53058 Materiaalifysiikka I, 5 op

Transkriptio

1 53058 Materiaalifysiikka I, 5 op sl 2010 Luennoitu aikaisemmin: sl 2008, sl 2009 Juhani Keinonen 1. Luento

2 Alkusanat Oppikirja 1: Brian S. Mitchell: Materials Engineering and Science for Chemical and Materials Engineers Oppikirja 2: William D. Callister, Jr.: Materials Science and Engineering, An Introduction (sixth edition) Luentomuistiinpanot Luennot: ti, to 12-14, Exactum BK 113 Laskuharjoitukset: ti ja ke 8-10 Aarne Pohjonen paikka: BK 113 Koe: klo

3 Alkusanat Kotisivu Almassa työryhmäalueella Kalvot siellä ennen luentoa Hyväksytty suoritus: yksi koe, 50% maksimipisteistä Laskuharjoitukset: 0-15% bonuspistettä, vähintään 1/3 täytyy olla laskettuna Rasti-ruutuun menetelmä laskuharjoituksissa Loppuarvosana: 45%-55% -> 1, >85% ->

4 Alkusanat Arvostelu: = p 1 + (0-1) x 0,15 p % % % % % % 4

5 Kurssin päämääränä on antaa yleiskatsaus tämän päivän materiaalitieteeseen, välttämättömät perustiedot ja terminologia. Kurssi on luonteeltaan ei-matemaattinen eli kvalitatiivinen paljon käsitteitä sisältävä, jotka tarpeellisia tieteellisen kirjallisuuden ymmärtämisen kannalta. 5

6 Määritelmiä Materiaalitiede (Materials Science) Pidetään usein, erityisesti USA:ssa, omana tieteenään ( Department of Materials Science, MRS, EMRS, ) Tämä kurssi on materiaalifysiikkaa, koska korostan fysiikan näkökulmaa materiaalitieteessä mutta suhteessa kiinteän olomuodon fysiikkaan tai kondensoituneen aineen fysiikkaan korostan materiaalien ominaisuuksia. Käsiteltävät materiaalit ovat kiinteää ainetta tai pehmeää kiinteää ainetta, ei nesteitä tai kaasuja. 6

7 Historiaa Materiaalien tieteellinen tutkimus alkoi jo luvulla metalleihin liittyen. Tutkimus liittyi kaivosteollisuuteen ja siihen perustuvaan metalliteollisuuteen. Tutkimus laajeni 1950-luvulla puolijohteisiin ja keraameihin. Myös yhteys fysiikkaan, kemiaan ja biologiaan alkoi voimistua. Teknillisten yliopistojen metallurgiaosastot muuttuivat materiaalitieteen osastoiksi. Tutkimus siirtyi makroskooppisten ominaisuuksien ja makromateriaalien tutkimuksesta enenevässä määrin atomitasolle. 7

8 Teollisuusnäkökulma Materiaalitieteellä on luonnollisesti suunnaton teollinen merkitys. Metalliteollisuus: pitkät perinteet, mutta voimakas kehittyminen (esimerkiksi Outokumpu Poricopperin nm-luokan metallilangat) Puolijohdeteollisuus: perustuu 1950-luvulla alkaneeseen tutkimukseen, mutta kasvanut ja mahdollistanut informaatiovallankumouksen. Polymeerit, muovit: laajentunut ja laajenee edelleen voimakkaasti Keraamiset materiaalit: erityisesti korkean lämpötilan sovellukset Nanomateriaalit: Odotetaan olevan uuden teollisen vallankumouksen perusta. 8

9 Nanoteknologia on seuraava vallankumous. 9

10 Miten lyhyt on nanometri (10-9 m)? 1 nm 10 nm 100 nm 1 m 10 m 100 m 1 cm 10 cm 1 m 10 CERN

11 Materiaalien luokittelu Materiaalit voidaan luokitella lukuisilla eri tavoilla. Jotkut perusluokittelut ovat hyvin määriteltyjä. Sidostyypin mukaan: metallit, keraamit, polymeerit Käytön mukaan: puolijohteet, biomateriaalit, älykkäät materiaalit Koostumuksen mukaan: puhtaat materiaalit, komposiitit Osien koon mukaan: bulkkimateriaalit, nanomateriaalit

