Crystal Structures

Report 5 Downloads 103 Views
Crystal  Structures     Definitions     Crystalline  material  –  one  in  which  atoms  are  situated  in  a  repeating  or  periodic   array  over  large  atomic  distances       Amorphous  or  noncrystalline  material  –  long-­‐range  atomic  order  is  absent       Polymorphous  -­‐  crystallization  into  two  or  more  chemically  identical  but   crystallographically  distinct  forms       Crystal  structure  -­‐  manner  in  which  atoms,  ions  or  molecules  are  spatially   arranged       Lattice  –  three-­‐dimensional  array  of  points  coinciding  with  atom  positions       Coordination  number  –  number  of  touching  atoms       Atomic  Packing  Factor  (APF)  =  volume  of  atoms  in  unit  cell/total  unit  cell  volume       Planar  Packing  Factor  (PPF)  =  area  of  atoms  per  face/total  face  area       Linear  Packing  Factor  (LPF)  =  length  of  atoms  along  direction/total  length  of   direction    

Unit  Cells    

-­‐smallest  repeating  entity  in  a  crystal  structure     -­‐usually  parallelepipeds  or  prisms      

Metallic  Crystal  Structure    

  Face-­‐Centered  Cubic  Crystal  Structure  (FCC)     -­‐atoms  located  at  each  of  the  corners  and  centers  of  all  cube  faces     -­‐example:  copper,  aluminum,  silver,  gold     -­‐spheres  (ion  cores)  touch  across  a  face  diagonal       𝑎 = 2𝑅 2     -­‐total  of  four  atoms  in  a  given  unit  cell     -­‐coordination  number:  12     -­‐APF:  0.74    

    Body-­‐Centered  Cubic  Crystal  Structure  (BCC)     -­‐atoms  located  at  all  eight  corners  and  a  single  atoms  in  center     -­‐atoms  touch  along  cube  diagonals     4𝑅 𝑎 =   3   -­‐examples:  chromium,  iron,  tungsten     -­‐two  atoms  per  unit  cell     -­‐coordination  number:  8     -­‐APF:  0.68      

 

 

Hexagonal  Close-­‐Packed  Crystal  Structure     -­‐top  and  bottom  faces  of  unit  cell  consist  of  six  atoms  that  form  regular  hexagons   around  a  center  atom     -­‐another  plane  provides  three  additional  atoms  between  top  and  bottom  planes     -­‐six  atoms  total  in  each  unit  cell  (1/6  of  the  12  top  and  bottom  corner  atoms,  ½  of   each  of  the  top  and  bottom  center  atoms  and  the  3  interior  atoms)     -­‐ideal  c/a  value  is  1.633       -­‐coordination  number:  12     -­‐APF:  074  (both  same  as  FCC)     -­‐examples:  cadmium,  magnesium,  titanium,  zinc      

 

 

Density  Computations       𝑝= where:     n  =  number  of  atoms     A  =  atomic  weight     VC  =  volume  of  unit  cell     NA  =  Avogadro’s  number      

𝑛𝐴   𝑉! 𝑁!

Ceramic  Crystal  Structure     -­‐since  composed  of  at  least  two  elements,  crystal  structure  is  more  complex     -­‐range  from  purely  ionic  to  totally  covalent    

-­‐for  materials  in  which  atomic  bonding  is  predominantly  ionic,  the  crystal  structures   may  be  thought  of  as  being  composed  of  electrically  charged  ions  instead  of  atoms     -­‐cations:  positively  charged  metallic  ions  (because  cats  are  happy)     -­‐anions:  negatively  charged  nonmetallic  ions     -­‐two  characteristics  of  ions  influence  crystal  structure     -­‐>  magnitude  of  electrical  charge  on  each  of  the  ions       -­‐>  relative  sizes  of  cations  and  anions     -­‐crystal  must  be  electrically  neutral  (ie.  cation  positive  charges  must  be  balanced  by   an  equal  number  of  anion  negative  charges)     -­‐cations  prefer  to  have  as  many  nearest  neighbor  anions  as  possible     -­‐therefore,  coordination  number  is  related  to  the  cation-­‐anion  radius  ratio     -­‐for  a  specific  coordination  number,  there  is  a  critical  (minimum)  rC/rA  ratio     Note:  relationships  between  CN  and  cation  anion  ratios  are  based  on  geometrical   considerations  and  are  approximations.  Therefore  there  are  some  exceptions      

