علم مواد (Materials Science) بررسی رابطه بین ساختار و خواص مواد را بررسی می کند.

1. علم مواد (Materials Science) • بررسی رابطه بین ساختار و خواص مواد را بررسی می کند. • Structure vs Properties • ساختار: • ساختار نحوه قرار گرفتن اجرا در کنار هم

2. رابطه ساختار وخواص • تمام خواص از ساختار يعني نحوه كنار هم قرار گرفتن اجزا نتيجه مي شود. • بنابراين با كنترل ساختار مي توان خواص راكنترل كرد.

3. Electronic Structure(<10-12m) Atomic Structure (10-6m)=Microstructure Macro structure

4. Performance Processing Structure Property

5. رسانايي الكتريكي در فلزات و غير فلزات در فلزات به علت ماهيت پيوند فلزي الكترون هاي آزاد وجود دارد كه هنگام اعمال اختلاف پتانسيل حركت مي كنند و باعث ايجاد رسانايي مي شوند اما الكترون ها در موادي نظير نمك طعام به مراكز اتمي چسبيده اند و براي حركت ازاد نيستند

6. رسانايي الكتريكي در گرافيت و الماس : گرافيت : رساناي الكتريكي الماس : نارسانا گرافيت و الماس هر دو از كربن ساخته شده اند اما به علت تفاوت در نحوه قرار گرفتن اتمها در كنار هم (ساختار) گرافيت رساناي الكتريكي است ولي الماس كاملا نارسانا است

7. polycrystal: low porosity polycrystal: high porosity single crystal رابطه بين processing و Properties روش فرآوری و ساخت مواد مي تواند خواص يك ماده را تغيير دهد.

8. خواصProperties • خواص فيزيكي: خواصي هستند كه مربوط به كنش ماده با ساير مواد يا انواع محرکها مي باشد • مثل خواص شيميايي- نوري – مغناطيسي- دي الكتريكي و.... • خواص مكانيكي : مربوط به خواصي از ماده است كه ماده هنگام اعمال بار از خود نشان مي دهد مثل تنش تسليم-آستحكام كششي – سختي-ductility Toughness(چقرمگي)

9. دسته بندي مواد • بنابراين مواد مهندسي به 4 دسته كلي تقسيم می شوند: • 1- فلزات : فلزات موادي هستند كه اتمها در آنها با پيوند فلزي در كنار هم قرار دارند. • خواص: استحكام نسبتا بالا- Ductility High – قابليت شكل دادن-رسانايي حرارتي والكتريكي

10. 2- سراميك ها : تركيبات شيميايي حاصل از دو يا چند عنصر مثل فلز و غیرفلز • Al + O=Al2O3 • نوع پیوند در سرامیکها يوني وكووالانسي است • خواص: تنش تسليم و استحكام بالا-تردي- مقاوم دربرابر حرارت و عوامل شيميايي- رسانايي الكتريكي آنها طيف گسترده اي دارد.

11. 3- پلي مر ها : از زنجيره هاي طولاني از مولكول هاي تكرار شونده تشكيل شده اند كه معمولا كربن عنصر ساختاري اصلي است. • مانند C2H2: (اتيلن) : === پلي اتيلن • خواص عمومي : استحكام پايين – نقطه ذوب پايين- قابليت شكل پذيري مناسب

12. 4- كامپوزيت ها : • تركيب دو يا بيشتر از مواد هستند كه داراي خواصي هستند كه هیچ یک از اجزاء به تنهايي ندارند • به 3 دسته كلي تقسيم مي شوند: • 1- كامپوزيت هاي پايه پلي مري • 2- كامپوزيت هاي زمينه فلزي • 3- كامپوزيت هاي زمينه سراميكي

13. 2-پيوندهاي بين اتمي • تمام مواد از قرار گرفتن اتم ها در كنار هم تشكيل شده اند. براي درک برخي خواص مواد نياز به مطالعه پيوند بين اتم داريم. اتم ها به دو صورت با همديگر پيوند دارند: • ۱ پيوندهاي اوليه (اصلي): اين پيوندها شامل پيوندهاي يوني، كوالانسي و فلزي هستند و به طوركلي پيوندهايي قوي هستند. • ۲ پيوندهاي ثانويه (فرعي): اين پيوندها شامل پيوندهاي واندروالس و هيدروژني هستند كه نسبتاً ضعيف هستند. در اين پيوندها انتقال و اشتراك الكترون وجود ندارد.

