jonowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

12

Ruch jonów w krysztale jonowym pod wpływem

pola elektrycznego

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

13

Schemat wiązania kowalencyjnego w dwutlenku krzemu

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
- SiO

2

Elektroujemność Si = 1,90; O= 3,44

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

14

Wiązanie wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody

tlen

tlen

Wiązanie wodorowe

Oddziaływania Van der Waalsa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

15

Siły Londona

atom

Siły Londona

Spolaryzowany
atom posiadający
moment dipolowy

Spolaryzowane atomy
oddziaływają na siebie

Oddziaływania Van der Waalsa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

16

Wiązanie Van der Waalsa w PCV

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

17

jądro

jądro

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

Energia wiązania

Odległość

międzyatomowa

2r

Odległość

Odległość

S

iła

E

n

e

rg

ia

o

d

p

y

ch

a

n

ia

o

d

p

y

ch

a

n

ie

p

rz

y

ci

ą

g

a

n

ia

p

rz

y

ci

ą

g

a

n

ie

Energia wiązania [kJ/mol]

jonowe

620-1600

kowalencyjne

540-1400

metaliczne

110-1400

Van der Waalsa <40

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

18



Długość wiązania (odległość międzyatomowa)

jest

równa odległości równowagowej pomiędzy środkami
dwóch atomów



Energia wiązania

to energia potrzebna do oddzielenia

dwóch atomów z ich położenia równowagowego do
nieskończoności



Moduł Younga

jest nachyleniem krzywej

naprężenie/odkształcenie w obszarze odkształceń
sprężystych (E).



Współczynnik rozszerzalności termicznej ()

mówi o ile

zwiększy się odległość międzyatomowa podczas zmian
temperatury

Energia wiązania i długość

wiązania

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

19

Zależność siły od odległości dla dwóch różnych
materiałów. Pochylenie dFlda jest proporcjonalne do
modułu Younga

mocne wiązanie

da

dF

da

dF

słabe wiązanie

odległość

S

iła

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

20

E

n

e

rg

ia

o

d

d

zi

a

ły

w

a

n

ia

m

ię

d

zy

a

to

m

o

w

e

g

o



E



E



a



a

odległość

Zależność rozszerzalności cieplnej materiałów

o różnej mocy wiązania

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

21

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Ce

Ti

Zr

Hf

Rf

Pr

V

Nb

Ta

Ha

Nd

Cr

Mo

W

Sg

Pm

Mn

Tc

Re

Ns

Sm

Fe

Ru

Os

Hs

Eu

Co

Rh

Ir

Mt

Gd

Ni

Pd

Pt

Unn

Tb

Cu

Ag

Au

Dy

Zn

Cd

Hg

Ho

B

Al

Ga

In

Tl

Er

C

Si

Ge

Sn

Pb

Tm

N

P

As

Sb

Bi

Yb

O

S

Se

Te

Po

Lu

F

Cl

Br

I

At

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

metale - dobre przewodniki, ciągliwe, połysk metaliczny, tworzą kationy

niemetale - typowo nie-przewodzące, kruche,
niemetaliczny połysk, tworzą aniony

metaloidy - wzdłuż “linii schodkowej”,
czasami przewodniki (półprzewodniki),
jeśli tworzą kowalencyjne wiązania
typu niemetal

UuuUub

Uuq

Uuh

Uuo

109/

85

Układ okresowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

22

Metale

Do substancji metalicznych zalicza się:
metaliczne pierwiastki
związki lub fazy międzymetaliczne
stopy metali

Metal to substancja wykazująca:
dobre przewodnictwo elektryczne
dobre przewodnictwo cieplne
charakterystyczny metaliczny połysk

Metal to substancja zbudowana ze zbioru
jonów dodatnich (rdzeni atomowych)
zanurzonych w „gazie” elektronowym

Metal to substancja zbudowana ze zbioru
jonów dodatnich (rdzeni atomowych)
zanurzonych w „gazie” elektronowym

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

23

Metale

„Gaz” elektronowy tworzą elektrony walencyjne

Elektrony poruszają się w polu potencjalnym
zrębów atomowych

Wiązane metaliczne - siły elektrostatyczne o symetrii
sferycznej - zapewniają spójność struktury

Liczby koordynacyjne wysokie, określone wyłącznie
przez wymiary geometryczne kationów

Ścisłe upakowanie charakterystyczne dla stanu
metalicznego zostaje zachowane prawie bez zmiany
w stanie ciekłym - mały współczynnik wzrostu
objętości podczas topnienia

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

24

Struktura krystaliczna metali

Najpowszechniej

występują jako materiały

polikrystaliczne

Otrzymuje się również monokryształy metali
(np. wiskersy), np. łopatki turbin silników
samolotów wykonywane są z monokryształów
stopów Ni („jet engines”)

Bardzo intensywnie chłodząc stopiony metal
można otrzymać materiał amorficzny (materiały
magnetycznie miękkie)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

25

Metale - struktura krystalograficzna

Metale krystalizują wyłącznie w

pięciu

układach

krystalograficznych:

Regularnym

Heksagonalnym (najgęstsza) -

Be, Mg, Ti, Zr, Hf, -Cr, -Co, Re, Ru, Os

Tetragonalnym - Hg

Rombowym - Tb, Dy

Romboedrycznym - Bi

Regularnym

płasko centrowana - Cu, Ag, Au, Al, Nb, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt

przestrzennie centrowana - Li, K, Na, V, Ta, -Cr, Mo, -W, -Fe

Znajomość struktury istotna podczas nakładania warstw!

Znajomość struktury istotna podczas nakładania warstw!

