Materjaliteadus (0)

Materjaliteaduse üldalused
1. Polükristalsed, monokristalsed ja amorfsed materjalid
1) Valdav osa tahkeid aineid on polükristalse ehitusega, nad koosnevad suurest hulgast väikestest korrapäratult orienteeritud kristallidest. Tekib, kui kristallide kasv algab korraga paljudes kohtades (joonis 2-17). Üksikute terade pinnal muutub kristallvõre orientatsioon . Kui kritallisatsioon algab vormi pinnalt, on orientatsioon veidi erinev (joonis 2-18).
2) Monokristall on tahke keha, kus aatomite korrapärane paiknemine jätkub kogu keha ulatuses, st on üksainus suur kristall . Looduslikud monokristallid (nt. Mäekristall) on tavaliselt korrapärase hulktahu kujulised . Tehnilistel eesmärkidel kasvatatakse monokristalle kunstlikult. Monokristalli tõmbamise skeem sulandist joonis 2-19. Nii saadakse nt suuri pooljuhtmaterjalide monokristalle läbimõõduga kuni 40 cm ja pikkusega üle meetri. Anisotroopia on nähtus , kus monokristalli omadused eri suundades on erinevad. See on seotud osakeste erineva tihedusega erinevates suundades. Anisotroopia on seda suurem, mida ebasümmtrilisem on krisatall. Anisotroopsed omadused on nt elastusmoodul, peegeldumistegur, elektrijuhtivus. Polükritalne materjal on isotroopne, omadused on keskmised. Võimalik on valmistada polükristalseid materjale, milles kristallid on orienteeritud kindlas suunas. Selline polükritalne materjal võib olla anisotroopne.
3) Amorfsetes materjalides puudub osakeste paiknemise kaugem korrapära, esineb ainult lähikorrapära. Sisuliselt on amorfsed ained allajahtutatud vedelikud, nad ei ole jõudnud kristalluseeruda. Joonisel 2-20 on esitatud kvartsi kristalli ja kvartsklaasi struktuur ( amorfne ). Amorfseid materjale saab valmistada kiirel jahutamisel (klaasi tootmine). Amorfsete materjalide hulgas eristatakse nn klaasitaolisi materjale. Neil on tahke (klaasitaoline) oleku ja vedela (voolava) oleku vahel nn viskoelastne olek. Siia kuuluvad paljud polümeerid. Metallid – kristalsed ; keraamilised materjalid – suurem osa kristalsed; polümeerid – suurem osa amorfsed.
2. Punktdefektid ja joon defektid kristallides .
Jaotatakse omadefektideks ja lisanddefektideks.
3.2.1 Oma-punktdefektid
1) Vakantsid e tühjad võresõlmed (joon 3-1).
Tekivad kristallide kasvamisel ja temperatuuridel , kus aatomid on küllalt liikuvad. Nad on nn tasakaalulised defektid, st temperatuuril T>0,6 Tsul on nende kontsentratsioon määratud temperatuuriga:
(3.1)
kus N - üldine osakeste kontsentratsioon (aatomit/cm3)
EV – vakantside tekkeenergia
k – Boltzmani konstant (1,38·10-23 J/K· aatom = 8,62·10-5 ev/K·aatom)
Valemit võib kirjutada ka nii:
Kui T ≈ Tsul N/NV ≈ 104
Kui T→0, siis NV→0
Tegelikult, kui temperatuur alaneb alla 0,6 Tsul, jääb defektide kontsentratsioon püsivaks, st defektid nagu „külmutatakse kinni“, nende kontsentratsioon ei saa enam väheneda, kuna aatomid muutuvad väheliikuvaks.
2) Võre sõlmede vahelised (lüh võrevahelised) aatomid (joon 3-1)
Kui aatom läheb võresõlmest sõlmede vahelisse tühimikku, siis tekibki võrevaheline aatom. Kuna toimub võre deformatsioon , siis tekkeenergia on suurem, kui EV ja võrevaheliste aatomite kontsentratsioon on tavaliselt väiksem.
3) Schottky defektid ja Frenkeli defektid
Keemiliste ühendite kristallides (näit AB) esievad omadefektid alati paarisdefektidena, seda nõuab kristalli stöhhiomeetria (A ja B võresõlmede arv on võrdne): A ja B vakantsid (VA ja VB) - Schottky defektid; A vakants ja võrevaheline A (VA ja Ai) - Frenkeli defektid (joon 3-2) Omadefektid võivad omada ka laengut, nagu ioonid .
3.2.2 Lisanddefektid e lisandite aatomid
Absoluutselt puhtaid materjale ei ole olemas. Tehniliselt puhtad materjalid sisaldavad kuni 1 % lisandeid. Väga puhasteks loetakse materjale, kus on 1 lisandi aatom miljoni põhiaine aatomi kohta ( e 0,0001aatom%). Pooljuhtmaterjalid võivad olla veel mitu suurusjärku puhtamad, selleks on välja töötatud erilised puhastusmeetodid . Aga ka materjalis , kus on
lisandi aatomit 1 põhiaine aatomi kohta, on ühes moolis lisandeid:
6,02**
≈ 6* aatomit.
Tihti viiakse materjalisse sisse lisandeid spetsiaalselt (legeeritakse), st kasutatakse sulameid . Lisandid võivad põhiaines moodustada:
1) tahke lahuse;
2) eraldi faasi (tekib faaside mehaaniline segu);
3) keemilise ühendi (moodustab samuti eraldi faasi).
Punktdefektidena esineb lisand tahkes lahuses. Tahke lahus (nagu ka vedel) moodustab homogeense segu, kus lisandi aatomid on ühtlaselt jaotunud põhiaines. Tahkeid lahuseid on kaht tüüpi:
1) asendustüüpi – lisandi aatomid asendavad põhiaine aatomeid võresõlmedes (joon 3-3);
2) sisendustüüpi – lisandi aatomid lähevad võresõlmede vahele (joon 3-4) Asendustüüpi tahke lahuse tekkimine on võimalik, kui:
- aatomite raadiused ei erine rohkem kui ±15%;
- ainete elektronegatiivsused on lähedased;
- ainete kristallvõred on sarnased.
Näiteks Cu ja Ni, mis lahustuvad piiramatult:
R, nm elektroneg kr str
Cu 0,128 1,9 TTK
Ni 0,125 1,8 TTK
Sisendustüüpi tahke lahus tekib, kui Rlis 1100 MPa ( terasest tugevam). Seejuures väga suure elektrijuhtivusega, kulumiskindlusega ja külmalt töödeldavusega. Kasutatakse näiteks elektrit juhtivate vedrude valmistamiseks. Pronkside suur tugevus on tingitud lisandite pretsipitaatide (väljasadenenud kogumid) tekkest . Tähtsad on veel Cu sulamid nikliga, näit konstantaan – suure takistusega. Kasutatakse reostaatide valmistamiseks ja termopaarides (Cu – konstantaan termopaar).
7.3 Alumiinium ja tema sulamid
Al on väga väikese tihedusega (kerge) metall
( terasel 7,9). Ta on hea elektri- ja soojusjuhtivusega ( halvem kui Cu), suure soojusmahtuvusega väga pehme metall (tõmbetugevus 50 MPa). Ta on aktiivne metall, oksüdeerub intensiivselt õhu käes juba toatemperatuuril, kuid tekkiv
on väga tihe ja kaitseb edasise oksüdeerumise eest. Oksiidikihi paksust saab suurendada elektrolüüsi teel, kus Al on anoodiks ja oksüdeerub. Sellist Al nimetatakse anodeeritud alumiiniumiks (veidi kollaka värvusega) ja teda kasutatakse küllalt palju ehitusmaterjalina. Kuna väga plastiline, siis saab valmistada väga õhukest kilet – fooliumi. Omab TTK võret. Tema kasutamist piirab suhteliselt madal sulamistemperatuur – 660C. Al mehaanilist tugevust saab suurendada külmtöötlemisega ja sulamite kasutamisega. Sulamid sisaldavad peamiselt Cu, aga ka Mg, Si, Mn, Zn, Cr. Al sulamite tugevus saavutatakse pretsipitaatide tekitamisega. Pretsipitaadid on väikesed uue väljasadeneva faasi alged tahkes lahuses. Vaatleme faasidiagrammi Al – Cu (joon 7-3). Väikestal Cu kontsentratsioonidel tekib tahke lahus , suurematel kontsentratsioonidel
ja
mehaaniline segu ( – ühend ). Sulamit, mis sisaldab Cu umbes 4% kuumutatakse temperatuuril
(tekib ) ja jahutatakse siis temperatuurini , kus hoitakse teatud aeg. Tekkivad -faasi osakesed annavad suure tugevuse, kuna ühendis on Cu ja Al vaheline kaugus väiksem, kui Al vaheline kaugus metallis. See tekitab -faasi osakestes kokkutõmbejõu. Seejuures on oluline temperatuuril
hoidmise aeg. Joonisel 7-4 on näidatud, et suurim tugevus tekib kindla suurusega pretsipitaatide tekkimisel. Cu lisamine Al-le 0,12% suurendab tema tõmbetugevust ligi 2 korda (90 MPa). Selliseid Al sulameid kasutatakse väga laialdaselt toidunõudena, kemikaalide säilitusanumatena, soojusvahetajatena, reflektoritena. Eriti tugevad on kaks Al sulamit:
Neid sulameid kasutatakse lennuki- ja autotööstuses. Väljatöötamisel on uued Al ja Li sulamid, mis on tugevad ja töötavad hästi ülimadalatel temperatuuridel. Kasutusalad: kosmosetehnika, krüotehnika. Kallid, kuna nõuavad eritehnoloogiaid Li suure keemilise aktiivsuse tõttu.
11. Titaan ja tema sulamid. Väärismetallid. Nikkel ja tema sulamid.
Titaan on suhteliselt uus konstruktsioonimaterjal . Temas on ühendatud terve rida väga häid omadusi:
- väike tihedus (4,5 g/);
- kõrge sulamistemperatuur (1668C);
- suur tugevus (tõmbetugevus ≈ 500 MPa), suurem kui tavalisel terasel;
- plastilisus , väga hea töödeldavus.
Ti sulamid (peamiselt Al, V ja Cr) on eriti tugevad, parimatel tõmbetugevus kuni 1400 MPa.
Puuduseks on asjaolu, et kõrgematel temperatuuridel keemiliselt väga aktiivne. Seega sulatamiseks ja valuks vaja erilisi materjale, see teeb detailide valmistamise kalliks. Madalatel temperatuuridel on Ti ja tema sulamid väga korrosioonikindlad nii õhus, merevees kui ka tööstuslikes agressiivsetes keskkondades . Kasutatakse peamiselt lennukitööstuses, kosmoselaevades, nafta - ja keemiatööstuses. Titaaniga üsna sarnane metall on tsirkoonium Zr.
7.4.4 Väärismetallid
Siia kuuluvad hõbe (Ag), kuld (Au), plaatina (Pt) ja pallaadium (Pd).
Omadused:
- äärmiselt passiivsed, korrosioonikindlad;
- pehmed ja plastilised;
- kallid.
