Egzamin InzNowMat, SEMESTRY, Sem 6, Inz Nowych Materialow


1.Jakie cechy wpływają na właściwości mechaniczne materiałów

Do właściwości mechanicznych materiałów zaliczamy:

- twardość

- rozciągliwość(granice plastyczności, wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie)

- udarność

- reakcja na zmiany temperatury
Wiele cech wpływa na właściwości mechaniczne materiałów, takich jak:

Temperatura - pod wpływem wzrostu temperatury, niektóre materiały mogą zmieniać swoje właściwości jak np. metal zwiększa swoją powierzchnię. W bardzo wysokich temperaturach niektóre materiały zmieniają swój stan skupienia, a z kolei w bardzo niskich mogą stać się kruche i nie odporne na uderzenia.

Dodawanie różnych dodatków - poprzez mieszanie niektórych materiałów np. z piaskiem, drobinami metali, barwnikami itp. Materiały zmieniają swoje właściwości mechaniczne (w zależności od dodanych elementów), tak jak twardość, plastyczność, rozciągliwość.

Ponadto:

Zwiększenie wytrzymałości roztworów stałych. Przykład: Cu + dodatki

Wzmocnienie za pomocą wydzieleń innej fazy: gdy nie tworzy się roztwór stały.

Stop o składzie eutektycznym jest twardy i wytrzymały (ale może być kruchy)

W rezultacie: Jaki skład stopu jest najlepszy?

Oczywiście, zależy to od przeznaczenia materiału. Skład stopu ma jednak istotny wpływ na właściwości mechaniczne:

0x01 graphic

Na wykresie przedstawiona jest zawartość cyny w stopie ołowiu, oraz jak zmienia się rozciągliwość w zależności od ilości (określonej procentowo) cyny w stopie ołowiu. Widzimy, ze do 60% rozciągliwość rośnie, a po 60% zaczyna spadać.

2.Dyfuzja(mechanizm, znaczenie w inżynierii itp.) w ciele stałym.

Dyfuzja jest niezwykle ważnym procesem w mikroelektronice. Poniżej widzimy niektóre zagadnienia inżynierii materiałowej w których dyfuzja odgrywa kluczową rolę:
1.Przewodnictwo jonowe

2.Domieszkowanie półprzewodnikowe
3.Dyfuzja reakcyjna
5.Spiekanie, łączenie dyfuzyjne

6.Bariery termiczne

7.Bariery przeciwko dyfuzji

Niektóre zagadnienia inżynierii materiałowej w których dyfuzja odgrywa kluczową rolę:

1. Efekt Kirkendalla: przemieszczanie się granicy między fazami wskutek nierównych szybkości dyfuzji różnych atomów wewnątrz materiału.

2. "purple plague": powstawanie dziur w połączeniach

spawanych aluminium - złoto (przyczyna jak wyżej).

-------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Dyfuzja jest to samorzutne przenikanie cząsteczek jednej fazy układu w głąb fazy drugiej, spowodowane bezładnym ruchem cieplnym, a także większych cząstek zawieszonych w płynach.
yfuzja w stanie stałym.

Polega na przemieszczaniu się atomów podstawowych lub domieszek stanie stałym na skutek istnienia gradientu temperatury lub gradientu koncentracji dyfundujących atomów. Szybkość dyfuzji bardzo wzrasta kryształach z dużą ilością defektów strukturalnych. Do mechanizmów dyfuzji w stanie stałym możemy zaliczyć dyfuzję za pośrednictwem defektów Schottky'ego (atomy przemieszczają się drogą wymiany z wakacjami. Zachodzi w roztworach substytucyjnych, Gdzie średnice atomów są zbliżone,
Q - stanowi energię konieczną do utworzenia wakacji i ich wymiany z atomami), dyfuzję za pośrednictwem defektów Frenkla (atomy domieszek przeskakują z jednej luki międzywęzłowej do drugiej sąsiedniej Q - stanowi energię konieczną do przeskoku. Ma ona znacznie mniejszą wartość niż przy dyfuzji mechanizmem wakacyjnym, co powoduje, że domieszki międzywęzłowe dyfundują znacznie szybciej niż substytucyjne. Zachodzi w roztworach międzywęzłowych przy znacznej różnicy wielkości atomów domieszek i osnowy np. H, B, C, N, i O), dyfuzja granicami ziarn (zachodzi w materiale polikrystalicznym. W wysokiej temperaturze granice ziarn nie stanowią dróg uprzywilejowanej dyfuzji, jednak rola ich wzrasta w miarę obniżenia temperatury), dyfuzja przez dyslokacje (podobnie jak granice ziarn mogą być drogami łatwego przenikania a tomów w niższych temperaturach). Dwa ostatnie mechanizmy odgrywają rolę głównie w procesach obróbki cieplnej, które zachodzą w zakresach niższych temperatur.
Prócz zagadnienia dyfuzji obcych cząsteczek danej substancji, ważne jest również zagadnienie samodyfuzji tj. dyfuzji atomów danej substancji wewnątrz tej samej substancji. Szybkość samodyfuzji może być mierzona przy zastosowaniu techniki atomów znaczonych, zwykle izotopów radioaktywnych danej substancji.
Dyfuzja domieszek do kryształów jest jedną z podstawowych metod domieszkowania kryształów półprzewodnikowych w celu kontrolowanej zmiany rezystywności i typu ich przewodnictwa. Używa się jej w technologii półprzewodnikowej przy wytwarzaniu złącz p-n oraz do lokalnej zmiany rezystywności kryształów.

