MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

Vize sınavı

Vize sınavı soru #1

Vize sınavı soru #1 Kayma kırılması; tek kristalli sünek malzemelerde görülür. Çok kristalli malzemelerde görülmez! tamamen sünek kırılma (kopma): çok sünek malzemeler kırılma hattında kesitleri tek bir noktaya azalıncaya kadar neredeyse %100 kesit daralması göstererek kırılırlar. Çok kristalli malzemelerde görülür. Yumuşak metallerde, polimerlerde, inorganik camlarda oda sıcaklığında, diğer metallerde yüksek sıcaklıklarda görülür.

Vize sınavı soru #1 cup-cone kırılması önce sınırlı miktarda boyun verme yaşanır. boyun verme başladığında kesit içinde küçük boşluklar, mikro gözenekler oluşur. Deformasyon devam ederken bu boşluklar büyür, bir araya gelerek uzun ekseni yükleme eksenine dik eliptik bir çatlağa yol açarlar. Bu çatlak boşlukların birleşmesi ile yükleme eksenine dik yönde büyümeye devam eder. Nihayet, çatlağın yükleme eksenine 45 derecede kayma deformasyonu altında süratle büyümesi ile kırılma yaşanır. Çok kristalli malzemelerde tipik kırılmadır.

Vize sınavı soru #1 Gevrek kırılma fazla bir plastik deformasyon yaşanmadan ve süratli çatlak ilerlemesi ile gerçekleşir. Çatlak ilerleme yönü tecrübe edilen çekme gerilmesinin yönüne hemen hemen diktir ve bu nedenle kırılma yüzeyi neredeyse dümdüzdür. Gevrek kırılma hiçbir uyarıda bulunmadan aniden ve tamamen gerçekleşir. Çoğunlukla HMK ve HCP metallerde görülür. taneler arası kırılma çatlak tane sınırlarını takip eder. Tane sınırları empürite segregasyonu ile gevrekleşmiş veya tane içlerine göre zayıflamış olduğunda yaşanır.

Vize sınavı soru #2 Çatlak kontrolü için kullanılan tahribatsız muayene tekniğinin çözünürlüğü 2 mm ise, akma mukavemeti 495 MPa, Kıc değeri 24 MPa m olan 7075-T651 alüminyum alaşımlı uçak kanat parçasında müsaade edilecek en yüksek çekme gerilme akma dayanımının % kaçıdır? Y:1.35! Çatlak muayenesi tahribatsız olarak yapıldığına göre konu çatlak bir merkez çatlaktır (2a). Yüzey çatlağı gözle de fark edilir. (Sağlıklı bir gözün ayırt etme kapasitesi 0.2mm) K IC = Y (.a) 1/2 = K IC / Y (.a) 1/2 = 24x10 6 Pa m / 1.35 (3.14 x 0.001m) 1/2 = 317 MPa 317/495 = %64

Vize sınavı soru #3 Yanda SEM görüntüsünde kırılma yüzeyi görülen yorulma çatlağı kararlıistikrarlı büyüdüğü bu bölgede 1000 çevrimden sonra ne kadar uzamıştır? 2 çatlak çizgisi (striation) arası 0.5 m; bir çevrimde katedilen mesafe: 0.5 m 1000 çevrimde çatlak ilerleme mesafesi = 1000 x 0.5 m = 500 m

Vize sınavı soru #4 YMK demir dışı bir alaşımından 6mm çapında silindirik bir çubuk tersinir çekme-basma yüklemeli yorulmaya tabi tutulmaktadır. Maksimum çekme ve basma yükleri 12000 N ve -6000 N ise, yorulma ömrünü bulun. Gerilme genliği = gerilme aralığı/2 = 18000 N/2( r 2 mm 2 ) = 9000 N/(3.14x0.003 2 mm 2 ) = 318 MPa Yorulma ömrü: 13000 çevrim

Vize sınavı soru #5 a) Metallerin sürünme direncini arttırmak için başvurabilecek 3 yöntem yazın. b) Nikel, bakır, demir, tungsten, kurşun ve alüminyum için sürünme hasarının dikkate alınmasını gerektiren sıcaklıklar yaklaşık olarak nedir? c) yüksek sıcaklıkta çalışacak alaşımlarda ne tür özellikler ararız? a: 1.yönlü katılaştırma: tane yapısını yükleme ekseninde tane sınır miktarını en aza indirecek şekilde yönlendirmek; 2. tek kristal elde etmek 3. mikroyapıda dislokasyon kilitleme kapasitesine sahip ikincil fazlar oluşacak şekilde bileşim kontrolü b: Al-264 C/Fe-614 C/Ni-581 C/Cu-433 C/Pb-131 C/W-1369 C c: yüksek ergime noktası / yüksek elastik modül / büyük tane çapı

Vize sınavı soru #6a Alüminyumda 180 C de 62 MPa ve 55 MPa gerilme seviyelerinde ölçülen sürünme hızları sırası ile 0.0066 st -1 ve 0.0025 st -1 dir. 180 C de 59 MPa gerilme seviyesinde sürünme hızı ne olur?. s = K 1 n 0.0066 = K.62 n 2.64 = 62 n / 55 n n=8.1 0.0025 = K.55 n ln2.64=n.ln62 n.ln55 K=2.10-17 σ = 59 MPa için:. s = K 1 n : 2.10-17 (59) 8.1 = 0.0044 st -1

Uzama (%) Vize sınavı soru #6b Alüminyum alaşımlı bir malzemeye sıcaklık değiştirilerek 100 ve 200 C de (soldaki), gerilme seviyesi değiştirilerek 45 ve 50 MPa da (ortada), tane çapı değiştirilerek 100 m ve 200 m da (sağda) sürünme testi uygulanmış, deney sonuçları aşağıdaki gibi grafiklendirilmiştir. 200 C ve 200 m tane boyutu için kopma sürelerini, 45 MPa da sürünme hızını belirleyin. 25 T değişken; ve d sabit! değişken; T ve d sabit! d değişken; T ve sabit! 20 15 10 5 0 0 100 200 300 400 500 600 Süre (st) 0 100 200 300 400 500 600 Süre (st) 0 100 200 300 400 500 600 Süre (st) 200 C de kopma süresi 320 st 45 MPa da sürünme hızı = 0.05/430 st = 1.2 x 10-4 st -1 200 m tane boyutunda, kopma süresi 450 st

Vize sınavı soru #7 a. Magnezyum (a) HCl (b) içinde çözünmüş oksijen bulunan HCl çözeltisi içine daldırıldığında oluşacak oksidasyon ve redüksiyon reaksiyonları b. Korozyon reaksiyonları için standart hücre potansiyelini hesaplayın. c. Magnezyum hangisinde korozyona daha hızlı uğrar. Neden? a,b) Mg (s) Mg2+ (aq) +2e- 2.363 2H + (aq) +2e- H 2 (g) 0 Mg (s) + 2H + Mg2+ (aq) + H 2 (g) 2.363 V Mg (s) Mg2+ (aq) +2e- 2.363 1/2O 2(g) +2H + (aq) +2e- H 2 O (l ) (½)1.229 2Mg (s) +O 2(g) +4H + (aq) 2Mg2+ (aq) +2H 2 O (l) 2.978 V c) içinde çözünmüş oksijen bulunan HCl çözeltisi içinde! Potansiyel farkı ve reaksiyonun itici gücü daha büyük olduğu için

