Materialer Materialklasser Materialers kjemi
Materialer Materialklasser Materialers kjemi
Materialer Materialklasser Materialers kjemi
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>Materialer</strong><br />
<strong>Materialer</strong> - for konstruksjon og struktur<br />
for innkapsling<br />
som leder eller isolerer elektrisk, har magnetiske egenskaper etc.<br />
med optiske egenskaper<br />
som tåler høy temperatur, ildfast<br />
.. og annet ..<br />
I vårt fag skal vi kun omtale materialer for konstruksjon og innkapsling. Hvilke egenskaper har de?<br />
<strong>Materialer</strong> for struktur og innkapsling:<br />
har fasthet<br />
seighet – duktilitet<br />
stivhet<br />
skjermingsevne og tetteevne<br />
<strong>kjemi</strong>sk og fysisk bestandighet før og etter oppskyting, for eksempel<br />
motstand mot korrosjon og lav stoffavdamping (outgassing)<br />
Dessuten kombinasjonsegenskaper: ledningsevne for varme / el. strøm og magnetiske egenskaper i<br />
kombinasjon med mekaniske egenskaper<br />
<strong>Materialer</strong> (en delmengede av stoffene)<br />
<strong>Materialklasser</strong><br />
<strong>Materialklasser</strong><br />
Hvilke materialer taler vi om?<br />
Metaller<br />
Keramer og glasser<br />
Polymermaterialer = plaster<br />
Komposittmaterialer (sammensatte)<br />
<strong>Materialer</strong>s <strong>kjemi</strong><br />
atomære – metaller (edelgasser)<br />
ioniske - Ionegitre Al 2 O 3 - keram, her er det Al 3+<br />
og O 2- -ioner<br />
(NaCl, Na + og Cl - -ioner, ikke et material)<br />
molekylære I noen stoffer gjentas en formelenhet gjentas i meget stort<br />
antall i en romslig struktur.<br />
Eks.: grafitt (en type karbongitter, C )<br />
diamant (en annen type karbongitter),<br />
Kvarts (SiO 2 ).<br />
Polymerer, store, lange molekyler<br />
Sammensatte<br />
blandinger - Blandingsplast (f.eks. en kopolymer av polyeten og<br />
polypropen)<br />
- Plastkompositter så som GRP (kan kalles GAP på norsk,<br />
glassfiber armert plast, plasten er f.eks. polyester eller<br />
epoxy, men kan også være polypropen)<br />
- Granitt (en bergart, blanding av flere mineraler som<br />
foreligger krystallinsk, egl. en kompositt)<br />
- Trevirke (en komplisert blanding av cellulosefibre og<br />
naturlige limstoffer), bein, hår (andre kompliserte<br />
blandinger, og dermed en kompositt).<br />
1<br />
2<br />
3<br />
1
Egentlig er ingen materialer ”helt helt rene”. rene<br />
• Plaster: Herderrester og tilsettingsstoffer kommer i<br />
tillegg til den eller de <strong>kjemi</strong>ske komponenter<br />
som omtales i "enklere lærebøker"<br />
• Stål: Mest jern, men har også: Skadelige<br />
forurensninger – f.eks. svovel, fosfor og div. andre<br />
metaller i uønsket mengde. Ønskede tilsetninger –<br />
passe mye karbon, silisium, mangan mm<br />
• Messing: Kobber og sink i ønsket blandingsforhold, avhenger<br />
av ønskede egenskaper<br />
•<br />
• Fremstillings-historikken kan være meget viktig:<br />
• plast – passe lang reaksjonstid<br />
• trevirke – rette vekstforhold<br />
• metaller – størknetid og varmebehandling, evt.<br />
valsing og smiing.<br />
Struktur<br />
• Polymermaterialer:<br />
– Lange molekylkjeder kveiler seg mer eller mindre tilfeldig opp<br />
• Krystallinske materialer:<br />
– Metaller og keramer, atomer, ioner eller molekyler danner et<br />
relativt enkelt, strengt repetert mønster og utgjør en krystall. I et<br />
material kalles et krystall også et korn. Kornene henger<br />
sammen, møter hverandre vanligvis uten hulrom, men med en<br />
uordnet overgang, kalt korngrenser. Kornstørrelse er viktig for<br />
