KLASIFIKACIJA MATERIJALA - Mikroelektronikamikro.elfak.ni.ac.rs/...metali-i-keramika.pdf · OSNOVNE...

KLASIFIKACIJA MATERIJALA

UVOD U STRUKTURU MATERIJALA

• MATERIJA je sve što zauzima neki prostor i poseduje masu.

• Materijali su ona jedinjenja koja se pogodnim postupcima mogu oblikovati u predmete

tačno određenog oblika, veličine i upotrebne vrednosti.

• MATERIJALI su čvrsta JEDINJENJA od kojih je nešto izrađeno ili sastavljeno.

• TEHNIČKI MATERIJALI su oni MATERIJALI od kojih se izrađuju tehnički

proizvodi, a poseduju kombinaciju povoljnih fizikalno-kemijskih svojstava koja

nazivamo tehničkim svojstvima.

• JEDINJENJE koja posjeduje tehnička svojstva mora ispuniti još dva preduslova postane

tehnički materijal:

- mora da može da se prerađuje

- mora bit pristupačno CENOM.

• Broj materijala od 1940. god. do danas ekponencijalno raste.

• Procene govore da danas raspolažemo s oko 100 000 različitih vrsta materijala.

• Broj osnovnih vrsta materijala je znatno manji, raznovrsnost se postiže variranjem

SASTAVA i STRUKTURE

Struktura materijala može se istraživati i opisati na četiri različita nivoa:

1. makrostruktura

2. mikrostruktura

3. nanostruktura

4. struktura na nivou atoma.

➢MATERIJALI u svakoj grupi imaju RAZLIČITU STRUKTURU I SVOJSTVA.

➢STRUKTURA ↔ SVOJSTVA

➢STRUKTURA ČVRSTIH JEDINJENJA zavisi od:

1. Vrste veza između strukturnih jedinica

➢- strukturne jedinice: atomi, ioni, molekuli, makromolekuli.

2. Slaganja strukturnih jedinica:

- kristalna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica dugog dometa),

npr. metali, legure, keramika.

- amorfna struktura (pravilan raspored strukturnih jedinica kratkog dometa),

npr. staklo.

- kombinacija kristalne i amorfne strukture,npr. polimeri, keramika.

OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA

➢METALI I LEGURE: dobri su provodnici toplote i elektriciteta, kovu se,

izvlače u žice, čvrsti.

➢ POLIMERI: mala gustina, loši provodnici, tope se i razlažu pri srazmerno nižoj

temperaturi

➢KERAMIKA I STAKLA: tvrdi i krhki, izolatori, otporni pri povišenenim

temperaturama.

➢KOMPOZITI: Kompoziti su složeni materijali sastavljeni od najmanje dva ili

više materijala iz ove tri osnovne klase

➢ Danas je u nauci o materijalima uobičajna podela na tri osnovne grupe

materijala: metale, keramiku i polimere.

➢ Ovakva podela je prvenstveno bazirana na hemijskom sastavu i atomskoj

strukturi materijala.

➢ Dodatno, postoje i takozvani kompozitni materijali (hibridni).

OSNOVNE GRUPE TEHNIČKIH MATERIJALA

Sem ove podele prisutna je i podela na šest grupa koje su prikazane na slici to su:

metali, polimeri, elastomeri, keramike, stakla i hibridi. Ova podela je nastala tako što

su iz keramike izdvojena stakla kao posebna grupa i elastomeri iz polimera.

Taksonomija materijala i njihovih atributa. Način daljeg deljenja grupe (familije) materijala na

klase, podklase i članove, pri čemu se svaka od ovih kategorija odlikuje odgovarajućim

svojstvima.

Smisao klasifikacije na familije je zasnovan na činjenici da pripadnici jedne familije

imaju određena zajednička svojstva: slična osobine, načine obrade, i često, vrlo slične

primene.

➢ Za svaku familiju materijala postoje i karakteristične metode obrade, uticaji na

životnu sredinu, posledice njegove upotrebe i oblast karakteristične primene.

➢ Sve ovo se naziva zajedničkim imenom profil svojstava materijala.

➢ Izbor i selekcija podrazumeva traženje najboljeg poklapanja profilom svojstava

materijala i onih koji su predviđeni projektnim ciljem proizvoda.

➢ Nezavisno od ovih podela na tri odnosno šest osnovnih grupa materijala postoji još

jedna nezavisna grupa materijala. U pitanju su takozvani napredni materijali.

➢ Ova grupa materijala se primenjuje u visokoj tehnologiji – proizvodnji

poluprovodnika, biomaterijala, pametnih materijala i nanoinženjeringu materijala.

M E T A L I

➢ Materijali u ovoj grupi sadrže više metalnih elemenata (poput gvožđa,

aluminijuma, bakra, titanijuma, zlata i nikla).

➢ Često se kao primese mogu pojaviti nemetalni elemenati (npr. ugljenik, azot ili

kiseonik) u relativno malim količinama.

➢ Pojam metalne legure se koriste u vezi sa metalnim supstancama koje se sastoje

od dva ili više elemenata.

➢ Atomi u metalima i njihove legure su organizovani na vrlo pravilan način i u

poređenju sa keramičkim i polimernim materijalima imaju relativno veću gustinu

➢ Većina metala kristališe u KUBNOM I HEKSAGONALNOM sistemu.

