Enn Mellikovi materjalifüüsika ja -keemia konspekt (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Materjalifüüsika ja -keemia
2008 Sisukord 1. MATERJALIDE TÄHTSUS ..................................................................................................... 7 1.1. Sissejuhatus ............................................................................................................... 7 1.2. Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia ................................................................... 8 1.3. Materjalide klassifikatsioon . ...................................................................................... 9 1.3.1. Metallid.............................................................................................................. 9 1.3.2. Keraamika ........................................................................................................ 10 1.3.3. Komposiidid ..................................................................................................... 10 1.3.4. Polümeermaterjalid ......................................................................................... 10 1.3.5. Pooljuhtmaterjalid ........................................................................................... 11 1.4. Tendentsid materjalide kasutamises. Materjalide konkurents materjaliturul........ 11 1.5. Tulevikutendentsid materjalitööstuses ................................................................... 11 2. KEEMILINE SIDE. .............................................................................................................. 13 2.1. Sissejuhatus ............................................................................................................. 13 2.2. Aatomi ehitus. ......................................................................................................... 13 2.2.1. Aatomnumbrid. ............................................................................................... 13 2.2.2. Aatommassid. .................................................................................................. 13 2.3. Aatomite elektronstruktuur. Vesiniku aatom . ........................................................ 14 2.3.1. Kõrvalepõige kvantmehhaanikasse. Kvantarvud............................................. 15 2.4. Keerulisemate (multielektroonsete) aatomite elektronstruktuur. ......................... 16 2.4.1. Aatomi suurus.................................................................................................. 16 2.4.2. Elektron -konfiguratsioon elementides. ........................................................... 17 2.5. Elektronstruktuur ja reaktsioonivõime. (joonis 2.11) ............................................. 17 3. KEEMILINE SIDE MATERJALIDES ...................................................................................... 19 3.1. Aatom - ja molekulaarsideme erinevad tüübid. (joonis 2.14) .................................. 19 3.1.1. Primaarsed aatomsidemed. (joonis 2.14) ....................................................... 19 3.1.2. Sekundaarsed aatomsidemed ja molekulaarsidemed. (joonis 2.14) .............. 19 3.2. Iooniline side. (joonis 2.15) ..................................................................................... 19 3.2.1. Jõud ioonide vahel ioonpaaris (joonis 2.18). ................................................... 20 3.2.2. Ioonilise sideme energia (joonis 2.20) ............................................................. 21 3.2.3. Ioonide paiknemine ioonsetes tahketes ainetes (joonis 2.23). ....................... 22 3.2.4. Ioonide geomeetriline paiknemine ioonsetes materjalides (joonis 2.23) ....... 22 3.2.5. Elektroneutraalsus ioonsetes materjalides (joonis 2.23) ................................ 22 3.3. Kovalentne side (joonis 2.25) .................................................................................. 22
2 3.3.1. Kovalentne side, konkreetsed näited (joonis 2.25, 2.26, 2.27) ....................... 23 3.3.2. Kovalentne side süsinikuga (joonis 2.29)......................................................... 23 3.3.3. Kovalentne side benseenis (joonis 2.35). ........................................................ 24 3.3.4. Kovalentne side grafiidis ja fullegeenides (joonis 2.36). ................................. 24 3.3.5. Kovalentne side süsiniku aatomite vahel teemantis (joonis 2.38, 2.39). ........ 25 3.3.6. Kokkuvõtteks ................................................................................................... 25 3.4. Metalliline side (joonis 2.40) ................................................................................... 25 3.5. Sekundaarsed sidemed (joonis 2.42) ...................................................................... 26 3.5.1. Side läbi fluktuaalsete dipoolide. .................................................................... 27 3.5.2. Side polaarsetes molekulides. ......................................................................... 27 3.5.3. Kokkuvõtteks ................................................................................................... 28 3.6. Erinevate sidemete kombinatsioonid (joonis 2.47)................................................. 28 3.6.1. Iooniline-kovalentne kombineeritud side (joonis 2.47). ................................. 28 3.6.2. Metalliline - kovalentne kombineeritud side. ................................................. 29 3.6.3. Metalliline - iooniline kombineeritud side. ..................................................... 