Dyfuzja w gazach.
Teoria dyfuzji gazów rozwinęła się wraz z teorią kinetyczną gazów. Jak wiadomo, cząsteczki gazów mają ruchy translacji bardzo szybkie, o prędkościach idących w setki metrów na sekundę. Wydawałoby się, że dyfuzja gazów powinna przebiegać szybko. Tymczasem zupełnie tak nie jest, zderzenia, bowiem cząsteczek, idące w miliardy na sekundę w jednym centymetrze sześciennym tak przeszkadzają ich posuwaniu się w jakimś określonym kierunku, że proces dyfuzji przebiega wolniej. Dyfuzja, zatem jeśli chodzi o ilość (nie masę) przedzierających się cząsteczek będzie przebiegać intensywniej w wysokich temperaturach (wyższe prędkości translacji), przy niższym ciśnieniu (mniej cząsteczek, mniej zderzeń) i szybciej będą dyfundować cząsteczki lżejsze poruszające się szybciej od ciężkich.
Dyfuzja może być ustalona lub nieustalona. W pierwszym przypadku stężenie składnika wymienianego jest w każdym punkcie rozpatrywanej przestrzeni niezmienny w czasie. A w drugim przypadku dyfuzji pole stężeń składnika wymienianego jest nie tylko funkcją położenia, ale i czasu.
Teoria kinetyczna gazów przyjmuje następujące założenia: opór dyfuzji w pewnym kierunku przy dwu składnikach jest proporcjonalne do:
• Liczby cząsteczek składnika dyfundującego A
• Liczby cząsteczek składnika B przez, który dyfunduje składnik A
• Różnicy wypadkowych prędkości cząsteczek obu gazów, liczonych w kierunku dyfuzji
• Grubości warstwy, przez którą dyfuzja się odbywa, czyli inaczej drogi dyfuzji

Efekt Kirkendalla

-Zachodzi na granicy dwóch materiałów (metali), w przypadku, gdy szybkości dyfuzji A do B i B do A znacznie się różnią. Wskutek dyfuzji, na granicy dwóch metali

powstają puste miejsca

-Dodatkowy efekt: mogą również powstawań związki

międzymetaliczne, które najczęściej są kruche.

Konsekwencje technologiczne

-Wytwarzanie przewodów nadprzewodzących (Nb3Sn). Wytwarza się

je umieszczając Nb w brązie (Cu-Sn) i następnie wyciągając włókna.

Następnie, w czasie wygrzewania Nb reaguje z Sn dając Nb3Sn,

Samo Nb3Sn nie może być wyciągane w postaci włókien, ponieważ

jest kruche. Czarne punkty na rysunku po prawej są porami

wynikającymi z E.K.

-Podobnie wytwarza się stopy Ni-Ti z pamięcią kształtu

(Tzn wygrzewa się wielowarstwowe układy Ni/Ti/Ni/Ti...

3.Jakie właściwości materiału, istotne z praktycznego punktu widzenia, zależą od wiązania chemicznego

Pierwotnym źródłem wszelkich właściwości materiału, a zatem i potencjalnych funkcji pełnionych przez materiał są wiązania chemiczne, a zatem konfiguracja elektronowa składników materiału.

Wiązania chemiczne dzielimy na:

-wiązania jonowe:

Stopy i roztwory związków chemicznych, w których występuje wiązanie jonowe są elektrolitami, tzn. są zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego. W kryształach substancji jonowych, nośniki ładunku (jony) są "więźniami" sieci krystalicznej. W stopionych lub rozpuszczonych kryształach jony są z niej uwolnione i są zdolne przewodzić prąd elektryczny.

-wiązania kowalencyjne:

-W stanie stałym i ciekłym nie przewodzą prądu elektrycznego (wyjątkiem jest grafit).
- W stanie stałym tworzą kryształy cząsteczkowe lub kowalencyjne.
- Kryształy cząsteczkowe mają stosunkowo niskie temperatury wrzenia i topnienia.
-Kryształy kowalencyjne są trwałe, odporne mechanicznie, mają wysokie temperatury topnienia.
- Nie ulegają dysocjacji jonowej.
- Reagują zwykle wolno.
- Rozpuszczają się w rozpuszczalnikach niepolarnych.

