Mechanical Engineering

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,…

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.

The resistivity then depends on collisions. Quantum mechanics tells us that electrons behave like waves. One of the effects of this is that electrons do not scatter from a perfect lattice. They scatter by defects, which can be: - atoms displaced by lattice vibrations - vacancies and interstitials - dislocations, grain boundaries - impurities One can express the total resistivity ρtot by the Matthiessen rule, as a sum of resistivities due to thermal vibrations, impurities and dislocations. Fig. 19.8 illustrates how the resistivity increases with temperature, with deformation, and with alloying..

Electronic and Ionic Conduction In metals, the current is carried by electrons, and hence the name electronic conduction. In ionic crystals, the charge carriers are ions, thus the name ionic conduction. Energy Band Structures in Solids When atoms come together to form a solid, their valence electrons interact due to Coulomb forces, and they also feel the electric field produced by their own nucleus and that of the other atoms. In addition, two specific quantum mechanical effects happen. First, by Heisenberg's uncertainty principle, constraining the electrons to a small volume raises their energy, this is called promotion. The second effect, due to the Pauli Exclusion Principle, limits the number of electrons that can have the same property (which include the energy). As a result of all these effects, the valence electrons of atoms form wide valence bands when they form a solid. The bands are separated by gaps, where electrons cannot exist. The precise location of the bands and band gaps depends on the type…

Recording data onto a disk has obvious advantages with respect to access times, as the head can readily be moved to the appropriate place on the disk whereas a tape would need to be rewound or advanced. There are two types of disk: floppy and hard. The principles of manufacturing and recording on floppy disks are very similar to that of particulate magnetic tape, i.e. the same particulate materials on a plastic substrates. Hard disk drives are formed on a rigid substrate, usually aluminium, which is around 2mm thick. On to the substrate are deposited several layers: an under layer to help adhesion (~10nm nickel phosphide); a layer of chromium (5-10nm) to control orientation and grain size of magnetic layer; the magnetic layer (50nm PtCo with various additions of Ta, P, Ni, Cr); a protective overcoat (e.g. 10-20nm zirconia) and finally lubricant to reduce friction and wear of the disk (e.g. a monolayer of long chain fluorocarbons). The magnetic layer forms a cellular structure of Co-rich magnetic cells in a non-magnetic matrix. These cells act just like particulate recording media but on…

Magnetic tapes are extensively used for recording audio and video signals, although it is unclear how long this technology will continue to be used with the rising popularity of the digital versatile disk (DVD). Tapes can be made with either a particulate media adhered to a plastic substrate or a metal evaporated (ME) film on the substrate. The magnetic layer on a particulate tape is only 40% magnetic material whereas ME tapes have a 100% magnetic layer. Therefore, ME tapes give better quality recording, but they are more time consuming to produce and are more expensive. Particulate tapes are much cheaper and hence account for the majority of magnetic tapes.