14. پيوند فلزي: • ۱ اين نوع پيوند در فلزات و آلياژهاي آن ها يافت مي شود. • ۲ مهم ترين مشخصه ساختار الكترونی فلزات؛ دارا بودن الكترون آزاد است. (اين الكترون ها تعلق خاص به هسته ندارند.) • ۳ مدلي كه براي تشريح پيوند فلزي ارائه شده است بر اساس مدل "درياي الكترون آزاد" است در اين مدل الكترو نهاي آزاد به صورت دريايي از الكترو نهاي آزاد كه تعلق خاص به يك اتم ندارند در نظر گرفته مي شوند و الكترون هاي غيروالانس باقيمانده و هسته اتم تشكيل هسته هاي يوني را مي دهند. هسته هاي يوني داراي بار خالص مثبت هستند و در اين درياي الكترون شناورند.

15. شمای پيوند فلزي:

16. ۴. عامل اتصال اتم ها در پيوند فلزي، جاذبه بين الكترون هاي آزاد و هسته يوني با بار مثبت است. • ۵. ماهيت پيوند فلزي غيرجهت داراست. • ۶. به كمك اين مدل مي توان برخي خواص فلزات را توضيح داد: • فلزات رساناي خوب الكتريسته هستند. • ماده اي رساناي خوب الكتريسيته است كه بتواند با كمترين مقدار پتانسيل اعمالي؛ حامل هاي بار الكتريكي (الكترون و/يا يون) را از خود عبور دهد. مواد فلزي به علت دارا بودن الكترون هاي آزاد، به نيروي محركه كمي براي انتقال جريان نياز دارند.

17. ۲- پيوند يوني: • ۱. اين نوع پيوند در تركيباتي يافت می شود كه متشكل از يك عنصرالکترونگاتيو و يک عنصر الكتروپوزتيو باشند. • ۲. پيوند اتمي حاكم در بسياري از سراميك ها، يوني است. • ۳. پيوند يوني براساس انتقال و داد وستد الكترون است. • ۴. در اين پيوند عنصر فلزي با دادن الكترونهاي لايه ظرفيت خود به عنصر نافلز موجب مي شود تا هر دو عنصر به آرايش گاز پايدار مي رسند و فلز به يون مثبت (كاتيون) و نافلز به يون منفي (آنيون) تبديل مي شود. • يك مثال كلاسيك در اين مورد NaCl است

19. ۵. عامل پيوند، جاذبه الكترواستاتيكي بين يون مثبت و يون منفي است. • ۶. ماهيت پيوند يوني، غيرجهت داراست يعني مقدار پيوند در تمام جهات اطراف يك اتم يكسان است. • ۷. برخي خواص مواد با پيوند يوني: • الف مواد با پيوند يوني، رسانايي الكتريكي خوبي ندارند: • در اين مواد عامل رسانايي، حركت يون هاست (الكترون آزاد وجود ندارد). از آ نجايي كه اندازه بزرگ تر يون ها و نيروي دافعه ي بين بارهاي هم نام مانع حركت آزادانه يون ها مي شود؛ اين مواد رسانايي خوبي ندارند. • ب مواد با پيوند يوني شكل پذيري خوبي ندارند. • اين امر با توجه به مكانيزم تغيير فرم و قرار گرفتن بارهاي هم نام در كنار هم و ايجاد نيروي دافعه بين آن ها حين تغيير فرم توضيح داده • مي شود.

20. ۳-پيوند كووالانسي: • ۱. پيوند كووالانسي به شكل خالص در الماس، سيليكون و ژرمانيوم يافت مي شود. • ۲. پيوند كووالانسي پيوند اتمي حاكم در سراميك هاي سيليكاتي و شيشه ها است. • ۳. پيوند اتمي برخي فلزات با نقطه ذوب بالا (تنگستن، موليبدن، تانتالم و ……) علاوه بر پيوند فلزي؛ ماهيت كووالانسي نيز دارد. • ۴. پيوند كووالانسي در پليمرها نيز وجود دارد. • ۵. پيوند كووالانسي براساس شراكت الكترون است. در اين پيوند نزديك شدن دو هسته موجب ايجاد يك اوربيتال الكتروني جديد شامل الكترون هاي به شراكت گذاشته شده مي شود. در اين حالت الكترون هاي به شراكت گذاشته شده را مي توان متعلق به هر دو اتم دانست.