Kasutatakse ehete valmistamiseks. Ag ja Au saab tugevdada lisanditega, peamiselt vasega. Näit
lauahõbe on Ag + 7,5% Cu. Ag ja Au on väga suure elektrijuhtivusega, Ag üldse suurimaga. Kuna ka korrosioonikindlad, siis kasutatakse elektroonikas (mikroskeemides) väikeste voolude juhtmetena ja kontaktidena, kõrgsagedustehnikas pinnakatetena jne. Ag siiski õhu käes aeglaselt oksüdeerub (tumeneb). Pt kasutatakse keemialaboratooriumis: tiiglid, elektroodid , termopaarid. Pt on ka üks olulisemaid katalüsaatoreid paljudele reaktsioonidele. Pd omab väga suurt vesiniku neelamisvõimet.
7.4.5 Nikkel ja tema sulamid
Ni on korrosioonikindel paljudes keskkondades, eriti aluselistes. Ni-ga kaetakse teisi metalle kaitseks korrosiooni eest ja ka ilusa välimuse saavutamiseks (nikeldamine). Katmine toimub galvaaniliselt – elektrolüüsi teel. Väga tähtsad on Ni sulamid vasega. Konstantaanist oli juttu . Väga tugev ja vastupidav agressiivsele keskkonnale on sulam 65% Ni, 28% Cu, ülejäänud Fe. Kasutatakse kohtades, kus on kokkupuude hapete ja naftasaadustega. Ni on supersulamite põhikomponent ja kuulub ka roostevabade teraste koostisse. Ni ja Cr sulamit ( nikroom ) kasutatakse vastupidava takistustraadi valmistamiseks kütteelementidele ( elektripliidid , triikrauad jne).
12. Metallide ja sulamite töötlemine.
Mingi materjali, sh metalli kasutamise mingi detaili valmistamiseks määrab selle materjali töötlemise kergus detailiks ja materjali hind. Metallide töötlemise meetodid on esitatud joonisel 7-5.
7.5.1 Vormimine
Vormimise meetodid on sellised, kus metalli kuju muudetakse plastilise deformatsiooni käigus. Selleks tuleb rakendada jõudu, millele vastav pinge ületab voolamispiiri. Kui deformeerimine viiakse läbi temperatuuril, kus toimub metalli rekristalliseerumine (pärast deformatsiooni), nimetatakse seda kuumtöötlemiseks. Vastasel juhul on tegemist külmtöötlemisega. Kuumtöötlemisel on võimalik tunduvalt suurem deformatsioon ja selleks kuluv energia on väiksem. Teiselt poolt kulub aga energiat kuumutamiseks ja piirab ka see, et suurem osa metalle oksüdeerub õhu käes kõrgematel temperatuuridel, mistõttu saadavate detailide pind ei ole hea. Külmtöötlemisel tuleb rakendada suuremat jõudu ja selleks kulub rohkem energiat. Eeliseks on aga, et detailid on täpsemate mõõtmetega, paremate pinnaomadustega ja ka mehaaniliselt tugevamad. Deformatsiooni aste ei saa olla liiga suur ja deformeerida tuleb tavaliselt mitmes astmes . Vormimise meetodid on stantsimine (ka sepistamine), valtsimine , survetöötlemine (ekstrusioon) ja tõmbamine (joon 7-6). Stantsimisel saadakse kõige paremate mehaaniliste omadustega detailid. Jaguneb ruumiliseks ja plaatide (lehtede) stantsimiseks. Ruumilisel stantsimisel deformeeritakse kogu metallist toorikut. Teraslehtede stantsimise teel valmistatakse näiteks autokerede detaile. Sepistamisel deformeeritakse kuuma toorikut löökidega alasi ja haamri vahel. Kõige enamkasutatavam on valtsimine. Valtsid pöörlevad, materjali lükatakse ja tõmmatakse. Toimub paksuse vähendamine valtside vahel ( plekk ), aga ka mitmesuguse profiili andmine (I – talad, raudteerelsid, nurkrauad jne). Valtsimine toimub mitmes astmes. Survemeetodeid kasutatakse tavaliselt kuumtöötlemisel, kuna külmalt ei ole materjalid küllalt plastilised ja tuleks rakendada ülisuurt jõudu. Nimetatakse ekstrusiooniks. Seda meetodit kasutatakse peamiselt Al ja Cu ning nende sulamite töötlemiseks. Valmistatakse näiteks vardaid ja torusid. Ekstrusiooni kasutatakse rohkem plastide töötlemisel. Tõmbamine toimub tavaliselt läbi ava, nii valmistatakse traati. Terastraadi tõmbamisel tuleb kasutada ava valmistamiseks suure kõvadusega materjale, näit karbiide. Libisemise soodustamiseks kasutatakse määrdeaineid ja vahel on vajalik ka mõõdukas soojendamine . Valmistatakse ka kalibreeritud vardaid ja õhukeseseinalisi torusid.
7.5.2 Valamine (valu)
Valumeetodil valatakse sulametall vormi, kus ta omandab vormi kuju. Valuks sobivad metallid ja sulamid, millel on vedelas olekus hea voolavus (väike viskoossus ). Kasutatakse, kui:
- detail on nii suur või keerulise kujuga, et vormida ei saa;
- sulami deformeeritavus nii külmalt kui kuumalt on liiga väike;
- valu on odavam kui vormimine.
Kõige tavalisem on vormivalu . Ühekordsed vormid valmistatakse tavaliselt keraamilistest materjalidest , mis pärast sulami tahkumist purustatakse. Kasutatakse ka korduvkasutatavaid (avatavaid) vorme, mis on tsemendist või metallist ja on detaili kättesaamiseks avatavad. See võimaldab ühte vormi kasutada palju kordi. Metallvormi nimetatakse kokilliks. Kokillid on suurema soojusjuhtivusega, mistõttu tekib peenkristalne struktuur, mis on tugevam, kuid nad on kallid. Nii valatakse näiteks autode mootoriplokke, tuletõrje hüdrante, kanalisatsiooni luuke jne. Survevalu korral surutakse vedel sulam vormi ja jahutatakse surve all. Saavutatakse vormi parem täitumine ja detailide parem kvaliteet. Valuvormid valmistatakse terasest (kokillid) ja neid saab kasutada väga palju kordi. Kiirus tunduvalt suurem kui vormivalul, kuid võimalik kasutada ainult madala sulamistemperatuuriga metallide (Al, Mg, Zn) ja sulamite korral. Kasutatakse väga palju ka plastdetailide valmistamiseks, kus sideaineks on termoplastiline polümeer. Ümbervalu korral valmistatakse detaili täpne koopia vahast või madala sulamistemperatuuriga plastikust . Selle ümber valmistatakse kõvenev vorm (kipsist, savist, tsemendist). Pärast vormi kõvenemist sulatatakse või põletatakse vaha või plast vormist välja ja sinna valatakse sula metall või sulam. Sellist meetodit kasutatakse, kui on vajalik detaili suur täpsus, reprodutseeritavus ja viimistletus. Näiteks juveelitööstuses, hambakroonide ja proteeside valmistamisel jne. Pidevat valu kasutatakse paljude metallide ja sulamite esmaseks kristalliseerimiseks. Vedel metall voolab pideva joana liikuvasse vormi, kus ta jahtub (tavaliselt veega jahutatav) ja tahkub. Seejärel läheb kohe edasisele kuum- või külmtöötlemisele.
7.5.3 Pulbermeetodid
Pulbermetallurgia seisneb selles, et sulami või erinevate sulamite segust koosnevast pulbrist pressitakse vajaliku kujuga detailid ja need kuumutatakse temperatuuril, kus toimub ümberkristalliseerumine. Saadaksegi valmis detail. Kasutatakse siis, kui 1)metallid või sulamid on väga kõrge sulamistemperatuuriga (näit raskeltsulavad metallid); 2)nad on väga erineva sulamistemperatuuriga (näit W ja Cu); 3)nad on väga väikese deformeeritavusega või 4)vajalik on väga suur detailide täpsus. Pulbermeetodite alla liigitatakse ka metallide keevitamise ja kokkujootmise meetodid. Keevitamisel kasutatakse metallide ühendamiseks molekulide- või aatomitevahelisi jõude. Nende jõudude mõjule pääsemiseks tuleb materjalide pinnal olevad osakesed viia üksteisele väga lähedale. Selleks sulatatakse keevitatavad pinnad või kuumutatakse plastilise voolamise temperatuurini ja surutakse kokku. Peamised keevitamise liigid on gaaskeevitus, elektrikeevitus ja kontaktkeevitus (surve all). Jootmisel sulatatakse ainult madala sulamistemperatuuriga joodis, mis tahkumisel nakkub joodetavate metallidega. Joodised jaotatakse pehmejoodisteks (peamiselt Pb ja Sn baasil) ja kõvajoodisteks (Cu, sulamid Cu-Zn baasil). Jootmisel kasutatakse räbusteid (lahustavad oksiide ).
7.5.4 Detailide valmistamine lõikamisega
Peamised metalldetailide valmistamise viisid lõikamisega on treimine, puurimine , freesimine ja lihvimine . Lõikamisel eraldatakse lõikeriista abil metalli kiht laastuna või pulbrina. Lõikeriistaks on vastavalt treitera, puur , freestera ja lihvketas (lint), mis on valmistatud tööriistaterasest või muust kõvasulamist ( lihvimise korral abrasiivmaterjalist).
13. Silikaatne keraamika . Süsiniku modifikatsioon .
Silikaadid koosnevad peamiselt ränist ja hapnikust, kahest maakoores enamlevinud elemendist.
Silikaadid on peamised koostisosad kivimites, savis , liivas. Silikaatide struktuuri käsitlemisel ei vaadelda mitte niivõrd võre elementaarrakkude ehitust, kuivõrd räni ja hapniku seoseid . Nimelt on silikaatidele iseloomulik räni ja hapniku tetraeedrite ( tetraeedrite) esinemine (joon 8-7). Side Si ja O vahel on suunatud, st on teatud määral kovalentne . Erinevate silikaatide struktuurides on need
tetraeedrid ühendatud erinevateks ühe-, kahe- või kolmemõõtmelisteks struktuurideks.
8.2.1 Ränidioksiid
Keemiliselt lihtsaim silikaatne materjal on , mis on liiva põhikoostisosa.
struktuur koosneb vaadeldud tetraeedritest, kus tetraeedri tipus olev hapnik on ka teise tetraeedri tipuosakeseks. Kui need tetraeedrid paiknevad korrapäraselt, tekib kristallstruktuur.
omab kolme polümorfset kristallmodifikatsiooni: kvarts , kristobaliit ja tridimiit. Nad on küllalt keerulise struktuuriga, joonisel 8-8 on esitatud kristobaliidi elementaarrakk. Kuna side on osaliselt kovalentne ja suunatud, siis on võre üsna hõre ja materjali tihedus on väike (kvartsi tihedus ainult ). Kuna side on tugev, siis omab
kõrget sulamistemperatuuri (kvartsil 1710 C).
võib olla ka mittekristalses e klaasitaolises olekus, kus tetraeedrite paigutus on mingil määral juhuslik. Tetraeedrid esinevad ka vedelas -s, kus nad paiknevad juhuslikult. Silikaatklaasid on sisuliselt allajahutatud vedelikud, kus tetraeedrid ei ole jõudnud omandada korrapärast paiknemist. On veel oksiide, mille jahtumisel on kristallide teke raskendatud ja mis seetõttu moodustavad klaasi. Koos -ga nimetatakse neid klaasimoodustavateks oksiidideks (veel
ja ). Tavalised anorgaanilised klaasid (näit aknaklaas ) on silikaatklaasid (klaasimoodustaja ), kuhu on lisatud ka teisi oksiide (, CaO jt). Sellisel juhul ioonid ,
paigutuvad tetraeedrite vahele ja takistavad veelgi tetraeedrite korrapärast paiknemist, st soodustavad klaasi moodustumist. Na-silikaatklaasi struktuuri näide on esitatud joonisel 8-9.