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

26

A

B

C

A

B

C

A

B

C

Regularna ściennie centrowana (fcc)

8 atomów w narożach komórki
1 atom na środku każdej ściany
Komórka zawiera 4 atomy:

8 x 1/8 narożne
6 x 1/2 na ścianie

a

b

c

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

27

Złoto (Au) - fcc

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

28

Regularna przestrzennie centrowana

(bcc)

Komórka zawiera 2 atomy

1 x 1 w środku
8 x 1/8 narożne

===90

a=b=c

a

b

c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

29

Żelazo (Fe), Wanad (V), Chrom

(Cr) bcc

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

30

A

B

A

B

A

B

Układ Heksagonalny (hcp)

Każda komórka zawiera 2 atomy

8 x 1/8 każdy róg
1 x 1 w środku

==90 =120

a=bc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

31

Tytan (Ti) - hcp

==90 =120

a=bc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

32

Pośród ciał stałych metale często występują w kilku
odmianach alotropowych

Czyste żelazo występuje w trzech układach (, 

oraz  -Fe) w zależności od temperatury

Każda z tych faz ma swoją specyficzną strukturę
krystalograficzną i charakterystyczne właściwości
chociaż zbudowane są z identycznych atomów

-Fe ma strukturę bcc

-Fe ma strukturę fcc

Odmiany alotropowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

33

Stopy to mieszaniny czystego metalu z jednym lub
wieloma innymi pierwiastkami

Często tymi innymi pierwiastkami są inne metale
np., mosiądz jest stopem miedzi i cynku

Stop to połączenie również metalu z niemetalem

W wielu przypadkach metale dobrze rozpuszczają
się w metalach

W innych przypadkach zamiast roztworu stałego
powstaje nowa faza „związek międzymetaliczny”, o
strukturze innej niż tworzące je metale

Stopy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

34

Związki Międzymetaliczne

Reguły Hume-Rothery’ego

1. „Rozmiar” pierwiastków. Tylko ograniczona ilość

jednego pierwiastka może rozpuścić się w innym -
im mniejsza różnica wymiarów geometrycznych
tym lepsza rozpuszczalność, ale nie zawsze np./
Pt/Ir

2. Duża

różnica

elektroujemności

pomiędzy

rozpuszczalnikiem a pierwiastkiem rozpuszczanym.
Wiązanie staje się bardziej jonowe niż metaliczne.

3. Podobna konfiguracja elektronowa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

35

 Nieprzeźroczyste
 Błyszczące
 Wysoka temperatura wrzenia
 Dobre przewodniki ciepła
 Dobre przewodniki elektryczności
 Wytrzymałe
 Plastyczne
 Ciągliwe

Właściwości Metali

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

36

Metale - podział

gęstość
- lekkie <5g/cm

3

(15 metali)

- ciężkie > 5g/cm

3

(70 metali)

twardość
- miękkie - Au 180 Mpa
- twarde - Ni 850 Mpa
- bardzo twarde - Ir 2500 Mpa
ale Fe -650 Mpa, stal zwykła - 3500 MPa

barwy
- kolorowe - (nieszlachetne +Cu) z wyjątkiem żelaza,
które same lub ich stop są kolorowe
- „czarne” - żelazo i jego stopy
- „białe” - znormalizowane stopy łożyskowe cyny

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

37

Metale - podział

metody otrzymywania
- elektrolityczne
- spiekania

potencjał elektrochemiczny (reaktywność)
- szlachetne SEM > 0 V
- nieszlachetne SEM < 0 V

podatność magnetyczna
- ferromagnetyki - Fe, Ni, Co, Gd - 

m

>>1

- paramagnetyki - Pt, Al. - 

m

>1 (270·10

-6)

- diamagnetyki - Cu, Au, Ag, Zn, - 

m

.<1 (-5,46·10

-6)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

38

Metale - temperatura topnienia

Niskotopliwe: T

top

<700

o

C - litowce. Pb, Zn, Ga, In, Sn, Al., Mg, Cd

Wysokotopliwe: T

top

700

o

C - 2000

o

C - Be, Ca, Ti, Y, Cr, Ni, Cu,

Zr, Pd, Ag, Au, Pt

B. wysokotopliwe: T

top

> 2000

o

C - Nb, Mo, Tc, Ru, Hf, Ta, W,

Re, Os, Ir

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

39

• Wiązanie jonowe jest mocniejsze niż metaliczne

• Ceramika ma wyższe temperatury topnienia niż
metale

• Kowalencyjne wiązanie może być bardzo mocne

• Materiały o wiązaniach kowalencyjnych mają wyższe
temperatury topnienia niż metale, np. diament

• Jednakże wiele materiałów o wiązaniach
kowalencyjnych topi się w bardzo niskich
temperaturach z powodu małej trwałości cząsteczek

• Wiązania międzycząsteczkowe są raczej słabe
(np. polimery termoplastyczne)

Temperatura topnienia

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

40

Przewodnictwo elektryczne

 Metale dobre przewodniki elektryczności

 Niektóre metale są lepszymi przewodnikami
elektryczności,

np.

miedź

jest

lepszym

przewodnikiem niż cynk

 Ceramika, szkło i polimery są zazwyczaj
dobrymi dielektrykami

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

41

Metale -

konfiguracja, rezystywność

Metal

Konfiguracja

elektronowa

Obsadzenie pasm

(n-1)d i ns

Rezystywność 10

8

[m]