21. CH پيوند كووالانسي در 4

22. ۶. يكي از مهم ترين مشخصه هاي پيوند كووالانسي جهت دار بودن آن است. به علت نامتقارن بودن شكل اربيتال ها، قدرت پيوند بين اتمي در تمام جهات يكسان نيست. • ۷. برخي ويژگي هاي مواد با پيوند كووالانسي • الف مواد با پيوند كووالانسي عايق خوب الكتريسته هستند. اين مواد به علت فقدان الكترون آزاد و ذرات يوني رساناي الكتريسته نيستند. • ب مواد كووالانسي به علت ماهيت جهت دار بودن پيوندشان، شكل پذيري ضعيفي دارند. در واقع تغيير فرم اين مواد مستلزم تغيير در زاويه پيوندي آن هاست و تغيير در زاويه پيوندي يعني شكست پيوند كووالانسي.

23. ۴-پيوندهاي تركيبي (هيبريدي) • در بسياري از مواد، پيوندهاي بين اتمي تركيبي از پيوندهاي اوليه يا ثانويه است. • ۱. پيوند اتمي موجود در تركيبات بين فلزي، تركيبي از پيوند فلزي و پيوند يوني است. هرچه اختلاف الكترونگاتيويته دو فلز بيشتر باشد، سهم پيوند يوني بيشتر است. • ۲. پيوند اتمي موجود در سراميكها، تركيبي از پيوند يوني و کووالانسي است. سهم پيوند كووالانسي در سراميك ها را مي توان به صورت رابطه زير بيان كرد: • سهم پيوند كووالانسي = exp [- 0.25ΔE 2] • كه در آن ΔE اختلاف الكترونگاتيويته است که هرچه كمتر باشد؛ سهم پيوند كووالانسي بيشتر خواهد بود. • ۳. نوع پيوند در بسياري از مواد مولكولي، تركيبي از پيوند كووالانسي و پيوندهاي ثانويه (واندروالس و هيدروژني) است.

24. انرژي پيوندي • منحني تغييرات نيروي بين اتمي (و انرژي پتانسيل) برحسب فاصله ي بين اتمي • اصول پيوند اتمي را مي توان با درنظرگرفتن اندركنش دو اتم ايزوله كه از فاصل هاي دور به هم نزديك مي شوند، درك كرد. در فواصل دور؛ اندركنشها قابل صرف نظر كردن است. با نزديك شدن دو اتم به هم؛ دو نوع نيروي بين اتمي (جاذبه و دافعه) بين آن ها شكل مي گيرد. مقدار آن ها تابعي از فاصله بين اتمي است • ۱. منشاْ نيروي جاذبه، بستگي به نوع پيوند اتمي دارد و به طور كلي ناشي از نيروي بين مراكز با بار مثبت و منفي است. • ۲. منشاْ نيروي دافعه، هم پوشاني الكترون هاي لايه آخر است كه با هر چه بيشتر نزديك شدن دو اتم، مقدار آن افزايش مي يابد.

25. انرژي پيوند و فاصله بين اتمي اتمها بعد از برقراري پيوند در يك فاصله تعادلي در كنار هم قرار مي گيرند Fe Fe فاصله بين اتمي : فاصله تعادلي بين مراكز دو اتم كه در مورد عناصردو برابر شعاع اتمي است انرژي پيوند : انرژي لازم جهت جدا كردن اتمها ازفاصله تعادلي تا بي نهايت است = انرژي لازم براي شكست پيوند

26. اما مفهوم فاصله تعادلي چيست؟ • مي دانيم كه هنگامي كه دو اتم به هم نزديك مي شوند بين انها نيروهاي جاذبه و دافعه ايجاد مي شود كه مي تواند از منشا هاي زير باشد نيرو هاي جاذبه حاصل از جاذبه : يون مثبت-يون منفي ابر الكتروني -هسته نيرو هاي دافعه حاصل از دافعه : ابر الكتروني-ابر الكتروني هسته- هسته