8.2.2 Silikaadid
Silikaatsetes mineraalides esinevad need
tetraeedrid üksikult või kompleksidena kahest, kolmest jne tetraeedrist (joon 8-10). On võimalik ka tsüklite ja ahelate tekkimine tetraeedritest.
tetraeedrite laengu kompenseerivad katioonid , ,
jne. Peale laengu kompenseerimise seovad katioonid omavahel neid
tetraeedreid ioonse sidemega.Ühe tetraeedriga on näiteks mineraal fosteriit , kahe tetraeedriga mineraal akermaniit . Tetraeedritest võivad moodustuda ka kihid . Nende kihtide struktuur on analoogiline kristalse kvartsi struktuuriga (joon 2-20), ainult iga Si-ga on ühendatud neljas O risti tasapinnaga. Sellises kihilises struktuuris korduvad lülid . Savi ühes põhikomponendis – kaoliinis – on need
kihid seotud
kihtidega (joon 8-23). Need kaks kihti on seotud omavahel tugevate iooniliste – kovalentsete sidemetega ja moodustavad kaksikkihi. Need kaksikkihid on seotud teiste kaksikkihtidega aga nõrkade van der Waalsi sidemetega. Seega koosneb kaoliin
omavahel nõrgalt seotud kaksikkihtidest. Sellistest paralleelsetest kaksikkihtidest koosnevadki õhukesed savi „libled“, läbimõõduga kuni 1 μm. Kihilise ehitusega on ka paljud teised silikaatsed mineraalid, millistest peale kaoliini on tuntumad talk
ja muskoviit (vilgu komponent) .
8.2.3 Süsiniku modifikatsioonid
Süsinik esineb mitme polümorfse modifikatsioonina ja ka amorfsena. Teemant on toatemperatuuril ja atmosfäärirõhul metastabiilne modifikatsioon. Ta tekib ülikõrgel rõhul. Tema struktuur on sfaleriidi struktuuriga sarnane, ainult kõik osakesed on samad (C) (joon 8-11). Teemandi struktuuri saame, kui TTK võre sisse asetada teine samasugune võre, mis on esimese suhtes nihutatud ¼ kuubi diagonaali võrra. Koordinatsiooni arv on seal 4. See tuleneb sideme tüübist – sidemed on puhtalt kovalentsed (suunatud) ja tingitud sp3 hübriidsete orbitaalide poolt. Iga süsiniku aatomi naabrid moodustavad jällegi tetraeedri. Võre on võrdlemisi hõre. Samasuguse struktuuriga on ka pooljuhid Si ja Ge ning üks Sn modifikatsioon (hall tina). Teemandi füüsikalised omadused on äärmiselt atraktiivsed. Ta on kõige kõvem kõigist tuntud materjalidest. Elektrijuhtivus on äärmiselt väike, kuid soojusjuhtivus on ebanormaalselt suur mittemetallilise aine jaoks. Ta on optiliselt läbipaistev nähtavas ja infrapunases spektriosas. Tal on suur murdumisnäitaja. Tööstuses kasutatakse teemanti lõikeriistades. Teemanti saadakse ka sünteetiliselt, peamiselt polükristalse kilena, gaasifaasis toimuva reaktsiooni abil. Kilet kasutatakse igasuguste pindade kõvendamiseks (lõike, puurimise , lihvimise jm tööriistad). Teine modifikatsioon on grafiit , mis on tavatingimustes stabiilne. Grafiit on kihilise ehitusega. Kihtides on iga C aatom seotud kolme teise C aatomiga tugeva kovalentse sidemega. Neljas süsiniku valentselektron võtab aga osa kihtidevahelisest van der Waalsi sidemest (nõrk side). Sellised kihid libisevad väga kergelt üksteise suhtes ja grafiiti saab kasutada määrdeainena (grafiitmääre). Grafiidi kristallid on väga anisotroopsete omadustega. Näiteks elektrijuhtivus piki kihte on suur nagu metallidel, risti kihte aga sadu kordi väiksem (nagu pooljuhtidel ). Polükristalse grafiidi juhtivus on vahepealne. Grafiiti kasutatakse väga laialdaselt tänu tema keemilisele passiivsusele kõrgete temperatuurideni mitteoksüdeerivas (hapnikuvabas) keskkonnas. Kasutusalad: kütteelemendid, elektroodid, valuvormid, keemilised reaktorid, tiiglid ja konteinerid, takistid , galvaanielemendid, õhupuhastites jne. Kolmas modifikatsioon on 1985.a avastatud nn fullereenid . Need on sfäärilised moodustised 60-st C aatomist, mida võib nimetada ka molekuliks (joon 8-12). Materjal kristalliseerub nii, et need fullereenid moodustavad PTK võre. Materjal on dielektrik , kuid sobivate lisandite sisseviimisel võib saada pooljuhi või elektri juhi.Mingil määral sarnase struktuuriga on süsiniku nanotorud, mis on viimase aja avastus (joon 8-13). Siin moodustab C aatomite kiht (grafiidi üksikkiht) nanomõõtmetes toru – läbimõõt kuni 100 nm. Toru otsad on sfäärilised nagu fullereenid ja toru pikkus võib olla tuhandeid kordi suurem läbimõõdust – mikromeetrites. Sellised nanotorud on väga tugevad ja jäigad, kuid suhteliselt hea venitatavusega. Tõmbetugevus on suurusjärk suurem kui süsiniku kiududel, seega tugevaim tuntud materjalidest. Samal ajal tihedus on suhteliselt väike. Väga perspektiivne materjal suure tugevusega komposiitide valmistamiseks.
14. Anorgaanilised klaasid. Klaasdetailide valmistamine.
Anorgaanilised klaasid peavad sisaldama vähemalt ühte klaasimoodustavat oksiidi, tavaliselt . Peale selle sisaldavad nad ka teisi oksiide: , , ,
jt. Tavalist klaasi kasutatakse aknaklaasina, klaastaarana, laboriklaasina, optiliste läätsede valmistamiseks, klaaskiu valmistamiseks jne. Klaasi lähteained on: räniliiv (), sooda (), potas (), lubjakivi (), booraks () jm. Mõned klaasisordid, nende koostis, omadused ja kasutamine:
Klaas SiO2 Na2O CaO Al2O3 B2O3 Omadused Kasutamine
1. Sulatatud kvarts >99,5 Väga väike Tiiglid,
joonpais. tegur konteinerid
2. Kvartsklaas 96 4 Termolöökide kindel, Laboriklaas
(Vycor) keemil. vastupidav
3. Boorsilikaatklaas 81 3,5 2,5 13 - „ - Laboriklaas,
( Pyrex ) toidunõud
4. Aknaklaas 74 16 5 1 (4MgO)Madal sulamistemp, Aknaklaas
kerge töödelda
5. Klaaskiud 55 16 15 10 (+4MgO) Kergelt kiududeks
tõmmatav
6. Optiline klaas 54 1 (+37 PbO+8K2O) Suure tiheduse ja Läätsed jm
murdumisnäitajaga
7. Klaaskeraamika 70 18 (+4,5TiO2 Toidunõud
+2,5Li2O)
Klaasid kui mittekristalsed materjalid ei oma kindlat sulamistemperatuuri. Kuumutamisel muutuvad nad järjest pehmemaks ja voolavamaks, kuni näivad vedelad. Üks erinevus kristalsete ainete ja klaaside vahel on veel see, et klaasidel ei toimu tahkumisel hüppelist mahu muutu (joon 8-18). Klaasistumistemperatuuril
(seal muutuvad rabedaks) toimub ainult väike kalde muutus. Joonisel 8-19 on esitatud mõnede klaasisortide viskoossuse sõltuvust temperatuurist (viskoossus – vedelike omadus takistada teiste vedeliku kihtide voolamist ; mida suurem viskoossus, seda väiksem voolavus). Joonisel on olulised järgmised punktid:
1) Sulamispunkt – viskoossus η on umbes 10 Pa*s – muutub vedelaks
2) Tööpunkt (η = 1000 Pa*s) – võimalik töödelda klaasimassi
3) Pehmenemispunkt ( Pa*s) – hakkab deformeeruma
4) Lõõmutuspunkt – sellele vastaval temperatuuril toimub lõõmutus, mille käigus kõrvaldatakse termilised pinged , mis tekivad kiirel jahutamisel
5) Klaasistumispunkt – muutub rabedaks
Suurem osa klaasi vormimise operatsioone teostatakse tööpunkti ja pehmenemispunkti vahel. Seda nimetatakse töötlemise piirkonnaks . Selle piirkonna temperatuur sõltub klaasi sordist.
Klaasdetailide valmistamine: Lähtematerjalid sulatatakse koos. Kui on vajalik läbipaistvus, siis peab klaasimass olema homogeenne ja mullivaba, st küllalt vedel. Detailide valmistamiseks kasutatakse peamiselt kolme tehnoloogiat: 1) pressimist; 2) puhumist; 3) tõmbamist. Pressimist kasutatakse suhteliselt paksude detailide valmistamiseks, näiteks toidunõud. Pressvorm on grafiidiga kaetud malmvorm, mida kuumutatakse. Puhumist kasutatakse pudelite, elektripirnide jne valmistamiseks. Puhumine võib toimuda samuti vormi sisse ja teostatakse tavaliselt automaatseadmetega. Joonisel 8-20 on näidatud, kuidas toimub klaaspudeli valmistamine pressimise ja puhumise meetodil. Keeruliste ja kunstiesemete puhumine toimub käsitsi. Tõmbamist kasutatakse aknaklaasi, torude ja varraste valmistamiseks. Eraldi tehnoloogia on väga pikkade, ühtlase läbimõõduga ja peenikeste klaaskiudude tõmbamiseks. Neid kasutatakse näit klaasriide valmistamiseks ja komposiitides. Erikujulisi klaaskiude kasutatakse lainejuhtides (fiiberoptilised kaablid ). Iga kiud koosneb kahest osast: keskmine suurema murdumisnäitajaga osa ja välimine väiksema murdumisnäitajaga kiht (joon 8-21). Sellisel juhul toimub valguskiirte täielik sisepeegeldumine kahe kihi piirpinnalt ja kiired ei välju kiust. Küll toimub valguse intensiivsuse mõningane vähenemine (neeldumise tõttu) ja impulsside ajaline pikenemine . Kaabel koosneb kümnetest tuhandetest kiududest. Kaablisse suunatavad valgus-signaalid genereeritakse tavaliselt pooljuhtlaseri abil, kaablist väljuvate signaalide detektoriks on tavaliselt fotodiood ( valgustundlik diood), mis muundab valgussignaalid elektrilisteks (joon 8-22). Veel mõnedest klaasisortidest. Värviline klaas saadakse järgmiste oksiidide abil:
– sinine;
– roheline;
– pruun;
– kollane. Ultraviolettkiirgust läbilaskev klaas on sulatatud kvarts. Karastatud klaas saadakse kiirel ja ühtlasel jahutamisel, tavaliselt külma õhu joas. Ta on raskesti purunev . Klaaskeraamika on kristalliseerunud klaas. Kristalliseerumist püütakse tavaliselt klaasi valmistamisel vältida, kuna kristalne klaas on polükristalse ehitusega ja seetõttu läbipaistmatu (piimjas – valge). Aga tal on ka väga häid omadusi: tal on väga väike ruumpaisumise tegur ja ei karda seetõttu termilisi lööke; tal on suurem soojusjuhtivus ja mehaaniline tugevus kui klaasil jne. Seetõttu sobib keedunõude ja teiste termilisi lööke taluvate toidunõude valmistamiseks. Klaaskeraamika saamiseks tuleb viia klaasimassi lisandeid, mis tekitavad kristallisatsiooni idusid. Sellisteks lisanditeks sobivad ,
jt.