Ni

[Ar]3d

8

4s

2

[Ar]3d

9,45

4s

0,55

6,14

Cu

[Ar]3d

10

4s

0

[Ar]3d

10

4s

0

1,55

Pd

[Kr]4d

10

5s

0

[Kr]4d

9,64

5s

0,36

9,77

Ag

[Kr]4d

10

5s

0

[Kr]4d

10

5s

0

1,49

Pt

[Xe]5d

9

6s

1

[Xe]5d

9,6-9,8

6s

0,4-0,2

9,81

Au

[Xe]5d

10

6s

0

[Xe]5d

10

6s

0

2,06

Konfiguracja elektronowa, obsadzenie pasm i rezystywność

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

42

Metale -

TWR

100

R

R

R

1

TWR

o

100

0





Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

43

Naprężenie () jest definiowane  = F/A
F = siła działająca na próbkę
A = pole porzeczne próbki
Jednostką naprężenia jest Pa (tj. N·m

-2

)

Naprężenie

A

F

A

F

Rozciąganie
Naprężenie rozciągające 

= F/A

Ściskanie

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

44

Naprężenie

Pod wpływem siły materiały ulegają
odkształceniu
odkształcenie 

n

l/l

u = wydłużenie, l = początkowa długość
Odkształcenie jest bezwymiarowe

l

l



l

v/2

v/2

odkształcenie objętościowe 

n

v/l

współczynnik Poisson’a:

u

rozciągani

przy

nie

odkształce

we

objętościo

nie

odkształce





Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

45

Prawo Hooka

Dla wielu materiałów gdy naprężenie jest małe,
wówczas jest proporcjonalne do wydłużenia

 = E

E jest modułem Younga





Stosunek =  /

= E

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

46

Odkształcenie

Krzywa naprężenie odkształcenie pręta
plastyczne metalu podczas rozciągania

Im większa wartość plastycznego

odkształcenia tym wyższa

„ciągliwość”

F

l

F=0

F=0

l

0

l

0

l

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

47

Metale

-

właściwości mechaniczne

x

x

ceramika

metal

odkształcenie 

n

a

p

rę

że

n

ie



x

ceramika

odkształcenie 

n

a

p

rę

że

n

ie



x

ściskanie

rozciąganie

0

2

4

6

0

50

100

150

200

-40

o

C

149

o

C

93

o

C

23

o

C

W

yt

rz

ym

ał

o

ść

[

M

P

a]

Odkształcenie [%]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

48

Odkształcenie sprężyste

schematyczne

ułożenie

kationów

metalu w pręcie

po usunięciu

siły

Odkształcenie sprężyste dotyczy obszaru oddziaływań międzyatomowych

Sztywność nie zależy do mikrostruktury

pod wpływem

siły

F

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

49

Metale

-

właściwości mechaniczne

Wytrzymałość na
rozciąganie [MPa]

Moduł Younga [GPa]

Mg
Ti
V
Ni
Cu
Zr
Pd
Au
Rh
Pt
W

200
400
120
320
200
400
180
130
700
142
1715

25
110
140
210
130
100
120
79
356
160
400

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

50

Metale -

wytrzymałość, T

top

Metal

T

top

[ C]

Moduł Younga [GPa]

Pb

327

14

Mg

650

45

Al.

660

69

Ag

962

76

Au

1064

78

Cu

1083

125

Ni

1453

206

Fe

1538

207

Mo

2610

325

W

3410

403

Zależność pomiędzy modułem Younga i temperaturą topnienia metali

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

51

Plastyczność a Struktura

Metale i stopy o strukturze FCC są zazwyczaj
plastyczne w całym zakresie temperatur

Atomy w metalach o strukturze FCC są gęsto
upakowane i mogą łatwo przesuwać się obok siebie

Metale o strukturze BCC mają tendencję do stawania
się kruchymi w niskich temperaturach

Atomy w metalach o strukturze BCC mniej gęsto
upakowane i nie mogą tak łatwo przemieszczać się
względem siebie

Uwaga

: metale, które normalnie są plastyczne mogą

stawać się kruche wskutek zanieczyszczeń

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

52

Metale

-

wytrzymałość na rozciąganie

0,1

1

10

Al

2

O

3

Si

W

Fe

Cu

W

yt

rz

ym

ał

o

ść

n

a

ro

zc

ią

g

an

ie

[

G

P

a]

rzeczywista
teoretyczna

Wg. M.. V. Ardenne „Tabellen zur angewandten Physik” 1973

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

53

Skale Twardości

Mohsa [a.u.]

i Brinella [MPA]

10

70 000

9

13 000

8

9 000

7

7 000

6

4 500

5

3 500

4

1 600

3

1 300

2

250

1

10

0,2

0,2

diament
korund, stale specjalne
topaz
kwarc
ortoklaz
apatyty, zwykła stal
fuoryt
kalcyt, mosiądz
gips, tworzywa sztuczne
talk
wosk

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

54

Utwardzanie

Metale

mogą

stawać

się

twardsze

po

domieszkowaniu

Np. Cynk dodany do miedzi daje twardy mosiądz

Atomy Zn podstawiają atomy Cu w sieci dając
przypadkowy substytucyjny roztwór stały

Ponieważ atomy Zn są większe niż atomy Cu, dlatego
indukują naprężenie w sieci utrudniające poślizg
płaszczyzn

twardość rośnie

proporcjonalnie do [Zn]

1/2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

55

Granica plastyczności

Ceramika

0.1

1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

Metale

Polimery

Diament

SiC
Al

2

O

3

MgO

chlorki
litowców

lód

ultra-czyste
metale

handlowe
czyste
metale

Stopy

specjal. PE

PMMA
Poliuretan

Polietylen

Piankowe
polimery



y

/

M

N

m

-2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

56

Metale -

szereg elektrochemiczny

Reakcja elektrodowa

AuAu

3+

+3e

-

PtPt

2+

+2e

-

AgAg

+

+e

-

CuCu

2+

+2e

-

H

2

2H

+

+2e

-

PbPb

2+

+2e

-

NiNi

2+

+2e

-

CdCd

2+

+2e

-

FeFe

2+

+2e

-

CrCr

3+

+3e

-

ZnZn

2+

+2e

-

AlAl

3+

+3e

-

MgMg

2+

+2e

-

LiLi

+

+e

-

E

o

[V]

