Transcript IMPM-14-09

Olomuodot ja
olomuodonmuutokset
Ilmiömallinnus prosessimetallurgiassa
Syksy 2014
Teema 9 - Luento 1
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tavoite
• Kerrata olomuotoihin ja niiden muutoksiin
liittyvät käsitteet
• Tutustua kiinteän ja sulan materiaalin
rakenteisiin
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sisältö
•
•
•
•
Olomuodot
Olomuodon muutokset
Kiinteät materiaalit ja niiden rakenne
Sulat materiaalit ja niiden rakenne
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Olomuodot ja niiden muutokset
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Materiaalit
Prosessitekniikka
Prosessimetallurgia
Valmistus
Aineen
karakterisointi
Rakenne
Materiaalitekniikka
Ominaisuudet
Käyttäytyminen
Sovelluskohteet
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Mitä tarkoitetaan materiaalin
rakenteella?
• Yksittäisen atomin rakenne
• Atomien muodostamien molekyylien
rakenne
• Atomien/molekyylien muodostamien hilojen
rakenne
• Mikroskooppinen kiderakenne (Rakeet)
• Makroskooppinen faasirakenne
• Erilaiset rakenneratkaisut
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Mitä tarkoitetaan materiaalin
rakenteella?
• Rakenne on aineen järjestäytymistä
• Entropia pyrkii sekoittamaan aineet, mutta
aineiden väliset vuorovaikutukset saavat
aikaan järjestystä
• Atomien järjestäytymistä suhteessa toisiinsa
määräävät niiden väliset sidokset
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Atomien väliset sidokset
• Primääriset sidokset
– Ionisidos
– Kovalenttinen sidos
– Metallisidos
• Sekundäärisidokset
– Molekyylisidos l. van der Waalsin sidos
– Vetysidos
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Aineen järjestäytyminen
• Kiinteillä aineilla on korkein järjestäytymisaste,
kaasuilla pienin
– Ideaalikaasuilla ei ole lainkaan järjestystä
– Kiinteiden aineiden järjestäytyminen lähestyy
täydellistä, kun T  0 K (Entropia  0, TDIII)
– Korkeammissakin lämpötiloissa kiinteillä aineilla on
sekä kauko- että lähijärjestys
•
Komponentit eivät kulje toistensa ohi
– Sulien rakenne on huonoiten tunnettu: Lähijärjestystä
esiintyy usein, mutta kaukojärjestys puuttuu
•
Komponentit voivat liikkua toistensa ohi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kiinteiden aineiden rakenne
• Kiteiset aineet omaavat selkeän
hilarakenteen
– Esim. metallit, mineraalit
• Amorfisten aineiden rakenne vastaa sulan
rakennetta
– ’Erittäin korkean viskositeetin omaava sula’
– Saadaan aikaan erittäin nopealla
jäähdytyksellä (aine ei ehdi kiteytyä)
– Esim. lasi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kiteisten aineiden rakenne
• Säännöllisiä ja toistuvia
• Voidaan kuvata yksikkö- tai alkeiskoppien
avulla
• Monet ominaisuudet (esim. liukoisuus)
riippuvat hilarakenteesta
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Alkeiskopit
• Avaruushilan 8 (tai joissain tapauksissa
12) toisiaan lähinnä olevan pisteen
rajoittama kappale, jonka avulla kuvataan
hilan rakennetta
• Seitsemän mahdollista alkeiskoppia
• Metallit omaavat yleensä joko kuutiollisen
tai heksagonisen rakenteen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Alkeiskopit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Atomien asettuminen
alkeiskoppeihin
– Primitiivisessä eli yksinkertaisessa (engl. simple)
rakenteessa atomit ovat vain alkeiskopin nurkissa
– Tilakeskisessä (engl. body-centered) rakenteessa
on yksi atomi alkeiskopin keskellä nurkissa olevien
atomien lisäksi
– Pintakeskisessä (engl. face-centered) rakenteessa
on atomi sivutahkojen keskipisteissä nurkissa
olevien atomien lisäksi
– Päätepintakeskisessä (engl. base-centered)