15. Traditsiooniline keraamika. Keraamiliste detailide valmistamine.
Traditsiooniliseks nimetatakse savi baasil valmistatud keraamikat. Savi on keraamiliste materjalide
kõige enamkasutatavam lähtematerjal, kuna ta on odav, teda on palju, teda saab kasutada ilma
muude lisanditeta ja savi segu veega on väga plastiline ning hästi vormitav. Savi baasil valmistatud keraamika jaguneb laias laastus ehituskeraamikaks ja portselaniks. Ehituskeraamika hulka kuuluvad tellised, kahhelkivid, keraamilised plaadid jne. Portselan on selline keraamika, mis põletamisel muutub valgeks. Portselanist valmistatakse toidu- ja muid nõusid, sanitaartehnikat, elektriisolaatoreid jne. Portselan sisaldab peale savi veel teisi komponente, mis mõjutavad detailide omadusi. Savid on alumosilikaadid, st sisaldavad -e, -e ja keemiliselt seotud vett (kristallvett). Savi põhikomponendi kaoliini
valemi võib kirjutada ka , ta on kihilise ehitusega (joon 8-23). Kui lisada savile vett ja segada, siis tungib vesi kihtide vahele ja on seal õhukese kilena. Seetõttu saavad niiskes savis kihid üksteise suhtes kergelt liikuda . Peale savi sisaldab portselan veel täiteaineid ja sulandajaid. Täiteainena kasutatakse tavaliselt liiva ja sulandajana põldpagu. Põldpagu on samuti alumosilikaat, mis sisaldab ,
ja
ioone. Ta omab suhteliselt madalat sulamistemperatuuri ja tahkumisel moodustab klaasi. Tüüpilised portselanid sisaldavad umbes 50% savi, 25% puhast kvartsliiva ja 25% põldpagu. Keraamiliste detailide valmistamine. Komponentidest vormitakse mitmesuguste märg- ja kuivmenetluste teel detailid. Peamised meetodid on hüdroplastiline vormimine, vormivalu ja pulbri pressimine. Järgneb kuivatamine (kui kasutati märgmenetlust). Kuivatamisel maht veidi väheneb, kuna vesi eemaldub savi kihtide vahelt (joon 8-24). Niiskuse eemaldumine pinnalt auramise teel ei tohi olla liiga kiire, mitte kiirem kui vee difusioon sisemusest pinnale. Vastasel juhul kuivavad pinnakihid kiiremini ja pragunevad. Järgneb põletamine, mis toimub vahemikus 900 – 1400 C ja sõltub lähtematerjalide koostisest ja detailide vajalikest omadustest. Põletamisel osa alumosilikaate sulab ja voolab tühimikesse. Jahtumisel see osa klaasistub ning seob omavahel kristalsed osad (peamiselt kvarts). Mida kõrgemal temperatuuril põletatakse, seda rohkem alumosilikaate sulab ning seda vähem jääb materjali sisse poore. Telliseid põletatakse umbes 900 C juures ja nad sisaldavad palju poore. Portselani põletatakse kõrgemal temperatuuril. Paljud keraamilised detailid kaetakse glasuuriga, mis on sisuliselt klaasikiht.
16. Polümeeride tüübid. Termoplastid , vedelkristalsed polümeerid, termoreaktiivsed polümeerid, elastomeerid .
Termokäitumise järgi liigitatakse polümeerid termoplastseteks ja termoreaktiivseteks.
9.3.1 Termoplastid
Termoplastid on lineaarsed või vähehargnenud polümeerid, mis korduvalt kuumutamisel pehmenevad (vedelduvad) ja jahtudes tahkestuvad. Võivad olla amorfsed või poolkristallilised. Amorfsed võivad olla näiteks polümetüülmetakrülaat, polüstürool, polüvinüülkloriid jt. Osaliselt kristallilised on näiteks polüetüleen (eriti kõrgtihe), polütetrafluoretüleen, polüpropüleen, polüamiidid ( nailon ), polüetüleen-tereftalaat (polüester) jt. Esinevad ka vedelkristalsed polümeerid. Neis esinevad vedelas olekus korrastatud alad. Korrastus võib olla ühedimensionaalne (nemaatilised) või kahedimensionaalne (smektilised) (vt joonis 9-8). Vedelkristalses olekus võivad olla näiteks täisaromaatsed polüestrid (polüarülaadid) ja täisaromaatsed polüamiidid (polüaramiidid). Poolkristalse, amorfse ja vedelkristalse polümeeri olekute võrdlus vedelas ja tahkes olekus on toodud joonisel 9-9.
9.3.2 Termoreaktiivsed polümeerid
Kõvastuvad kuumutamisel ja enam ei pehmene enne hävimist (degradeerumist). Esmakordsel kuumutamisel tekivad ahelatevahelised ristsidemed, mis enam ei katke. Siia kuuluvad tihedal ristsidumisel tekkivad võrestikstruktuuriga tõelised termoreaktiivid ehk reaktoplastid, nagu näiteks fenool -formaldehüüdvaik ( fenoplast ) ja melamiin-formaldehüüdvaik. Termoreaktiivsete polümeeride hulka kuuluvad ka kummid, mis saadakse elastomeeride vulkaniseerimisel. Elastomeeridel on väga paindunud, keerdunud ja pikk lineaarne ahel, mida on kerge sirgeks tõmmata. Neil on lai elastse oleku piirkond ja suur elastne deformatsioon (väike elastsusmoodul ). Nende elastsusmoodul muutub mehaanilise pinge muutumisel, st pinge – deformatsiooni sõltuvus on mittelineaarne. Pinge eemaldamisel taastavad nad oma esialgse pikkuse. Kummide termoreaktiivsus avaldub vastupanus kuumutamisele (ei pehmene enne degradeerumist) Tähtsamate elastomeeride ahelad on toodud joonisel 9-10. Nagu näha, sisaldavad osa ahelaid kaksiksidet (küllastamata polümeerid), osa aga mitte. Kummid saadakse elastomeeride harval ristseostamisel (vulkaniseerimisel). Vulkaniseerimine likvideerib täielikult elastomeeride ahelate omavahelise libisemise (plastsuse) ja laiendab elastse oleku piirkonda. Vulkaniseerimise põhireaktsioon on ristsidumine küllastamata sidemete arvel väävli abil, näit:
Ristsidemeid saab tekitada ka funktsionaalsete rühmade kaudu, mis on ainuvõimalik küllastatud elastomeeride korral. Kui ristsidemeid on palju, siis kummi jäigastub – tekib kõvakummi (eboniit), mis on tõeline termoreaktiiv.
17. Polümeeride mehaanilised ja termomehaanilised omadused.
Polümeeride mehaanilised omadused on üsna sarnased metallidega, eriti nende käitumine deformeerimisel. Erinevused on selles, et polümeeridel sõltub deformatsioon jõu rakendamise kiirusest, samuti temperatuurist ja keskkonnatingimustest (vee, hapniku, orgaaniliste lahustite juuresolek). Tüüpilised pinge – deformatsiooni sõltuvused on esitatud joonisel 9-11. A – rabe materjal; B – plastiline materjal (sarnane metallidega, ainult lõpus pinge kasvab); C – elastne materjal (lai elastse oleku piirkond). Elastsusmoodul, tõmbetugevus ja venitatavus määratakse polümeeridel samuti, nagu metallidel. Polümeeride tõmbetugevus võib olla väiksem või suurem kui elastsuspiir. Polümeeride elastsusmoodul ja tõmbetugevus võivad olla väga väikesed aga ka võrreldavad metallidega (küllalt suured). Polümeeride venitatavus võib olla väga suur. Mõnede tähtsamate polümeeride mehaanilised omadused on järgnevas tabelis.
Temperatuuri mõju polümeeride mehaanilistele omadustele iseloomustab joonis 9-12, kus on toodud
polümetüül-metakrülaadi pinge – deformatsiooni sõltuvused. On näha, et temperatuuridel üle 40
kraadi muutub materjal täiesti plastiliseks. Amorfsed termoplastid võivad sõltuvalt temperatuurist olla kolmes olekus: klaasitaolises (tahkes), viskoelastses ja viskoosses (vedelas) olekus. Sulamistemperatuur
ja klaasistumitemperatuur
määratakse nagu klaasidelgi ruumala muutuse alusel sõltuvana temperatuurist. Joonisel 9-13 on toodud täielikult amorfse (A), osaliselt kristalse (B) ja täielikult kristalse (C) polümeeri sõltuvused. Osaliselt kristalsel polümeeril esinevad mõlemad temperatuurid. Tavaliselt
, kus T on Kelvinites. Mida väiksem on ahelate painduvus ja mida rohkem on ristsidemeid, seda kõrgem on . Mida suurem on molekulmass , seda kõrgemad on mõlemad temperatuurid. Mõnede polümeeride klaasistumis- ja sulamistemperatuurid on järgmised:
Allpool klaasistumistemperatuuri on polümeerid veidi elastsed, ülalpool sulamistemperatuuri aga viskoossed (vedelad). Sulamis- ja klaasistumistemperatuuride vahel on nad aga omapärases olekus, mis on elastse ja viskoosse oleku vahepealne ning mida nimetatakse viskoelastseks (kummi-voolavaks) olekuks. Deformatsiooni sõltuvus ajast nendes kolmes olekus on esitatud joonisel 9-14. Joonise a osas on pinge sõltuvus ajast, b, c ja d osas aga deformatsiooni sõltuvus ajast vastavalt elastses, viskoelastses ja viskoosses materjalis. Viskoelastses materjalis toimub pinge rakendamisel algul elastne deformatsioon, seejärel hakkab toimuma viskoelastne deformatsioon ja voolamine . Pinge kadumisel kaob kohe elastne deformatsioon ja aeglaselt viskoelastne deformatsioon. Voolamise tulemusena tekkinud plastne deformatsioon säilib.
