Malzeme Bilimi ve Mühendisliği (Past Paper) - 2010

MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ Bölüm 5 – Malzemelerde Atom ve İyon Hareketleri 1 1  Hedefler ƒ Malzemelerde difüzyon uygulamalarını ve prensipleri incelemek. ƒ Difüzyonun ileri malzemelerin üretimi ve sentezlenmesinde nasıl uy...

MALZEME BİLİMİ VE MÜHENDİSLİĞİ Bölüm 5 – Malzemelerde Atom ve İyon Hareketleri 1 1  Hedefler ƒ Malzemelerde difüzyon uygulamalarını ve prensipleri incelemek. ƒ Difüzyonun ileri malzemelerin üretimi ve sentezlenmesinde nasıl uygulandığını görmek 2 2  İçerik 5.1 Difüzyon Uygulamaları 5.2 Atom ve İyonların Kararlılığı 5.3 Difüzyon Mekanizmaları 5.4 Difüzyon Aktivasyon Enerjisi 5.5 Difüzyon Hızı (1. Fick Kanunu) 5.6 Difüzyonu Etkileyen Faktörler 5.7 Polimerlerin Geçirgenliği 5.8 Kompozisyon Profili (2. Fick Kanunu) 5.9 Difüzyon ve Malzeme Prosesi 3 3  Bölüm 5.1. Difüzyon Uygulamaları † Nitrürleme – Yüzey sertleştirme yöntemidir. † p-n junction – Yarı iletkenler için Dopant/Ekler † Plastik İçecek Şişelerinin Üretimi † Saçılma ve Tavlama – Sert manyetik malzemeler † Sıcak Daldırma Galvanizleme – Kaplama ve İnce Filmler † Isıl Bariyer Kaplamalar Türbin kanatları için 4 4  Difüzyon Bir malzeme içinde atomların hareketidir. 1. Kendi Kendine Difüzyon 2. Alaşımlarda Difüzyon 5 5  Kendi Kendine Difüzyon Saf, katı, düzenli malzemelerde atomlar bir kafes pozisyonundan diğerine hareket ederler. Bu işlem radyoaktif izler kullanılarak tespit edilir. Bütün malzemelerde kendi kendine difüzyon olur. 6 6  Alaşımlarda Difüzyon ƒ Alaşımlar ve seramiklerde, benzer olmayan atomların difüzyonu da söz konusudur. A B Difüzyon Öncesi Difüzyon Sonrası 7 7  Bakır atomlarının nikele difüzyonu 8 8  Difüzyon Mekanizmaları Boşluk Difüzyonu: Bir atom yanındaki boşluğu doldurmak için kendi kafesindeki yerini terk eder, orijinal kafeste bir boşluk oluşturur. Difüzyon devam ettiğinde atomların ve boşlukların karşıt akımı söz konusudur. 9 9  Difüzyon Mekanizmaları Arayer Difüzyonu: Kristal yapıda küçük bir arayer atomu varsa, atom bir arayerden diğerine hareket eder. Bu mekanizmanın gerçekleşmesi için boşluklara gerek yoktur. 10 10  Difüzyon Mekanizmaları Diğer Difüzyon Mekanizmaları: Bazen bir yer alan atomu normal kafes noktasını terk eder ve bir arayer pozisyonuna girer. Bu arayer şeklinde difüzyon mekanizması yaygın değildir. Çünkü atom küçük arayerlere kolaylıkla sığmaz. Atomlar çok basit veya halka mekanizmasıyla da hareket ederler. 11 11  Difüzyon İçin Aktivasyon Enerjisi (Q) † Nispeten kararlı konumda ve düşük enerjili atomun yeni bir bölgeye hareket etmesi için gerekli olan enerjidir. Atomların yeni konumlarına geçmelerini sağlayacak bir enerji gereklidir. Bu enerji sınırını aşmak için atom ısıtılır. Q(arayer) < Q (boşluk) Aktivasyon enerjisi düşük ise difüzyon daha kolay gerçekleşir. 12 12  Difüzyon Hızı (Birinci Fick Kanunu) Birim zamanda, birim düzlem alanı boyunca geçen atom sayısı olarak tanımlanan akı (J) ile ölçülebilir. Birinci Fick Kanunu: ⎛ ∆c ⎞ J = − D⎜ ⎟ ⎝ ∆x ⎠ J: Akı (atomlar/m2s) D: Difüzyon katsayısı (m2/s) ∆c/ ∆x: Konsantrasyon gradyantı (atomlar/m3.m) 13 13  Konsantrasyon Gradyantı ™ Malzeme kompozisyonunun uzaklık ile nasıl değiştiğini gösterir. ™ Konsantrasyon gradyantı yüksek iken başlangıçtaki akısı da yüksektir ve gradyant azalırken düzenli bir şekilde düşer. 