Click here to load reader

Compozite Curs

  • View
    215

  • Download
    16

Embed Size (px)

DESCRIPTION

Chemistry Course

Text of Compozite Curs

  • 1Proiect cofinanat din Fondul Social European prin Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007-2013

    Investete n oameni!

    Elaborarea i Implementarea Programelor de Masterat n Domeniul Micro i Nanomaterialelor - ID 58146

    MATERIALE I NANOMATERIALE CU

    PROPRIETI ELECTRICE I MAGNETICE PENTRUMICROELECTRONIC I

    OPTOELECTRONIC

  • 2Istoria materialelor

  • 3Evoluia tipurilor de materiale artificiale (sintetice)

  • 4I. FUNDAMENTE

    1. Materiale functionale

    Definitie: materiale avansate care pot indeplini o anumita functie (electrica,

    magnetica, termo-mecanica, etc) care determina aplicabilitatea

    materialului

    2. Materiale multifunctionale

    Definitie: materiale avansate care pot ndeplini simultan mai multe funcii,ceea ce presupune prezentarea unor caracteristici multiple, fie din acelaigrup de proprieti, fie din grupuri de proprieti diferite.

    Ex: materiale care pot ntruni simultan o serie de proprieti electrice (piro, piezo,feroelectrice, dielectrice), precum i materiale care pot prezenta simultanproprieti electrice i magnetice (multiferoice, magnetoelectrice), electrice ioptice, termo-mecanice i electrice, etc.

    Clasificare: - materiale functionale si multifunctionale unitare

    (monofazice sau polifazice)

    - materiale functionale si multifunctionale compozite

  • 5B. Materiale compozite

    I. MATERIALE UNITARE

    Definitie:

    Materiale unitare = sisteme artificiale omogene care contin o faza

    (monofazice) sau mai multe faze (polifazice) interconectate. Aceste sisteme

    omogene pot avea o functie (materiale unitare functionale) sau pot intruni

    simultan, in ansamblul lor, mai multe functii (materiale unitare

    multifunctionale).

    Clasificare in functie de dimensiunea unitatilor structurale de baza:

    materiale microstructurate

    materiale nanostructurate

    Ceramica = un material atificial anorganic, nemetalic (oxidic sau neoxidic)

    policristalin total sau partial, obtinut prin actiunea energiei termice (prin

    tratament termic la temperaturi ridicate) si racire ulterioara.

    Sub actiunea caldurii aglomerarea particulelor de materii prime procese fizico-

    chimice:

    transformari polimorfe;

    reactii in faza solida formarea compozitiei mineralogice de interes (compusichimici sau solutii solide)

    formarea fazei lichide

  • 6Nanomateriale oxidice

    2. Clasificare - in functie de dimensionalitate:

    0-dimensionale : nano-pulberi (nano-particule oxidice: nano-sfere, nano-cuburi, nano-ace, nano-batoane);

    1-dimensionale : nano-tuburi, nano-bare, nano-fire, nano-panglici, nano-inele, nano-toroizi, nano-arcuri

    2-dimensionale : straturi subtiri nanocristaline (grosime < 1 mm), nano-placi, nano-insule

    3-dimensionale : straturi groase, ceramici nanostructurate

    1. Definitie:

    Nanomaterialele = materiale constituite din unitati structurale primare

    (particula, cristalit, granula) cu dimensiune de 1 100 nm

    3. Abordari:

    top-down (corodarea controlata, macinarea sau atritia);

    bottom-up (dispersia coloidala, metode fizice si chimice de auto-asamblare);

    hibride (litografia: cresterea filmului bottom-up; corodare top-down; tehniciavansate de nanolitografie: cu fascicul de electroni, scriere cu fascicul focalizat de

    ioni)

  • 7Unitate structurala primara = formatiune structurala ultima cu caracter

    indivizabil si nedispersabil

    Particulele monocristaline dimensiunea de particula (determinata din

    microscopie electronica de transmisie) = dimensiunea de cristalit

    (determinata din XRD)

    Particule policristaline formate din mai multe cristalite legate intre ele

    prin legaturi chimice (dimensiunea de particula > dimensiunea de cristalit)

    Aglomerate ansamblu dispersabil de particule mono sau policristaline

    legate intre ele prin legaturi fizice

    Pulberi unitatea structurala primara este particula dimensiunea medie de

    particula tehnici de microscopie electronica (de transmisie, de baleiaj)

    Imagini TEM pentru: (a) particule monocristaline; (b) particule policristaline; (c) aglomerate de particule

    Particula

    monocristalina

    (particula

    primara)

    Particula

    policristalina

    (particula

    primara)

    AglomeratParticula

    individuala(a) (b)

    (c)

  • 8Particule individuale

    monocristaline (TEM) sau dimnesiune de

    cristalit (XRD)

    Aglomerate sferice (SEM)

    Agregate neuniforme

    (SEM)

    Blocuri partial

    sinterizate (SEM)

    Imagini SEM pentru: (a) particule monocristaline; (b) particule policristaline; (c) aglomerate de particule

    Mod de agregare

    complex pentru

    pulberi obtinute din

    precursori

    polimerici

    Distributie granulometrica

    (b)(a) (c)

  • 946.7 46.8 46.9 47.0 47.1 47.2 47.3 47.4 47.5 47.6 47.7 47.8 47.9

    2q (deg.)

