3. Anyagtudományi alapok

3. Anyagtudományi alapok Menyhárd Alfréd, Szépvölgyi János BME Fizikai Kémia és Anyagtudományi Tanszék [email protected] Iroda: H épület 1. emelet; Tel.: 463-3477

Vázlat 

Kristályszerkezet  



Kristálytan alapjai Kerámiák jellemző szerkezetei

Főbb típusok  

Oxid és nem oxid kerámiák főbb típusai Szerkezeti példák



Kötésviszonyok



Néhány fontos tulajdonság  

Termikus, mechanikai és optikai tulajdonságok Tulajdonságok mérése 2

Kristályszerkezet 

Hatszöges elrendezés (2D és 3D)



Köbös elrendeződés



Gömbök szoros elrendeződése

3

Azonos átmérőjű gömbök elhelyezkedése 

Természeti példák

4


Nem csak egyféle méretű atomok elrendeződése Különböző koordinációs szám   

2-8 között A lehető legtömörebb szerkezet Stabil Stabil

Instabil

5


Kettős (biner) oxidok szerkezete

6

Kristályszerkezet, kristálytan 

Az összes lehetséges atomi elrendezést le lehet írni a 14 Bravais cella használatával



Kristályállandók (6 db)  



Élhosszak (a, b, c) Sarokpont körüli szögek (α, β, γ)

Kristályszerkezetek (7)

7

Kristályszerkezet, kristálytan 

Triklin

1 cella (P)



Monoklin

2 cella (P, C)



Rombos

4 cella (P, C, I, F)



Hatszöges

1 cella (P)



Négyzetes

2 cella (P, I)



Romboéderes 1 cella (R)



Köbös

3 cella (P, I, F)

8


Lapon centrált elemi cella   

Na (116 pm) Ο Cl (167 pm) Izodezmikus kristály  

 



Ionok, ionsugarak Irányítatlan kötések

rC/rA = 116/167 = 0,69 Koordinációs szám 6

Expandált elemi cella 

A oktaéderek a csúcspontjaikon kapcsolódnak 9


Korund (Al2O3) szerkezete     

Közepes méretű kationok sesquioxidjai (3 vegyértékű fémek oxidjai)  Al Ο O Ionsugarak 



  

Al3+ 67,5 pm O2- 126 pm

Koordinációs szám: 6 rC/rA = 67,5/125 = 0,54 0,414 < rC/rA < 0,732 http://webmineral.com/jpowd/JPX/jpowd.php?target_file=Corundum.jpx

10


Ritka földfém oxidok (nagyméretű kationok) A – trigonális (La2O3, Nd2O3) 



B – torozított monoklin (Sm2O3, Gd2O3) 



Koordinációs szám: 8


C – köbös (Er2O3) 


0.861 Å 11


Közepes méretű négyértékű kationok oxidjai Rutil (TiO2)  

  

 Ti, Ο O

CrO2 PbO2 Koordinációs szám 6

12


Nagyméretű két- és négyértékű kationok oxidjai és vegyületei 

CaF2 (8)  

 

 Ca Ο F

ZrO2 (6) CeO2 (8)

13

Főbb típusok 

Oxid kerámiák   

SiO2 (az egyik legfontosabb kerámiai anyag) Szerkezetileg az egyik legbonyolultabb kerámia Felhasználás     

Tűzálló tégla Kerámiai alapanyag Üveggyártás Egykristályként az elektronikai iparban Szigetelő filmek a félvezető chipekben

14

A SiO2 kerámiák szerkezete  

Nagyon változatos szerkezetek Fontosabb polimorf módosulatok    

α-kvarc β-kvarc Nagy nyomású tridimit Normál nyomású tridimit 

 

α-krisztobalit β-krisztobalit 



870°C alatt α- felette β-forma keletkezik

1470°C alatt α- felette β-forma keletkezik

Amorf módosulatok  

SiO2 üvegek SiO2 aerogélek

15

A SiO2 kerámiák szerkezete 

A kvarc módosulatai (Mezodezmikus kristályok)  

