Náuka o materiáloch I_2024-25_C PDF

Látky sú , ak ich stavebné jednotky (atómy, ióny alebo molekuly) sú rozmiestnené v priestore s trojrozmernou periodicitou. Reálne usporiadanie stavebných častíc v priestore nazývame kryštálom a spôsob usporiadania kryštálovou štruktúrou. Abstrakciou kryštálovej štruktúry j...

Látky sú , ak ich stavebné jednotky (atómy, ióny alebo molekuly) sú rozmiestnené v priestore s trojrozmernou periodicitou. Reálne usporiadanie stavebných častíc v priestore nazývame kryštálom a spôsob usporiadania kryštálovou štruktúrou. Abstrakciou kryštálovej štruktúry je kryštálová mriežka, v ktorej sú stavebné častice nahradené bodmi (uzlami mriežky).  = kryštál (útvar, teleso) s rovnakou orientáciou základnej stavebnej bunky (kryštálovej mriežky) v celom svojom objeme. = útvar (teleso), ktoré pozostáva z veľkého množstva náhodne priestorovo orientovaných „monokryštálikov“ (zŕn). Rozhrania medzi jednotlivými zrnami sa v polykryštalickom materiáli nazývajú hranice zŕn. - vyššia pevnosť, húževnatosť, tvrdosť, elektrická vodivosť,... základom je elementárna bunka s presne definovanými mriežkovými parametrami (mriežkovými konštantami) monokryštál polykryštál  = najmenšia charakteristická časť priestorovej mriežky. Pre jej výber platia Bravaisove pravidlá: 1. symetria základnej bunky musí byť zhodná s vonkajšou symetriou kryštálu, 2. základná bunka musí mať maximálny počet pravých uhlov, 3. ak sú splnené prvé dve, potom základná bunka musí zaberať minimálny objem, 4. pri nepravouhlých základných bunkách musia byť hrany čo najkratšie.  = najmenšia charakteristická časť priestorového usporiadania kryštálu Mriežkové parametre: z - dĺžky úsekov v smere jednotlivých súradnicových osí (a, b, c) - uhly zvierajúce medzi sebou osi súradnicového systému (α, β, γ) c Príklady: - kubický systém: a = b = c α α = β = γ = 90° β y - hexagonálny systém: a = b ≠ c b α = β = 90° ≠ γ = 120° γ - tetragonálny systém: a = b ≠ c α=β=γ x - ortorombický systém: a ≠ b ≠ c α = β = γ = 90° koordinačné číslo Z - počet najbližších, rovnako vzdialených atómov (iónov) v kryštálovej štruktúre. Je mierou hustoty usporiadania a pre rovnako veľké ióny dosahuje najvyššiu hodnotu 12 zlomkové súradnice - určujú polohy atómov, ktoré tvoria základnú elementárnu bunku. Ich rotáciou, transláciou a preklápaním možno vyplniť celú elementárnu mriežku - predstavujú zlomky parametrov mriežky v smere jednotlivých osí Počet atómov v základnej bunke sa stanovuje za predpokladu, že mriežka je ideálna, bez porúch! koordinačné číslo Z = 6 počet atómov patriacich 1 mriežke: n = 8.1/8 = 1 zlomkové súradnice (0, 0, 0) vzťah medzi mriežkovým parametrom a atómovým polomerom: objem zaplnenia mriežky: Vzap. = = 52,4 % voľný objem mriežky: Vvoľ. = 100 – Vzap. = 47,6 % koordinačné číslo Z = 8 počet atómov patriacich 1 EB: n = 8.1/8 + 1 = 2 zlomkové súradnice (0, 0, 0) ; (½, ½, ½) vzťah medzi mriežkovým parametrom a atómovým polomerom: objem zaplnenia mriežky: Vzap. = 68 % voľný objem mriežky: Vvoľ. = 32 % koordinačné číslo Z = 12 počet atómov patriacich 1 EB: n = 8.1/8 + 6.1/2 = 4 uzlový atóm zlomkové súradnice atóm v strede plochy (0, 0, 0) ; (½, ½, 0) ; (½, 0, ½) ; (0, ½, ½) vzťah medzi mriežkovým parametrom a atómovým polomerom: objem zaplnenia mriežky: Vzap. = 74 % voľný objem mriežky: Vvoľ. = 26 % koordinačné číslo Z = 12 počet atómov patriacich 1 EB: n = 12.1/6 + 2.1/2 + 3 = 6 vzťah medzi mriežkovým parametrom a atómovým polomerom: pomer parametrov mriežky: c/a = 1,633 objem zaplnenia mriežky: Vzap. = 