-wiązania metaliczne:

Obecność wiązania metalicznego nadaje substancji określone własności, które przyjęło się uważać za charakterystyczne dla metali, takie jak połysk, kowalność, dobra przewodność prądu i ciepła, termoemisja elektronów.

-wiązania wodorowe:

Związki zawierające wiązania wodorowe mogą występować we wszystkich stanach skupienia.

-wiązania pomiędzy cząsteczkami:

Przyciąganie pomiedzy dipolami(mogą to też być chwilowe dipole)

4.Reguła Faz Gibasa

Jeśli policzymy ile parametrów (stopni swobody) F musimy podać, aby jednoznacznie określić stan układu zawierającego C niezależnychskładników i P faz:

Zmiennych stężeniowych: C - 1 dla każdej fazy, oraz P(C - 1) dla wszystkich faz, a uwzględniwszy P i T: P(C - 1)+2

Jak wykazaliśmy, dla każdego składnika: αJ βJ ... βJ γJ ... μ = μ μ = μ

co daje: P - 1 równań dla jednego składnika, oraz C(P - 1)

co daje: P - 1 równań dla jednego składnika, oraz C(P - 1)

dla wszystkich składników. Pomniejsza to liczbę parametrów koniecznychdo scharakteryzowania układu (czyli liczbę stopni swobody):

F = P(C - 1) + 2 - C(P - 1) = C - P + 2

Jest to reguła faz Gibbsa.

Innymi słowy mówiąc: Zmiany stanu skupienia są szczególnym przypadkiem przemian fazowych. Przez fazę rozumiemy jednorodną część układu chemicznego oddzieloną od pozostałych części wyraźnymi granicami - granicami międzyfazowymi. Każdy układ chemiczny określony jest przez liczbę faz 0x01 graphic
oraz liczbę składników 0x01 graphic
niezbędnych do zbudowania tego układu.

Ilość faz oraz składników jaka może występować w danym układzie jest zależna od temperatury, ciśnienia. Zależność tę ujmuje reguła faz Gibbsa:

0x01 graphic

gdzie:
s  -  ilość stopni swobody, czyli parametrów które możemy dowolnie zmieniać bez  zmiany ilości składników  a i ilości faz b w danym układzie,
0x01 graphic
- ilość składników niezależnych,
0x01 graphic
-  ilość faz.

5.Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest YBCO

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C).

YBCO:

Nadprzewodnictwo wysokotemperaturowe występuje w temperaturze powyżej 30K, ten typ nadprzewodnictwa wykazują materiały tlenkowe o charakterze ceramik i będące nadprzewodnikami II rodzaju. Na razie nie ma teorii wyjaśniającej to zjawisko. Najwyższa temperatura krytyczna wynosi obecnie 138 K (-135,15°C) dla związku (Hg0.8Tl0.2)Ba2Ca2Cu3O8.33.

Głównym reprezentantem nadprzewodnictwa wysokotemperaturowego jest związek YBa2Cu3O6+x (YBCO), który jest złożonym tlenkiem o warstwowej strukturze płaszczyzn CuO połączonych łańcuchami miedziowo-tlenowymi. YBCO (tlenek itrowo -barowo -miedziany)

4BaCO3 + Y2(CO3)3 + 6 CuCO3 → 2 YBa2Cu3O{7-x} + 13 CO2 + (3+x)O2

Związek YBa2Cu3O6 jest izolatorem. Musi być domieszkowany, by stać się metalicznym przewodnikiem, a poniżej Tc nadprzewodnikiem. Domieszkowanie polega na zwiększaniu zawartości tlenu - dodatkowe atomy tlenu tworzą łańcuchy miedziowo-tlenowe. Jony tlenu przyciągają elektrony z płaszczyzn CuO2, dzięki czemu przewodnictwo w tych płaszczyznach ma charakter metaliczny.

YBCO (YBa2Cu3O6+x)jest:

Struktura YBCO może być schematycznie przedstawiona jako składająca się z dwóch warstw CuO2 rozdzielonych itrem. Te dwie warstwy rozdzielone są obszarem między warstwowym, składającym się z łańcuchów CuO i płaszczyzn BaO. Łańcuchy Cu-O można traktować jako swoisty „magazyn ładunku”, z którego może on być przekazywany do płaszczyzn CuO2.

6. Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest Guma

Polimery (gr. polymeres - wieloczęściowy, zbudowany z wielu części) - związki chemiczne o bardzo dużej masie cząsteczkowej, które składają się z wielokrotnie powtórzonych jednostek zwanych merami.

Przez "bardzo dużą masę cząsteczkową" rozumie się zwykle taką sytuację, gdy odjęcie lub przyłączenie jednego meru nie zmienia w zasadniczym stopniu ogólnych własności chemicznych i fizycznych związku chemicznego. Odróżnia to polimery od oligomerów, które mają jeszcze na tyle małą masę cząsteczkową, że dodanie do nich lub odjęcie jednego meru skutkuje zauważalną zmianą np. ich temperatury topnienia.