29 3.7. Kokkuvõte (joonis 2.47, 2.48). ................................................................................. 29 4. KRISTALLSTRUKTUURID JA KRISTALLGEOMEETRIA ......................................................... 31 4.1. Sissejuhatus ............................................................................................................. 31 4.2. Ruumvõre ja ühikrakk (joonis 3.2)........................................................................... 31 4.3. Kristallsüsteemid ja Bravais võred (joonis 3.3, 3.4). ................................................ 31 4.4. Põhimised kristallstruktuurid metallides (joonis 3.7, 3.8) ....................................... 32 4.4.1. Ruumtsentreeritud kuubiline kristallstruktuur (joonis 3.9, 3.10, 3.11). ......... 33 4.4.2. Pindtsentreeritud kuubiline kristallstruktuur (joonis 3.12, 3.13, 3.14). .......... 33 4.4.3. Heksagonaalse tihedaima pakkimisega kristallsüsteem (joonis 3.15, 3.16) ... 34 4.5. Kuubiline elementaar - rakk ...................................................................................... 34 4.5.1. Aatomite asendid kuubilises elementaarrakus (joonis 3.17) .......................... 34 4.5.2. Suunad kuubilises elementaarrakus (joonis 3.18, 3.19). ................................. 35 4.5.3. Milleri indeksid kristallograafiliste tasapindade tähistamiseks kuubilises võres (joonis 3.20, 3.21, 3.22). .................................................................................................. 35 4.6. Kristallograafilised tasapinnad ja suunad heksagonaalses elementaarrakus. ........ 37 4.6.1. Kristallograafiliste tasapindade indeksid THP elementaarrakus (joonis 3.23, 3.24). 37 4.6.2. Baastahud heksagonaalses kristallis................................................................ 37 4.6.3. Prismaatilised tahud. ....................................................................................... 37
3 4.6.4. Suunaindeksid heksagonaalses kristallis ......................................................... 37 4.7. Võrdlus PTK, RTK ja THP kristallstruktuuride vahel. ................................................ 37 4.7.1. PTK ja THK (joonised 3.26-3.32) ...................................................................... 37 4.7.2. Ruumtsentreeritud kuubiline kristallstruktuur ............................................... 38 4.8. Ruumilise, planaarse ja lineaarse tiheduse arvutused elementaar-rakkudes (joonis 3.33). 38 4.8.1. Ruumiline tihedus (joonis 3.33)....................................................................... 38 4.8.2. Planaarne aatomehitus (joonis 3.33). ............................................................. 39 4.8.3. Lineaarne aatomtihedus (joonis 3.33)............................................................. 40 4.9. Polümorfism e. allotroopia. ..................................................................................... 40 4.10. Kristallilised ja mittekristallilised materjalid. Monokristallid .............................. 41 4.11. Anisotroopia ........................................................................................................ 42 4.12. Polükristallilised materjalid ................................................................................. 42 4.13. Mittekristallilised materjalid ............................................................................... 42 5. DEFEKTID TAHKETES MATERJALIDES ............................................................................... 43 5.1. Sissejuhatus (Joonis 3.38) ........................................................................................ 43 5.2. Punktdefektid .......................................................................................................... 43 5.2.1. Vakantsid ja võrevahelised aatomid ................................................................ 43 5.3. Lisandid tahkes kehas .............................................................................................. 45 5.4. Joondefektid ­ dislokatsioonid (joonis 3.43) ........................................................... 46 5.5. Kahemõõtmelised defektid ..................................................................................... 47 5.5.1. Materjali välised pinnad .................................................................................. 47 5.5.2. Kristallide vahelised piirpinnad ....................................................................... 47 5.5.3. Kaksikud ........................................................................................................... 48 5.5.4. Faasidevahelised piirpinnad ............................................................................ 48 5.6. Kolmemõõtmelised defektid ................................................................................... 49 5.7. Aatomvõre võnkumine e. foonon ........................................................................... 49 6. DIFUSIOONIPROTSESSID TAHKETES KEHADES . ............................................................... 50 6.1. Sissejuhatus ............................................................................................................. 50 6.2. Aatomdifusioon tahketes materjalides (joonis 4.8). ............................................... 51 6.3. Difusiooni vakantsmehhanism . ............................................................................... 51 6.4. Võrevaheline difusioonimehhanism........................................................................ 52 6.5. Statsionaarne difusioon (joonis 4.11, 4.12, 4.13).................................................... 52 6.6. Mittestatsionaarne difusioon (joonis 4.14, 4.15) .................................................... 53