18. Polümeeride vormimine ja kasutamine.
Termoplastide korral on enamkasutatavateks meetoditeks ekstrusioon ja survevalu. Ekstrusioon on meetod, kus sula polümeer surutakse läbi vormiva otsiku konstantse ristlõikega tooteks (plaat, kile, toru, varras, profiiltooted). Ekstrusioon-puhumisvormimisel surutakse materjalist ekstrudeeritud toru sulguva vormi poolte vahele ja puhutakse vormi õõnsuse kujuliseks (kanistrid, mahutid jne). Survevalu korral surutakse sula polümeer valuvormi ja tahkestatakse vormi õõnsuse kujuliseks tooteks (joonis 9-15). Võimaldab saada keerulise kujuga tooteid. Reaktoplastide korral kasutatakse ka survevalu, kui kõvenev polümeer on piisavalt vedel. Rohkem kasutatakse aga kuumpressimise (pressvormimise) meetodit, kus lähtematerjalist pressitakse detail kuumutatavas vormis (joon 9-16).
9.5.3 Polümeeride kasutamine
Polümeere kasutatakse järgmisel kujul:
- plastid (kompaktplastid ja kiled);
- kummid ja elastomeerid;
- kiud ja kiudmaterjalid ;
- liimid ja sideained ;
- pinnakattematerjalid;
- komposiitmaterjalid jm.
Plastid. Kõige laialdasem polümeeride kasutusala ongi kompaktplastide sideainena ja kilematerjalina. Plastides kasutatakse nii termoplastilisi kui termoreaktiivseid polümeere. Valmistatakse väga erinevaid detaile. Vahtplaste (peamiselt vahtpolüstürool) kasutatakse heli- ja soojusisolatsiooniks ning pakkematerjalina. Kile valmistamiseks kasutatakse kõige enam polüetüleeni, aga ka PVC-d ja polüpropüleeni, looduslikest tselluloosi baasil valmistatud tsellofaani. Kummide kasutusala on väga lai: autode, mootorrataste, traktorite, jalgrataste jne rehvid , mitmesugused tihendid , rihmad, jalanõud jne. Mõnede kummide töötemperatuuri piirkonnad on järgmised:
Eraldi väärib märkimist polüsiloksaanahelaga kautšuk (vt joonis 9-10). Temast saadavat kummit nimetatakse silikoonkummiks. Tema töötemperatuuri piirkond on tunduvalt laiem kui teistel, ta on ilmastiku- ja õlikindel. Sünteetiliste kiudude valmistamiseks saab kasutada polümeere, mida saab tõmmata peenteks kiududeks. Tähtsamad on polüamiidid (nailon, kapron ) ja polüester. Poolsünteetilistest polümeeridest kasutatakse atsetaat -tselluloosi (atsetaatsiid). Looduslikud polümeersed kiudmaterjalid on teatavasti puuvill, vill , siid , lina, kanep jt. Liimideks (adhesiivideks) sobivad paljud polümeerid, kuna neil on hea nakkuvus paljude materjalidega. Kasutatakse näiteks epoksüüdliime. See koosneb epoksüüdvaigust ja kõvendajast, millele lisatakse vahel ka plastifikaatorit ning täiteaineid. Epoksüüdvaigud on vedelad või poolvedelad ained, nende molekuli otstes on epoksü-rühmad:
Kõvendajatena kasutatakse amiine või hapete anhüdriide. Amiinide abil toimub kõvenemine toatemperatuuril, anhüdriidide korral tuleb kuumutada üle 100OC.
Kõvenemisreaktsioon mingi diamiini
korral on järgmine:
Kõvenemise käigus katkeb üks hapniku side süsinikuga ja ta liidab endaga vesiniku aatomi amiino -rühmast. Tugevalt polaarsete OH-rühmade tõttu nakkub väga tugevalt metallide ja teiste polaarsete ainetega. Polümeerseid kattekihte kasutatakse aluse kaitseks agressiivse keskkonna eest, välimuse parandamiseks ja ka elektroisolatsiooniks. Väga levinud on näiteks PVC katted (plekk-katused, vihmaveesüsteemid jne).
19. Osakestega tugevdatud komposiidid .
Siin on dispergeeritud faasi osakeste mõõtmed enam-vähem ühesugused erinevates suundades. Suureks loetakse osakesi siis, kui nad on tunduvalt suuremad molekulaarsetest mõõtmetest. Nano -osakeste korral on nende mõõtmed vahemikus 10 – 100 nm.
10.2.1 Suurte teraliste osakestega komposiidid
Plastid, mis sisaldavad täiteaineid, on tegelikult suurte teraliste osakestega komposiidid. Teise rühma moodustavad betoonid, kus tsemendile on lisatud liiva või killustikku. Komposiitide tugevus sõltub keskkonna materjali ja dispergeeritud faasi osakeste vaheliste sidemete tugevusest. Komposiite valmistatakse kõigist kolmest materjalist, so metallidest, polümeeridest ja keraamikast. Kõige sagedamini on keskkonnaks metall või polümeer, keraamikat aga kasutatakse sagedamini osakestena , mis annavad suurema tugevuse. Selline on metallkeraamika, kus keskkonnaks on metall ja osakesed keraamilised. Näiteks lisatakse niklile või kroomile WC ja TiC osakesi, mis on äärmiselt kõvad. Selline metallkeraamika sobib lõikeriistade valmistamiseks terase töötlemisel (treiterad jms). Vulkaniseeritud kautšukile (kummile) lisatakse tahma . See suurendab tõmbetugevust, sitkust ja kulumiskindlust. Näiteks autorehvid sisaldavad umbes 15 – 30% tahma (siit ka must värv). Betoonidest on tuntumad tsementbetoon ja asfaltbetoon . Tsementbetooni optimaalse tugevuse saavutamiseks peab ta sisaldama kahesuguse suurusega osakesi – väiksemaid (liiv) ja suuremaid (killustik). Lisandi osakesed võivad täita 60 – 80% betoonist, kuid vee ja tsemendi segu peab täielikult täitma kõik vahed. Suurema tugevuse saavutamiseks lisatakse betooni armatuur (so terasvardaid ja traati), saadakse raudbetoon. Eriti tugev on eelpingestatud raudbetoon, kus armatuur on enne kivistumist tõmbepinge all.
10.2.2 Nanoosakestega komposiidid
Osakeste mõõtmed on makromolekulide ja kolloidosakeste suurusjärgus. Osakeste ja keskkonna vahelised sidemed on molekulaarsel tasemel. Materjali tugevnemine toimub sama efekti tõttu, nagu sulamite korral vaadeldud pretsipitaatide tekkimisel: osakesed tekitavad materjali sisse suunatud jõud ja takistavad dislokatsioonide liikumist. Nanomõõtmetes dispergeeritud faasi osakeste lisamist kasutatakse mitmete metallide ja sulamite tugevdamiseks. Lisatavad osakesed on tavaliselt keraamilised, kõige sagedamini oksiidid. Näit kasutatakse Ni sulameid, mida on tugevdatud umbes 3%
nanoosakestega ja Al, millele on lisatud
nanoosakesi.
20. Komposiitide kiudude ja keskkonna materjalid.
Kiudude valmistamiseks kasutatakse suure tugevusega materjale. Väga tähtis on kiu läbimõõt. Mida väiksem see on, seda suurem on komposiidi tugevus. Teiselt poolt on väga peenikesi kiude raskem valmistada ja nad on kallimad. Jämeduse alusel jaotatakse kiud järgmiselt: udemed , kiud ja traat . Udemed on väga peenikesed monokristallid. Kuna nad on väikesed, siis on nad praktiliselt ilma dislokatsioonideta ja seetõttu väga tugevad – kõige tugevamad tuntud materjalidest. Siiski ei kasutata udemeid komposiitides väga laialdaselt, kuna nad on väga kallid ja nende sisseviimine maatriksisse on keeruline. Peamised udemete valmistamise materjalid on grafiit, SiC ja . Neist suurim eritugevus on grafiitudemetel – 9,1 GPa.Kiumaterjalina kasutatakse kõige rohkem klaasi, mis on odav, tugev (eritugevus on 1,4 GPa) ja tehnoloogiline (kerge valmistada kiudu ja komposiiti). Klaaskiuga komposiite kasutatakse väga palju transpordis (igasugused konteinerid, auto-, paadi- ja laevakered). Suurema tugevusega (eritugevus kuni 2,7 GPa) on süsinikkiud. Ei nimetata grafiidiks, kuna sisaldab peale grafiidi ka amorfseid osi. Süsinikkiududega komposiite kasutatakse väga palju sporditarvete valmistamiseks ( suusad , suusakepid, õngeridvad, golfikepid jne) ja lennukiehituses. Eriti suure eritugevusega on aramiidkiud (eritugevus kuni 2,8 GPa). Materjali keemiline nimetus on polü-parafenüleen-tereftaalamiid. Ahela skeem on esitatud joonisel 10-6. Iga lüli sisaldab kaks benseenituuma, mis on ahelaks ühendatud süsiniku ja lämmastiku aatomite kaudu, millel on side ka vastavalt O ja H aatomitega. Nende hapniku ja vesiniku aatomite vahel naaberahelates tekivad vesiniksidemed, mis võivad tekkida ka keskkonna materjaliga . Aramiidi tõmbetugevus on tunduvalt suurem, kui teistel polümeeridel, survetugevus aga väike. Kuigi ta on termoplastiline, on tema töötemperatuuri piirkond üsna lai: -200 – 200 C. Aramiidkiuga komposiite kasutatakse näiteks kuulivestides, samuti spordivahendites. Kasutatakse ka SiC kiude ja hübriidseid komposiite, kus on kahest või enamast erinevast materjalist kiudusid. Enamlevinud on klaaskiu ja süsinikkiu kombinatsioonid. Traadina kasutatakse tugevat terast (eritugevus kuni 0,3 GPa), Mo ja W. Erinevate kiumaterjalide tihedused ja tõmbetugevused on toodud joonisel 10-5.
10.3.3 Keskkonna materjalid
Keskkonna materjali ülesanne on siduda omavahel kiudusid ja kanda neile üle mehaanilist pinget. Ise võtavad nad vastu ainult väikese osa pingest . Peale selle kaitseb keskkond kiudusid kulumise ja väliskeskkonna mõjude eest. Keskkonna materjali valikul on tähtis tugev nakkumine kiududega. Keskkonna materjalidena kasutatakse peamiselt polümeere ja metalle, kuna keskkond peab omama venitatavust, st keskkonna elastsusmoodul peab olema tunduvalt väiksem kui kiududel. Keskkonna materjal määrab ära ka komposiidi kasutamise temperatuuri. Polümeerse keskkonna korral on see kuni 200 C, metallide korral tunduvalt kõrgem. Polümeeridest kasutatakse väga palju polüestreid. Kuna siin on võimalikud erinevad vaikude koostised, siis on palju erinevate omadustega keskkonnamaterjale. Teiseks enamkasutatavaks materjaliks on epoksüüdvaigud, mis on odavamad. Epoksüüdvaikudest saadakse polümeer polükondensatsiooni teel hapete või alustega (kõvendajad, näiteks epoksüüdliimis). Nad on väga nakkuvad teiste materjalidega (eriti metallide, klaasi ja polaarsete ainetega), kuna sisaldavad ahelais polaarseid –OH rühmi. Tabelis (joon 10-7) on toodud mõned epoksüüd-keskkonnaga komposiitide omadused. Metallidest kasutatakse keskkonna materjalidena kergeid metalle ja nende sulameid: Al, Mg, Ti. Nende töötemperatuur tunduvalt kõrgem, eriti Ti keskkonnaga. Tugevusomadused ka mõnedel suuremad, kui polümeerse keskkonnaga (tabel joonisel 10-8). Kasutatakse automootorites, kosmosetehnikas. Eriti kõrge töötemperatuuriga on supersulamite (Ni ja Co baasil) keskkonnaga, milles kiududeks on peenikesed volframtraadid. Kasutatakse turbiinides. Omapärase keskkonnamaterjalina kasutatakse ka süsinikku. Nimelt valmistatakse komposiite, kus nii kiudude kui ka keskkonna materjaliks on süsinik. Valmistamine toimub nii, et süsinikkiud valatakse üle polümeeriga, töödeldakse detailiks ja allutatakse siis pürolüüsile. Pürolüüsi käigus laguneb polümeer süsinikuks ja gaasilisteks aineteks, mis eemalduvad. Valmistamine on keeruline ja kallis, seetõttu kasutamine esialgu piiratud. Töötemperatuur väga kõrge – üle 2000 C. Valmistatakse näiteks vormelautode piduriklotsid , mis kuumenevad valge hõõgumiseni.
