1) Wymień i zapisz typy defektów punktowych w związku MeX:

Defekty punktowe są ta zaburzenia sieci krystalicznej o zasięgu wymiarów atomów (jonów). Typy defektów punktowych na przykładzie struktury MX a) wakancje (wakans)-brak atomu w węźle sieci V_x, V_M b) atom (jon) w niewłaściwym położeniu Mx, X_M c) atomy (jony) w położeniach międzywęzłowych Mi, Xi d) defekty ładunków (elektrony e- i dziury h). Defekty punktowe mogą tworzyć zespoły-klasery zmieniające lokalnie budowę kryształu- domeny i wtrącenia.

2) Podaj znane ci właściwości tworzyw zależne od rodzaju i stężenia defektów punktowych: *właściwości elektryczne *właściwości cieplne *właściwości optyczne (barwa, załamanie) *właściwości chemiczne (związane z reakcjami)

3) Jak stężenie wakacji zależy od temp.: Obecność wakacji w krysztale jest uzasadniona termodynamicznie, a ich stężenie jest zależne od temp. Jeśli podgrzewamy kryształ, to im wyższa temperatura tym więcej defektów punktowych gdy temp. jest dostatecznie wysoka, to zgodnie z def. entalpii swobodnej (T-temp. bezwzględna), występowanie defektów punktowych prowadzi do obniżenia entalpii swobodnej kryształu i tym samym do większej trwałości kryształu zawierającego defekty punktowe, w porównaniu z kryształem tych defektów.

4) Scharakteryzuj defekty liniowe. Zaburzenia jednowymiarowe wzdłuż linii w krysztale. *dyslokacje krawędziowe * dyslokacje śrubowe. Do opisu defektów liniowych (dyslokacji) służy wektor Burgersa b. Dyslokacje w strukturach o dużej ruchliwości defektów (np. metale) mogą oddziaływać na siebie, dzielić się, poruszać, wspinać wpływając na właściwości materiałów (np. plastyczność metali).

5) Scharakteryzuj defekty płaskie. Granice kryształów- niskokątowe (wąskokątowe) i szerokokątowe, bliźniacze- błędy ułożenia. Defektami płaskimi są także zewnętrzne powierzchnie kryształu.

6) Podaj znane Ci właściwości tworzyw zależne od występowania defektów liniowych i płaskich. Defekty liniowe: *plastyczność (granice odkształcalności) Defekty płaskie: * właściwości mechaniczne * spiekanie jako zachowanie materiału.

7) Co to jest energia powierzchniowe, podaj przykłady dla materiałów ceramicznych.

Atomy na powierzchni posiadają nadmiar energii. Energia ta nosi nazwę energii (entalpii) powierzchniowej. Atomy (jony) znajdujące się na granicy kryształu- próżnia (gaz) charakteryzują się nadmiarową energią w porównaniu z wnętrzem kryształu. Nadmiar energii jest związany z naruszeniem symetrii sił wzajemnego oddziaływania atomów na powierzchniach. Jeżeli oznaczymy: n_ik i n_ip - liczbę sąsiadów jonów we wnętrzu i na powierzchni kryształu; u_ik i u_ip- energią wzajemnego oddziaływania jonu z sąsiadem to: n_ik u_ik> n_ip u_ip atomy na powierzchniach mają więcej energii ( powierzchniowej) Np.

8) Co to jest napięcie powierzchniowe, podaj relacje pomiędzy energią powierzchniową a napięciem powierzchniowym. Napięcie powierzchniowe jest wielkością wektorową; pojecie to zastępuje pojęcie energii powierzchniowej, które jest wielkością skalarną. Energię powierzchniową można określić jako zmianę całkowitej energii kryształu w wyniku utworzenia jednakowej powierzchni granicy rozdziału ciało stałe-próżnia. Napięcie powierzchniowe jest natomiast siłą potrzebną do zwiększenia wielkości powierzchni o jednostkę. Moduł napięcia powierzchniowego można powiązać z energią powierzchniową zależnością:

9) Wyprowadź zależność na siłę napędową krystalizacji.

- przemiany takie jak: *faza ciekła - krystaliczna faza stała * faza gazowa - kryształ, wiąże się ze spadkiem entalpii swobodnej układu, tym samym zachodzą samorzutnie. Większość spadku stanowi siłę napędową przemiany i definiuje się następująco: g^β-g ^α =Δgchem<0; g^β/α- entalpia swobodna i-tej fazy na jednostkę objętości; ΔG<0 przemiana samorzutna; Wr - miara samorzutności procesu.

Wr= - ΔG= - Δ H+T Δ S

Δ H = Tm Δ S

Wr = - Δ H+T(Δ H/Tm)

Wr = - ( Δ H/Tm)(T-Tm)

Gn = V Δ gchem + Sγ

10) Wyprowadź zależność na wielkość zarodka krytycznego w krystalizacji.

Aby zapoczątkować samorzutny przebieg przemiany fazowej, zarodki nowej fazy muszą osiągnąć pewną krytyczną wielkość r*. Wielkość przyrostu potencjału termodynamicznego konieczna do utworzenia zarodków o krytycznym promieniu r*. Wielkość zarodka krytycznego- zarodek nowej fazy: ΔG_u= V_Δg_chem+ Sγ, dla zarodka kulistego: ΔG= 4/3Πr3 _Δg_chem+ 4Πr2γ, stąd wielkość zarodka krytycznego ( zdolnego do wzrostu ) r*= -2γ/_Δchem czyli r*=-2γT_m/_ΔH ( T-T_m )

11) Przedstaw wykres zależności szybkości tworzenia zarodków od temperatury:

12) Przedstaw wykres zależności szybkości wzrostu kryształów od temperatury.

13) Podaj regułę określającą szybkość wzrostu ścian kryształu (Gibbsa-Curie-Wulffa): Reguła to mówi, że ściany kryształów rosną z szybkościami proporcjonalnymi do ich energii powierzchniowej: V1:V2:V3= γ1: γ2: γ3. dlatego w przekroju zewn. powinny dominować ściany o najniższych energiach powierzchniowych, w początkowych etapach krystalizacji dominują ściany o wyższych energiach powierzchniowych, które zanikają na rzecz ścian o niższej energii.

14) Opisz metody tyglowe otrzymywania monokryształów: dzielą się na dwie grupy, w zależności od tego, czy wsad jest, czy nie jest cały stopiony na początku krystalizacji.

Najważniejsza cechą tych metod jest granica faz: ciało stałe-ciecz jest w kontakcie z materiałem tygla. Każda nieregularność powierzchni ma wpływ na wzrost i zawsze istnieje możliwość spontanicznego powstania zarodków.

15) Omów metodę Bridgmana otrzymywania monokryształów (tyglowa). Bridgman, dla zapewnienia kontroli stopnia przechłodzenia, krystalizację prowadził w pionowym piecu rurowym. Rurę krystalizacyjną opuszcza się z wnętrza pieca za pomocą mechanizmu zegarowego, ze stałą szybkością- nieco mniejszą niż szybkość narastania kryształu. Ochłodzenie bardzo małych ilości objętości ciekłego stopu i prowadzenie procesu krystalizacji przy minimalnych stopniach przechłodzenia daje minimalne ilości zdolnych do rozrostu zarodków. Przewężenie w tyglu w tej metodzie gwarantuje, że tylko jeden kryształ dotrze i dalej rośnie tylko jeden. Stosowana do otrzymywania metali, ferrytów, halogenków.

16) Omów metodę Czochralskiego otrzymywania monokryształów (tyglowa).Stykanie z ciekłym stopem małego kryształu wytwarzanej substancji. Na jego powierzchni narasta monokryształ. Wyższe partie pieca są chłodniejsze. Kryształ narasta w formie pręta. Służyła pierwotnie do otrzymywania cienkich, monokrystalicznych prętów. Czochralski zanurzył do stopionego metalu S_n, P_b, B_i pipetę szklaną i ochładzał do temperatury krzepnięcia. Obniżenie temperatury powoduje zassanie małej ilości metalu do wnętrza pipety. Pipetę wtedy ostrożnie się unosi, metal wewnątrz kapilary krzepnie- następuje krystalizacja cieczy w najbliższym sąsiedztwie. Następnie podnosimy pipetę- napięcie powierzchniowe utrzymuje krótką kolumnę cieczy u wylotu pipety. Zetknięcie się z chłodniejszym powietrzem powoduje krzepnięcie metalu.

17) Omów metodę Verneuila otrzymywania monokryształów(bez tyglowa). Stosuje się do otrzymywania kryształów trudno topliwych tlenków. Sproszkowany materiał doprowadzamy stopniowo do płomienia tlenowo- wodorowego. Topi się ciekły stop, zestala się i jest powoli opuszczany. Wymagana jest duża drobnoziarnistość cząstek spadających przez płomień, dokładna regulacja płomienia strumienia gazu i mały poziom gradientu temp., gdyż kryształ szybko oziębły pęka. Tą metodą otrzymujemy korund( Al₂O₃ ).

18) Dla jakich właściwości i w jakich zastosowaniach celowe jest stosowanie materiałów w postaci monokryształów. Odpowiedź uzasadnij przykładami. Cechy monokryształów: a) małe zdefektowanie b) wysoka sztywność c) twardość d) kruchość e) przeźroczystość (jonowe i kowalencyjne) f) izotropia właściwości

19) Podaj klasyczna definicję szkła: jest to substancja stała przechłodzona stopniowo, bez krystalizacji w sposób odwracalny ze stanu ciekłego do stałego, tzn. takiego, w którym ich lepkość jest większa od 1013 d Pa s. Obecnie do szkieł zaliczamy także substancje, które w toku powstawania nie przechodzą przez fazę ciekłą np.otrzymywanie metodą zol-żel czy drogą osadzania z fazy gazowej.

20) Co to jest wykres T-T-T (T-C-P)? Wykres ten określa warunki kinetyczne przejścia przemiany fazowej.

-
Linia na wykresie jest miejscem geometrycznym czasu i temperatury, przy których w fazie ciekłej powstaje określony udział objętościowy fazy krystalicznej. Pole zakreskowane odpowiada większej częstości tworzenia się zarodków krystalicznych, a więc większych udziałów objętościowych fazy krystalicznej tworzenia się w danej temperaturze po pewnym czasie, zaś pole białe odpowiada mniejszym udziałom niż n lini TTT.

- wykres TCP (temp. - czas- prężność)

21) Co to jest krytyczna prędkość chłodzenia dla krystalizacji, podaj różnicę tej wielkości dla zarodkowania homogenicznego i heterogenicznego:

Praktycznie każdą substancję można przeprowadzić w stan amorficzny stosując odpowiednio dużą prędkość chłodzenia. Prędkość chłodzenia to prędkość, po której nie następuje krystalizacja. Po przekroczeniu krytycznej prędkości (obniżenie) następuje krystalizacja (zwiększa się udział objętościowy fazy krystalicznej).

22) Wymień znane Ci grupy substancji szkłotwórczych: Substancje szkłotwórcze- są to substancje, które w czasie chłodzenia mają tendencje do tworzenia szkieł. Powinny mieć wysoką lepkość w stanie stopionym blisko temp. topnienia. Tworzą duże zespoły atomów (jonów) o kryształach nie izometrycznych jak łańcuchy, wydłużone cząstki itp.