Polimery naturalne są jednym z podstawowych budulców organizmów żywych. Polimery syntetyczne są podstawowym budulcem tworzyw sztucznych, a także wielu innych powszechnie wykorzystywanych produktów chemicznych takich jak: farby, lakiery, oleje przemysłowe, środki smarujące, kleje itp. Polimery syntetyczne otrzymuje się w wyniku łańcuchowych lub sekwencyjnych reakcji polimeryzacji ze związków posiadających minimum dwie grupy funkcyjne zwanych monomerami.

GUMA: to bardzo rozciągliwy materiał, elastomer chemicznie zbudowany z poliolefin, które są w stosunkowo niewielkim stopniu usieciowane w procesie wulkanizacji. W przemyśle, terminem "guma" obejmuje się czasami w uproszczeniu wszystkie rodzaje stałych elastomerów. Gumę stosuje się jako materiał na uszczelki, elastyczne przewody i opony. Guma w ścisłym znaczeniu nie jest odporna na wysoką temperaturę i pali się wydzielając czarny, gryzący dym. Jest nieprzepuszczalna dla wody. Guma może być elastyczna w zakresie temperatur od -60 do 220 °C. Jednak w praktyce poszczególne gatunki gumy spełniają ten wymóg tylko w niewielkim zakresie temperatur. Oznacza to, że w zależności od przewidywanej temperatury pracy urządzenia należy zmieniać rodzaj zastosowanej gumy. Przykładem mogą być tutaj letnie i zimowe opony samochodowe. Guma może się rozciągnąć aż 12 razy, nim zostanie zerwana. Wytrzymałość na rozciąganie dla gumy to od 2,5 do 50 MPa. Gęstość gumy waha się w granicach od 1,1 do 1,5 g/cm3.

7. Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest Szkło

Szklo: Materiały Nieorganiczne powstały na wskutek stopienia a następnie ochłodzenia bez krystalizacji Spełnia makroskopową definicję ciała stałego, chociaż może być

też uważane za przechłodzoną ciecz. Nie jest plastyczne: może być odkształcone sprężyście lub pęknąć. Historycznie rzecz biorąc, termin „szkło” jest zarezerwowane do materiałów amorficznych otrzymanych wskutek szybkiego ochłodzenia cieczy.

Materiał amorficzny, natomiast, oznacza dowolne ciało stałe o nieperiodycznej sieci atomów.

Szkło naturalne

o Opal

o Obsydian - szybko ochłodzona lawa;

o Fulguryt, strzałka piorunowa, piorunowiec, rurka, pręt

kwarcowy powstały z piasku lub skały, stopionych od

uderzenia pioruna

o Tektyty - szkło powstałe wskutek uderzenia (dokładne

pochodzenie nieznane)

Inżynieria materiałowa szkła

o Czynniki, które decydują o właściwościach szkła (i które

można zmieniać tworząc nowe produkty):

• Skład szkła;

• Struktura;

• Powierzchnia;

• Cienkie warstwy nanoszone na powierzchnię szkła;


o Dodatkowym czynnikiem umożliwiającym tworzenie

nowoczesnych produktów jest możliwość

konstruowania złożonych układów bazujących na szkle.

Głównym składnikiem szkła ( zwykłego) jest SiO2.Nie tylko SiO2 tworzy szkło:

o Pierwiastki szkłotwórcze : te, które w związkach z

tlenem tworzą sieć wielościanów; mają liczbę

koordynacyjną 3 lub 4 (Si, B, P, Ge; As .). Szkło

tworzą również inne tlenki, jak Bi2O3, CuO.

Struktura szkła

o Zbadanie, opisanie i zrozumienie struktury szkła jest skomplikowanym (i wciąż otwartym) zagadnieniem.

Znaczenie składu szkła: przykład

o Wata szklana to włókna szkła glinokrzemianowego o

długości kilku milimetrów i średnicy kilku mikrometrów.

Podobne rozmiary mają włókna krystalicznego

glinokrzemianu, czyli azbestu.

• Azbest nie rozpuszcza się w środowisku panującym w

płucach (30 lat), przez co jest rakotwórczy;

• Wata szklana stosowana przez lata rozpuszcza się po około

kilku miesiącach;

• Modyfikacja składu szkła (zmniejszenie zawartości Al2O3 z

3.4 do 2.2%, Na2O z 15.75 do 15.5% i zwiększenie MgO z

3.0 do 3.4%) spowodowała, że szkło stało się biorozpuszczalne

w przeciągu kilku tygodni a nawet dni.

Właściwości fizyczne szkła

Temperatura przejścia do fazy szklistej („temperatura zeszklenia”) jest to

temperatura, w której ciało amorficzne wykazuje zmianę nachylenia zależności objętości

właściwej od temperatury.

