Struktury podstawowych grup materiałów

Magdalena Wielgus ZIP42, sekcja 2

METALE

Metale mają budowę krystaliczną (niektóre stopy można uzyskiwać w postaci amorficznej - szkło metaliczne), tzn. ich atomy zajmują ściśle określone miejsca w uporządkowanej sieci przestrzennej. Sieć przestrzenna jest odwzorowaniem przestrzennego rozmieszczenia atomów, utworzona przez powtórzenie w trzech kierunkach podstawowego elementu, zwanego komórką zasadniczą albo sieciową. Zatem, materiały krystaliczne charakteryzują się regularną, symetryczną budową.

Podstawowe struktury metaliczne są to:

A1 - regularna powierzchniowo centrowana

A2 - regularna przestrzennie centrowana

A3 - heksagonalna ciasno upakowana

W trzech wyżej wymienionych strukturach krystalizuje ponad ¾ wszystkich czystych metali. Odchylenia od założonej symetrii sferycznej powodują powstawanie innych struktur np. jedna z postaci alotropowych Sn, tzw. cyna biała krystalizuje w układzie tetragonalnym.

POLIMERY

Polimery są związkami charakteryzującymi się budową łańcuchową. Każda cząsteczka zwiera powtarzające się elementy, które nazywamy merami. Łańcuchy polimerowy może tworzyć jeden rodzaj merów lub kilka różniących się od siebie. Polimery to związki wielkocząsteczkowe składające się z jednostek powtarzalnych. Polimery łańcuchowe topi sie w wyższych temperaturach i są rozpuszczalne w odpowiednich rozpuszczalnikach (termoplasty), które pod wpływem odpowiednio wysokiej temperatury albo odczynników chemicznych ulegają usieciowaniu i stają się tworzywami nietopliwymi i nierozpuszczalnymi.

Podstawowe struktury polimerów:

a - liniowe b - liniowe z rozgałęzieniami c - z wiązaniami poprzecznymi (nieznacznie usieciowane) d - silnie usieciowane

Polimery liniowe stanowią grupę największą i najważniejszą, są zbudowane z monomerów połączonych jeden z drugim w sposób liniowy tak, że tworzą łańcuch. Siłami spójności pomiędzy łańcuchami polimeru są słabe wiązania Van der Waalsa. Polimery rozgałęzione i usieciowane zajmują pod względem struktury i właściwości miejsce pośrednie.

CERAMIKA

Cechą charakterystyczną ceramiki są bardzo silne wiązania kowalencyjne lub jonowe, a najczęściej mieszane o różnym udziale jednych i drugich. Odzwierciedleniem silnych wiązań między atomami jest wysoka temperatura topnienia.

Materiały ceramiczne są złożone z co najmniej dwóch elementów, a często i większej ich

liczby, a ich struktura krystaliczna jest bardziej złożona niż metali.

W materiałach ceramicznych, w których przeważają wiązania jonowe, występuje

równowaga między dodatnio naładowanymi elektrycznie kationami - jonami metali,

oddającymi swe elektrony walencyjne a ujemnie naładowanymi anionami - jonami

niemetali. W przypadku gdy aniony pozostają w kontakcie z otaczającymi kationami,

materiały ceramiczne cechują się strukturą stabilną.

Wiele ceramik odznacza się uporządkowanym rozkładem atomów. Wśród materiałów ceramicznych wyróżniamy ceramiki:

• kowalencyjne - czyste pierwiastki (diament, grafit, krzem) albo związki dwóch niemetali, np. SiO₂

• jonowe związki chemiczne metali z niemetalami, np. Al₂O, ZrO₂ czy MgO.

Komórka elementarna diamentu (krzemu) Komórka elementarna grafitu

Wyróżnia się luki czworościenne i ośmiościenne. Podstawowa różnica między metalami a ceramiką, mimo że często krystalizują w podobnych sieciach, polega na rodzaju wiązań miedzy atomami.

Model mikrostruktury ceramiki krystalicznej:

---