Substancje te charakteryzują się liczbą koordynacyjną (2,4) czemu sprzyja wiązanie atomowe.

Gł. grupy substancji szkłotwórczych: * tlenki szkłotwórcze: SiO2, B2O5, P2)5, As2O5, * pierwiastki S, Se, Fe, As, C, * związki z grupą hydroksylową * polimery organiczne

23) Wymień grupy składników szkieł tlenkowych.

1)tlenki szkłotwórcze: tlenki S, B, Ge, P, As, Zn. Tworzą więźbę szkła.

2) tlenki modyfikujące: tlenki Na, K, Ca, Mg

* zrywają wiązania pomiędzy elementami więźby, osłabiając ją.

* wysycają lokalne niedobory ładunków lokując się w lukach więźby

* łączą fragmenty więźby, gdy nie jest ona w pełni przestrzennie spolimeryzowana
3)tlenki pośrednie: tlenki Al.. Pb. Ti. Zn. Cd. Br. Zr

*w stanie czystym nie tworzą szkła. Nabierają właściwości szkłotwórczych w obecności innych tlenków.

* zastępują jony więźby modyfikując własności szkła

4)barwniki: tlenki metali przejściowych, metale szlachetne

* tworzą centra barwne w szkle

24) Opisz model budowy szkła wg. Zachariansena:

- jest to model struktury szkła krzemionkowego - został w pewnym stopniu sprawdzony przez Warnera za pomocą badań rentgenowskich.

- szkło posiada jedynie uporządkowanie bliskiego zasięgu, zaś brak jest typowego dla kryształów uporządkowania dalekiego zasięgu. Szkło zbudowane jest z ciągłej sieci przestrzennej, tzw. więźby krzemianotlenowej.

Model więźby, szkło kwarcowe przypomina swoją strukturą krystobalit wysokotemperaturowy.

- zachowana jest koordynacja krzemu względem tlenu. W szkle kwarcowym czworościany łączą się ze sobą narożami - tak jak w stanie krystalicznym - ciągłość więźby jest w tym szkle zachowana - jedynymi wiązaniami, są wiązania mostkowe.

25) Wymień podstawowe cechy szkieł krzemianowych:

1) szkła te są nie krystalicznym SiO₂ o wysokiej czystości 2) duża wytrzymałość mechaniczna 3) bardzo duża odporność na działanie wody 4) przepuszcza promienie nadfioletowe 5) możliwość modyfikacji składów i własności 6) łatwość formowania 7) barwne i dostępne surowce 8) bezpieczne dla środowiska. Szkło kwarcowe jest stosowane do wyrobu przyrządów optycznych, aparatury laboratoryjnej, w elektronice i elektrotechnice.

26) Warunki otrzymywania i podstawowe cechy szkieł metalicznych:

Ze względu na dużą ruchliwość elementów stopu, metale wykazują naturalną zdolność do krystalizacji. Dla uzyskania metalu w stanie szklistym konieczne są bardzo duże prędkości chłodzenia V> 1010 C/s

Obecnie opracowano techniki dotyczą niektórych stopów metalicznych np.

* stopy ze składnikiem metalu przejściowego

* stopy niemetal - metal

* stopy magnetyczne

Wybrane zalety szkieł metalicznych: *nadprzewodnictwo, * wysoka twardość, * b. dobre właściwości m magnetyczne, * brak granic międzyziarnowych.

27) Dla jakich właściwości i w jakich zastosowaniach celowe jest stosowanie materiałów w postaci szkła. Odpowiedź uzasadnij przykładami:

28) Podaj definicje i wymień znane Ci elementy budowy polikryształu.

1) materiał o złożonej budowie, którego podstawą są połączone trwale (granicami fazowymi) różnie zorientowane elementy krystaliczne. 2) zbiór ściśle połączonych ze sobą ziaren krystalicznych nie mających idealnie regularnego pokroju zewnętrznego i różniących się wzajemną orientacją.

Elementy budowy: * granice międzyziarnowe

*ziarna - pojedyncze kryształy oddzielone granicami międzyziarnowymi. W polikryształach mogą znajdować się ziarna wielu faz.

* pory - puste przestrzenie między ziarnami, wypełnione gazem

* faza amorficzna (szklista) - występująca jako oddzielne elementy mikrostruktury, lub w postaci warstw na granicy ziarn

* wtrącenia dyspersyjne - małe kryształy występujące w objętości ziaren.

29) Wyprowadź zależność na równowagową wielkość kąta dwuściennego w miejscu styku trzech ziaren w polikrysztale: Polikryształy jednofazowe składają się z jednego rodzaju ziaren, dążą do tego, aby posiadać minimalną energię co przejawia się powstawaniem lokalnych stanów równowagi w miejscach styku granic międzyziarnowych.

γ`ss= γ`sc+ γ`sc

γ`ss= 2γ`sc+ cos(θ/2)

cos(θ/2)=1/2

(θ/2)=60 stopni

Θ=120 stopni

30) Opisz budowę idealnego polikryształu jednofazowego

1)W polikryształach jednofazowych struktura krystaliczna ziarna nie ulega rozerwaniu, ale przechodzi w obszar przejściowy. W tym obszarze atomy przyjmują ułożenie umożliwiające przejście od orientacji występującej w jednym ziarnie, do orientacji ziarna sąsiedniego - gdy jest mała różnica orientacji ziaren.

2)Budowa polikryształu, (geometria ziaren) wynika z dwóch zasad: * ustalenie się lokalnych stanów równowagi w miejscu styku granic międzyziarnowych. *konieczność zapełnienia przestrzeni elementami geometrycznymi (ziarnami).

3)Brak jest bryły geometrycznej spełniającej warunek równości kątów i kryterium zapełnienia przestrzeni. Najlepiej przybliża je tzw. Czternastościan Kelvina. Posiada on 8 ścian, 6 bocznych, 6 ścian kwadratowych, zniekształcone (wypukłe lub wklęsłe) krawędzie dla zachowania kątów w miejscach styku.

4)W rzeczywistości w polikryształach jednofazowych, ziarna maja różne wymiary. Zachowanie warunku równowagi napięć powierzchniowych powoduje ze ściany ziaren mają krzywizny wypukłe lub wklęsłe. Mikrostrukturę polikryształu obrazuje struktura piany mydlanej.

31) Wyprowadź zależność na równowagową wielkość kąta dwuściennego w miejscu styku dwóch ziaren z faza szklistą w polikrysztale:

γss= 2γsc cos(θ/2)

cos(θ/2)=1/2* γss/ γsc

θ- kąt dwuścienny tworzony przez 2 ziarna stykające się z kropla cieczy.

γsc - en.powierzchniowa na granicy rozdziału ciało stałe-ciecz.

- przypadki graniczne: 1) pełne zwilżenie θ=0stopni γss/ γsc>>2; 2) brak zwilżalności θ=180 stopni γss<< γsc

32) Przedstaw schematycznie mikrostrukturę polikryształów z fazą szklistą o różnym kącie zwilżania:

33) Wymień znane Ci metody otrzymywania polikryształów:

- krystalizacja ze stopu

- rekrystalizacja w fazie stałej

- krystalizacja szkieł- materiały szkło-krystaliczne

- spiekanie proszków (jednofazowych z fazą ciekłą, nitryfikacja)

- wiązanie chemiczne, hydratacja

- rekrystalizacja z fazy gazowej - parowania kondensacji (transport masy z powierzchni ziarna do szyjki)

34) Podaj definicję i wymień podstawowe metody otrzymywania tworzyw szklanokrystalicznych:

Budowa, mikrostruktura tworzyw szklanokrystalicznych. 1) polikryształy jednofazowe, szkło krystaliczne 2) faza krystaliczna 5 do 95% 3) wielkość ziaren 0,02 do 2,0um 4) porowatość 0%. Krystalizacja szkła- szkło jest w zwykłych warunkach termodynamicznie nietrwałe. Procesy krystalizacji są bardzo wolne ze względu na wysoką lepkość. Sztucznie wywołana krystalizacja (katalityczna) ma na celu otrzymanie tworzywa posiadającego wyzszą odporność mechaniczną. Tworzywa takie nazywa się szkłem ceramicznym (dewytryfikaty, pyroceram). Katalityczna krystalizacja szkieł: 1) do szkła wprowadza się zarodki heterogeniczne powodujące powstawanie centrów krystalizacji: a) cząsteczki matalu ( Ag, Au, Pt, Pd)lub fluorki (0,001-0,15%) b)zarodki drugiej fazy szklistej 2) obróbka cieplna- najczęściej dwu stopniowa dla wytworzenia zarodków i wzrostu krystalizacji.

35) Jakie wady i zalety posiadają tworzywa szklanokrystaliczne w porównaniu ze szkłem. jw

36) Co to jest spiekanie? Spiekanie jest procesem, w którym zbiór drobnych ziaren (proszek), przekształca się w sposób trwały w lity polikryształ. Proces zachodzi poniżej temp. topnienia głównego składnika. Jest procesem samorzutnym gdyż wiąże się z obniżeniem nadmiarowej energii powierzchniowej układu. Energia granic międzyziarnowych jest mniejsza niż en.pow. proszku.

37) Wymień podstawowe etapy otrzymywania wyrobów metodą spiekania:

- otrzymanie proszków

- formowanie wyrobów

- spiekanie

- obróbka spieków

38) Skąd powstają siły napędowe procesu spiekania?

- siłą napędową procesu spiekania, przenoszenia masy w toku spiekania powinny być naprężenia występujące w miejscach styku ziaren związane z małymi promieniami krzywizny powstającej w tych miejscach szyjki. W skutek istnienia naprężeń w szyjce powstają lokalne gradienty potencjału chemicznego zdolne do wywołania w podwyższonej temperaturze zlokalizowanych procesów przenoszenia masy. Przebieg procesu spiekania kontrolowany jest przede wszystkim zmianą energii swobodnej związanej z reakcją chemiczną-powoduje to zmiany spękania w porównaniu do układu jednoskładnikowego.

39) Układ naprężeń w miejscu styku ziaren i jego konsekwencje w procesie spiekania: Naprężenia rozciągające na obwodzie szyjki, muszą być zrównoważone przez identyczne naprężenia ściskające. Pod wpływem tych lokalnych naprężeń w szyjce, możliwe są dwa główne rodzaje zmian w toku spiekania: * zmniejszenie ilości porów poprzez zmianę ułożenia ziaren, z luźniejszego na gęstsze. * eliminacja porów - centra ziaren zbliżają się do siebie. Jest to możliwe, bo masa przenosi się z centrów styku w puste miejsca.

40) Zaznacz na schematycznym rysunku spiekających się ziaren podstawowe mechanizmy spiekania:

Schemat zmian w toku spiekania w zbiorze ziarn krystalicznych (a - proces przegrupowania ziarn, b_$ - zbliżanie się środków ziarn w zbiorze o najgęstszym ułożeniu, b₁ -- zbliżanie się środków ziarn w zbiorze o luźnym ułożeniu)

41) Podaj, które mechanizmy przenoszenia masy powodują a które nie powodują zagęszczenia w toku spiekania. Mechanizmy powodujące zagęszczenie: * przegrupowanie ziaren. Mechanizmy niewywołujące zagęszczenia: * dyfuzja powierzchniowa.

