Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

1

Mikrosystemy I - 

Materiały

(na prawach rękopisu)

HELENA TETERYCZ

Katedra Elektroniki i Fotoniki

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

2

   Metale - polikryształy



Al, Au, Cu, W, Ni, TiNi, NiFe 

   Szkło - SiO

2

 -termiczny lub osadzany (CVD)

   Polimery - amorficzne
   Ceramika - polikryształ (Si

3

N

4 

- CVD)

   Kompozyty
   „Król” półprzewodników: KRZEM



mocniejszy niż stal, lżejszy niż aluminium



monokryształ lub polikryształ



10 nm do 10 mm

 

Materiały do MEMS

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

3

23

11

Na

Powłoka K (n=1)

Powłoka L (n=2)

Powłoka M (n=3)

  11 protonów
 12 neutronów

Struktura elektronowa atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

4

Schemat struktury elektronowej atomu 
sodu

elektron 11   n=3,   l=0,    m

l

=0,   m

s

=+1/2 lub -1/2

elektron 10   n=2,   l=1,  m

l

=+1,   m

s

=-1/2 

elektron  9    n=2,   l=1,  m

l

=+1,   m

s

=+1/2 

elektron  8    n=2,   l=1,    m

l

=0,   m

s

=-1/2 

elektron  7    n=2,   l=1,    m

l

=0,   m

s

=+1/2 

elektron  6    n=2,   l=1,   m

l

=-1,   m

s

=-1/2 

elektron  5    n=2,   l=1,   m

l

=-1,   m

s

=+1/2 

elektron  4    n=2,   l=0,    m

l

=0,   m

s

=-1/2

elektron  3    n=2,   l=0,    m

l

=0,   m

s

=+1/2 

elektron  2    n=2,   l=0,    m

l

=0,   m

s

=-1/2 

elektron  1    n=2,   l=0,    m

l

=0,   m

s

=+1/2 

1s

2

2s

2

2p

6

3s

2

Struktura elektronowa 
atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

5

Zapełnienie poziomów i podpoziomów energetycznych w atomie

                      l=0          l=1        l=2         l=3         l=4         l=5
                      (s)           (p)        (d)          (f)          (g)          (h)

n=1 (K)          2
n=2 (L)          2               6
n=3 (M)         2               6           10
n=4 (N)         2               6           10          14
n=5 (O)         2               6           10          14           18
n=6 (P)         2               6           10          14           18           22

2; 6; 10; 14; 18; 22 - maksymalna liczba elektronów na poziomie

Struktura elektronowa atomu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

6

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Ce

Ti

Zr

Hf

Rf

Pr

V

Nb

Ta

Ha

Nd

Cr

Mo

W

Sg

Pm

Mn

Tc

Re

Ns

Sm

Fe

Ru

Os

Hs

Eu

Co

Rh

Ir

Mt

Gd

Ni

Pd

Pt

Unn

Tb

Cu

Ag

Au

Dy

Zn

Cd

Hg

Ho

B

Al

Ga

In

Tl

Er

C

Si

Ge

Sn

Pb

Tm

N

P

As

Sb

Bi

Yb

O

S

Se

Te

Po

Lu

F

Cl

Br

I

At

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

metale - dobre przewodniki, ciągliwe, połysk metaliczny, tworzą kationy

niemetale - typowo złe przewodniki, kruche, 
niemetaliczny połysk, tworzą aniony

metaloidy - wzdłuż “linii schodkowej”,
czasami przewodniki (półprzewodniki), 
jeśli tworzą kowalencyjne wiązania 
typu niemetal

UuuUub

Uuq

Uuh

Uuo

109/

85

Układ okresowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

7

Właściwości pierwiastków

0

1

2

3

4

g

az

y 

sz

la

ch

et

n

e

s

2

p

6

s

2

p

5

s

2

p

4

s

2

p

3

s

2

p

2

s

2

p

1

s

2

p

0

s

1

p

0

VIIIA

VIIA

VIA

VA

IVA

IIIA

IA

IIA

Br

Se

As

Ge

Ga

Ca

K

Cl

S

P

Si

Al

Mg

Na

F

O

N

C

B

Be

Li

H

E

le

kt

ro

u

je

m

n

o

ść

 w

g

. s

ka

li 

P

au

lin

g

a

Położenie w układzie okresowym

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

8

jądro

+

jądro

+

Wiązanie metaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

9

atom Si

wiązanie 
kowalencyjne

Wiązanie kowalencyjne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

10

Wiązanie kowalencyjne jest kierunkowe. 
Struktura tetragonalna (C, Si), 
kąt pomiędzy wiązaniami 109,5

o

Wiązanie kowalencyjne - hybrydyzacja

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

11

Schemat wiązania jonowego

atom Na

atom Cl

przeniesienie

elektronu

jon Na

+

jon Cl

-

chlorek sodu

 NaCl

Wiązanie jonowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

12

Ruch jonów w krysztale jonowym pod wpływem

pola elektrycznego

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

13

Schemat wiązania kowalencyjnego w dwutlenku krzemu

Wiązanie kowalencyjne spolaryzowane
- SiO

2

Elektroujemność Si = 1,90; O= 3,44

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

14

Wiązanie wodorowe pomiędzy cząsteczkami wody

 

tlen

tlen

Wiązanie wodorowe

Oddziaływania Van der Waalsa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

15

Siły Londona

 

     atom

     

Siły Londona

Spolaryzowany 
atom posiadający 
moment dipolowy

Spolaryzowane atomy  
oddziaływają na siebie

Oddziaływania Van der Waalsa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

16

Wiązanie Van der Waalsa w PCV

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

17

jądro

jądro

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

Energia wiązania

Odległość 

międzyatomowa

2r

Odległość

Odległość

S

iła

E

n

e

rg

ia

o

d

p

y

ch

a

n

ia

o

d

p

y

ch

a

n

ie

p

rz

y

ci

ą

g

a

n

ia

p

rz

y

ci

ą

g

a

n

ie

Energia wiązania [kJ/mol]

jonowe

     620-1600

kowalencyjne

     540-1400

metaliczne

      110-1400

Van der Waalsa           <40

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

18



Długość wiązania (odległość międzyatomowa)

 jest 

równa odległości równowagowej pomiędzy środkami 
dwóch atomów



Energia wiązania

 to energia potrzebna do oddzielenia 

dwóch atomów z ich położenia równowagowego do 
nieskończoności



Moduł Younga

 jest nachyleniem krzywej 

naprężenie/odkształcenie w obszarze odkształceń 
sprężystych (E).



