Zestaw I. 1.Przykład ceramiki gęstej o najmniejszej przewodności. Odp.ZrO2, SiAlON- ceramika tlenowo azotkowa. 2.Jak wpływają wstrząsy termiczne na własności mechaniczne? Odp. Wstrząsy termiczne powodują pęknięcia lub naprężenia prowadzące do mikropęknięć, co wpływa na wzrost nieciągłości materiału. Powoduje to obniżenie wytrzymałości materiału. 3.Przykład glinokrzemianu szkieletowego. Odp. K[AlSi3O8] – ortoklaz, Ca[Al2Si2O8] – amoryt. 4.W czym występuje mulit? Odp. Jest to składnik ceramiki tradycyjnej. Występuje w porcelanie, cegłach, ogniotrwałych materiałach szamotowych, w układzie Al2O3 – SiO2. 5. Jakie parametry wpływają na przewodnictwo cieplne? Odp. a.Przepływ ciepła: q= - λ*(dT/dx), gdzie: q – strumień ciepła, λ - stała proporcjonalności, przewodność cieplna właściwa (zależy od strumienia materiału), dT/dx - gradient temperatury, b.Warunek przepływu ciepła: λ= 1/3ρ*cv*v*l, gdzie: ρ – gęstość, cv – pojemność cieplna, v - średnia prędkość fononów, l -średnia droga swobodna, c.Struktura materiału (gęstość, porowatość). Obecność defektów punktowych (w szczególności wakancji), granice ziarn, pory oraz zanieczyszczenia (na których następuje rozproszenie energii) obniżają przewodnictwo cieplne. 6.Określ rodzaj wiązań AlN. Odp. Wiązanie kowalencyjne. 7.Jaki materiał ceramiczny ma największą teoretyczną twardość? Odp.Diament. 8.Rodzaje defektów liniowych (lub płaskich). Odp.Defekty liniowe: *dyslokacje krawędziowe - atomy leżące powyżej granicy nacięcia są przesunięte w kierunku prostopadłym do linii O-O oddzielającej część, w której nastąpiło już przesunięcie od części, w której jeszcze ono nie nastąpiło, *dyslokacje śrubowe – atomy leżące powyżej granicy nacięcia są przesunięte w kierunku równoległym do linii O-O. Defekty płaskie: *niskokątowe granice daszkowe – powstają w wyniku układania się dyslokacji krawędziowych jedne na drugie, rozdzielają nanostrukturę na dwie części, w których płaszczyzny atomów są nachylone względem siebie pod niewielkim kątem, *niskokątowe granice skręcania – tworzą się przez uszeregowanie zbioru dyslokacji śrubowych; niskokątowa granica skręcania oddziela dwie części kryształu skręcone względem siebie o kąt Θ, równolegle do płaszczyzny skrzyżowanych dyslokacji śrubowych: budowa mozaikowa, *błędy ułożenia – atomy zachowują identycznych najbliższych sąsiadów, tj. atomy 1 zespołu koordynacyjnego, zmianie ulega ułożenie następnego zespołu koordynacyjnego. 9.Jaki materiał ma wytrzymałość mechaniczną bliską teoretycznej? Odp.Wiskersy (SiC). 10.Przy jakiej przemianie kwarcu następuje największy ubytek objętości? Odp.β – krystobalit w α – krystobalit.
Zestaw II. 1.Określ wiązania Si3N4. Odp.Wiązania kowalencyjne. 2.Defekty Schotky’ego. Odp.Jest to zaburzenie złożone z defektów punktowych tego samego rodzaju. Defekty Schotky’ego związane są z powstawaniem par wakancji atomów lub jonów M i X (VM i VX). Jeżeli coś stało się z anionem to musi nastąpić reakcja kationu, w celu zachowania stosunku liczby atomów M do liczby atomów X charakterystycznych dla danego związku. M – kation międzywęzłowy, X – anion międzywęzłowy, VM – wakancja kationowa, VX – wakancja anionowa. 3.Co powoduje dodatek CaO i X2Y3 w tlenkach cyrkonu? Odp.Osiąga się wysokie jak na materiały ceramiczne wartości KIc. Wiąże się to z występowaniem podczas obciążenia tych materiałów poniżej 1000oC przemiany fazowej metatrwałej odmiany tetragonalnej w trwałą odmianę jednoskośną r.s. ZrO2. Przemiana ta występuje w obszarze koncentracji naprężeń wyprzedzających wierzchołek pęknięcia. Powoduje też stabilizację w wysokich temperaturach. 4.Jak zachowuje się metal, a jak materiał ceramiczny pod obciążeniem? Odp. I – odkształcenie sprężyste (odwracalne), II – odkształcenie plastyczne (nieodwracalne). Materiały ceramiczne pod wpływem obciążenia zachowują się sprężyście aż do momentu zniszczenia katastroficznego (po osiągnięciu punktu F następuje dekohezja), a w metalu poprzedza je odkształcenie plastyczne i wywołane tym przewężenie przekroju czynnego materiału. Obciążenie odpowiadające punktowi F nazywane jest wytrzymałością materiału. 