4 6.7. Difusioonikiirust mõjutavad faktorid (joonis 4.16).................................................. 54 6.7.1. Temperatuuri mõju ......................................................................................... 54 6.8. Kokkuvõte ................................................................................................................ 55 7. MATERJALIDE ELEKTRILISED OMADUSED ....................................................................... 56 7.1. Elektrijuhtivus .......................................................................................................... 56 7.1.1. Elektroonne ja iooniline juhtivus ..................................................................... 56 7.2. Tahkete ainete tsooniteooria alused....................................................................... 56 7.3. Juhtivus tsooniteooria ja keemilise sideme teoorias .............................................. 57 7.3.1. Metallid............................................................................................................ 57 7.3.2. Isolaatorid ja pooljuhid .................................................................................... 58 7.4. Elektronide liikuvus ................................................................................................. 58 7.5. Metallide elektritakistus .......................................................................................... 59 7.6. Temperatuuri mõju materjalide elektrijuhtivusele ................................................. 59 7.7. Lisandite mõju materjalide elektrijuhtivusele ......................................................... 60 7.8. Pooljuhid.................................................................................................................. 60 7.8.1. Omajuhtivusega pooljuhid .............................................................................. 60 7.9. Augud pooljuhtmaterjalides .................................................................................... 60 7.10. Omajuhtivus ........................................................................................................ 61 7.11. Lisandpooljuhtmaterjalid .................................................................................... 61 7.11.1. n-tüüpi lisandjuhtivus ...................................................................................... 61 7.11.2. p-tüüpi lisandpooljuhtmaterjalid..................................................................... 62 7.11.3. Juhtivuse temperatuursõltuvus pooljuhtides.................................................. 62 7.11.4. Kokkuvõtteks ................................................................................................... 63 7.12. Elektrijuhtivus ioonilises keraamikas ................................................................... 63 8. MATERJALIDE OPTILISED OMADUSED............................................................................. 65 8.1. Elektromagneetiline kiirgus ..................................................................................... 65 8.2. Materjali murdumisnäitaja ...................................................................................... 66 8.3. Snelli seadus valguse murdumisele ......................................................................... 66 8.4. Valguse koosmõju metallidega (joon. 8.7) .............................................................. 66 8.5. Optilised nähtused mittemetallides (joon. 8.7) ...................................................... 67 8.5.1. Valguse murdumine ........................................................................................ 67 8.5.2. Kiirguse peegeldumine (joon. 8.9)................................................................... 68 8.6. Kiirguse neeldumine mittemetallilistes materjalides (joon. 8.10) .......................... 69 8.7. Valguse peegeldumine, neeldumine ja läbiminek klaasplaadist (joon. 8.10., 8.11) 69
5 8.8. Polümeermaterjalid................................................................................................. 69 8.9. Valguse neeldumine pooljuhtides (joon. 8.14, 8.15, 8.16)...................................... 70 8.10. Materjali läbipaistvus .......................................................................................... 71 8.11. Materjali värvus ................................................................................................... 72 8.12. Valguse hajumine pooljuhtmaterjalides ja isolaatorites ..................................... 72 8.13. Optiliste omaduste kasutamine .......................................................................... 72 8.13.1. Luminestsents .................................................................................................. 72 8.13.2. Fotojuhtivus ..................................................................................................... 73
6 1. MATERJALIDE TÄHTSUS 1.1. Sissejuhatus Materjalide tähtsus meie igapäevases elus on suurem. kui me seda tavaliselt tunnetame . Meie igapäevane elu ja töökeskond, transport ja riietus, sidevahendid ja käitumine - kõik need on suuremal või vähemal määral mõjutatud materjalidest , nende kvaliteedist ja hinnast . Ajalooliselt on ühiskonna arengu astet alati seotud ühiskonna liikmete võimega toota ja kasutada materjale. Materjalidest tulenevad ka varajase inimühiskonna arenguetappide nimetused - kiviaeg , rauaaeg , pronksi aeg, (polümeeride ajastu, mikroelektroonika ajastu).