    Inte

    nsity (

    a.u

    .)

    Grosimea la jumatatea intesitatii

    maximului de difractie (Full Width at

    Half Maximum - FWHM)

    Largirea maximelor de difractie:

    cristalite mici;

    tensiuni interne mari

    Cristalitul = insiruire continua de celule elementare si reprezinta o sub-unitate a

    unui cristal cristalitele apar ca urmare a defectelor in cristale (dislocatii,

    macle, granite la unghi redus, etc).

    Dimensiunea medie de cristalit din difractia de raze X.

    .

    cosCu KD

    FWHM

    q

    0 89

    D dimensiunea de cristalit;

    lungimea de unda;

    q unghiul de difractie;

    FWHM - grosimea la jumatatea intesitatii

    maximului de difractie (radiani)

    Ceramica si straturi (filme) unitatea structurala primara este granula (cristalul)

    dimensiunea medie de granula tehnici de microscopie electronica (de

    transmisie, de baleiaj) dimensiunea medie granulara dimensiunea de cristalit.

  • 10

    (a) Nanostructuri zero-dimensionale

    (nanopulberi)

    Fig. 8. Imaginea schematica a unei

    pulberi aglomerate

    Clasificare particule

    (a) In functie de dimensiune

    < 10 nm 10 - 50 nm 50 - 100 nm(b) In functie de forma:

    nano-sfere; nano-cuburi; nano-ace; nano-batoane

    Pori deschisi

    (interaglomerate si

    interparticule)

    (pori inchisi)

    (pori inchisi)

    Clasificare pori

    (a) In functie de dimensiune

    micropori: < 2 nm mezopori: 2-50 nm macropori: > 50 nm(b) In functie de forma:

    sferici; cilindrici, etc.(c) In functie de plasare:

    pori interaglomerate; pori intraaglomerate sau interparticule(d) In functie de contactul cu

    exteriorul:

    pori deschisi pori inchisi

  • 11

    Fig. 8. Diagrama schematica a

    distributiei dupa dimensiunea de

    pori pentru naopulberi aglomerate

    si neaglomerate

    Fig. 9. Influenta agregarii asupra

    densificarii

    Densitatea in pulberi:

    densitate absolut (exclude porii deschisi si iinchisi (spaiile interparticule sau intraaglomerate) densitate de mpachetare (aparent) includeporii deschisi dar exclude porii inchisi (spaiileinterparticule sau interaglomerate din interior

    densitate vrac (bulk) include porii deschisi iporii inchisi

    Densitatea absoluta si densitatea aparenta sunt

    egale pentru un obiect nanoporos. Daca materialul

    are pori mari, fisuri, canale, regiuni convexe

    adanci sau cavitati densitatea absoluta

    densitatea aparenta

  • 12

    Tipuri nanostructurale unidimensionale

    Nanostructuri 1D directe: nanofire, nanofibre, nanobare, nanocenturi Nanostructuri 1D inverse: nanotuburi Parametru caracteristic raportul de aspect ( a.r.) = lungime / diametru

    1. Nanofir

    Diametru = 1- 100 nm a.r. > 20

    2. Nanobara

    Diametru = 1- 100 nm 1 < a.r. < 20

    3. Nanocentura

    Sectiune transversala dreptunghiulara

    Latimea > inaltimea

    4. Nanopanglica

    Sectiune transversala dreptunghiulara

    Latimea = inaltimea

  • 13

    ZnO

    Caracteristica importanta raport diametru / lungime

  • 14

    ZnO

    Fenomene de auto-asamblare (self-assembly)

  • 15

    Retele de nanotuburiPZT

    BaTiO3

    BaTiO3

    columnar

    Policristalin granulat Policristalin fin

    granulat

    Caracteristici importante:

    dimensiuni cristalit, orientare, grosime film

    (c) Nanostructuri bi-

    dimensionale (filme

    subtiri)

  • 16

    (c) Nanostructuri tri-dimensionale

    1. Straturi groase nanocristaline

    2. Ceramici nanostructurate

    - dimensiune de granule < 100 nm

    Strat gros multidepunere de BaTiO3

    Ceramica naostructurata de BaTiO3obtinuta prin sinterizare SPS

    d ~ 30 nm

    500 nm

  • 17

    Tipuri de auto-asamblari pentru BaTiO3 pornind de la precursori

    nanotuburi si nanofire de tip Na2Ti2O7

    Precursor de tip

    nanotuburi Na2Ti2O7

    Structuri de BaTiO3auto-asamblate

    pornind de la

    nanotuburi Na2Ti2O7

    - hexagoane;

    - structuri tip coral

    - plachete aglomerate

    - structuri tip fulgi de

    zapada

    - cuburi

  • 18

    - hexagoane;

    - structuri tip stea de

    mare

    - structuri tip sabie

    - fire

    - cuburi

    Structuri de BaTiO3auto-asamblate

    pornind de la nanofire

    Na2Ti2O7

    Precursor de tip

    nanofire Na2Ti2O7

  • 19

    Influenta concentratiei solutiei de Ba(OH)2 si a temperaturii de reactie hidrotermala asupra

    morfologiei si procesului de autoasamblare pentru BaTiO3 preparate din : (a) nanotu