rakenteessa on atomi vastakkaisten sivutahkojen
keskipisteissä nurkissa olevien atomien lisäksi
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Mahdolliset kidejärjestelmät
Päätepintakeskeinen
Alkeiskoppi
Yksinkertainen
Trikliininen
X
Monokliininen
X
X
Rombinen
X
X
Heksagoninen
Tilakeskinen
Pintakeskinen
X
X
X
Romboedrinen
X
Tetragoninen
X
X
Kuutiollinen
X
X
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
X
Pintakeskinen kuutiollinen
rakenne, pkk/fcc
• Tyhjää tilaa 26 %
• Suurimman yhtenäisen
tilan halkaisija on 41 %
atomin halkaisijasta
• Esim. austeniitti eli -Fe
• engl. face-centered cubic
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Tilakeskinen kuutiollinen
rakenne, tkk/bcc
• Tyhjää tilaa 32 %
• Suurimman yhtenäisen
tilan halkaisija on 28 %
atomin halkaisijasta
• Esim. ferriitti eli -Fe
• engl. body-centered cubic
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Heksagonaalinen tiivispakkauksellinen
rakenne, htp/hcp
• Esim. sinkki
• engl. hexagonal close-packed
kcal/mol
G Gibbs Energy
0
-1
-2
Zn(FCC)
-3
-4
-5
Zn(HCP)
-6
-7
-8
-9
-10
-11
-12
-13
-14
-15
0
File:
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
100
200
300
400
500
600
700
800
Temperature
°C
Teräs
• Käytetyimpiä konstruktiomateriaaleja
• Teräs on metalli, jossa on rautaa enemmän
kuin muita yksittäisiä alkuaineita, ja jonka
hiilipitoisuus on alle 2,1 %
• Ominaisuuksia parannetaan seostamalla,
lämpökäsittelyillä, kylmämuokkauksella
• Käyttöolosuhteet ja rakenteelle asetettavat
vaatimukset määräävät millaisia
ominaisuuksia teräkseltä vaaditaan
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Hilavakio raudan/teräksen eri
kiderakenteilla
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kiteisten aineiden rakenteessa
esiintyvät virheet
• Täydellinen rakenne on termodynaamisesti
mahdoton
• Kaikki rakenteet sisältävät aina virheitä
• Pistemäiset hilavirheet
– Vakanssi, välisija-atomi, seos- tai epäpuhtausatomi
• Viivamaiset hilavirheet
– Dislokaatiot
• Kaksiulotteiset hilavirheet
– Pinousviat, kaksoset, pinnat ja raerajat
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Yhdisteiden epästökiömetria
• Puhtaassa yhdisteessä eri alkuaineita
esiintyy tietyssä suhteessa (esim. Al2O3)
• Joissain yhdisteissä esiintyy vajausta joko
kationi- tai anionihilassa
• Poikkeamaa kemiallisen yhdistekaavan
määräämästä koostumuksesta kutsutaan
epästökiömetriaksi
• Esim. wüstiitti ei ole FeO vaan olosuhteista
riippuen jotain Fe0,95O:n ja Fe0,85O:n väliltä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Yhdisteiden epästökiömetria
• Monet epäorgaaniset yhdisteet ovat
epästökiömetrisiä ja niitä kutsutaan
puolijohteiksi
– Ionien helpottunut liikkuvuus vajaasta hilasta johtuen
• Vajaus kationihilassa: p-tyypin puolijohde
• Vajaus anionihilassa: n-tyypin puolijohde
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
p-tyypin puolijohteet
• Vajaus kationihilassa: Men-xO
– x kuvaa epästökiömetrian ’suuruutta’
• Esim. CoO, FeO, NiO, Cu2O, MnO, FeS, Cu2S
 Co1-xO, Fe1-xO, Ni1-xO, Cu2-xO, Mn1-xO,
Fe1-xS, Cu2-xS
• Kationien liikkuvuus helppoa
• Aineensiirto tapahtuu kationiaukkojen
välityksellä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
n-tyypin puolijohteet
• Vajaus anionihilassa: MeOn-x
– x kuvaa epästökiömetrian ’suuruutta’
• Esim. ZrO2 ja ZnO
 ZrO2-x ja ZnO1-x
• Anionien liikkuvuus helppoa
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Stökiömetriset happimäärät:
Fe2O3:
30,06 p-%
Fe3O4:
27,64 p-%
FeO:
22,27 p-%
Raudan oksidit
• Hematiitti, Fe2O3
–
–
–
–
-Fe2O3 yleisempi
-Fe2O3 harvinaisempi
n-tyypin puolijohde: Fe2O3-x