Oma varajases arengus omas inimkond juurdepääsu vaid piiratud hulgale looduslikele materjalidele: (kivi, savi, nahk....). Enda arengu uude faasi jõudis inimkond kui loodi tehnikad, mis võimaldasid toota materjale, mis olid enda omadustelt paremad kui looduslikud: näit. portselan , mitmed metallid. Järgnevalt leiti, et materjalide omadusi saab muuta erinevate termiliste töötlustega ja erinevate lisandite lisamisega. Antud perioodil, materjalide loomine ja kasutamine põhines valikul : erinevatel töötlustel saadud materjalide hulgast leiti proovimisel materjal, mis oli oma omadustelt kõige sobivam antud lõpp- produkti valmistamiseks. Alles viimase 50 aasta jooksul on teadus suutnud leida ja mõista neid seaduspärasusi, mis valitsevad materjalide struktuuri ja tema omaduste vahel. Selline teaduslik lähenemine on viinud kümnete tuhandete uute etteantud omadustega materjalide loomiseni (metallid, plastikud , klaasid ja fiibrid ).
Edusammud inimese elukeskonna muutmisel on otseselt seotud tema võimega luua ja kasutada vajalike omadustega materjale. Näiteks, tänapäevaste, loodust vähem saastavate autode loomine on olnud võimalik vaid tänu edusammudele tehnoloogiates, mis on võimaldanud toota nii odavat terast, kui ka teisi kõrgtemperatuurseid materjale kõrgematel temperatuuridel töötavate automootorite valmistamiseks. Tänapäeva arvutibuum on saanud võimalikuks vaid edusammude tõttu pooljuhtmaterjalide tehnoloogias , mis on loonud eeldused kõrge puhtusastmega Si ja GaAs monokristallide valmistamiseks.
Meid ümbritsevad kõikjal materjalid, sest kõik asjad meie ümber on valmistatud materjalidest. Materjalidest asjade (lõpp- produkt ), valmistamine moodustab suure osa tööstuse toodangust. Insenerid konstrueerivad üha uuemaid seadmeid, mille valmistamiseks aga vajatakse aga uusi, väga määratletud omadustega materjale.
Et materjalide omadused on määratud nende struktuuriga, siis on vajalik, et tänapäeva insener omaks teadmisi nendest seostest materjalide struktuuri ja omaduste vahel, et valida välja parimad materjalid igaks konkreetseks kasutuseks ja töötada välja parimad, antud materjalidele sobivaimad tehnoloogiad lõpp-produkti valmistamiseks. Sageli võib juhtuda, et antud hetkel puuduvad materjalid, mis on vajalikud antud tehnilise lahendusega lõpp- produkti loomiseks. See viib süstemaatilistele uuringutele antud valdkonnas, mis sageli lõpevad ka edukalt. Näiteks, korduv-kasutatava kosmosesüstiku loomine vajas kosmosesüstikut tema lennul atmosfääri tihedates õhukihtides kõrgete temperatuuride eest kaitsvaid kõrgtemperatuurseid materjale. Nende keraamiliste materjalide loomine võimaldas
7 luua kosmosesüstiku USA-s, samal ajal kui kadunud NSVL ei olnud võimeline korduvkasutusega kandjat looma.