1. Zapreminski centrirana kubna rešetka

2. Površinski centrirana kubna rešetka PCK

3. Gusto pakobana heksagonalna rešetka

Grafički prikaz gustine na sobnoj temperaturi za različite metale, keramike,

polimere i kompozitne materijale

U vezi sa mehaničkim svojstvima, ovi materijali su relativno kruti i jaki (čvrsti), nisu otporni

na lom ali su ipak žilavi (što znači da mogu da izdrže velike deformacije bez loma), što

doprinosi njihovoj širokoj primeni u konstrukcijama.

Grafički prikaz čvrstoće (zatezne čvrstoće) na sobnoj temperaturi za

različite metale, keramike, polimere i kompozitne materijale

Grafički prikaz otpornosti na lom na sobnoj temperaturi za različite metale,

keramike, polimere i kompozitne materijale

Metalni materijali imaju veliki broj nelokalizovanih elektrona, to jest onih elektrona koji

nisu čvrsto povezani sa posmatranim atomom. Mnoga svojsta metala su posledica ovih

slobodnih elektrona. Metali su ekstremno dobri provodnici elektriciteta i toplote, i ne

propuštaju svetlost; polirani metali imaju površinu koja daje svetao izgled. Sem toga, neki

metali (kao Fe, Co i Ni) imaju poželjna magnetna svojstava.

Grafički prikaz električne provodnosti na sobnoj temperaturi za različite metale, keramike,

polimere i kompozitne materijal

KERAMIČKI MATERIJALI

➢ Keramikos (grč.= pečen materijal) – željena svojstva keramika dobivaju

se pečenjem na visokoj temperaturi

➢ Keramike su nemetalni neorganski materijali sastavljeni iz hemijskih elemenata metala

i nemetala. To su najčešće oksidi, nitridi i karbidi.

➢ Uvek su sastavljene iz više od jednog hemijskog elementa ( Al2O3, SiC, SiO2, Si3N4)

➢ Hemijske veze u keramikama su delomično ili potpuno jonske, a mogu biti i

kombinovane jonske i kovalentne veze

➢ keramike su uopšte tvrde i krte

➢ keramike su električni i toplotni izolatori

➢ mogu biti providne, poluprovidne ili neprovidne

➢ tradicionalne keramike – temelje se na glini (porculan, grnčarija, cigle), stakla

➢ nove keramike (tehničke, napredne keramike) – za elektroniku, kompjutere i avionsku

industriju

KERAMIČKI MATERIJALI

Podela tradicionalnih keramika

Slojasti silikati

Kaolin – izmjenjuju se slojevi (Si2O5) 2-s Al2(OH)4 2+ slojem

Kaolin služi za dobivanje porculanskih proizvoda.

Kada voda dođe u smesu ona omogućava klizanje slojeva i lako oblikovanje

kaolinske gline.

Silikatna keramika

➢ sastavljena je uglavnom iz silicijuma i kiseonika, dva najzastupljenija

hemijska elementa u zemljinoj kori

➢ osnovni izgrađivački blok je SiO44 – tetraedar

➢ Si-O veza je 50% kovalentna 50% ionska;

➢ uvek SiO4 blok ima naelektrisanje – 4

➢ postoje različite silikatne strukture – različiti načini slaganja SiO4 4 – tetraedara

➢ veliki broj prirodnih minerala su silikati: gline, feldšpati, i talk

➢ silikatni materijali– staklo, cement, opeka, električni izolacijski materijali

➢ iz SiO2 (T topljenja 1713 C) - opeke za oblaganje peći za topljenje

Silicijum dioksid, SiO2

➢ Silicijum dioksid može biti kristalne građe (kvarc) ili amorfne u staklima

3D mreža iz SiO4 tetraedara u kristobalitu koji ima visoku temperaturu topljenja

od 1710 C

Prozorsko staklo

➢ obično prozorsko staklo dobiva se dodavanjem CaO i Na2O čiji su katjoni

uklopljeni unutar SiO4 mreže. Katjoni razbijaju tetraedarsku mrežu pa je

temperatura topljenja stakla niža nego čistog amorfnog SiO2 (lakše je dobiti

gotove proizvode – npr. boce)

Amorfna struktura stakla

Ugljenikova keramika

➢ Ugljenik u kristalnoj strukturi grafita i dijamanta spada u keramičke materijale

➢ dijamant – po strukturi kristala sličan keramici, ima čistu kovalentnu vezu,

najtvrđi materijal, ima nisku električnu provodnost, ima visoku toplotnu

provodnost (različito od keramika); temperatura topljenja dijamanta: 2400C

➢ grafit - slojasta struktura; jake kovalentne veze između atoma ugljenika u

sloju , a slabe van der Waalsove veze između slojeva služi za podmazivanje i za

olovke

➢ dobar je provodnik elektriciteta

➢ hemijski je postojan i na visokim temperaturama

upotreba: peći, elektrode za zavarivanje

Oblikovanje keramičkih proizvoda

Razlika između tradicionalnih i tehničkih keramika je u tome što su:

tradicionalne keramike smese hemijskih jedinjenja (prirodni materijali –npr. gline) i

modifikovane su različitim dodacima dok su

tehničke keramike uglavnom čista hemijska jedinjenja (oksidi, karbidi, nitridi) ili njihove

kombinacije. Zbog njihove ćistoće zadržavaju svoja specifična svojstva.

Proces dobivanja proizvoda iz tehničke keramike (iz praha)

Kuglični mlin. Hidraulična presa WPM VEB - Thuringer

Industriewerg Raunestein

Peć za sinterovanje LFT 16/15/180.

NEKI PROIZVODI IZ TEHNIČKE KERAMIKE