Material Science

The  description  of  stress-strain  behavior  is  similar  to  that  of  metals,  but  a  very important consideration for polymers is that the mechanical properties depend on the strain rate, temperature, and environmental conditions. The stress-strain behavior can be brittle, plastic and highly elastic (elastomeric or rubberlike). Tensile modulus (modulus) and tensile strengths are orders of magnitude smaller than those of metals, but elongation can be up to 1000 % in some cases. The tensile strength is defined at the fracture point and can be lower than the yield strength. Mechanical properties change dramatically with temperature, going from glass-like brittle behavior at low temperatures (like in the liquid-nitrogen demonstration) to a rubber-like behavior at high temperatures .In general, decreasing the strain rate has the same influence on the strain-strength characteristics as increasing the temperature: the material becomes softer and more ductile.

Polyethylene (PE) wide range of uses, very inexpensive Polypropylene (PP) food containers, appliances Polystyrene (PS) packaging foam, food containers, disposable cups, plates and cutlery Polyethylene terephthalate (PETE) beverage containers Polyamide (PA) (Nylon) fibers, toothbrush bristles, fishing line Polyester (PES) fibres, textiles Polyvinyl chloride (PVC) plumbing pipes, flooring, shower curtains, erotic clothing Polycarbonate (PC) compact discs, eyeglasses Acrylonitrile butadiene styrene (ABS) electronic equipment cases (e.g., computer monitors, printers, keyboards) Polyvinylidene chloride (PVDC) (Saran) food packaging Polytetrafluoroethylene (PTFE) (Teflon) heat resistant, low-friction coatings, used in things like frying pans and water slides Plastarch Material biodegradable and heat resistant, thermoplastic composed of modified corn starch. Polyurethane insulation foam, upholstery foam Bakelite insulating parts in electrical fixtures (it is a thermosetting plastic, a.k.a. phenol formaldehyde or phenolic resin, that can be moulded by heat and pressure when mixed with a filler-like wood flour or can be cast in its unfilled liquid form.) Polylactic acid a biodegradable, thermoplastic, aliphatic polyester derived from lactic acid which in turn can be made by fermentation of various agricultural products such as corn starch.

Thermosetting plastics (thermosets) are polymer materials that cure, through the addition of energy, to a stronger form. The energy may be in the form of heat (generally above 200 degrees Celsius), through a chemical reaction (two-part epoxy, for example), or irradiation. Thermoset materials are usually liquid, powder, or malleable prior to curing, and designed to be molded into their final form, or used as adhesives. The curing process transforms the resin into a plastic or rubber by a cross-linking process. Energy and/or catalysts are added that cause the molecular chains to react at chemically active sites (unsaturated or epoxy sites, for example), linking into a rigid, 3-D structure. The cross- linking process forms a molecule with a larger molecular weight, resulting in a material with a higher melting point. During the reaction, when the molecular weight has increased to a point so that the melting point is higher than the surrounding ambient temperature, the material forms into a solid material. Subsequent uncontrolled reheating of the material results in reaching the decomposition temperature before the melting point is obtained. A thermoset material cannot be melted and re-shaped after it is cured. Thermoset materials are generally stronger than thermoplastic materials due to this 3-D network of bonds, and are also better suited to high-temperature applications up to the decomposition temperature  of  the  material.  They  do  not  lend  themselves  to  recycling  like  thermoplastics Bakelite, a Phenol Formaldehyde Resin (used in electrical insulators and plastic wear) Urea-formaldehyde foam (used in plywood, particleboard and medium-density fibreboard) Melamine (used on worktop surfaces) Polyester Resin (used in glass-reinforced plastics/fibreglass (GRP))…

Plastic covers a range of synthetic or semisynthetic polymerization products. They are composed of organic condensation or addition polymers and may contain other substances to improve performance or economics. There are few natural polymers generally considered to be “plastics”. Plastics can be formed into objects or films or fibers. Their name is derived from the fact that many are malleable, having the property of plasticity. Plastic can be classified in many ways but most commonly by their polymer backbone (polyvinyl chloride, polyethylene, acrylic, silicone, urethane, etc.). Other classifications include thermoplastic vs. thermoset, elastomer, engineering plastic, addition or condensation, and Glass transition temperature or Tg. A lot of plastics are partially crystalline and partially amorphous in molecular structure, giving them both a melting point (the temperature at which the attractive intermolecular forces are overcome) and one or more glass transitions (temperatures at which the degree of cross-linking is substantially reduced). Plastics are polymers: long chains of atoms bonded to one another. These chains are made up of many repeating molecular units, or “monomers”. The vast majority of plastics are composed of polymers of carbon alone or with oxygen, nitrogen, chlorine or sulfur in the backbone. (Some of commercial interest are silicon based.) The backbone is that part of the chain on the main “path” linking the multitude of monomer units together.  To  customize the properties  of a plastic, different molecular groups “hang” from the backbone (usually they are “hung” as part of the monomers before linking monomers together to form the polymer chain). Polymerization The synthesis of the large molecular weight polymers is termed polymerization; it is simply the process by which monomer units are joined over, to generate each of the constituent giant molecules. The reactions by which polymerization occurs are grouped into two general classification- addition and condensation, according to the reaction mechanisms. Addition polymerization is a process by which bifuncational monomer units are attached one at a time in chainlike fashion to form a linear macromolecules; the composition of the resultant products molecule is an exact multiple for that of the original reactant monomer. Three distinct stages- initiation, propagation and termination are involved in addition polymerization. Condensation  polymerization  is  the  formation  of  polymers  by  stepwise  intermolecular chemical reactions that normally involve more than one monomer species; there is usually a small molecular weight by producer such as water, which is eliminated. No reactant species has the chemical formula of the mer repeat unit, and the intermolecular reaction occurs every time a mer repeat unit is formed