12 The world of materials Alumina Si-Carbide Ceramics, glasses Soda-glass Pyrex Steels Cast irons Al-alloys Metals Cu-alloys Ni-alloys Ti-alloys GFRP CFRP Composites KFRP Plywood PE, PP, PC PA (Nylon) Polymers, elastomers Butyl rubber Neoprene Polymer foams Metal foams Foams Ceramic foams Glass foams Woods Natural materials Natural fibres: Hemp, Flax, Cotton

13 Materiaalien luokittelu Metallit ja yhdisteet Keraamit ja lasit Polymeerit Komposiitit Biologiset materiaalit 13

14 Metallit Atomien väliset sidokset metallisidokset: Paljon vapaita elektroneja, vapaa elektronikaasu Suora seuraus vapaista elektroneista: hyvä sähkön- ja lämmönjohtokyky mutta ei läpinäkyvyyttä Mahdollinen sekaannus: Välistä hyvää sähkönjohtavuuskykyä käytetään metallien määrittelyyn. Siten esimerkiksi tietyt hiilen nanoputket metallisia vaikka niillä aivan erilainen sidostyyppi. Keraamit Useimmiten metallisten ja ei-metallisten alkuaineiden kombinaatioita: vahvoja ionisia tai kovalenttisia sidoksia Useimmiten ei sähkönjohtokykyä

15 Polymeerit Koostuvat pienistä kovalanttisesti sidotuista molekyyleistä, jotka sidotut toisiinsa kovalenttisilla (ja usein osittain ioni- ja vety-) sidoksilla. Kokonaisuus on yksi molekyyli. Komposiitit Eri alkuaineiden sekoituksia. Ominaisuudet yhdistävät eri osien ominaisuudet. Voivat myös olla yhden alkuainetyypin sekoitus, esimerkiksi metalli seostettuna toisen metallin kanssa. Komposiitin osien suuruusskaala voi olla mikä tahansa nano- ja senttimetriskaalan välillä

16 Biomateriaalit Perustuvat biologisiin molekyyleihin ja rakenteisiin tai ovat bioyhteensopivia. Materiaali voi olla elävää! Puolijohteet Materiaalit, joiden sähköiset ominaisuudet ovat metallien ja eristeiden välissä. Johtamiskyky riippuu vahvasti lämpötilasta, mutta on 0 kun T = 0 K Useimmiten johtamiskyky herkkä epäpuhtauksille. Säädetään niiden avulla! Sekaannus: ovat mekaanisesti kovia ja hauraita, joten voidaan kutsua keraameiksi

17 Älykkäät materiaalit Älykkäillä materiaaleilla tarkoitetaan sellaisia, jotka jollain tavoin muuttavat ominaisuuksiaan ympäristön muuttuessa. Esimerkiksi ikkunalasi, joka muuttaa väriään auringon valossa Käytetään usein materiaalisysteemeissä, toiminnallisissa materiaalikombinaatioissa Bulkkimateriaali vs. nanomateriaali Bulkkimateriaaleilla, ainakin metalleilla, on tyypilliset pienimmät rakenneosat lähes makroskooppisia ja homogeenisia, esimerkiksi metallirakeet kooltaan m

18 Mitä nanotiede on? Tutkimusmenetelmien ja teknologian kehittämistä makroja mikromaailmasta poikkeavien nanomittakaavan uusien ilmiöiden ja prosessien tutkimiseksi Uusien funktionaalisten atomi- ja molekyylitason materiaalien, rakenteiden ja laitteiden karakterisoimista, mallintamista, suunnittelemista ja valmistamista Uusien nanomittakaavan ilmiöiden ja rakenteiden manipuloimista ja kontrolloimista atomi- ja molekyylitasolla Kaksi olennaista määrettä: Uutuus, Hallittavuus Nanoteknologia: Sovellussuuntautunut Nanoliiketoiminta, nanotuotteet: Kaupallinen toiminta 18