14 14  Sıcaklık ve Difüzyon Katsayısı Q: aktivasyon enerjisi (J/mol) ⎛ −Q ⎞ R: gaz sabiti (8.314 J/mol.K) D = D 0 exp⎜ ⎟ T: mutlak sıcaklık (K) ⎝ RT ⎠ D0: sabit Sıcaklık ise difüzyon katsayısı (D) ve atomların akısı (J) ‰ T < Terg.0,4 Difüzyon çok yavaştır. 15 15  Bazı seramik ve metaller için sıcaklığın fonksiyonu olarak D, difüzyon katsayıları 16 16  Aktivasyon Enerjisi ve Difüzyon Mekanizması † Aktivasyon enerji engelini aşmak için az bir ısıl enerji gerekli olduğundan, küçük bir Q aktivasyon enerjisi, difüzyon katsayısını ve akısını arttırır. Q (düşük yoğunluklu kristal yapı) < Q (sıkı paket kristal yapı) † YMK-Fe’de difüz eden C atomları için Q = 137.850 J/mol † HMK-Fe’de difüz eden C atomları için Q = 87.570 J/mol 17 17 Aktivasyon Enerjisi ve Difüzyon Mekanizması ƒ Düşük ergime sıcaklığına sahip malzemelerde aktivasyon enerjisi daha düşüktür. ƒ Q (küçük yeralan atomları) < Q (büyük yeralan atomları) 18 18  Zaman ‰ Difüzyon zaman gerektirir (akı birimi: atomlar/m2.s) ‰ Isıl işlem zamanı, yüksek sıcaklık kullanılarak veya difüzyon mesafesi (∆x) ile azaltılabilir. 19 19  Kompozisyon Profili (2.Fick Kanunu) İkinci Fick Kanunu: † Atomların dinamik veya statik halini tanımlar. 2 dc d c =D 2 dt dx † D terimi sabit kaldıkça değişik şartlarda aynı konsantrasyon profili elde edilebilir. Bu özellik belirli bir ısıl işlemin uygulanması için gerekli zaman üzerine sıcaklığın etkisini belirlemeyi sağlar. 20 20  Kompozisyon Profili (2.Fick Kanunu) Cs − C x ⎛ x ⎞ = erf ⎜⎜ ⎟ −1 / 2 ⎟ C s − C0 ⎝ 2( Dt ) ⎠ Cs: malzeme yüzeyinde difüz eden atomların sabit bir konsantrasyonu C0: malzemede difüz eden atomların başlangıç üniform konsantrasyonu Ct: t zaman sonra yüzeyden x kadar uzaklıkta difüz eden atomların yoğunluğu erf: hata fonksiyonu 21 21 Kompozisyon Profili (2.Fick Kanunu) Cs − C x ⎛ x ⎞ = erf ⎜⎜ ⎟ −1 / 2 ⎟ C s − C0 ⎝ 2( Dt ) ⎠ Erf hata fonksiyonu 22 22  İç Difüzyon ve Kirkendall Etkisi ƒ Birbirine aynı zamanda difüz eden 2 tür atomun yoğunluk profilinin belirlenmesinde kullanılır. C x − Cm ⎛ x ⎞ = erf ⎜⎜ ⎟ −1 / 2 ⎟ C1 − Cm ⎝ 2( Dt ) ⎠ C1: 1. malzemedeki A atomunun konsantrasyonudur. Cm: 1. ve 2. malzemedeki A atomunun ortalama konsantrasyonudur. Cx: t zaman sonra orijinal yüzeyden bir x mesafesinde 2. malzemede A atomunun konsantrasyonudur. D: 2. malzemede A atomunun difüzyon katsayısıdır. erf: hata fonksiyonu 23 23 İç Difüzyon ve Kirkendall Etkisi 2. Fick kanunu gösteren Al ve Au’nun iç (karşılıklı) difüzyonu. 24 24 Gümüş ve Altın Atomlarının İç (Karşılıklı) Difüzyonu 25 25  Kirkendall Etkisi † Aynı difüzyon katsayısına sahip bir difüzyon çiftinde, 2 tür atom aynı anda difüz ettiğinde simetrik konsantrasyon profili elde edilir ve 1. ve 2.malzeme arasındaki orijinal arayüzey sabitleşir. † Ara yüzeyde daha önce sıkışmış olan parçacıklar da arayüzeyle birlikte hareket ederler. † Farklı difüzyon hızlarından dolayı, difüzyon çifti arayüzeyinin hareketi Kirkendall Etkisi olarak adlandırılır. 