Ciencia Materials
-
Upload
marc-castella-puig -
Category
Documents
-
view
57 -
download
0
Transcript of Ciencia Materials
EstructuraPropietats
Dissenyar, utilitzar,Fabricar…
Fon. Ciència Materials
TEMA 1: INTRODUCCIÓ
Ciència dels
Materials
Enginyeria
Dels Materials
Estructura (de nivell més baix a nivell més alt):
- Subatòmic: disposició dels electrons en àtoms.
- Atòmic: organització dels àtoms (estructures cristal·lines, amorfa...)
- Microscòpic: organització d’àtoms enllacats entre si.
- Macroscòpic: es pot veure a simple vista.
Propietats (característiques d’un material):
- Mecàniques
- Elèctriques
- Magnètiques
- Tèrmiques
- Òptiques
- Químiques
- 1 -
Enllaç Covalent
Von der WallsPont d’H(Enllaç més dèbil)
Fon. Ciència Materials
1.2 Classificació dels Materials (en funció de composició i tipus
d’enllaç)
Metalls:
- Substancies inorgàniques (un o més elements metàl·lics)
- Estructura cristal·lina
- Enllaç metàl·lic
Ceràmiques:
- Elements metàl·lics i no metàl·lics
- Estructura cristal·lina (no cristal·lina: vidre i vitroceràmica)
- Enllaç iònic
Polímers:
- Llargues cadenes o xarxes de molècules orgàniques (composició
basada en C, H)
- No cristal·lins
- 2 -
Materials
Metalls
Ceràmiques
Polímers
Materials Compostos
Semiconductors
Semimetalls (Si, Ge)
Fon. Ciència Materials
- Enllaç covalent
Materials Compostos:
- Barreja de dos o més materials diferents
- Propietats segons proporcions
Semiconductors:
- Elements semimetàl·lics
- Estructura cristal·lina
- Propietats elèctriques especials: entremig de conductors i aïllants
- Molts sensibles a impureses
TEMA 2: ESTRUCTURA CRISTAL·LINA I NO
CRISTAL·LINA DELS SÒLIDS
o Metall cristal·lí:(cel·la unitària)
Metalls, aliatges, moltes ceràmiques, pocs polímers.
o No Cristal·lí:
Algunes ceràmiques (vidres) i bastants polímers (la majoria)
Hi ha diferents característiques perquè un material sigui cristal·lí:
Depèn de la complexitat de les unitats estructurals, tipus d’enllaç...
Variable: la velocitat de refredament del líquid.
- 3 -
Fon. Ciència Materials
Monocristall: (cristall ideal)
Cel·les unitàries iguals
Material Policristal·lí:
Tenen diferents nuclis de creixement.
Orientacions diferents
Molts nuclis de creixement simultani.
Polimorfisme (materials que tenen dos o més estructures diferents)
Ex:
Carboni:
- Grafit: Exfoliable, lubricant, conductor
- Diamant: Duresa, aïllant
Ferro:
- 4 -
Grans cristal·lins
Fon. Ciència Materials
Isotropia i anisotropia en monocristalls
Isotropia -> Propietats iguals en qualsevol direcció
Anisotropia-> Propietats depèn de la direcció
Els policristalls es comporten isotropicament.
Densitat
Estructura cristal·lina Densitat
2.2 Estructures cristal·lines més comunes
Tipus de material:
Metalls:
- FCC, BCC, HC
Ceràmiques
- Gran varietat (NaCl, CsCl, ZnS, fluorita, perovskita)
- Vidres son no cristal·lins
Polímers
- Cristal·lins o no: estructura complexa
Semiconductors
- Semiconductors elementals: estructura diamant
- Semiconductors no elementals: semblant a ceràmiques senzilles
- 5 -
Fon. Ciència Materials
2.2.1 Metalls
Enllaç metàl·lic (no direccional) ═►elevada densitat
i. Cúbica centrada en les cares (FCC): Cu, Ag, Au, Al, Ni, Pt
ii. Cubica centrada en el cos (BCC): Cr, Fe-α, W, V, alcalins
iii. Hexagonal compacta (HC)
FCC (alta densitat):
Àtoms cel·la = 4
Nº coordinació = 12
BCC:
Àtoms cel·la= 2
Nº coordinació = 6
HC (alta densitat):
Àtoms cela = 6
Nº coordinació = 12
2.2.2 Ceràmiques
Normalment son sòlids iònics al menys 2 elements diferents estructures
més complexes
Factors per identificar les estructures cristal·lines de la ceràmica:
a. Carrega ions (formula química, ex: CaF2)
b. Volum relatiu cations i anions (relació de radis rc,ra) nº
coordinació catió.
