53058 Materiaalifysiikka I, 5 op - WordPress.com...Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä Esimerkiksi 5...

www.helsinki.fi/yliopisto

53058 Materiaalifysiikka I, 5 op

sl 2010Luennoitu aikaisemmin: sl 2008, sl 2009

Juhani Keinonen

1. Luento 2.11.2010

Fysiikan laitos / Juhani Keinonen / Materiaalifysiikka I

www.helsinki.fi/yliopisto 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 14-16 ja ke 8-10 Aarne Pohjonen

paikka: BK 113Koe: 14.12.2010 klo 12 - 16



• Kotisivu Almassa työryhmäalueellaKalvot 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% -> 5

3.11.2010 3

Alkusanat



Alkusanat

Arvostelu: = p1 + (0-1) x 0,15 p1

5 85-100 % 4 75-85 % 3 65-75 % 2 55-65 % 1 45-55 % + 25-45 %



Johdanto

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.



Johdanto

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.



Johdanto

Historiaa• Materiaalien tieteellinen tutkimus alkoi jo 1800-

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.



Johdanto

Teollisuusnäkökulma• Materiaalitieteellä on luonnollisesti suunnaton teollinen

merkitys.• Metalliteollisuus: pitkät perinteet, mutta voimakas

kehittyminen (esimerkiksi Outokumpu Poricopperin nm-luokanmetallilangat)

• 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.



Nanoteknologia on seuraava vallankumous.

Johdanto



Miten lyhyt on nanometri (10-9 m)?

1 m

10 cm

1 cm

100 m

10 m

1 m

100 nm

10 nm

1 nm

CERN http://microcosm.web.cern.ch/microcosm

Johdanto

www.helsinki.fi/yliopisto 3.11.2010 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

Johdanto



The world of materials

PE, PP, PCPA (Nylon)

Polymers,elastomers

Butyl rubberNeoprene

Polymer foamsMetal foams

FoamsCeramic foams

Glass foams

Woods

Naturalmaterials

Natural fibres:Hemp, Flax,

Cotton

GFRPCFRP

CompositesKFRP

Plywood

AluminaSi-Carbide

Ceramics,glasses

Soda-glassPyrex

SteelsCast ironsAl-alloys

MetalsCu-alloysNi-alloysTi-alloys


Johdanto

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



MetallitAtomien 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.

Johdanto

KeraamitUseimmiten metallisten ja ei-metallisten alkuaineiden kombinaatioita: vahvoja ionisia tai kovalenttisia sidoksia

Useimmiten ei sähkönjohtokykyä.



PolymeeritKoostuvat pienistä kovalanttisesti sidotuista molekyyleistä, jotka sidotut toisiinsa kovalenttisilla (ja usein osittain ioni- ja vety-) sidoksilla. Kokonaisuus on yksi molekyyli.

Johdanto

KomposiititEri 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.



BiomateriaalitPerustuvat biologisiin molekyyleihin ja rakenteisiin tai ovat bioyhteensopivia.Materiaali voi olla elävää!

Johdanto

PuolijohteetMateriaalit, joiden sähköiset ominaisuudet ovat metallien ja eristeiden välissä.Johtamiskyky riippuu vahvasti lämpötilasta, mutta on 0 kun T = 0 KUseimmiten johtamiskyky herkkä epäpuhtauksille. Säädetään niiden avulla!

Sekaannus: ovat mekaanisesti kovia ja hauraita, joten voidaan kutsua keraameiksi



Älykkäät materiaalitÄlykkäillä materiaaleilla tarkoitetaan sellaisia, jotka jollain tavoin muuttavat ominaisuuksiaan ympäristön muuttuessa.

Esimerkiksi ikkunalasi, joka muuttaa väriään auringon valossaKäytetään usein materiaalisysteemeissä, toiminnallisissa materiaalikombinaatioissa

Johdanto

Bulkkimateriaali vs. nanomateriaaliBulkkimateriaaleilla, ainakin metalleilla, on tyypilliset pienimmät rakenneosat lähes makroskooppisia ja homogeenisia, esimerkiksi metallirakeet kooltaan 10 – 100 m



JohdantoMitä nanotiede on?

• Tutkimusmenetelmien ja teknologian kehittämistä makro-ja 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


19

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 • Kemialliset• Sähköiset • Mekaaniset• Optiset • Magneettiset• …

JohdantoMitä nanoteknologia on?


20

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

JohdantoMitä erityistä on nanoskaalassa?


21

• 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.

AFM Image of DNA

JohdantoEsimerkkejä nanorakenteista?



• 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 m2 per gramma.

• Yleisten kemiallisten alkuaineiden uudet kemialliset muodot, esimerkiksi hiilen fullereeni ja nanoputket, titaanioksidi, sinkkioksidi, muut kerroksiset yhdisteet.

JohdantoNanoskaalan materiaalien ainutlaatuisia ominaisuuksia


23

• 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

JohdantoMikä on uutta nanotieteessä?


24

• 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

JohdantoOminaisuuksien kokoriippuvuus


25

• 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, Fe3O4, 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.