Vize sınavı soru #8 a. Deniz suyu içinde birleştirilen aşağıdaki metal çiftleri için korozyon olasılığını yazın! Korozyon olacaksa, çiftlerden hangi metal/alaşım korozyona uğrar? Ni-Mg : Korozyon olur; Mg Zn-Düşük karbon çeliği: Korozyon olur; Zn Ti-Monel: Korozyon olur; Monel Dökme demir-bakır: Korozyon olur; DD b. Galvanik seriye göre 304 paslanmaz çeliğini aktif iken galvanik olarak koruyacak 2 metal/alaşım yazın. Çinko ve magnezyum Galvanik seri Platin altın Grafit Titanyum gümüş 316 paslanmaz çelik (pasif) Nikel (pasif) Monel (70Ni 30Cu) bakır nikel alloys Bronz (Cu Sn alaşımı) bakır pirinç (Cu Zn alaşımı) Inconel (aktif) Nikel (aktif) kalay kurşun 316 paslanmaz çelik (aktif) 304 paslanmaz çelik (aktif) Dökme demir Düşük karbon çeliği Alüminyum alaşımları Kadmiyum Ticari saf alüminyum çinko Magnezyum ve alaşımları

Vize sınavı soru #8 c. 304 paslanmaz çeliği (aktif)/mg galvanik çiftinde hangisinin yüzey alanı daha büyük olmalıdır? Magnezyum d.galvanizli sacın montajında kullanacağınız vidalar bakırdan mı yoksa alüminyumdan mı imal edilmeli? Alüminyum Galvanik seri Platin altın Grafit Titanyum gümüş 316 paslanmaz çelik (pasif) Nikel (pasif) Monel (70Ni 30Cu) bakır nikel alloys Bronz (Cu Sn alaşımı) bakır pirinç (Cu Zn alaşımı) Inconel (aktif) Nikel (aktif) kalay kurşun 316 paslanmaz çelik (aktif) 304 paslanmaz çelik (aktif) Dökme demir Düşük karbon çeliği Alüminyum alaşımları Kadmiyum Ticari saf alüminyum çinko Magnezyum ve alaşımları

Vize sınavı soru #9 Çinkonun (yoğunluk= 7.14 g/cm 3 ) korozyonla ağırlık kaybının 21.4 g/m 2.yıl olduğu atmosfer koşullarında 10 yıl kullanılacak çelik sacın galvaniz kalınlığı ne kadar olmalıdır? 21.4g/m 2 21.4g W.yıl = CPR = KW A t 87.6 (21400 mg) (7.14 g/cm 3 )(10000cm 2 )(8760 st) 1m 2.1yıl = = 0.003 mm/yıl 10 yıl için: 10 x 0.003 mm = 0.03 mm = 30 m A t

Vize sınavı soru #10 a: aralık korozyonu çözeltinin hareketsizliğine yol açmayacak şekilde iyi bir tasarım /perçinlenmiş yerine kaynakla birleştirilmiş levhaların kullanılması /aralıkta biriken kir-pasın sık sık temizlenmesi b: taneler arası korozyon Hassas hale gelmiş metal tüm Cr-karbürlerin tekrar çözeltiye alınabileceği yüksek sıcaklık tavı / karbür oluşması olasılığını en aza indirmek için C kontrolü (< ağ% 0.03 altında tutmak) / Paslanmaz çelikte karbür yapma potansiyeli Cr dan daha yüksek olan Nb veya Ti gibi alaşım elementlerine yer vererek Cr karbür oluşmasını önlemek, Cr un çözeltide kalmasını sağlamak.

Vize sınavı soru #10 d: galvanik korozyon galvanik seride birbirine daha yakın olanları seçmek / mümkün olduğunda daha geniş bir anot yüzeyi kullanmak / elektriksel olarak yalıtım c: erozyon korozyon sıvı akışında türbülansı ve yüzeye çarpma bölgelerini önleyecek şekilde tasarım / Sıvı içinde taşınan katı partikülleri ve gaz kabarcıklarını yok etmek / malzemeyi aşınma direnci yüksek seçmek

Vize sınavı soru #10 e: homojen korozyon korozyona dayanıklı, pasifleşen metal ve alaşımları seçmek; ortamın korozifliğini azaltmak f: oyuklanma korozyonu ortamdaki Cl- iyon miktarının kontrolü / inhibitor kullanımı / yüzey parlatma

Elektriksel özellikler

Ohm kanunu Malzemelerin en önemli özelliklerinden biri elektrik akımını iletme becerileridir. Elektrik akımı (birim zamanda geçen elektrik yükü) ile uygulanan gerilim arasındaki ilişki Ohm Kanunu ile ifade edilir: V=IR V: gerilim (volt, V) I: akım (amper, A) R: direnç (ohm, ) Burada R gerilim uygulanan parçanın direncidir. Akımdan bağımsızdır ve numune şeklinden etkilenir.

Elektrik direnci Elektrik direnci,, numune şeklinden bağımsızdır. R ile aşağıdaki gibi ilişkilendirilir: l: voltajın ölçüldüğü noktalar arasındaki uzaklık (m) A: akım yönüne dik kesit alanı (m 2 ) : elektrik direnci (.m) Ohm kanunu (V=IR) ile birlikte; Uzunluk, l Kesit alanı A

Elektrik iletkenliği Bir malzemenin elektriksel karakterini tarif etmek için bazen elektrik iletkenliği kullanılır. Elektrik iletkenliği bir malzemenin elektrik akımını iletme becerisini temsil eder. Elektrik iletkenliği ( ) elektrik direncinin ( ) tersidir: 1 = (.m) -1 (rom: reciprocal ohm metre)

Elektrik iletkenliği Katı malzemelerin elektrik iletkenliği çok geniş bir aralıkta değişir. Bu aralık 10 27 genişliğindedir. İletkenler Metaller iyi iletkendirler ve elektrik iletkenlikleri 10 7 (.m) -1 seviyelerindedir. Yarı iletkenler İletkenliği aralarda, 10-6 ile 10 4 (.m) -1 arasında olan malzemelere yarı iletkenler diyoruz. Yalıtkanlar Diğer uçta ise iletkenliği çok düşük, 10-10 ile 10-20 (.m) -1 arasında değişen yalıtkanlar vardır.

İletkenlik-karşılaştırma (.m) -1 Bakır 6.0x10 7 metaller iletken gümüş 6.8x10 7 demir 1.0x10 7 Silisyum 4.0x10-4 IVA elementleri germanyum 2.0x10 0 III-V GaAs 1.0x10-6 bileşikleri Yarı-iletken beton 10-9 seramikler Cam 10-10 -10-11 Al 2 O 3 <10-13 polistren <10-14 polimerler polietilen 10-15 -10-17 yalıtkan

Elektronik ve iyonik iletkenlik Elektrik akımı: elektrik yüklü parçacıkların hareketidir. Pozitif yüklü parçacıklar uygulanan elektrik alanı yönünde, negatif yüklü parçacıklar ters yönde ilerler. katı maddelerde, elektrik akımı elektronların hareketi ile: elektronik iletim İyonik malzemelerde ise elektrik akımı iyonların hareketi ile: iyonik iletkenlik

Katılarda enerji bant yapıları iletken, yarı iletken ve yalıtkan malzemelerde sadece elektronik iletkenlik mevcuttur. Elektrik iletkenliğinin büyüklüğü, iletim prosesine katılan elektronların sayısına bağlıdır. Ancak bir atomdaki elektronların tamamı elektrik alanı uygulandığında harekete geçemez. Elektriksel iletime katılacak elektronların sayısı elektron seviyelerinin elektronlarca ne şekilde doldurulduklarına bağlıdır. malzemenin iletkenlik özelliğini Valens kabuğu belirler.