21. Kiududega tugevdatud komposiitide valmistamine. Kihilised komposiidid.
Vaatleme mõningaid uuemaid kiududega tugevdatud komposiitide valmistamise viise polümeerse
keskkonnaga. Tõmbamismeetodiga saab valmistada materjale, mis on pidevad ja ühtlase ristlõikega ( vardad , torud jne) (joon 10.9). Kiudude kimp tõmmatakse läbi immutusvanni, kus toimub immutamine termoreaktiivse vaiguga. Edasi läbib kimp terasest vormi, mis annab vajaliku ristlõike ja eemaldab liigse vaigu. Järgneb kuumutusvorm, mis määrab lõpliku ristlõike ja kus toimub vaigu polümerisatsioon. Kuumpressimine kileliste materjalide saamiseks on kujutatud joonisel 10-10. Kiud koos termoreaktiivse vaiguga pressitakse kalandrite (kuumutatav rull) ja kahe paberikihi vahel. Üks paber jääb materjali kandekihiks, teine eemaldatakse. Kuumutustemperatuur on suhteliselt madal, nii et polümerisatsioon toimub ainult osaliselt. Saadavad lindid (paksusega tavaliselt 0,08 - 0,25 mm ja laiusega 25 – 1500 mm) keritakse rulli ja nad säilivad madalal temperatuuril (0 C juures) kuid. Lõplike detailide (näiteks laminaatide) saamiseks eemaldatakse aluspaber ja lindid kantakse vajadusel mitmes kihis alusele kuumpressimise teel. Kerimise meetodit kasutatakse silindrilise kujuga detailide valmistamiseks (joon 10-11). Vaiguga immutatud kiud keritakse alusele mitmes kihis, kusjuures saab kasutada erinevaid kerimise viise, sõltuvalt saadava detaili tugevuse vajadustest. Esimesel juhul saadakse universaalse tugevusega, teisel juhul ristsuunalise tugevusega ja kolmandal juhul pikisuunalise tugevusega detail. Pärast kerimist toimub kuumutamine ja eemaldamine alusest.
10.4 Kihilised komposiidid
Kihilised komposiidid koosnevad erinevate materjalide kihtidest, mis omakorda võivad olla komposiidid. Üks võimalus on tasapinnalised (laminaarsed) kihilised komposiidid. Seal asetatakse kohakuti kihid, millel on suurim tugevus erinevas suunas (joon 10-12). Sellisteks kihtideks võivad olla puidust, paberist või mingist muust kiudainest kihid. Näiteks vineer . Kihid ühendatakse liimi või mingi polümeerse sideaine abil. Näited:
- getinaks saadakse fenool-formaldehüüdvaiguga immutatud paberikihtide kuumpressimisel;
- tekstoliit on sama, ainult paberi asemel on puuvillane riie ;
- klaastekstoliit saadakse epoksüüdvaiguga immutatud klaasriide kuumpressimise teel. Kõiki neid kasutatakse trükiskeemide alusmaterjalina, tekstoliiti ka näiteks hammasrataste valmistamiseks. Klaastekstoliidil on väga suur (suurem kui terasel) hõõrdetugevus. Teine võimalus on nn sandwich -tüüpi paneelid. Need koosnevad kahest tugevast materjalist lehest, millede vahel asub mingi väikese tiheduse ja tugevusega materjali kiht. Väliskihid on tavaliselt õhukesed metall-lehed või kiududega tugevdatud plastikud . Keskmine kiht võib olla näiteks vahtplast, kummi, tsement , puit. Kasutatakse ka meekärje kujulisi metallist struktuure (joon 10-13). Sellise struktuuriga on mitmed ehitusmaterjalid ja ka lennukikered.
22. Tahkete ainete tsooniteooria alused. Materjali juhtivus.
11.2.1 Energiatsoonide ehitus Vastavalt kvantmehaanilisele teooriale omavad elektronid isoleeritud aatomites ainult kindlaid (diskreetseid) energiaväärtusi (asuvad energiateljel kindlatel energianivoodel). Aatomite
lähenemisel üksteisele (kristallis) toimub aatomite vastasmõju tulemusena väliskihtide elektronide energianivoode lõhustumine peaaegu pidevateks elektronide energiaribadeks (tsoonideks). Igas tsoonis on N lähedase energiaga nivood (olekut), kus N on aatomite arv kristallis. Joonisel 11-1 on näidatud 12 aatomist koosneva kogumi 1s ja 2s elektronide nivoode lõhustumine aatomite lähenemisel elektronide energiatsoonideks, kus on 12 nivood. Igal nivool võib olla 2 elektroni (vastupidise spinniga), seega kokku 2N elektroni. Iga tsoon sisaldab vaid elektrone, mis vastavad isoleeritud aatomi vastavale nivoole. Energiatsoonide ehitus kristallis aatomite tasakaalulise vahekauguse korral on näidatud joonisel 11-2. Osa energiatsoone võivad olla tühjad või ainult osaliselt täidetud elektronidega. Tahkete materjalide elektrilised omadused sõltuvad energiatsoonide ehitusest ja nende täitumisest elektronidega. Tsooni, mis tekib kõige suurema energiaga elektronidest (valentselektronidest) nimetatakse valentstsooniks. Järgmine suuremate lubatud energiatega tsoon on juhtivustsoon. Nende vahel asub keelatud energiate tsoon – keelutsoon . Energiatsoonide ehituseks on neli võimalust (joonisel 11-3 on esitatud tsoonid 0 K juures):
1) Valentstsoon on osaliselt tühi (joon 11-3a). Kõrgeimat nivood, mis 0 K juures on elektronidega täidetud, nimetatakse Fermi nivooks. Temale vastab energia . Selline tsoonide ehitus on omane metallidele, mille väliskihis on üks s elektron (näiteks Cu, millel on väliskihis
elektron). Valentstsoonis võib olla 2N elektroni, on aga ainult N elektroni. Sellise tsoonidiagrammiga ained on elektrijuhid. 2) Valentstsoon on täis, kuid kattub osaliselt juhtivustsooniga (11-3b). Näiteks Mg, tal on väliskihis
elektroni, seega valentstsoonis 2N elektroni ja valentstsoon on täis. Kuid see 3s elektronide tsoon kattub osaliselt 3p elektronide tsooniga. Ka sellise tsoonidiagrammiga ained on juhid.
3) Valentstsoon on täis ja ei kattu juhtivustsooniga, keelutsoon on lai (11-3c). Selline materjal dielektrik (isolaator).
4) sama, keelutsoon on kitsam (11-3d). Materjal on pooljuht . Fermi nivoo asub keelutsooni keskel.
11.2.2 Materjalide juhtivus
Elektriväljas saavad liikuda (ja tekitada juhtivuse ) ainult need elektronid, mille energia ületab Fermi nivoo energia. Neid elektrone nimetatakse vabadeks. Seega elektroni vabastamiseks tuleb ta viia Fermi nivoost kõrgemale tühjale nivoole (anda energiat juurde). Elektrijuhtides (metallides) on selleks vaja juurde anda tühine energia, kuna nivood asuvad väga lähedal (olekute energia on lähedane). Selline olukord on näidatud joonisel 11-4. Juba elektrivälja enda energiast piisab , et vabastada väga suur hulk elektrone. Isolaatorites ja pooljuhtides puuduvad täidetud valentstsoonile lähedased elektronidele lubatud tühjad nivood. Elektroni vabastamiseks on vaja ta viia valentstsoonist juhtivustsooni, st anda juurde energia, mis vastab keelutsooni laiusele Eg (joon 11-5). Elektrivälja energiast selleks ei piisa. Elektrone on võimalik ergastada juhtivustsooni, st vabastada, soojusenergia ja kiirgusenergia abil. Seega temperatuuri tõusuga suureneb ka vabade elektronide kontsentratsioon.
23. Metallide elektrijuhtivus ja ülijuhtivus.
Metallides on suur vabade elektronide arv – kõigi kristalli aatomite valentselektronide arv – ja see ei sõltu temperatuurist. Metalli erijuhtivus on määratud vabade elektronide kontsentratsiooniga n ja nende liikuvusega:, kus e on elektroni laeng ( C). Suurima juhtivusega metallid on hõbe ja vask, nende erijuhtivused on:
Ag S/m
Cu
S/m
Need on puhaste metallide erijuhtivused. Lisandid ja defektid suurendavad elektronide hajutamist, vähendavad liikuvust ja seega ka erijuhtivust. Mõnede metallide ja sulamite erijuhtivused on toodud tabelis (joon 11-7). Metallide korral kasutatakse juhtivuse iseloomustamiseks rohkem eritakistust. Eritakistust seega lisandid ja defektid suurendavad. Metalli summaarne eritakistus avaldub võrrandiga:
kus
– oma-eritakistus;
– lisandite poolt tingitud eritakistus;
– defektide (deformatsiooni) poolt tingitud eritakistus.
Kui lisand moodustab tahke lahuse, siis
kus A – konstant, mis sõltub metallist ja lisandist;
Xi – lisandi moolimurd tahkes lahuses.
Kui sulam koosneb tahkete lahuste α ja β segust, siis;
kus V tähistab vastava faasi ruumalaosa. Eritakistuse sõltuvus temperatuurist. Temperatuuri tõusul elektronide liikuvus väheneb, kuna hajutamine aatomite poolt suureneb. Samal ajal elektronide kontsentratsioon ei muutu, seega eritakistus kasvab. Eritakistuse sõltuvus temperatuurist puhta ja lisanditega vase kohta on toodud joonisel 11-8. Lineaarses osas on sõltuvus avaldatav kujul:
kus ρ0 ja αρ on antud metalli korral konstandid.
on eritakistuse temperatuuritegur. Sõltuvus on avaldatav ka järgmiselt:
(11.1) Metallide korral on
> 0, ligikaudu võrdub
1/273. Joonisel 11-9 on esitatud mitmete metallide eritakistuste sõltuvused temperatuurist. Sõltuvused on lineaarsed, kui esineb kristallmodifikatsiooni muutus, siis muutub eritakistus hüppeliselt. Joonisel 11-10 on toodud vase eritakistuse sõltuvus erinevate lisandite kontsentratsioonist. Sõltuvused on lineaarsed, kusjuures erinevad lisandid suurendavad eritakistust väga erinevalt. Vase puhul mõjutavad eritakistust kõige rohkem P ja Fe.
