Transcript Extentor FunkMat

Kemiska Institutionen
Centrum för Analys och Syntes
2011-05-26
TENTAMEN I FUNKTIONELLA MATERIAL FÖR N2
Börja på ny sida för varje uppgift!
Fullständiga svar, läsligt skrivna, inlämnas i ifyllt tentamensomslag. Markera på omslaget lösta
uppgifter med x och ange antalet inlämnade blad. Skriv namn på varje inlämnat blad.
Full poäng:
100 (10 per uppgift)
Fordringar: För betyget
3 fordras minst
4 fordras minst
5 fordras minst
50 poäng,
65 poäng,
80 poäng.
Tillåtna hjälpmedel: Egna skrivdon och egen räknedosa utan kommunikationsmöjligheter, men
för övrigt endast utdelade papper (formelblad och grundämnenas perodiska system).
---------1. (a) Rita strukturen för en kubiskt tätpackad (ccp) metall respektive en hexagonalt tätpackad
(hcp) metall. Enhetscellen skall utmärkas.
(b) Rita in ett av de tätpackade planen i respektive struktur (enhetscell) och ange Millerindex för
dessa specifika plan.
(c) Ange packningsgraden för de två tätpackningarna.
---------2. (a) Enligt Peierls-Nabarro behövs det lägst skjuvspänning (shear stress) för att förflytta en
dislokation på ett glidplan i en planskara med stort planavstånd och med kort Burgersvektor.
Förklara varför det är så.
(b) Rita i schematiska spänning-töjningsdiagram (stress-strain diagrams), med enheter utsatta,
vad som händer när man utsätter en mjukglödgad (recrystallized) kopparstav för följande
behandling: (i) först belastas staven med en spänning som motsvarar 50% av kopparens
sträckgräns (yield strength) och därefter släpper man belastningen helt, (ii) sen belastar man
staven på nytt med en spänning som ligger mitt emellan sträckgränsen och brottgränsen (tensile
strength), därefter släpper man belastningen helt. Sträckgränsen och brottgränsen skall markeras
i diagrammen.
---------
3. (a) Nämn två tillämpningar inom nanoområdet för elektronledande polymerer.
(b) ReO3 är en kubisk typstruktur med följande atomkoordinater:
Atom A 0,0,0
Atom B 1/2,0,0; 0,1/2,0; 0,0,1/2
Rita upp strukturen (minst 2 x 2 enhetsceller) och rita ut koordinationspolyedrar.
(c) Vilken koordinationspolyeder bildar B runt A?
---------4. (a) Vid framställning av kiseldioxidbaserat glas arbetar man inom olika temperaturintervall.
Ange vilka intervallen är och beskriv tillverkningssteg som utförs inom varje område.
(b) Vilka fysikaliska egenskaper har en keramisk, kopparoxidbaserad supraledare?
---------5. (a) Förklara vad som menas med en hård respektive en mjuk magnet.
(b) Rita hysteresslingan för en hård och en mjuk magnet och sätt ut (i) storheter på axlarna, (ii)
mättnadsmagnetiseringen, och (iii) remanensen.
(c) Beskriv två helt skilda metoder att styra den elektriska ledningsförmågan hos halvledare.
---------6. Stegvis polymerisation (step-growth polymerisation) kan utföras som en självkondensation om
man har en monomer som innehåller båda grupperna som reagerar under polymerisationen.
(a) Rita upp en balanserad reaktionsformel för polymerisation av monomeren 8hydroxioktansyra genom självkondensation.
O
HO
OH
8-hydroxioktansyra
(b) 8-Hydroxioktansyra har polymeriserats till en omsättning av 99.7% för att producera en
polyester. Vad är den förväntade polymerisationsgraden och antalsmedelmolekylvikten hos
produkten?
(c) Molekylvikten hos en polymer (t ex en polyester) ligger typiskt i ett visst
molekylviktsintervall för en given bearbetningsmetod (t ex formsprutning). Förklara den
molekylära bakgrunden till detta.
---------7. Många av våra viktigaste termoplaster tillverkas via radikalpolymerisation.
(a) Nämn fyra karakteristiska egenskaper hos termoplaster.
(b) Under en radikalpolymerisation konsumeras 1.8·10-7 mol styren per liter och sekund.
Samtidigt är termineringshastigheten 1.1·10-10 mol per liter och sekund. Uppskatta
antalsmedelmolekylvikten om termineringen sker via kombinering.
(c) Rita en skiss och beskriv emulsionspolymerisationsprocessen. Vad kallas produkten?
---------8. Amorfa polymerer går igenom olika tillstånd när temperaturen ändras.
(a) Rita ett diagram med modulen som funktion av temperaturen och märk ut de olika tillstånden.
(b) Beskriv rörelsen hos molekylerna i varje tillstånd.
----------
9. Polymersmältors viskositet är skjuvberoende.
(a) Rita ett diagram med en kurva som beskriver logaritmen av viskositeten som funktion av
skjuvhastigheten.
(b) Förklara kurvans utseende ur ett molekylärt perspektiv.