42) Jak faza ciekła może wpływać na spiekanie? Jeżeli w układzie występuje faza ciekła to naprężenia ściskające powodują, że potencjał chemiczny atomów fazy stałej rozpuszczonej w cieczy, zwiększa się w porównaniu z potencjałem w nienaprężonych obszarach. W mostku cieczy wzrasta aktywność a atomów budujących stałe ziarna. Zwiększona aktywność oznacza, że w obszarze pod naprężeniem ściskającym następuje wzrost rozpuszczalności stałych ziaren w fazie ciekłej. Z biegiem czasu faza ciekła staje się przesycona. Z cieczy wytrącają się wtórne ziarna, mają one w większości przypadków podłużny przekrój różnią się kształtem od spiekania w fazie stałej.

43) Co to jest proces witryfikacji, podaj przykład.. Witryfikacja- powstawanie w toku spiekania dużych ilości fazy ciekłej powoduje, że proces zagęszczania ma charakter płynięcia lepkościowego (jak dla szkła) przeważnie z zachodzącymi w fazie ciekłej procesami rozpuszczania i krystalizacji. Przykładek nitryfikacji jest otrzymywanie porcelany.

44) Wymień techniki otrzymywania polikryształów porowatych:

- przygotowanie do spiekania materiałów w formie piany wprowadzenie do zawiesiny proszku substancji, pianotwórczej, powoduje powstanie piany, która po wysuszeniu i spieczeniu jest wyrobem o b.dużej porowatości i b. Dobrych wł.izolacyjnych.

- wprowadzenie do spiekanej masy elementów, które po usunieciu z układu pozostawiają pory mogą to być parujące lub sublimujące sole, elementy organiczne (styropian wegiel), parujące subst. ciekłe (kamfora)

- wydzielanie się w toku wypalania gazu w skutek reakcji chemicznych. w skład spiekanego proszku, wprowadza się substancje, które reagując ze zsobą wydzielają produkty gazowe., powodujące powstanie porów.

45) Podaj podział układów zdyspergowanych:

* amorficzne (jednofazowe lub wielofazowe) * krystaliczne * monokryształy * polikryształy (jednofazowe, wielofazowe (gęste i porowate)). Materiały w formie zdyspergowanej mogą być bezpośrednio stosowane lub służyć do otrzymywania innych postaci tworzyw.

46) Wymień podstawowe parametry charakteryzujące proszki. Podstawowym parametrem geometrycznym określającym proszki jest wielkość i forma jego cząstek. Proszki to stężone materiały zdyspergowane w fazie gazowej. Proszki w procesach technologicznych mogą być rozprowadzone w postaci zawiesin w cieczach (masy lejne, farby) lub w ośrodkach o dużej lepkości (pasty). Kształt cząsteczek proszków może być: * kulisty (Ti )* ostrokrawędzisty (Si) * pyłkowe (Al.) - płatkowe * włókniste (Ag). Charakteryzują się dużym rozwinięciem powierzchni.

47) Powierzchnia właściwa proszku: definicja, metody badania, przykłady wielkości:

S_w= S/m [m2/g] Im drobniejszy proszek tym większa powierzchnia właściwa. Mierzy się ją metodami sorpcyjnymi np.BET. Proszek posiadający nadmiarową S_w charakteryzuje się nadmiarową energią powierzchni. Proszki stanowią formy materiału aktywnie chemicznie stosowane w technologiach ciał stałych np. reakcje syntezy, spiekanie. Przykłady: Al₂O₃- 2 um- 8 m2/g , cement portlandzki- 0,2- 10um do 100. Powierzchnia właściwa jest miarą reaktywności proszku w reakcjach chemicznych w tym w spiekaniu, hydratacji i innych.

48) Wymień podstawowe zalety materiałów w postaci włókien.

- elastyczność postaci i „nieskończony” wymiar (duże możliwości gięcia, nawijania na szpule, tkania)

- duże rozwinięcie powierzchni - wł. sorpcyjne i katalityczne

- zdyspergowany charakter i mały wymiar poprzeczny- właściwości izolacyjne, możliwość rozprowadzenia w ciągłym medium

- mało zdefektowana budowa - podwyższone właściwości mechaniczne- zastosowanie do kompozytów

- specyficzne właściwości optyczne - wewnątrz odbicie -światłowody

49) Charakterystyka i podział warstw.

- podstawowym zadaniem warstw jest ochrona materiału przed środowiskiem, zwiększenie wytrzymałości dekoracja materiału.

PODZIAŁ: * powłoki (farby i emalie. Spełniają jedynie rolę ochronną i dekoracyjną); *warstwy (w sposób istotny zmieniają właściwości podłoża); *połączenia warstwowe, np. ceramika i metale

- warstwy mogą występować w postaci monokryształów, mat. Amorficznych, monokryształów jedno i wielo fazowych.

50) Metody otrzymywania warstw.* chemiczna krystalizacja z fazy gazowej CVD. Warstwy osadzone są w wyniku reakcji chemicznej gazowych reagentów na ogrzanym podłożu. *Fizyczna krystalizacja z fazy gazowej PVD. Warstwy osadzone są w wyniku osadzenia reagentów na podłożu w toku przemian fizycznych parowania, sublimacji itp. * Warstwy grube nanoszone plazmowo. Technologie wykorzystują gorącą plazmę (temp. 2500- 3000C). Ziarna proszku wprowadzonego do płomienia plazmotronu ulegają częściowemu nadtopieniu i osadzając się na podłożu krzepną tworząc warstwę. Wykorzystane do nanoszenia warstw ochronnych na narzędzia. * Warstwy grube nanoszone innymi metodami:- szkliwa, - emalie,- warstwy nanoszone metodami chemicznymi,- złącza ceramika- metal.

51) Definicja i podział materiałów kompozytowych: są to materiały zbudowane w sposób świadomy z dwóch lub więcej tworzyw, posiadające właściwości inne niż poszczególne materiały składowe.

PODZIAŁ: *kompozyty ziarniste (cząstkowe), *włókniste, *warstwowe (laminaty).

52) Kompozyty ziarniste: budowa i podstawowe zalety: Kompozyty ziarniste: składają się z ciągłej matrycy, w której umieszczone są izolowane elementy drugiej fazy. Cząsteczki fazy zdyspergowanej modyfikują właściwości matrycy. Parametry kompozytu:* rodzaj faz,* udział objętościowy, *wielkość cząstek. Przykład: węgliki spiekane WC-Co otrzymywane drogą metalurgii proszków (spiekania).Cel: połączenie cech metali i ceramiki.

53) Które właściwości materiałów można szczególnie podnieść stosując kompozyty ziarniste. Odpowiedź uzasadnij. Wprowadzenie ziaren fazy o wyższej twardości i sztywności do matrycy ceramicznej powoduje korzystne zmiany właściwości mechanicznych (twardość, odporność na ścieranie na pękanie).

54) Kompozyty ziarniste: budowa i podstawowe zalety. Kompozyty ziarniste- składają się z ciągłej matrycy, w której umieszczone są izolowane elementy drugiej fazy. Cząsteczki fazy zdyspergowanej modyfikują właściwości matrycy. Parametry kompozytu. * rodzaj faz, * udział objętościowy, * wielkość cząstek. Przykład: Węgliki spiekane WC-Co otrzymywane drogą metalurgii proszków (spiekania). Cel: połączenie cech metali i ceramiki.

55) Kompozyty włókniste: budowa i podstawowe zalety:

Kompozyty włókniste- włókna mogą być ułożone w jednym kierunku lub przypadkowo o złożonej orientacji.

- składowe elementy: osnowa i krótki lub długie włókna

Osnowa przejmuje zewnętrzne obciążenia mechaniczne i przekazuje je włóknom.

Najczęściej stosowane włókna: szklane, węglowe kevlarowe, wiskozy.

Otrzymywanie: do matrycy wprowadza się włókna drugiej fazy przeważnie o wyższej sztywności i wytrzymałości niż matryca.

56) Które właściwości materiałów można podnieść stosując kompozyty włókniste. Odpowiedź uzasadnij: Materiały sztywne o dużej wytrzymałości mechanicznej przy jego niskiej gęstości przydatny do wytwarzania wysokowytrzymałych (wzmocnienie wytrzymałości tworzyw), cienkościennych konstrukcji mechanicznych np. rury wodociągu.

57) Kompozyty warstwowe (laminaty): budowa i podstawowe zalety.

Kompozyty warstwowe - szereg warstw nośnika złączonych w jedną całość za pomocą żywicy sztucznej, lub bardzo rzadkiego kleju naturalnego. Zazwyczaj pod zwiększonym ciśnieniem i na gorąco.

- właściwości zależą od typu nośnika i rodzaju żywicy: *drewniane, *papierowe, *tkaninowe, *szklane.

- stosowane głównie do celów konstrukcyjnych i elektroizolacyjnych.

- doskonała odporność na działanie rozpuszczalników.

58) Uzasadnij celowość stosowania kompozytów warstwowych. Podaj przykłady.

- zastosowanie: elektrotechnika, inżynieria elektryczna, telefonia i radiotechnika, wykładziny ścienne, mat.izolacyjne.

59) Scharakteryzuj na wykresie cechy odkształcenia sprężystego i plastycznego w ujęciu reologicznym: reologia- jest to nauka zajmująca się opisem nieniszczących odkształceń ciał pod wpływem działania sił.

- odkształcenie plastyczne (nieodwracalne)

60) Scharakteryzuj na wykresie cechy odkształcenia lepkościowego w ujęciu reologicznym.

61) Wyprowadź zależność na teoretyczna wartość stałych sprężystości w ujęciu modelowym dwu atomów.

σ=F/a=F/r_o2

w pewnym zakresie niewielkich odkształceń:

dσ=( 1/r_o2)( σF/ σr) r= r_odr

jednocześnie:

ε=Δr/r_o czyli dε= dr/r_o

dσ= 1/r_o(σF/ σr) r= r_odr

po scałkowaniu:

σ= 1/r_o(σF/ σr) r= r_o ε. W modelu rozważamy zależności naprężenia od odkształcenia dla 2 atomów odchylonych od położenia równowagowego przez siłę zewnętrzną. Działania sił zewn. wywołuje wewnątrz przeciwnie skierowaną reakcję układu. Zakładamy ukł. Izolowany, w którym atomy są odchylone od położenia równowagi (r_o) na niewielką odległość. Im większa siła wiązania i im krótsze wiązanie tym większy moduł sprężystości.

62) Narysuj krzywe σ=f(ε) dla typowych materiałów ceramicznych, metalicznych i
polimerów Zależność odkształcenia od obciążenia (zewnętrznego) dla różnych rodzajów materiałów: I-zakres odkształcenia sprężystego, II - - zakres odkształcenia plastycznego [początek skali wydłużeń (O) jest przesunięty dla różnych materiałów wzdłuż osi wydłużeń.

63) Podaj znane Ci stałe materiałowe charakteryzujące odkształcenia sprężyste.

64) Podaj warunki i postać uogólnionego prawa Hooke'a.