Otsingud uute materjalide loomiseks toimuvad pidevalt kõikidel elualadel. Näiteks, uute efektiivsemate reaktiivmootorite loomine lennukitele nõuab materjale, mis võimaldaksid kasutada kõrgemaid põlemistemperatuure. Kosmosetehnika vajab pidevalt uusi üha suurema tugevus/kaal suhtega materjale. Keemiatööstus vajab suurema korrosioonikindlusega materjale. Elektroonikatööstus vajab materjale, mis töötaksid kõrgematel temperatuuridel, omaksid kõrget radiatsioonikindlust ja võimaldaksid luua üha suurema kiirusega töötavaid pooljuhtseadiseid. Insenerid, ükskõik mis alal nad töötavad, peavad omama mõningaid fundamentaalseid ja rakenduslikke teadmisi materjalidest, millega nad hakkavad tulevikus töötama. Antud kursus püüabki teha sissejuhatuse materjalide struktuuri, omaduste ja tehnoloogiate vahelistesse seaduspärasustesse ja näidata meid ümbritsevate vanade ja uute materjalide võimalike kasutusalasid.
1.2. Materjaliteadus ja materjalitehnoloogia. Püüame nüüd defineerida materjaliteaduse ja materjalitehnika mõiste.
Materjaliteadus on materjali struktuuri ja omaduste vaheliste seaduspärasuste uurimine ja väljaselgitamine. Materjalitehnoloogia seevastu seab enda ülesandeks nende materjaliteaduslikest uuringutest tulenevate struktuur-omadus seaduspärasuste alusel materjalide omaduste kujundamise, et saada etteantud omadustega materjale.
Seega toimub materjalide tehnoloogias olemasolevate baas- ja rakendusteadmiste alusel uute antud konkreetse produkti valmistamiseks vajalike omadustega materjalide loomine. Materjalitehnika sisaldab endas nii materjaliteaduse kui ka materjalide tehnoloogia . Materjaliteaduse, materjalitehnika ja materjalitehnoloogia vahelised suhted on kujundatud joonisel 1-3. Jooniselt on näha, et materjaliteadus sisaldab endast materjalide kohta käivad fundamentaalsed seaduspärasused, materjalide tehnoloogia aga rakenduslikud seaduspärasused. Materjalitehnikat võib kujutada kõikide materjali käsitlevate seaduspärasuste kogumina. Joonisel 1-3 esitatud ringdiagrammil on kolme erineva kihina kujutatud baasained ( matemaatika , füüsika, keemia), materjaliteadus ja rakenduslikud teadused ja erinevad materjalide tehnoloogiad. Baasteadused on antud sisemise ringina, tehnoloogilised õppeained (teadused) aga välisringina. Rakendusteadused kujutavad sellel diagrammil vahepealseid ringe . Materjaliteadus, sisaldab endas materjalidega seotud baasteadused ja on aluseks (sillaks) tehnoloogilistele õppeainetele.
Järgnevalt püüame defineerida ühe materjaliteaduse õpetamisel väga tähtsa mõiste - materjali struktuur. Materjali struktuur annab osakeste sisemise paigutuse materjalis . Materjalide struktuur sub-aatomtasandil käsitleb elektrone individuaalsetes aatomites ja nende koosmõju aatomi tuumaga . Struktuur aatomtasemel esitab aatomite ja molekulide paigutust materjalis tulenevalt nende omavahelisest koosmõjust. Järgnev aste - materjali mikroskoopiline struktuur - käsitleb suurte aatomite gruppide omavahelisest koosmõjust tulenevat organiseeritust materjalis. Nimetus "mikroskoopiline" näitab, et seda organiseeritust on võimalus jälgida juba mikroskoopiliste meetoditega. Lõpuks tuleb materjali struktuur, mida on võimalik jälgida palja silmaga, nn. makroskoopiline struktuur.