5.Co wpływa na materiał ceramiczny, który ulega odkształceniu w wysokiej temperaturze bez pęknięć? Odp. Mikrododatki. 6.Co wpływa na współczynnik „K”? Odp. *Nieciągłość mikrostruktury materiałów ceramicznych, czyli szczeliny (pęknięcia) i pory związane z nie osiągnięciem jednorodnej mikrostruktury w toku procesów wytwarzania materiałów, *Mikropęknięcia powstałe w wyniku działanie naprężeń cieplnych przy schładzaniu materiałów, *Rysy na powierzchni, *Koncentracja naprężeń wokół pęknięć, *Szybkość obciążenia, *Geometria próbki, *Rodzaj pęknięcia. 7.Jaki tlenek wykorzystuje się do powstania szkła? Odp.SiO2. 8.Jakie układy są najmniej symetryczne? Odp.Trójskośny, jednoskośny. 9.Sposoby transportu ciepła. Odp. *Proces konwekcji – ciepło przenosi się w wyniku transportu cząstek obdarzonych energią cieplną (mechanizm ważny w przypadku gazów), *Promieniowanie – energia cieplna jest wymieniana pomiędzy powierzchniami lub oddzielonymi od siebie ziarnami stałymi drogą promieniowania i absorpcji (istotny w temperaturach wyższych od 1000oC), *Przewodnictwo cieplne – następuje pod wpływem gradientu temperatury. Przenoszenie ciepła w gazach możliwe jest przez zderzenia obdarzonych energią molekuł, które wykonują ruchy. W przypadku ciał stałych ciepło przekazywane jest również drogą wymiany energii między atomami. 10. Jakie jest LK dla wiązań jonowych? Odp. W ciałach stałych o wysokim stopniu jonowości wiązań LK mieści się w granicach :6<LK<8.
Zestaw III. 1.Wymień defekty punktowe. Odp. Wakancje, atomy w pozycjach międzywęzłowych. Zaburzenie symetryczne: defekty Schotky’ego; zaburzenia antystrukturalne; zaburzenia międzywęzłowe. Zaburzenia antysymetryczne: defekty Frenkla; zaburzenia złożone z wakancji i niewłaściwie umiejscowionych atomów lub jonów tego samego rodzaju; zaburzenia złożone z międzywęzłowych atomów lub jonów jednego rodzaju oraz niewłaściwie umiejscowionych atomów drugiego rodzaju. 2.Jaka figura geometryczna odpowiada LK=4? Odp.Tetraedr. 3.Jakie wiązania występują w MgO? Odp. Wiązanie jonowe. 4.Jaki materiał ceramiczny ma największą rozszerzalność cieplną? Odp.MgO. 5.Dlaczego H2O wpływa na odkształcenia pakietów 2:1? Odp. W fazy warstwy pakietu może wchodzić H2O co powoduje odpychanie pakietów od siebie i pęcznienie materiału. Działa to smarująco więc pakiety mogą się przesuwać względem siebie. 6.Co występuje w układzie MgO-Al2O3 (jakie związki)? Odp. *Roztwór stały: MgO + MgAl2O4, *Roztwór stały: MgAl2O4, *MgAl2O4 + Al2O3, *Roztwór stały: MgO, *MgO + ciecz, *MgAl2O4 + ciecz, *Al2O3 + ciecz, *Ciecz. 7.Jak zmienia się przewodnictwo jonowe w krysztale wraz ze wzrostem temperatury? Odp. W wyniku podwyższenia temperatury atomy odsuwają się na odległość większą niż działanie siły elektrostatycznej i przewodnictwo jonowe maleje. 8. Jaki jest rozkład naprężeń wokół porów? Odp. Wokół porów dochodzi do koncentracji naprężeń, gdyż przenoszenie obciążeń wzdłuż przerwanych łańcuchów staje się niemożliwe i musi się ono odbywać po trajektorii wokół poru. Poprzez łańcuch atomów położonych u wierzchołka poru przenosi się teraz wielokrotnie większe obciążenie niż w obszarach materiału odległych od pęknięcia. Koncentracja naprężeń zależy od kształtu poru. W pobliżu porów są naprężenia rozciągające, dalej od nich – naprężenia ściskające. 9. Metoda zapobiegania kruchemu pękaniu. Odp. Tworzenie się sieci mikropęknięć, ich rozgałęzienie się i mostkowanie oraz wystąpienie określonych przemian fazowych. Wzrasta również efektywna energia pękania: Kk=(Eγef)l. Wyższe wartości dla KIc otrzymano dla: *Polikrystalicznych materiałów TZP, u których następuje przemiana fazowa odmiany tetragonalnej w jednoskośną ZrO2 w obszarze koncentracji naprężeń wyprzedzając wierzchołek pęknięcia (podczas obciążenia), *Kompozytów ziarnistych, *Kompozytów zbrojonych włóknami. 10. Odmiany polimorficzne kwarcu. Odp. α – kwarc → β – kwarc → γ – trydymit → β – krystobalit → ciecz. (573oC, 870oC, 1470oC,1723 oC).