Hyvin puhdas (x < 0,01)
• Magnetiitti, Fe3O4
–
–
–
–
FeO Fe2O3
Spinellirakenne
p-tyypin puolijohde: Fe3-xO4
Hyvin puhdas
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
• Wüstiitti, FeO
– p-tyypin puolijohde: Fe1-xO
– Suuri epästökiömetria
Keraamiset materiaalit
• Vanhimpia konstruktioita
• Epäorgaanisia epämetallisia yhdisteitä metallien oksideja, karbideja, nitridejä
• Etuna hyvä rakenteellinen ja kemiallinen
stabiilisuus myös korkeissa lämpötiloissa
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Keraamiset materiaalit
• Lasit
• Lasikeraamit
• Perinteinen keramiikka
– Savitavara, posliini
• Erikoiskeraamit
• Sementti ja betoni
• Kivet ja mineraalit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulien aineiden ’hilarakenne’
• Kiinteiden aineiden tapaan myös sulien
aineiden ominaisuudet määräytyvät
rakenteen pohjalta
• Sulilla aineilla ei ole kiinteiden aineiden
tapaan kaukojärjestystä, mutta lähijärjestys
voi olla hilamainen tai muuten järjestäytynyt
• Komponenttien vapaammasta liikkeestä
huolimatta sulilla aineillakin on selkeästi sitä
rajaava pinta
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kaukojärjestys puuttuu Lähijärjestystä esiintyy
• Esimerkkinä
silikaattiset kuonat,
joiden pohjana on
SiO2 (tai SiO44-)
Kiinteä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sula
Sulat ovat seoksia
• Sulat ovat yleensä seoksia,
eivät yhdisteitä
• Laajempi stabiilisuusalue
koostumuksen funktiona
• Koostumuksen muuttaminen
ei välittömästi johda uusien
faasien erkautumiseen
• Esim. ’fayaliitti’ vs.
’fayaliittinen sula’
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
’Fayaliittinen sula’ =
Seos, jolla ei ole
vakiokoostumusta
Fayaliitti =
Mineraali, jolla on
vakiokoostumus
Sulien seosluonne
• Koska sulan koostumus ei seoksena ole
sidottu vain yhteen koostumukseen, voi
sulassa esiintyä pitoisuusgradientteja
• Vastaavasti lämpötila- ym. gradientit
• Gradientit pyrkivät tasoittumaan siirtoilmiöitä
kuvaavien lakien (Fourier, Fick, jne.)
mukaisesti
• Gradientin muoto määräytyy siirtoilmiöiden
ja muiden ilmiöiden (esim. reaktiot)
suhteellisista nopeuksista
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Gradientit
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulan pinta
• Pinnalla olevat atomit ovat
energeettisesti eri tilassa
kuin sulan sisällä olevat
• Pintaan on sitoutuneena
energiaa
• Pisarakoon pienentyessä
pintaan sidotun energian
osuus suhteessa bulkin
energiaan kasvaa
– Aineen ominaisuudet muuttuvat
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulan pintaominaisuudet
• Pintaenergia
– Minimointipyrkimys
• Merkittävässä roolissa
pienillä pisaroilla (Paljon
pintaa suhteessa tilavuuteen)
– Rajapintakerros, jossa
ominaisuudet poikkeavat
bulkkifaasin ominaisuuksista
• Paksuus on noin 1-10 nm
(karkeasti 5-50
atomietäisyyttä)
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
• Pintajännitys
– Voima, jolla on suunta
(vektorisuure)
• Rajapintajännitys ja
rajapintaenergia
– Kahden faasin rajalla
esiintyvä voima
– esim. ilma-vesi systeemin
rajapintajännitys = veden
pintajännitys
Sulan pintaominaisuudet
• Pinta-aktiiviset aineet
– Konsentroituvat
pinnoille, koska se on
energeettisesti
edullisempaa
Eri komponenttien osuudet pinnalla
ja bulkkifaasissa teräksessä.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulan pintaominaisuudet
• Pinta-aktiivisuus on seurausta
pintaan sitoutuneen energian
pienenemisestä
• Taustalla yleinen pyrkimys
energiaminimiin
• Näkyy pintajännityksen
alenemisena, kun pintaaktiivisen aineen pitoisuus
kasvaa
Teräksen pintajännitys eri
seosainelisäyksillä.