(c) Vid bearbetning i en extruder uppstår stora skjuvkrafter. Beskriv extruderns uppbyggnad och
arbetsprincip.
---------10. I de flesta polymerapplikationer är de mekaniska egenskaperna viktiga.
(a) Beskriv hur töjningshastigheten (mm/min.) påverkar resultatet vid statisk dragprovning av en
seg polymer som polypropen. Rita upp diagram med spänningen som funktion av töjningen.
(b) Beskriv hur ett spänningsrelaxationsförsök går till. Vilken parameter hålls konstant?
(c) Rita upp den principiella molekylära strukturen hos gummi. Gummi drar ihop sig om man
värmer på det under belastning. Förklara varför!
-------TENTAMEN I FUNKTIONELLA MATERIAL FÖR N2
2011-08-22
---------1. (a) Rita strukturen för en kubiskt tätpackad (ccp) metall respektive en rymdcenterad kubisk
(bcc) metall. Enhetscellen skall utmärkas.
(b) Rita in den mest tätpackade planskaran i respektive struktur (enhetscell) och ange
Millerindex för dessa planskaror.
(c) Beskriv koordinationen för en atom i de två strukturerna (ccp och bcc).
---------2. (a) Under vilka omständigheter uppträder utmattningsbrott (fatigue fracture) hos en metall?
(b) Hur ser ett typiskt utmattningsbrott ut?
--------3. Använd fasdiagrammet Al-Mg (Fig. 14-2 i läroboken) för att beskriva olika tänkbara sätt att
härda en aluminiumlegering med 8 vikt% magnesium. Man kan inte se i fasdiagrammet vilka
härdningsmekanismer som verkligen fungerar, men man kan få uppslag att testa. Den
intermetalliska fasen β har den ungefärliga formeln Mg2Al3.
---------4. (a) Beskriv olika sätt att förbättra de mekaniska egenskaperna hos en spröd keram.
(b) Vilka metoder kan man använda för att forma en keramisk grönkropp?
---------5. (a) Förklara varför en ferromagnet uppvisar hysteres och hur hysteresen yttrar sig.
(b) Hur tillverkar man en stark permanentmagnet?
(c) Hur framställer man en positivt dopad halvledare och hur ser dess elektronenerginivådiagram
ut?
----------
6. Några av våra viktigaste plastmaterial, exempelvis polystyren och polypropen, är termoplaster.
(a) Nämn de generella egenskaperna hos termoplaster som är viktiga vid deras bearbetning och
formning.
(b) Vilka typer av molekylkedjestrukturer (molekylarkitekturer) kan termoplaster ha? Rita gärna.
(c) Polyvinylklorid (PVC) kan ha olika takticitet. Rita upp ett syndiotaktiskt och ett ataktiskt
kedjesegment av PVC. Diskutera skillnaden i materialegenskaper mellan syndiotaktisk och
ataktisk PVC.
---------7. Många termoplaster tillverkas genom radikalpolymerisation.
(a) Beskriv översiktligt med formler hur en molekylkedja bildas med radikalmekanism – från
start till färdig polymerkedja.
(b) Under en radikalpolymerisation sker ofta kedjeöverförningsreaktioner. Beskriv
kedjeöverföring med formler. Vad får kedjeöverföringen för konsekvenser för polymerisationen
och polymerprodukten?
(c) Beskriv tre olika sätt att öka polymerisationshastigheten under en radikalpolymerisation.
---------8. Det finns ett antal olika polymerisationsprocesser som är viktiga för framställning av
polymerer inom industrin.
(a) Beskriv tillverkning av polymer genom suspensionspolymerisation. Vad tillsätts i reaktorn
och vad sker under polymerisationen?
(b) Beskriv kortfattat tre andra viktiga polymerisationsprocesser.
(c) Nämn tre viktiga faktorer som påverkar valet av polymerisationsprocess för en given
monomer.
---------9. Många polymermaterial bildar kristallina faser.
(a) Rita upp hur kristallisationshastigheten varierar med temperaturen i förhållande till
smältpunkt och glasövergångstemperatur. Förklara utseendet på kurvan.
(b) Semikristallina polymerer uppvisar ofta en sfärulitisk struktur. Beskriv strukturen hos en
sfärulit med hjälp av en figur och indikera även riktningen hos polymerernas huvudkedja.
(c) Beskriv principen för mätning av kristallisationsgraden (fraction of crystalline phase) hos en
polymer med differentiell svepkalorimetri (differential scanning calorimetry). Vilken annan
information om polymera material kan man erhålla med denna metod?
---------10. Polymerers viskoelastiska beteende är starkt temperatur- och tidsberoende vilket påverkar
deras bearbetning.
(a) Rita hur en polymers styvhet (modul) varierar med temperaturen. Märk ut gummiplatån
(rubbery plateau) och förklara ur ett molekylärt perspektiv varför den uppkommer.
(b) Beskriv hur ett krypförsök (creep test) går till. Vilken parameter hålls konstant?
(c) Beskriv en process som man använder för att tillverka läskeflaskor i polyetentereftalat (PET).
Varför finns det ofta en skrovlig knopp i botten på PET-flaskor?
--------LYCKA TILL!