8 Materjali struktuuri iga tasand määrab ära materjali mingi spetsiifilise omaduse selle materjali omaduste kompleksis (joonis).
Materjali omadus on defineeritav kui tema vastumõju mingi välisparameetri muutusele. Sõltuvalt selle vastumõju spetsiifikast leiavad materjalid kasutamist erinevates tehnikavaldkondades. Materjalide omadustest on tähtsamad nende mehhaanilised, elektrilised, termilised , magnetilised, optilised omadused ja materjali vastupidavus keskkonna mõjule. Materjali mehhaanilised omadused ilmnevad kui rakendada materjalile mehhaanilist mõju ( survet , väänet ...), elektrilised omadused ilmnevad aga kui paigutame materjali elektrivälja. Nende mõjude resuldaadiks on vastavalt mehhaanilise mõju puhul materjali tugevus ja elastsusmoodul ja materjali elektrijuhtivus ja dielektriline konstant materjali paigutamisele elektrivälja. Analoogselt on magnetomadused materjali vastumõjuks välisele magnetväljale, optilised omadused ( peegeldus - ja neeldumiskoefitsiendid, murdumisnäitaja ja läige) on aga vastumõju elektromagneetilise kiirguse langemisele materjalile.
Lõpuks püüame vastata veelkord küsimusele, milleks on vaja seda materjalidega seotud kursust . Praktikas on alati vaja valida tuhandete võimalike hulgast konkreetne antud produkti valmistamiseks sobivaim materjal. Selle valiku hõlbustamiseks leiavad kasutamist mitmed kriteeriumid, sellised nagu kasutada olevad tehnoloogilised võimalused, töökeskkond ja ökonoomilised faktorid. Ükski materjal ei ole tavaliselt optimaalne (parim) nende kõigi parameetrite suhtes ja valiku tulemuseks on kompromiss . Mida paremini valikut teev insener või teadlane tunneb materjale iseloomustavaid struktuur-omadus seaduspärasusi ja samuti ka erinevaid tehnoloogiaid materjalide töötlemiseks, seda parem on lahendus.
1.3. Materjalide klassifikatsioon. Teeme eelnevalt ühe piirangu antud kursuses käsitlemist leidvate materjalide mõistes. Antud kursuses leiavad käsitlemist vaid tahked materjalid, mitte aga gaasid ja vedelikud. Antud kitsendus on iseloomulik enamikele materjaliteaduse kursustele ja õpikutele ja võimaldab kursuses kompaktsemat materjali käsitlust.
Põhilised materjaligrupid, mis leiavad käsitlemist on metallilised , keraamilised , polümeersed, komposiitsed ja pooljuhtmaterjalid (joonis 1-2). Antud jaotus ei põhine mitte ainult nendesse erinevatesse klassidesse kuuluvate materjalide keemilisel sidemel ja aatomstruktuuril (1, 2, 3) vaid sisaldab eristamise alusena ka mingile materjaliklassile omaseid unikaalseid omadusi ­ näiteks pooljuhtmaterjalide elektrilised omadused. Järgnevalt iseloomustame lühidalt ülaltoodud erinevatest klassidest materjale.
1.3.1. Metallid Metallid on anorgaanilised ained, mis koosnevad ühest või mitmest metallilisest elemendist ja võivad täiendavalt sisaldada ka mittemetallilisi elemente (hapnik, süsinik, lämmastik). Tuntumad metallid on raud, vask, alumiinium , nikkel ja titaan .