Właściwości mechaniczne szkła

o Szkło ma bardzo duży moduł Younga;

o Główną wadą szkła jest jego kruchość.

o Przyczyny kruchości szkła:

•Główną przyczyną kruchości szkła są mikropęknięcia na powierzchni. Mikropęknięcia przemieszczają się najpierw powoli, a następnie katastrofalnie szybko.

• Para wodna i woda dostając się do mikropęknięć przyspiesza ich

propagację (przyspiesza zrywanie wiązań kowalencyjnych).

o Jakość powierzchni szkła decyduje o jego kruchości.


Ciekawostki:

• Jakość zewnętrznej powierzchni szkła decyduje o wytrzymałości butelki na wewnętrzne ciśnienie (szampan).

• Jakość wewnętrznej powierzchni butelki decyduje o wytrzymałości butelki na uderzenia (transport, proces napełniania butelek).

• Prawie idealną powierzchnię (a co za tym idzie - prawie idealną wytrzymałość) mają włókna szklane używane do wzmacniania kompozytów.

Wzmacnianie szkła

o Wzmacnianie szkła polega na poprawieniu jakości powierzchni i takiej modyfikacji powierzchni, że pęknięć albo nie ma, albo nie mogą się przemieszczać.

• Hartowanie;

• Chemiczna modyfikacja powierzchni;

• Nanoszenie warstw, laminowanie szkła.

8. Podaj charakterystyczne cechy materiałów, której przedstawicielem jest Papier

Tworzywa naturalne - to grupa materiałów pozyskiwanych ze źródeł naturalnych, których nie otrzymuje się na drodze syntezy chemicznej, czy innych, bardzo złożonych procesów technologicznych. Materiały naturalne przystosowuje się do praktycznego użycia tylko poprzez proste procesy fizyczne - takie jak cięcie, skrawanie, miażdżenie, mielenie, mieszanie itp.

Papier: Od najdawniejszych lat człowiek chciał w jakiś sposób utrwalić swoje myśli i wydarzenia. Dzięki temu najpierw powstawały proste symbole i znaki. Ale potrzebne było coś, co utrwaliłoby je na długi czas. I tak zaczął on pisać: na płaskich kamieniach, na kościach zwierząt, drewnianych, glinianych i woskowych tabliczkach, na liściach i korach drzew. Potem na papirusie, na pergaminie, aż w końcu na papierze.

Obecnie papier klasyfikuje się na dwie zwyczajowe grupy towarowe:
1) wytwory papiernicze
2) przetwory papiernicze

Wytwory papiernicze
Mówiąc o wytworach papierniczych przytaczamy tu jednocześnie samą definicję papieru.
Papierem, który jest wytworem papierniczym nazywamy spilśniony produkt ukształtowany w postaci arkuszy lub wstęg, powstający z włókien roślinnych zawieszonych w wodzie, osiadłych na sicie i wysuszonych, z ewentualnym dodatkiem wypełniaczy, środków zaklejających i barwników.
[wypełniacze - białe pigmenty, którymi pokrywa się włókna]

Inna, krótsza definicja papieru - jest to wytwór papierniczy w postaci arkuszy lub wstęgi o gramaturze do 250 g/m2.
[gramatura - masa jednostkowa, tzn. masa wyrobu w gramach przypadająca na m2]

Przetwory papiernicze
Przetwory papiernicze - to produkty otrzymywane przez poddanie wyrobów papierniczych obróbce chemicznej i fizykochemicznej (np. powlekanie) lub mechanicznej (np. wykrawanie) lub poddanie obu tym procesom jednocześnie.

Surowce
Podstawowym surowcem do produkcji papieru jest drewno.
Wykorzystuje się takie drzewa jak: sosna, jodła, topola, świerk, osika i brzoza.

Z drewna w wyniku obróbki chemicznej otrzymuje się masę celulozową. Masę celulozową natomiast otrzymuje się w wyniku rozpuszczenia ligniny, która wiąże poszczególne włókna w roślinie. Usunięcie ligniny sprawia, że struktura drewna zmienia się na masę pojedynczych włókien, w których dominującym składnikiem jest celuloza. Wytwory papiernicze uzyskiwane z mas celulozowych to tzw. Wytwory bezdrzewne.

Czyli w efekcie obróbki chemicznej z drewna otrzymuje się masę celulozową, a w efekcie obróbki mechanicznej - ścier drzewny. Z tych dwóch surowców uzyskuje się większość papieru na świecie.