74 % voľný objem mriežky: Vvoľ. = 26 % - v kryštálovej štruktúre KM s iónovou väzbou sa nachádzajú kladne a záporne nabité ióny, pričom kladne nabité ióny (katióny) sú ióny kovu, záporne nabité ióny (anióny) sú ióny nekovu - kryštálovú štruktúru nekovových pevných látok ovplyvňujú dva parametre zúčastnených iónov – ich náboj a relatívna veľkosť - kryštál ako celok musí byť navonok elektricky neutrálny => celkové náboje katiónov a aniónov v objeme musia byť rovnaké a chemický vzorec látky vyjadruje pomer počtu katiónov a aniónov na dosiahnutie elektrickej rovnováhy - dôležitým parametrom - iónové polomery katiónov a aniónov, rK a rA , väčšinou platí rK < rA Cs+ Cl- CsCl MgAl2O4 (spinel) Štruktúra kremičitanov - materiály zložené primárne z kremíka a kyslíka - nízka cena, jednoduchá dostupnosť a špeciálne vlastnosti - tehly, dlaždice, betón, izolačné materiály, žiarupevné materiály, izolácie, atď. - kryštalická štruktúra kremičitanov sa charakterizuje pomocou rôznych usporiadaní tetraédrov = základná štruktúrna jednotka - tetraédre sú väčšinou pospájané v rohoch a len zriedkavo na hranách tetraédra Si4+ O2– Sklo = amorfný materiál, ktorý sa pri zohrievaní netaví, ale prechádza tzv. oblasťou sklovitého prechodu (pozri prednášku o tuhnutí) štruktúra skiel je komplexná a komplikovaná sklá = amorfné materiály (často sa v nich vyskytuje usporiadanie na krátku vzdialenosť) neusporiadaný typ štruktúry skiel umožňuje určité optické vlastnosti (transparentnosť, lom svetla, odraz svetla,...), ktoré závisia od ich vnútornej stavby podľa základnej skelnej hmoty a prísad existuje široké spektrum skiel s rôznymi vlastnosťami (kremenné sklo - SiO2, kremičité sodno-vápenaté sklo - Na2O-CaO-SiO2, krištáľové sklo - K2O-CaO-SiO2 a K2O-PbO-SiO2, teplotne odolné sklo - Na2O-B2O3-SiO2,....) a so špeciálnymi vlastnosťami (chalkogenidové, fosforečné alebo fluoritové sklo)  Si O Dvojrozmerný schematický náčrt štruktúry kryštalického SiO2 kremenného skla Vlastnosti plastov (polymérov) sú určené ich molekulovou štruktúrou. Základom sú makromolekuly, ktoré pozostávajú z veľkého počtu pravidelne sa opakujúcich rovnakých alebo aj rôznych monomérových jednotiek (monomér = jednoduchá zlúčenina mérov). Mér = základná jednotka makromolekuly Méry sú pri syntéze navzájom pospájané silnými kovalentnými väzbami do reťazcov – makromolekúl Tvorba polymérových reťazcov sa uskutočňuje rôznymi typmi reakcií: polymerizácia, polyadícia alebo polykondenzácia Vzájomné spájanie monomérových jednotiek do makromolekúl sa uskutočňuje pomocou aktívnych funkčných miest. Ich počet ovplyvňuje makrogeometrický tvar molekúl a aj vlastnosti polyméru Homopolymér = ak je opakujúca sa jednotka polymérového reťazca rovnakého typu Kopolyméry a terpolyméry = ak sa kombinujú dva alebo tri rôzne typy monomérov Kopolyméry obsahujú dva typy monomérov (styrén-butadién – automobilové plášte) a terpolyméry obsahujú tri typy monomérov (ABS – akrylonitril-butadién-styrén – výroba telefónov, korpusov chladničiek, prilieb,... ).  