Metallidele on omane kristallstruktuur, kus metalli aatomid on paigutunud korrapäraselt. Metallidele on samuti iseloomulik suur arv vabu elektrone s.t. elektrone, mis ei ole seotud mingi konkreetse aatomiga. Vastavalt sellele on metallid väga head soojus - ja elektrijuhid.
9 Paljud metallid omavad suurt kõvadust toatemperatuuril ja mõned neist säilitavad selle ka kõrgetel temperatuuridel. Metallid ei ole nähtavas valguses läbipaistvad ja nende poleeritud pind omab peegelläike.
Metallid ja nende sulamid jagatakse tavaliselt kahte klassi: rauda sisaldavad ja värvilised metallid ja sulamid. Rauda sisaldavad sulamid on terased ja malmid . Levinenumad värvilised metallid ja sulamid on alumiinium, vask, tsink , pronks ja messing . Metallid on laialdaselt kasutatavad materjalid tänapäeval nii tööstuses kui ka igapäevases elus. Nad võivad töötada kõrgetel temperatuuridel (> 2 000°C), kõrgetel rõhkudel ja väga agressiivsetes keskkondades . Tänapäeva tendentsideks on kasutatavate metallide üha kõrgem kvaliteet ja metallide järkjärguline väljatõrjumine polümeeride ja komposiitide poolt.
1.3.2. Keraamika Keraamilised materjalid on anorgaanilised ühendid, mis koosnevad mingist metallist ja mittemetallist. Keraamilisteks materjalideks on metallide oksiidid, nitriidid või karbiidid. Keraamilisi materjale iseloomustab nende suur kõvadus ja temperatuurikindlus ning püsivus agressiivsetes keskkondades, madal elektri- ja soojusjuhtivus. Keraamilised materjalid on tavaliselt haprad . Keraamiliste materjalide hulka kuuluvad ka klaas, tsement ja savi. Keraamilised materjalid on väga perspektiivsed kõrge kütuse kasutamise effektiivsusega kõrgetel temperatuuridel töötavate automootorite loomiseks. Keraamiliste mootorite täiendatavateks eelisteks on nende kõrge tugevus, väike kaal, hea sooja ja kulumiskindlus. Antud hetkel on loodud praktiliselt täiskeraamilise mootorid , mille ainukeseks puuduseks on vaid nende kõrge hind. Keraamilisi materjale kasutatakse kõrgetel temperatuuridel töötavates seadmetes soojust isoleerivate materjalidena, kosmoselaevade soojaisolatsioonis.
1.3.3. Komposiidid Komposiitmaterjalid koosnevad kahest või rohkem erinevast materjalist: täiteaine(te)st ja maatriks e. põhiainest. Komposiitmaterjalide komponendid on tavaliselt üksteises lahustamatud ja neid võib komposiitidest identifitseerida läbi nende piirpinna. Komposiitmaterjalid on kujundatud nii, et nad resultaadina omavad mõlema komponendi parimad omadused. Näitena fiiberklaas, mis kujutab endast materjali, kus klaaskiud on paigutatud polümeersesse maatriks-materjali. Saadud komposiit omab klaasi tugevuse ja polümeeridele omase painduvuse . Komposiite võib olla erinevat tüüpi täiteainetaga. Tähtsamad täiteaine tüübid on kiudjad ja pulbrilised täiteained. Tööstuses hetkel leiavad laialdasemat kasutust fiiberklaasmaterjalid, süsinikepoksiidmaterjalid ( lennukiehitus 1.10) ja klaastäidisega poliprenüleensulfiidid.
1.3.4. Polümeermaterjalid Polümeermaterjalid koosnevad pikkadest süsinikahelatest ja sisaldavad täiendavalt teisi mittemetallilisi elemente ( vesinik , lämmastik ja hapnik). Enamik polümeermaterjale on struktuurselt mittekristallilised, kuid nad võivad sisaldada struktureeritud osasid. Polümeermaterjalid on tavaliselt halvad elektrijuhid, nad on väikese tihedusega, sageli väga hea painduvusega kuid tänu madalatele termilise lagunemise temperatuuridele on nende töötemperatuuride piirkond kitsas .