Współczynnik rozszerzalności termicznej ()

 mówi o ile 

zwiększy się odległość międzyatomowa podczas zmian 
temperatury

Energia wiązania i długość 

wiązania

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

19

Zależność siły od odległości dla dwóch różnych 
materiałów.  Pochylenie dFlda jest proporcjonalne do 
modułu Younga

mocne wiązanie

da

dF

da

dF

słabe wiązanie

odległość

S

iła

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

20

E

n

e

rg

ia

 o

d

d

zi

a

ły

w

a

n

ia

 m

ię

d

zy

a

to

m

o

w

e

g

o



E



E



a



a

odległość

Zależność rozszerzalności cieplnej materiałów 

o różnej mocy wiązania

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

21

H

Li

Na

K

Rb

Cs

Fr

Be

Mg

Ca

Sr

Ba

Ra

Sc

Y

La

Ac

Ce

Ti

Zr

Hf

Rf

Pr

V

Nb

Ta

Ha

Nd

Cr

Mo

W

Sg

Pm

Mn

Tc

Re

Ns

Sm

Fe

Ru

Os

Hs

Eu

Co

Rh

Ir

Mt

Gd

Ni

Pd

Pt

Unn

Tb

Cu

Ag

Au

Dy

Zn

Cd

Hg

Ho

B

Al

Ga

In

Tl

Er

C

Si

Ge

Sn

Pb

Tm

N

P

As

Sb

Bi

Yb

O

S

Se

Te

Po

Lu

F

Cl

Br

I

At

He

Ne

Ar

Kr

Xe

Rn

Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr

metale - dobre przewodniki, ciągliwe, połysk metaliczny, tworzą kationy

niemetale - typowo nie-przewodzące, kruche, 
niemetaliczny połysk, tworzą aniony

metaloidy - wzdłuż “linii schodkowej”,
czasami przewodniki (półprzewodniki), 
jeśli tworzą kowalencyjne wiązania 
typu niemetal

UuuUub

Uuq

Uuh

Uuo

109/

85

Układ okresowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

22

Metale

Do substancji metalicznych zalicza się:
     metaliczne pierwiastki
     związki lub fazy międzymetaliczne
     stopy metali

Metal to substancja wykazująca:
     dobre przewodnictwo elektryczne
     dobre przewodnictwo cieplne
     charakterystyczny metaliczny połysk

Metal to substancja zbudowana ze zbioru 
jonów dodatnich (rdzeni atomowych)
zanurzonych w „gazie” elektronowym

Metal to substancja zbudowana ze zbioru 
jonów dodatnich (rdzeni atomowych)
zanurzonych w „gazie” elektronowym

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

23

Metale

„Gaz” elektronowy tworzą elektrony walencyjne

Elektrony poruszają się w polu potencjalnym 
zrębów atomowych

Wiązane metaliczne - siły elektrostatyczne o symetrii
sferycznej - zapewniają spójność struktury

Liczby koordynacyjne wysokie, określone wyłącznie 
przez wymiary geometryczne kationów 

Ścisłe upakowanie charakterystyczne dla stanu 
metalicznego zostaje zachowane prawie bez zmiany
w stanie ciekłym - mały współczynnik wzrostu 
objętości podczas topnienia

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

24

Struktura krystaliczna metali

Najpowszechniej 

występują jako materiały 

polikrystaliczne

Otrzymuje się również monokryształy metali  
(np. wiskersy), np. łopatki turbin silników 
samolotów  wykonywane są z monokryształów 
stopów Ni („jet engines”)

Bardzo  intensywnie  chłodząc  stopiony  metal 
można  otrzymać  materiał  amorficzny  (materiały 
magnetycznie miękkie)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

25

Metale - struktura krystalograficzna

Metale krystalizują wyłącznie w 

pięciu

 układach 

krystalograficznych:

Regularnym  

Heksagonalnym (najgęstsza) - 

Be, Mg, Ti, Zr, Hf, -Cr, -Co, Re, Ru, Os 

Tetragonalnym - Hg 

Rombowym - Tb, Dy 

Romboedrycznym - Bi

Regularnym 

płasko centrowana - Cu, Ag, Au, Al, Nb, Ni, Rh, Pd, Ir, Pt

 

przestrzennie centrowana - Li, K, Na, V, Ta, -Cr, Mo, -W, -Fe

 

Znajomość struktury istotna podczas nakładania warstw!

Znajomość struktury istotna podczas nakładania warstw!

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

26

A

 

B 

C

 

A

 

B

 

C

 

A

 

B 

C

Regularna ściennie centrowana (fcc)

8 atomów w narożach komórki 
1 atom na środku każdej ściany
Komórka zawiera 4 atomy:          

8 x 1/8 narożne
6 x 1/2 na ścianie 

a

b

c

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

27

Złoto (Au) - fcc

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

28

Regularna przestrzennie centrowana 

(bcc)

Komórka zawiera  2 atomy

1 x 1 w środku
8 x 1/8 narożne

===90

a=b=c

a

b

c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

29

Żelazo (Fe), Wanad (V), Chrom 

(Cr)  bcc

===90

a=b=c

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

30

A

 

B

 

A

 

B

 

A

 

B

Układ Heksagonalny (hcp)

Każda komórka zawiera 2 atomy

8 x 1/8 każdy róg
1 x 1 w środku

==90 =120

a=bc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

31

Tytan (Ti) - hcp

==90 =120

a=bc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

32

Pośród ciał stałych metale często występują  w kilku 
odmianach alotropowych

Czyste  żelazo  występuje  w  trzech  układach  (,   

oraz  -Fe) w zależności od temperatury

Każda  z  tych  faz  ma  swoją  specyficzną  strukturę 
krystalograficzną  i  charakterystyczne  właściwości 
chociaż zbudowane są z identycznych atomów

 -Fe ma strukturę bcc

-Fe ma strukturę fcc

Odmiany alotropowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

33

Stopy  to  mieszaniny  czystego  metalu  z  jednym  lub 
wieloma innymi pierwiastkami 

Często  tymi  innymi  pierwiastkami  są  inne  metale 
np., mosiądz jest stopem miedzi i cynku

Stop to połączenie również metalu z niemetalem

W  wielu  przypadkach  metale  dobrze  rozpuszczają 
się w metalach 

W  innych  przypadkach  zamiast  roztworu  stałego 
powstaje  nowa  faza  „związek  międzymetaliczny”,  o 
strukturze innej niż tworzące je metale

Stopy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

34

Związki Międzymetaliczne

Reguły Hume-Rothery’ego 

1. „Rozmiar”  pierwiastków.  Tylko  ograniczona  ilość 

jednego pierwiastka może rozpuścić się w innym - 
im  mniejsza  różnica  wymiarów  geometrycznych 
tym  lepsza  rozpuszczalność,  ale  nie  zawsze  np./ 
Pt/Ir

2. Duża 

różnica 

elektroujemności 

pomiędzy 

rozpuszczalnikiem a pierwiastkiem rozpuszczanym. 
Wiązanie staje się bardziej jonowe niż metaliczne.