W przypadku działania jedynie naprężeń normalnych w danym kierunki, odkształcenie składa się z: składowej σ1/ E oraz odkształceń poprzecznych σ2/E, σ3 ν /E

Uogólnione prawo:

65) Moduł Younga: definicja i zakres wartości (podaj przykłady). Jest to własność określająca wł. sprężyste ciała stałego. W prawie Hooke'a występuje jako współczynnik proporcjonalności między naprężeniem i odkształceniem. Inaczej nazywany jest współczynnikiem sprężystości wzdłużnej (podłużnej).

- wartości E są zmienne i zależą od osiągniętych wartości naprężeń oraz odpowiadających im wartości odkształceń sprężystych .

66) Narysuj wykres zależności odkształcenia od czasu dla odkształcenia sprężystego ze

zjawiskiem relaksacji:

Opóźnione odkształcenie sprężyste przy stałym obciążeniu przyłożonym w czasie t=0 i odjętym po czasie t1.

67) Podaj definicję zrelaksowanego i niezrelaksowanego modułu Younga.

- materiał obciążony ulega natychmiastowemu odkształceniu ε_k, które jest nazywane odkształceniem niezrelaksowanym.

- jeżeli utrzymuje się go pod stałym obciążeniem, to w miarę upływu czasu odkształcenie przyrasta stopniowo do wartości ε_r - stan odkształcenia zrelaksowanego.

Ε= ε_r+( ε_k- ε_r)exp(-t/θ) θ - czas relaksacji. Mierzona wartość modułu Younga zależy od stosunku czasu działania obciążeń do czasu relaksacji. E _{niezrelaksowany}≥E_zrelaksowany

68) Wyprowadź wzór na wielkość energii odkształceń sprężystych.

σ 1=C₁₁ ε₁+C₁₂ ε₂+C₁₂ ε₃

σ 2=C₁₂ ε₁+C₁₁ ε₂+C₁₂ ε₃

σ 3=C₁₂ ε₁+C₁₂ ε₂+C₁₁ ε₃

ε₁= 1/E [ σ₁-υ (σ₂+ σ₃)]

ε₂= 1/E [σ ₂ - υ (σ₁+ σ₃)]

ε₃= 1/E [σ₃- υ (σ₁+ σ₁)]

ε₄= σ₄/G

- energia odkształceń sprężystych ogólnie W=_oS^ε σi εjd εj [J/m3]

- dla odkształcenia jednoosiowego W=(1/2)E ε²₁

69) Wyprowadź zależność na E dla materiału dwufazowego w ujęciu modelu równoległego. ε₁=ε₂₌ε₃ σ=σ₁+σ₂ ( E ε2/2 ) ( v_{1 +}v₂ ) = ( E₁ ε₁2/2 ) v₁+ E₂ ε₁2/2 ; E= V₁E_{1 +} V₂ E₂- prawa mieszanin.

70) Wyprowadź zależność na E dla materiału dwufazowego w ujęciu modelu szeregowego

71) Napisz zależność E od porowatości uwzględniającą zjawisko koncentracji naprężeń. p- porowatość. Dla materiału porowatego: E_m= E₀V₀+ E_pV_p gdzie: E_p=0; V_{p +} V₀₌1; V_o= 1- V_p; E_m= E₀ ( 1- V_p ) .Pory powodują zjawisko koncentracji naprężeń: E_m= E₀ ( 1- kV_p ) k- współczynnik koncentracji naprężeń. Wraz ze wzrostem udziału objętościowego porów względny moduł maleje.

72) Zaznacz na wykresie σ=f(ε) dla metali charakterystyczne punkty określające odkształcenia plastyczne

73) Opisz mechanizm dyslokacyjny odkształcenia plastycznego. Dzięki obecności dyslokacji odkształcenie plastyczne zachodzi przez zerwanie pojedynczych wiązań, mechanizmem „fal dywanu”

74) Wymień zjawiska podwyższające i obniżające granicę plastyczności materiałów

Podwyższające:

*dodanie włókien *gładka powierzchnia * mały udział objętościowy porów w materiale * jednolity kryształ * duży udział wiązania metalicznego; Obniża: * duży udział objętościowy porów * istnienie pęknięć wewnętrznych i na powierzchni ( karby ) * mało jednolity kształt materiału * udział wiązania kowalencyjnego.

75) Wymień znane Ci wielkości określające wytrzymałość i podaj warunki ich pomiaru.

Younga moduł, podłużny moduł sprężystości, współczynnik sprężystości wzdłużnej, E, wielkość charakteryzująca sprężystość danego ciała. E = σ/ε, gdzie: σ -naprężenie normalne, ε - względne wydłużenie ciała. Odwrotność modułu Younga α = 1/E nazywana jest współczynnikiem wydłużenia. Liczba Poissona v -podobnie jak E i G zależy od rodzaju materiału. Podczas rozciągania jednoosiowego ciała stałego obok wydłużenia wzdłuż osi występuje również skurcz poprzeczny. Jeśli odkształcenie w kierunku działania naprężenia jest równe ε to odkształcenie w kierunku poprzecznym wynosi -vε. Moduł sztywności - G wzór na zależność stałych materiałowych G=τ/ε wzór na związek pomiędzy stałymi G=E/2(1+ν)

76) Wyprowadź zależność na wytrzymałość teoretyczną kryształu: F= sinx dla małych odkształceń sinx= x czyli σ= E ε ε=( r-r₀ )/r₀. Zakładamy, że zjawisko przebiega w jednostkowym elemencie objętości r₀3. W chwili zniszczenia ( rozerwania ) układ atomow gęstości energii sprężystej wykonanej przez siły zewnętrzne: w₁= ( ½ ) σ_tε = ( ½ ) σ_t2/2E. Całkowita energia sprężysta w₁= wr₀3. Energia ta została zużyta na wytworzenie dwu nowych powierzchni w₂=2γr₀2. Porównując obie energie otrzymujemy: r₀3 ( ½ )σ_t2/2E =2γr₀2 stąd σ_t= [2Eγ/r₀]1/2, σ_t=E/( 10-15 ). Jest to maksymalna ( teoretyczna ) wytrzymałość matriału.

77) Podaj wzór na wytrzymałość teoretyczną kryształu ze szczeliną (wzór Griffitha), opisz występujące wielkości:

σ_z≥(2Eγ/πc)^1/2

c - dł szczeliny; γ-napięcie powierzchniowe. Jest to zależność wyprowadzona z warunków energetycznych dla warunku zapoczątkowania kruchego pękania materiału.

78) Podaj wzór i scharakteryzuj pojęcie “współczynnik intensywności naprężeń K_c”

Kc= P(πc)^1/2

Jest on powszechnie wykorzystywany do określenia odporności materiału na kruche pękanie. P- naprężenie, c- długość pęknięcia.

79) Porównaj pojęcia: współczynnik intensywności naprężeń i krytyczny współczynnik intensywności naprężeń.

Współczynnik intensywności naprężeń- jest wykorzystywany powszechnie dla określenia odporności materiału na kruche pękanie

Krytyczny współczynnik intensywności naprężeń - można traktować jako miarę energii odkształcenia sprężystego, która jest pochłonięta w toku rozszerzania się pęknięcia.

80) Podaj sens fizyczny wielkości K_IC, w czym ją wyrażamy: Sens fizyczny K1c =PC. W tym sensie K1 można traktować jako miarę energii odkształcenia sprężystego, która jest pochłonięta w toku rozszerzania się pęknięcia. Jednostka MPa∙ m1/2

81) Podaj zakres wielkości K_IC dla ceramiki i metali.

Dal ceramiki wynosi on 0,2-5 MPam1/2, dla metali 5-200MPam1/2

82) Podaj zależność K_IC od energii pękania.

W materiałach ceramicznych przyczyna podwyższonych wartości K_IC jest: tworzenie się mikropęknięć, ich rozgałęzienie się i mostkowanie oraz występowanie określonych przemian fazowych. Aby to uwzględnić wprowadzono pojęcie γ_ef - efektywnej energii pękania. K_IC=(E γ_ef)^1/2

83) Podaj sens fizyczny wielkości “energia pękania”, w czym ją wyrażamy.

Występowanie zjawisk mikroplastyczności uwzględnia się przypisując wielkości γ fizyczny sens energi pękania tj. energii zużytej zarówno na utworzenie nowej powierzchni jak i na odkształcenia plastycznie w mikroobszarach, rozgałęzienie się pęknięć itp. procesy. Energie pękania wyrażamy w [J*m^-2]

84) Scharakteryzuj mechanizm Cooke'a-Gordona hamowania spękań w polikrysztale.

W polikrysztale występują granice międzyziarnowe, które utrudniają rozprzestrzenianie się pęknięć, a które są nie obecne w pojedynczych kryształach. Mechanizm Cooka-Gordona ilustruje nam hamowanie rozprzestrzeniania się pęknięć wlanie na takiej granicy międzyziarnowej, nierównoległej do kierunku rozprzestrzeniania się pęknięć. Na rys. a) przedstawiono mapę naprężeń prostopadłych do płaszczyzny pęknięcia, które rozwijają się w głąb ziarna. Na rys b) ilustruje nam mapę naprężń równoległych do płaszczyzny szczeliny, wywołujących rozwarte pęknięcia. Na rys c) przedstawiono naprężenia równoległe, które maja zerowa wartość przy czubku pęknięcia i nie przyczyniają się bezpośrednio do jego rozprzestrzeniania.

85) Wymień znane Ci zjawiska, które mogą podwyższać energię pękania w polikrysztale ceramicznym.

1) zwiększyc γef czyli efektywna energie pękania. 2) Mechanizm Cooka Gordona czyli mechanizm hamowania się pęknięć na granicach międzyziarnowych nierównoległych do kierunku rozprzestrzeniania się pęknięć. 3) Mostkowanie spękań poprzez wprowadzanie do mikrostruktury np. włókien, wiskozy, płytkami monokrystalicznymi 4) wprowadzanie domieszek do materiału - przemiana martenzytyczna 5) polerowanie powierzchni.

86) Opisz mechanizm podwyższania energii pękania w kompozytach włóknistych.

Przy obciążeniu kompozytu włóknistego obciążeniami równoległymi do osi włókien, rozwarstwienia po granicach rozdziału osnowa-włókno są równoległe do kierunku naprężeń; mają w związku z tym ograniczoną długość i nie przechodzą przez cały materiał. Następuje, więc pochłonięcie energii odkształceń sprężystych bez dekohezji. Procesy rozwarstwiania na granicy włókno-osnowa stanowią istotny etap dekohezji kompozytów zbrojonych włókami. W stadium tym zachowujące swą spójność, wytrzymałe włókna spinają(mostkują) głównie pęknięcie powstrzymując dalsze jego rozprzestrzenianie się.

87) Opisz mechanizm podwyższania energii pękania w wyniku przemian fazowych wtrąceń ziarnistych (ZrO₂)_.

Podwyższone energie pękania występują w przypadku polikryształów złożonych z ziaren metatrwałej odmiany tetragonalnej roztworów stałych np. ZrO2. Wiąże się to z występowaniem podczas obciążenia tych materiałów przemiany fazowej metatrwałej poniżej 1000stC odmiany tetragonalnej w trwałą odmianę jednoskośną. Przemiana ta występuje w obszarze koncentracji naprężeń wyprzedzającym wierzchołek pęknięcia. Odmianą jednoskośna na większą objętość właściwą, a więc i większe równowagowe odległości miedzyatmowe niż odmiana tetragonalna i przemiana może wystąpić w obszarze koncentracji naprężeń rozciągających, wyprzedzającym wierzchołek pęknięcia.