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulien rakenteen määrittäminen
• Sulan rakenteen määrittäminen suoraan
(esim. mikroskopia) on vaikeampaa kuin
kiintoaineilla
• Rakenteesta saadaan kuitenkin välillisesti
tietoa sulan ominaisuuksien kautta, koska
sulilla(kin) aineilla ominaisuudet
määräytyvät rakenteen pohjalta
• Määritetään ominaisuuksia ja päätellään,
millainen rakenne toteuttaisi mitatut
ominaisuudet
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulan ominaisuuksien ja
rakenteen väliset yhteydet
• Reaktiivisuus  Kemialliset vuorovaikutukset 
Rakenne
• Viskositeetti  Sisäinen kitka  Fysikaaliset
vuorovaikutukset  Rakenne
• Aineen- ja lämmönsiirto  Siirtomekanismit 
Rakenne
• Sähkönjohtavuus  Sulassa olevat vapaasti liikkuvat
ionit ja elektronit sekä niiden määrä  Rakenne
• Pinta-aktiivisuus  Energian minimointi pinnoilla 
Pinnan rakenne suhteessa bulkin rakenteeseen
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulan ominaisuuksien ja
rakenteen väliset yhteydet
• Esimerkkejä mainittu teeman 8 luennoilla 2
ja 3, joissa käsiteltiin kuonien kemiallisia ja
fysikaalisia ominaisuuksia
– Kuonien viskositeetin, sähkönjohtavuuden, jne.
riippuvuus kuonien rakenteesta
•
•
Hapan kuona, jossa verkkorakenne
Emäksinen kuona, jossa paljon vapaasti liikkuvia
ioneja
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Metallurgisissa prosesseissa
esiintyviä sulafaaseja
•
•
•
•
•
Metallisulat
Kuonasulat
Sulfidisulat (ns. kivifaasit)
Suolasulat
Vesipohjaiset liuokset
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Metallisulat
• Pyrometallurgisissa valmistusprosesseissa
metallit esiintyvät jossain vaiheessa sulina
• Suuri lämmön- ja sähkönjohtavuus
• Tiheys ja pintajännitys suurempi kuin
kuonilla tai vedellä
• Viskositeetti pienempi kuin kuonilla, mutta
hieman korkeampi kuin vedellä
• Liuottavat sulina kaasuja, joten suojattava
atmosfääriltä
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Kuonasulat
• Esiintyvät ’kaikissa’ pyrometallurgisissa prosesseissa
• Koostuvat ioneista (usein silikaattipohjaisia)
• Tiheys pienempi kuin metalleilla, mutta suurempi kuin
vedellä
• Pintajännitys pienempi kuin metalleilla
• Sähkönjohtavuus selkeästi pienempi kuin metalleilla
• Viskositeetti korkea ja voimakkaasti riippuvainen
kuonan koostumuksesta
• Vrt. teema 8
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Sulfidisulat (’kivet’)
• Esiintyvät sulfidisista raakaaineista valmistettavien
metallien (Cu, Ni, Zn)
pyrometallurgisissa
valmistusprosesseissa
• Tiheys suurempi kuin
kuonilla
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Suolasulat
• Sulaneita metallisuoloja
– Kloridit, bromidit, jodidit, jne.
• Esiintyvät sähköä hyödyntävissä
korkealämpötilaprosesseissa
– Esim. suolasulaelektrolyysi
– Valmistettaessa metalleja, joiden raaka-aineella
on erittäin korkea sulamispiste
•
Esim. Al2O3  Al, MgO  Mg, jne.
• Sähkönjohtavuus suurempi kuin oksidisilla
kuonasulilla tai sulfidisilla kivisulilla
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014
Vesipohjaiset liuokset
hydrometallurgiassa
• Happojen, emästen, suolojen, jne.
vesiliuoksia
– Yleisimmät rikkihappo ja typpihappo
• Käytössä hydrometallurgisissa prosesseissa
liuottimena
• Ominaisuudet riippuvat voimakkaasti
– seoksen koostumuksesta (komponentit, määrät)
– olosuhteista (T, ERedox, pH, jne.)
• Äärimmäisen epäideaalisia
• Vrt. teema 4
Prosessimetallurgian tutkimusryhmä
Eetu-Pekka Heikkinen, 2014