Zestaw IV. 1. Rodzaje wiązań w CrO3. Odp. Wiązania jonowe. 2.Ile wynosi LK dla wiązań kowalencyjnych? Odp.4. 3.Jaka faza występuje w układzie SiO2-Al2O3? Odp. Faza szklista + mulit. 4.Jak zamienia się przewodnictwo cieplne szkła w zależności od temperatury? Odp. Przewodnictwo cieplne w szkle jest bardzo niskie. Nie obserwujemy również dużych zmian pod wpływem temperatury. Wynika to z bardzo małej długości drogi swobodnej fononów w znacznie zaburzonej budowie atomowej substancji amorficznych, co powoduje, iż rola przerzutu w obniżeniu ł jest znikoma. Tym samym nie obserwuje się spadku λ z temp. 5. Jakie warunki musi spełniać związek, aby tworzył z innymi związkami roztwór stały? Odp. *Podobieństwo promieni jonowych, *Taki sam ładunek (stopień utlenienia), *Taką samą strukturę krystalograficzną. 6.Od czego zależy kruche pękanie? Odp. Na kruche pękanie duży wpływ mają nieciągłości i pęknięcia, pory, rysy które są statycznie rozprowadzone w materiale. 7.Wyjaśnij współczynnik koncentracji naprężeń. Odp. Wszelkie nieciągłości fazy stałej powodują koncentrację naprężeń i zwiększenie gęstości zmagazynowanej energii odkształcenia sprężystego w tej fazie w pobliżu występowania nieciągłości: σmax= 2P* pierwiastek (c/ρ), gdzie: c – długość pęknięcia wzdłuż osi równikowej, ρ – promień krzywizny wierzchołka. Naprężenia wewnętrzne u wierzchołka pęknięcia σmax są wielokrotnością przyłożonych obciążeń zewnętrznych P. 8.Naprężenia I rodzaju. Odp. Powstają w materiałach izotropowych w skali mikro- i makroskopowej oraz w polikryształach z ziarnami anizotropowymi posiadającymi jednorodny rozkład temperatur. Naprężenia powstają stosownie do różnic rozszerzalności cieplnej kryształów lub faz, a ich wielkość zależy od własności sprężystych i współczynników rozszerzalności cieplnej sąsiadujących składników. Występują na granicach stykających się ziaren, mają charakter lokalny. W konsekwencji nie następuje zniszczenie tworzywa, lecz tylko lokalne spękanie powodujące obniżenie jego wytrzymałości mechanicznej. Powstanie dużej liczby mikropęknięć powoduje nieustanny przyrost objętości materiału. 9.Co jest głównym składnikiem ceramiki krzemianowej? Odp. SiO2. 10.Struktura ceramiki. Odp. Szkło – amorficzna, Ceramika tradycyjna – krystaliczna.
Zestaw V. 1.Co to jest komórka elementarna? Odp. Komórka elementarna jest najmniejszym fragmentem sieci krystalicznej, z której przez wektory translacji można utworzyć sieć krystalograficzną. 2. Defekty Frenkla. Odp. Występują, gdy wakancja i kation znajdują się w pozycji międzywęzłowej. 3. Co to są własności mechaniczne? Odp. Przez własności mechaniczne rozumie się odzew (reakcję) na zewnętrzne obciążenia mechaniczne, sprowadzające się do odkształcenia i dekohezji. 4.Co to jest LK? Odp. Jest to liczba koordynacyjna – liczba najbliższych atomów lub jonów otaczających dany atom lub jon. 5. Rodzaje wiązań w Al2O3. Odp.Wiązanie jonowe. 6. Dlaczego związek ... jest związkiem niestechiometrycznym? Odp. Niestechiometryczność wynika z różnego stopnia utlenienia związku w materiale, zależy od ciśnienia cząsteczkowego tlenu. 7. Jak na materiał wpływa strumień ciepła? Odp. Pod wpływem strumienia ciepła następuje: *Wzrost temperatury – w warstwie przypowierzchniowej atomy drgają z większą amplitudą – zmiana koloru, *Przewodzenie ciepła w skutek wytworzenia się gradientu temperatury między jedną warstwą a drugą (jedna warstwa atomów przekazuje drugiej energię cieplną drgając), *Zmiany wymiarów – jeżeli dopływ nie ustanie będzie ciągły gradient temperatur, ciepło ciągle przepływa, atomy drgają na większe amplitudy, co powoduje rozszerzanie się materiałów, *Powstanie naprężeń wewnętrznych. 8. Jak powstają naprężenia II rodzaju? Odp. Powstają w materiałach anizotropowych posiadających niejednorodny rozkład temperatury (wywołany przez kształt materiału lub nieustalone warunki przepływu ciepła). Naprężenia te powstają w wyniku różnicy temperatur w odniesieniu do objętości materiału, mają charakter stały. 9. Od czego zależy odporność na kruche pękanie? Odp. *Od sposobu obciążenia mechanicznego – rozwieranie pęknięcia, *Od mikrostruktury, *Od sposobu ogrzewania i chłodzenia materiału.