3. Podobna konfiguracja elektronowa

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

35

  Nieprzeźroczyste
  Błyszczące
  Wysoka temperatura wrzenia
  Dobre przewodniki ciepła
  Dobre przewodniki elektryczności
  Wytrzymałe
  Plastyczne
  Ciągliwe

Właściwości Metali

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

36

Metale - podział

gęstość
- lekkie <5g/cm

3

 (15 metali)

- ciężkie > 5g/cm

3

 (70 metali)

twardość
- miękkie - Au 180 Mpa
- twarde - Ni 850 Mpa
- bardzo twarde - Ir 2500 Mpa
ale Fe -650 Mpa, stal zwykła - 3500 MPa

barwy
- kolorowe - (nieszlachetne +Cu) z wyjątkiem żelaza, 
  które same lub ich stop są kolorowe
- „czarne” - żelazo i jego stopy
- „białe” - znormalizowane stopy łożyskowe cyny

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

37

Metale - podział

metody otrzymywania
- elektrolityczne
- spiekania

potencjał elektrochemiczny (reaktywność)
- szlachetne SEM > 0 V
- nieszlachetne SEM < 0 V

podatność magnetyczna
- ferromagnetyki - Fe, Ni, Co, Gd - 

m

>>1

- paramagnetyki - Pt, Al. - 

m

>1 (270·10

-6)

- diamagnetyki - Cu, Au, Ag, Zn, - 

m

.<1 (-5,46·10

-6)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

38

Metale - temperatura topnienia

Niskotopliwe: T

top

<700

o

C - litowce. Pb, Zn, Ga, In, Sn, Al., Mg, Cd

Wysokotopliwe: T

top

 700

o

C - 2000

o

C - Be, Ca, Ti, Y, Cr, Ni, Cu, 

  Zr, Pd, Ag, Au, Pt

B. wysokotopliwe: T

top

 > 2000

o

C - Nb, Mo, Tc, Ru, Hf, Ta, W, 

                                                 Re, Os, Ir

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

39

• Wiązanie jonowe jest mocniejsze niż metaliczne

• Ceramika ma wyższe temperatury topnienia niż 
metale

• Kowalencyjne wiązanie może być bardzo mocne

• Materiały o wiązaniach kowalencyjnych mają wyższe 
temperatury topnienia niż metale, np. diament

• Jednakże wiele materiałów o wiązaniach 
kowalencyjnych  topi się w bardzo niskich 
temperaturach z powodu małej trwałości cząsteczek

• Wiązania międzycząsteczkowe są raczej słabe            
           (np. polimery termoplastyczne)

Temperatura topnienia

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

40

Przewodnictwo elektryczne

 Metale dobre przewodniki elektryczności 

  Niektóre  metale  są  lepszymi  przewodnikami 
elektryczności, 

np. 

miedź 

jest 

lepszym 

przewodnikiem niż cynk

  Ceramika,  szkło  i  polimery  są  zazwyczaj 
dobrymi dielektrykami

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

41

Metale - 

konfiguracja, rezystywność

Metal

Konfiguracja

elektronowa

Obsadzenie pasm

(n-1)d i ns

Rezystywność 10

8

[m]

Ni

[Ar]3d

8

4s

2

[Ar]3d

9,45

4s

0,55

6,14

Cu

[Ar]3d

10

4s

0

[Ar]3d

10

4s

0

1,55

Pd

[Kr]4d

10

5s

0

[Kr]4d

9,64

5s

0,36

9,77

Ag

[Kr]4d

10

5s

0

[Kr]4d

10

5s

0

1,49

Pt

[Xe]5d

9

6s

1

[Xe]5d

9,6-9,8

6s

0,4-0,2

9,81

Au

[Xe]5d

10

6s

0

[Xe]5d

10

6s

0

2,06

Konfiguracja elektronowa, obsadzenie pasm i rezystywność

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

42

Metale - 

TWR

100

R

R

R

1

TWR

o

100

0





Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

43

Naprężenie () jest definiowane  = F/A
F = siła działająca na próbkę 
A = pole porzeczne próbki 
Jednostką naprężenia jest Pa (tj. N·m

-2

)

Naprężenie

A

F

A

F

Rozciąganie
Naprężenie rozciągające 

= F/A

Ściskanie

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

44

Naprężenie

Pod wpływem siły materiały ulegają 
odkształceniu
odkształcenie 

n

l/l

u = wydłużenie,  l = początkowa długość 
Odkształcenie jest bezwymiarowe

l

l



l

v/2

v/2

odkształcenie objętościowe 

n

v/l

współczynnik Poisson’a:

u

rozciągani

przy 

 

nie

odkształce

we

objętościo

 

nie

odkształce





Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

45

Prawo Hooka

Dla wielu materiałów gdy naprężenie jest małe, 
wówczas jest proporcjonalne do wydłużenia

 = E

E jest modułem Younga





Stosunek =  / 

= E

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

46

Odkształcenie

Krzywa naprężenie odkształcenie  pręta 
plastyczne metalu  podczas rozciągania

Im większa wartość plastycznego 

odkształcenia tym wyższa 

„ciągliwość” 

F

l

F=0

F=0

l

0

l

0

l

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

47

Metale 

- 

właściwości mechaniczne

x

x

ceramika

metal

odkształcenie 

n

a

p

rę

że

n

ie

 

x

ceramika

odkształcenie 

n

a

p

rę

że

n

ie

 

x

ściskanie

rozciąganie

0

2

4

6

0

50

100

150

200

-40

o

C

149

o

C

93

o

C

23

o

C

W

yt

rz

ym

ał

o

ść

 [

M

P

a]

Odkształcenie [%]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

48

Odkształcenie sprężyste

schematyczne 

ułożenie 

kationów 

metalu w pręcie

po usunięciu 

siły

Odkształcenie sprężyste dotyczy obszaru oddziaływań międzyatomowych

Sztywność nie zależy do mikrostruktury

pod wpływem 

siły

F

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

49

Metale 

- 

właściwości mechaniczne

Wytrzymałość na 
rozciąganie [MPa]

Moduł Younga [GPa]

Mg
Ti
V
Ni
Cu
Zr
Pd
Au
Rh
Pt
W 

 200
 400
 120
 320
 200
 400
 180
 130
 700
 142
1715 

  25
 110
 140
 210
 130
 100
 120
  79
 356
 160
 400

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

50

Metale - 

wytrzymałość, T

top

Metal

T

top

 [ C]

Moduł Younga [GPa]

Pb

327

14

Mg

650

45

Al.