88) Podaj znane ci równania opisujące zależność wytrzymałości od porowatości.

89) Podaj założenia statystycznej teorii wytrzymałości Weibulla.

Teoria Weibuiila opiera się na następujących założeniach: 1) materiał jest izotropowy, a rozkład wielkości defektów w materiale jest statyczny; 2) prawdopodobieństwo znalezienia się defektu o wielkości krystalicznej w danej jednostkowej objętości jest dla całego materiału identyczne; 3) krucha dekohezja występuje w skutek rozprzestrzeniania się defektu o wielkości krytycznej c_c; 4) Liczba defektów w materiale jest duża.

90) Podaj na rys. typową zależność wytrzymałości od wielkości ziaren dla polikryształów ceramicznych.

91) Scharakteryzuj wielkość: moduł (stała) Weibulla.

Moduł Weibulla - wiąże się z prawdopodobieństwem występowania defektu np. pęknięcia o długości c_c. Im większa jest wartość m tym większy jest przedział wielkości pęknięć i tym mniejsze są długości pęknięć najczęściej występujących w materiale. Wraz ze wzrostem modułu Weibulla maleje również i rozrzut obciążeń, przy których jest prawdopodobna dekochezja.

92) Podaj zależność wytrzymałości materiałów kruchych od objętości próbki.

Z teorii Weibulla wynika ze przy jednorazowym prawdopodobieństwie zniszczenia, wytrzymałość dla danego materiału zależy odwrotnie od objętości danej próbki:δ₁/δ₂=(V₂/V₁)1/m.

93) Narysuj zależność P( V₀ )= f ( σ ) wg statystycznej teorii Weibulla dla tworzyw plastycznych i kruchych.

94) Co to jest zmęczenie materiału, w jakich warunkach się ją bada?

Zjawisko polegające się na zmniejszaniu się wytrzymałości materiału, elementu konstrukcyjnego, pod wpływem długotrwałych obciążeń okresowo zmiennych, pomimo ze obciążenia te nie przekraczają granicy plastyczności.

95) Udarność: definicja, miara, zakres wartości dla ceramiki i metali.

Udarność - odporność materiału na pękanie przy obciążeniach udarowych (przy uderzeniu). Udarność określa się jako iloraz energii zużytej na złamanie próbki przy zginaniu i pola przekroju poprzecznego w miejscu karbu naciętego na próbce. Do wyznaczania udarności najczęściej stosuje się metody udarowe i próbki o przekroju kwadratowym z naciętym karbem w kształcie litery V. Mat. Kruche - mała udarność; mat. Plastyczne duża udarność. Def- stosunek pracy (K) potrzebnej do złamania znormalizowanej próbki pod wpływem uderzenia - do jego przekroju poprzecznego (S₀) w miejscu złamania: K_c=K/ S₀ [J/cm²]. Udarność rośnie w miarę zmniejszania ziarna, bo granice ziarn utrudniają rozprzestrzenianie się pęknięcia.

96) Jak wyznacza się udarność materiału.

Badania udarności wykonuje się na odpowiednio przygotowanych próbkach, najczęściej stosowane metody:

-metoda Charciego - próbki znormalizowanie z nacięciem w kształcie litery U lub V, oparte na podporach są one uderzane młotem (młot Charciego składał się z młota zawieszonego wahadłowo i podpór- na nich układa się próbki) po przeciwnej stronie nacięcia.

-met. Izoda - próbka jest w postaci pręta umocowanego sztywno na jednym końcu. Jest on łamany przez poprzeczne uderzenie w drugi koniec.

97) W czym mierzy się i jak się bada ścieralność materiałów.

Ścieralność jest różna, dla różnych materiałów. Zależy od twardości i plastyczności materiału. Badanie za pomocą różnych metod - np. gumy na aparacie Grassellego, koksu - za pomocą próby bębnowej Micum, tworzyw sztucznych - na aparacie typu Amslera. Ścieralność tworzyw sztucznych - np. strata objętości badanego tworzywa w cm³ w stosunku do zużytej pracy w kG*cm lub kWh.

98) Określ wpływ temperatury na wielkość i charakter przewodzenia ciepła w materiałach. Przewodzenia ciepła w funkcji temperatury. W niskich temperaturach w izolatorach dominuje przewodnictwo fononowe. W wysokich temperaturach może mieć znaczenie przewodnictwo elektronowe lub przewodzenie przez promieniowanie w porach materiału.

99) Podaj zakresy temperatur topnienia i sublimacji podstawowych materiałów metalicznych, ceramicznych i polimerów. Ceramika:

100) Fenomenologiczne równanie pełzania.

101) Wymień mechanizmy przenoszenia ciepła.

Konwekcja - ciepło przenosi się w wyniku transportu cząsteczek obdarzonych energią cieplną. Mechanizm istotny dla gazów. Promieniowanie - energia cieplna jest wymieniana pomiędzy oddalonymi od siebie powierzchniami stałymi droga promieniowania i absorpcji. Mechanizm istotny w tepm. wyższych niż 1000°C. Przewodnictwo cieplne - proces przewodzenia ciepła wywołany różnić temp. Przebiega w kierunku od części układu o temp wyższej do niższej.

102) Scharakteryzuj współczynnik przewodnictwa cieplnego, podaj zakres wartości dla tworzyw ceramicznych.

Gęstość strumienia ciepła płynącego w czasie dt prostopadle do płaszczyzny o jednostkowej powierzchni pod wpływem gradientu temperatury. q_x=δQ/δt=-λ δT/δx Równanie oznacza, że przy istnieniu gradientu temperatury przepływ ciepła jest do niego proporcjonalny. Stałą proporcjonalności jest - λ - współczynnik przewodnictwa cieplnego jest to stała materiałowa zależna od temp, zalezna od strumienia i tekstury danego ciała stałego. (-) - po to aby λ miało wartości dodatnie. Al-226, ZrO-2, AlN-95-120, SiC-110-180, Grafit-93-112, diamet-2000

103) Podaj zależność określająca wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego mechanizmem fononowym.

Przewodnictwo cieplne w gazach - energia cząsteczek gazu w danej temp jest proporcjonalna do pojemności cieplnej w stałej objętości c_v , jeżeli energia cieplna przenoszona jest przez zderzenia cząsteczek poruszających się chaotycznie ze średnią prędkością V, a długością drogi swobodnej pomiędzy dwoma zderzeniami l. λ=1/3ρ c_vVl . Gdy ciała stałe - przewodzenie ciepła poprzez wymianę energii pomiędzy silnie ze sobą powiązanymi, drgającymi atomami. Drgania zespołów atomów mają charakter fal - fotonów. λ=1/3ρ c_vVl V- srednia prędkość fotonów na krysztale, l - ich średnia droga swobodna.

104) Podaj zależność określająca wartość współczynnika przewodnictwa cieplnego w metalach.

W metalach przewodzenie ciepła zachodzi głównie przez elektrony λ=1/3kn_e c_vV_el_e k- stała Boltzmana, ne- gęstość elektronów, V- średnia prędkość elektronów, l - średnia droga swob. elektronów.

105) Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów dwufazowych w ujęciu modelu równoległego.

Strumień cieplny jest równoległy do warstw. Zakładając ze w całym modelu występuje ten sam gradient temp:1/1/λm=∑v_i/1/λ_i λm - przewodnictwo cieplne całego modelu, λ_i - przewodność cieplna i - tej warstwy, v_i - udział objętościowy i - tej warstwy. Dla układu dwufazowego λm=λ₁V₁+λ₂V₂ . W modelu równoległym przewodnictwo ciepła odbywa się głównie przez lepszy przewodnik ciepła jakim jest faza stała. λ _m= λ ₁V_{1 +}λ ₂ V₂; λ ₁≥λ₂; λ _m=λ₁V₁.

106) Współczynnik przewodzenia ciepła materiałów dwufazowych w ujęciu modelu szeregowego.

Gdy strumień cieplny przepływa prostopadle do warstw, wtedy w każdej warstwie gęstość strumienia cieplnego musi być jednakowa. Różne współczynniki przewodzenia ciepła w ciele stałym i w pustych warstwach zapełnionych powietrzem. Gradienty temp są różne. Całkowita odporność cieplna modelu 1/λm jest równa sumie odporności cieplnych warstw: 1/λm=v₁/λ₁+v₂/λ₂ ; λm=λ₂/v₂ . Przewodność cieplna jest ustalona przez przewodność gorszego przewodnika, jakim jest gaz w porach.

107) Określ wpływ porowatości na przewodnictwo cieplne rzeczywistych tworzyw porowatych.

1) Rzeczywista budowa tworzyw: - wielkość porów kształt porów; - charakter powierzchni; - anizotropia powierzchni. Istnieje wiele modeli opisujących promieniowanie ciepła mat porowatych np. z regóły mieszanin λ=λ₀(1-V_D) 2) Przenoszenie ciepła przez promieniowanie >1000K. Dla tworzyw porowatych q=n²γξ_E(T₁⁴-T₂⁴)≈4n² γξ_EAT³; q - gęstość strumienia promienistej energii q=- λ_ef(ΔT/d_p); λ=4 d_pn ² γξ_ET ³; d_p - promień porów. Przewodnictwo cieplne mat mieści się pomiędzy tymi dwoma graniami przypadkowymi.

108) Co to jest pełzanie?

Pełzanie- jest to powolne ciągłe odkształcenie materiału w czasie pod wpływem siły. Zależy od naprężenia, temperatury i czasu. ε=f(σ, t, T); W przeciwieństwie do pełzania odkształcenie większości metali i ceramiki w temperaturze pokojowej praktycznie nie zależy od temperatury i czasu ε=f(σ).

109) Podaj i zaznacz na schemacie dyfuzyjne mechanizmy pełzania tworzyw ceramicznych.

Dyfuzyjne mechanizmy pełzania: - dyslokacje; - pełzanie Nabarro-Herringa

Kierunek uprzywilejowanego dyfuzyjnego znoszenia pozycji atomów w ziarnie polikrystalicznym.

110) Co to są mapy Aschby'ego dla pełzania ?

Aschby wykazał, że zakres warunków, w których dominuje określony mechanizm pełzania, można określić za pomocą odpowiednich map Ashby'ego np. dla MgAl₂O₄ (na x - zredukowana temperatura T/T_t, a na y - log σ)

teoretyczna wytrzymałość materiału

wspinanie się dyslokacji

pełzanie Nabarro-Herringa

Poszczególne pola map odpowiadają zakresom naprężeń i temperatur względnych, w których dominują określone mechanizmy odkształcenia nieodwracalnego (plastycznego lub lepkościowego).

111) Jak współczynnik rozszerzalności cieplnej zależy od rodzaju wiązań?

Materiały zmieniają swe wymiary wraz z temperatura. Zmiany te określają współczynnik rozszerzalności cieplnej α.

Wykres zmian energii potencjalnej V_p atomów w zależności od odległości międzyatomowej dla substancji o wiązaniu atomowym i jonowym.