Ceramic Synthesis Our  expertise  and  capabilities  in  synthesizing  ceramics  are  based  onchemical  solution techniques. Chemical solution or sol-gel approaches have beendeveloped to fabricate powders, films, and porous bodies. Materials of interest range from silica to complex, multicomponent electronic   ceramics.   The   complexity   inherent   in   fabricating   materials   with   structured nanoporosity or complex chemistries requires a fundamental understanding of these chemical solution approaches. Fabrication of unique precursors for complex oxides is being done with novel metal alkoxide chemistry to produce powders and thin-film materials with carefully controlled properties. Our ability to synthesize materials with complex structures, chemistries, or both, is at the heart of numerous research and development efforts at Sandia. Ceramic Processing Sandia’s fabrication of ceramic components and devices is based on a strong ceramic-processing capability. We recently have demonstrated the ability to characterize and model the powder- compaction process in detail, and to address and control density gradients in powder compacts that  cause  shape  distortion  and  differential  shrinkage.  Proprietary  3D,  finite-element  code packing and compaction models, and process-control tools are now available to improve the production of ceramic components. Sandia has capabilities in the areas of hydrostatic and triaxial compaction testing to characterize materials properties, and x-ray radiography, ultrasound, and computed tomography for density characterization. In addition, expertise in slurry processing has enabled the development of direct-fabrication processes. Furthermore, we are developing phenomenological sintering models to enhance both ceramic component design and manufacturing capability.

Portland cement is a closely controlled chemical combination of calcium, silicon, aluminum, iron and small amounts of other compounds, to which gypsum is added in the final grinding process to regulate the setting time of the concrete. Some of the raw materials used to manufacture cement are limestone, shells, and chalk or marl, combined with shale, clay, slate or blast furnace slag, silica sand, and iron ore. Lime and silica make up approximately 85 percent of the mass The term “Portland” in Portland cement originated in 1824 when an English mason obtained a patent for his product, which he named Portland Cement. This was because his cement blend produced concrete that resembled the color of the natural limestone quarried on the Isle of Portland in the English Channel. Different types of Portland cement are manufactured to meet different physical and chemical requirements for specific purposes. Common Examples Structural clay products Brick, sewer pipe, roofing tile, clay floor and wall tile (i.e., quarry tile), flue linings Whitewares  Dinnerware,  floor  and  wall  tile,  sanitaryware,  electrical  porcelain,  decorative ceramics Refractories Brick and monolithic products are used in iron and steel, non-ferrous metals, glass, cements, ceramics, energy conversion, petroleum, and chemicals industries Glasses Flat glass (windows), container glass (bottles), pressed and blown glass (dinnerware), glass fibers (home insulation), and advanced/specialty glass (optical fibers) Abrasives  Natural  (garnet,  diamond,  etc.)  and  synthetic  (silicon  carbide,  diamond,  fused alumina, etc.) abrasives are used for grinding, cutting, polishing, lapping, or pressure blasting of materials Cements Used to produce concrete roads, bridges, buildings, dams, and the like

