Przykładowe zagadnienia

1. Wyjaśnić różnice i podobieństwa krystalicznej i amorficznej budowy ciała stałego.

Materiały amorficzne nie posiadają periodycznej budowy krystalicznej. Są układami nietrwałymi termodynamicznie powstającymi w warunkach uniemożliwiających krystalizację. Bardzo ważną grupę materiałów o budowie zaliczanej do amorficznej stanowią szkła.

Stan krystaliczny (budowa krystaliczna) jest podstawową formą występowania ciał stałych w przyrodzie. Cechą wyróżniającą kryształy jest ich uporządkowana budowa o periodycznym powtarzaniu się w przestrzeni elementów fizycznych takich jak atomy, jony czy cząsteczki.

2. Kiedy mamy do czynienia z substancją amorficzną a kiedy ze szkłem?

Materiałem amorficznym (substancją) hest materiał nie posiadający periodycznej budowy krystalicznej. Materiały takie są układami nietrwałymi termodynamicznie powstającymi w warunkach uniemożliwiających krystalizację. Jak wiemy szkła są jedną (bardzo ważną) z grup materiałów amorficznych. Szkło jest substancją stałą przechodzącą stopniowo bez krystalizacji i w sposób odwracalny, ze stanu ciekłego do stałego tzn. takiego w którym lepkość jest większa od 1013 [dPa s].

3. Jakie właściwości cieczy i jaki sposób prowadzenia procesu zestalenia sprzyja powstawaniu szkła?

Szkło nie posiada temperatury krystalizacji jedynie przedział temperatur transformacji Tg w którym stopniowo przechodzi ze stanu ciekłego w stały . Wykresy T-T-T (Time - Temperature – Transformation) określają warunki kinetyczne przejścia przemiany fazowej. Parametrem decydującym o charakterze przemiany jest krytyczna prędkość chłodzenia : V_kryt = ∆T/t_m = (To - T_m)/t_m . Substancje tworzące szkła powinny posiadać wysoką lepkość w stanie stopionym blisko temperatury topienia, substancje tworzące duże zespoły atomów (jonów) o kształtach nieizomerycznych jak: łańcuchy, wydłużone cząstki itp. Substancje te charakteryzują się niską liczbą koordynacyjną czemu sprzyja typ wiązania atomowego_.

4. Jakie są cechy substancji szkłotwórczych?

Substancje tworzące szkła powinny posiadać:

- wysoką lepkość w stanie stopionym blisko temperatury topienia,

- tworzyć duże zespoły atomów (jonów) o kształtach nieizomerycznych jak: łańcuchy, wydłużone cząstki itp.

- substancje te charakteryzują się niską liczbą koordynacyjną czemu sprzyja typ wiązania atomowego.

5. Jakie substancje wchodzą w skład szkieł krzemianowych?

Główne grupy substancji szkłotwórczych tj. tworzących szkła w warunkach normalnych:

- Pierwiastki: S, Se, Te, As, C, B, Si, P

- Tlenki: SiO₂, B₂O₃, P₂O₅, GeO₂, As₂O₅

- Związki z grupą hydroksylową: alkohole, gliceryna

Składniki szkieł ceramicznych:

- Tlenki szkłotwórcze: tlenki Si, B, Ge, P, As, Zn (tworzą więźbę szkła)

- Tlenki modyfikujące: tlenki Na, K, Ca, Mg (zrywają wiązania między elementami więźby osłabiając ją , wysycają lokalne niedobory ładunku lokując się w lukach więźby , łączą fragmenty więźby gdy nie jest ona w pełni przestrzennie spolimeryzowana)

- Tlenki pośrednie: Al, Pb, Ti, Zn, Cd , Be, Zr (w stanie czystym nie tworzą szkła natomiast nabierają własności szkłotwórczych w obecności innych tlenków, zastępują jony więźby modyfikując właściwości szkieł)

- Barwniki: tlenki metali przejściowych, metale szlachetne (tworzą centra barwne w szkle)

6. Modele budowy szkła.

Model Zachariasena – Według najszerzej znanej teorii Zachariasena z 1932 r. przyjmuje się model struktury szkła, w którym budującą jednostką podstawową o losowej orientacji przestrzennej jest tetraedryczna jednostka strukturalna SiO4. Na każdą taką jednostkę składa się jeden atom krzemu, usytuowany w centrum tetraedru oraz cztery atomy tlenu usytuowane w rogach tetraedru (rys. 1). Połączenia między atomem krzemu i tlenu są kowalencyjne jonowe.

Model wyspowy

Znane są również modele Goerlicha i Lebiediewa.

7. Dlaczego trudniej uzyskać szkła metaliczne niż szkła krzemionkowe?

Aby wytworzyć szkło metaliczne niezbędne jest niezwykle szybkie schłodzenie ciekłego stopu.
Otrzymuje się je w postaci taśm o szerokości do 12 mm, drutów lub proszków. Szkło krzemionkowe powstaje w wyniku powolnego chłodzenia stopionego materiału.

8. Na czym polega różnica w budowie krystalicznego i szklistego polimeru organicznego?

Polimery szkliste - polimery zbudowane są z dużych elementów (łańcuchów) i wykazują naturalną skłonność do tworzenia stanu szklistego. Możliwe jest częściowe lokalne uporządkowanie struktury , częściowa krystalizacja (stopień krystaliczności : 0 - 90% (obszary krystaliczne sferolity))

Polimery krystaliczne: nieprzeźroczyste, wyższa temperatura topienia, wytrzymałość. Przejście polimeru ze stanu plastycznego do szklistego przebiega podobnie jak w wypadku powstawania szkieł nieorganicznych.

9. Jakie zastosowania mają materiały węglowe?

Główne zastosowania materiałów węglowych:

- Materiały porowate: konstrukcyjne, izolacyjne - np. .impregnaty, oprócz funkcji uszczelniania struktury, powodują polepszenie własności wytrzymałościowych, odporności na ścieranie. Jednocześnie impregnaty determinują temperaturę zastosowania, dlatego do pracy w wysokich temperaturach stosuje się tworzywa nieimpregnowane, o większej zawartości grafitu

- Włókna węglowe do zbrojenia laminatów (kompozytów) oraz rzadziej osnowa w kompozytach - kompozyty zbrojone włóknem węglowym znajdują szerokie zastosowanie w budowie samolotów i śmigłowców, na odpowiedzialne części, np. elementy kadłuba, pokrycia skrzydła, lotki, klapy, stery, łopaty wirnika, osłony przyrządów, elementy tapicerki

- Materiały biomedyczne - implanty węglowe stosowane są głównie na protezy ścięgien oraz wiązadeł, elementy zespalające kości.

- Materiały izolacyjne i chemoodporne

- Materiały specjalne (nanomateriały)