Ze wzrostem jonowości wiązania, obserwuje się zwiększanie asymetrii krzywej energii potencjalnej V_p=f(r), (r - odległość międzyatomowa), czemu towarzyszy wzrost współczynników rozszerzalności cieplnej. (r ₂-r ₁)/ΔT

112) Współczynnik rozszerzalności cieplnej: definicja, miara, zakres wielkości dla tworzyw ceramicznych.

α - współczynnik rozszerzalności cieplnej; wyróżniamy rozszerzalność liniową i objętościową; α_L - liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej α_L=1/l₀*Δl/ΔT Wielkość ta wyraża względne wydłużenie materiału występujące podczas ogrzania ciała i jeden stopień; α_V - objętościowy współczynnik rozsze. cieplnej α_V=1/V_o*ΔV/ΔT Dla ciał izotropowych α_V=2α_L; Współczynnik rozsz. cieplnej różnych materiałów różnią się między sobą istotnie i także zależą od temperatury. np. szkło kwarcowe - 0,6; Al2O3 - 8,5; Al. - 23,6; CS - 97 [K^-1*10^-6]

113) Wyprowadź zależność na wielkość naprężeń cieplnych w ujęciu modelowym “utwierdzonej płyty”.

Płytka ma temp T₁, płytę ochładzamy do temp T₂, występuje naprężenie rozciągające. Płyta może się kurczyć swobodnie w kierunku y(x₂) i nie może zmieniać swych wymiarów w kierunku y(x₁). Jeśli odkształcenia nie przekraczają zakresu sprężystościto z uogólnionego prawa Hooka i warunku σ₃=0, ε₃=0 i σ₂=0, wynika ze po ochłodzeniu o ΔT naprężenia rozciągające utrzymujące płytę w stanie nieskurczonym w kierunku X: σ₁=-Eε₁=Eα_L(T₁-T₂); α_L - średni współczynnik liniowy rozszerzalność ciepl.; E - moduł Yonga;. Natomiast gdy płytka ma skończona grubość w kierunku z(x₃) to: σ₂=0; ε₁= σ₃=-α_L ΔT; ε₁=1/E(σ ₁-ν σ ₃); ε₃=1/E(σ ₃-ν σ ₁); ε₁= ε₃= σ ₁/E(1- ν)= σ ₃/E(1- ν); σ ₁=σ ₃= ε₁E/1- ν= ε₃E/1- ν= α_L ΔTE/1- ν

114) Podaj definicje naprężeń cieplnych I i II rodzaju.

Naprężenia cieplne 1 rodzaju występują w przypadku polikryształów złożonych z ziaren rozszerzających się anizotropowo posiadających jednorodny rozkład temp. Naprężenia takie powstają w materiale stosownie do różni rozszerzalności cieplnej krysz. lub faz. Wielkość tych naprężeń zależy od właściwości sprężystych i współczynników rozszerz. cieplnej sąsiadujących składników. Prowadza do spękań;. Nap ciep 2 rodz powstają w polikryształach złożonych z ziaren rozszerzających się anizotropowo posiadających niejednorodny rozkład temp. Powstają one wtedy, gdy niemożliwa jest swobodna rozszerzalność poszczególnych elementów materiału w obrębie którego istnieje zróżnicowanie temp. Obszary takie są uwięzione w obrębie tego ciała i muszą powstawać takie naprężenia. Prowadza do spękań i zniszczenia.

115) Od czego zależy wartość naprężeń cieplnych w warunkach nieustalonego przepływu?

Rozkład temp w nagrzanej kształtce materiału. W pierwszej chwili po jej umieszczeniu w środowisku o niższej temp dla różnych współczynników przenikania ciepła. 1)h₁=0; 2)h ₂<h ₁; 3)h ₃<h ₂<h; Rozkład temp w kształtce zależy od czasu oraz: - współczynnika przenikania ciepła h; - współczynnika przewodnictwa ciepła λ; - wymiary kształtki.

116) Co to jest liczba Biota?

β=r_mh/k_p; jeśli powierzchnia materiału znajduje się w warunkach nieokreślonego przepływu ciepła w których analityczne określenie maksymalnych naprężeń jest bardzo trudne. Pomaga nam w tym Liczba Biota, która obejmuje stosunki trzech wielkości, jaki sa: r_m - charakterystyczny wymiar próbki;, h - wielkość współczynnika wymiany ciepła pomiędzy powierzchnią a otoczeniem;. k_p- przewodnictwo cieplne.

117) Scharakteryzuj pojęcie: “odporność materiału na wstrząs cieplny”.

Jest to maksymalna różnica temperatur, przy której maksymalne naprężenia cieplne są równe wytrzymałości tworzywa, czyli gdy: ΔT= ΔT _max - wówczas σ _{max ciepła}= σ _{wytrzymałości mat.}; Dla walca otrzymujemy σ(1- ν)/E α= ΔT _max; Małe νE przy dużym σ dają dobre odporności na wzrost spękań. Naprężenie rośnie, jeżeli rosną: moduł Yonga, rozszerzalność cieplna, różnica temp: σ=E α ΔT/1- ν

118) Które tworzywa ceramiczne posiadają najwyższa odporność na wstrząs cieplny. Odp. uzasadnij. Podaj przykłady.

Materiały włókniste - ponieważ występuje obniżenie gradientów temp w materiale, mała przewodność cieplna.; Kompozyty zbrojone włóknami - zwiększona odporność na kruche pękanie; Materiały porowate typu komórkowego - obniżone E i G kosztem pewnego obniżenia wytrzymałośći mechanicznej.; Cienkie kształtki - obniżenie gradientów temperatury w materiale.

119) Zależność ΔT od właściwości mechanicznych materiału.

Wytrzymałość materiałów w funkcji wielkości gradientu temp. a) dla szkła; b) dla polikryształów

120) Jakimi parametrami określamy odporność materiału na wstrząs cieplny.

1) R ₁ - Warunki wstrząsu cieplnego. Maksymalne naprężenia cieplne = β>>1 wtedy R ₁= ΔT _max= σ _max(1- ν)|E α [K]; 2) R - warunki wolnego chłodzenia R ₂= R ₁ λ[W/m]; 3) R ₃ - odporność materiału na rozprzestrzenianie się pęknięć. W warunkach naprężeń cieplnych. R ₃~defektu krytycznego R ₃=(K_1C/ σ _max)² [m]

121) Jak wyznaczamy krzywą Haselmana, podaj przykłady tej krzywej dla różnych typów tworzyw.

122) Przeanalizuj wpływ porowatości na odporność materiału na wstrząsy cieplne.

Materiały porowate są bardziej narażone na wstrząs cieplny niż nie porowate, ponieważ po przekroczeniu ΔT _max następuje bardziej gwałtowne obniżenie wytrzymałości.

Właściwości elektryczne

123) Podaj prawo Ohma w ujęciu makroskopowym i elementarnym - określ występujące pojęcia.

- makroskopowe U=IR U- napięcie, I- natężenie. Stosunek różnicy potencjałów między końcami przewodnika do natężenia płynącego prądu jest stały; - elementarne j=σE, j= J/s, E= U/J, j= Σn_i evz_i: ;j- gęstość strumienia prądu, ρ-rezystancja elektryczna materiałów, b- ruchliwość nośników ładunku, e- elementarny ład. elektryczny, z-liczba elementarnych ładunków danego nośnika ładunku, η_i - gęstość nośników, v- średnica prędkości ruchu ładunku, z_i- liczba elementarnych ładunków w jednostce objętości.

124) Wymień znane Ci rodzaje nośników prądu elektrycznego.

- elektrony swobodne(metale); - elektrony i dziury (półprzewodniki i izolatory); - jony(przewodniki jonowe)

125) Podaj podstawy teorii pasmowej przewodnictwa elektrycznego materiałów.

Teoria tłumaczy właściwości elektronowe ciał stałych, opiera się na założeniu, że podczas powstawania struktury krystalicznej ciała stałego. Dozwolone dla elektronów poziomy energetyczne swobodnych atomów rozszczepiają się tworząc pasma poziomów blisko leżących. Poszczególne pasma są oddzielone od siebie pasmem wzbronionym(przerwą energetyczną). Najwyższe, całkowicie, lub częściowo wypełnione elektronami pasmo - pasmo walencyjne, a wyższe całkowicie puste - pasmo przewodnictwa.

126) Co to jest energia strefy wzbronionej, podaj klasyfikację materiałów wg. wielkości energii strefy wzbronionej.

Jest to energia, której nie mogą mieć elektrony zdolne do przemieszczania się krysztale lub, przy której możliwy jest swobodny przebieg fali elektronowej przez kryształ, lecz tylko jej odbicie. Elektrony leżące w tej strefie nie mogą przemieszczając się w krysztale i ulegają odbiciu. Największą energie strefy wzbronionej mają przewodniki o strukturze 1)sfalerytu i wurcytu ZnS; 2) wurcytu α-SiC- najniższe; 3) diamentu;. Mała przewodność strefy wzbronionej - półprzewodniki samoistne.

127) Podaj różnicę między półprzewodnikiem samoistnym a domieszkowym, podaj przykłady.

Kryształy o strukturze diamentu, sfalerytu i wurcytu są półprzewodnikami samoistnymi tzn. ulegają wzbudzeniu pod wpływem ciepła lub światła. Przewodnictwo rośnie z temperaturą wskutek zwiększania się liczby nośników. Półprzewodniki domieszkowe- domieszkowanie półprzewodników pierwiastkami o większej liczbie elektronów walencyjnych prowadzi do otrzymania półprzewodników n zaś przy domieszkowaniu pierwiastkami o mniejszej liczbie elektronów walencyjnych- półprzewodniki typu p. Zastosowanie elektroniczne (diody, tranzystory, ukł. scalone).

128) Zależność przewodnictwa od temperatury dla przewodników.

Przewodnictwo rośnie wraz z temp w skutek zwiększania się liczby nośników prądu.

129) Zależność przewodnictwa od temperatury dla półprzewodników samoistnych.

Przewodnictwo rośnie wraz z temp w skutek zwiększania się liczby nośników prądu.

130) Co to są półprzewodniki tlenkowe?

Związki jonowe o charakterze niestechiometrycznym lub z domieszkami. Zawierają defekty punktowe i elektronowe (elektrony lub dziury) np. ZnO, ZnS, NiO; Charakter przewodnika jest podobny jak w przypadku domieszkowych kowalencyjnych, jednak ze względu na mniejszą ruchliwość i stężenie defektów, niż w przypadku półprzewodników domieszkowych, przewodnictwo jest niższe.

131) Dlaczego typowe materiały ceramiczne są izolatorami elektrycznymi?

Typowe materiały ceramiczne są izolatorami elektrycznymi, bo jest duże pasmo wzbronione i występuje głównie wiązanie kowalencyjne.

132) Co to jest i w czym mierzymy wytrzymałość materiałów na przebicie elektryczne.

Wytrzymałość na przebicie elektryczne- napięcie ,przy którym następuje przebicie w materiale o jednostkowej grubości i wyraża się ją w [V/m]. Przebicie elektryczne - zjawisko wyładowania elektrycznego przy którym następuje czasowe lub trwałe zniszczenie dielektryku.