1,5
1,2

0,800
0,337

0

-0,126
-0,250
-0,403
-0,440

-0,74

-0,763

-1,66
-2,37
-3,05

szlachetne

nieszlachetne

Trudne w obróbce chemicznej
Łatwe do osadzania
Stabilne chemicznie

Łatwe w obróbce chemicznej
Trudne do osadzania
Niestabilne chemicznie

H

2

O O

2

+4H

+

+4e

-

E

o

=+1,229 V

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

57

Szereg elektrochemiczny

Jeśli

połączymy

dwa

metale

o

różnych

potencjałach
elektrochemicznych, to ten
o

niższym

potencjale

będzie korodował, a ten o
wyższym

nie

będzie

korodował

Mg

2+

+2e

Mg

Al

3+

+3e

Al

Ti

2+

+2e

Ti

Zn

2+

+2e

Zn

Cr

3+

+3e

Cr

Fe

2+

+2e

Fe

Co

2+

+2e

Co

Ni

2+

+2e

Ni

Sn

2+

+2e

Sn

Au

3+

+3e

Au

Pt

2+

+2e

Pt

Ag

+

+e

Ag

Cu

2+

+2e

Cu

1,0

-1,0

-2,0

2H

+

+ 2e

H

2

O

2

+ 2H

2

O + 4e

4OH

-

E / V

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

58

0

Utlenianie

2M + O

2

2M
O

G

Jeśli G < 0,

będzie
zachodzić
utlenianie

Ceramika

1000

500

-500

-1000

-1500

Metale

Polimery

krzem

KCl

Si

3

N

4

SiC

Au

Be

większość
polimerów

PTFE

Piankowe
polimery



G

/

k

J

m

o

l

-1

NaCl

LiCl

Diament /
Grafit

MgO/SiO

2

/

Al

2

O

3

Al , Zr
Ti

Ta, Nb, Cr

Mo
W
Fe

Ag

Pt

N

ie

st

a

b

iln

e

w

O

2

S

ta

b

iln

e

w

O

2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

59

Szybkość utleniania

Tlenki powstają na powierzchni metali

Ilość utlenionego metalu zależy do czasu t

Utlenianie liniowe

m = k

L

t (k

L

jest

stałe)
Paraboliczna zależność
utleniania

m)

2

= k

P

t (k

P

jest stałe)

t

p

rz

y

ro

st

m

a

sy

,



m

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

60

Wzrost tlenku

(paraboliczna zależność) - Mechanizm 1

O

2-

dyfunduje przez tlenek

tlenek rośnie na granicy metal-tlenek

np. Ti, Zr, U

metal

tlenek

powietrze

O

2-

2e

-

+ O

+ M

MO
+2e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

61

Mechanizm 2

M

2+

dyfunduje przez tlenek

Tlenek rośnie na granicy powietrze-tlenek

np. Cu, Fe, Cr, Co

metal

tlenek

powietrze

+

O

M

M

O

M

2+

+2e

-

Wakancje

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

62

Mechanizm 3

Elektrony poruszają się bardzo wolno

To czy tlenek tworzy się na granicy metal-tlenek czy powietrze-tlenek

zależy czy M

n+

dyfunduje szybciej niż O

2-

np. Al

Metal

Tlenek

Powietrze

+2e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

63

Korozja w wilgotnym powietrzu

Metale mogą także utleniać się w wodzie lub
wodnych roztworach

Żelazo

Woda (wilgoć)

O

2

+ 2H

2

O + 4e

-

4OH

-

2

Fe

- 4e

-

2

Fe

2+

Utlenianie

(utrata elektronów)

Redukcja

(przyjmowanie elektronów)

2

Fe

2+

+

4OH

-

2Fe(OH)

2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

64

Szkła



Szkłem jest każdy materiał (organiczny lub

nieorganiczny), który podczas chłodzenia, w wyniku

stopniowego wzrostu lepkości przechodzi ze stanu

ciekłego w stan szklisty - sztywny. Elementy struktury

„nie zdążą” się uporządkować.



Szkła są izotropowe, bezpostaciowe, przeźroczyste dla

światła widzialnego



Wśród związków nieorganicznych właściwości
szkłotwórcze mają: SiO

2

, GeO

2

, P

2

O

5

, As

2

O

5

, V

2

O

5

, Sb

2

O

5



Obok tlenków szkłotwórczych w szkłach znajdują się:
- tlenki pośrednie: Al

2

O

3

, BeO, TiO

2

, ZrO

2

, SnO

2

- modyfikatory: MgO, BaO, CaO, K

2

O, Na

2

O, Li

2

O

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

65

Szkło



Podstawową jednostką

strukturalną szkła jest

Si tetraedr



4 atomy tlenu

otaczają jeden atom Si



Ładunek tetraedu

wynosi -4



Tleny -8



Si +4

-4

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

66

Szkło



Atomy tlenu są połączone co najwyżej z dwoma
atomami



Koordynacja kationów w szkle przez tlen jest mała 3, 4



Kationowe tetraedry łączą się tylko narożami, nie
krawędziami czy też ścianami



Co najmniej trzy naroża są wspólne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

67

Struktura



Związki mineralne oparte na tetraedrach SiO

4



Wspólne naroża, krawędzie lub ściany



Krzemionka - SiO

2

(piasek)



3-D sieć - wszystkie naroża są wspólne



Mocne

Si-O wiązanie - wysoka temperatura

topnienia (1710°C)



3 polimorficzne odmiany



Kwarc



Krystobalit



Tridymit

Stabilne w
różnych
warunkach

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

68

Szkło sodowe

SiO

SiO

2

2

Kwarc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

69

Szkło



Nie ma uporządkowanej struktury



Mogą być obecne inne jony

Na

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

70

Szkło



Powszechne szkła nieorganiczne



(pojemniki, okna, itp.)