660

69

Ag

962

76

Au

1064

78

Cu

1083

125

Ni

1453

206

Fe

1538

207

Mo

2610

325

W

3410

403

Zależność pomiędzy modułem Younga i temperaturą topnienia metali

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

51

Plastyczność a Struktura

Metale  i  stopy  o  strukturze  FCC  są  zazwyczaj 
plastyczne w całym zakresie temperatur

Atomy  w  metalach  o  strukturze  FCC  są    gęsto 
upakowane i mogą łatwo przesuwać się obok siebie

Metale o strukturze BCC mają tendencję do stawania 
się kruchymi w niskich temperaturach

Atomy  w  metalach  o  strukturze  BCC  mniej  gęsto 
upakowane  i  nie  mogą  tak  łatwo  przemieszczać  się 
względem siebie

Uwaga

: metale, które normalnie są plastyczne mogą 

stawać się kruche wskutek zanieczyszczeń

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

52

Metale 

- 

wytrzymałość na rozciąganie

0,1

1

10

Al

2

O

3

Si

W

Fe

Cu

W

yt

rz

ym

ał

o

ść

 n

a 

ro

zc

ią

g

an

ie

 [

G

P

a]

 rzeczywista
 teoretyczna

Wg. M.. V. Ardenne „Tabellen zur angewandten Physik” 1973

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

53

Skale Twardości

Mohsa [a.u.]

 i     Brinella [MPA]

10

70 000 

9

13 000

8

  9 000

7

  7 000

6

  4 500

5

  3 500

4

  1 600

3

  1 300

2

    250

1

      10

0,2

      0,2

diament
korund, stale specjalne
topaz
kwarc
ortoklaz
apatyty, zwykła stal
fuoryt
kalcyt, mosiądz
gips, tworzywa sztuczne
talk
wosk

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

54

Utwardzanie

Metale 

mogą 

stawać 

się 

twardsze 

po 

domieszkowaniu

Np. Cynk dodany do miedzi daje twardy  mosiądz

Atomy  Zn  podstawiają  atomy  Cu  w  sieci  dając 
przypadkowy  substytucyjny roztwór stały

Ponieważ atomy Zn są większe niż atomy Cu, dlatego 
indukują    naprężenie  w  sieci  utrudniające  poślizg 
płaszczyzn

twardość rośnie 

proporcjonalnie do [Zn]

1/2

  

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

55

Granica plastyczności

Ceramika

0.1

1

10

10

2

10

3

10

4

10

5

Metale

Polimery

Diament

SiC
Al

2

O

3

MgO

chlorki 
litowców

lód

ultra-czyste
metale

handlowe 
czyste
metale

Stopy

specjal. PE

PMMA
Poliuretan

Polietylen

Piankowe
polimery



y

 /

 M

N

 m

-2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

56

Metale - 

szereg elektrochemiczny

Reakcja elektrodowa

AuAu

3+

+3e

-

PtPt

2+

+2e

-

AgAg

+

+e

-

CuCu

2+

+2e

-

H

2

2H

+

+2e

-

PbPb

2+

+2e

-

NiNi

2+

+2e

-

CdCd

2+

+2e

-

FeFe

2+

+2e

-

CrCr

3+

+3e

-

ZnZn

2+

+2e

-

AlAl

3+

+3e

-

MgMg

2+

+2e

-

LiLi

+

+e

-

E

o

 [V]

1,5
1,2

0,800
0,337

0

-0,126
-0,250
-0,403
-0,440

-0,74

-0,763

-1,66
-2,37
-3,05

szlachetne

nieszlachetne

Trudne w obróbce chemicznej
Łatwe do osadzania
Stabilne chemicznie

Łatwe w obróbce chemicznej
Trudne do osadzania
Niestabilne chemicznie

H

2

O O

2

+4H

+

+4e

-

E

o

=+1,229 V

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

57

Szereg elektrochemiczny

Jeśli 

połączymy 

dwa 

metale 

o 

różnych 

potencjałach 
elektrochemicznych, to ten 
o 

niższym 

potencjale 

będzie  korodował,  a  ten  o 
wyższym 

nie 

będzie 

korodował

Mg

2+

 +2e

Mg

Al

3+

 +3e

Al

Ti

2+

 +2e

Ti

Zn

2+

 +2e

Zn

Cr

3+

 +3e

Cr

Fe

2+

 +2e

Fe

Co

2+

 +2e

Co

Ni

2+

 +2e

Ni

Sn

2+

 +2e

Sn

Au

3+

 +3e

Au

Pt

2+

 +2e

Pt

Ag

+

 +e

Ag

Cu

2+

 +2e

Cu

1,0

-1,0

-2,0

2H

+

 + 2e

H

2

O

2

 + 2H

2

O + 4e

4OH

-

E / V

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

58

0

Utlenianie

2M + O

2

 

2M
O 

G 

Jeśli G < 0, 

będzie 
zachodzić 
utlenianie

Ceramika

1000

500

-500

-1000

-1500

Metale

Polimery

krzem

KCl

Si

3

N

4

SiC

Au

Be

większość
polimerów

PTFE

Piankowe
polimery



G

 /

 k

J 

m

o

l

-1

NaCl

LiCl

Diament / 
Grafit

MgO/SiO

2

/ 

Al

2

O

3

Al , Zr
Ti

Ta, Nb, Cr

Mo
W
Fe

Ag

Pt

N

ie

st

a

b

iln

e

 w

 O

2

S

ta

b

iln

e

 w

 O

2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

59

Szybkość utleniania 

Tlenki powstają na powierzchni metali

Ilość utlenionego metalu zależy do czasu t

Utlenianie liniowe

m = k

L

t (k

L

 jest 

stałe)
Paraboliczna zależność 
utleniania

m)

2

 = k

P

t (k

P

 jest stałe)

t

p

rz

y

ro

st

 m

a

sy

, 



m

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

60

Wzrost tlenku 

(paraboliczna zależność) - Mechanizm 1

O

2-

 dyfunduje przez tlenek

tlenek rośnie na granicy metal-tlenek

np. Ti, Zr, U

metal

tlenek

powietrze

O

2-

2e

- 

+ O

+ M

MO
+2e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

61

Mechanizm 2

M

2+

 dyfunduje przez tlenek

Tlenek rośnie na granicy powietrze-tlenek

np. Cu, Fe, Cr, Co

metal

tlenek

powietrze

+

 