133) Jakie są podstawowe mechanizmy przebicia elektrycznego?

Przebicie elektryczne - przy wysokim natężeniu pola elektrycznego pole powoduje przesuwanie poziomów elektronowych( zmniejszanie przerwy energetycznej), oraz zwiększanie, ruchowości nośników.; 1) Przebicie elektronowe - przy niskich natężeniach pola elektrycznego stężenie i energia kinetyczna elektronowych nośników ładunku są za małe, aby mogły przez materiał przepływać duże ilości prądu elektrycznego przy wysokich natężeniach pola - może dojść do wzbudzenia pasma przewodnictwa dodatnich elektronów, z przerwy energetycznej a także z pasma walencyjnego. Pole elektryczne wykonuje prace dzieki której poziomy w strefie energii wzbronionej przesuwają się wyżej o energie ΔE'= Fl'=(eE)l ; F- siła wywierana na pojedynczy elektron przez pole elektryczne; l - długośc drogi na którj pole wykonuje prace; e - ładunek elektryczny. 2) Przebicie cieplne występuje gdy intęsywność wydzielania się w materiale ciepła Jovel'a w skutek strat dielektrycznych związanych ze skończoną wartością tg σ przekroczy intęsywność odprowadzania ciepła z materiału o otoczenia. Przebicie cieplne - nagrzewanie się materiału w skutek strat dielektrycznych powoduje lawinowy wzrost temp. 3) Przebicie elektrochemiczne - jest to przebicie elektryczne które następuje w wyniku powolnych procesów elektrochemicznych w materiale znajdującym się przez dłuższy czas w polu elektrycznym.

134) Wymień mechanizmy polaryzacji elektrycznej.

Mechanizm polaryzacji elektronowej - pod wpływem przyłożonego pola elektrycznego elektrony przesuwają się nieznacznie względem rdzeni atomowych. Mechanizm polaryzacji jonowej - dodatnie jony przemieszczają się zgodnie z kierunkiem pola, ujemne - przeciwnie do kierunku pola. Mechanizm polaryzacji orientacji - przyłożenie pola zewnętrznego, na dipole działają siły, które dążą do ustawienia dipoli w kierunku pola. Mechanizm polaryzacji przestrzennej - powstaje ona na wskutek nagromadzenia się ładunków na granicy rozdziału faz w polikryształach i materiałach wielofazowych.

Moment dipolowy p= αE_loc; α- polaryzowalność;. Polaryzowalność α= α _E+ α _A+ α _D (Pol.- jonowa, - elektronowa, - orientacyjna);. Lokalne natężenie pola E_loc=E_a+P/3ε₀;. Polaryzacja P=∑p=nα ; P=nαE_loc; n - liczba dipoli na powierzchnie objętości;. Sumaryczna polaryzacja materiału P=ε₀(ε_r-1)E

135) Co to jest przenikalność dielektryczna materiałów?

Podstawowa cecha dielektryków związana z polaryzowalnością, zależy od temperatury i częstotliwości. Definiowana jest przez wartość pojemności elektrycznej kondensatorów. ε _s=ε ₀ε_r; ε₀- przenikalność dielektryczna próżni, ε_r- względna przenikalność dielektryczna.

136) Jak przenikalność dielektryczna zależy od częstotliwości pola elektrycznego?

Zależność stałej dielektrycznej od częstotliwości zależy od czasu relaksacji, charakterystycznego dla danego rodzaju polaryzacji elektrycznej. Przy dostatecznie dużych częstotliwościach, większych od częstotliwości relaksacji, przenikalność szybko maleje. Zjawisko to nazywane jest dyspersja przenikalnośći dielektrycznej i najbardziej charakterystyczne jest ono dla ferroelektryków.

137) Co to są materiały ferroelektryczne?

Ferroelektrykami nazywamy materiały, w których polaryzacja występuje samoczynnie w skutek wzajemnego oddziaływania trwałych dipoli, bez udziału zewnętrznego pola. Wykazują własności: 1) Występowanie domen. 2) orientacja domen pod wpływem zewnętrznego pola, 3) histereza elektryczna, 4) zanik właściwości ferro w temp Curie, 5) charakterystyczna zależność przenikalności od temp.

138) Dlaczego BaTiO₃ ma właściwości ferroelektryczne?

Ponieważ posiada większość typowych cech ferroelektryka: - poniżej określonej temp(ferro temp Curie) symetryczna struktura BaTiO3 przechodzi w niżej symetryczna stróktóre o symetrii tetragonalnej, wystąpiła, zatem samorzutna polaryzacja, bez wpływu pola zewnętrznego; - w tyh związkach występują małe obszary domeny; - związki te posiadaja również pętle histerezy (jest ona bardzo wąska).

139) Narysuj krzywą histerezy dla ferroelektryków.

E_c- natężenie pola koercji, potrzebne dla sprawdzenia polaryzacji materiału do 0, P_r- polaryzacja, E_a- zewnętrzne pole elektryczne. Etapy: * rozrost domen o kierunku polaryzacji najbliższemu kierunkowi pola * zwiększenie liczby momentów dipolowych * do sprowadzenia polaryzacji materiału do zera potrzeba przyłożenia pola o określonej wartości i przeciwnego kierunkowi tzn. natężenia pola koercji E_c.

140) Na czym polega budowa domenowa ferroelektryków?

W ziarnach ukształtowują się małe obszary - domeny. Poszczególne domeny są przeważnie zorientowane równolegle lub anty równolegle do pseudorególarnego kierunku <001>. W tej sytuacji przeciwnie zorientowanie momenty dipolowe domen sasiadujących ze sobą w ziarnie znoszą się w dużym stopniu. Tworzenie się takich struktur domenowych wynika ze względów energetycznych.

Właściwości magnetyczne i optyczne

141) Scharakteryzuj wielkość: przenikalność magnetyczna materiału.

Przenikalność magnetyczna, µ- w ośrodkach izotropowych skalarna, w anizotropowych tensorowa - charakteryzująca zdolność ośrodka materialnego do zmiany wektora indukcji magnetycznej  pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Przenikalność magnetyczna związana jest z podatnością magnetyczną κ zależnością: µ_r = 1+κ. Przenikalność magnetyczna zależy na ogół od częstotliwości zmian pola magnetycznego.

142) Podaj podział materiału ze względu na właściwości magnetyczne, określ przenikalności magnetycznej dla każdego typu tworzyw.

Diamagnetyki - ujemna podatność magnetyczna, Każdy atom ma zerowy moment magnetyczny - materiał o skompensowanyh momentach magnetycznych atomów.μ_r<1;. Paramagnetyki - dodatnia podatność magnetyczna. Atomy maja własne momenty magnetyczne, ale momenty te są zorientowane przypadkowo i znoszą się. Nie pełne skompensowanie momentów magnetycznych μ_r>1;. Ferromagnetyki - materiały złożony z domen magnetycznych, wykazujący magnetyzację spontaniczną, o dużej podatności magnetycznej. Momenty magnetyczne są uporządkowane wewnątrz każdej domeny μ_r>>1;. Zależność polaryzacji magnetycznej M od natężenia pola magnetycznego H.

143) Przyczyny powstawania nieskompensowanego momentu magnetycznego w materiałach.

Źródłami momentów magnetycznych w ciele stałym są: - momenty magnetyczne wytworzone przez elektrony, krążące po orbitach wywołują moment magnetyczny m _m=(-e/2m _e)l, moment magnetyczny wytworzony przez elektron jest proporcjonalny no momentu pędu;, - momenty magnetyczne wytworzone przez spin elektronu m _mp=-2m _bS, S- wypadkowy moment spinowy pędu, m _b magneton Bohra;, Efektywny moment spinowy magnetyczny m _mef=-2m _b(S(S+1)^1/2;, Wypadkowe momenty występują, gdy orbitale uczestniczące w wiązaniu nie są w pełni obsadzone. Momenty magnetyczne zależą głównie od momentów spinowych.

144) Zależność przenikalności magnetycznej od temperatury.

Przenikalność magnetyczna w pewnym stopniu jest związana z podatności magnetyczną χ _m= μ_r-1, dla para magnetyków μ_r>1 i χ _m>0 a dla diamagnetyków μ_r<1 i χ _m<0. Zależność odwrotności podatności magnetycznej od temp.
;, Paramagnetyk χ _m=C_c/T; C-stała Curie;, Ferromagnetyk χ _m=C'/T-T_c ; T _c - temp Curie;, Jak widać zależność przenikalności magnetycznej od temp jest związana z temp Curie, w której przechodzi do przemiany np. ferromagnetyka w paramagnetyk. Wynika z tego ze powyżej temp Curie ze wzrostem temp przenikalność magnetyczna maleje.

145) Podaj specyficzne cechy materiałów ferromagnetycznych.

Ferromagnetyki - materiały złożony z domen magnetycznych, wykazujący magnetyzację spontaniczną, o dużej podatności magnetycznej. Momenty magnetyczne są uporządkowane wewnątrz każdej domeny. Cechy: - w temp Curie następuje zanik magnetyzacji spontanicznej i przemiana fazowa(nieciągłość funkcji temperaturowych różnych własności materiału. Powyżej temp Curie stają się paramagnetykiem. W ferromagnetykach kierunki i zwroty wektorów magnetyzacji wszystkich domen są zgodne. W polu magnetycznym ferromagnetyki zachowują się podobnie jak paramagnetyki tyle ze pole działa na nie z wielokrotnie większą siła. Własności ferro. Są określone krzywą magnesowania i pętlą histerezy magnetyzacji.

146) Narysuj krzywe histerezy magnetycznej dla materiałów magnetycznie miękkich i magnetycznie twardych, określ podstawowe różnice, podaj przykłady i zastosowanie takich tworzyw.

Materiały magnetycz­nie miękkie (m) o wąskiej i wysokiej pętli, a więc małej koercji Hc oraz twarde (t) o szerokiej i niskiej pętli, tzn. dużej koercji. Materiały magnetycznie miękkie, które cechuje mała energia konieczna do przemagnesowania, znajdują zastosowa­nie do produkcji blach elektrotechnicznych (transformatorowych i prądnicowych), a twarde jako magnesy trwałe.

147) Budowa spinelu.

Spinel - minerał, tlenek glinu i magnezu, zwykle bezbarwny surowiec do produkcji materiałów ściernych i ogniotrwałych. Strukturę taką posiadają typowe ferryty. Można ja wyprowadzić z gęstego, regularnego ułożenia kulistych atomów tlenu. Pozycje pomiędzy atomami są dwóch różnych rodzajów. Jeden rodzaj to pozycje tetraedryczne, otoczone bezpośrednio przez 4 atomy tlenu. Drugi rodzaj to pozycje oktaedryczne są otoczone przez 6 jonów tlenu.

148) Co to są ferryty? Podaj przykłady takich tworzyw i obszary ich zastosowania.