CaO, Na

2

O- najczęstsze domieszki



Związki o mniejszym znaczeniu dają
kolor



Co- niebieski



Fe - niebiesko-zielony



Cr - żółto-zielony



Au - złoty, rubinowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

71

Szkło borokrzemowe



B

2

O

3

powszechnym szkłotwórczym dodatkiem do szkła

krzemianowego



Bardzo mocno poprawia wytrzymałość



Obniża współczynnik rozszerzalności cieplnej



Podwyższa temperaturę zeszklenia



Pyrex

TM

jest najpowszechniejszym alkalicznym borokrzemowym szkłem



Rola B

2

O

3

w alkalicznych szkłach krzemianowych jest

skomplikowana



zależy to od stosunku domieszka modyfikująca/bor



przy małej zawartości tlenków alkalicznych sieciuje przez tworzenie BO



przy dużej zawartości powoduje depolimeryzację przez tworzenie Mod-B

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

72

Szkła nietlenkowe



Szkła mogą tworzyć inne aniony niż tlenowe



Szkła na bazie tlenowców – S, Se, Te



Szkła halogenkowe –
F, Cl, Br, J



Szkła azotkowe, fosforkowe,
arsenkowe, antymonowe



szkła metaliczne

1

2

3

4

5

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

chalkogenkowe

halogenkowe

tlenkowe

tł

u

m

ie

n

n

o

ść

[

d

B

/k

m

]

długość fali [



m]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

73

Szkło

Szkło

Nazwa SiO

2

Al

2

O

3

B

2

O

3

CaO MgO BaO Na

2

O K

2

O PbO

Kwarcowe 99,9 - - - - - - - -
Kwarcowe 96,3 0,4 2,9 - - - 0,2 0,2 -
Twarde 56,4 20,1 8,9 4,8 8,6 - 0,6 0,6 -
(Supremax)
Borokrzemowe 73,4 0,8 20 - - 3,3 1,0 1,5 -
Alkaliczne 70,3 1,3 - 6,0 3,7 - 16,4 2,2 -
Ołowiowe 56,7 0,4 - - - - 4,2 8,7 30
Termisil 79,5 2,4 12,6 - 1,2 - 4,5 - -
Pyrex 80,6 2,2 12,6 - - - 4,15 0,2 -

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

74

Szkło

Szkło

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

16

stan plastyczny

stan sprężysty

L

ep

ko

ść

[

P

a*

s]

L

ep

ko

ść

w

p

u

az

ac

h

[

P

]

T

top

T

m'

T

m

T

s

,T

g

T

a

7,6

13,4

14,6

T

a

, T

s

- górna i dolna

temp. zaniku naprężeń
T

g

(=T

s

) - temp. transformacji

T

m

- temp. mięknienia

T

t

- umowna temp. topnienia

T

m

- T

m’

- zakres obróbki

plastycznej

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

75

Szkło

Szkło

Właściwości termiczne:
• przewodność cieplna  [W·m

-1

·K

-1

] mała - 1,4 dla kwarcu,

0,7 dla ołowiowego (

Cu

=400 [W·m

-1

·K

-1

])

• rozszerzalność cieplna - szkło kwarcowe (tzw. b. twarde) 6·10

-7

[deg

-1

],

szkło wysokoalkaliczne (tzw. b. miękkie) 150·10

-7

[deg

-1

]

(metale) 4-30·10

-6

[deg

-1

]

• współczynnik rozszerzalności termicznej wykazuje addytywność

SiO

2

B

2

O

3

Na

2

O K

2

O MgO CaO ZnO BaO PbO

·10

7

5 -60 430 390 45 166 70 140 106

• większość właściwości fizycznych szkła jest addytywna

100

p

T

l

l

i

i

i



















Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

76

Szkło

Szkło

Wytrzymałość mechaniczna:
• na rozciąganie (30-70 MPa) około 10x mniejsza niż metali - duża
wytrzymałość włókien szklanych
• na ściskanie - duża
• wytrzymałość udarowa - mała, poprawiana przez wywołanie w
warstwie przypowierzchniowej naprężeń ściskających przez obróbkę
chemiczną lub termiczną (hartowanie szkła)

Właściwości elektryczne:
• przewodność skrośna typowo 10

-12



-1

m

-1

, szkło kwarcowe 10

-16



-1

m

-1

• charakter jonowy - głównie jony metali alkalicznych
• parametr charakterystyczny T

K100

to temperatura, w której

rezystywność osiąga wartość 1Mm
• przewodność powierzchniowa zależy głównie od stanu powierzchni i
wilgotności
• stała dielektryczna 3,75 dla szkła kwarcowego, 4-6 typowe,
ok. 15 ołowiowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

77

Szkło

Szkło

Właściwości chemiczne:
• duża odporność na czynniki utleniające
• odporne na wodę i powietrze

• szkła twarde są bardziej odporne chemicznie
• odporne na kwasy, szczególnie stężone
• reagują z kwasem fluorowodorowym i jego solami
• reagują powoli z zasadami

3

2

2

2

2

2

3

2

2

2

CO

Na

CO

NaOH

O

xH

SiO

NaOH

2

O

H

)