26 26  Kirkendall Etkisi Farklı difüzyon hızları orijinal 2 metal arasındaki ara 27 yüzeyin hareketine27 neden olur.  Kirkendall Etkisi Farklı difüzyon hızları orijinal 2 metal arasındaki ara yüzeyin hareketine neden olur. 28 28  Difüzyon Türleri ™ Hacim Difüzyonu: Aktivasyon enerjisi büyük, difüzyon hızı düşüktür. ™ Tane Sınırı Difüzyonu Aktivasyon enerjileri düşük, difüzyon katsayıları yüksektir. ™ Yüzey Difüzyonu 29 29  Difüzyon Türleri Ag için hacim, tane sınırı ve yüzey difüzyonu durumlarında difüzyon katsayısının 30 karşılaştırılması 30  Tane Büyümesi ve Difüzyon † Tane sınırı alanının, tane büyümesi ile azaltılması, malzemede daha düşük bir toplam enerji elde edilmesini sağlar. † Tane sınırlarının büyümesi, gerekli aktivasyon enerjisi ile bağlantılıdır. 31 31  Tane Büyümesi ve Difüzyon d: tanelerin ortalama çapı d = (kt ) n t: tane büyümesi için gerekli zaman n: genellikle < 0,5 k: sabit ™ Yüksek T ve düşük Q, k’yı arttırır, tane boyutu artar. 32 32  Sürüklenme Kuvveti ‰ Tane sınırlarına engeller sokularak, tane büyümesini engelleyen kuvvete sürüklenme kuvveti denir. 4r R= f R: tanenin yarıçapı r: engelin yarıçapı ƒ: engellerin kısmi hacmi 33 33  Difüzyonla Bağlanma ƒ Malzemeleri birleştirmede kullanılan bir yoldur. ƒ Aşamaları, yüksek bir basınçta iki yüzeyi sıkıştırma, yüzeyi düzgünleştirme ve atom atoma iyi bir temas alanı oluşturma için impuriteleri kırmadır. ƒ Genellikle titanyum gibi alaşımların, benzer olmayan metal, malzeme ve seramiklerle birleştirilmesi için kullanılır. 34 34  Sinterleme ve Toz Metalurjisi ƒ Sinterleme, malzeme parçacıklarının birbirleriyle birleşmesini sağlayan ve kademeli bir şekilde parçacıklar arasındaki gözenek hacmini azaltan bir yüksek sıcaklık işlemidir. ƒ Metalik ve seramik parçaların üretiminde sık uygulanan bir aşamadır. 35 35  Sinterleme ve Toz Metalurjisi Esnasında Difüzyon İşlemleri Temas noktalarına atomlar difüz eder, köprüler oluşturur ve sonunda boşlukları doldurur. 36 36  İyonik Bileşiklerde Difüzyon ƒ İyonik bileşiklerde difüze eden bir iyon sadece aynı yüke sahip bölgelere girer. Bunun için bitişik iyonları sıkıştırmak, zıt yüklenen bölge yakınından geçmek ve daha uzun bir mesafeye hareket etmesi gerekir. ƒ Bu yüzden iyonik malzemelerin aktivasyon enerjileri metalik malzemelerden daha yüksek ve difüzyon hızları daha düşüktür. 37 37 Karbürleme prosesini kullanarak çeliğin sertleştirilme ısıl işlemi. 38 38  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. N-p-n transistörünün şematik gösterimi. Yarı iletken malzemeler üzerinde değişik bölgelerin oluşturulmasında difüzyon önemli rol oynar. Mikroelektronik teknolojisinde bu tür transistörlerin geliştirilmesi önemlidir. 39 39  Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Isıl işlem sonrası Co- Pt-Ta-Cr filmin şematik gösterimi. Isıl işlem sonrası çoğu Cr taneden tane sınırlarına difüze olur. Bu bilgisayar hard disklerinde magnetik özelliğin gelişmesini sağlar. Korozyonu önlemek amacıyla, Sıcak Daldırılmış Galvanize Parçalar ve Yapılar. 40 40 Nikel temelli süper alaşım üstüne ısıl bariyer kaplama. 