19 Mitä nanoteknologia on? Nanoteknologia on (kaikenkokoisten) hyödyllisten/toiminnallisten materiaalien, laitteiden ja systeemien aikaansaamista kontrolloimalla/manipuloimalla materiaalia nanometrin pituusasteikossa ja hyödyntämällä uusia ilmiöitä ja ominaisuuksia, jotka johtuvat nanometrin pituusasteikosta. Fysikaaliset Sähköiset Optiset Kemialliset Mekaaniset Magneettiset 19

20 Mitä erityistä on nanoskaalassa? Atomit ja molekyylit ovat tyypillisesti pienempiä kuin 1 nm ja niitä tutkitaan kemiassa. Tiiviin aineen fysiikka tarkastelee kiinteitä aineita, joissa äärettömän pitkät sidottujen atomien rakenteet. Nanotiede tarkastelee niiden välistä mesomaailmaa. Kvanttikemiaa ei voida soveltaa (vaikka peruslait ovat voimassa) ja systeemit eivät ole riittävän suuria fysiikan klassillisille laeille. Koosta riippuvat ominaisuudet Pinnan suhde tilavuuteen - 3 nm:n rautahiukkasella on 50% atomeista pinnalla - 10 nm:n hiukkasella 20% pinnalla - 30 nm:n hiukkasella vain 5% pinnalla 20

21 Esimerkkejä nanorakenteista? AFM Image of DNA Esimerkkejä - Hiilen nanoputket - Proteiini, DNA - Yhden elektronin transistori Ei pelkästään koon pienentäminen vaan nanoskaalan ilmiö - Koosta johtuva tilavankeus - Rajapinnan ilmiön dominointi - Kvanttimekaniikka Uusi käyttäytyminen nanoskaalassa ei ole ennustettavissa makroskaalassa tunnetun perusteella. 21

22 Nanoskaalan materiaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia Kvanttikoon ilmiöt tuottavat ainutlaatuisia mekaanisia, sähköisiä, fotoniikan ja magneettisia ominaisuuksia nanoskaalan materiaaleissa. Nanoskaalan materiaalien kemiallinen reaktiivisuus poikkeaa suuresti makroskooppisen materiaalin ominaisuuksista, esimerkiksi kulta. Hyvin suuri pinta massayksikköä kohti, esimerkiksi jopa 1000 m 2 per gramma. Yleisten kemiallisten alkuaineiden uudet kemialliset muodot, esimerkiksi hiilen fullereeni ja nanoputket, titaanioksidi, sinkkioksidi, muut kerroksiset yhdisteet. 22

23 Mikä on uutta nanotieteessä? Monet teknologiat riippuvat jo nanoskaalan materiaaleista ja prosesseista - valokuvaus ja katalyysit ovat vanhoja esimerkkejä - kehitetty empiirisesti vuosikymmeniä sitten Olemassa olevissa teknologioissa, jotka käyttävät nanomateriaaleja/prosesseja, nanoskaalan ilmiön merkitys on ymmärretty vasta hiljattain; sattumalta tehdyt keksinnöt - ymmärryksen lisääntyessä on mahdollista parannuksiin Kyky suunnitella monimutkaisempia systeemejä - suunniteltu kova ja luja mutta kevyt materiaali - itsestään korjaantuvat materiaalit 23

24 Ominaisuuksien kokoriippuvuus Materiaaleissa, joissa vahva kemiallinen sidos, valenssielektronien delokalisaatio voi olla mittavaa. Delokalisaation suuruus voi riippua systeemin koosta. Myös rakenne muuttuu koon mukaan. Nämä kaksi muutosta voivat johtaa erilaisiin fysikaalisiin ja kemiallisiin, koosta riippuviin, ominaisuuksiin - Optiset ominaisuudet - Energia-aukko - Sulamispiste - Ominaislämpö - Pinnan reaktiivisuus - Vaikka sellaisista nanohiukkasista muodostetaan makroskaalan kiinteä aine, bulkkimateriaalin uudet ominaisuudet ovat mahdollisia. - Esimerkki: lisääntynyt plastisuus 24