O 

M

M

O

M

2+

+2e

-

Wakancje

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

62

Mechanizm 3

Elektrony poruszają się bardzo wolno

To czy tlenek tworzy się na granicy metal-tlenek czy powietrze-tlenek

zależy czy M

n+

 dyfunduje szybciej niż O

2- 

np. Al

Metal

Tlenek

Powietrze

+2e

-

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

63

Korozja w wilgotnym powietrzu

Metale mogą także utleniać się w wodzie lub 
wodnych roztworach

Żelazo

Woda (wilgoć)

O

2

 + 2H

2

O + 4e

-

4OH

-

2

Fe

 

- 4e

-

2

Fe

2+

Utlenianie

(utrata elektronów)

Redukcja

(przyjmowanie elektronów)

2

Fe

2+

 + 

4OH

-

2Fe(OH)

2

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

64

Szkła



Szkłem jest każdy materiał (organiczny lub 

nieorganiczny), który podczas chłodzenia, w wyniku 

stopniowego wzrostu lepkości przechodzi ze stanu 

ciekłego w stan szklisty - sztywny. Elementy struktury 

„nie zdążą” się uporządkować.



Szkła są izotropowe, bezpostaciowe, przeźroczyste dla 

światła widzialnego



Wśród związków nieorganicznych właściwości 
szkłotwórcze mają: SiO

2

, GeO

2

, P

2

O

5

, As

2

O

5

, V

2

O

5

, Sb

2

O

5



Obok tlenków szkłotwórczych w szkłach znajdują się:
- tlenki pośrednie: Al

2

O

3

, BeO, TiO

2

, ZrO

2

, SnO

2

- modyfikatory: MgO, BaO, CaO, K

2

O, Na

2

O, Li

2

O

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

65

Szkło



Podstawową jednostką 

strukturalną szkła jest 

Si tetraedr



4 atomy tlenu 

otaczają jeden atom Si 



Ładunek tetraedu 

wynosi -4



Tleny -8



Si +4

-4

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

66

Szkło



Atomy tlenu są połączone co najwyżej z dwoma 
atomami 



Koordynacja kationów w szkle przez tlen jest mała 3, 4



Kationowe tetraedry łączą się tylko narożami, nie 
krawędziami czy też ścianami



 Co najmniej trzy naroża są wspólne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

67

Struktura



Związki mineralne oparte na tetraedrach SiO

4



Wspólne naroża, krawędzie lub ściany



Krzemionka - SiO

2

 (piasek) 



3-D sieć - wszystkie naroża są wspólne



Mocne

 Si-O wiązanie - wysoka temperatura 

topnienia (1710°C)



3 polimorficzne odmiany



Kwarc



Krystobalit



Tridymit

Stabilne w 
różnych 
warunkach

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

68

Szkło sodowe

SiO

SiO

2

2

Kwarc

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

69

Szkło 



Nie ma uporządkowanej struktury



Mogą być obecne inne jony 

Na

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

70

Szkło



Powszechne szkła nieorganiczne



(pojemniki, okna, itp.)



CaO, Na

2

O- najczęstsze domieszki



Związki o mniejszym znaczeniu dają 
kolor



Co- niebieski



Fe - niebiesko-zielony



Cr - żółto-zielony



Au - złoty, rubinowy

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

71

Szkło borokrzemowe



B

2

O

3

 powszechnym szkłotwórczym dodatkiem do szkła 

krzemianowego



Bardzo mocno poprawia wytrzymałość



Obniża współczynnik rozszerzalności cieplnej



Podwyższa temperaturę zeszklenia



Pyrex

TM

 jest najpowszechniejszym alkalicznym borokrzemowym szkłem



Rola B

2

O

3

 w alkalicznych szkłach krzemianowych jest 

skomplikowana



zależy to od stosunku  domieszka modyfikująca/bor



przy małej zawartości tlenków alkalicznych sieciuje przez tworzenie BO



przy dużej zawartości  powoduje depolimeryzację przez tworzenie Mod-B

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

72

Szkła nietlenkowe



Szkła mogą tworzyć inne aniony niż tlenowe



Szkła na bazie tlenowców – S, Se, Te



Szkła halogenkowe – 
F, Cl, Br, J



Szkła azotkowe, fosforkowe,
arsenkowe, antymonowe



szkła metaliczne

1

2

3

4

5

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

chalkogenkowe

halogenkowe

tlenkowe

tł

u

m

ie

n

n

o

ść

 [

d

B

/k

m

]

długość fali [



m]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

73

Szkło

Szkło

Nazwa            SiO

2

     Al

2

O

3     

B

2

O

3     

CaO     MgO     BaO     Na

2

O     K

2

O     PbO

Kwarcowe        99,9        -         -        -           -         -           -          -         -
Kwarcowe        96,3      0,4      2,9       -           -         -         0,2       0,2        -
Twarde            56,4     20,1     8,9    4,8       8,6         -         0,6       0,6        -
(Supremax)
Borokrzemowe 73,4      0,8      20       -           -        3,3       1,0       1,5        -
Alkaliczne        70,3      1,3       -       6,0       3,7         -        16,4      2,2        -
Ołowiowe        56,7      0,4       -         -           -         -         4,2       8,7       30
Termisil           79,5      2,4     12,6      -        1,2         -         4,5        -          -
Pyrex              80,6      2,2     12,6      -           -         -         4,15     0,2        -

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

74

Szkło

Szkło

10

-1

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

0

10

1

10

2

10

3

10

4

10

5

10

6

10

7

10

8

10

9

10

10

10

11

10

12

10

13

10

14

10

15

10

16

stan plastyczny

stan sprężysty

L

ep

ko

ść

 [

P

a*

s]

L

ep

ko

ść

 w

 p

u

az

ac

h

 [

P

]

T

top

T

m'

T

m

T

s

,T

g

T

a

7,6

13,4

14,6

T

a

, T

s

 - górna i dolna

temp. zaniku naprężeń
T

g

(=T

s

) - temp. transformacji

T

m

 - temp. mięknienia

T

t

 - umowna temp. topnienia

T

m

- T

m’

 - zakres obróbki 

            plastycznej

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

75

Szkło

Szkło

Właściwości termiczne:
• przewodność cieplna  [W·m

-1

·K

-1

] mała - 1,4 dla kwarcu, 

  0,7 dla ołowiowego (

Cu

=400 [W·m

-1

·K

-1

])

• rozszerzalność cieplna  - szkło kwarcowe (tzw. b. twarde) 6·10

-7

[deg

-1

],

  szkło wysokoalkaliczne (tzw. b. miękkie) 150·10

-7

[deg

-1

] 

  (metale) 4-30·10

-6

[deg

-1

] 