egenskapene.<br />
• Amorfe materialer<br />
– Atomer og molekyler har en tilfeldig pakning. Glasser, de fleste<br />
plaster, sot<br />
• Kompositter<br />
– Sammensetninger av de tre ovennevnte grupper, glassfiber<br />
armert plast, betong armert med stålstenger, gummi armert med<br />
ståltråder, plast med bitte små gummipartikler, naturlige<br />
kompositter så som trevirke, sener og bein.<br />
Bindingskreftene<br />
• Materialenes enkeltdeler (atomer, molekyler, krystaller og partikler,<br />
fibere) henger sammen av ”<strong>kjemi</strong>ske årsaker”.<br />
• (Inne i atomkjernene: Kjerne<strong>kjemi</strong>, hører ikke med til materiallæra)<br />
• Mellom atomkjernen og elektronene:<br />
– Forståelsen av dette har betydning for forståelsen stoffenes<br />
<strong>kjemi</strong>ske egenskaper. Dette er undervist i <strong>kjemi</strong>faget. De av atomets<br />
elektroner som deltar i bindingene kalles valenselektronene.<br />
• Mellom atomer, primære bindinger. Primære bindinger holder atomene<br />
sammen, 3 hovedgrupper.<br />
– Ionebindinger<br />
– Kovalente bindinger<br />
– Metallbindinger<br />
• Mellom molekyler, sekundære bindinger<br />
– Van der Waalske bindinger (rene)<br />
– Sterkere molekylbindinger pga. polaritet, evt. hydrogenbindinger<br />
4<br />
5<br />
6<br />
2
H H<br />
H :C: ̇̇ :C: ̇̇ H<br />
Ḣ̇ Ḣ̇<br />
Etanmolekylet<br />
”prikk-modell”<br />
Kovalente bindinger<br />
⋮ ⋮<br />
Ȯ̇ Ȯ̇<br />
⋯ O ̇̇ :Si:<br />
̇̇<br />
O ̇̇ :Si:<br />
̇̇<br />
⋯<br />
̇̇<br />
Ȯ̇ ̇̇<br />
Ȯ̇<br />
⋯ :Si:<br />
̇̇<br />
O ̇̇ :Si:<br />
̇̇<br />
⋯<br />
⋮ ̇̇ ⋮<br />
Silisiumoksid, SiO2<br />
Et kovalent gitter<br />
Metallbinding<br />
Metallbindinger<br />
Bindingsformen oppstår i metaller. Ett eller flere av hvert<br />
metallatoms valenselektroner avgis til en elektronsky eller<br />
”gass”. Denne flyter fritt mellom ionene (metallatomer som har<br />
avgitt ett<br />
H H C H<br />
H H C<br />
H H C C H<br />
H H C C<br />
H<br />
C<br />
H H<br />
C H H H<br />
C<br />
C H H<br />
H<br />
H H H<br />
H H C H<br />
H H C<br />
H H C C H<br />
H H C C<br />
H<br />
C<br />
H H<br />
C H H<br />
C<br />
C H H<br />
H<br />
H H H<br />
Utsnitt av to polyetylenmolekyler (PE).<br />
Kovalente bindinger internt i molekylene. Van<br />
der Waalske krefter mellom molekylene.<br />
Sekundære Sekund re bindinger<br />
H<br />
..<br />
H<br />
C C<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
H<br />
C<br />
H<br />
C<br />
H<br />
H H<br />
Etanmolekylet<br />
”strekmodell”<br />
+ + + + + +<br />
+ + + + +<br />
+ + + + + +<br />
..<br />
..<br />
Cl<br />
C C<br />
Repeterende enhet i hhv. PE og PVC<br />
..<br />
..<br />
H<br />
C C<br />
Cl -d<br />
+d<br />
H H<br />
-d<br />
Cl H<br />
C C<br />
+d<br />
H H<br />
H<br />
Polarkovalent binding i PVC<br />
fører til forsterket<br />
intermolekylær binding<br />
..<br />
..<br />
H<br />
H<br />
..<br />
7<br />
8<br />
9<br />
3
<strong>Materialer</strong> for romteknologi<br />
• <strong>Materialer</strong> til bruk i romteknologi<br />
– Den høye nyttelastkostnaden, LEO-bane kan variere fra 20.000 $ pr<br />
kg for små raketter til under 10.000 $ for store raketter<br />
– Det er i nært utenkelig å foreta service og reparasjoner på utstyr<br />
som er plassert i bane<br />
• Det store kravet til driftssikkerhet<br />
– best tilgjengelige materialet til formålet. Avgrense til delene som<br />
plasseres i bane, ikke rakettrinnene, (varmeutvikling og<br />
drivstoffhåndtering)<br />
• Av metaller har høyfaste og høylegerte stål: mindre bolter og fester.<br />
• Til grovere bolter og komponenter er titan, lettere, nesten like høy<br />