25 Lisää kokoriippuvia ominaisuuksia Puolijohteissa, kuten ZnO, CdS ja Si, energia-aukko muuttuu koon mukaan - Energia-aukko vastaa energiaa, joka tarvitaan nostamaan elektroni valenssivyöltä johtavuusvyölle. - Kun energia-aukko on näkyvän valon alueella, muutos energia-aukossa tarkoittaa värin muutosta. Magneettisissa materiaaleissa, kuten Fe, Co, Ni, Fe 3 O 4, magneettiset ominaisuudet ovat riippuvaisia koosta - Koersiivinen voima (tai magneettinen muisti), joka tarvitaan sisäisen magneettikentän kääntämiseen hiukkasen sisällä on koosta riippuva. - Hiukkasen sisäinen magneettinen kenttä voi riippua koosta. 25

26 Nanovallankumous Feynmanin luento 1959: There is Plenty of Room at the Bottom antoi vision jännittäville uusille löydöille, jos osattaisiin valmistaa materiaaleja/laitteita atomi- /molekyyli-skaalassa. Instrumenttikeksinnöt 1980-luvulla (STM, AFM) antoivat silmät ja sormet nanoskaalan manipuloinnille, mittauksille,... STM Image of Highly Oriented Pyrolitic Graphite Nanoskaalan ominaisuuksien tutkimus on kasvanut räjähdysmäisesti - Alle mikrometrin itsejärjestäytyneet nanorakenteet, jotka tuottavat koostumuksia bottom-up - eikä topdown -periaatteella - Karakterisointi ja sovellukset - Hyvin sofistikoidut tietokonesimulaatiot lisäävät ymmärrystä ja tuottavat designer-materiaaleja 26

27 Pinta-atomien prosenttiosuus Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Ed. K.J. Klabunde, Wiley,

28 Pinta-atomien suhde bulkkiatomeihin Pallomainen raudan nanokide J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p

29 Nanoskaala = Suuri pinta-alan suhde tilavuuteen Toistetaan 24 kertaa Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä noin 1,7 cm per sivu materiaalia jaettuna 24 kertaa tuottaa 1 nanometrin kuutioita ja levitettynä yhden kuution kerroksena peittäisi jalkapallokentän. 29

30 Yhteenveto: Nanotieteen keskeiset asiat Koko & Skaala: Kun koko ja skaala muuttuvat, aineen ominaisuudet muuttuvat ja tarvitaan fysiikan eri lait selittämään nämä ominaisuudet. Aineen rakenne: Kaikki aine koostuu atomeista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä. Atomit vuorovaikuttavat keskenään muodostaakseen molekyylejä. Koosta riippuvat ominaisuudet: Aineen ominaisuudet voivat muuttua skaalan mukana. Kun materiaalin koko lähestyy nanoskaalaa, sillä on usein odottamattomia ominaisuuksia, joiden seurauksena on uusi toiminnallisuus. 30

31 Yhteenveto: Nanotieteen keskeiset asiat Voimat: Kaikki vuorovaikutukset voidaan kuvata erilaisilla voimilla, mutta näiden voimien suhteellinen vaikutus muuttuu skaalan mukana. Nanoskaalassa muuttuvat sähköiset voimat dominoivat kappaleiden välisiä vuorovaikutuksia. Välineet & Instrumentaatio: Välineiden ja instrumenttien kehitys auttaa edistämään tieteen kehitystä. Itsejärjestäytyminen: Erityisissä olosuhteissa jotkut materiaalit voivat spontaanisti järjestäytyä järjestäytyneiksi rakenteiksi. Tämä prosessi tarjoaa hyödyllisen menetelmän manipuloida ainetta nanoskaalassa. 31

32 Materiaalien tarkastelu tehdään ominaisuuksien mukaisesti 1. Materiaalien rakenne 2. Tiiviin aineen termodynamiikka 3. Kineettiset prosessit materiaaleissa 4. Materiaalien kuljetusominaisuudet 5. Materiaalien mekaniikka Materiaalifysiikka II 6. Materiaalien sähköiset, magneettiset ja optiset ominaisuudet 7. Materiaalien prosessointi 32