lineárne rozvetné priečne zosieťované priestorové Lineárne molekuly majú zväčša dve aktívne miesta Rozvetvené molekuly majú vedľajšie reakcie na hlavnom reťazci, ale nie je to priestorová sieť Priečne zosieťované makromolekuly vzniknú iba vtedy, ak má aspoň jeden z monomérov tri aktívne miesta Počas syntézy polyméru alebo jeho deformáciou je možné dosiahnuť určitú kryštalinitu (pravidelné usporiadanie) Kryštalické oblasti v polyméroch sa nazývajú kryštality Čiastočne kryštalický polymér možno považovať za dvojfázový materiál, pričom jedna jeho fáza je kryštalická, druhá amorfná Podiel kryštalinity v polyméroch nikdy nie je 100 % Zvyšovaním podielu kryštalinity sa polyméry stávajú tuhšie, tvrdšie, menej ťažné, majú vyššiu hustotu, sú menej elastické a viac odolné rozpúšťadlám a teplote Najvyšší podiel kryštalinity je možné dosiahnuť v prípade lineárnych polymérov V prírode neexistuje žiadny materiál, ktorý by bol dokonalý, t. j. bez porúch! Rozdelenie mriežkových porúch z geometrického hľadiska: a) bodové - vakancie (prázdne miesto) - interstície (cudzia prímes s malým atómovým polomerom) - substitúcie (cudzia prímes s porovnateľným atómovým polomerom) - združené (Frenkelove = vlastný intersticiál + vakancia) b) čiarové = dislokácie - hranové (Burgersov vektor je kolmý na dislokačnú čiaru) - skrutkové (Burgersov vektor je rovnobežný s dislokačnou čiarou) - všeobecné dislokácie (Burgersov vektor zviera ľubovoľný uhol s dislokačnou čiarou) 0,05 µm c) plošné = chyby vrstvenia atómov v kryštálovej mriežke - jedná sa alebo o nadbytočnú rovinu, alebo o chýbajúcu rovinu v usporiadaní kryštálovej mriežky = hranice zŕn alebo subzŕn („chýbajúce“ atómy) - hranice subzŕn (uhol dezorientácie susediacich mriežok je maximálne niekoľko stupňov (do 5°) - hranice zŕn (uhol dezorientácie susediacich mriežok je viac ako 15°) = voľný povrch kryštálov zrno hranica zrna d) priestorové = Guinier-Prestonove zóny (nahromadené atómy prísady v mriežke) = dutiny, stiahnutiny, póry, trhliny Bodové poruchy - rovnovážna koncentrácia vakancií sa mení s teplotou - substitučné a intersticiálne umiestnené atómy materiál spevňujú (lokálne napätia a zmena rovnováhy) - združené poruchy – nežiaduce => skrehnutie materiálu Čiarové poruchy (dislokácie) - svojim pohybom spôsobujú plastickú deformáciu materiálu a pri deformácii za studena aj spevňovanie materiálu Plošné poruchy - hranice zŕn sú prirodzenou prekážkou proti pohybu dislokácií – jemnozrnnejší materiál = pevnejší, a má vyššiu schopnosť nasycovať sa účinkom difúzie - chyby vrstvenia spôsobujú iba malý príspevok k spevneniu materiálu Priestorové poruchy - Guinier-Prestonove zóny = spevnenie materiálu precipitáciou fáz v kryštálovej mriežke tuhého roztoku - dutiny, póry, trhliny = zoslabenie prierezu materiálu Štruktúrne poruchy v KM, rovnako ako pri kovoch, výrazne ovplyvňujú ich vlastnosti Typy porúch sú taktiež rovnaké, teda bodové poruchy (vakancie, interstície, substitúcie), čiarové (dislokácie), plošné (hranice zŕn, vrstevné chyby) a priestorové (póry, trhliny, nečistoty) - pri vzniku porúch sa musí zachovávať elektroneutralita, a teda tieto defekty sú väčšinou ako párové defekty: 1. pár katiónová vakancia + katiónový intersticiál (vlastný) = Frenkelova porucha (Frenkelov pár) 2. pár katiónová vakancia + aniónová vakancia = Schottkyho porucha  Shottkyho porucha Frenkelova porucha Pomer katiónov a aniónov v mriežke sa pri vytváraní Frenkelových a Schottkyho defektov nemení => označujeme keramiku ako stechiometrickú Ak je kryštál nestechiometrický, pretože v štruktúre je napr. viac iónov kyslíka ako iónov železa => chemický vzorec sa napíše ako Fe1-xO, kde x vyjadruje odchýlku od stechiometrie Bodové poruchy (vakancie, interstície a substitúcie) sa nachádzajú najmä v kryštalických oblastiach plastov Neukončené reťazce sú taktiež považované za chybu, pretože sú odlišné od zvyšných častí reťazcov Atómy nečistôt môžu byť zakomponované do štruktúry polymérového reťazca ako interstície v hlavnom reťazci, alebo ako bočné vetvy