• współczynnik rozszerzalności termicznej wykazuje addytywność

SiO

2

    B

2

O

3

    Na

2

O    K

2

O    MgO    CaO    ZnO    BaO    PbO 

·10

7

     5       -60      430     390     45       166    70       140    106

• większość właściwości fizycznych szkła jest addytywna

100

p

T

l

l

i

i

i



















Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

76

Szkło

Szkło

Wytrzymałość mechaniczna:
• na rozciąganie (30-70 MPa) około 10x mniejsza niż metali - duża 
wytrzymałość włókien szklanych 
• na ściskanie - duża
• wytrzymałość udarowa  - mała, poprawiana przez wywołanie w 
warstwie przypowierzchniowej naprężeń ściskających przez obróbkę 
chemiczną lub termiczną (hartowanie szkła)

Właściwości elektryczne:
• przewodność skrośna typowo 10

-12



-1

m

-1

, szkło kwarcowe 10

-16



-1

m

-1

• charakter jonowy - głównie jony metali alkalicznych
• parametr charakterystyczny T

K100

 to temperatura, w której 

  rezystywność osiąga wartość 1Mm
• przewodność powierzchniowa zależy głównie od stanu powierzchni i 
wilgotności
• stała dielektryczna 3,75 dla szkła kwarcowego, 4-6 typowe, 
  ok. 15 ołowiowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

77

Szkło

Szkło

Właściwości chemiczne:
• duża odporność na czynniki utleniające
• odporne na wodę i powietrze

• szkła twarde są bardziej odporne chemicznie
• odporne na kwasy, szczególnie stężone
• reagują z kwasem fluorowodorowym i jego solami
• reagują powoli z zasadami 

3

2

2

2

2

2

3

2

2

2

CO

Na

CO

NaOH

O

xH

SiO

NaOH

2

O

H

)

1

x

(

SiO

Na

NaOH

2

O

H

O

Na



















O

H

2

H

2

SiF

H

HF

6

SiO

O

H

2

SiF

HF

4

SiO

2

6

2

2

2

4

2





















Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

78

Polimery - Podział



Naturalne



otrzymywane z roślin i zwierząt



drewno, kauczuk, wełna



wełna, skóra, jedwab



polimery biologiczne



proteiny, enzymy, błonnik



Syntetyczne



intensywny rozwój w ostatnim wieku

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

79

Węglowodory



Większość polimerów to organiczne



związki zbudowane z H i C



każdy C jest 4 wiązalny



każdy H jest 1 wiązalny



wiązania kowalencyjne



Wiązania pomiędzy węglami mogą być:



 pojedyncze (np. etan)



podwójne (np. etylen albo eten)



potrójne (np. acetylen albo etin)

C

H

H

H

H

metan,
najprostszy 
węglowodór

C  C
C=C
C=C

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

80

Węglowodory

Pojedyncze wiązanie

 alifatyczne C

x

H

2x+2 

 cykliczne C

x

H

2x

Właściwości zależą od ilości węgli w łańcuchu (pierścieniu)

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

81



Węglowodory o takim samym składzie ale 
różnym  ułożeniu atomów nazywane są 
izomerami (np: butan i izobutan - C

4

H

10)



Izomery posiadają różne właściwości

C

H

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

C

H

H

C

H

H

C

H

H

H

butan

izobutan

Węglowodory - izomeria

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

82

Węglowodory 

- grupy funkcyjne

alkohole

etery

kwasy

aldehydy

węglowodory 
aromatyczne

alkohol metylowy 
(metanol)

eter dimetylowy 

kwas octowy 

formaldehyd 

fenol 

=

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

83

Węglowodory nienasycone



Etan



C

2

H

6

- pojedyncze wiązanie



Etylen



C

2

H

4 

-podwójne wiązanie



Acetylen



C

2

H

2 

-potrójne wiązanie

C C

H H

H H

C C

H

H

Węglowodory zawierające podwójne lub 

potrójne wiązanie nazywa się nienasycone

C

H

H

H

H

C

H

H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

84



Węglowodory nienasycone mogą reagować 
z innym atomem lub cząsteczką!!!

r• - wolny rodnik (niesparowany elektron)

C C

H H

H H

r•+

C C

H H

H H

r-

•

C C

H H

H H

r-

•

C C

H H

H H

+

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

•

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

• r•

+

C C

H H

H H

r-

C C

H H

H H

- r

….

inicjacja

wzrost

zakończenie

Węglowodory nienasycone

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

85



Polimer - materiał wielkocząsteczkowy



zbudowany jest z „merów” (powtarzająca 
się jednostka)



Pojedyncza jednostka to „monomer”



n = stopień polimeryzacji

Struktura Polimerów

C C C C C C

[  ]

mer

C C

H H

H H

monomer

n

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

86



Etylen (C

2

H

4

) - gaz



Polietylen (PE) - polimerowe ciało stałe 
material



hybrydyzacja sp

3

, kąt pomiędzy wiązaniami 109°



struktura cząsteczki „zygzakowata”

Struktura Polimerów

  mer 

 

  

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

87



Polimery mają olbrzymia masę 
cząsteczkową w porównaniu 
do węglowodoru 



makromolekuły



większość polimerów



długie, elastyczne łańcuchy, których szkielet 
zbudowany jest z atomów węgla



pozostałe elektrony mogą utworzyć wiązanie 
wewnątrz łańcucha lub połączyć się z innymi 
atomami lub grupami atomów

Struktura Polimerów

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

88

Powszechne Polimery

Polietylen (PE)

C C C C C C

H H H H H H

H H H H H H

Polichlorek winylu (PCV)

C C C C C C

H H H H H H

H Cl H Cl H Cl

Politetrafluoroetylen (PTFE)

C C C C C C

F

F F

F F F

F

F F

F F F

Polipropylen

C C C C C C

H H H H H H

H CH

3

H CH

3

H CH

3

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

89

Powszechne Polimery

C

C

H

H

H

C

C

H

H

H

C

C

H

H

H

Polistyren (PS)

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

Polimetakrylan metylu 

(PMMA)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

90

PMMA

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

Polimetakrylan metylu (PMMA)

• 

termoplastyczny

• przeźroczysty

• silne wiązania   

 

międzycząsteczkowe

• wytrzymały mechanicznie

• elektronoczuły 
(depolimeryzacja)

1

10

100

1000

10000

U

d

zi

ał

 o

b

ję

to

śc

io

w

y 

[a

.u

.]