α-kvarc (alacsony T) β-kvarc (alacsony T)

http://webmineral.com/data/Cristobalite.shtml http://webmineral.com/data/Quartz.shtml

16

Szilikátok  

SiO2-t tartalmazó vegyületek (szilikátkémia) Csoportosítás Szerkezet

Si/O arány

NBO/T

ζ

Példa

Neoszilikát (ortoszilikát)

1:4

4

0

Mg2SiO4

Soroszilikát (piroszilikát)

2:7

3

1

Ca2MgSi2O7

Cikloszilikát

1:3

2

2

Be3Al2Si6O18

Inoszilikát (metaszilikát)

1:3

2

2

CaMgSi2O6

Phylloszilikát (lapok)

2:5

1

3

Mg3Si4O10(OH)2

Tektoszilikát (háló)

1:2

0

4

SiO2

NBO – nem kötő oxigén, T – tetraéder, ζ – kötő oxigén

17

A szilikátok fázisviszonyai 

Összetett viszonyok Al2O3-SiO2 fázisdiagram

18

Szilikátok szerkezete     

Cirkon (ZrSiO4) Neoszilikát Kerámísznezék Fém cirkónium előállítása Drágakőipar

http://webmineral.com/data/Zircon.shtml#.Uw2t9fl5Om8

19

Az Al2O3 módosulatai 

Sok változatos polimorf módosulat

20

Az egyes módosulatok közötti átmenetek 700-800 °C



α-AlO(OH) (diaspore) → α-Al2O3 150-300 °C

  

650-750 °C 1000 °C

γ-Al(OH)3 (gibbsite) → χ → κ → α-Al2O3 700-800 °C

900 °C

5Al2O3 · 5H2O (tohdite) → κ’ → χ → α-Al2O3 Vapor (CVD) → κ → α-Al2O3 300-500 °C



750 °C

γ-AlO(OH) (bohemite) → γ 200-300 °C

700-800 °C 900-1000 °C 1000-1100 °C

→ δ → θ → α-Al2O3

600-800 °C 1000-1100 °C



α-Al(OH)3 (bayerite) → η → θ → α-Al2O3



Melt → γ → δ,θ → α-Al2O3

21

Spinelek (Mg, Al oxidok)  

Vegyes fémoxidok Példa: MgAl2O4 (rubin) 

Drágakövek



A fém vegyértékétől függő különböző koordináció



Stabilis szerkezet



Sokféle kation, illetve anion helyettesítés 

Változatos színek 22

Az Al2MgO4 spinel szerkezete

http://webmineral.com/data/Spinel.shtml#.Uw2u9Pl5Om8

23

A spinelek csoportosítása

24

Nem-oxid kerámiák  

BN szerkezete atmoszférikus nyomáson Kettős kötések jellege

25

SIALON 

Kiindulási vegyület: Si3N4  



A nitrogén részben helyettesítve: Si2N2O 



Az Si3N4 és SiO2 1:1 arányú vegyülete

További alkotók (ALON)  



Alfa és béta módosulatok SiN4 tetraéderek

AlN Al2O3

A négy alkotó együtt SIALON

26

SIALON fázisdiagram

27

Karbid-kerámiák 

Gyémánt szerkezet   

Lapon centrált köbös rács A csúcsaikon kapcsolódó tetraéderek SiC



Londasdelit szerkezet 

Hexagonális rácsú gyémánt

28

Borid-kerámiák 

A LaB6 szerkezete (keresztkötésű bór oktaéderek)

29

Kötésviszonyok 

A kötéstípusok és jellemzőik

30

Ionos kötés

31

Néhány fontos tulajdonság  

Termikus tulajdonságok Hőtágulás (10-6 K-1) Vegyület

Szerkezet

𝛼ℓ =

1 𝜕𝑑 𝑑 𝜕𝑇 𝑃

Koord. szám.

α1000

MgO

NaCl

6

13,0

ZnO

Wurtzite

4

7,3

Al2O3

Corundum

6

8,6

ThO2

Fluorite

8

9,0

ZrO2

Baddeleyite

7

8,2

β-SiO2

High quartz

4

0,0

ZnS

Sphalerite

4

9,0

GaAs

Sphalerite

4

6,7

BN

Sphalerite

4

13,0

TiC

NaCl

6

8

C

Diamond

4

3,5

𝛼𝑉 =

1 𝜕𝑉 𝑉 𝜕𝑇 𝑃

32

Termikus tulajdonságok 

 

Hővezetés jellemző értékek h = -k gradT h – a hővezető képesség

Vegyület

Szerkezet

K (Wm-1K-1)

Ag

Al (fcc)

430

Cu

Al (fcc)

400

C

Diamond

2000

c-BN

Sphalerite

1300

SiC

Sphalerite

490

AlN

Sphalerite

320

Si

Diamond

160

Al2O3

Corundum

24

Al2MgO4

Spinel

10,2

Cr2MgO4

Spinel

7,5

Mg2SiO4

Olivine

5,2

Fe3O4

Spinel

5,1

ZnS

Sphalerite

17,2

CaLa2S4

Th3P4

1,7

33

Mechanikai tulajdonságok 

Deformáció egyirányú terhelésnél  



Izotróp anyagoknál (üvegek, polikristályos kerámiák)  



ε = sδ és δ = cε ε fajlagos nyúlás(strain), s rugalmassági tényező, δ mechanikai (húzó vagy nyomó) feszültség (stress), c merevségi tényező δ = Eε E a Young modulus (rugalmassági tényező)

Nyírás esetén   

τ = Gγ τ nyíró(csúsztató) feszültség, G nyírási rugalmassági modulus, γ nyírási alakváltozás (szögelfordulás) 34

Rugalmassági tényezők

35


Keménységmérés   

Knoop vagy Vickers keménység Gyémánt indentorok Knoop keménység maximuma 90 GPa

36


Vickers keménység adatok

37

Mechanikai tulajdonságok  

Törési szívósság Kritikus feszültség intenzitási tényező (Kic)

𝑎 𝐾𝐼 = 𝜎 𝑎 𝑌 𝑊

 

 

σ az el nem tört testre jellemző feszültség (pl. húzófeszültség), a törés mérete, Y a törési síkra merőleges távolság, W minta szélessége

38

Optikai tulajdonságok 

Fényelnyelés



Lambert-Beer törvény    

I = Io· e-αt α elnyelési (abszorpciós) tényező α= 4π·k· ν k kioltási (extinkciós) tényező, ν fényfrekvenciája

39


Elektromágneses elnyelés

40


Szín: 3 tényező függvénye   

  

Fényforrás Megvilágított objektum Emberi szem

Látható fény: 400-700 nm hullámhossz Objektum: abszorpciós vagy reflexiós spektrum Emberi szem:  

Hullámhossz érzékeny Legélesebb látás a spektrum zöld tartományában

41


Lumineszcencia

42

Elektromos tulajdonságok 

Dielektrikumok    



Dielektromos kerámiák (kondenzátorok) Piroelektromos kerámiák (hőérzékelők) Piezoelektromos kerámiák (adatátvivők, vezérlők) Ferroelektromos kerámiák (kapacitások)

Elektromos vezetők   

Gyors ionvezetők (nagy energiasűrűségű telepek) Fémes vezetők (magas hőmérsékletű vezetők) Szupravezetők (energiatermelés)

43

Mágneses tulajdonságok 

Hiszterézis görbe

44

Mágneses tulajdonságok 

Lágy és kemény mágnesek

45

3. Anyagtudományi alapok

Recommend Documents