JohdantoLisää kokoriippuvia ominaisuuksia


26

• Nanoskaalan ominaisuuksien tutkimuson kasvanut räjähdysmäisesti- Alle mikrometrin itsejärjestäytyneetnanorakenteet, jotka tuottavat koostumuksia “bottom-up”- eikä “top-down”-periaatteella- Karakterisointi ja sovellukset- Hyvin sofistikoidut tietokonesimulaatiot

lisäävät ymmärrystä ja tuottavat ”designer-materiaaleja”

• 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

JohdantoNanovallankumous


27Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Ed. K.J. Klabunde, Wiley, 2001

JohdantoPinta-atomien prosenttiosuus


28

• Pallomainen raudan nanokideJ. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142

JohdantoPinta-atomien suhde ”bulkkiatomeihin”



Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä –– noin 1,7 cm per sivu noin 1,7 cm per sivu –– materiaalia jaettuna 24 materiaalia jaettuna 24 kertaa tuottaa 1 nanometrin kuutioita ja levitettynä yhden kuution kerroksena kertaa tuottaa 1 nanometrin kuutioita ja levitettynä yhden kuution kerroksena peittäisi jalkapallokentän.peittäisi jalkapallokentän.

Toistetaan 24 kertaa

JohdantoNanoskaala = Suuri pinta-alan suhde tilavuuteen



Aineen rakenne:Kaikki aine koostuu atomeista, jotka ovat jatkuvassa liikkeessä. Atomit vuorovaikuttavat keskenään muodostaakseen molekyylejä.

Koko & Skaala:Kun koko ja skaala muuttuvat, aineen ominaisuudet muuttuvat ja tarvitaan fysiikan eri lait selittämään nämä ominaisuudet.

Koosta riippuvat ominaisuudet:Aineen ominaisuudet voivat muuttua skaalan mukana. Kun materiaalin koko lähestyy nanoskaalaa, sillä on usein odottamattomia ominaisuuksia, joiden seurauksena on uusi toiminnallisuus.

JohdantoYhteenveto: 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.

JohdantoYhteenveto: Nanotieteen keskeiset asiat



Johdanto

Materiaalien tarkastelu tehdään ominaisuuksien mukaisesti

1. Materiaalien rakenne2. Tiiviin aineen termodynamiikka3. Kineettiset prosessit materiaaleissa4. Materiaalien kuljetusominaisuudet 5. Materiaalien mekaniikkaMateriaalifysiikka II

6. Materiaalien sähköiset, magneettiset ja optiset ominaisuudet

7. Materiaalien prosessointi



Johdanto

1. Materiaalien rakenneMetallit ja yhdisteet: kiderakenteet, pistevirheet,

dislokaatiot

Keraamit ja lasit: kiderakenteet, virheiden reaktiot, lasiolomuoto

Polymeerit: konfiguraatio, konformaatio, molekyylipaino

Komposiitit: matriisit, pakottaminen

Biologiset materiaalit: biokemia, kudosrakenne



Johdanto

2. Tiiviin aineen termodynamiikkaMetallit 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



Johdanto

3. Kineettiset prosessit materiaaleissaMetallit ja yhdisteet: transformaatiot, korroosio

Keraamit ja lasit: lasittumisen purkautuminen(devitrifikaatio), nukleaatio, kasvu

Polymeerit: polymerisaatio, hajoaminen

Komposiitit: kerrostuminen, imeytyminen

Biologiset materiaalit: reseptorit, ligandi sidos



Johdanto

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



Johdanto

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



Johdanto

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



Johdanto

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



1. Materiaalien rakenne1.1 Johdanto1.2 Atomirakenne ja atomien väliset sidokset1.3 Kiderakenteista1.4 Metallien rakenne 1.5 Keraamien rakenne1.6 Nanomateriaalien rakenne1.7 Kidevirheet1.8 Polymeerien rakenne1.9 Biomateriaalien rakenne1.10 Komposiittien rakenne

JohdantoKurssin sisällysluettelo



2. Kondensoituneiden faasien termodynamiikka2.1 Faasidiagrammit2.2 Mikrorakenteen kehitys2.3 Polymeerien termodynamiikka2.4 Komposiittien termodynamiikka

3. Kinetiikka3.1 Yleistä 3.2 Erityistapauksia 3.3 Korroosio 3.4 Nukleaatio ja kasvu 3.5 Korroosio keraameissa3.6 Kinetiikka polymeereissä





4. Kuljetusprosessit4.1 Yleistä 4.2 Lämmönkuljetus 4.3 Viskositeetti 4.4 Massan kuljetus

5. Kiinteiden aineiden mekaaniset ominaisuudet5.1 Elastisuus5.2 Plastisuus 5.4 Keraamien mekaniikka5.5 Polymeerien mekaniikka5.6 Komposiittien mekaniikka5.7 Biomateriaalien mekaniikka


53058 Materiaalifysiikka I, 5 op - WordPress.com...Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä Esimerkiksi 5...

Documents

Transcript of 53058 Materiaalifysiikka I, 5 op - WordPress.com...Esimerkiksi 5 kuutiosenttimetriä Esimerkiksi 5...