27. بنابر اين در يك فاصله مشخص بين دو اتم برآيند نيروهاي جاذبه و دافعه صفر مي شود كه به اين فاصله مشخص فاصله بين اتمي كفته مي شود

28. همان طوركه گفته شد فاصله تعادلي فاصله اي است كه در ان انرژي سيستم مينيمم شود

29. مهمترين مشخصه منحني انرژي- فاصله، نقطه مينيمم آن است. انرژي متناظر با فاصله ي تعادليr0، انرژي پيوند است. انرژي پيوندي E0 حداقل انرژي مورد نياز براي جدا كردن و يا شكستن پيوند است. انرژي پيوندي تابع نوع پيوند بين اتمي است.

30. برخي خواص مواد وابسته به انرژي پيوندي و شكل منحني انرژي فاصله است. هرچه انرژي پيوندي بيشتر باشد؛ دماي ذوب بيشتر است. در مقياس اتمي؛ مقدار مدول يانگ تابعي از مقاومت پيوند اتمي در برابر تغيير فاصله ي تعادلي اتم هاست. در واقع مدول يانگ متناسب است با شيب نمودار نيروي بين اتمي- فاصله در نقطه ي r0 .

31. نمودار نيرو- فاصله براي دو ماده با مدول الاستيسيته ي بالا و پائيني -به طوركلي با افزايش انرژي پيوندي؛ دماي ذوب و مدول يانگ افزايش مييابد

32. ساختار کريستالي موادمواد را از نظر نظم اتمي مي توان به سه دسته تقسيم كرد: • مواد بي نظم: مثل گازها • -مواد با نظم بلند دامنه (كريستال): در اين مواد (كريستال ها)، اتم ها در طي فاصله هاي طولاني اتمي داراي نظم تكرار شونده يا آرايش پريودي هستند. در واقع طي انجماد، اتم ها خود را در يك الگوي سه بعدي تكرار شونده آرايش مي دهند به صورتي كه هر اتم بانزديك ترين اتم همسايه پيوند دارد. در اين مواد، عدد همسايگي براي اتم هاي بالك در سرتاسر كريستال حفظ مي شود. • مواد با نظم كم دامنه (آمورف): در اين مواد نظم اتمي تا چند فاصله ي اتمي حفظ مي شود و عدد همسايگي متغير است. • يكي از روش هاي تهيه مواد آمورف فلزي، سريع سرد كردن مذاب آن ها با سرعت هاي در حدود K/Sec ۱۰۶ است. در اين سرعت هاي بالاي انجماد، اتم ها فرصت كافي براي آرايش منظم در موقعيت هاي مشخص اتمي را ندارند.

33. مفهوم نظم و آرايش منظم بخار اب: ساختار تصادفي ساختار مايع ساختار يخ

34. نظم (Order): وجود يك رابطه مشخص بين اجزا به طوري كه نسبت هر جز با ساير اجزا مشخص و قابل پيش بيني باشد. • در گازها اتها به صورت تصادفي فضا را پر كرده اند و هيچ نظمي وجود ندارد(No Order)

35. در مايعات اتمها نسبت به هم ساختار نسبتا منظمي دارند اما • اولا : اين نظم با گذشت زمان به هم مي خورد • ثانيا: اين نظم دركل ماده وجود ندارد بلكه اين نظم به تعداد محدودي از اتمها محدود مي شود كه در اين حالت به اين نظم : نظم با دامنه كوتاه • (Short range Order)گفته مي شود

36. مثال : ساختار آب (مايع)

37. اما در بسياري از جامدات كل اتمهاي ساختار با نظم خاصي در كنار هم قرار گرفته اند كه به اين نوع نظم با دامنه طولاني وبه اين جامدات : جامدات بلوري يا كريستالي (Crystalline materials) گفته مي شود.