1

x

(

SiO

Na

NaOH

2

O

H

O

Na



















O

H

2

H

2

SiF

H

HF

6

SiO

O

H

2

SiF

HF

4

SiO

2

6

2

2

2

4

2





















Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

78

Polimery - Podział



Naturalne



otrzymywane z roślin i zwierząt



drewno, kauczuk, wełna



wełna, skóra, jedwab



polimery biologiczne



proteiny, enzymy, błonnik



Syntetyczne



intensywny rozwój w ostatnim wieku

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

79

Węglowodory



Większość polimerów to organiczne



związki zbudowane z H i C



każdy C jest 4 wiązalny



każdy H jest 1 wiązalny



wiązania kowalencyjne



Wiązania pomiędzy węglami mogą być:



pojedyncze (np. etan)



podwójne (np. etylen albo eten)



potrójne (np. acetylen albo etin)

C

H

H

H

H

metan,
najprostszy
węglowodór

C C
C=C
C=C

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

80

Węglowodory

Pojedyncze wiązanie

alifatyczne C

x

H

2x+2

cykliczne C

x

H

2x

Właściwości zależą od ilości węgli w łańcuchu (pierścieniu)

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

81



Węglowodory o takim samym składzie ale
różnym ułożeniu atomów nazywane są
izomerami (np: butan i izobutan - C

4

H

10)



Izomery posiadają różne właściwości

C

H

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

butan

izobutan

Węglowodory - izomeria

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

82

Węglowodory

- grupy funkcyjne

alkohole

etery

kwasy

aldehydy

węglowodory
aromatyczne

alkohol metylowy
(metanol)

eter dimetylowy

kwas octowy

formaldehyd

fenol

=

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

83

Węglowodory nienasycone



Etan



C

2

H

6

- pojedyncze wiązanie



Etylen



C

2

H

4

-podwójne wiązanie



Acetylen



C

2

H

2

-potrójne wiązanie

C C

H H

H H

C C

H

H

Węglowodory zawierające podwójne lub

potrójne wiązanie nazywa się nienasycone

C

H

H

H

H

C

H

H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

84



Węglowodory nienasycone mogą reagować
z innym atomem lub cząsteczką!!!

r• - wolny rodnik (niesparowany elektron)

C C

H H

H H

r•+

C C

H H

H H

r-

•

C C

H H

H H

r-

•

C C

H H

H H

+

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

•

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

• r•

+

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

- r

….

inicjacja

wzrost

zakończenie

Węglowodory nienasycone

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

85



Polimer - materiał wielkocząsteczkowy



zbudowany jest z „merów” (powtarzająca
się jednostka)



Pojedyncza jednostka to „monomer”



n = stopień polimeryzacji

Struktura Polimerów

C C C C C C

[ ]

mer

C C

H H

H H

monomer

n

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

86



Etylen (C

2

H

4

) - gaz



Polietylen (PE) - polimerowe ciało stałe
material



hybrydyzacja sp

3

, kąt pomiędzy wiązaniami 109°



struktura cząsteczki „zygzakowata”

Struktura Polimerów

mer

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

87



Polimery mają olbrzymia masę
cząsteczkową w porównaniu
do węglowodoru



makromolekuły



większość polimerów



długie, elastyczne łańcuchy, których szkielet
zbudowany jest z atomów węgla



pozostałe elektrony mogą utworzyć wiązanie
wewnątrz łańcucha lub połączyć się z innymi
atomami lub grupami atomów

Struktura Polimerów

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

88

Powszechne Polimery

Polietylen (PE)

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Polichlorek winylu (PCV)

C C C C C C

H H H H H H

H Cl H Cl H Cl

Politetrafluoroetylen (PTFE)

C C C C C C

F

F F

F F F

F

F F

F F F

Polipropylen

C C C C C C

H H H H H H

H CH

3

H CH

3

H CH

3

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

89

Powszechne Polimery

C

C

H

H

H

C

C

H

H

H

C

C

H

H

H

Polistyren (PS)

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

Polimetakrylan metylu

(PMMA)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

90

PMMA

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

Polimetakrylan metylu (PMMA)

•

termoplastyczny

• przeźroczysty

• silne wiązania

międzycząsteczkowe

• wytrzymały mechanicznie

• elektronoczuły
(depolimeryzacja)

1

10

100

1000

10000

U

d

zi

ał

o

b

ję

to

śc

io

w

y

[a

.u

.]

Masa cząsteczkowa [kg/mol]

po ekspozycji
przed ekspozycją

PMMA-

rozkład masy cząsteczkowej

przed i po naświetlaniu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

91

PMMA

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

1

10

100

1000

0

20

40

60

80

100

R

o

zp

u

sz

cz

al

n

o

ść

[

%

]

Masa cząsteczkowa [kg/mol]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

92

Polimery

CH

2

OH

CH

2

CH

2

Bakelit (fonolowyformaldehyd)

N

C

H

O

N

C

H

H

H

C

C

H

H

O

4

6

PET - Polistyren

(polietylenotereftalan)

Nylon 6,6
(poliheksa-
metylenoadimine)

C

O

C

C

O

O

C

H

H

H

H

O

C

CH

3

CH

3

O

O

C

O

Poliwęglan

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

93



Polimeryzacja addycyjna (wolny rodnik
lub niesparowany elektron)



Polimeryzacja kondensacyjna

Rodzaje Polimeryzacji

C C

H H

H H

OH•

+

C C

H H

H H

OH

•

C C

H H

H H

+

+

H

2

O

H H H

H

N-(CH

2

)

6

-N OH-C-(CH

2

)

4

-C-OH

H H

Nylon

+

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

94

Właściwości Polimerów



Właściwości fizyczne zależą od:



masy cząsteczkowej



struktury cząsteczkowej



kształtu



Dlaczego?