10 1.3.5. Pooljuhtmaterjalid Pooljuhtmaterjalid ei ole materjalide põhitüüp ei enda toodangu mahult ega ka kristallstruktuurilt, kuid nad on saavutanud oma erilise koha materjalide nomeklatuuris tänu enda mitmetele unikaalsetele omadustele. Elektriliselt omadustelt on pooljuhtmaterjalid vahepealsed elektrijuhtidele ja isolaatoritele. Pooljuhtmaterjale iseloomustab suur parameetrite tundlikkus väga väikeste lisandi sisalduste suhtes (10 -6 % ja väiksem). Seetöttu pooljuhtmaterjale valmistatakse ja kasutatakse väga kõrge puhtusastmega (10 -9 % lisandeid) materjalidena. Tähtsaim pool-juhtmaterjal on räni - Si. Teiste levinenud pooljuhtmaterjalidena võib tuua Ge, SiC, GaAs, InP, CdS, ZnS jne. Pooljuhtmaterjalide areng on teinud võimalikuks mikroelektroonika ja arvutustehnika tänapäevase buumi. Tänapäeva lauaarvuti protsessorid sisaldavad ligi 10 000 000 elementi üksikelemendi mõõtmetega Kusjuures viimase 30 aasta jooksul on aktiivelementide arv pooljuhtintegraalskeemides kahekordistunud iga 18 kuuga ja protsessorite töökindlus suureneb üha kiirenevas tempos (joon. 1.9).
1.4. Tendentsid materjalide kasutamises. Materjalide konkurents materjaliturul. Materjalid võistlevad üksteisega koha pärast materjaliturul. Teatud ajavahemike järgi ilmnevad mingid faktorid, mis teevad võimalikuks ühe materjali asendamise materjaliturul teisega (joonised 1.6 -1.8). Üheks selliseks faktoriks võib olla materjali hind. Kui mingi tehnoloogilise täiustuse tulemusena materjali hind langeb, siis see materjal tavaliselt laiendab enda positsioone materjaliturul. Samal ajal nõuavad teatud väljatöötlused materjale, mille hind võib olla tunduvalt kallim kui tavalistel materjalidel. Et nende väljatöötluste realiseerimine on võimalik vaid nende kallite materjalide baasil, siis hinna faktor kaotab oma prevaleeriva tähtsuse ja valitsevaks saab materjali vastavus esitatavatele nõuetele.
Teiseks faktoriks, mis võib viia ühe materjali välja tõrjumiseni teise poolt, on uute materjalide loomine, mille omaduste kompleks vastab enam valmistatavale tootele esitatavatele nõuetele Joonis. Ülaltoodu viib pidevatele muutustele erinevate materjalide tootmises (kasutamise määras). Joonisel 1.7 on esitatud graafiliselt 7 põhimaterjali tootmismahtude dünaamika eelmisel sajandil USA-s. Alates 1930 aastast on tõusnud tugevalt vaid Al ja polümeeride tootmise maht, samal ajal kui ülejäänud materjalide toodang on teinud läbi vaid minimaalseid muutusi.
1.5. Tulevikutendentsid materjalitööstuses Vaatamata viimasel ajal toimunud ülisuurele progressile materjaliteaduses ja tehnoloogias on veel küllalt võimalusi üha uute ja rohkem spetsialiseeritud materjalide loomiseks.
Tänapäeva maailmas on suureks probleemiks energia tootmine. Taastamatute energiaallikate ( nafta , gaas, kivisüsi) varude piiratus koos üha suurenevate keskkonnakaitse probleemidega on teinud vajalikuks välja töötada uued tehnoloogiad energia tootmiseks. Päikeseenergia otsene muundamine elektrienergiaks võiks olla keskkonnasõbralikuks alternatiiviks, kuid materjalid,