styrke som stål ”Grade 5”-type, dvs. Ti6Al4V.<br />
• Til ytre plater dominerer aluminium, oftest av ”2000”- og ”7000” typen<br />
• Legeringer med høyt berylliuminnhold har eksepsjonelt gode<br />
egenskaper mht vekt og stivhet<br />
– men brukes pga. sin giftighet ikke i Europa.<br />
• Magnesium er det letteste av alle bruksmetaller, men får problemer i<br />
vakuum pga. høy sublimeringsrate<br />
<strong>Materialer</strong> for romteknologi<br />
• Alle bruksmetaller: krystaller, metallbindinger, polykrystallinske. I metallurgien<br />
kalles krystallene ”korn”, kornstørrelsen har innvirkning på metallets<br />
egenskaper.<br />
– Mange metaller har forskjellige krystalltype avhengig av temperatur, en helt<br />
spesiell gruppe: ”hukommeles-legeringene” (shape memory alloys), kan<br />
brukes til aktuatorer (brytere, utløsere).<br />
• Fiberarmerte plastkompositter tar mer og mer over, Airbus 380, brukes<br />
karbonfiberarmerte bærere i omfang og lengder som ikke er gjort tidligere, ca<br />
30% av vekten<br />
• Fiberarmerte kompositter til romformål, dominert av karbonfibere, stive og<br />
sterke i gunstigste retning<br />
– Vi kan betrakte en karbonfiber som ett langt molekyl, der karbonatomene<br />
henger sammen med kovalente bindinger.<br />
– En ”fremtidsslektning” hevdes å være nano-materialer, enhetene eksakt<br />
<strong>kjemi</strong>sk oppbygget, f.eks. som et C60-moleky - ingen strukturelle<br />
anvendelser ennå.<br />
• Plaster: til duker til forskjellige formål (tildekking, termiske tepper mm.), der er<br />
ofte svært tynne.<br />
– Alle plaster er polymermaterialer, med en karbonkjede som ”ryggrad”.<br />
Metaller<br />
• Metallene kjennetegnes mekanisk ved at de kan være<br />
meget duktile. Konstruksjonsmetaller har alltid en viss<br />
duktilitet og dermed seighet.<br />
• Kjemisk er metaller kjennetegnet ved at de består av<br />
atomer bundet til hverandre av metallbindinger.<br />
Metallbindingene er ikke rettede, de er like sterke selv<br />
om atomer flytter seg litt i forhold til hverandre, som<br />
ved plastisk deformasjon.<br />
• Metallene har oppstått ved størkning av smelter og<br />
har krystallinsk oppbygning. Krystallene har ved<br />
størkning vokst tett sammen og betegnes korn. De<br />
fleste bruksmetaller er utsatt for korrosjon.<br />
10<br />
11<br />
12<br />
4
Keramer<br />
• Keramer er sprø, aldri duktile. De <strong>kjemi</strong>ske bindingene<br />
i keramer er rettede og har spesielle vinkler, avhengig<br />
av de <strong>kjemi</strong>ske komponentene. Bindingene kan enten<br />
være kovalente eller ionebindinger. Keramene er også<br />
krystallinske. De sterkeste keramene er bygget opp av<br />
romgitre, i prinsippet er det et kjempemolekyl. Glasser<br />
er ikke krystallinske. Bindingene er likevel rettet slik<br />
som de ble under størkingen. Glassene er også sprø<br />
og kan sorteres i sammen gruppe som keramer med<br />
hensyn til mekaniske egenskaper. Keramiske<br />
materialer er oftest svært<br />
korrosjonsmotstandsdyktige.<br />
Polymermaterialer<br />
• Polymermaterialer er bygget opp av lange<br />
molekylkjeder der en grunnenhet repeteres et stort<br />
antall ganger. Konstruksjonsmaterialer av denne<br />
typen betegnes også plast og gummi. De kan være<br />
både sprø og seige, men ingen plast eller gummi tåler<br />
høye temperaturer. De <strong>kjemi</strong>ske bindingene er<br />
kovalente, men molekylkrefter (Van der Waalske<br />
bindinger og krefter) spiller en viktig rolle.<br />
Polymermaterialer har gode korrosjonsegenskaper,<br />
men de fleste skades av løsemidler og spesielle<br />