Zestaw VI. 1. Jakie wiązanie występuje w SiO? Odp. Wiązanie kowalencyjne. 2. Dlaczego nie można wyrobić zwartej ceramiki z cyrkonu Zr...? Odp.Gdyż wraz z obniżeniem temperatury przechodzi od układu regularnego do bardzo skomplikowanego, wzrasta gęstość. Wraz z przemianą polimorficzną staje się nietrwały, rozsypuje się w proszek. 3. Ile wynosi LK dla wiązań kowalencyjnych? Odp.4. 4. W jakim materiale występuje największy moduł sprężystości? Odp. Ogólnie: monokryształy o regularnej strukturze krystalicznej i gęste polikryształy złożone z ziarn o strukturze krystalicznej regularnej. WC – węglik wolframu (diament), węgliki: βSiC, TiC. 5. Defekty punktowe. Odp. Defektami punktowymi nazywa się zaburzenia struktury, których zasięg nie przekracza wymiarów atomów (jonu), a więc węzły sieci nieobsadzone przez atomy (wakancje), atomy w pozycjach międzywęzłowych itp. 6. Wyjaśnij liniową rozszerzalność cieplną. Odp. Jeśli lo oznacza pierwotną długość materiału, a Δl=l-lo wydłużenie materiału podczas jego ogrzania o ΔT, to liniowy współczynnik rozszerzalności cieplnej określony jest wzorem: αl = (l/lo)*(Δl/ΔT). 7. Własności szkła i podobnego do niego kryształu – różnice. Odp. W szkle jest budowa amorficzna (nieregularne ułożenie atomów) , w krysztale jest regularne ułożenie. W krystalicznej strukturze krzemionki każdy atom krzemu tworzy tetraedryczne zespoły koordynacyjne z najbliższymi sąsiednimi czterema atomami tlenu, których płaski rzut może być przedstawiony w postaci trójkątnych zespołów trzech atomów tlenu z umieszczonymi w centrum atomami krzemu. W amorficznej krzemionce zespoły te są identyczne lecz ich powiązanie jest nieregularne. Pozwala to na utworzenie ciągłej więźby lecz o mniej gęstym ułożeniu atomów niż w strukturze krystalicznej. W konsekwencji w amorficznej krzemionce muszą występować, w porównaniu z krystalograficzną krzemionką, pustki nie zapełnione przez atomy. 8.Dwa układy krystalograficzne o największej symetrii. Odp. Regularny - a = b = c, α = β = γ = 90º; rombowy - a ≠ b ≠ c, α = β = γ = 90. 9. Od czego zależy odporność na kruche pękanie? Odp. *Od sposobu obciążenia mechanicznego, *Od mikrostruktury, *Od sposobu ogrzewania i chłodzenia materiału. 10. Fononowe przewodnictwo cieplne. Odp. W ceramice energia cieplna przenoszona jest przez atomy drgające wokół pozycji równowagi w wyniku, czego zderzają się ze sobą i przekazują energię (lub jej część). Fonon – jest to kwant energii przekazywany sąsiadującym atomom w sieci podczas zderzenia. Energia drgań zależy od temperatury. Amplituda od granic wyznaczonych długością wiązania atomowego (jonowego) i zasięgu maksymalnego działania wiązania jonowego (gdy są tak blisko, że się stykają nie mogą drgać) i od temp.
Zestaw VII. 1. Jakie wiązanie występuje w TiO? Odp. Wiązanie jonowe. 2. Rozkład termiczny kaolinitu. Odp. Kaolinit – 45% Al2O3 + 55% SiO2, temp. top. pow. 1800oC; 1800oC > mulit + ciecz > 1600oC; 1600oC > mulit + faza szklista. 3. Dlaczego szkło w zasadzie nie przewodzi ciepła? Odp. Wynika to z amorficznej budowy szkła. Nieregularne ułożenie tetraedrów utrudnia drgania atomów. Wynika to z bardzo małej długości drogi swobodne...
Pelin1