41 41  Örnek 5.1 Ar/He ve Cu/Ni difüzyonu Geçirgenliği olmayan eşit iki bölmeli bir kutu düşün. Bir tarafta saf (Ar) gazı; diğer tarafta saf He gazı var. İki bölme arasındaki kısım açıldığında ne olur? Ar yerine Cu tek kristali ve He yerine Ni tek kristali olduğu durumda ne olur? Ar/He ve Cu/Ni difüzyonu. ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 42 42 ÇÖZÜM Ara bölme açıldığında, Ar helyum bölgesine He da Argon bölgesine difüze olur. (konsantrasyon farkının olmadığı varsayıldığında) Aynı durum oda sıcaklığında Ni ve Cu içinde doğrudur. Konsantrasyon gradyanı farkı bulunduğunda da sıcaklık Cu atomların Ni ye difüzyonunu veya tersini görmek için çok düşük kalacaktır. 43 43  Bölüm 5.2 Atomlar ve İyonların Stabilitesi ƒ Arrhenius denklemi ƒ Aktivasyon enerjisi – Reaksiyonun oluşması için gerekli enerjidir. 44 44  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 45 Hıza kullanılır. Arrhenius hesaplamak karşı, 45 için grafiği. aktivasyon enerjisini 1/T Örnek 5.3 Arayer Atomları İçin Aktivasyon Enerjisi Arayer atomlarının bir yerden diğer yere 500oC de 5 × 108 jumps/s hızla ve 800oC de ise 8 × 1010 jumps/s hızla gittiği düşünülürse aktivasyon enerjisini hesaplayınız? 46 46 ÇÖZÜM ln(hız) a karşı 1/T grafiği; eğimi Q/R = 14,000 K-1, veya Q = 27,880 cal/mol. Alternatif olarak: −Q Rate( ) = c0 exp( ) jumps s RT 5.075 Q = = 27,880 cal 0.000182 mol 47 47  Bölüm 5.3. Difüzyon Mekanizmaları † Kendi Kendine Difüzyon – Atomların rastgele hareketidir. Genellikle saf metallerde olur. † Boşluk Difüzyonu – Kristal içinde bir atomun daha önce oluşan bir boşluğu doldurmak için oluşan difüzyondur. † Arayer Difüzyonu – Kristal yapıdaki bir küçük atomun bir arayerden diğerine difüzyonudur. 48 48  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 49 Bakır atomlarının Nikel içerisine rastgele dağılır. bakır atomları nikel atomları 49 atomlarına difüzyonu. Sonuçta  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Malzemelerde difüzyon mekanizmaları. (a) boşluk veya yeralan atom difüzyonu (b) arayer difüzyonu 50 50  Bölüm 5.4. Difüzyonun Aktivasyon Enerjisi † Difüzyon çifti – Difüzyon çalışmalarına konu olan elementlerin birleşimidir. Atomların sıkıştırılarak ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used difüzyon esnasında bir diğerine geçmesi için yüksek enerji gerekir. Bu enerji aktivasyon herein under license. enerjisidir Q. Yeralan atomlarının difüzyonu için arayer atomlarından daha fazla enerjiye gereksinim vardır. 51 51  52 52  Bölüm 5.5. Difüzyon Hızı (1. Fick Kanunu) † 1. Fick Kanunu- Akışkan atomlar ile difüzyon katsayısı ve konsantrasyon gradyantı arasındaki ilişkidir. † Difüzyon katsayısı (D) – Atom, iyonların difüzyonunda sıcaklık bağımlı katsayıdır. † Konsantrasyon Gradyanı –Uniform olmayan malzemede kompozisyon değişim hızının uzaklıkla değişmesidir. Tipik olarak atom/cm3.cm veya at%/cm. 53 53  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 54 Difüzyon 54 atom sayısıdır. zamanda geçen esnasındaki akış birim alanı birim  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 55 gösterimi. gradyantının Konsantrasyon 55  Örnek 5.4. Yarı İletken Doping