Masa cząsteczkowa [kg/mol]

 po ekspozycji
 przed ekspozycją

PMMA-

rozkład masy cząsteczkowej

 przed i po naświetlaniu

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

91

PMMA

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

C

H

H

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

C

O

O

CH

3

1

10

100

1000

0

20

40

60

80

100

R

o

zp

u

sz

cz

al

n

o

ść

 [

%

]

Masa cząsteczkowa [kg/mol]

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

92

Polimery

CH

2

OH

CH

2

CH

2

Bakelit (fonolowyformaldehyd)

N

C

H

O

N

C

H

H

H

C

C

H

H

O

4

6

PET - Polistyren 

(polietylenotereftalan)

Nylon 6,6 
(poliheksa-
metylenoadimine)

C

O

C

C

O

O

C

H

H

H

H

O

C

CH

3

CH

3

O

O

C

O

Poliwęglan

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

93



Polimeryzacja addycyjna (wolny rodnik 
lub niesparowany elektron)



Polimeryzacja kondensacyjna

Rodzaje Polimeryzacji

C C

H H

H H

OH•

+

C C

H H

H H

OH

•

C C

H H

H H

+

+

H

2

O

H                 H            H

H

  N-(CH

2

)

6

-N          OH-C-(CH

2

)

4

-C-OH

H                 H            

Nylon

+

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

94

Właściwości Polimerów



 

Właściwości fizyczne zależą od:



 masy cząsteczkowej



 struktury cząsteczkowej



 kształtu



 Dlaczego?  

Ponieważ te czynniki decydują o rodzaju 
i wielkości oddziaływań międzycząsteczkowych

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

95

Masa cząsteczkowa



Masa cząsteczkowa zależy do długości 
łańcucha polimerowego



Podczas polimeryzacji (syntezy polimerów) - 
nie wszystkie łańcuchy rosną do tej samej 
długości



łańcuchy mają różną długość i  stąd wynika ich różna 
masa cząsteczkowa



Średni ciężar cząsteczkowy jest zazwyczaj 
określany 



przez pomiary właściwości fizycznych



lepkości



masy cząsteczkowej



Określa się ilość frakcji



Określa się masę frakcji

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

96



Rozmiar łańcucha można również określać 
podając stopień polimeryzacji, n

gdzie: m jest średnią masą cząsteczkową 

meru 

Masa Cząsteczkowa 

Stopień Polimeryzacji

n

n

 = M

n

/m

n

w

 = M

w

/m

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

97

Masa cząsteczkowa



Właściwości zależne od masy 

cząsteczkowej



Wytrzymałość



dłuższe cząsteczki, bardziej splątane trudniej  
przesuwają się względem siebie

 



Temperatura topnienia lub mięknięcia



temperatura topnienia wzrasta ze wzrostem masy 

cząsteczkowej



<100 g/mol - ciecze lub gazy



1000 g/mol - wosk - miękka żywica



10 000 - kilka milionów g/mol - polimerowe ciała stałe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

98

Struktura

Linowy

Rozgałęziony

Usieciowane

Sieć

Trudne bezpośrednie upakowanie,
Słabsze wiązanie (drugiego rzędu)
 międzycząsteczkowe

Dobre bezpośrednie upakowanie,
Słabe wiązanie (drugiego rzędu)
 międzycząsteczkowe 

Mocne wiązanie (pierwszego rzędu)
 międzycząsteczkowe 

Najmocniejsze wiązanie (pierwszego 
rzędu) międzycząsteczkowe

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

99

Kształt cząsteczek 

Co z wytrzymałością w takich przypadkach?!

C-C-C-C-C-C-C-C-C-C … 

drut - łatwa rotacja, łańcuchy 

            mogą łatwo przesuwać się 

względem siebie

C=C=C=C=C=C=C=C=C=C 

…

Liniowy, rotacja 

niemożliwa

C-C-C-C-C-C-C-C-C-C …

drut „kolczasty” - trudniejsza 

rotacja

C

6

H

5

Cl

C

6

H

5

Cl

C

6

H

5

Cl

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

100

Struktura Cząsteczkowa 

Stereoizomeria

Monomer

C C

H H

H R

Możliwe kształty polimeru

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H H

R H

C C

H H

H R

Oddziaływania 
pomiędzy grupami 
R powodują, że ta 
konfiguracja jest 
mało 
prawdopodobna

izotaktyczny

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H H

H R

syndiotaktyczny

C C

H R

H H

C C

H H

H R

C C

H H

H R

C C

H R

H H

C C

H

H

H

R

C C

H H

H R

ataktyczny

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

101

Struktura 
Polimery krystaliczne



Faza krystaliczna może 
występować w materiałach 
polimerowych



Uporządkowanie atomów jest 
bardziej złożone niż w ceramice 
czy metalach (elementami 
struktury są raczej cząsteczki niż 
atomy)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

102

Struktura
Polimery krystaliczne



Polimery są zazwyczaj częściowo 
krystaliczne a częściowo amorficzne



Stopień krystaliczności waha się od 
całkowicie amorficznego do w 95% 
krystalicznego



krystality polimerowe mają większą gęstość 
niż  polimery amorficzne (łańcuchy mają 
lepsze bliskie upakowanie)



Krystaliczność zwiększa uporządkowanie, 
wzrasta siła wiązania, wzrasta wytrzymałość!

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

103

Struktura 

Model polimeru krystalicznego



Model 
pozginanego 
łańcucha: 
Kryształ jest 
zbudowany 
z małych 
płytek  
pozginanego 
łańcucha 
polimeroweg
o

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

104



Stopień krystaliczności zależy od:



szybkości chłodzenia



budowy łańcucha i jego złożoności chemicznej 
(złożone struktury nie krystalizują łatwo)



Polimery liniowe łatwo krystalizują



Polimery liniowe z dużymi 
podstawnikami R trudniej krystalizują



Rozgałęzione polimery - rzadko 
krystalizują

Struktura 
Polimery krystaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

105



Właściwości polimerów zależą od stopnia 
krystaliczności:



polimery krystaliczne mają większa 
gęstość, są wytrzymalsze i bardziej 
odporne chemicznie



np: 



LDPE, HDPE



koc ognioodporny - Kevlar (polimer 
aramidowy)

Struktura 
Polimery krystaliczne

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

106

Naprężenie/odkształceni
e

A - Kruchy
B - Plastyczny
C - Elastyczny

(elastomery)

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

107



Polimery kruche i szkliste



po przekroczeniu zakresu plastyczności pękają



Materiały plastyczne



odkształcenie plastyczne



ostatecznie plastyczne deformacja



zerwanie



Elastomery



małe naprężenia powodują duże , 
nieodwracalne odkształcenia

Naprężenie/odkształceni
e

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

108

Właściwości mechaniczne



Moduł Younga



od małego 7 MPa do dużego 4x10

3

 MPa (dla 

metali 48-410 x 10

3

 MPa)