 

 

AX-­‐Type  Crystal  Structure     -­‐some  common  ceramic  materials  have  equal  numbers  of  cations  and  anions     -­‐these  are  referred  to  as  AX  compounds,  where  A  denotes  the  cation  and  X  the  anion     -­‐there  are  several  different  crystal  structures  for  AX  compounds,  each  named  after  a   common  material  that  assumes  the  particular  structure       Rock  Salt  Structure  (Sodium  Chloride  NaCl)     -­‐CN:  6     -­‐one  cation  situated  at  cube  center  and  ine  at  the  center  of  each  of  the  12  cube  edges     -­‐two  interpenetrating  FCC  lattices,  one  composed  of  cations,  other  of  anions     -­‐example:  NaCl,  MgO,  MnS,  LiF  and  FeO   -­‐FCC  

    Cesium  Chloride  Structure     -­‐coordination  number  is  8  for  both  ion  types     -­‐anions  are  located  at  each  of  the  corners  of  the  cube,  cube  center  is  a  single  cation     -­‐this  is  not  a  BCC  because  ions  of  two  different  kinds  are  involved     -­‐simple  cubic    

  Zinc  Blende  Structure     -­‐CN:  4     -­‐zinc  blende:  ZnS    

 

-­‐all  corner  and  face  positions  of  cubic  cell  are  occupied  by  sulfur  atoms  while  zinc   atoms  fill  interior  tetrahedral  positions     -­‐equivalent  structure  results  if  atom  positions  are  reversed     -­‐each  Zn  atom  is  bonded  to  four  S  atoms  and  vice  versa     -­‐FCC  

    Fluorite  (CaF2)   -­‐AX2  type     -­‐ionic  radii  ratio  is  about  0.8,  therefore  CN  is  8     -­‐calcium  ions  are  positioned  at  the  centers  of  cubes  with  fluorine  ions  at  corners     -­‐crystal  structure  is  similar  to  CsCl  except  only  half  of  the  center  cube  positions  are   occupied  by  Ca  ions     -­‐one  unit  cell  consists  of  eight  cubes     -­‐other  examples:  ZrO2,  UO2,  PuO2  and  ThO2     -­‐simple  cubic    

 

 

Perovskite  (BaTiO3)     -­‐Ba  ions  are  situated  at  all  eight  corners     -­‐single  Ti  is  at  the  cube  center     -­‐Oxygen  ions  located  at  the  center  of  each  of  the  six  faces     -­‐FCC       Density  Computations  for  Ceramics       𝑛! ( 𝐴! + 𝐴! ) 𝑝 =     𝑉! 𝑁! where:     n’  –  number  of  formula  units       𝐴!  –  sum  of  atomic  weights  of  all  cations  in  formula  unit      

Silicate  Ceramics    

-­‐materials  composed  primarily  of  silicon  and  oxygen     -­‐rather  than  characterizing  the  crystal  structures  of  these  materials  in  terms  of  unit   cells,  it  is  more  convenient  to  use  various  arrangements  of  an  SiO4  4-­‐  tetrahedron     -­‐each  atom  of  silicon  is  bonded  to  four  oxygen  atoms,  which  are  situated  at  the   corners  of  the  tetrahedron  with  silicon  atom  positioned  at  the  center     -­‐not  considered  ionic  because  there  is  a  significant  covalent  character  which  is   directional  and  relatively  strong     -­‐various  silicate  structures  arise  from  the  different  ways  in  which  the  tetrahedron   units  can  be  combined  into  one,  two  or  three-­‐dimensional  arrangements       Silica     -­‐most  simple  silicate  material     -­‐structurally,  it  is  a  3-­‐D  network  generated  when  the  corner  oxygen  atoms  in  each   tetrahedron  are  shared  by  adjacent  tetrahedra     -­‐thus  the  material  is  electrically  neutral  and  all  atoms  have  stable  electronic   strucures     -­‐ratio  of  Si  to  O  atoms  is  1:2     -­‐three  primary  polymorphic  crystalline  forms:  quartz,  cristobalite  and  trydymite     -­‐atoms  are  not  closely  packed  together,  relatively  low  densities     -­‐high  melting  temperature  of  Si-­‐O  bond       Silicates     -­‐one  two  or  three  of  the  corner  oxygen  atoms  are  shared  by  other  tetrahedral      

  Simple  Silicates     -­‐most  structurally  simple  ones  involve  isolated  tetrahedra     -­‐Si2O7  ion  is  formed  when  two  tetrahedral  share  a  common  oxygen  atom       Layered  Silicates     -­‐two  dimensional  sheet  or  layered  structure  can  be  produced  by  sharing  of  three   oxygen  ions  in  each  of  the  tetrahedral     -­‐repeating  unit  formula  may  be  represented  by  (Si2O5)2-­‐   -­‐net  charge  comes  from  unbonded  oxygen  atoms  projecting  out  of  plane     -­‐electroneutrality  is  ordinarily  established  by  a  second  planar  sheet  structure   having  an  excess  of  cations     -­‐found  in  clay  and  other  minerals      

Carbon    

-­‐exists  in  various  polymorphic  forms  as  well  as  amorphous  state     -­‐does  not  fall  in  any  of  the  metal,  polymer  or  ceramic  classifications     -­‐graphite  is  sometimes  classified  as  ceramic  though       Diamond     -­‐metastable  carbon  polymorph  at  room  temperature  and  atmospheric  pressure     -­‐crystal  structure  is  a  variant  of  the  zinc  blende,  in  which  carbon  atoms  occupy  all   positions  (both  Zn  and  S)     -­‐bonds  are  totally  covalent,  called  the  diamond  cubic  crystal  structure    

    Graphite     -­‐crystal  structure  is  more  stable  than  diamond  at  ambient  temperature  and  pressure     -­‐composed  of  layers  of  hexagonally  arranged  carbon  atoms,  within  the  layers  each   carbon  atom  is  bonded  to  three  coplanar  neighbor  atoms  by  strong  covalent  bonds     -­‐fourth  bonding  electron  participates  in  a  weak  van  der  Waals  type  of  bond    

    Fullerenes     -­‐polymorphic  form  of  carbon     -­‐exists  in  discrete  molecular  form  and  consists  of  a  hollow  spherical  cluster  of  sixty   carbon  atoms,  single  molecule  is  denoted  by  C60   -­‐each  molecule  is  composed  of  groups  of  carbon  atoms  that  are  bonded  to  each   other  to  form  both  hexagon  and  pentagon  geometrical  configurations     -­‐pure  crystalline  solid,  packed  together  in  a  face  centered  cubic  array     -­‐electrically  insulating  but  can  be  made  highly  conductive    

 

 

Polymorphism  and  Allotropy    

-­‐some  metals  may  have  more  than  one  crystal  structure,  phenomenon  called   polymorphism     -­‐when  found  in  elemental  solids,  condition  is  called  allotropy     -­‐prevailing  crystal  structure  depends  on  both  temperature  and  external  pressure     -­‐one  example  is  found  in  carbon:  graphite  is  stable  polymorph  at  ambient   conditions,  whereas  diamond  is  formed  at  extremely  high  pressures     -­‐most  often,  physical  properties  are  modified  by  a  polymorphic  transformation      