Transistör üretiminde bilinen yöntemlerden biride yarı iletken malzemeye empürite atomlar ilave edilir. Silisyum 0.1 cm kalınlıkta olsun ve her 10 milyon Si atoms normalde bir P atomu vardır içinde 400 fosfor (P) atomu olduğu varsayıldığında konsantrasyon gradyanını (a) atomik yüzde ve (b) atoms /cm3.cm. Cinsinden hesaplayınız. Si latis parametresi 5.4307 Å. 56 56  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. P atomlarının konsantrasyon değişimini gösteren silisyum wafer. 57 57 ÇÖZÜM a) Atomik yüzde cinsinden başlangıç ve yüzey kompozisyonlarını hesapla. 1Patom ci = 7 × 100 = 0.00001at % P 10 atoms 400 Patom cs = 7 × 100 = 0.004at % P 10 atoms ∆c 0.00001 − 0.004at % P at % P = = −0.0399 ∆x 0.1cm cm 58 58 ÇÖZÜM (devam) b) Birim hücrenin hacmi: Vhücre = (5.4307 × 10-8 cm)3 = 1.6 × 10-22 cm3/hücre 107 Si atomlarını içeren hacim, 8 atom/hücre elmas kübik yapıdır: V = 2 × 10-16 cm3 Atoms/cm3 kompozisyon: 1 Patom 18 atoms ci = − 16 3 = 0. 005 × 10 P( 3 ) 2 × 10 cm cm 400 Patoms 18 atoms cs = − 16 3 = 2 × 10 P( 3 ) 2 × 10 cm cm 18 18 atoms 0. 005 × 10 − 2 × 10 P( ) ∆c cm 3 = ∆x 0. 1 cm 19 atoms = − 1. 995 × 10 P 3 cm.cm 59 59  Örnek 5.5. MgO’da Nikel Difüzyonu 0.05 cm MgO tabakası Ni ve Ta arasına difüzyon bariyeri olarak iki metal arasında reaksiyonu önlemek için kaplanmıştır. 1400oC’de Nikel iyonları oluşmakta ve MgO’dan Tantal içine difüze olmaktadır. MgO’dan her saniye geçen Ni iyonların sayısını hesaplayınız? MgO içinde Ni iyonlarının difüzyon katsayısı 9 × 10-12 cm2/s, ve 1400oC Nikelin latis parametresi 3.6 × 10-8 cm. 60 60  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Difüzyon çifti 61 61 ÇÖZÜM Ni/MgO arayüzünde Ni’nin kompozisyonu %100 Ni’dir veya atoms 4Ni 22 atoms cNi / MgO = unitcell −8 (3.6 × 10 cm) 3 = 8.57 × 10 cm 3 Ni kompozisyonu Ta/MgO arayüzeyinde % 0 dır. Böylece gradyan: atoms 22 0 − 8.57 × 10 ∆c cm 3 24 atoms = = −1.71 × 10 ∆x 0.05cm 3 cm.cm 62 62 ÇÖZÜM (devam) MgO tabakası boyunca Ni atomlarının akışı: ∆c −12 2 24 atoms J = −D = (9 × 10 cm / s)(−1.71 × 10 ) ∆x 3 cm.cm 13 Niatoms J = 1.54 × 10 2 cm.s 2 cm × 2 cm ara yüzeyi saniyede geçen atom sayısı: Saniyede geçen toplam Ni atom= J(Area) = (1.54 × 1013 atom/cm2.s) (2 cm)(2 cm) = 6.16 × 1013 Ni atom/s 63 63  Bölüm 5.6. Difüzyonu Etkileyen Faktörler † Sıcaklık ve Difüzyon katsayısı (D) † Difüzyon Türleri, Hacim Difüzyonu, Tane Sınırları Difüzyonları, Yüzey Difüzyonu † Zaman † Bağ yapısı ve Kristal Yapısı † Matris kompozisyonu ve Difüze olan yapıların konsantrasyonu 64 64 ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Metal ve seramikler için sıcaklığın tersine bağlı olarak difüzyon katsayısı. Arrhenius grafiğinde D, difüzyon prosesinin hızını gösterir. Eğimi dik olan eğriler yüksek aktivasyon enerjisinin habercisidir. 65 65  Silisyumdaki değişik eklentilerin (dpant) difüzyon katsayıları 66 66  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. İyonik bileşiklerde difüzyon. Anyonlar sadece diğer anyon bölgelerine yerleşirler. Küçük katyonlar daha hızlı difüze olurlar. 67 67 Değişik oksitlerdeki difüzyon katsayıları. 