İletken Malzemeler Örneğin Bakır atomu (Cu) n=4 kabuk sayısından ötürü, 2n 2 formülüne göre 32 e- kapasitesine sahip valens yörüngesinde sadece 1 e- a sahiptir. Bu tek elektron kolayca serbest kalır ve bu onu iyi bir iletken yapar. en dış yörüngede az sayıda e- varsa, bu elektronların çekirdeğe bağı zayıf olur. 29: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1 Kapasite: 32 e- Mevcut: 1 e- Çekirdek + 1 e-

enerji enerji Katılarda enerji bant yapıları Atomlar birbirine denge uzaklığında iken enerji bant yapısının şematik gösterilişi Enerji bandı Enerji bant aralığı Enerji bandı Valens bandı elektron bulunan en yüksek enerji seviyeleri İletim bandı boş en düşük enerji seviyeleri Atomlar arası mesafe Atomlar arası denge mesafesi

Katılarda enerji bant yapısı 0 K de 4 değişik bant yapısı görülür. E g 2 ev 2 ev > E g İletken (Cu) iletken (Mg) yalıtkan yarı iletken

iletkenlerde enerji bant yapısı Bakır gibi metallerde: ayni bant içinde dolu konumların üstünde ve onlara bitişik boş elektron konumları bulunur. elektronlar boş komşu enerji seviyelerine ısıl titreşimlerle kolayca sıçrayabilirler. boş enerji bandı aralık E f kısmi dolu valens bandı dolu enerji bandı

iletkenlerde enerji bant yapısı Mg gibi bazı metallerde, boş ve dolu bantlar birbirleri üstüne geçmiştir. Her bir Mg atomunda 2 adet 3s elektronu vardır. Ancak bu atomlar bir araya geldiğinde 3s ve 3p bantları birbirleri üstüne çakışır. E f Enerji boş enerji bandı dolu valens bandı dolu bant

enerji metaller Metallerde elektron hareketlendirmesinden önce ve sonra elektron seviyelerinin durumu Boş enerji seviyeleri dolu enerji seviyeleri E f E f e- sıçraması

metaller Bir elektronun serbest olması için, Fermi enerjisi üstündeki boş bir enerji seviyesine hareketlendirilmesi gerekir. Metallerde, en yüksek dolu enerji seviyesine (Ef) bitişik boş seviyelere elektronları taşımak için çok düşük miktarlarda enerji yeterlidir. Sadece Fermi enerjisinden daha büyük enerjiye sahip elektronlar bir elektrik alanında harekete geçebilirler. İletim işine katılan bu elektronlara serbest elektronlar denir.

Elektron hareketliliği bir elektrik alanı uygulandığında, elektrik akımı sabit bir değere kadar artar ve sonra sabit kalır. Buradan, elektronların hızlanmasını dengeleyen bir sürtünme kuvveti olduğunu anlarız! Bu sürtünme kuvveti kristal yapısındaki hataların, yabancı atomların, boşlukların, arayer atomlarının, dislokasyonların ve hatta atomların kendi titreşimlerinin elektronları saçılmaya uğratmasından kaynaklanır.

Metallerin elektrik direnci Yapısal hatalar direnci arttırır! tane sınırları dislokasyonlar empüriteler gözenekler Direnç sıcaklık empürite miktarı soğuk işlem ile artar. elektronları saçılıma uğratarak kat ettikleri yolu uzatırlar. elektrik alanı net e- hareketi +

Sürüklenme hızı Saçılma olayı elektrik akımına direnç yaratır. Bu saçılmayı tarif etmek için 2 parametreden yararlanılır: Sürüklenme hızı elektron hareketliliği ( e ) Sürüklenme hızı- v d uygulanan alanın etkisi ile ortalama elektron hareket hızı; Elektrik alanına (E ) doğrudan bağlıdır. d = e E

Elektron hareketliliği Buradaki orantı katsayısı ( e ) elektron hareketliliği olarak adlandırılır ve saçılma olaylarının frekansını temsil eder; birimi m 2 /V.s elektrik iletkenliği, = n e e n: birim hacimdeki serbest, iletken e- ların sayısı e : elektronun elektrik yükü (1.6x10-19 C). Elektrik iletkenliği = f(serbest elektron sayısı ve elektron hareketliliği)

Metallerin elektrik iletkenliği Metallerin çoğu mükemmel elektrik iletkenidirler. metal Elektrik iletkenliği (.m) -1 gümüş 6.8 x 10 7 bakır 6.0 x 10 7 Altın 4.3 x 10 7 Alüminyum 3.8 x 10 7 Pirinç (70Cu-30Zn) 1.6 x 10 7 Demir 1.0 x 10 7 Platin 0.9 x 10 7 Düz karbon çeliği 0.6 x 10 7 Paslanmaz çelik 0.2 x 10 7

Matthiessen kuralı Bir metalin toplam direnci, esasen birbirlerinden bağımsız hareket eden ısıl titreşimler, yabancı atomlar, plastik deformasyon vb saçılma merkezlerinin katkılarının toplamına eşittir: toplam = t + i + d Matthiessen kuralı t : termal titreşimlerden direnç katkısı (sıcaklık) i : yabancı atomlardan direnç katkısı (bileşim) d : deformasyondan direnç katkısı (proses)

Elektrik direnci (10-8.m) Metallerin elektrik direnci Cu + 3.32 at% Ni Cu + 3.32 at% Ni deforme Cu + 1.12 at% Ni Bakır ve Cu-Ni alaşımları için elektrik direncisıcaklık-bileşimdeformasyon ilişkisi i Saf Cu t Sıcaklık ( C)

Ticari alaşımların elektriksel özellikleri Bakır elektriksel özellikleri sayesinde en çok kullanılan iletkendir. Oksijensiz-yüksek iletkenlik bakırında oksijen ve diğer empüritelerin miktarı çok hassas sınırlar içinde kontrol edilir: OFHC kalite! Bu malzeme elektrik iletkenliğinin kritik olduğu uygulamalar için çok popülerdir. Alüminyum bakırın yarısı kadar iletken olmasına karşın hafif ve paslanmaz olması sebebiyle cazip bir seçenektir.

Ticari alaşımların elektriksel özellikleri Gümüş hem bakırdan hem alüminyumdan daha iyi bir iletken olmasına karşın maliyet dezavantajı nedeniyle kullanımı sınırlıdır. Kimi zaman bir alaşımın iletkenliğine zarar vermeden mukavemetini arttırmak gerekir. Hem katı eriyik hem de deformasyon sertleşmesi mukavemeti arttırırken iletkenliği düşürür. Mukavemeti arttırmak için iletkenliğe zarar vermeyen ikinci bir fazdan yararlanılır.