11.5 Ülijuhtivus
Suuremal osal ülipuhastel metallidel väheneb eritakistus temperatuuri lähenemisel 0 K-le mingile väikesele väärtusele
(joon 12-9). Mõnedel metallidel (nagu joonisel Hg) saab eritakistus peaaegu võrdseks nulliga juba enne 0 K saavutamist. Selliseid materjale nimetatakse ülijuhtideks ja nähtust ülijuhtivuseks. Kõigist tuntud metallidest umbes pooltel esineb ülijuhtivus, kuid ülijuhtivuse tekkimise temperatuur on erinev ja asub vahemikus 0,01 K ( volfram ) kuni 9,2 K ( nioobium ). Ülijuhis praktiliselt puudub energiakadu . Peale metallide on ülijuhtivus leitud ka mitmetes ühendites, kusjuures tunduvalt kõrgemal temperatuuril. Viimastel aastatel on otsitud intensiivselt nn kõrgtemperatuurseid ülijuhte, kus ülijuhtivus tekiks juba toatemperatuuril või veidi madalamal. Mitmetes keraamilistes materjalides on jõutud temperatuurini umbes 150 K. Seega tekib neis ülijuhtivus vedela lämmastiku temperatuurist (77 K) kõrgemal, mistõttu nende jahutamine ülijuhtivuse saavutamise temperatuurini on suhteliselt odav. Nende materjalide puuduseks on aga see, et nad on väga rabedad ja seetõttu nende kasutamine juhtidena on keeruline (ei saa tõmmata traati jne). Ülijuhtivad materjalid on äärmiselt perspektiivsed elektrienergia ülekandmisel, neid kasutatakse ülijuhtivates magnetites suure energiaga osakeste kiirendamisel, projekteeritavas termotuuma- elektrijaamas jne.
24. Dielektrikud ja isolatsioonimaterjalid.
Dielektrikute (isolaatorite) kõige iseloomulikum omadus on nende polariseerumine välises elektriväljas. Polarisatsioon – see on laengute nihkumine dielektriku sees nii, et tekib sisemine elektriväli, mis on suunatud vastupidi välisele väljale. Polarisatsiooni iseloomustab joonis 11-18. Kondensaatori mahtuvus avaldub
(11.8)
kus Q on laeng kondensaatori plaadil.
Kui kondensaatori plaatide vahel on dielektrik, avaldub mahtuvus valemiga:
(11.9)
kus S – plaadi (ja dielektriku) pindala;
l – dielektriku paksus;
ε – võrdetegur, mida nimetatakse dielektriliseks läbitavuseks.
Mida suurem on dielektriline läbitavus, seda suurem on kondensaatori mahtuvus.
Kasutatakse ka suhtelise dielektrilise läbitavuse mõistet :
kus
– kondensaatori mahtuvus, kui plaatide vahel on tühjus (vaakum);
– vaakumi dielektriline läbitavus ( F/m)
Peamised polarisatsiooni liigid (laengute nihkumise liigid) on järgmised (joon 11-19):
A – elektronpolarisatsioon – elektronpilve deformatsioon.
B – ioonide polarisatsioon – ioonide nihkumine võresõlmedest välja.
C – orientatsioon-polarisatsioon – polaarsete molekulide orienteerumine välise välja suunas.
Puhtad dielektrikud ei sisalda vabu laengukandjaid ja ei oma juhtivust. Reaalsed dielektrikud sisaldavad alati lisandeid, mis tekitavad teatud juhtivuse. Kõrgematel temperatuuridel on võimelised liikuma ka dielektriku ioonid (kui ta on ioonilise ehitusega) ja tekib ioonjuhtivus. Dielektrikuid kasutatakse elektriisolatsioonimaterjalidena ja kondensaatorite dielektrikuna. Isolatsioonimaterjalil peab olema võimalikult suur eritakistus ja väike dielektriline läbitavus st ta peab olema mittepolaarne . Peale selle on oluline veel nn läbilöögipinge Ul, so pinge, mille juures materjal kaotab oma isoleerivad omadused. Polümeeridest on paremad elektriisolatsiooniomadused mittepolaarsetel ja vähepolaarsetel: polüetüleenil, polüstüroolil ja teflonil. Nende ruumieritakistus
on
Ωm, ε on 2 – 2,5, Ul on 20 – 40 kV/mm, kuumakindlus kuni 100 C, teflonil kuni 300 C. Polaarsetest lineaarsetest polümeeridest kasutatakse polüvinüülkloriidi (PVC), orgaanilist klaasi (polümetüülmetakrülaat), lavsaani, polüamiide (kapron, nailon) ja polüuretaani. Nende elektroisolatsiooniomadused on veidi halvemad (eritakistus umbes 2 suurusjärku väiksem). Vilk on looduses esinev kristalne aine, mis on kihilise ehitusega (laguneb kergesti õhukesteks kihtideks). Keemiliselt koostiselt on vilk mitmesuguste kristallvett sisaldavate alumosilikaatide segu, millest tähtsamad on:
- muskoviit
- flogopiit
Muskoviit on läbipaistev aine ja üldse üks paremaid elektriisolatsioonimaterjale. Eriti suur on tema läbilöögipinge (100 kV/mm) ja kuumakindlus (600 C). Need andmed on vilgul risti kihtidega. Isolatsioonimaterjalidena kasutatakse veel anorgaanilisi klaase ja eriti keraamilisi materjale. Konkreetsetest materjalidest võib nimetada tavalist isolaatoriportselani, mille põhikomponent on kristalne aine mulliit . Mulliit saadakse kaoliini ja korundi () kooskuumutamisel.
25. Valguse koosmõju tahke kehaga . Metallide optilised omadused.
Kui valgus läheb ühest keskkonnast teise (näiteks õhust mingisse tahkesse materjali), siis juhtub nii mõndagi. Osa valgusest võib läbida selle tahke materjali, osa neelduda (absorbeeruda) selles ja osa peegelduda keskkondade piirpinnalt. Seega võime kirjutada:
kus
– pealelangeva valguse intensiivsus;
– läbinud valguse intensiivsus;
– neeldunud valguse intensiivsus;
– peegeldunud valguse intensiivsus.
Materjale, mis lasevad suurema osa pealelangenud valgusest läbi (neeldunud ja peegeldunud osa on väike) nimetatakse läbipaistvateks. Läbipaistmatud materjalid neelavad või peegeldavad kogu pealelangeva valguse. Osa materjale laseb küll valgust mingil määral läbi, kuid mitte otse, vaid hajunud kujul. Sellised materjalid näivad matid. Metallid on läbipaistmatud, isolaatorid on tavaliselt läbipaistvad, pooljuhid võivad olla nii läbipaistvad kui ka läbipaistmatud.
12.3 Metallide optilised omadused
Suur tühjade elektronide energianivoode olemasolu metallides veidi kõrgemal täidetud nivoodest tingib selle, et metallid neelavad kogu pealelangeva nähtava valguse (joon 12-2 a). Footonid annavad oma energia elektronidele, ergastades nad kõrgematele tühjadele nivoodele. Seetõttu on metallid läbipaistmatud kogu elektromagnetilise kiirguse pikemalainelisele osale kuni ultravioletse kiirguse keskosani. Metallid on läbipaistvad röntgen- ja gammakiirguse suhtes. Suurem osa neeldunud valgusest kiiratakse metalli poolt uuesti välja. Ergastatud elektronid lähevad tagasi madalamatele tühjaks jäänud nivoodele ja kiirgavad välja footoni ligikaudu sama lainepikkusega (joon 12-2 b). See on samaväärne valguse peegeldumisega. Metallid (eriti lihvitud ja poleeritud pinnaga) peegeldavad umbes 90 – 95 % pealelangevast valgusest. Ülejäänud osa kiirguse energiast eraldub soojusena. Selle tõttu on peegeldunud valgus veidi väiksema footoni energiaga (pikema lainepikkusega). Sellise protsessi tulemusena omavad suurem osa metalle hõbedast värvust, kui neid valgustada valge valgusega. Mõnede metallide peegeldusspektris on rohkem pikemalainelist valgust, mistõttu nad on kollase värvusega (kuld) või punakas-oranži värvusega (vask).
26. Mittemetallide optrilised omadused. Valguse murdumine , peegeldumine ja neeldumine .
12.4.1 Valguse murdumine
Kui footon siseneb läbipaistvasse materjali, kaotab ta osa oma energiast, tema kiirus väheneb ja ta kaldub kõrvale sirgjoonelisest liikumissuunast. Valguse kiirust v materjalis iseloomustab murdumisnäitaja n:
Vaakumi n = 1, klaasi n = 1,5 – 1,9. Valguse kiirus materjalis avaldub samasuguse võrrandiga nagu vaakumis:
kus ε ja μ on materjali dielektriline läbitavus ja magnetiline läbitavus. Murdumisnäitaja avaldub:
kus
ja
on suhtelised läbitavused.
Mittemagnetmaterjalide korral
≈ 1 ja . Kahe keskkonna murdumisnäitajad n ja n’ on seotud Snelli võrrandiga:
kus
– murdumisnurk ;
– langemisnurk .
Vastav skeem on toodud joonisel 12-3. Kui valguskiir läheb suurema murdumisnäitajaga keskkonnast väiksema murdumisnäitajaga keskkonda, siis võib toimuda valguse täielik sisepeegeldumine (joon 12-4).Kiire 1 murdumisnurk on 90, sellele vastavat langemisnurka
nimetatakse sisepeegeldumise kriitiliseks nurgaks. Kui langemisnurk , toimub täielik sisepeegeldumine (kiir 2).
12.4.2 Valguse peegeldumine
Pinna peegeldumisvõime (peegeldumistegur) R avaldub:
ja
kus
ja
on pealelangeva ja peegeldunud valguse intensiivsused.
Kui valgus langeb õhukeskkonnast läbipaistva materjali pinnale risti, siis on peegeldumistegur seotud murdumisnäitajaga n järgmise võrrandiga:
Mida suurem on n, seda suurem on ka R.
12.4.3 Valguse neeldumine ja läbiminek
Läbipaistvas materjalis mitteneeldunud (läbi läinud) valguse intensiivsus I avaldub võrrandiga:
Mida väiksemad on α ja l, seda rohkem valgust läbib materjali. Vaatleme lõpuks, kui palju langenud valgusest läbib materjali, kui esinevad neeldumine ja peegeldumine (joon 12-5).