Crystal  Systems    

-­‐lattice  parameters:  edge  lengths  (a,b,c)  and  three  interaxial  angles(alpha,  beta  and   gamma)     -­‐seven  different  possible  combinations  of  a,  b  and  c  and  alpha,  beta  and  gamma  each   of  which  represents  a  distinct  crystal  system     -­‐seven  crystal  systems  are  cubic,  tetragonal,  hexagonal,  orthorhombic,   rhombohedral  (trigonal),  monoclinic  and  triclinic     -­‐both  FCC  and  BCC  structures  belong  to  cubic  crystal  system     -­‐HCP  is  hexagonal      

 

 

Hexagonal  Indices    

  [u’  v’  w’]  -­‐>  [u  v  t  w]    

 

1 𝑢 =   (2𝑢! −   𝑣 ! )   3 1 𝑣 =   (2𝑣 ! −   𝑢! )   3 𝑡 =   −(𝑢 + 𝑣)   𝑤 = 𝑤′  

 

Crystallographic  planes     -­‐if  the  plane  passes  through  the  selected  origin  than  either  a  parallel  plane  must  be   constructed  or  a  new  origin  must  be  established  in  the  corner  of  another  unit  cell    

-­‐crystallographic  plane  either  intersects  or  parallels  each  of  the  three  axes     -­‐reciprocals  of  intersects  are  taken     -­‐number  a  chanted  to  a  set  of  integers  using  a  common  factor     -­‐indices  are  enclosed  by  parantheses     -­‐for  cubic  crystals:  planes  and  directions  having  the  same  indices  are  perpendicular   to  one  another     -­‐family  of  planes:  contains  all  planes  that  are  crystallographically  equivalent  (same   atomic  packing)     -­‐family  is  indicated  by  indices  enclosed  in  braces  i.e.  {1  0  0}     -­‐for  cubic  systems:  all  planes  having  the  same  indices,  irrespective  of  order  and  sign   belong  to  the  same  family  (example  both  (1  2  3)  and  (3  1  2)  are  part  of  the  (1  2  3)   family       Hexagonal  Crystals     -­‐equivalent  planes  have  same  indices     -­‐four  index  (hkil)  scheme     -­‐I  is  determined  by  the  sum  of  h  and  k  through  I  =  -­‐(h+k)   -­‐h,  k  and  l  indices  are  identical  for  both  indexing  systems       Ceramics     -­‐interstital  sites  exist  in  two  different  types     -­‐tetrahedral  position:  four  atoms  surround  one  type     -­‐octahedral  position:  six  ion  spheres     -­‐for  each  anion  sphere,  one  octahedral  and  two  tetrahedral  positions  will  exist     -­‐Ceramic  crystal  structures  depend  on  two  factors:  stacking  of  close  packed  anion   layers  and  manner  in  which  interstitial  sites  are  filled  with  cations         Single  Crystal     -­‐periodic  and  repeated  arrangement  of  atoms  extends  throughout  the  entirety  of  the   specimen  without  interruption     -­‐all  unit  cells  interlock  the  same  way  and  have  the  same  orientation     -­‐exist  in  nature  but  may  also  be  produced  artificially       Polycrystalline  Materials     -­‐most  crystalline  solids  are  composed  of  a  collection  of  many  small  crystals  or  grains     -­‐small  crystals  or  nuclei  form  at  various  positions     -­‐random  crystallographic  orientations  indicated  by  the  square  grids     -­‐small  grains  grow  y  the  successive  addition  from  the  surrounding  liquid  of  atoms  to   the  structure  of  each     -­‐extremities  of  adjacent  grains  impinge  on  one  another  as  the  solidification  process   approaches  completion     -­‐crystallographic  orientation  varies  from  grain  to  grain     -­‐exists  some  atomic  mismatch  within  the  region  where  two  grains  meet  (grain   boundary)      

Anisotropy    

-­‐physical  properties  of  single  crystals  depend  on  the  crystallographic  direction  in   which  measurements  are  taken     -­‐example:  elastic  modulus,  electrical  conductivity  and  index  of  refraction  have   different  values  in  the  [100]  and  [111]  directions     -­‐directionality  of  properties  is  called  anisotropy     -­‐associated  with  variance  of  atomic  or  ionic  spacing  with  crystallographic  direction   -­‐isotropic:  substances  in  which  measured  properties  are  independent  of  direction     -­‐extent  and  magnitude  of  anisotropic  effects  in  crystalline  materials  are  dependent   on  the  symmetry  of  the  crystal  structure     -­‐degree  of  anisotropy  increases  with  decreasing  structural  symmetry  –  triclinic   structures  are  normally  highly  anisotropic     -­‐for  many  polycrystalline  materials,  crystallographic  orientations  of  individual   grains  are  total  random     -­‐even  though  each  grain  may  be  anisotropic,  specimen  composed  of  the  grain   aggregate  behaves  isotropically     -­‐magnitude  of  measured  property  represents  some  average  of  the  directional  values     -­‐materials  with  a  preferential  crystallographic  orientation  are  said  to  have  “texture”     -­‐magnetic  properties  of  some  iron  alloys  used  in  transformer  cores  are  anisotropic     -­‐grains  magnetize  in  a    type  direction  more  easily  than  in  any  other   crystallographic  direction     -­‐energy  losses  in  transformer  cores  are  minimized  by  utilizing  polycrystalline  sheets   of  these  alloys  into  which  have  been  introduced  a  “magnetic  texture”      

X-­‐Ray  Diffraction    

-­‐diffraction  occurs  when  a  wave  encounters  a  series  of  regularly  spaced  obstacles   that  are  capable  of  scattering  the  wave  and  have  spacings  that  are  comparable  in   magnitude  to  the  wavelength       Bragg’s  Law     𝑛𝜆 = 2𝑑!!" 𝑠𝑖𝑛𝜃   where:     n  –  order  of  reflection     d  –  interplanar  spacing  (magnitude  of  distance  between  two  adjacent  and  parallel   planes  of  atoms)       For  crystals  with  cubic  symmetry:     𝑎 𝑑!!" =     ℎ! +   𝑘 ! +   𝑙 !   Bragg’s  law  is  a  necessary  but  not  sufficient  condition  for  diffraction  by  real  crystals     -­‐specifies  when  diffraction  will  occur  for  unit  cells  having  atoms  positioned  only  at   cell  corners     -­‐atoms  situated  at  other  sites  act  as  extra  scattering  centers  which  can  produce  out   of  phase  scattering    

Diffractometer    

  -­‐apparatus  used  to  determine  the  angles  at  which  diffraction  occurs  for  powdered   specimens     -­‐specimen  S  in  the  form  of  a  flat  plate  is  supported  so  rotations  about  the  axis   labeled  O  are  possible     -­‐axis  is  perpendicular  to  plane  of  the  page     -­‐monochromatic  x-­‐ray  beam  is  generated  at  point  T  and  intensities  of  diffracted   beams  are  detected  with  a  counter  labeled  C  in  the  figure     -­‐specimen,  x-­‐ray  source  and  counter  are  all  copla  the  ease  with  which  nar     -­‐counter  is  mounted  on  a  movable  carriage  that  may  also  be  rotated  about  the  O  axis      

Noncrystalline  Solids    

-­‐noncrystalline  solids  lack  a  systematic  and  regular  arrangement  of  atoms  over   relatively  large  atomic  distances     -­‐sometimes  such  materials  are  also  called  amorphous     -­‐whether  a  crystalline  or  amorphous  solid  forms  depends  on  the  ease  with  which  a   random  atomic  structure  in  the  liquid  can  transform  to  an  ordered  state  during   solidification     -­‐amorphous  materials  are  characterized  by  atomic  or  molecular  structures  that  are   relatively  complex  and  become  ordered  only  with  some  difficulty     -­‐rapidly  cooling  through  freezing  temperature  favours  the  formation  of  a   noncrystalline  solid  since  little  time  is  allowed  for  the  ordering  process     -­‐metals  normally  form  crystalline  solids     -­‐inorganic  gases  are  amorphous     -­‐polymers  may  be  completely  noncrystalline  consisting  of  varying  degrees  of   crystallinity     -­‐silicon  dioxide  in  the  noncrystalline  state  is  called  fused  silica     -­‐common  inorganic  glasses  are  used  for  containers,  windows  etc.  are  silica  glasses   which  have  been  added  to  other  oxides          

Polymer  Structures    

  Polymer  Molecules   -­‐macromolecules:  molecules  in  polymers     -­‐repeat  units:  structural  entities  successively  repeated  along  the  chain     -­‐monomer:  small  molecule  from  which  a  polymer  is  synthesized    

 

 

-­‐when  all  repeating  units  along  a  chain  are  of  the  same  type,  resulting  polymer  is  a   homopolymer     -­‐chains  may  be  composed  of  two  or  more  different  repeat  units  called  copolymers     -­‐bifunctional:  monomers  with  an  active  bond  that  may  react  to  form  two  covalent   bonds  with  other  monomers  forming  a  2-­‐D  chain  like  molecular  structure     -­‐functionality:  number  of  bonds  a  given  monomer  can  form       Molecular  Weight     -­‐number-­‐average    molecular  weight  is  obtained  by  dividing  the  chains  into  a  series   of  size  ranges  and  determining  the  number  fraction  of  chains  within  each  size  range       𝑀! =  

𝑥! 𝑀!  

Where     Mi  -­‐  mean  (middle)  molecular  weight  of  size  range  i   -­‐xi  is  the  fraction  of  total  number  of  chains  within  corresponding  range       Alternative  way:  degree  of  polymerization  (DP)  =  average  number  of  repeat  units  in   chain       𝑀! 𝐷𝑃 =     𝑚   Where  m  is  the  repeat  unit  molecular  weight       -­‐polymer  properties  are  affected  by  the  length  of  polymer  chains     -­‐example:  melting  or  softening  temperature  increases  with  increasing  molecular   weight     -­‐at  room  temp:  polymers  with  short  chains  exist  as  liquids     -­‐polymers  with  weights  of  approximately  1000  g/mol  are  waxy  solids     -­‐solid  polymers  have  molecular  weights  ranging  between  10,  000  to  several  million   g/mol     Molecular  Shape     -­‐some  of  the  mechanical  and  thermal  characteristics  of  polymers  are  a  function  of   the  ability  of  chain  segments  to  experience  rotation  in  response  to  applied  stresses   or  thermal  vibrations     -­‐rotational  flexibility  is  dependent  on  repeat  unit  structure  and  chemistry     -­‐example:  region  of  a  chain  segment  with  double  bond  is  rotationally  rigid       Linear  Polymers     -­‐repeat  units  are  joined  together  end  to  end  in  single  chains     -­‐long  chains  are  flexible  (may  be  thought  of  as  a  mass  of  spaghetti)     -­‐extensive  van  der  Waals  and  hydrogen  bonding   -­‐some  common  polymers  are  polyethylene,  PVC,  polystyrene,  nylon  and   fluorocarbons    

Branched  Polymers     -­‐may  be  synthesized  where  side-­‐branch  chains  are  connected  to  the  main  ones     -­‐branches  may  result  from  side  reactions  that  occur  during  the  synthesis  of  the   polymer     -­‐chain  packing  efficiency  is  reduced  with  the  formation  of  side  branches  which   results  in  a  lowering  of  the  polymer  density     -­‐polymers  that  form  linear  structures  may  also  be  branched       Crosslinked  Polymers     -­‐adjacent  linear  chains  are  joined  to  one  another  at  various  positions  by  covalent   bonds     -­‐process  is  achieved  during  synthesis  or  a  nonreversible  chemical  reaction     -­‐crosslinking  is  accomplished  by  additive  atoms  or  molecules  that  are  covalently   bonded  to  the  chains     -­‐in  rubbers  this  is  called  vulcanization       Network  Polymers     -­‐multifunctional  monomers  forming  three  or  more  active  covalent  bonds  make  3-­‐D   networks     -­‐distinctive  mechanical  and  thermal  properties     -­‐examples:  epoxies,  polyurethanes,  phenol-­‐formaldehyde       Note:  polymers  are  usually  not  only  one  distinctive  structural  type      

 

 

Molecular  Configurations     -­‐for  polymers  having  more  than  one  side  atom  or  group  bonded  to  the  main  chain:   regularity  and  symmetry  of  side  group  arrangement  can  significantly  influence  the   properties    

  -­‐in  most  polymers,  the  head  to  tail  configuration  predominates,  often  a  polar   repulsion  occurs  between  R  groups  for  the  head-­‐to-­‐head  configuration     -­‐isomerism  is  found  in  polymer  molecules  where  different  configurations  are   possible  for  same  composition         Stereoisomerism     -­‐denotes  situation  in  which  atoms  are  linked  together  in  the  same  order  but  differ  in   spatial  arrangement     -­‐specific  polymer  has  many  configurations;  predominant  form  depends  on  method   of  synthesis    

  a)  isotactic     b)  syndiotactic   c)  atactic       Thermoplastic  Polymers     -­‐behaviour  in  response  to  rising  temperature     -­‐thermoplastics  soften  when  heated,  harden  when  cooled     -­‐molecular  level:  as  temperature  increases,  secondary  bonding  forces  are   diminished  so  that  the  relative  movement  of  adjacent  chains  is  facilitated  when   stress  is  applied     -­‐irreversible  degradation  occurs  when  a  molten  thermoplastic  is  raised  to  too  high   of  a  temperature     -­‐most  linear  polymers  and  those  having  branched  structures  with  flexible  chains  are   thermoplastic     -­‐these  materials  are  normally  fabricated  by  simultaneous  application  of  heat  and   pressure     -­‐examples  of  common  thermoplastic  polymers  include  polyethylene,  PVC  and   polystyrene       Thermosetting  Polymers     -­‐network  polymers     -­‐become  permanently  hard  during  formation,  do  not  soften  upon  heating     -­‐covalent  crosslinks  between  adjacent  molecular  chains    

-­‐during  heat  treatment,  bonds  anchor  chains  together  to  resist  the  vibrational  and   rotational  chain  motions  at  high  temperatures     -­‐10  –  50%  of  chain  repeat  units  are  crosslinked     -­‐heating  to  excessive  temperatures  causes  severance  of  crosslink  bonds  and   polymer  degradation     -­‐generally  harder  and  stronger  than  thermoplastics     -­‐better  dimensional  stability     Copolymers       𝑚 =  

𝑓! 𝑚!    

where:     f  –  mole  fraction     m  –  molecular  weight  of  repeat  unit  j      

 

Polymer  Crystallinity     -­‐may  exist  in  polymeric  materials     -­‐atomic  arrangements  will  be  more  complex  for  polymers     -­‐packing  of  molecular  chains  to  produce  an  ordered  atomic  array     -­‐molecular  substances  with  small  molecules  are  normally  either  totally  crystalline   or  totally  amorphous     -­‐degree  of  crystallinity  by  weight  can  be  determined  according  to:    

  -­‐depends  on  rate  of  cooling  during  solidification  as  well  as  chain  configuration     -­‐during  crystallization  upon  cooling  through  the  melting  temperature,  chains   assume  an  ordered  configuration     -­‐for  linear  polymers,  crystallization  is  easily  accomplished  because  there  are  few   restrictions  to  prevent  chain  alignment     -­‐branched  polymers  are  never  highly  crystalline     -­‐network  and  crosslinked  polymers  are  almost  completely  amorphous  because   crosslinks  prevent  polymer  chains  from  rearranging  and  aligning     -­‐atactic  polymers  are  difficult  to  crystallize     -­‐isotactic  and  syndiotactic  crystallize  much  more  easily  because  of  regularity  of   geometry     -­‐copolymers:  the  more  irregular  and  random,  the  greater  the  tendency  for   development  of  noncrystallinity     -­‐alternating/block  copolymers  have  some  likelihood  of  crystallization     -­‐crystalline  polymers  are  usually  stronger  and  more  resistant  to  dissolution  and   softening  by  heat