33 1. Materiaalien rakenne Metallit ja yhdisteet: kiderakenteet, pistevirheet, dislokaatiot Keraamit ja lasit: kiderakenteet, virheiden reaktiot, lasiolomuoto Polymeerit: konfiguraatio, konformaatio, molekyylipaino Komposiitit: matriisit, pakottaminen Biologiset materiaalit: biokemia, kudosrakenne 33

34 2. Tiiviin aineen termodynamiikka Metallit ja yhdisteet: faasitasapainot, Gibbsin sääntö, vipusääntö Keraamit ja lasit: kolmisysteemit, pintaenergia, sintrautuminen Polymeerit: faasierkautuminen, polymeeriliuokset, polymeeriseokset Komposiitit: adheesio, koheesio, leviäminen Biologiset materiaalit: solun adheesio, solun leviäminen 34

35 3. Kineettiset prosessit materiaaleissa Metallit ja yhdisteet: transformaatiot, korroosio Keraamit ja lasit: lasittumisen purkautuminen (devitrifikaatio), nukleaatio, kasvu Polymeerit: polymerisaatio, hajoaminen Komposiitit: kerrostuminen, imeytyminen Biologiset materiaalit: reseptorit, ligandi sidos 35

36 4. Materiaalien kuljetusominaisuudet Metallit ja yhdisteet: invisiidit systeemit, lämpökapasiteetti, diffuusio Keraamit ja lasit: newtonvirtaus, lämpökapasiteetti, diffuusio Polymeerit: ei-newtonvirtaus, lämpökapasiteetti, diffuusio Komposiitit: huokoinen virtaus, lämpökapasiteetti, diffuusio Biologiset materiaalit: kuljetus, diffuusio 36

37 5. Materiaalien mekaniikka Metallit ja yhdisteet: jännitys-venymä, elastisuus, muovailtavuus Keraamit ja lasit: väsyminen, murtuminen, viruma Polymeerit: viskoelastisuus, elastomeerit Komposiitit: laminaatit Biologiset materiaalit: suturit, luu, hammas 37

38 6. Materiaalien sähköiset, magneettiset ja optiset ominaisuudet Metallit ja yhdisteet: vastus, magnetismi, heijastaminen Keraamit ja lasit: dielektrit, ferriitit, absorptio Polymeerit: ionijohtimet, molekyylimagneetit, LCD:t Komposiitit: dielektrit, varastoiva aine Biologiset materiaalit: biosensorit, MRI 38

39 7. Materiaalien prosessointi Metallit ja yhdisteet: valu, valssaus, tiivistäminen Keraamit ja lasit: puristaminen, CVD/CVI, Sol-Gel Polymeerit: kuumapuristus, ruiskutusvalu, puhallusvalu Komposiitit: pultruusio, RTM, CVD/CVI Biologiset materiaalit: pinnan muuntaminen 39

40 Kurssin sisällysluettelo 1. Materiaalien rakenne 1.1 Johdanto 1.2 Atomirakenne ja atomien väliset sidokset 1.3 Kiderakenteista 1.4 Metallien rakenne 1.5 Keraamien rakenne 1.6 Nanomateriaalien rakenne 1.7 Kidevirheet 1.8 Polymeerien rakenne 1.9 Biomateriaalien rakenne 1.10 Komposiittien rakenne

41 Kurssin sisällysluettelo 2. Kondensoituneiden faasien termodynamiikka 2.1 Faasidiagrammit 2.2 Mikrorakenteen kehitys 2.3 Polymeerien termodynamiikka 2.4 Komposiittien termodynamiikka 3. Kinetiikka 3.1 Yleistä 3.2 Erityistapauksia 3.3 Korroosio 3.4 Nukleaatio ja kasvu 3.5 Korroosio keraameissa 3.6 Kinetiikka polymeereissä

42 Kurssin sisällysluettelo 4. Kuljetusprosessit 4.1 Yleistä 4.2 Lämmönkuljetus 4.3 Viskositeetti 4.4 Massan kuljetus 5. Kiinteiden aineiden mekaaniset ominaisuudet 5.1 Elastisuus 5.2 Plastisuus 5.4 Keraamien mekaniikka 5.5 Polymeerien mekaniikka 5.6 Komposiittien mekaniikka 5.7 Biomateriaalien mekaniikka