68 68  Örnek 5.6. Membran Tasarımı 3 cm’lik çapa ve 10 cm boya sahip bir silindir diğer bir silindirle geçirgen olmayan bir membran ile bağlıdır. Bir tarafta 0.5 × 1020 N atom/cm3 ve 0.5 × 1020 H atom/cm3 içerir. Gaz boruya devamlı N ve H’nin konsantrasyonunu sabit tutmak için eklenir. Diğer tarafta ise 1 × 1018 N atom/cm3 ve 1 × 1018 H atom/cm3 vardır. Tüm sistem 700oC’de çalışır. Demir HMK yapıya sahiptir. Öyle bir demir membran tasarlanmalıdır ki %1den fazla N kaybına izin vermeli ve hidrojenin %90’ının membrandan geçmesini sağlamalıdır. 69 69  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Membran tasarımı. 70 70 ÇÖZÜM 71 71 ÇÖZÜM 72 72  73 73  Örnek 5.7 Tungsten Thoryum Difüzyon Çifti Saf tungsten ve tungsten alaşım (%1 toryum içeren) arasında difüzyon çifti oluştur. 20000C de bir kaç dakikalık proses sonunda 0.01 cm lik bir tabaka oluşturulur. Toryum atomlarının akışı (a) difüzyon hacim difüzyonu ise, (b)tane sınırı difüzyonu ve, (c)yüzey difüzyonu olduğunda nedir? 74 74  75 75 ÇÖZÜM 76 76 ÇÖZÜM (devam) 77 77  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Metal ergime sıcaklığı arttıkça kendi kendine difüzyon için gerekli aktivasyon enerjisi artar. 78 78  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 79 katsayısının Altının difüzyon 79 konsantrasyonla ilişkisi  Bölüm 5.7 Polimerlerin Geçirgenliği Geçirgenlik gaz veya buharın belirli sıcaklık ve relatif nemde bir birim alandan, bir birim zamanda veya bir birim kalınlıktan geçmesidir. 80 80  Örnek 5.9 Karbon (Gazlı) İçecek Şişelerinin Tasarımı Gazlı içecekleri saklamak üzere kullanılacak plastik şişe tasarlamak için polimer seçimi yapılması istenmektedir. Bu tasarımı yaparken ne tür faktörlerin göz önünde bulundurulması gereklidir? 81 81 ÇÖZÜM † Plastik malzeme karbon dioksit geçirgenliği çok az olmalıdır. † Şişe gerekli mukavemete sahip olmalıdır. 6 feet’den (~183 cm) düştüğünde hasar görmemelidir. † Polimer yüzeyine baskı yapılabilmelidir. † Plastik şişe üretim prosesinin son mikro yapıya etkisi göz önüne alınmalıdır. 82 82  Bölüm 5.8 Kompozisyon Profili (2. Fick Kanunu) † 2. Fick Kanunu – Malzeme içine atomun dağılma hızını tanımlayan kısmi diferansiyel denklemdir. † Kirkendall etkisi – Malzeme içinde atomların eşit olmayan difüzyon hızı sonucunda ara yüzeyin fiziksel olarak hareketidir. † Mor tabaka – Altın alüminyum kaynağı esnasında iki atomum eşit olmayan difüzyon hızları sonunda oluşan boşluklardır. Sonunda kaynak zarar görür. 83 83  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 2. Fick kanunu gösteren atomların malzeme yüzeyine difüzyonu. 84 84  85 85  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. 86 gösteren grafik. 2. Fick kanununda hata fonksiyonunu 86 Örnek 5.10 Karbürizasyon Isıl İşleminin Tasarımı %0.1 C içeren çelik dişli karbürizasyon işlemi ile sertleştirilmek isteniyor. Karbürizasyonda, çelik dişliler yüzeyine %1.2 C sağlayacak bir atmosferde yüksek sıcaklıkta tutulurlar. Karbon çelik yüzeyinden içeriye difüze olur. Optimum şartlar için çelik 0.2 cm derinlikte %0.45 C karbon içermelidir. Bu optimum özellikleri sağlayacak karbürizasyon ısıl işlemini tasarlayınız? Sıcaklığın 900˚C ve çeliğin YMK olduğunu varsayınız? 