Ticari alaşımların elektriksel özellikleri Mesela Cu-Be alaşımları çökelti sertleşmesinden yararlanırlar. bu durumda bile iletkenlik yüksek saflıktaki bakıra göre 5 kat azalır. Fırın ısıtma elemanları gibi kimi uygulamalarda yüksek direnç gereklidir. Saçılıma uğrayan elektronların kaybettiği enerji ısı enerjisine dönüşür. Bu gibi malzemeler sadece yüksek elektrik direnci değil, ayni zamanda yüksek sıcaklıklarda oksitlenme direncine ve yüksek bir ergime noktasına da sahip olmalıdır. Bir Ni-Cr alaşımı olan ısıtma direnç elemanlarında tercih edilen bir malzemedir.

Sıvı İletkenler Civa

Sıvı İletkenler Su: Saf su elektrik akımı iletmez, yalıtkandır. İletken hale getirmek için içerisine asit veya metal tuzları konur. Su, akümülatör, pil elektrolitlerinin hazırlanmasında kullanılır.

Yarı iletkenler

Yarıiletkenlerde enerji bant yapısı Yarı iletkenlerde dolu valens bantlarına bitişik boş enerji seviyeleri bulunmaz. dolu valens bandı boş iletkenlik bandından belli bir aralıkla (<2 ev) ayrılır E f Enerji boş enerji bandı bant aralığı (<2 ev) dolu valens bandı dolu bant

Yarı iletkenler Dış enerji ile iletken bandına hareketlendirilen elektronların sayısı enerji bant aralığının büyüklüğüne ve sıcaklığa bağlıdır. Belli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı ne kadar büyük ise, bir valens elektronunun iletim bandı içinde bir enerji seviyesine atlaması olasılığı o kadar düşüktür. Bu durumda serbest elektronların sayısı az olacaktır. Belirli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı büyük olan bir malzemede iletkenlik de düşük olur.

Yarı iletkenler İletim bandı valens bandı Enerji bant aralığı Serbest elektronlar boşluklar İletkenlik iletkenlik

Yarı iletkenler Yarı iletkenlerdeki bağ yapısı kovalent ve dolayısı ile nispeten zayıftır. Valens elektronları atomlara çok sıkı bağlı değildir. yarı iletkenlerde enerji bant aralığı yalıtkanlara göre daha küçüktür. Isı enerjisi girişi ile bu elektronlar yalıtkanlarda olduğundan çok daha kolay bir şekilde iletken bandına geçebilir, malzeme iletkenlik kazanabilir.

Yarıiletkenler Yarı iletkenler periyodik cetvelde 3. ile 5. gruba aittirler. İletkenlik bakımından iletkenler ile yalıtkanlar arasında yer alırlar. Normal halde yalıtkandırlar. Ancak ısı, ışık ve manyetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valens elektronu serbest kalır, yani iletkenlik özelliği kazanır. Bu şekilde iletkenlik özelliği kazanması geçici olup, dış etki kalkınca elektronlar tekrar kendi atomlarına dönerler.

Yarı iletkenlik bu malzemelerin, onları özellikle faydalı ve kullanışlı kılan elektriksel özellikleri vardır. elektrik iletkenlikleri çok düşük seviyelerdeki empüritlerin varlığına çok hassastır.

Yarı iletkenler içsel yarı iletkenler dışsal yarı iletkenler n tipi dışsal yarı iletkenler p tipi dışsal yarı iletkenler

Yarı iletkenlik içsel yarı iletkenlerin elektrik özellikleri ve davranışı saf malzemenin sahip olduğu elektronik yapı tarafından belirlenir. Elektriksel özellikler yabancı atomlar tarafından belirlendiğinde bu yarı iletkenlere dışsal yarı iletkenler denir.

Valens bandı enerji İletim bandı Yarı iletkenler bir elektronun valens bandından iletken bandına hareketlendirilmesinden sonra valens bandında boşluk oluşur. +Isı/Işık manyetik/ elektrik alan Bant aralığı E f e- sıçraması E f Valens bandında boşluk

Elektronlar ve boşluklar İletim bandı Enerji bant aralığı valens bandı Elektron: negatif yük Boşluk: eşit, pozitif yük Hızları farklı! Sürüklenme hızı Serbest elektronlar boşluklar

Elektronlar ve boşluklar Silisyum gibi katkısız-saf bir yarıiletken içerisinde uyarılmış bazı elektronlar, bant değiştirerek iletim bandına girerler ve böylece akım oluştururlar. Silisyum içerisindeki bir elektron bant aralığını aşıp iletim bandına geçtiğinde geride (valens bandında) bir boşluk bırakır. içsel yarı iletkenlerde iletkenlik bandına hareketlendirilen her bir e ile kovalen bağlardan birinde ve valens bandında bir e eksilir.

elektrik yük taşıyıcılar Elektronlar: iletkenler / yarı iletkenler / yalıtkanlar Boşluklar: Sadece yarı iletkenler / yalıtkanlar boşluk enerjisi Fermi enerjisinden daha küçüktür. Elektrik iletkenliği serbest elektron ve boşlukların sayısına bağlıdır. Elektrik alanı uygulandığında serbest elektronlar negatif yükleri nedeniyle alana ters yönde hareketlenirler.

boşluk kavramı Bir elektrik alanı etkisi altında, kristal yapıdaki bu boşluk eksik bağı tamamlamak için diğer valens e larının hareketi ile hareket ettiğini düşünebileceğimiz bir iletkenlik unsurudur. Bu durumda bu boşluğu pozitif yüklü bir parçacık gibi düşünebiliriz. Boşluk bir e ile ayni fakat ters işaretli elektrik yüküne sahiptir (1.6x10-19 C).

Elektronlar ve boşluklar Harici bir voltaj etkisi altında malzeme içerisinde elektronlar ve boşluklar zıt yönlerde hareket eder. n-tipi yarıiletkende katkı maddesi ekstra elektron sağlayarak iletkenliği artırır. p-tipi yarıiletkende ise katkı maddesi ekstra boşluklar oluşturarak iletkenliği artırır. yarı iletkenlerde hem e hem de boşluklar kafes hataları tarafından saçılıma uğrarlar.

Elektron ve boşluk hareketi ile elektrik iletimi İçsel yarı iletkenlik valens elektronu Si atomu Elektron- boşluk çiftinin oluşması Elektron- boşluk çifti hareketi + + Elektrik alan yok Elektrik alanı var Elektrik alanı var

Yarı iletkenlerde iletkenlik yarı iletkenlerde hem serbest elektronlar hem de boşluklar elektrik yükü taşır. Elektrik iletkenliği (.m) -1 : n e e p e # boşluk/m 3 Boşluk hareketliliği # elektron/m 3 (m 2 /V.s) Elektron hareketliliği (m 2 /V.s) Yarı iletkenler için h nin büyüklüğü her zaman e den küçüktür. h IeI=1.6x10-19 C

İçsel ve dışsal iletim içsel: # elektron = # boşluk (n = p) saf silis dışsal: n p matris atomlarından (mesela silis) farklı sayıda valens elektronu bulunan empüriteler ilave edildiğinde ortaya çıkar.