Materjalile langeb valgus intensiivsusega
Esimeselt pinnalt peegeldub:
Materjali siseneb:
Materjali läbib:
Teiselt pinnalt peegeldub:
Materjalist väljub:
27. Materjali värvus. Polümeeride ja komposiitideoptilised omadused.
Valguse neeldumistegur läbipaistvas materjalis sõltub valguse lainepikkusest. Joonisel 12-7 on toodud peegeldunud, neeldunud ja läbinud valguse osakaal rohelises klaasis. Näeme, et kõige rohkem neeldub roheline valgus, läbib aga sinine ja kollakas-oranž. Viimased annavadki kokku rohelise värvuse. Kui materjal neelab kõiki lainepikkusi ühtlaselt, siis on ta värvitu, nagu näiteks ülipuhas klaas, ülipuhas monokristalne teemant ja safiir (). Dielektrikutes tekib neeldumine ja sellele järgnev kiirgamine juhul, kui on sisse viidud lisandeid, mis tekitavad lubatud energiaga nivoosid keelutsoonis. Näiteks kui viia safiiri
ioone, siis omandab ta punase värvuse ja saame rubiini. Joonisel 12-8 on toodud rubiini neeldumisspekter . Rubiini värvust ei määra aga mitte niivõrd läbinud valguse lainepikkused, kuivõrd valguse poolt ergastatud elektronide tagasilangemisel valentstsooni (läbi lisandinivoode) eralduv kiirgus. Värvilise klaasi saamiseks lisatakse talle erinevaid ioone (vt p 8.5). Materjali värvus langeva valguse poolsel küljel on määratud peegeldumisteguri sõltuvusega lainepikkusest. Näiteks joonisel 12-7 toodud roheliselt klaasilt peegeldub valgus kõige rohkem samadel lainepikkustel, kus läbibki. Seega peegeldunud valguses on värvus sama, kuid see ei ole alati nii. Küljelt vaadatuna määrab värvuse hajunud valgus, mis on tavaliselt sama lainepikkusega
kui läbinud valgus, kuid mitte alati.
12.5 Polümeeride ja komposiitide optilised omadused
Polümeerides ja komposiitides on tavaliselt kristalsed osad suurema murdumisnäitajaga ja amorfne keskkond väiksema murdumisnäitajaga. Tulemusena suur osa valgusest materjalis hajub (peegeldub ja murdub) ning materjali läbipaistvus väheneb. Selline materjal on valges valguses matt (joon 12-6).
28. Materjlide soojuslikud omadused: soojusmahtuvus , soojuspaisumine ja soojusjuhtivus.
Keskmine soojusmahtuvus on soojushulk Q, mida materjalile tuleb anda, et tõsta tema temperatuuri 1 kraadi võrra. Tegelik soojusmahtuvus C on piirväärtus, millele läheneb keskmine soojusmahtuvus, kui temperatuuri vahemik ΔT läheneb nullile:
Tehakse vahet soojusmahtuvusel jääval ruumalal
ja jääval rõhul . Soojusmahtuvus on seotud kristallvõre sõlmedes olevate osakeste võnkumisega. Need võnkumised toimuvad tasakaaluasendi ümber väga suure sagedusega ja väikese amplituudiga. Kuna osakesed on omavahel seotud sidemetega, siis on naaberosakeste võnkumine omavahel seotud ja kristallis tekib lainetuse taoline nähtus. Võnkeenergia ei saa omada igasugust väärtust (energia on kvanditud). Väikseim võnkeenergia ühik kannab nimetust foonon .Kuna võnkumiste intensiivsus temperatuuri alanemisel väheneb siis väheneb ka soojusmahtuvus. 0 K lähedal saab ta peaaegu võrdseks nulliga. Soojusmahtuvuse sõltuvus temperatuurist on toodud joonisel 13-1. Madalatel temperatuuridel kasvab soojusmahtuvus kiiresti vastavalt võrrandile:
, kus A on konstant Edasi kasv aeglustub ja alates mingist temperatuurist
jääb püsivaks. Temperatuuri
nimetatakse Debye temperatuuriks, tahketel ainetel on ta tavaliselt allpool toatemperatuuri. Gaasilistel ainetel on
maksimaalväärtus 3R. Suurim soojusmahtuvus on polümeersetel materjalidel, väiksem keraamilistel materjalidel ja metallidel. Metallidest on suurim soojusmahtuvus alumiiniumil.
13.1.2 Soojuspaisumine
Suurem osa materjale paisub temperatuuri tõusul. Materjali lineaarmõõtmete muut avaldub:
kus
ja
– algpikkus ja algtemperatuur;
ja
– lõpp-pikkus ja lõpptemperatuur;
– joonpaisumise tegur.
Analoogiliselt ruumala muut:
Ruumpaisumise tegur
on isotroopsete materjalide korral võrdne 3. Atomaarsel tasemel tähendab materjali paisumine aatomitevahelise kauguse suurenemist . Seda on võimalik selgitada aatomite potentsiaalse energia (sidemeenergia) sõltuvusega aatomite vahelisest kaugusest (joon 13-2a). Tasakaalulisele aatomitevahelisele kaugusele 0K juures vastab . Kõrgematele temperatuuridele vastavad vibratsiooni energiad ,
jne. Koos energia kasvuga kasvab ka vibratsiooni amplituud – näidatud nooltega. Kuna potentsiaalse energia sõltuvus vahekaugusest on ebasümmeetriline, siis suureneb temperatuuri tõusul ka keskmine vahekaugus (vastavalt ,
jne). Kui potentsiaali auk oleks sümmeetriline, nagu näidatud joonisel 13-2b, siis paisumist ei toimuks. Mida tugevam on side aatomite vahel, seda järsem ja kitsam on potentsiaali auk ning seda väiksemad on
ja . Suurim paisumine esineb polümeeridel, väiksem metallidel ja veel väiksem keraamilistel materjalidel. Mida väiksem on , seda paremini talub materjal termilisi lööke. Kõige väiksem
on sulatatud kvartsil, mida võib valge hõõgumise temperatuurilt asetada vette.
13.1.3 Soojusjuhtivus
Materjali soojusjuhtivust iseloomustab soojusjuhtivuse tegur k. Ta on võrdeteguriks soojusvoo Jq (ajaühikus läbi pinnaühiku liikunud soojushulk) avaldises:
Soojuse ülekanne toimub kahe mehhanismi kaudu:
1) kristallvõre võnkeenergia (foononite) ülekandumisena;
2) vabade elektronide energia ülekandumisena.
Seega
Metallidel on peamine ülekandemehhanism – vabade elektronide abil. Seetõttu on nende k võrdeline erijuhtivusega σ ja temperatuuriga T:
kus L on võrdne kõigile metallidele (Wiedemann – Franzi konstant). Metallide soojusjuhtivus ongi suurim, väiksem on see keraamilistel materjalidel ja veel väiksem polümeeridel. Termoisolatsiooniks kasutatavatel materjalidel peab olema võimalikult väike soojusjuhtivus.
29. Ferromagneetikud ja ferrimagnetism.
13.2.1 Üldmõisted. Ferromagnetism ja ferrimagnetism
Välist magnetvälja iseloomustab magnetvälja tugevus H. Silindrilise pooli poolt tekitatud magnetvälja tugevus avaldub:
Kus n – pooli keerdude arv;
I – voolutugevus , A;
L – pooli pikkus, m.
Magnetvälja materjali sees iseloomustab magnetiline induktsioon ehk magnetvoo tihedus B:
kus μ – materjali magnetiline läbitavus (H/m).
Tavaliselt kasutatakse suhtelist magnetilist läbitavust:
kus μ0 on vaakumi magnetiline läbitavus.
Sõltuvalt μ väärtusest jaotatakse materjalid kolmeks:
1) ferromagneetikud ( magnetmaterjalid )mille 1 r >> μ
2) paramagneetikud, mille 1 r ≥ μ
3) diamagneetikud, mille 1 r ≤ μ
Joonisel 13-3 on näidatud ferro-, para- ja diamagneetikute B sõltuvus H-st väikestel väljatugevustel. Vaatleme edasi ainult magnetmaterjale. Magnetmomentide tekkimine magnetmaterjalides on seotud elektronide spinnidega. Ferromagneetikutes esinevad makroskoopilised osad – domeenid – mille piires on kõigi elektronide spinnid orienteeritud paralleelselt (joon 13-4). Üksikud domeenid on orienteeritud juhuslikult, mistõttu materjalil summaarne magnetmoment puudub. Magnetilise induktsiooni sõltuvust materjalis välise magnetvälja tugevusest B = f(H) nimetatakse magneetimiskõveraks (joonised 13-5 ja 13-7). Magneetimisel toimub kaks efekti:
1) domeenide kasv (kasvavad need domeenid, mille orientatsioon on lähedane välise magnetvälja suunale);
2) domeenide magnetmomentide pöördumine välise välja suunda.
Kui need protsessid lõpevad, saavutatakse küllastus, millele vastab küllastusinduktsioon . Magneetimiskõveralt saab leida magnetilise läbitavuse μ. Väikestele väljatugevustele vastab esialgne magnetiline läbitavus μi. Erinevad magneetimiskõverad ja neile vastavad μ sõltuvused H-st on toodud joonisel 13-6. Välise magnetvälja perioodilisel muutmisel tekib nn hüstereesisilmus (joon 13-8). Hüstereesisilmust iseloomustavad parameetrid on küllastusinduktsioon , jääkinduktsioon
ja koertsitiivjõud . Ferrimagneetikud erinevad ferromagneetikutest selle poolest, et neis on osa spinne orienteeritud vastupidises suunas ja nende magnetmomendid on väiksemad (joon 13-9c). Neid nimetatakse ferriitideks. Tüüpiline esindaja on magnetiit . Nende μ ja
on veidi väiksemad kui ferromagneetikutel. Magnetilised omadused (näiteks μ) sõltuvad temperatuurist. Ülalpool teatud temperatuuri (Curie temp) ferromagnetilised omadused kaovad, kuna domeenide struktuur kaob.
30. Magnetmaterjalid.
Tüüpilised ferromagnetilised materjalid on Fe, Co ja Ni. Mitmed keraamilised materjalid (ferriidid)
on ferrimagneetikud. Magnetmaterjalid jaotatakse magnetiliselt pehmeteks ja magnetiliselt kõvadeks. Erinevus on hüstereesisilmuses. Magnetiliselt pehme materjali hüstereesisilmus on kitsas (joon 13-10a), neil on suur μ ja väike . Magnetiliselt kõvadel (joon 13-10b) on väiksem μ, aga suur . Magnetiliselt pehmeid materjale kasutatakse vahelduvas magnetväljas ( trafode ja poolide südamikud jne). Kuna esinevad energiakaod pöörisvoolude tekkimise tõttu, siis eelistatakse suurema eritakistusega materjale. Kasutatakse järgmisi materjale:
1) Ülipuhas raud – tal on ülisuur :
= 1430000 H/m. Väikese ρ tõttu kasutatakse ainult püsiva magnetvoo juhina .
2) Elektrotehniline lehtteras: sisaldab 4% Si, mis suurendab eritakistust. Kasutatakse isoleeritud lehtede kihina, mis takistab pöörisvoolude tekkimist.
3) Permalloidid – Fe ja Ni sulamid. Paremate omadustega, kuid kallimad.
4) Ferriidid – kõrgsageduslikud materjalid, kuna suur eritakistus.
Magnetiliselt kõvasid materjale kasutatakse püsimagnetite, magnetlintide ja magnetiliste mäluelementide valmistamiseks. Kasutatakse järgmisi materjale:
1) legeeritud ja karastatud terased;
2) magnetiliselt kõvad sulamid (näit alniko Fe – Al – Ni – Co);
3) magnetiliselt kõvad ferriidid.
Nende tähtsaim omadus on väljapoole antav maksimaalne energia, mis võrdub korrutise B·H maksimumiga. See on leitav hüstereesisilmuse neljandast sektorist (joon 13-11) Suurima energiaga on alniko,
ja eriti mõned ferriidid ().