Ponieważ te czynniki decydują o rodzaju
i wielkości oddziaływań międzycząsteczkowych

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

95

Masa cząsteczkowa



Masa cząsteczkowa zależy do długości
łańcucha polimerowego



Podczas polimeryzacji (syntezy polimerów) -
nie wszystkie łańcuchy rosną do tej samej
długości



łańcuchy mają różną długość i stąd wynika ich różna
masa cząsteczkowa



Średni ciężar cząsteczkowy jest zazwyczaj
określany



przez pomiary właściwości fizycznych



lepkości



masy cząsteczkowej



Określa się ilość frakcji



Określa się masę frakcji

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

96



Rozmiar łańcucha można również określać
podając stopień polimeryzacji, n

gdzie: m jest średnią masą cząsteczkową

meru

Masa Cząsteczkowa

Stopień Polimeryzacji

n

n

= M

n

/m

n

w

= M

w

/m

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

97

Masa cząsteczkowa



Właściwości zależne od masy

cząsteczkowej



Wytrzymałość



dłuższe cząsteczki, bardziej splątane trudniej
przesuwają się względem siebie



Temperatura topnienia lub mięknięcia



temperatura topnienia wzrasta ze wzrostem masy

cząsteczkowej



<100 g/mol - ciecze lub gazy



1000 g/mol - wosk - miękka żywica



10 000 - kilka milionów g/mol - polimerowe ciała stałe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

98

Struktura

Linowy

Rozgałęziony

Usieciowane

Sieć

Trudne bezpośrednie upakowanie,
Słabsze wiązanie (drugiego rzędu)
międzycząsteczkowe

Dobre bezpośrednie upakowanie,
Słabe wiązanie (drugiego rzędu)
międzycząsteczkowe

Mocne wiązanie (pierwszego rzędu)
międzycząsteczkowe

Najmocniejsze wiązanie (pierwszego
rzędu) międzycząsteczkowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

99

Kształt cząsteczek

Co z wytrzymałością w takich przypadkach?!

C-C-C-C-C-C-C-C-C-C …

drut - łatwa rotacja, łańcuchy

mogą łatwo przesuwać się

względem siebie

C=C=C=C=C=C=C=C=C=C

…

Liniowy, rotacja

niemożliwa

C-C-C-C-C-C-C-C-C-C …

drut „kolczasty” - trudniejsza

rotacja

C

6

H

5

Cl

C

6

H

5

Cl

C

6

H

5

Cl

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

100

Struktura Cząsteczkowa

Stereoizomeria

Monomer

C C

H H

H R

Możliwe kształty polimeru

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H H

R H

C C

H H

H R

Oddziaływania
pomiędzy grupami
R powodują, że ta
konfiguracja jest
mało
prawdopodobna

izotaktyczny

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H H

H R

syndiotaktyczny

C C

H R

H H

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H R

H H

C C

H

H

H

R

C C

H H

H R

ataktyczny

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

101

Struktura
Polimery krystaliczne



Faza krystaliczna może
występować w materiałach
polimerowych



Uporządkowanie atomów jest
bardziej złożone niż w ceramice
czy metalach (elementami
struktury są raczej cząsteczki niż
atomy)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

102

Struktura
Polimery krystaliczne



Polimery są zazwyczaj częściowo
krystaliczne a częściowo amorficzne



Stopień krystaliczności waha się od
całkowicie amorficznego do w 95%
krystalicznego



krystality polimerowe mają większą gęstość
niż polimery amorficzne (łańcuchy mają
lepsze bliskie upakowanie)



Krystaliczność zwiększa uporządkowanie,
wzrasta siła wiązania, wzrasta wytrzymałość!

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

103

Struktura

Model polimeru krystalicznego



Model
pozginanego
łańcucha:
Kryształ jest
zbudowany
z małych
płytek
pozginanego
łańcucha
polimeroweg
o

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

104



Stopień krystaliczności zależy od:



szybkości chłodzenia



budowy łańcucha i jego złożoności chemicznej
(złożone struktury nie krystalizują łatwo)



Polimery liniowe łatwo krystalizują



Polimery liniowe z dużymi
podstawnikami R trudniej krystalizują



Rozgałęzione polimery - rzadko
krystalizują

Struktura
Polimery krystaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

105



Właściwości polimerów zależą od stopnia
krystaliczności:



polimery krystaliczne mają większa
gęstość, są wytrzymalsze i bardziej
odporne chemicznie



np:



LDPE, HDPE



koc ognioodporny - Kevlar (polimer
aramidowy)

Struktura
Polimery krystaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

106

Naprężenie/odkształceni
e

A - Kruchy
B - Plastyczny
C - Elastyczny

(elastomery)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

107



Polimery kruche i szkliste



po przekroczeniu zakresu plastyczności pękają



Materiały plastyczne



odkształcenie plastyczne



ostatecznie plastyczne deformacja



zerwanie



Elastomery



małe naprężenia powodują duże ,
nieodwracalne odkształcenia

Naprężenie/odkształceni
e

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

108

Właściwości mechaniczne



Moduł Younga



od małego 7 MPa do dużego 4x10

3

MPa (dla

metali 48-410 x 10

3

MPa)



Granica wytrzymałości polimerów do 100MPa
(metale do 4100MPa)



Wydłużenie



często do 1000% (metale - rzadko 100%)



Zależność temperaturowa



Właściwości mechaniczne silnie zależą od T -
nawet nieznacznie powyżej temperatury
pokojowej