İçsel yarı iletkenler Saf katkısız yarı iletkenler Grup IVA elementleri; örnek: silisyum & germanyum Bileşik yarı iletkenler Bunlar IIIA ve VA gruplarından elementler arasında oluşur. III-V bileşikleri; örnek: GaAs & InSb IIB ve VIA grup elementlerinin oluşturduğu bileşikler de yarı iletken davranış gösterirler: II-VI bileşikleri; örnek: CdS & ZnTe

içsel yarı iletkenler (katkısız) Bu yarı iletkenler, 0 K de iletkenlik bandından nispeten küçük bir aralık (genellikle <2 ev) ile ayrı tamamen dolu bir valens bandından oluşan elektronik yapıya sahiptirler. Saf yarı iletken malzemeler Si & Ge da bant aralıkları sırası ile 1.1 ve 0.7 ev dir. Bu bileşikleri oluşturan elementler periyodik çizelgede birbirlerinden uzaklaştıkça (elektronegatiflikleri daha farklılaştıkça) atomik bağ daha iyonik hale gelir ve bant aralığı genişler-malzeme daha yalıtkan hale gelir.

İçsel iletkenlik = n e e + p e e içsel yarı iletkenlerde iletkenlik bandına hareketlenen her elektron valens bandında bir boşluk bırakır. İçsel yarı iletkenler için n = p =n i = n i e ( e + n ) n i : içsel yarı iletkende yük taşıyıcı sayısı

dışsal yarı iletkenlik Ticari yarı iletkenlerin tamamı dışsal karakterlidir. Elektriksel davranışları empüriteler tarafından belirlenir. Bu empüriteler çok az miktarlarda bulunduklarında bile etkilidirler. 10 12 atoma 1 atom empürite düştüğünde bile Silisyum oda sıcaklığında dışsal hale geçmektedir.

n-tipi dışsal yarıiletkenlik VA grubundan elementler (P, As, Sb) silise yer alan empüritesi olarak ilave edildiğinde Komşu atomlarla sadece 4 adet bağ olabileceği için bu 5 valens elektronundan sadece 4 tanesi bağlanabilir. 1 elektron serbest kalır. 4 + 4 + 4 + 4 + iletken e- Valens e- Si atomu fosfor atomu 4 + 4 + 5 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 +

n-tipi dışsal yarıiletkenlik Dış alan uygulanırsa bir elektron akışı meydana gelir. 4 + 4 + 4 + 4 + n >> p 4 + 5 + 4 + 4 + + n e e 4 + 4 + 4 + 4 + Elektrik alanı var!

n-tipi dışsal yarı iletkenlik Ekstra elektron empürite atomu etrafında bölgeye elektrostatik çekimle zayıf olarak bağlıdır. Bu elektronun bağ enerjisi oldukça düşüktür (0.01 ev kadar); bu nedenle empürite atomundan kolayca kopartılabilir ve serbest, iletken elektron durumuna geçer.

n-tipi dışsal yarı iletkenlik Zayıf bağlı her bir elektron için iletkenlik bandının hemen altında, aralık içinde tek bir enerji seviyesi bulunur. Bu elektronu empürite seviyelerinden birinden iletken bandındaki seviyelerden birine hareketlendirmek için gerekli enerji elektron bağlanma enerjisini temsil eder. Her bir uyarma olayı iletkenlik bandına bir elektron kazandırır. Bu tür empüritelere donör denir. Her bir donör elektronu empürite seviyesinden hareketlendirildiği için valens bandında boşluk oluşmaz.

Valens bandı enerji İletim bandı n-tipi dışsal yarı iletkenlik iletken bandın hemen altında Donör empürite seviyesinden İletkenlik bandına elektron hareketlenmesi Serbest elektron Bant aralığı, Eg donör seviyesi e- sıçraması E f E f

n-tipi dışsal yarı iletkenlik n-tipi yarı iletkenler için Fermi seviyesi bant aralığında yukarı doğru yer değiştirmiştir. Tam yeri, sıcaklığa ve donör konsantrasyonuna bağlıdır. Oda sıcaklığındaki ısıl enerji donör seviyelerinden çok sayıda elektronu hareketlendirmek için yeterlidir; ayrıca, bazı içsel valens-iletken bant geçişleri gerçekleşir fakat bunlar ihmal edilebilir düzeydedir.

n-tipi dışsal yarı iletkenlik Elektronlar yoğunluk ve sayıları itibarı ile esas taşıyıcıdırlar; boşluklar ise ikinci planda, azınlık taşıyıcıdırlar. iletkenlik bandındaki elektronların sayısı valens bandındaki boşlukların sayısını fazlası ile geçer (n >> p), dolayısı ile iletkenlik ifadesinde boşlukların katkısı göz ardı edilebilir.

n-tipi Yarıiletkenler n-tipi yarıiletkenlerde, e-vererek pozitif yüklenen katkı atomlarına Donör İyon denir. çoğunluk taşıyıcılar elektronlardır. Donör iyon + + + + + + Esas taşıyıcı + + + + + + azınlık taşıyıcı yapı içinde az miktarda boşluklar da bulunabilir. n-tipi malzeme içerisinde boşluklara azınlık taşıyıcıları denir.

p-tipi dışsal yarı iletkenlik Si ve Ge a IIIA grubundan Al, B ve Ga gibi elementlerin ilave edildiği durumda tam ters bir etki gerçekleşir. Bu atomların her biri etrafındaki kovalent bağlardan birinde bir adet e- eksiktir. Böyle bir eksiklik empürite atomuna zayıfça bağlı bir boşluk olarak düşünülebilir. Komşu bir bağdan e- transferi ile bu boşluk empürite atomundan ayrılabilir. Bir anlamda e- ve boşluk yer değiştirmiş olurlar. Hareket eden bir boşluk uyarılmış kabul edilir ve hareketlendirilmiş bir donör e- nu gibi iletkenliğe katkı yapar.

p-tipi dışsal yarıiletkenlik 3 valens elektronlu B atomu silise ilave edildiğinde komşu Si atomundan 1 elektron alır ve aralarında kovalent bağ oluşur. 1 elektron kaybeden Si atomunda bir elektron boşluğu oluşur. p >> n boşluk Valens e- Si atomu Bor atomu 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 + 3 + 4 + 4 + 4 + 4 + 4 +

p-tipi dışsal yarıiletkenlik Dış alan uygulanırsa bir boşluk akışı meydana gelir. 4 + 4 + 4 + 4 + p >> n 4 + 3 + 4 + 4 + + 4 + 4 + 4 + 4 + Elektrik alanı var!

P-Tipi Yarıiletkenler Germanyuma (Ge; 4e-) Indium (ln; 3e-) ilave edilirse, In atomu komşu Ge atomundan 1 elektron alır ve aralarında kovalent bağ oluşur. 1 elektron kaybeden Germanyum atomunda bir elektron boşluğu oluşur.

p-tipi dışsal yarı iletkenlik empürite atomu bant aralığında valens bandının hemen üstünde bir enerji seviyesi oluşturur. Bir elektron ısıl uyarılma ile valens bandından empürite seviyesine hareketlendiğinde valens bandında bir boşluk oluşur. Böyle bir geçişle sadece bir tek yük taşıyıcısı oluşur: valens bandında bir boşluk. ne empürite seviyesinde ne de iletken bandında serbest bir elektron oluşmaz. Böyle bir empüriteye, valens bandından geride bir boşluk bırakarak elektron kabul ettiği için alıcı denir.