Ferryty - materiały ceramiczne wykazujące właściwości ferrimagnetyków. Pod względem właściwości elektrycznych są półprzewodnikami. Są to związki o wzorze ogólnym MeO*Fe2O3 których czołowym przedstawicielem jest magnetyt Fe3O4. Pod względem właściwości magnetycznych rozróżnia się - ferryty magnetycznie miękkie (głównie struktura spinelowa), stosuje się je do wyrobu rdzeni cewek indukcyjnych, głowic magnetycznych. Natomiast ferryty magnetycznie twarde (struktura heksagonalna), stosowanie są do wyrobu magnesów trwałych. Znane są tez ferryty o prostokątnej pętli histerezy stosowane do wyrobu między innymi do wyrobu pamięci komputerowych.

149) Scharakteryzuj wymianę kwantowo-mechaniczną w ferrytach.

Jest to tak zwana superwymiana w skutek nakładania się orbitali położonych obok siebie kationów i atomu tlenowego. W układzie mogą występować stany wzbudzone. Jeden z nich polega na chwilowym przejściu elektronu 2p anionu tlenowego do orbitalu 3d jednego z kationów np. H₁ jeśli pierwszy z elektronów obsadza częściowo zapełniony orbital 3d kationu H₁ - to musi mieć spin o zwrocie przeciwnym do zwrotu elektronu 3d kationu. W skutek oddania jednego elektronu 2p, anion tlenkowy staje się magnetyczny. Powstały niesmarowany elektron 2p może uczestniczyć w oddziaływaniu wymiennym z drugim z kationów z H₂.Spin tego drugiego elektronu 2p jest skierowany przeciwnie do spinu pierwszego z elektronów 2p anionu. Powstaje sytuacja, w której spiny elektronów 3d kationów H₁ i H₂ zorientowane są antyrównolegle.

150) Wpływ mikrostruktury na właściwości magnetyczne ferrytów.

Różnorodne właściwości ferrytów można kształtować na drodze regulacji składu chemicznego oraz na drodze regulacji mikrostruktury. Poprzez regulacje wielkości ziaren udziału objętościowego porów czy rozkładu wielkości ziaren. Dla ferrytów magnetycznie miękkich - z wielkością ziaren wzrasta przenikalność magnetyczna spada ona wraz ze wzrostem udziału objętościowego porów, wtrąceń lub wydzieleń drobnych faz stałych. Warunkiem uzyskania prostokątnej pętli histerezy jest mały udział objętościowy porów, jednorodność roztworów stałych, duże wymiary ziaren.

151) W jakim zakresie długości fali i energii fotonów mieści się światło widzialne.

Światło widzialne, podczerwień i nadfiolet- *λ [μm] od 0,4 do 0,7 * energia kwantów promieniowania h*ν [eV] od 1 do 10. Podczerwień: * λ[μm] od 0,7 do 100 * energia kwantów promieniowania h*ν[eV] od 0,001 do 1. Nadfiolet: *λ[μm] od 0,2 do 0,4 * energia kwantów promieniowania h*ν[eV] od 10 do 100.

152) Co to jest współczynnik załamania światła, współczynnik absorpcji i transmisji?

n - jest równy stosunkowi prędkości rozchodzenia się światła w próżni = 300000 km/s i prędkości jego rozchodzenia w materiale n = c/v = [εμ]^1/2. Współczynnik załamania (n) i absorpcji (a) są związane w postaci zespolonego współczynnika załamania n^* = n - ia.

a - charakteryzuje tłumienie amplitudy światła w materiale. Transmisja (przepuszczalność). Natężenie fali elektromagnetycznej (w %) przechodzącej przez materiał: I = I₀ + I_a + I_t;

I - natężenie fali padającej, I₀ - natężenie fali odbitej, I_a - natężenie fali zaabsorbowanej, I_t­ - natężenie fali przechodzącej.

153) Dlaczego metale są nieprzezroczyste dla światła widzialnego?

Metale są nieprzezroczyste, bo mają bardzo małe różnice sąsiednich poziomów energii elektronów. Małe szerokości strefy energii wzbronionej, odpowiadającym energii fotonów promieniowania zakresu widzialnego są zdolne do absorpcji promieniowania tego zakresu. Metale są nie przeźroczyste również dla promieniowania podczerwonego.

154) W jakim zakresie promieniowania przeźroczyste są materiały półprzewodnikowe i dlaczego?

Wiele z półprzewodników jest przezroczyste dla promieniowania zakresu podczerwonego jest to długość fali większa od 700 nm. Dla typowych półprzewodników szerokość przerwy energetycznej jest rzędu 1-4eV co odpowiada światłu widzialnemu. Półprzewodniki, zatem adsorbują fotony tego zakresu, nie adsorbują jednak energii fotonów promieniowania podczerwonego.

155) W jakim zakresie promieniowania przeźroczyste są monokryształy ceramiczne i dlaczego?

Monokryształy nie absorbują promieniowania od podczerwieni do nadfioletu(energia rzędu 1-10eV). W naturalnym świetle słonecznym są dla oka ludzkiego bezbarwne i przezroczyste. Nie absorbują one promieniowania w tym zakresie fali. Wyraźne występowanie bary występuje wtedy, gdy materiał jest zdolny do selektywnej adsorpcji, fotonów określonej części widma światła widzialnego.

156) Kiedy polikrystaliczne tworzywa ceramiczne mogą być przeźroczyste dla światła widzialnego?

Wtedy, gdy ich poszczególne fazy lub granice fazowe nie będą absorbować promieniowania widzialnego, a w związku z tym ich pasmo energii wzbronionej będzie rzędu 1-10eV.

157) Co to jest barwa światła?

Najjaśniejsza z barw - barwa biała. Jest to zrównoważona mieszanina barw prostych, która jest odbierana przez człowieka jako najjaśniejsza w otoczeniu odmiana szarości. Barwy proste (monochromatyczne, widmowe) - barwy otrzymane z rozszczepienia światła białego.Barwa prosta to wrażenie wzrokowe wywołane falą elektromagnetyczną o konkretnej długości z przedziału fal wwidzialnych, czyliok. 380 nm - ok. 760 nm. W rzeczywistości dobrze widzialne barwy to jeszcze węższy zakres (400-700).

kolor	długość fali nm (10^-9m)	częstotliwość THz (10^12Hz)
czerwony	~ 625-740	~ 480-405
pomarańczowy	~ 590-625	~ 510-480
żółty	~ 565-590	~ 530-510
zielony	~ 520-565	~ 580-530
cyjan	~ 500-520	~ 600-580
niebieski	~ 450-500	~ 670-600
indygo	~ 430-450	~ 700-670
fioletowy	~ 380-430	~ 790-700

158) Wymień typy centrów barwnych w materiałach ceramicznych.

Centra barwne występują w materiałach, gdy istnieja w nich przejścia elektronowe. Ma to miejsce, gdy obecne są w jonach niewypełnione poziomy energetyczne (pierw. grup przejściowych i ziem rzadkich). Centra barwne tworzone są przez niektóre kationy oraz przez defekty punktowe, wakacje, jony międzywęzłowe, które uległy rekombinacji z dziurami elektronowymi lub elektronami pasma przewodnictwa. Szczególną grupę centrów stanowią jony pierwiastków grup przejściowych i ziem rzadkich układu okresowego pierwiastków.

159) Podaj schematycznie ideę powstawania centrów barwnych z udziałem defektów punktowych.

Kiedy kryształ stechiometryczny izolatora zawierający odpowiednią ilość defektów punktowych, podda się promieniowaniu fotonami o energii większej bądź równiej energii strefy wzbronionej to dojdzie do uwolnienia części zewnętrznych elektronów, które po wzbudzeniu przechodzą do pasma przewodnictwa, pozostawiając po sobie dziury elektronowe. Zanim nastąpi ich rekombinacja, elektrony mogą przebywać w pobliżu naładowanych wakacji anionowych lub obok obecnych kationów o wartościowości wyższej od kationów rodzimych. Wędrować mogą również dziury i mogą one zostać schwytane przez wakacje kationowe. W wyniku tego może dojść do absorpcji fotonów odpowiedniej częstości leżącej w paśmie promieniowania widzialnego wywołując wrażenie barwy.

160) Podaj ideę powstawania centrów barwnych wskutek domieszki jonów metali przejściowych.

Pierwiastki grup przejściowych, na orbitalach 3d, maja zbliżoną lub identyczna energie i mogą pomieścić 10 elektronów. Pierwiastki te mają przeważnie miej niż 10 elektronów na tych orbitalach i na pięciu następnych orbitalach elektrony zajmują maksymalnie dużą liczbę orbitali, przez co występuje tam szereg nieosadzonych poziomów energii. Istnieje wiec możliwość przejścia elektronów odpowiadającym orbitalom d. (W orbitalach nie ma takiej możliwości). Na sposób adsorpcji światła wpływa, więc otoczenie jonów metali przejściowych w krysztale. Dla większości tych pierwiastków rozszczepienie światła jest rzędu 1-3eV, adsorpcja światła widzialnego wywołuje wrażenie barwy.

161) Co to jest optoelektronika?

Jest to dział elektroniki zajmujący się łącznym wykorzystaniem optyki i elektroniki, sposobu wytwarzania, przetwarzania i przesyłania sygnałów(łącza światłowodowe), elementy przetwarzające sygnały optyczna na elektryczne(fotodiody, fotorezystory). Lub sygnały elektryczne na optyczne (elektrody lumnestencyjne, ekrany ciekłokrystaliczne). Optoelektronika to wykorzystanie światła do transmisji sygnałów w elektronice i telekomunikacji. Zastosowanie światła pozwala zwiększyć szybkość transmisji, pojemność łączy i zmniejszyć straty energii. Optoelektronika to także zapis danych na dyskach optycznych.

162) Zależność ΔT od właściwości cieplnych materiału. Różnice temperatur w przekroju poprzecznym wywołują tendencję do rozszerzania się tworzywa w obszarze, w którym temperatura jest wyższa od T₀ oraz kurczenia się w obszarze gdzie temp. jest niższa od T₀. Zbiór punktów o temp T₀ traktowany jest jako punkt odniesienia.

163) Podaj przykłady współczynników załamania światła dla wybranych materiałów. Diament= 2,42; Si= 4,18; Al₂o₃₌1,64; PbO=2,66; TiO₂ ( rutyl ) = 2,61; ZrO₂=2,15; GaAs=4,04; szkło kwarcowe- 1,458; Szkło CROWN- 1,52; szkło FLINT- 1,62.

164) Idea budowy światłowodu.

Transmisja światła jest możliwa dzięki zastosowaniu światłowodów wykorzystujących zjawiska całkowitego wewnętrznego odbicia światła. Światłowody są to włókna szklane z dwu lub więcej warstw szkła o różnej gęstości optycznej (współczynników załamania).

165) Idea budowy i zastosowania laserów.

Lasery - źródła spójnego promieniowania jednej długości.

166) Zjawisko luminescencji i jego zastosowanie w technice.

Luminescencja - emisja światła po wzbudzeniu czynnikami zewnętrznymi.

167) Fotodioda i fotoopornik - idea budowy i zastosowanie.

W odbiorniku wykorzystujemy zjawisko fotoprzewodnictwa tj. zmiany oporności pod wpływem promieniowania świetlnego (fotoopornik). W ten sposób sygnał elektryczny zostaje przetworzony na sygnał świetlny w fotodiodzie, przekazany przez światłowód i z powrotem zmieniony na elektryczny w fotooporniku.

Odkształcenie sprężyste

y

x

---