87 87 ÇÖZÜM 88 88 ÇÖZÜM 89 89 Örnek 5.11. Daha Ekonomik Isıl İşlem Tasarımı 500 adet çelik dişliyi 900˚C’de başarılı olarak karbürize etmek için 10 saat gereklidir.Demir YMK yapıya sahiptir. Karbürizasyon fırınını 900oC’de işletmenin maliyeti saatte 1000$ iken 1000oC’de işletmek için 1500$’a gerek vardır. Karbürizasyon sıcaklığını 1000oC’ye çıkarmak ekonomik midir? Başka hangi faktörler ele alınmalıdır? 90 90 ÇÖZÜM 91 91  Örnek 5.12. Silisyum Alet Fabrikasyonu Devices such as transistors (Figure 5.2) are made by doping semiconductors with different dopants to generate regions that have p- or n-type semiconductivity. The diffusion coefficient of phosphorus (P) in Si is D = 65 × 10-13 cm2/s at a temperature of 1100oC. Assume the source provides a surface concentration of 1020 atoms/cm3 and the diffusion time is one hour. Assume that the silicon wafer contains no P to begin with. (a) Calculate the depth at which the concentration of P will be 1018 atoms/cm3. State any assumptions you have made while solving this problem. (b) What will happen to the concentration pro.le as we cool the Si wafer containing P? (c) What will happen if now the wafer has to be heated again for boron (B) diffusion for creating a p-type region? 92 92  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Schematic of a n-p-n transistor. Diffusion plays a critical role in formation of the different regions created in the semiconductor substrates. The creation of millions of such transistors is at the heart of microelectronics technology 93 93 ÇÖZÜM 94 94  Bölüm 5.9. Difüzyon ve Malzeme Proses † Sinterleme- Küçük partikülleri bir araya getirmek için kullanılan yüksek sıcaklık işlemidir. † Toz metalurjisi – Monolitik metalik parçalar üretmek için kullanılan yöntemdir. † Dielektrik rezanatörler –Baryum magnezyum tantalat veya baryum çinko tantalat gibi seramiklerdir. † Tane büyümesi – Tane sınırının işgal ettiği alanı azaltmak için tane sınırlarının difüzyon ile hareketidir. † Difüzyon bağı – iki yüzeyin bastırılarak yüksek sıcaklık ve basınçta bir araya getirilmesidir. 95 95  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Sinterleme ve toz metalurjisi esnasındaki difüzyon prosesidir. Atomlar temas noktalarından difüze olurlar, por büyüklüğünü azaltarak köprü oluştururlar. 96 96 Baryum tantalat tozumun elektron Sinterlenmiş baryum mikroskobu görüntüsü. Elektronik tantalat. parçalarda kablosuz iletişim için dielektrik rezonatör olarak kullanılırlar. 97 97  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Atomların tane sınırlarından bir taneden diğer taneye difüze olması ile tane büyümesi oluşur. 98 98 Alümina seramiklerde tane büyümesi. (a) 1350oC’de 150 saat sinterlenmiş. (b) 1350oC’de 30 saat. 99 99  ©2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning™ is a trademark used herein under license. Difüzyon bağında proses adımları. (a) İlk başta temas alanı küçüktür (b) basınç yüzeyi deforme eder ve bağ yapacak alan artar, (c) tane sınırı difüzyonu boşlukların büzülmesini saplar, ve (d)boşlukların eliminasyonu hacim difüzyonu ile sağlanır. 100 100