Valens bandı enerji İletim bandı p-tipi dışsal yarı iletkenlik Elektron bant aralığında valens bandının hemen üstünde Alıcı empürite seviyesine hareketlenince valens bandında geride boşluk bırakır. Bant aralığı, Eg Alıcı enerji seviyesi e- sıçraması E f E f Valens bandında boşluk

P-Tipi Yarıiletkenin Meydana Gelişi P-tipi yarıiletken yapıda, elektron alan katkılama atomlarına Alıcı İyonları denir. P-tipi maddelerde çoğunluk akım taşıyıcısı boşluklardır. + + + + alıcı iyon + + + + + + + + + + + + + + + + + azınlık taşıyıcı Aynı zamanda bu yapı içerisinde az da olsa serbest elektron bulunur. Bunlara da azınlık taşıyıcıları adı verilir.

p-tipi dışsal yarı iletkenlik P tipi dışsal yarı iletkenlikte boşlukların sayısı serbest elektronlardan çok daha fazladır (p >>n). Elektrik iletiminden esasen pozitif yüklü parçacıklar (boşluklar) sorumlu olduğu için bu malzemelere p-tipi denir. Boşluklar esas yük taşıyıcısı, serbest elektronlar ise azınlıktır. Bu durumda serbest elektronların katkısı ihmal edilebilir:

p-tipi dışsal yarı iletkenlik P-tipi yarı iletkenlerde Fermi seviyesi bant aralığı içinde ve alıcı empürite seviyesine yakın bir konumdadır. Hem n- hem de p-tipi dışsal yarı iletkenler çok yüksek saflıkta olan malzemelerden (empürite içeriği 10-7 at% seviyelerinde) üretilirler. Daha sonra kontrollü miktarlarda donör veya alıcı empüriteler eklenir. Bu alaşımlamaya doping denir.

doplama dışsal yarı iletkenlerde oda sıcaklığında var olan ısıl enerji ile çok sayıda yük taşıyıcısı oluşur (empürite türüne bağlı olarak elektron veya boşluklar). Sonuçta dışsal yarı iletkenlerde yüksek bir oda sıcaklığı elektrik iletkenliği elde edilir. Bu malzemelerin çoğu çevre koşullarında elektronik cihazlarda kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

Yarı iletkenler malzeme Bant aralığı (ev) Elektrik iletkenliği ( m) -1 elementel e- hareketliliği m 2 /Vs Boşluk hareketliliği m 2 /Vs Si 1.11 4x10-4 0.14 0.05 Ge 0.67 2.2 0.38 0.18 III-V bileşikleri GaP 2.25-0.03 0.015 GaAs 1.42 10-6 0.85 0.04 InSb 0.17 2x10 4 7.7 0.07 II-VI bileşikleri CdS 2.40-0.03 - ZnTe 2.26-0.03 0.01

Yarıiletkenler Elektronikte yararlanılan yarı iletkenler ve kullanılma yerleri Adı Germanyum (Ge) (Basit) Silisyum (Si) (Basit) Selenyum (Se) (Basit) Kullanım Yeri Diyot, transistör, entegre devre Diyot, transistör, entegre devre Diyot Bakır oksit (kuproksit) (CuO) (Bileşik) Diyot Galyum Arsenik (Ga As) (Bileşik) Indiyum Fosfor (In P) (Bileşik) Kurşun Sülfür (Pb S) (Bileşik) Tünel diyot, laser, fotodiyot, led Diyot, transistör Güneş pili (Fotosel)

Yarı iletken cihazlar Yarı iletkenlerin benzersiz özelliklerinden belirli elektronik fonksiyonların elde edilmesinde yararlanılır. Eski usül vakum tüplerinin yerini alan diyod ve tranzistörler bu uygulamalara örnektir. Yarı iletken cihazların (bazen katı-hal cihazları da denir!) avantajlarını, küçük boyut, düşük güç tüketimi, ısınma süresine gerek olmayışı şeklinde sıralayabiliriz.

Yarı iletken cihazlar Küçük bir silisyum çipi üzerine sayısız elektronik fonksiyon gerçekleştirebilen çok sayıda çok küçük devre sığdırılabilir. Minyatür devreleri mümkün kılan yarı iletken cihazların keşfi, son yıllarda elektronik sektöründe görülen baş döndürücü gelişmenin mimarıdır.

p-n tip redresör tek yönde elektron akışına izin verir. (alternatif akımı doğru akıma çevirmekte faydalı!) Bir ucu B diğer ucu P ile Voltaj yok:net akım yok doplanmış tek parça yarı + p-type + + - n-type - iletken malzeme + - - Düz alan: p-tipte boşluk, n-tipte elektron akışı: boşluk ve elektronlar arayüzeyde birleşiyor ve akım geçiyor. elektron + boşluk enerji Ters alan: boşluk ve elektronlar arayüzeyden uzaklaşır. Bağlantıda yük taşıyıcı kalmaz ve çok az akım geçer. + p-type + + + + + + + + + + + - - - n-type - - p-type n-type + - - - - - -

yalıtkanlar

Yalıtkanlar yalıtkan malzemelerde atomlar arası bağ ya iyonik ya da kuvvetli kovalent bağdır. Dolayısı ile valens elektronları atomlara sıkı sıkı bağlıdır. Serbest kalmaları ve yapıda hareketlenmeleri imkansızdır.

Enerji-Bant Diyagramları iletim bandı Eg 6 ev iletim bandı 2.5>Eg>0.5 ev iletim bandı valens bandı valens bandı valens bandı Yalıtkan Yarı iletken İletken Bant-enerji diyagramları

Yalıtkanlar Yalıtkanlarda, tıpkı yarı iletkenlerde olduğu gibi, dolu valens bantlarına bitişik boş enerji seviyeleri bulunmaz. Elektronların serbest hale geçmeleri için enerji bant aralığını aşarak iletken bandının en altındaki boş seviyelere hareketlendirilmeleri gerekir. Bu ancak bu 2 seviye arasındaki enerji farkı kadar bir enerjinin ( enerji bant aralığı kadar) elektronlara verilmesi ile mümkün olur. Yalıtkanlarda bant aralığı yarı iletkenlerde olduğundan çok daha geniştir.

yalıtkanlarda enerji bant yapısı Yalıtkanlarda dolu valens bandı boş iletkenlik bandından geniş bir aralıkla (>2 ev) ayrılır. Elektronların iletkenlik bandına çıkmaları güçtür. E f Enerji boş enerji bandı bant aralığı (>2 ev) dolu valens bandı dolu bant

Valens bandı enerji İletim bandı Yalıtkanlar bir elektronun valens bandından iletken bandına hareketlendirilmesinden sonra valens bandında boşluk oluşur. Bant aralığı e- sıçraması E f E f Valens bandında boşluk

Yalıtkanlar Isı enerjisi ile iletken bandına hareketlendirilen elektronların sayısı enerji bant aralığının büyüklüğüne ve sıcaklığa bağlıdır. Belli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı ne kadar büyük ise, bir valens elektronunun iletken bandı içinde bir enerji seviyesine atlaması olasılığı o kadar azdır. Bu durumda serbest elektronların sayısı az olacaktır. Belirli bir sıcaklıkta enerji bant aralığı büyük olan bir malzemede iletkenlik de düşük olacaktır.