Ścier drzewny uzyskuje się na skutek mechanicznego ścierania drewna. Wyróżniamy tu ścier biały (głównie z drewna świerkowego), ścier chemiczny (jeżeli drewno poddano wcześniej impregnacji) i ścier brązowy ( najpierw zastosowano tu parowanie drewna pod ciśnieniem - najczęściej sosnowego)

Właściwości papieru

Białość Zależna jest od surowców użytych do produkcji papieru, od rozjaśniaczy (środki optycznie bielące) i od stopnia czystości
Chłonność oleju Jest to zdolność przyjmowania farby. Może decydować o dopuszczalnej prędkości maszyny drukującej
Drukowność wyrobów Jest to jedynie umowna cecha papieru, która określa przydatność papieru do drukowania. Jednak nie można jednoznacznie stwierdzić czy dany papier odpowiednio zachowa się w procesie drukowania
Gęstość pozorna Jest to stosunek gramatury do grubości wyrobu papierniczego. Przedział od 0,3 do 1,2 g/cm3
Gładkość Cecha, która ma ogromne znaczenie dla papierów przeznaczonych do pisania oraz dla papierów drukowych. Charakteryzuje ona porowatość papieru
Grubość Dla bibułek 1m = 0,001 mm Dla tektur 0,025 mm
Jednorodność Charakteryzuje stopień jednolitości wyrobu, Ważny jest dla użytkownika, przetwórcy i drukarza.
Nieprzezroczystość Jest to opór przenikania światła. Malaje on wraz ze wzrostem gęstości i gładkości papieru, a zwiększa się ze wzrostem jego grubości. Ważna cecha dla papierów drukowych, które muszą mieć odpowiednią nieprzezroczystość, aby nie przebijały druku na drugą stronę.

9. Cienkie warstwy

Gdzie stosujemy cienkie warstwy:

Wszelkiego rodzaju układy scalone. I technologia MOS, i wytwarzanie tranzystorów bipolarnych, wymaga nanoszenia cienkich warstw na powierzchnię krzemu

lub innego półprzewodnika.

-Lasery

-Diody

-Ogniwa fotowoltaiczne

-Soczewki

-Zwierciadła

Warstwy mogą być:

-polikrystaliczne

-monokrystaliczne

-amorficzne

0x01 graphic

1. Wszystkie metody polegają na tym, że atomy

(cząsteczki) nanoszonej substancji muszą zbliżyć się do

podłoża, związać z nim i utworzyć odpowiedniej

grubości warstwę.

2. W czasie wytwarzania cienkich warstw zachodzą

konkurujące ze sobą procesy:

• Powodujące wzrost warstwy:

1. Osadzanie atomów na powierzchni;

• Powodujące zmniejszanie się warstwy:

1. Odbijanie padających atomów od powierzchni;

2. Desorpcja (parowanie) atomów z powierzchni;

Etapy tworzenia cienkich warstw

1. Termiczna akomodacja ->Padający jon/atom musi stracić nadmiarową Energie Kinetyczną, jeśli alpha =0 nie ma straty energii (odbicie sprężyste) alpha różna od 0, cala energia nadmiarowa jest tracona.

0x01 graphic

2. Związanie z podłożem -> Mogą zajść dwa główne przypadki:

• Wiązania atomów z powierzchnią mają charakter fizyczny,

czyli są to słabe wiązania typu Van der Waalsa (0.01 eV)

• Mogą powstać typowe wiązania chemiczne różnego typu (1 -

10 eV)

3. Dyfuzja powierzchniowa

Dyfuzja atomów po powierzchni warstwy pozwala na tworzenie i wzrost klastrów adsorbowanych atomów => powstaje warstwa

4. Zarodkowanie

1. Jak powstaje klaster atomów? Podobnie, jak i wszystkie inne nowe fazy.

• powstaje zarodek nowej fazy;

• zarodek powiększa się tworząc klaster atomów;

2. Podobnie, jak w każdym procesie powstawania nowej fazy mamy dwa konkurujące ze sobą efekty:

• klaster ma niższą energię swobodną niż zbiór

izolowanych atomów (ΔGV) - tzn. powstanie klastru atomów obniża energią swobodną;

• klaster ma wyższą energię powierzchniową niż izolowane

atomy, co z kolei oznacza zwiększenie energii swobodnej i zanikanie klastrów, które są zbyt małe.

5. Wzrost izolowanych wysp lub warstw

-zarodki rosnąc tworzą trójwymiarowe wyspy

-zarodki rosnąc tworzą warstwę na warstwie

6. Łączenie się wysp
1.Atomy łatwo uwalniają się z małych wysp (duża energia powierzchniowa) i wędrując po powierzchni przyłączają się do wysp dużych.

2. W czasie wygrzewania obniża się energia powierzchniowa; atomy z miejsc o dużej krzywiźnie wędrują do miejsc o mniejszej krzywiźnie.

3. Małe wyspy, wykonując przypadkowe ruchy zbliżają się do wysp większych i łączą się z

nimi.