Granica wytrzymałości polimerów do 100MPa 
(metale do 4100MPa)



Wydłużenie



często do 1000% (metale - rzadko 100%)



Zależność temperaturowa



Właściwości mechaniczne silnie zależą od T - 
nawet nieznacznie powyżej temperatury 
pokojowej 



Szybkość odkształcenia



podobne zachowanie jak wzrost temperatury

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

109

Zależność temperaturowa 

właściwości mechaniczne



Zupełnie kruchy 4°C



Bardzo plastyczny 60°C

PMMA, pleksiglass,polimetakrylan metylu



Zależy od:



 budowy chemicznej, 



stopnia polimeryzacji, 



izomerii, 



stopnia krystaliczności

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

110

Wytrzymałość polimerów



Inne czynniki wpływające na wytrzymałość



Wytrzymałość na rozciąganie wzrasta ze 

wzrostem masy cząsteczkowej…bardziej splątane



Wytrzymałość rośnie gdy rośnie stopień 

usieciowania (niemożliwe staje się 

przemieszczanie łańcuchów - stają się bardziej 

kruche)



promototowane przez promieniowanie 

(promieniowanie rozrywa łańcuchy, które 

następnie mogą ulegać sieciowaniu)



Krystaliczność powoduje wzrost wytrzymałości 

gdyż wzrastają siły wiązania 

międzycząsteczkowego



Deformacja polimeru może powodować wzrost 

wytrzymałości  - łańcuchy uległy orientacji

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

111

Właściwości elektryczne



Rezystywność skrośna większości tworzyw sztucznych 
wynosi 10

11

 do 10

18

 m



Zmniejszenie rezystywności:



wprowadzanie do polimeru rozdrobnionych półprzewodników lub 
metali (Ag, Cu, sadza, grafit, Fe, Al.)



synteza elektronowo przewodzących polimerów



Rezystywność powierzchniowa



tworzywa przewodzące 

s

10

6 





tworzywa antyelektrostatyczne (nie elektryzujące się) o 

s

10

9 





tworzywa o ograniczonej zdolności do elektryzowania się 10

9 

<

s

<10

11 





tworzywa elektryzujące się 

s

 10

11 

 

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

112

Właściwości elektryczne

Polimery „metaliczne”



W 1977 r. Heeger i Mac Diarmid pokazali, że przewodność 
poliacetylenu bardzo mocno rośnie po zdomieszkowaniu 
go silnymi środkami utleniającymi lub redukującymi



cis-poliacetylen+jod, brom, AsF

5

 lub jodek naftalenu

 10

-9 



-1

cm

-1

 5·10

2 



-1

cm

-1



Materiały o sprzężonych wiązaniach podwójnych

C C

n

N

H

n

S

n

n

n

n

S

n

O

n

C C

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

113

Właściwości elektryczne

Polimery „metaliczne”



Poli(siarczek fenylenu) PPS

n

S

2

+ 3AsF

5

n

S

2

+

.

AsF

6

-

+ AsF

3

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

114

Temperatura zeszklenia

Materiał

T

g

 [

o

C]

T

top

 [

o

C]

Polietylen (mała gęstość)

-110

115

Politetrafluoroetylen

-97

327

Polietylen (duża gęstość)

-90

137

Polipropylen

-18

175

Nylon 6,6

57

265

Poliester (PET)

69

265

Polichlorek winylu

87

212

Polistyren

100

240

Poliwęglan

150

265

 

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

115

Tworzywa silikonowe



Tworzywa o szkielecie nieorganicznym



Łańcuch krzemowo-tlenowy bardzo trwały



Liniowe o małej masie cząsteczkowej: oleje, pasty



Silikony usieciowane: żywice i kauczuki



 

Zalety



 odporność na działanie podwyższonych temperatur (bez wyraźniej 
zmiany właściwości), b. niskie T

g



 mała prężność par,



 bardzo dobre właściwości elektroizolacyjne w szerokim zakresie 
temperatur i częstotliwości



 duża odporność chemiczna np. utlenianie



 hydrofobowe



nietoksyczne i niepalne

Si O Si O Si O

R

R

R

R

R

R

Si O Si O Si O

R

R

R

R

R

R

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

116

Tworzywa silikonowe



Zastosowanie:



oleje do pomp dyfuzyjnych (prężność par w temp. pokojowe 10

-9

-10

-5

 

Pa)



oleje, pasty i lakiery impregnacyjne



żywice i kauczuki do hermetyzacji podzespołów elektronicznych



 kleje (żywice silikonowe)



gumy silikonowe (uszczelki, amortyzatory i elementy instalacji)



 

W porównaniu do tworzyw fluorowych - zalety



 kauczuki silikonowe utwardzają się na zimno



 często tylko pod wpływem wilgoci



nie zmieniają konsystencji w szerokim zakresie temperatur



W porównaniu do tworzyw fluorowych - wady



 mniejsza odporność chemiczna



 znaczna przepuszczalność gazów i pary wodnej

Helena Teterycz

Wydział Elektroniki 

Mikrosystemów i Fotoniki

117

Właściwości

Właściwości

Metale

Ceramika

Polimery

Gęstość d [kg/m

3

]

8000 (200022000)

4000 (200018000)

1000 (9002000)

Współczynnik rozszerzalności
liniowej  [1/K]

10·10

-6

 (1·10

-6

1·10

-4

) 10·10

-6

 (1·10

-6

2·10

-5

) 1·10

-4

 (5·10

-5

5·10

-4

)

Pojemność cieplna c

p

 [J/(kg·K)]

500 (1001000)

900 (5001000)

1500 (10003000)

Przewodnictwo termiczne k

[W/(m·K)]

100 (10500)

1 (0,120)

1 (0,120)

Temperatura topnienia lub mięknięcia

T

m

 [K]

1000 (2503700)

2000 (10004000)

400 (350600)

Moduł Younga E [GPa]

200 (20400)

200 (100500)

1 (10

-3

10)

Współczynnik Poisson'a

0,3 (0,250,35)

0,25 (0,20,3)

0,4 (0,30,5)

Wytrzymałość na zerwanie [MPa]

500 (1002500)

100 (10400

rozciąganie)
(505000 ściskanie)

50 (10150 rozciąganie)
(10350 ściskanie)

Twardość

Średnia

Duża

Mała

Formowalność

Dobra

Bardzo zła

Bardzo dobra

Odporność na szoki termiczne

Dobra

Zła

B. zła

Odporność na pełzanie

Zła do średniej

B. dobra

B. zła

Konduktywność elektryczna

Wysoka

B. mała

B. mała

Odporność chemiczna

Słaba do średniej

B. duża

Dobra