MMM 2402 MALZEME BİLİMİ yücel birol

işleyeceğimiz konular malzemeler ısıya maruz kaldıklarında nasıl davranırlar? malzemelerin ısıl özelliklerini nasıl tanımlar ve ölçeriz? Isı kapasitesi Isıl genleşme Isıl iletkenlik Isıl şok direnci Seramikler, metaller ve polimerlerin ısıl özellikleri arasındaki farklar nelerdir?

Malzemelerin ısıl özellikleri Özgül ısı Isı iletkenliği Isıl difüzivite Isıl genleşme katsayısı Yüzey ısı transfer katsayısı Hissedilir ve gizli ısı Entalpi

Malzemelerin ısıl özellikleri Silika fiber: yalıtkan malzeme. 1250 C deki fırından alındıktan sadece saniyeler sonra köşelerinden çıplak elle tutulabiliyor. İlk anda yüzeyden ısı transferi son derece hızlı. Fakat malzemenin ısıl iletkenliği çok düşük ve içi akkor sıcak kalıyor.

termostat Termostat: malzemelerin ısıl genleşme özelliğinden yararlanarak sıcaklığı düzenlemeye yarayan bir cihaz. Çift metal şerit Genleşme katsayıları farklı 2 metal birleştirilmiş Bakır demir ayrı birleştirilmiş

termostat malzemelerin ısıl genleşme özelliğinden (ısıyla boyutsal değişiminden) yararlanarak sıcaklığı düzenlemeye yarayan bir cihaz. Bu cihazdaki en önemli parça ısıl genleşme özellikleri farklı 2 metalik şerit birbirlerine yapıştırılarak elde edilen parçadır. Sıcaklık değiştiğinde 2 şeritten biri daha fazla uzadığından şerit parça eğilir. Termostatlarda çift metal şeriti spiral veya sargı şeklinde uygulanarak uzun yapılmak ve böylece bir sıcaklık değişiminin etkisi arttırılmak, işlev daha hassas kılınmak istenir.

termostat Bu sargının sonunda bir civa anahtarı (içinde birkaç damla civa bulunan küçük bir cam tüp) bulunur. şerit ucundaki hareketlenme anahtarı ileri veya geri iter. Sonuçta civa ampül içinde bir uçtan diğerine hareketlenir. Sıcaklık termostatın ayarlanmış sıcaklık değerine erişip, civa uca ulaştığında elektriksel temas sağlanmış ısıtma veya soğutma ünitesi devreye girmiş olacaktır. sınır değere erişildiğinde ve tüp diğer yönde hareketlendiğinde civa diğer uca döner ve elektriksel temas kesilir.

Isı kapasitesi Katı malzemelerin sıcaklıkları, ısıtıldıklarında artar. Bu ısı enerjisinin malzeme tarafından emildiğini gösterir. Isı kapasitesi bir malzemenin çevresinden ısı alma kapasitesini ifade eden bir özelliktir.

Isı kapasitesi Özgül ısı birim kütle için ısı kapasitesini gösterir. Kantitatif olarak: 1 mol malzemenin sıcaklığını 1 birim yükseltmek için gerekli enerji miktarı. Isı kapasitesi (J/mol-K) Enerji tedariği (J/mol) Sıcaklık değişimi (K) ısı kapasitesini ölçmek için 2 yol: C p : sabit basınçta ölçülen ısı kapasitesi. C v : sabit hacimde ölçülen ısı kapasitesi. Genellikle C p > C v ısı kapasitesinin birimi C J mol dq dt K Ancak oda sıcaklığından ve daha düşük sıcaklıklarda bu fark bir çok katı madde için çok küçüktür.

Atomik titreşimler Atomik titreşimler kafes dalgaları veya fononlar şeklindedir. Bir kristal yapıda atomik titreşimler vasıtası ile oluşan kafes dalgaları Atomların normal kafes konumları Titreşimler sonucunda yeni konumları

Titreşimsel ısı kapasitesi Bir çok katı maddede ısı enerjisinin esas sindirilme şekli atomların titreşim enerjilerindeki artış şeklindedir. Katılardaki atomlar çok yüksek frekanslarda ve oldukça küçük genliklerde titreşim halindedir. Bu titreşimler birbirlerinden bağımsız olmaktan ziyade, aralarındaki atomik bağlar sayesinde bağlantılıdır. Bu titreşim koordinasyonu kristal yapıda hareket eden dalgalar oluşur. Bu dalgaları kristal yapıda ses hızında hareket eden elastik dalgalar veya basit olarak kısa dalga boylarında ve çok yüksek frekanslardaki ses dalgaları gibi düşünebiliriz.

Titreşimsel ısı kapasitesi Bir malzemenin titreşimsel ısıl enerjisi dağılımları ve frekansları belirli bir aralıkta değişen bir dizi elastik dalgadan oluşur. Sadece belirli enerji değerleri mümkündür. Tek bir titreşim enerjisi birimine fonon adı verilir: fonon elektromanyetik radyasyon enerjisi birimi fotonun eş değeridir. Elektronik iletim sırasında serbest elektronların ısıl saçılması bu titreşim dalgaları ile olur. Bu elastik dalgalar Isı iletimi ile enerji taşınmasına da katılırlar.

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı Isı kapasitesi 0 K de «0» dır fakat sıcaklık artışı ile süratle artar. Bu durum sıcaklık artışı ile kafes dalgalarının ortalama enerjilerini attırma kabiliyetinin artması ile ortaya çıkar. Düşük sıcaklıklarda Cv ile mutlak sıcaklık, T, arasındaki ilişki: A sıcaklıktan bağımsız bir sabittir.

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı Debye sıcaklığı ( D ) denen sıcaklığın üzerinde C v artış hızını kaybeder ve 3R değerinde (R gaz sabiti) sıcaklıktan bağımsız hale gelir. Dolayısı ile malzemenin toplam enerjisi artan sıcaklıkla artmakla beraber, malzeme sıcaklığını 1 derece arttırmak için gerekli enerji miktarı sabittir. Bir çok katı madde için D değeri oda sıcaklığının altındadır ve oda sıcaklığında C v için 25 J/mol K değeri makul bir tahmini değerdir.