Ceramics offer a high temperature range. However, ceramics are not very strong. To compensate for their lack of strength ceramics are usually combined with some other material to form a ceramic composite. 1)  Glasses  and  glass  ceramics-  The  glasses  are a  familiar  group  of  ceramics;  containers, windows, lenses and fiberglass represent typical applications. The properties of standard vitrified products are insufficient for architectural applications and structural building components, insulation or other specialized applications. Yet there is an effective way to improve these properties without major alterations to the process itself – the introduction of a controlled crystallization process through a subsequent heat treatment, i.e. by forming a glass-ceramic. Production of Glass-Ceramics Glass-ceramic articles may be produced by three routes: •   The heat treatment of solid glass (the traditional route) •   The controlled cooling of a molten glass, known as the petrurgic method •   The sintering and crystallisation of glass powders. In the latter case, the powders are densified at relatively low temperatures by exploiting a viscous flow sintering mechanism. After densification, the material is subjected to a crystallisation heat- treatment to obtain the required glass-ceramic microstructure. Alternatively, both densification and crystallisation may take place during a single sintering step. Along with the economic advantage  of  using  relatively low  processing  temperatures,  the  powder  technology route  is suitable for the production of a range of advanced materials, including glass-ceramics with specified porosities and glass-ceramic matrix composites. Using the petrurgic method, the slow cooling from the molten state causes nucleation and growth of  certain  crystalline  phases.  Therefore,  the  final  microstructure,  and  hence  the  properties, depends mainly on the composition and the cooling rate. Glass-Ceramics Based on Coal Ash The very high iron oxide content of coal ash, table 1, indicates the potential for developing magnetic phases using appropriate processing – this was the aim of our work. We calcined the as- received ash at 800°C for two hours to remove any volatile Material compounds, including sulfur and  carbon.  The powder and  petrurgic methods  were explored,  and  gave us  products  with different phases and  microstructures. For the sintering experiments, we mixed calcined ash powder with various amounts (10-50wt%) of borosilicate (Pyrex) glass. The powder mixtures were uniaxial cold pressed to a cylindrical shape and sintered in air at temperatures in the range of 1,000-1,500°C for periods of up to 15 hours. Using the petrurgic method, coal ash was mixed with sodalime glass powder. The mixture was melted at 1,500°C and cooled to room temperature at rates of between 1-10°C per minute. Glass-Ceramic Composites Work to date has largely concentrated on composites with a matrix of the slag-based Silceram glass-ceramic (a glass-ceramic for floor and wall tiles and wear components). We have investigated both particulate- (SiC and TiC) and fibre-reinforcement (SiC). Properties measured include the fundamental mechanical properties but also more complex properties such as thermal shock resistance and erosion resistance. As mentioned previously, the thermal shock resistance of glass-ceramics is superior to the parent glasses, and the shock resistance is further improved by particulate reinforcement. For example, monolithic Silceram has a thermal shock critical temperature…

Ceramics encompass such a vast array of materials that a concise definition is almost impossible. However, one workable definition is: Ceramics can be defined as inorganic, nonmetallic materials. They are typically crystalline in nature and are compounds formed between metallic and nonmetallic elements such as aluminum and oxygen (alumina-Al2O3), calcium and oxygen (calcia – CaO), and silicon and nitrogen (silicon nitride-Si3N4). Ceramics is a refractory, inorganic, and nonmetallic material. Ceramics can be divided into two classes: traditional and advanced. Traditional ceramics include clay products, silicate glass and cement; while advanced ceramics consist of carbides (SiC), pure oxides (Al2O3), nitrides (Si3N4), non-silicate glasses and many others. Ceramics offer many advantages compared to other materials. They are harder and stiffer than steel; more heat and corrosion resistant than metals or polymers; less dense than most metals and their alloys; and their raw materials are both plentiful and inexpensive. Ceramic materials display a wide range of properties which facilitate their use in many different product areas. In general, most ceramics are: –  hard, –  wear-resistant, –  brittle, –  refractory, –  thermal insulators, –  electrical insulators, –  nonmagnetic, –  oxidation resistant, –  prone to thermal shock, and –  Chemically stable. Of course there are many exceptions to these generalizations. For example, borosilicate glasses (glasses that contain silica and boron as major ingredients) and certain glass ceramics (glasses that contain a crystalline phase) and NZP ceramics are very resistant to thermal shock and are used in applications such as ovenware, stove tops and kiln furniture respectively. Also, some ceramics are excellent electrical conductors and an entire commercial market is based on the fact that certain ceramics (ferrites) are magnetic.

In ionic materials, the band gap is too large for thermal electron promotion. Cation vacancies allow ionic motion in the direction of an applied electric field, this is referred to as ionic conduction. High temperatures produce more vacancies and higher ionic conductivity. At low temperatures,  electrical  conduction  in  insulators  is  usually  along  the  surface,  due  to  the deposition of moisture that contains impurity ions.

A  semiconductor  diode  is  made  by  the  intimate  junction  of  a  p-type  and  an  n-typesemiconductor (an n-p junction). Unlike a metal, the intensity of the electrical current that passes through the material depends on the polarity of the applied voltage. If the positive side of abattery is connected to the p-side, a situation called forward bias, a large amount of current can flow since holes and electrons are pushed into the junction region, where they recombine (annihilate). If the polarity of the voltage is flipped, the diode operates under reverse bias. Holes andelectrons are removed from the region of the junction, which therefore becomes depleted of carriers and behaves like an insulator. For this reason, the current is very small under reverse bias. The asymmetric current-voltage characteristics of diodes is used to convert alternating current into direct current. This is called rectification. A p-n-p junction transistor contains two diodes back-to-back. The central region is very thin and is called the base. A small voltage applied to the base has a large effect on the current passing through the transistor, and this can be used to amplify electrical signals (Fig. 19.22). Anothercommon device is the MOSFET transistor where a gate serves the function of the base in a junction transistor. Control of the current through the transistor is by means of the electric field induced by the gate, which is isolated electrically by an oxide layer.