38. مواد بلوري (كريستالي(Crystalline Materials)( • موادي هستند كه در انها كل اتمها در يك ساختارمنظم و تكرار شونده در فواصل طولاني در كنار هم قرار گرفته اند

39. سيستم هاي بلوري ( سيستم هاي تبلور) • از آنجا که ساختارهاي بلوري مختلفي وجود دارند گاهي راحت تر است که آنها را بر مبناي شکل سلول واحد و يا آرايش اتمي گروه بندي کنيم. اين روش فقط بر پايه ي هندسي سلول واحد يعني شکل سلول واحد متوازي السطوح و بدون توجه به موقعيت اتمها در سلول واحد است. در اين روش يک سيستم مختصاتي x, y, z برقرار مي شود. بگونه اي که مبدا در يکي از گوشه هاي سلول واحد و هر يک از محورهاي مختصات z و y ،x بر روي يکي از سه لبه متوازي السطوح مجاور مبدا منطبق مي گردد. شکل هندسي سلول واحد به طور کامل توسط ۶ پارامتر تعيين مي شود:

40. ۱- طول بردار در امتداد محور (a) x • ۲- طول بردار در امتداد محور (b) y • ۳- طول بردار در امتداد محور (c) z • ۴- زاويه ي بين بردار c و b() • ۵- زاويه ي بين بردار c و a(ß) • ۶- زاويه ي بين بردار a و b(γ)

41. بر اين اساس هفت تلفيق احتمالي c و b ،a ، ، ß ، γ وجود دارد که هر کدام يک سيستم بلوري يا سيستم تبلور جداگانه را مشخص • مي کنند. اين هفت سيستم بلوري عبارتند از: مکعبي، تتراگونال، هگزاگونال، ارتورمبيک، رمبوهدرال، مونوکلينيک و تري کلينيک. • اين سيستم ها نحوه قرارگيري اتم ها در سلول واحد را در نظر نمي گيرند. در صورتي که نحو ه قرارگيري اتمها در سلول واحد را در • نظر بگيريم، ۱۴ حالت قرارگيري اتم ها در سلول واحد بوجود خواهد آمد. به ۱۴ حالت، ۱۴ شبکه براوه گفته مي شود.

42. مثال بدست اوردن شبكه ساده

43. مفهوم سلول واحد (Unit cell) • از انجايي كه ساختار هاي كريستالي از كنار هم قرار گرفتن اتمها در كنار هم به صورت منظم و تكرار شونده به دست امده است اين امكان وجود دارد كه بتوان يك واحد سازنده را پيدا كرد كه از تكرار ان كل ساختار ايجاد شود. به اين واحد تكرار شونده unit cell مي گويیم. • تعريف Unit cell: • كوچكترين واحد يك ساختار كريستالي كه از تكرار ان كل ساختار ايجاد شود و كلخواص ساختار را درخود حفظ كند

44. انواع مختلف Unit Cell مي تواند با توجه به روابط و مقادير مختلف براي اين 6 پارامتر به دست ايد به عنوان مثال اگر • α=β=γ=90º • و a = b = c • انگاه شكل حاصل مكعب ساده خواهد بود و يا • اگر a = b≠c • وº 90=α=βو γ= º 120باشد • شكل به صورت هگزاگونال(Heaxagonal ) خواهد بود

46. انواع unit cell

48. ساختار مكعبي Cubic Structure • اين نوع از سيستم ساختاري خود به 3 دسته تقسيم مي شود • 1- مكعبي ساده • Simple Cubic (SC) • 2- مكعبي با اتم در مركز • Body Centered Cubic (BCC) 3- مكعب با اتم در وجوه مكعب Face centered Cubic (FCC)

49. ُSimple Cubic اتمها در گوشه مكعب واقع شده اند Cubic Lattice

50. یک بلور فلزی را می‌توان به صورت ساختار حاصل از چیدن کره‌هایی سخت در کنار هم در نظر گرفت که آن را مدل کرات سخت (Hard-Ball Model) می‌نامند. شعاع کره‌ها در این مدل نصف فاصله مراکز دو اتم به هم چسبیده است. با توجه به مدل کرات سخت، شعاع اتمی (کره‌ها) با توجه به اندازه یال مکعب که پارامتر شبکه(Lattice Parameter) نامیده می شود قابل محاسبه است. در ساختار مکعبی ساده اگر اندازه یال شبکه a باشد در این صورت رابطه آن با شعاع اتمی به صورت زیر است: بديهي است حجم شبكه و حجم يك اتم خواهد بود.