7. Dalszy wzrost

Epitaksja- echnika półprzewodnikowa wzrostu nowych warstw monokryształu na istniejącym podłożu krystalicznym, która powiela układ istniejącej sieci krystalicznej podłoża. Opracował ją w 1957 roku N. N. Sheftal z zespołem. Epitaksja pozwala kontrolować domieszkowanie warstwy epitaksjalnej, zarówno typu p jak i n, i jest to niezależne od domieszkowania podłoża.

Odmianą epitaksji jest epitaksja z wiązki molekularnej - technika ta pozwala na nanoszenie warstw krystalicznych o grubości pojedynczej warstwy atomowej. Technika ta jest wykorzystywana w produkcji kropek kwantowych oraz tzw. cienkich warstw.

Zjawisko epitaksjalnej krystalizacji lodu na jodkach metali jest używane do rozpraszania mgły i wywoływania opadów.

10.Naszkicuj wykres zależności temp. Materiału o składzie podeutektycznym w czasie jego krzepnięcia. Jakiego składu i mikrostruktury można się spodziewać w temp.

Pokojowej?

0x01 graphic

0x01 graphic

0x01 graphic

11. Opisz w punktach cechy jednej z grup materiałów: dielektryk, kompozyt, aerozol, nadprzewodnik.

Dielektryk - izolator elektryczny, substancja w której praktycznie nie ma ładunków swobodnych w wyniku czego nie przewodzi ona prądu elektrycznego

W dielektrykach ładunki związane mogą wykonywać ograniczone względem położenia równowagi ruchy. Ruchy te decydują o własnościach elektrycznych dielektryka.

Jeżeli w polu elektrycznym (elektrostatycznym) znajdzie się przewodnik, (w którym nie płynie prąd elektryczny), to ładunki swobodne przesuną się tak, że wewnątrz ciała nie będzie pola elektrycznego. W dielektryku ładunki nie mogą się swobodnie przesuwać, ale może dojść do przesunięcia się ładunków elektrycznych dodatnich względem ujemnych (powstaną dipole elektryczne). Zjawisko to nazywamy polaryzacją dielektryka. Makroskopowo postrzegamy to zjawisko jako gromadzenie się ładunków na powierzchni dielektryka (obojętnego jako całość), ładunki te zmniejszają pole elektryczne w dielektryku w stosunku do zewnętrznego pola elektrycznego (wektor E), co można opisać jako występowanie w dielektryku dodatkowego pola elektrycznego (wektor D) zwanego polem indukcji elektrycznej.

Jeżeli dielektryk jest izotropowy, to wektory E i D mają ten sam kierunek i dla wielu substancji przy niezbyt dużym polu elektrycznym i przy niezbyt dużych częstotliwościach zmian pola (E) indukowane pole (D) jest proporcjonalne do pola zewnętrznego, współczynnik proporcjonalności (ε) jest nazywany przenikalnością dielektryczną substancji i jest wielkością charakterystyczną dla danej substancji.

0x01 graphic

W praktyce nie istnieją idealne dielektryki, te rzeczywiste charakteryzują się rezystancjami rzędu GΩ (gigaom). W wyniku tego w każdym dielektryku występują tzw. straty dielektryczne, co z kolei powoduje np. straty mocy podczas przesyłu energii elektrycznej liniami wysokiego napięcia, gdzie głównym dielektrykiem jest powietrze.

Dodatkowym problemem jest to, że dla każdego rzeczywistego dieletryka istnieje pewne napięcie przebicia, powyżej którego przez dielektryk płynie prąd - dla dielektryków stałych (tzn. niegazowych i niepłynnych) oznacza to jego trwałe uszkodzenie.

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

0x01 graphic

Wiele kompozytów wykazuje anizotropię różnych właściwości fizycznych. Nie muszą to być wyłącznie własności mechaniczne. Np. polaroid to przykład kompozytu, który osiągnął sukces komercyjny dzięki jego szczególnym anizotropowym własnościom elektrooptycznym.

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

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

Aerozol - odmiana gazozolu, układ koloidalny, w którym ośrodkiem rozpraszającym jest powietrze, a cząstkami koloidalnymi są substancje ciekłe lub stałe. Aerozole są najpowszechniejszą odmianą gazozoli. Aerozole dzieli się na mgły (cząstki ciekłe) i dymy (cząstki stałe).

Przykładami aerozoli są: aerozol soli morskiej, sadza, pyły mineralne, smog. Natomiast mgła, krople chmurowe, kryształy lodu są przykładami hydrometeorów i nie są zwyczajowo klasyfikowane jako aerozole w meteorologii i fizyce atmosfery, mimo że mieszczą się w pojęciu aerozoli, jak to zostało zdefiniowane tutaj.

Nadprzewodnictwo - cecha przewodnika elektrycznego, polegająca na tym, że w pewnych warunkach ma on zerową rezystancję. Innymi ważnymi zjawiskami zachodzącymi w nadprzewodnikach są: wypychanie pola magnetycznego (efekt Meissnera) oraz kwantowanie strumienia magnetycznego przechodzącego przez nadprzewodzącą pętle. Większość przewodników wykazuje nadprzewodnictwo dopiero w temperaturze bliskiej zera absolutnego, czyli 0 K (-273,15°C).