Isı kapasitesinin sıcaklığa bağlılığı 3R ısı kapasitesi, C v R = gaz sabiti = 8.31 J/mol-K D Sıcaklık (K) C v = sabit Isı kapasitesi sıcaklıkla artar. katılar için 3R seviyesinde bir sınıra ulaşır. D : Debye Sıcaklığı genellikle T oda dan daha düşük katıda enerji atomik titreşimler olarak depolanır. sıcaklık arttıkça atomik titreşimlerin ortalama enerjisi artar.

polimer metal seramik Özgül ısı: karşılaştırma increasing c p Artan c p malzeme polipropilen polietilen polistren teflon Magnezya (MgO) cam Alümina (Al 2 O 3 ) alüminyum çelik tungsten altın c p (J/kg-K) T oda 1925 1850 1170 1050 940 840 775 900 486 138 128 C p (ısı kapasitesi): (J/mol-K)

Malzemelerin ısıl özellikleri Cp (J/kg.K) l ( C -1 x 10-6 ) k (W/m.K) alüminyum 900 23.6 247 bakır 386 17.0 398 altın 128 14.2 315 demir 448 11.8 80 nikel 443 13.3 90 gümüş 235 19.7 428 tungsten 138 4.5 178 1025 çeliği 486 12.0 51.9 316 paslanmaz çelik 502 16.0 15.9 Pirinç (70Cu-30Zn) 375 20.0 120 Kovar 460 5.1 17 İnvar 500 1.6 10 Süper invar 500 0.72 10

polimerler seramikler Malzemelerin ısıl özellikleri C p (J/kg.K) l ( C -1 x 10-6 ) k (W/m.K) Alümina(Al 2 O 3 ) 775 7.6 39 Magnezya (MgO) 940 13.5 37.7 Spinel (MgAl 2 O 4 ) 790 7.6 15.0 Fused silika (SiO 2 ) 740 0.4 1.4 Soda camı 840 9.0 1.7 Pyrex camı 850 3.3 1.4 polietilen 1850 106-198 0.46-0.50 polipropilen 1925 145-180 0.12 polistren 1170 90-150 0.13 teflon 1050 126-216 0.25 nylon 1670 144 0.24 poliizopren - 230 0.14

Diğer ısı kapasitesi katkıları Bir malzemenin toplam ısı kapasitesine katkı yapan diğer enerji emme mekanizmaları da vardır. Ancak bu mekanizmalar ısıl titreşimler yanında önemsizdir. Isı kapasitesine Elektronik katkı: Elektronlar kinetik enerjilerini yükselterek enerji emerler. Bu sadece serbest, dolu valens bandı konumlarından Fermi enerjisi üstündeki boş konumlara hareketlendirilen elektronlar için geçerlidir. Metallerde sadece Fermi seviyesine yakın konumlardaki elektronlar bu gibi geçiş hareketlerine yatkındırlar ve bu kabiliyette olanlar toplam elektron sayısının çok az bir oranıdır.

Diğer ısı kapasitesi katkıları Yalıtkan ve yarı iletkenlerde ise bunu becerebilen elektronların oranı daha da azdır. 0 K civarındaki sıcaklıklar dışında bu elektronik katkı ihmal edilebilir seviyelerdedir. Bazı malzemelerde spesifik sıcaklıklarda başka enerji emme prosesleri vardır. Mesela, Ferromanyetik malzemeler Curie sıcaklıklarına ısıtıldıklarında elektron spinleri düzensizleşir. Bu dönüşüm sıcaklığında ısı kapasitesi sıcaklık değişim eğrisinde ani bir yükselme görülür.

Isıl genleşme malzemeler ısıtıldığında uzar ve soğuduğunda büzülür. ısıl genleşme atomlar arasındaki ortalama mesafenin artmasıdır. 0 K derecedeki atomlar arası uzaklık, denge mesafesi, potansiyel enerji çukurunun dibidir. yüksek sıcaklıklara ısıtıldıkça titreşim enerjisi yükselir. Ortalama atom titreşim genliği her bir sıcaklıkta bu eğrinin iki ucu arasındaki mesafe ile, ve ortalama atomlararası uzaklık da ortalaması ile temsil edilir. Ortalama atomlar arası uzaklık sıcaklıkla artar.

Potansiyel enerji atomlar arası mesafe asimetrik eğri: sıcaklık artarken, atomlar arası uzaklık da artar; bu da ısıl genleşmedir. simetrik eğri: sıcaklık artarken, atomlar arası uzaklıkta artış yok. dolayısı ile ısıl genleşme de yok!

Isıl genleşme Isıl genleşme, artan sıcaklıkla atomik titreşimlerin genliğinin artmasından ziyade bu potansiyel enerji eğrisinin asimetrik karakterinden kaynaklanır. Potansiyel enerji eğrisi simetrik olsaydı, ortalama atomlar arası uzaklıkta bir değişiklik ve dolayısı ile ısıl genleşme olmazdı. Her bir malzeme grubu için (metaller, seramikler, polimerler), atom bağ kuvveti arttıkça, bu potansiyel enerji eğrisi daha derin ve daha dar hale gelir. Sonuçta, sıcaklıktaki bir artış ile atomlar arası mesafedeki artış da daha küçük olur ve daha küçük bir genleşme katsayısı değeri ortaya çıkar. Sıcaklık artışı ile ısıl genleşme katsayısının değeri artar.

Isıl genleşme l lineer ısıl genleşme katsayısı, bir malzemenin ısıtıldığında ne kadar uzayacağını temsil eden bir malzeme özelliğidir. Sıcaklık değiştiğinde malzeme boyutları da değişir. ilk son T son > T ilk T ilk T son son ilk ilk ( Tson Tilk ) Isıl genleşmenin lineer katsayısı (1/K veya 1/ºC)

Isıl genleşme ısıtma ve soğutma bir katı malzemenin boyutlarını etkiler ve sonuçta hacim değişikliği de olur. sıcaklıkla hacim değişikliği V ve V 0 : hacimdeki değişim ve ilk hacim v : ısıl genleşmenin hacimsel katsayısı Bir çok malzemede v değeri anizotropiktir; yani ölçümün yapıldığı kristal yönüne bağlıdır. Isıl genleşmenin izotropik olduğu malzemeler için, v 3 l.

seramik metal polimer Isıl genleşme katsayısı-karşılatırma Artan l malzeme polipropilen polietilen polistren teflon Alüminyum altın çelik tungsten Magnezya (MgO) Cam Alümina (Al 2 O 3 ) Silika (kris. SiO 2 ) l (10-6 / C) T oda 145-180 106-198 90-150 126-216 23.6 14.2 12.0 4.5 13.5 9.0 7.6 0.4 zayıf ikincil bağlar sayesinde değerleri büyüktür.

Isıl genleşme: örnek 15 m uzunluğunda bir Bakır tel 40 C den -9 ºC ye soğutulmuştur. Boyu ne kadar değişecektir? Cu için 16.5 x 10 6 ( C) 1 T 0 [16.5 x 10 6 (1/ C)](15 m)[40 C ( 9 C)] 0.012 m 12 mm

Metallerde ısıl genleşme Popüler metaller için lineer ısıl genleşme katsayıları 5.10-6 ile 25.10-6 ( C -1 ) arasında değişir. Bu değerler polimerlerin ve seramiklerinkilerin arasında bir yerdedir. Sıcaklık değişimlerine direnç göstermesi ve boyutsal kararlılığını koruması gereken uygulamalar için düşük ısıl genleşmeli ve kontrollü ısıl genleşmeli malzemeler geliştirilmiştir.

Invar ve diğer düşük genleşmeli alaşımlar Bir demir-nikel alaşımıdır ve oda sıcaklığı ve 230 C arasında çok düşük, yaklaşık «0» seviyesinde bir ısıl genleşme katsayısına sahiptir. Bu alaşım düşük-kontrollü ısıl genleşmeye sahip metalik malzemelerin en önemlisidir. Bileşimi: 64 ağ% Fe 36 ağ% Ni dir. İsmini de bu özelliğinden almaktadır. Oda sıcaklığındaki ısıl genleşme katsayısı: 1.6.10-6 ( C -1 )