Szybkość odkształcenia



podobne zachowanie jak wzrost temperatury

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

109

Zależność temperaturowa

właściwości mechaniczne



Zupełnie kruchy 4°C



Bardzo plastyczny 60°C

PMMA, pleksiglass,polimetakrylan metylu



Zależy od:



budowy chemicznej,



stopnia polimeryzacji,



izomerii,



stopnia krystaliczności

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

110

Wytrzymałość polimerów



Inne czynniki wpływające na wytrzymałość



Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta ze

wzrostem masy cząsteczkowej…bardziej splątane



Wytrzymałość rośnie gdy rośnie stopień

usieciowania (niemożliwe staje się

przemieszczanie łańcuchów - stają się bardziej

kruche)



promototowane przez promieniowanie

(promieniowanie rozrywa łańcuchy, które

następnie mogą ulegać sieciowaniu)



Krystaliczność powoduje wzrost wytrzymałości

gdyż wzrastają siły wiązania

międzycząsteczkowego



Deformacja polimeru może powodować wzrost

wytrzymałości - łańcuchy uległy orientacji

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

111

Właściwości elektryczne



Rezystywność skrośna większości tworzyw sztucznych
wynosi 10

11

do 10

18

m



Zmniejszenie rezystywności:



wprowadzanie do polimeru rozdrobnionych półprzewodników lub
metali (Ag, Cu, sadza, grafit, Fe, Al.)



synteza elektronowo przewodzących polimerów



Rezystywność powierzchniowa



tworzywa przewodzące 

s

10

6





tworzywa antyelektrostatyczne (nie elektryzujące się) o 

s

10

9





tworzywa o ograniczonej zdolności do elektryzowania się 10

9

<

s

<10

11





tworzywa elektryzujące się 

s

 10

11



Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

112

Właściwości elektryczne

Polimery „metaliczne”



W 1977 r. Heeger i Mac Diarmid pokazali, że przewodność
poliacetylenu bardzo mocno rośnie po zdomieszkowaniu
go silnymi środkami utleniającymi lub redukującymi



cis-poliacetylen+jod, brom, AsF

5

lub jodek naftalenu

10

-9



-1

cm

-1

 5·10

2



-1

cm

-1



Materiały o sprzężonych wiązaniach podwójnych

C C

n

N

H

n

S

n

n

n

n

S

n

O

n

C C

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

113

Właściwości elektryczne

Polimery „metaliczne”



Poli(siarczek fenylenu) PPS

n

S

2

+ 3AsF

5

n

S

2

+

.

AsF

6

-

+ AsF

3

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

114

Temperatura zeszklenia

Materiał

T

g

[

o

C]

T

top

[

o

C]

Polietylen (mała gęstość)

-110

115

Politetrafluoroetylen

-97

327

Polietylen (duża gęstość)

-90

137

Polipropylen

-18

175

Nylon 6,6

57

265

Poliester (PET)

69

265

Polichlorek winylu

87

212

Polistyren

100

240

Poliwęglan

150

265

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

115

Tworzywa silikonowe



Tworzywa o szkielecie nieorganicznym



Łańcuch krzemowo-tlenowy bardzo trwały



Liniowe o małej masie cząsteczkowej: oleje, pasty



Silikony usieciowane: żywice i kauczuki



Zalety



odporność na działanie podwyższonych temperatur (bez wyraźniej
zmiany właściwości), b. niskie T

g



mała prężność par,



bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne w szerokim zakresie
temperatur i częstotliwości



duża odporność chemiczna np. utlenianie



hydrofobowe



nietoksyczne i niepalne

Si O Si O Si O

R

R

R

R

R

R

Si O Si O Si O

R

R

R

R

R

R

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

116

Tworzywa silikonowe



Zastosowanie:



oleje do pomp dyfuzyjnych (prężność par w temp. pokojowe 10

-9

-10

-5

Pa)



oleje, pasty i lakiery impregnacyjne



żywice i kauczuki do hermetyzacji podzespołów elektronicznych



kleje (żywice silikonowe)



gumy silikonowe (uszczelki, amortyzatory i elementy instalacji)



W porównaniu do tworzyw fluorowych - zalety



kauczuki silikonowe utwardzają się na zimno



często tylko pod wpływem wilgoci



nie zmieniają konsystencji w szerokim zakresie temperatur



W porównaniu do tworzyw fluorowych - wady



mniejsza odporność chemiczna



znaczna przepuszczalność gazów i pary wodnej

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki

Mikrosystemów i Fotoniki

117

Właściwości

Właściwości

Metale

Ceramika

Polimery

Gęstość d [kg/m

3

]

8000 (200022000)

4000 (200018000)

1000 (9002000)

Współczynnik rozszerzalności
liniowej  [1/K]

10·10

-6

(1·10

-6

1·10

-4

) 10·10

-6

(1·10

-6

2·10

-5

) 1·10

-4

(5·10

-5

5·10

-4

)

Pojemność cieplna c

p

[J/(kg·K)]

500 (1001000)

900 (5001000)

1500 (10003000)

Przewodnictwo termiczne k

[W/(m·K)]

100 (10500)

1 (0,120)

1 (0,120)

Temperatura topnienia lub mięknięcia

T

m

[K]

1000 (2503700)

2000 (10004000)

400 (350600)

Moduł Younga E [GPa]

200 (20400)

200 (100500)

1 (10

-3

10)

Współczynnik Poisson'a

0,3 (0,250,35)

0,25 (0,20,3)

0,4 (0,30,5)

Wytrzymałość na zerwanie [MPa]

500 (1002500)

100 (10400

rozciąganie)
(505000 ściskanie)

50 (10150 rozciąganie)
(10350 ściskanie)

Twardość

Średnia

Duża

Mała

Formowalność

Dobra

Bardzo zła

Bardzo dobra

Odporność na szoki termiczne

Dobra

Zła

B. zła

Odporność na pełzanie

Zła do średniej

B. dobra

B. zła

Konduktywność elektryczna

Wysoka

B. mała

B. mała

Odporność chemiczna

Słaba do średniej

B. duża

Dobra