<strong>kjemi</strong>kalier. Polymermaterialer siger, dvs. de er utsatt<br />
for brudd ved langtidsbelasning og forhøyet<br />
temperatur.<br />
Komposittmaterialer<br />
• Komposittmaterialer er blandinger av de foregående<br />
materialgruppene. Den kontinuerlige fasen betegnes<br />
”matriks”. F.eks. glassfiber armert plast (GAP), kalkog<br />
gummifylt polymer (støtfangerplast), metallmatriks<br />
kompositter (metall med korte keramiske fibre),<br />
polyeten armert med tråder av strukket polypropen<br />
eller betong (keram + keram). I komposittmaterialene<br />
søker man å oppnå fordelaktige egenskaper ved å<br />
blande komponentene.<br />
13<br />
14<br />
15<br />
5
Metaller<br />
Metallenes ”indre indre”<br />
• Atomært stoff<br />
• Metallbinding<br />
• Krystallinsk<br />
– 3 aktuelle krystallsystemer: fcc, bcc og hcp<br />
– dette gir forskjellige egenskaper<br />
• Forskjellig herdetilstand<br />
– herde metall = øke flytegrensen<br />
• Forhold vedr. krystallene som har betydning for plastisk<br />
flyt og herdetilstand<br />
– både fra naturlige urenheter, tilsatte<br />
legeringselementer, mekaniske og termiske<br />
påvirkninger (ønsket eller uønsket / ”med på kjøpet”)<br />
bcc<br />
16<br />
17<br />
Jern (Fe, stål) i kald<br />
tilstand (ca 800 °C)<br />
m.fl.<br />
18<br />
6
hcp (tettpakket)<br />
Se også<br />
fcc (tettpakket)<br />
Jern (Fe, stål) i varm<br />
tilstand (> 720 - 925<br />
°C)<br />
Aluminium, Al<br />
Sølv, Ag<br />
Gull, Au<br />
Nikkel, Ni<br />
mange flere<br />
.. de mest duktile<br />
http://ansatte.hin.no/ra/undervisn/<br />
mtrbearb/Kulemodeller/kulemod.h<br />
tm<br />
Sink, Zn<br />
Magnesium, Mg<br />
19<br />
Titan i kald tilstand<br />
(
Plastisk flyt<br />
• Plastisk flyt skjer ved skjærdeformasjon<br />
• I metaller skjer dette ved glidning langs atomplan<br />
• Plastisk flyt skjer lettest langs tette plan<br />
• - vi må ha en måte å angi planene på<br />
Atomplan, Millers indeks<br />
Polymermaterialer - betegnelser<br />
• Polymermaterialer – plast og gummi (i tillegg til naturlige<br />
polymerer)<br />
– Herdeplast – kan ikke smelte<br />
– Termoplast – er smeltbar<br />
• Etablering av Van der Waalske bindinger<br />
– plast og gummi kan stivne (glasstilstand) eller mykne<br />
med temperaturen – (termoplast kan smeltes)<br />
– glassomvandlingstemperaturen t g skiller<br />
– gummi brukes over t g . Harde plaster brukes under t g<br />
• En viss grad av ordnet struktur kan forekomme -<br />
krystallinitet<br />
22<br />
23<br />
24<br />
8
Produsent<br />
Merkenavn<br />
Generisk navn<br />
Polymermaterialer 1<br />
Polymermaterialer 2<br />
Polymermaterialer 3<br />
25<br />
26<br />
27<br />
9
28<br />
29<br />
30<br />
10
Oppgaver<br />
1. Beskriv helt kort de mekaniske egenskapene som særlig kjennetegner<br />
materialgruppene metaller, keramer, polymerer og kompositter.<br />
2. Skisser atom-arrangementet i (0001) planet i hcp-struktur.<br />
3. Hvilke <strong>kjemi</strong>ske bindingstyper forekommer i polymerer? Beskriv<br />
hvor/hvordan!<br />
4. Benytt figurene og beregn pakningstetthetene for hhv. i) fcc og ii) bcc.<br />
(svar for bcc: 0,68)<br />
5. ---<br />
6. ---<br />
7. Hvor mange atomplan i fcc-strukturen er tettpakket, dvs. inngår i {111}?<br />
8. Tegn atomplasseringen for (110) i bcc.<br />
9. Tegn atomplasseringen for (100) i fcc.<br />
10. ---<br />
11. Skisser en kurve som viser E-modul som funksjon av temperaturen for en<br />
termoplast<br />
12. Skisser en kurve som viser spenning som funksjon av tøyning for en<br />
termoplast og for en gummi.<br />
31<br />
11