Ex: NaCl Na+ Cl-
CaF2 Ca2+ F+
Estructures AX
(igual nombre d’anions i cations)
Nº coordinació catió
- 6 -
Fon. Ciència Materials
CsCl 8
NaCl 6
ZnS (blenda) 4
Estructures AmXn Nº coordinació catió
CaF2 (fluorita) 8
Antifluorita 4
TiO2 (rutilo) 6
Estructures AmBnXp
CaTiO3 (perovskita)
Nº Coordinació catió
< 0.155 2
0.155 – 0.225 3
0.225 – 0.414 4
0.414 – 0.732 6
0.732 – 1 8
2.2.3. Semiconductors
i. Elementals (Si, Ge, Sn gris): estructura semblant a la del diamant
ii. No elementals (2 components químics)(GaAs, CdS): estructura blenda
(ZnS)
PROBLEMES 3, 11, 13, 14, 16, 18
- 7 -
Fon. Ciència Materials
2.3 Característiques estructurals dels polímers
Polímer
Substancies d’elevat pes molecular
Unió de molts monòmers (102 – 106) reacció polimerització
macromolècules (cadenes llargues i flexibles, orgàniques) ...A-A-A-A...
Ex: Polietilè (PE), a partir de l’etilè C2H4
Etilè (monòmer) Polietilè
Estructura química
- “esquelet” d’àtoms de C
- Enllaços intramoleculars covalents i intermoleculars vdW (o pont
d’hidrogen)
- Unitat Constitucional Repetitiva (UCR)
Ex:
PE (UCR)
- 8 -
H H | |C − C | |H H
n
H H | |C − C | |H X
n
H H | |C = C | |H H
H H H H H | | | | |…C − C − C − C − C …
| | | | | H H H H H
Fon. Ciència Materials
X ≡ H Polietilè (PE) X≡ Poliestirè (PS)
X≡ CH3 Polipropilè (PP)
X≡ Cl PVC
Tefló (Politretrafluorilè)
Copolímer:
- Alternant.....A-B-A-B-A-B....
- A l’atzar o estadístic...A-B-B-A-A-A-B-A...
- En blocs...A-A-A-A-B-B-B-B...
- D’injert
B-B-B-B.....
|....A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A-A......
|
- 9 -
F F | |C − C | |F F
n
Homopolímer (un sol tipus de monòmer) ...A-A-A-A...
Copolímer (més d’un tipus de monòmer)
Fon. Ciència Materials
B-B-B-B...
Forma
Es poden doblar, enrotllar, plegar...
Estructura
- Lineal (PE, PVC, niló, HDPE) (a)
- Ramificada (b)
- Entrecreuada (c)
- Reticular (d)
Polímer semicristal·lí
- 10 -
Fon. Ciència Materials
Tipus Polímers
o Termoplàstics
- S’estoven en ser escalfats (fonen) conformació
- Cadenes lineals o ramificades
- VdW entre cadenes (o pont d’H)
Ex: PE, PVC, PS...
o Termostables
- Calor implica la degradació
- Cadenes entrecreuades
- Enllaç covalent entre cadenes
Ex: Melamina, resines epòxid...
o Elastòmers
- 11 -
Polímers
Termoplàstics
Termoestables
Elastòmers
Plàstics
Fon. Ciència Materials
- Gran deformació elàstica
- Alguns enllaços covalents entre cadenes
Ex: cautxú natural, silicones, poliisoprè...
Pes Molecular (PM)
Molt gran: Alguns >106 g/mol
Les molècules tenen diferent longitud dins d’un mateix polímer, per tant
el pes molecular no es pot calcular.
- Pes molecular mig
- Grau de polimerització (nombre mig de monòmers que forma una
cadena)
Es vàlid per homopolímers.
En copolímers la m es el promig ponderat dels diferents polímers.
Ex:
- 12 -
ii MxM
Pes molecular
Fracció de molècules
X3
X2
X1
Ma Mb Mc Md
M1 M2 M3
Xi fracció de molècules
Mi pes molecular mig de d’interval
332211 MxMxMxM
m
Mn
m pes monòmer (o de VCR)
M pes molecular mig
Fon. Ciència Materials
70% m1
30% m2
Problemes 20, 23
2.4. Materials Compostos (o “composites”)
Combinació de diferents materials per obtenir millors propietats (els materials
son distingibles)
En general hi ha 2 fases:
- Fase matriu: fase continua (matriu)
- Fase dispersa (“reforç” en general, per millorar propietats mecàniques)
Les propietats dels materials compostos està en funció de les propietats dels
materials, les fases, la proporció i de la geometria de la fase dispersa.
Classificació: (en funció del tipus de reforç)
- 13 -
Matriu
Reforç
Fon. Ciència Materials
a) Orientació a l’atzar, isotròpica o preferent
Ex: formigó
b) 1- fibres continues reforç unidireccional o bidireccional
2- fibres discontinues orientades a l’atzar
Ex: fibra de vidre
c) Son reforçats amb fibres : laminars o panells de sandvitx
Exemple:
Fibra de vidre: Plàstic (ductilitat, inèrcia química) reforçat amb fibra de
vidre (resistència mecànica i a la calor).
A més, alta resistència especifica (resistència/pes)
Plàstic reforçat amb fibra de carboni (millor resistència especifica que la
fibra de vidre)
Formigó = ciment + aigua i àrids (grava, pedres, sorra)
- 14 -
MaterialsCompostos
Reforçats amb partícules
Discontinues
Continues b) Reforçats amb fibres
c) Materials compostos multicapa
MaterialsCompostos
De matriu metàl·licaMillora de propietats mecàniques i tèrmiques (amb reducció de pes)
De matriu ceràmicaReducció de la fragilitat de les ceràmiques
De matriu plàstica“plàstics reforçats”, millors propietats mecàniquesEn “blends” matriu i reforç són plàstics
Fon. Ciència Materials
TEMA 3: IMPERFECCIONS I FENÒMENS DE DIFUSIÓ
3.1. Desviació de l’estructura cristal·lina idea
Fins ara, l’estructura cristal·lina era perfecta. Però:
Sempre hi ha defectes o imperfeccions (a més d’impureses químiques)
Afecten a moltes propietats
Però no sempre negativament: ↑ resistència mecànica metalls o la
conductivitat dels semiconductors
Classificació en funció de la dimensió:
3.1.1. Defectes Puntuals (posicions atòmiques)
Vacants
- En solidificació i per vibracions
- 15 -
Defectes puntuals
Defectes lineals Dislocacions
Defectes superficials
Defectes de volum
VacantsDefectes autointersticialImpureses (dissolucions solides)
De “falca”
Helicoidal
Mixta
Superficie externaLímit de graLímit de maclaAltres
Fon. Ciència Materials
- Augmenten amb la T (temperatura)
- Podem calcular el nombre (ρreal) (important per la difusió pel
“mecanisme de vacants”)
nº àtoms real
Àtoms teòrics – àtoms reals = Vacants
Defectes autointersticial
- Poc probable per grandària de posicions intersticials
- 16 -
vacants
TK
E
poscicion
vacants b
vacant
Cen
n
Constant del material
Energia
Temperatura (K)
Constant Boltzmann
Fon. Ciència Materials
En cristalls iònics imperfeccions de Schottky (vacants) i Frenkel
(autointersticial)
Impureses (aliatges metàl·lics i dissolucions solides)
- Normalment, utilitzem aliatges per millorar propietats (plata)
- Formació d’aliatges dissolucions solides
Substitucionals: regles de Hume-Rothery (metalls molt
semblants entre si) Ex: Cu-Ni
Intersticials: Solut molt mes petit (C, N, O) Ex: acer
Regles Hume-Rothery (aliatges substitucionals)
1. Volum semblant
2. Mateixa estructura cristal·lina per separat
3. Electronegativitat similar
- 17 -
Defecte de Frenkel
Defecte de Schottky
substitucional intersticial
Defecte autointersticial
Fon. Ciència Materials
4. València similar
Problemes 1,4,7
3.1.2. Defectes lineals: Dislocacions (afecten en una línea)
Durant la solidificació o per deformació del cristall
De “falca” (o aresta)
Hi ha un tros de pla “extra”. Provoca tensions
Helicoïdal
En aplicar un esforç de cisella.
Mixta
Afecten les propietats mecàniques dels metalls:
Desplaçament de dislocacions proporciona ductilitat (deformació sense
trencar)
- 18 -
Esforç de compressió
Esforç de tracció
Línea dislocació
Fon. Ciència Materials
3.1.3. Defectes Superficials
Separen regions amb diferents estructures cristal·lines o orientació
cristal·logràfica.
Límits de gra
Si el gra es petit llavors hi ha més grans cristal·lins, per tant més límits de
gra que això implica que el material tingui més resistència mecànica.
Límit de macla (cas particular del límit de gra)
3.1.4. Defectes de Volum
Son porositats i esquerdes.
Apareixen en etapes de fabricació.
- 19 -
Límit de gra Límits de gra
Límit de macla
Fon. Ciència Materials
3.2. Fenòmens de difusió
3.2.1. Consideracions principals
Moviment d’àtoms dins dels sòlids (interdifusió o autodifusió)
- Interdifusió (Cu-Ni)
- Autodifusió (es una substancia pura)
Flux de difusió (J)
(at/m2s)
En estat estacionari, primera llei de Fick
(m2/s * at*m-3/m)
D≡ coeficient de difusió (difusitivitat)
∆x≡ Gradient de concentració
3.2.2. Mecanismes de difusió
Per la migració d’àtoms cal:
i. Existència d’un lloc buit (vacants)
ii. Àtom amb prou energia (vibració)
3.2.3. Factors que afecten la difusió
i. Substancia que es difon
ii. Estructura cristal·lina del dissolvent
iii. Temperatura
- 20 -
Mecanismes
Per vacants (a)
Difusió intersticial (b)
M≡ nº atomsA≡ areat≡ temps
Fon. Ciència Materials
D≡ Coeficient de difusió
Q≡ Energia d’activació
R≡ Constant dels gasos
T≡ Temperatura
Do≡ Factor de freqüència (o constat de difusió)
3.2.4. Aplicacions
Fusió (soldadura) de metalls
Tractament tèrmic d’homogeneïtzació d’aliatges
Carburació dels acers
- Enduriment superfície acer (engranatges, eixos...)
- Difusió en estat no estacionar (segona llei de Fick)
Solució:
- 21 -
Gas carbonitzat(↑ quantitat C)T=900º (aprox.)
Acer
Concentració en C
x (profunditat des de la superficie)
Fon. Ciència Materials
Problemes 10, 12, 13
TEMA 4: PROPIETATS MECÀNIQUES
4.1. Assaigs al laboratori: relació esforç-deformacio
Comportament mecànic: relació força aplicada-resposta
Propietats: resistència, duresa i ductilitat...
Importància (metalls)
Assaigs al laboratori (proveta)
Tenir en compte: natura de la força, durada i condicions
Assaigs de tracció
Es representa tensió nominal vs deformació nominal
Tensió (MPa)
MPa=106Pa
Deformació (adimensional)
També hi ha constricció lateral: coeficient de Poisson
Assaigs de compressió
Assaigs de cisalla o de torsió
- 22 -
cx≡ [c] a distancia x
cs≡ [c] superfície
co≡ [c] inicial acer
erf≡ funció matemàtica
x≡ distancia
D≡ coeficient de difusió
t≡ temps
Fon. Ciència Materials
4.2. Deformació elàstica i deformació plàstica
4.2.1. Deformació elàstica. Mòdul d’elasticitat
Tensió: deformació directament proporcional
No es permanent
En metalls, màxima deformació elàstica <0.5% (ε=0,005%)
Llei de Hooke:
E≡ Mòdul elàstic, Mòdul de Young, Mòdul d’elasticitat = rigidesa,
resistència a deformació elàstica
Metalls: 4.5*104MPa (Mg); 40.7*104MPa (W)
Ceràmiques>Metalls>Polímers
A escala atòmica, mesura de la força dels enllaços (monocristall pot ser
anisòtrops; policristalls i materials amorfs són isòtrops)
4.2.2. Deformació plàstica (fluència)
Tensió no proporcional a la deformació
Deformació no recuperable
Importància (disseny, conformació)
A nivell atòmic, trencament i formació de nous enllaços (en materials
cristal·lins, desplaçament de dislocacions, normalment en plans i
direccions de màxima densitat atòmica)
Punt de fluència i límit elàstic (o límit elàstic a una ε=0.002%)
Límit elàstic= resistència a la deformació
35MPa (Al de baixa resistència)-1400MPa (acers de alta resistència)
Resistència a la tracció (màxim de la corba)
50MPa(Al)- 3000MPa(acers de alta resistència)
Ductilitat≡ Deformació plàstica que pot ser suportada
Allargament relatiu percentual
Percentatge de reducció d’àrea
ll, Al mesurades un cop trencada la proveta.
- 23 -
Fon. Ciència Materials
4.6. Propietats mecàniques i termomecàniques dels polímers
Comportament esforç-deformació: 3 tipus
- Fràgil: A (metacrilat)
- Plàstic: B (PVC)
- Totalment elàstic: (elastòmers) C (cautxú)
Característiques mecàniques molt sensibles a la temperatura.
Al incrementar la temperatura:
Baixa el mòdul elàstic; baixa la resistència a la tracció; augmenta la
ductilitat.
Resiliència i tenacitat
Resiliència: capacitat per absorbir energia elàstica
Mòdul de resiliència: energia/unitat de volum
Tenacitat: capacitat de absorbir energia abans de la fractura
Corbes tensió-deformacio reals
Recuperació elàstica en la deformació plàstica
Diagrames amb dos punts de fluència
4.2.3. Duresa
Resistència a deformació plàstica localitzada
Abans: escala de Mohs
Actualment: duresa de Rockwell o escala Brinell
Molts metalls: duresa i resistència a tracció son proporcionals
més senzill que assaig de tracció control de qualitat
Problemes 4,6, 7,12
4.3. Tècniques de reforç
Deformació plàstica involucra el desplaçament de dislocacions (en plans
cristal·logràfics i direccions determinades)
Es pot augmentar la resistència mecànica d’un metall reduint la mobilitat
de les dislocacions
1. Enduriment per reducció de la grandària del gra
- Límits de gra actuen com a barrera
- 24 -
Fon. Ciència Materials
grans + petits+límits de grametall + dur i resistent
2. Enduriment per dissolució solida
- Formar dissolucions solides substitucionals o intersticials
deformació de la xarxa en els àtoms veïns
majoria de metalls purs son – resistents que els seus aliatges
3. Enduriment per deformació (“treball en fred” o “acritud”)
- Material deformat té un límit elàstic mes gran que l’original
(noves deformacions)
- Inconvenients:
Increment de límits elàstic cada cop menor
Material és menys dúctil (menys marge de seguretat)
4.4. Fractura i Fatiga (F constant)
Fractura
- En resposta a F estàtica a T<<T1
- Dues etapes: formació i propagació d’una esquerda
- Dos tipus:
Fractura dúctil:
Molta deformació plàstica al voltant de l’esquerda
Té lloc lentament
Esquerda establecal anar augmentant la F
Fractura fràgil:
Poca deformació plàstica
L’esquerda avança rapida i espontàniament
Esquerda inestable
Metallsdúctils
Ceràmiquesfràgil
Polímersambdues
Fatiga
- Tensions dinàmiques
- Pot donar-se a σ<resistència a la tracció o límit elàstic
- 90% de trencaments metalls (també ceràmiques i polímers)
i. Formació d’una petita esquerda
- 25 -
Fon. Ciència Materials
ii. Propagació gradual
iii. Trencament ràpid quan s’arriba a una dimensió critica
Problemes 9,10
TEMA 5: PROPIETATS ELÈCTRIQUES DELS
MATERIALS
5.1. Introducció
Propietats elèctriques = resposta a l’acció d’un E (camp elèctric)
Importància
Conducció elèctrica = moviment de “portadors de càrrega”
Definició ρ(resistivitat) i σ(conductivitat)
Sòlids mostren interval molt ample de conductivitatsclassificar els
materials
Materials σ(Ωm-1) Ex
Conductors =107 Cu,Au,Ag,Al
Aïllants =10-10-1020 PE, PS, maillon, vidre
Semiconductors =10-6-104 Si, Ge
5.2. Teoria de Bandes
Quatre tipus d’estructura de bandes(3)
Nomes e- amb E>Eg participa en conducció (e- lliures)
En metalls l’energia del E és prou per excitar e-
En aïllants i semiconductors cal energia tèrmica per “saltar” el baud gap
- 26 -
e-
E
Fon. Ciència Materials
5.3. Factors que afecten la conductivitat metàl·lica
Metalls tenen molts e- lliures, però també hi ha “forces de fricció”
(defectes de xarxa) dispersió dels e-
resistència
En molts metalls conductivitat α concentració d’e- lliures (n) i mobilitat (μc)
Metalls
nconcentració d’e- lliures
|e|1.602·10-19
μcmobilitat
La resistivitat augmenta amb:
- Temperatura (+ vibracions tèrmiques i irregularitats
αT coeficient tèrmic de resistivitat (ºC-1)
T(ºC)
- Impureses
b coeficient resistivitat per defectes de xarxa
Cfracció d’impureses (tant per 1 atòmic)
- Grau de deformació plàstica (+ dislocacions)
Problemes 1,3,4,10,12
5.4. Semiconductors
Conductivitat entremig, sensibles a impureses
- Semiconductivitat intrinseca (semiconductor pur)
- Semiconductivitat extrínseca (aliatge, afegint impureses)
5.4.1. Semiconductors intrínsecs
Estructura de bandes amb Eg<2eV
Semiconductors elementals: Si, Ge (estructura diamant)
Semiconductors no elementals: GaAs, InSb, CdS, ZnTe
- 27 -
Fon. Ciència Materials
Silici:
Si:[Ne]3s23p2, 4e- valència en enllaços covalents (cord. Tetraèdric)
A T=0ºK no hi ha portadors de càrrega lliures
A T>0ºK algun e- “salta” a banda de conducció deixant un “forat”
En camp elèctric, e- i forats es mouen.
Hi ha dos transportadors de carrega (e- (n) i forats (p))
Com n=p
Efecte de la temperatura
La conductivitat ↑ al ↑T
5.4.2. Semiconductors extrínsecs
Semiconductor intrínsec + impureses e- o forats en excés
Com a referència el silici
Afegim P,As o Sb (columna següent de la taula periòdica) 1e- extra,
pot passar a banda de conducció (impuresa donadora, e- en estats
donadors)
n>>p
n e- extra
Semiconductor extrínsec tipus n
Afegim Al, B o Ga (columna anterior de la taula periòdica) tenim un
forat mòbil(un nou espai buit) (acceptor, estat acceptor)
p>>n
- 28 -
Fon. Ciència Materials
Semiconductor extrínsec tipus p
- Procés d’aliatge:dopatge
5.5. Conductivitat en ceràmiques, polímers i materials
compostos
La majoria de ceràmiques i polímers son aïllants a T ambient
Estructura de bandes amb Eg>2eV
Darrerament, polímers conductors (dopatges especials)
Materials compostos: no hi ha valor σ característic
Problemes 5,8,9,11
TEMA 6: PROPIETATS MAGNÈTIQUES
6.1. Conceptes bàsics
Propietats magnètiques
Interacció: camp magnetic-estructura material
resposta material
capacitat produir camps magnètics
Origen: àtoms amb dipols magnètics
Interès
Materials propietats magnètiquesenginyeria
Generadors i transformadors, radio, TV, telèfon, ordenador...
Exemples
Fe,Co,magnetita (Fe3O2)
Solament algunes amb propietats importants
Magnituds característiques
Camps son produïts per la corrent elèctrica
Hintensitat camp magnètic(A/m)
Bdensitat de flux magnètic (T)
- 29 -
Fon. Ciència Materials
μ0=4π10-7
Si afegim ferro:
Mmagnetització (A/m)
M≡moment dipolar magnètic/unitat volum
Altres magnituds
Permeabilitat magnèticaμ=B/H
Permeabilitat relativa μr= μ/ μ0
Susceptibilitat magnèticaχm=M/H
Origen propietats magnètiques macroscòpiques (càlcul de M)
e- me=±μB μB≡magneton de Bohr
↓
Àtoms matom=Σmesol capes incompletes Ex: mFe=4 μB
↓
Sòlid msolid=Σmatoms
En funció del comportament magnètic
6.2. Comportament magnètic
Dèbil (fenomen no cooperatiu, els àtoms no actuen conjuntament):
- Diamagnetisme
- Paramagnetisme
Forts (fenomen cooperatiu, els àtoms actuen conjuntament):
- Ferromagnetisme
- Antiferromagnetisme
- Ferrimagnetisme
Diamagnetisme
Material matomic=0 (Zn, Cd, Hg, Cu, Ag...)
H indueix un petit dipol en l’àtom
- 30 -
Fon. Ciència Materials
Dipols s’orienten en sentit oposat a H
M(petita) <0
Paramagnetisme
Material matomic≠0 sense interacció mútua
Camp alinea moments dipolars en la direcció H
M>0
fenòmens dèbils i no permanents (materials no magnètics)
6.3. Comportament magnètic cooperatiu
Ferromagnetisme
Fe, Co, Ni poden tenir M permanent elevada
Els dipols s’alineen amb camp gran intensificació de H
M elevadaB≈μ0M
Aplicació:
- intensificació camps magnètics
- imants permanents
Magnetització de saturació (Ms= màxima M possible)
Gràfica B vs H cicle histeresis (no es lineal)
Antiferromagnetisme
MnO, Cr alineament antiparal·lels (M=0)
Ferrimagnetisme
Ceràmiques alineament antiparal·lel ions diferents M=0
Propietats macroscòpiques≈ferromagnetisme, diferent origen
Aplicació intensificació camps magnètics
Problemes 1, 3, 4, 6
6.4. Influencia de la temperatura
↑T↑vibració tèrmica àtoms desalineament moments atòmic en ferro i
ferrimagnètics ↓M
↑T↓M
si T= temperatura de Curie (Tc) M=0
- 31 -
Fon. Ciència Materials
(si T>Tc paramagnètics)
nº reduït de ferromagnètics a T ambient
Fe (Tc=770ºC) Co (Tc= 1075ºC) Ni (Tc=365ºC)
6.5. Cicle d’histeresis magnètica
Ferro i ferrimagnetisme en estat natural a T< Tc i H=0M=0
Per l’existència de dominis magnètics
6.6. Materials magnètics durs i tous
Ferro i ferrimagnetisme es classifiquen segons el cicle d’histeresis
Br*Hc≈duresa magnètica d’un material
Material tou (aliatge Fe-3%Si, Fe-Ni, ferrites):
↓Br↓Hc fàcilment magnetitza i desmagnetitza
Intensificació de H en aplicacions elèctriques
Material dur (aliatge Al-Ni-Co, Fe-Co-Cr):
↑Br↑Hc difícilment magnetitza i desmagnetitza
Moviment parets de Bloch difícil
imants permanents potents
Efecte de la temperatura
↑T↓Br↓Hc
6.7. Superconductors
Característiques elèctriques i magnètiques (molt especials) potencial
tecnològic:
- Resistència elèctrica nul·la
26 metalls, centenars d’aliatges i alguns òxids ceràmics
- Repulsió de camps magnètics (efecte Meissner)
Fenomen de levitació magnètica
- 32 -
Fon. Ciència Materials
Quin es el problema?
Tc molt baixa, 20ºK en metalls He(l) refrigerant
Aplicacions:
Actuals:
- Generadors elèctrics (bobines)
- Imans superconductors
- Producció imatges (ressonància magnètica)
S’està investigant:
- Transmissió elèctrica: connectors alta velocitat, transmissió senyals
en PC (miniatització)
- Imans per acceleradors de partícules
- Trens alta velocitat que levita
Problemes 7, 14
TEMA 9: CORROSIÓ DELS MATERIALS
9.1. Introducció
Corrosió:
Degradació deguda a l’entorn
Sobre tots metalls
Elevat cost econòmic
Pot causar problemes greus
Alteració de propietats
Classificació
Química: oxidació (reacció amb O2 atmosfèric)
Electroquímica (piles electroquímiques) he d’estar en presencia d’H2O,
dissolució o humitat
- 33 -
Importancia
Fon. Ciència Materials
9.2 Atac atmosfèric: Oxidació
Metalls i aliatges exposats a l’aire
capes superficials d’òxid (oxidació) M+O2MaOb
Potser protectora o no
Formació capa d’òxid protectorPassivació
p.e: alumini anoditzat, acer inoxidable
Hi ha altres gasos atmosfèrics: nitrogen, sofre.
9.3. Atac electroquímic
Dissolució metall en mitjà aquos per formació piles electroquímiques
Reacció oxidació-reducció amb ànode, càtode i solució aquosa
9.3.1. Pila concentració aquosa
Quan un metall que està en contacte amb una dissolució la qual té els ions
metàl·lics corresponents. Si la concentració dels ions es diferent es produeix la
pila.
Semireaccions:
Ànode (oxidació): Fe(s)Fe2+(aq)+2e-
Càtode (reducció): Fe2+(aq)+2e-Fe2+
9.3.2. Piles galvàniques
Fe0(s)Fe2-(aq)+2e-
Cu2+(aq)+2e-Cu0(s)
Reacció global:
Fe(s)|Fe2+(aq)||Cu2+(aq)|Cu(s)
No tots els metalls s’oxiden amb la mateixa facilitat
- 34 -
Química: oxidació
Electroquímica
Altres
Piles de concentració iònica
Piles galvàniques
Aireació diferencialCorrosió
Fon. Ciència Materials
9.3.3. Aireació diferencial (reducció aquosa)
O2+2H2O+4e-4OH
Esquerda, sota partícules de brutícia o “herrumbre” dels aliatges de ferro
ambients marins molt corrosius
9.4. Mètodes per prevenir la corrosió
1. Selecció adequada dels materials
2. Recobriments protectors
Revestiments orgànics (polímers)
Revestiments ceràmics: esmalts
Revestiments metàl·lics, per electrodeposició
Ex: galvanitzat; recobrir el ferro amb zenc (acer galvanitzat)
Capa d’estany en acer de llaunes “hojalata”
3. Aplicar un voltatge extern que s’oposi a la reacció electroquímica
4. Canviar condicions entorn
Disminuir la temperatura (↓ velocitat de corrosió)
Eliminar l’oxigen de les dissolucions
Reduir ions corrosius en les dissolucions
Afegir un inhibidor
5. Protecció catòdica amb ànodes de sacrifici
Zn té grau d’oxidació major al Fe o Cu
- 35 -
Planxes
Capa de pintures