12. Od czego zależy szybkość dyfuzji w ciałach stałych?

Szybkość dyfuzji.

• Aby otrzymać sensowną szybkość reakcji stała dyfuzji musi

być większa niż 10-12 cm2/s.

• Szybkość dyfuzji można zwiększyć zwiększając

temperaturę. Współczynnik dyfuzji gwałtownie rośnie wraz ze

wzrostem temperatury.

• Przy doborze temperatury reakcji stosuje się często tzw regułę

Tammana: Reakcja w fazie stałej będzie przebiegać dopiero, w

temperaturze równej około 2/3 temperatury topnienia minimum

jednego ze składników.

Nieuniknione konsekwencje stosowania wysokich temperatur:

• trudności w przyłączaniu jonów lotnych (np. Ag+)

• Nie można otrzymać niskotemperaturowych, metastabilnych

produktów.

• W wysokich temperaturach wyższe stany utlenienia kationów sączęsto niestabilne, np.2CuO Cu2O + ½ O2

Szybkość dyfuzji.

• Innym sposobem zwiększenia D jest wprowadzenie defektów poprzez stosowanie reagentów, które dekomponują zanim zacznie się reakcja np węglany, azotany).

• Innym sposobem zwiększenia D jest umożliwienie zachodzenia dyfuzji za pośrednictwem mechanizmu o najmniejszej energii aktywacji i największej szybkości.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji:

Powierzchnia kontaktu między reagującymi

ciałami.

• Aby zmaksymalizować powierzchnię kontaktu należyużyć substratów o dużej powierzchni.

-1 „krystalit” o krawędzi 1 cm ma powierzchnię kontaktu = 6cm2

-109 „krystalitów” o krawędzi 1 μm ma powierzchnię kontaktu = 6*103 cm2

-1018 „krystalitów” o krawędzi 1 nm ma powierzchnię kontaktu = 6*106 cm2

13.Struktura materiału(krystaliczna i amorficzna)

Ciało amorficzne, ciało bezpostaciowe - stan skupienia materii charakteryzujący się własnościami reologicznymi zbliżonymi do ciała krystalicznego, w którym nie występuje dalekozasięgowe uporządkowanie cząsteczek. Ciało będące w stanie amorficznym jest ciałem stałym (tzn. nie może płynąć), ale tworzące je cząsteczki są ułożone w sposób dość chaotyczny, bardziej zbliżony do spotykanego w cieczach. Z tego powodu ciało takie dość często nazywa się stałą cieczą przechłodzoną.

W stanie amorficznym występują zwykle substancje, które są zdolne do krystalizacji, ale ze względu na duży rozmiar cząsteczek, zanieczyszczenia lub szybkie schłodzenie cieczy, nie mają warunków, aby w pełni skrystalizować.

Faza amorficzna rzadko występuje w całej objętości substancji spotykanych w praktyce, lecz zwykle współistnieje z fazą krystaliczną. W ciałach takich pojawiają wówczas domeny (niewielkie obszary) fazy krystalicznej, przemieszane z domenami fazy amorficznej, przy czym zmieniając warunki schładzania cieczy, można zmieniać proporcje jednej fazy do drugiej w dość szerokim zakresie.

Sieć krystaliczna - sposób wypełnienia atomami przestrzeni tak, że pewna konfiguracja atomów zwana komórką elementarną jest wielokrotnie powtarzana.

Wiele spośród ciał stałych ma budowę krystaliczną, tzn. że atomy, z których się składają ułożone są w określonym porządku. Porządek ten daje się stosunkowo prosto opisać przez podanie własności symetrii. Symetrię kryształu definiuje się poprzez podanie operacji symetrii przekształcających kryształ sam w siebie. Przekształceniami symetrii są translacje, obroty, inwersja, obroty inwersyjne i płaszczyzny odbicia.

Ciało stałe zbudowane w ten sposób nazywamy kryształem. Istnieje 14 sposobów takiego wypełnienia przestrzeni, które różnią się kątami między krawędziami komórki elementarnej i ewentualnymi nierównościami między długościami niektórych jej boków. Te sposoby są znane pod nazwą sieci Bravais'go. Dział fizyki, który się nimi zajmuje to krystalografia.

14.Defekty(punktowe, dyslokacje, mikrostruktura,)

Defekt sieci krystalicznej - niedoskonałości kryształów polegające na punktowym lub warstwowym zerwaniu regularności ich sieci. Defekty występują praktycznie we wszystkich rzeczywistych kryształach. Wynikają one z natury procesu krystalizacji.

  1. Punktowe:

  • Liniowe - inaczej dyslokacje: