Deel 1: Atomic and Crystal structure Hoofdstuk 2: Atoom- en kristalstructuur



Dovnload 251.01 Kb.
Pagina1/8
Datum21.08.2016
Grootte251.01 Kb.
  1   2   3   4   5   6   7   8
Aerospace Materials and Manufacturing I

(‘Study’ summary only)




Deel 1: Atomic and Crystal structure

Hoofdstuk 2: Atoom- en kristalstructuur




2.5 Bindkrachten en –energie
Twee atomen die in elkanders omgeving komen ondervinden krachten van elkaar. Ten eerste is er een aantrekkingskracht deze stijgt exponentieel naar mate de twee atomen dichter bij elkaar komen. Er is echter ook nog een afstotende kracht. Deze begint wanneer de twee elektronenwolken van de twee verschillende atomen door elkaar beginnen lopen. Deze kracht stijgt vanaf dat punt veel sneller dan de aantrekkingskracht. Hierdoor zal deze afstotingskracht al snel de overhand krijgen. Tussen het punt waar de elektronenwolken in elkaar beginnen lopen en het punt waarop de atomen zouden samenvallen ligt dus ergens een evenwichtspunt. Vanaf het moment dat de atomen op deze evenwichtstoestand van elkaar liggen zal er kracht nodig zijn om de atomen van elkaar te trekken op tegen elkaar te drukken.

Voorstelling van deze krachten en de daarbij horende E-waarden: figuur 2.8 (p.19)

* Begrippen bij de voorstellingen van het potentiële energieverloop:

- bonding energy: (=bindenergie E0) dit is de energie die nodig zou zijn om de twee atomen van elkaar te scheiden tot in het oneindige.

* Interpretaties van de voorstellingen van het potentiële energieverloop:

- De vorm van de energie versus interatomaire scheiding – grafiek en de grootte van E0 zal afhangen van het soort materiaal en de soort binding.

- Hoge bindenergie = hoge smelttemperatuur

- De stijfheid van een materiaal is afhankelijk van de helling van de grafiek rond r0. Hoe steiler, hoe stijver; hoe platter, hoe elastischer.



2.6 Primaire Interatomaire bindingen

Ionbindingen

Een ionbinding gebeurt steeds tussen een metaal en een niet-metaal. Aangezien alle stoffen de edelgasstructuur willen bereiken, zal een metaal één of meerdere elektronen willen afgeven en een niet-metaal zal één of meerdere elektronen willen opnemen. In een ionbinding gebeurt dit. De twee atoomsoorten staan elkaar bij om de edelgasstructuur te bereiken. Aangezien door deze handeling positief en negatief geladen ionen ontstaan, zal er aantrekking (coulombkracht) zijn tussen de atomen en zullen de twee verschillende soorten atomen zich schikken in een rooster.

Doordat de bindingsenergie hoog is in deze bindingen zal de smelttemperatuur eveneens hoog liggen. Het materiaal is eveneens thermisch en elektrisch isolerend doordat er geen vrije elektronen zijn. Tenslotte is een belangrijke eigenschap van deze materialen de broosheid en de stijfheid. Het is duidelijk dat de keramische materialen hieronder kunnen geklasseerd worden.

Covalente bindingen

In een covalente binding zal een bepaald atoom met één of meer valentie-elektronen binden met een ander atoom met eveneens één of meer valentie-elektronen door deze elektronen te delen. De atomen gaan de elektronen samen gebruiken om de edelgasstructuur te bereiken. Heel vaak hebben de atomen die zo’n binding aangaan een klein verschil in elektro-negativiteit. Indien er een groter verschil was in elektronegativiteit, dan zou er een ionbinding plaatsvinden. Hieruit kan men afleiden dat het ook mogelijk is om een stof te hebben die zowel ion- als covalente bindingen heeft. Dit zijn dan de ‘randgevallen’.

Eén van de meest bekende groep van stoffen die hieronder kan geklasseerd worden is de groep van de polymeren. De basis van zo’n polymeer is een keten van koolstofatomen die aan elkaar vastzitten met een enkele covalente binding. De overgebleven plaatsen zijn aanhechtingsplaatsen voor diverse atomen afhankelijk van het polymeer. Polymeren hebben uiteenlopende hoofdeigenschappen. Ze kunnen slap of keihard zijn, ze kunnen hittebestendig zijn of juist niet, meestal zijn ze wel elektrisch isolerend. Heel vaak worden polymeren gebruikt als inbedding voor glas- of koolstofvezels.
Metaalbindingen
Metaalbindingen kunnen zoals wel blijkt uit de naam enkel tussen metalenatomen. Metalen hebben als eigenschap dat ze één, twee of maximum drie valentie-elektronen hebben. Door de altijd heersende aantrekking tussen twee atomen zullen de metaalatomen naar elkaar toe getrokken worden. Wanneer ze een rooster vormen zullen de valentie-elektronen loskomen en zullen ze tussen de kernen een zee vormen van vrije elektronen. De afstoting van deze positieve kernen onderling zal vermeden worden door de zee van elektronen.

Een logisch gevolg van de elektronenzee is een zeer goede geleiding van warmte en elektrische energie. De smelttemperatuur verschilt van metaal tot metaal. Een algemeen kenmerk van metalen met betrekking tot de sterkte is metaalmoeheid. Dit wordt veroorzaakt door periodieke vervorming.



2.9 Samenvatting


  • Beschrijving van de atoommodellen met als belangrijkste het zogenaamde ‘wave-mechanical model’ in welk de elektronen een plaats krijgen in de molecule met behulp van vier kwantumnummers

  • Een atoombinding is een resultaat van aantrekkende en afstotende krachten. Men kan twee groepen van bindingen onderscheiden, de primaire en de secundaire.

- Primaire:

1. Ionbindingen waarbij elektronen uitgewisseld worden en de aantrekking veroorzaakt wordt door de ontstane verschillend geladen deeltjes. De drijfveer voor de uitwisseling is het streven naar de edelgasstructuur.

2. Covalente bindingen waarbij elektronen worden gedeeld zodat beide atomen de edelgasstructuur bereiken.

3. Bij metaalbindingen worden de kernen bij elkaar gehouden door de zee van elektronen rond de kernen.

- Secundaire: (door geïnduceerde of permanente polariteit)

1. Van der Waals bindingen worden veroorzaakt doordat moleculen of atomen worden gepolariseerd. Dit kan gebeuren door atomen die toevallig op een bepaald tijdstip polair zijn of door moleculen die polair zijn doordat de ene atoomkern sterker aan de elektronen trekt dan de andere.

2. Waterstofbindingen zijn de tweede soort secundaire binding en ontstaan nadat een H-atoom zich covalent gebonden heeft met een F-atoom, een O-atoom of een N-atoom. De kant van het H-atoom wordt vanzelfsprekend zeer positief en zal moleculen of atomen aantrekken.

Hoofdstuk 3: de Kristalstructuur van vaste stoffen



3.2 Fundamentele begrippen

Een kristallijn materiaal is een materiaal waarin de atomen zich schikken volgens een driedimensionaal patroon dat zich voortdurend binnen de stof herhaalt. Het gaat hier over alle metalen, vele keramische materialen en sommige polymeren. De niet-kristallijne materialen noemen we amorf.

De kristalstructuur is de manier waarop de atomen zich schikken. Een voorstelling van deze al dan niet ingewikkelde driedimensionale structuren wordt gemaakt door atomen voor te stellen als bollen.

Het is vanzelfsprekend dat eigenschappen van materialen samenhangen met de kristal-structuur van de atomen.



3.3 Eenheidscellen
Een eenheidscel wordt gebruikt om de zich steeds herhalende structuur in een kristalstructuur weer te geven. Het vertegenwoordigt de hele geometrische opbouw van een rooster.

3.4 Kristalstructuren in metalen
Eerst enkele begrippen: aangezien metaalatomen steeds gebonden zijn door metaalbindingen zijn er geen of nauwelijks beperkingen voor de dichtheid waarmee de ionen op elkaar zitten. (een structuur van metaalatomen is eigelijk een opeenstapeling van metaalionen in een zee van elektronen) De dichtheid die de ionen heeft wordt uitgedrukt in ‘atomic packing factor’ (APF), dit is de verhouding tussen het totale volume van de bollen in de eenheidscel en het totale volume van de eenheidscel zelf. Dit getal zal dus hangen tussen de 0 en de 1.

Verder is er nog het zogenaamde ‘coordination number’. Dit is het aantal dichtst bijzijnde buuratomen.

Men kan drie soorten van kristalstructuren onderscheiden bij metalen (bekijk eenheidscel):


  • Face-centered cubic kristalstructuur (FCC): er zijn atomen aan de hoekpunten en in het midden van de zes zijvlakken van de kubus. Er bevindt zich géén centraal atoom in het centrum van de kubus.

De wiskundige relatie tussen de straal van een atoombol en een zijde van de kubus is a=2R2. Het coordination number is 12 en de atomic packing factor is 0.74.

  • Body-centered cubic kristalstructuur (BCC): er zijn atomen aan de hoekpunten van de kubus en één in het centrum. De wiskundige relatie tussen de straal van een atoombol en een zijde van de kubus is a=4R/3. Het coordination number is 8 en de atomic packing factor is 0.68.

  • Hexagonal close-packed kristalstructuur (HCP): de eenheidscel is in dit geval geen kubus, maar een zeszijdig regelmatig prisma. Er bevinden zich atomen aan alle twaalf hoekpunten. Verder nog twee atomen die zich in het centrum van de twee zeszijdige vlakken bevinden en tenslotte drie atomen die zich in het midden van het prisma bevinden. (Zie p. 35) De verhouding tussen de twee verschillende lengtezijden van het prisma is meestal gelijk. Verder is het coordination number 12 en het APF 0.76, beide net als bij de face-centered cubic kristalstructuur.



3.6 Polymorfisme en allotropie
Polymorfisme is de eigenschap van een metaal of niet-metaal om van kristalstructuur te veranderen. Dit gebeurt onder invloed van temperatuur en druk. Allotropie is het begrip dat dit fenomeen beschrijft voor enkelvoudige stoffen.

Een voorbeeld van allotropie is te vinden bij het koolstofatoom. Dit kan voorkomen als grafiet (koolstof in normale omstandigheden) of als diamant (gemaakt onder zeer hoge druk).



3.7 Kristalsystemen
De vorm van de eenheidscel is niet steeds een kubus of een zeszijdig prisma. Er zijn zeven verschillende soorten vormen binnen de eenheidscellen. Voor de verschillende typen en hun eigenschappen op meetkundig vlak: zie tabel 3.2 op pagina 39 van het handboek.

3.8 Kristalrichtingen
De kristalrichting wordt steeds beschreven met drie getallen. Deze getallen zijn de verhoudingen van de projecties van de richtingsvector op de zijden van de eenheidscel en van de overeenkomende zijden van de eenheidscel. (Duidelijk te zien op pagina 41) Voor hexagonale eenheidscellen wordt een assenstelsel gebruikt met vier assen. Drie assen evenwijdig met het zesvlak elk door een hoekpunt en één as loodrecht op en door het middelpunt van het zesvlak. Hier worden de richtingen dus beschreven met vier getallen.

Let er bij het bepalen van die getallen steeds op dat je een vector kiest die niet door de oorsprong gaat van het assenstelsel.

Voor een niet-hexagonale eenheidscel zijn de assen zodanig gekozen dat de z-as naar boven wijst.

Equivalente richtingen zijn richtingen waarbij de atomen op een zelfde manier gerangschikt staan. In een FCC eenheidscel behoren de richtingen 101, 011 en 110 tot dezelfde <110> groep.



3.9 Kristalvlakken
Net zoals de kristalrichtingen worden ook de vlakken in een eenheidscel beschreven met slechts drie getallen. Deze getallen zijn hier de verhouding van de lengte van de oorsprong tot het snijpunt met de as en de lengte van de overeenkomende zijde van de eenheidscel. Ook hier moet er op gelet worden dat bij het bepalen van de kengetallen het vlak niet door de oorsprong gaat. Wanneer een as niet gesneden wordt door het vlak, dan zal het kengetal 0 zijn voor die as.

3.11 ‘Close-packed’ kristalstructuren
Wanneer men close-packed vlakken van atomen heeft kan men die stapelen. De manier waarop men die stapelt zal invloed hebben op de kristalstructuur. Neemt figuur 3.12b, hierop kan men een close-packed vlak leggen op een manier dat de middelpunten van de atomen boven de middelpunten van de A-atomen komen. Hiermee zal een HCP structuur bekomen worden. Een tweede manier om zo’n vlak daarop te leggen is door de middelpunten van de atomen boven de punten aangeduid als C’s te leggen. Hiermee zal men een FCC structuur bekomen.

3.12 Enkelvoudige kristallen (single cristals)
Een enkelvoudig kristal is een kristal dat zorgvuldig is opgebouwd uit dezelfde eenheidscellen, allemaal gelijk gestapeld. Dit komt voor in de natuur, maar er zijn wel degelijk speciale omstandigheden voor nodig. Uitwendig vertonen deze kristallen mooie geometrische vormen.

3.13 Polykristallijne materialen
De meeste kristallijne materialen zijn echter niet enkelvoudig kristallijn. Meestal bestaan ze uit zogenaamde korrels. Deze zijn aanvankelijk klein, maar in de loop van de tijd vormen vele kleine korrels grotere korrels. Op een bepaald tijdstip vinden de groter geworden korrels geen aansluiting meer bij een andere korrel. De korrels blijven dan in die positie liggen waardoor er korrelgrenzen ontstaan. Het soort materiaal waarin de kristallen zich op die manier schikken noemt men polykristallijne materialen.

3.14 Anisotropie
- Bij enkelvoudige kristallen: Anisotropie is een typische eigenschap voor de meeste enkelvoudige kristallen. Aangezien de meeste eenheidscellen niet volledig symmetrisch zijn, zijn de eigenschappen van het materiaal niet in elke richting gelijk, dit fenomeen noemt men anisotropie. Enkel voor volledig symmetrische eenheidscellen zal deze eigenschap vervallen en noemt men het isotropie.

- Bij polykristallijne materialen is er alleen maar sprake van isotropie. Misschien zijn de structuren niet symmetrisch, maar door een willekeurige vermenging van de korrels kan men op macroscopische schaal zeggen dat eigenschappen in alle richtingen gelijk zijn. Dit kan met speciale technieken (zoals het walsen van aluminium) veranderd worden. Hierbij perst men alle korrels in dezelfde richting.




Hoofdstuk 13: structuur en eigenschappen van keramische materialen

13.2 Kristalstructuren
Meestal veel ingewikkelder dan die van metalen aangezien meerdere atoomsoorten betrokken zijn in de ionbindingen.

Wanneer een ionbinding heeft plaatsgevonden zijn er negatief geladen ionen of anionen en positief geladen ionen of kationen aanwezig. Nu zijn er twee parameters die de structuur van het (keramische) materiaal bepaalt:

1. Ten eerste móet de som van de ladingen nul of neutraal zijn, zoniet kan er geen rooster gevormd worden. Deze eerste parameter bepaald mee dus of er al dan niet kristallisatie komt.

2. Een tweede parameter is de verhouding tussen de groottes van de anionen en de kationen (rC/rA). Aangezien de straal van kation kleiner is dan die van een anion zal de verhouding tussen nul en één liggen. Het coördinatienummer (aantal aangrenzende anionen) voor het kation zal dus afhankelijk zijn van deze waarde. Hoe groter de waarde (hoe groter het kation t.o.v. het anion), hoe meer aangrenzende anionen het kation zal hebben. De anionen moeten de kationen raken, het aantal anionen rond een zeer klein kation zal dus strikt twee zijn. Indien er drie anionen rond het kation zouden hangen zonder dat het geraakt wordt (terwijl het kation dus te klein is), dan zou de structuur onstabiel zijn. (zie ook p. 384 in het boek)


In de volgende reeks structuurtypes zal X de anionen en A (en B) de kationen aanduiden. De coördinatienummers voor anionen en kationen zijn te vinden in tabel 13.4 (p. 389)



  1   2   3   4   5   6   7   8


De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina