Кристаллическое состояние, о котором мы говорили до сих пор
жүктеу/скачать 63,09 Kb.
|
АМОРФНЫЕ ТЕЛА И СТЕКЛА-2
|
АМОРФНЫЕ ТЕЛА И СТЕКЛА Кристаллическое состояние, о котором мы говорили до сих пор,— это лишь одна из возможных форм существования твердых тел. Достаточно оглядеться по сторонам, чтобы увидеть массу предметов, сделанных из некристаллических твердых веществ: деревянный стул, пластмассовая ручка, стеклянный стакан и многое другое. Помимо кристаллического состояния твердые вещества могут находиться в аморфном состоянии, или в состоянии стекла. Типичными представителями аморфных веществ являются пластмассы. Это вещества, построенные, как правило, из больших и гибких молекул. Такие молекулы, состоящие из 104-106 атомов, легко изгибаются, переплетаются с другими молекулами, скручиваются в клубок. Во многих случаях между молекулами возникают дополнительные нерегулярные химические ковалентные связи. Так построен всем известный полиэтилен. Это несомненно твердое вещество, состоящее из молекул, молекулярная масса которых колеблется от 3 • 104 до 5 • 105. Жесткость связи в таких молекулах не слишком велика, и при числе звеньев в цепи ^10 000 изгибы и переплетение молекул оказывают решающее влияние на структуру твердого полиэтилена. Типичным представителем стекол может служить кварцевое стекло. Его получают, достаточно быстро охлаждая расплавленный кварц. При понижении температуры жидкости частицы стремятся расположиться относительно друг друга в соответствии с законом роста кристалла, но в то же время с понижением температуры уменьшается подвижность частиц — увеличивается вязкость. Рост ионных кристаллов идет очень быстро, тогда как в системах с ковалентным характером связи в некоторых случаях заметное увеличение вязкости происходит раньше, чем начинается рост кристалла. В результате система затвердевает, но не превращается в кристалл, а сохраняется в виде переохлажденной жидкости. Таким образом, в отличие от истинно аморфного тела, стекло может быть реально переведено в кристаллическое состояние. Например, практически все стекла кристаллизуются, если их некоторое время выдерживать при температуре, близкой к температуре плавления. Основные отличия свойств стекол, как и аморфных веществ, от свойств кристаллов обусловлены нерегулярностью расположения частиц. Рассмотрим строение идеального кристалла, например кварца (рис. 7.18). Каждый атом кремния находится в тетраэдрическом окружении из атомов кислорода, каждый атом кислорода находится в общей вершине двух тетраэдров, все углы Si - О - Si строго одинаковы - это так называемый ближний порядок. Рис. 7.18. Структура кварца (д) и кварцевого стекла (б). Показана проекция решетки на одну из граней кристалла, в котором тетраэдры Si04 расположены по спирали Выберем произвольное направление от произвольной частицы. Например, проведем прямую через два ближайших атома кремния. Вдоль этой прямой и другие атомы кремния будут располагаться абсолютно правильно на одинаковых расстояниях. Вокруг этой прямой можно изобразить спираль, на которой столь же правильно будут располагаться атомы кислорода. Для идеального кристалла можно точно предсказать, какие частицы и как будут располагаться на произвольно выбранном расстоянии от произвольно выбранной частицы. Это так называемый дальний порядок. В аморфных телах и стеклах сохраняется ближний порядок, но отсутствует дальний. Например, в кварцевом стекле каждый атом кремния по-прежнему тетраэдри- чески окружен атомами кислорода, но несколько искажены расстояния Si - О и углы Si - О - Si, что приводит к полному нарушению дальнего порядка. Точно так же и в полиэтилене. Каждый атом углерода находится в тетраэдрическом окружении из двух других атомов углерода и двух атомов водорода, но взаимное расположение таких тетраэдров непредсказуемо. Отсутствие дальнего порядка на микроуровне сказывается и на физико-химических свойствах аморфных веществ и стекол. Эти твердые тела в отличие от кристаллов не имеют определенной температуры плавления - они размягчаются в достаточно широком интервале температур. Их характеризует изотропия свойств. Если разрушение кристалла происходит по межчастичным плоскостям и осколки кристалла ограничены плоскостями, то стекла разрушаются по произвольным направлениям и имеют, как говорят, раковистый излом. С химической точки зрения одни и те же вещества в аморфном и кристаллическом состоянии различаются, как правило, реакционной способностью, т. е. скоростью, с которой они вступают в химические реакции, и в аморфном состоянии вещества обычно более реакционноспособны. Кварцевое стекло — аморфная модификация окиси кремния (кремнезема) оно получается при плавлении чистого природного кварца (разновидностей кремнезема), поэтому его называют также плавленым кварцем.[c.185] Электроизоляционные стекла — аморфные термопластики, представляющие смеси различных окислов, обладают высокой химической стойкостью, теплостойкостью, прочностью и хрупкостью. Наибольший интерес представляет кварцевое стекло, обладающее высокими диэлектрическими свойствами и наименьшим коэффициентом линейного расширения среди всех известных веществ, что позволяет использовать изделия из кварцевого стекла в условиях резкой смены температур.[c.31] Так как типичными аморфными телами являются силикатные стекла, то часто аморфное состояние называют стеклообразным, понимая под стеклом аморфно (т. е. без кристаллизации) застывший расплав. Огромная вязкость стекол сохраняет их тысячелетиями без видимых признаков кристаллизации.[c.286] Металлические стекла, или аморфные сплавы, получают путем охлаждения расплава со скоростью, превышающей скорость кристаллизации. В этом случае зарождение и рост кристаллической фазы становятся невозможными и металл после затвердевания имеет аморфное строение. Высокие скорости охлаждения могут быть достигнуты различными методами, однако наиболее часто используется закалка из расплава на поверхности быстро вращающегося диска (рис. 177). Этот метод позволяет получить ленту, проволоку, гранулы, порошки. Получение аморфной структуры в принципе возможно для всех металлов. Наиболее легко аморфное состояние достигается в сплавах Al, Pb, Sn, Си и др. Для получения металлических стекол на базе Ni, Со, Fe, Мп, Сг к ним добавляют неметаллы или полуметаллические элементы С, Р, Si, В, As, S и др. (аморфообразующие элементы). Аморфные сплавы чаще отвечают формуле М 80 Х 20 , где М - один или несколько переходных элементов, а X - один или несколько неметаллов или других аморфообразующих элементов (Fe 80 P 13 C, Ni 82 P 18 , Ni 80 S 20). Аморфное состояние металлов метастабильно. При нагреве, когда подвижность атомов возрастает, протекает процесс кристаллизации, что постепенно приводит металл (сплав) через ряд мета- стабильных в стабильное кристаллическое состояние. Механические, магнитные, электрические и другие структурно-чувствительные свойства аморфных сплавов значительно отличаются от свойств кристаллических сплавов. Характерной особенностью аморфных сплавов являются высокий предел упругости и предел текучести при почти полном отсутствии деформационного упрочнения. Высокие механические свойства Высокими механическими свойствами обладают аморфные сплавы на основе кобальта. Аморфные сплавы нередко хрупки при растяжении, но сравнительно пластичны при изгибе и сжатии. Могут подвергаться холодной прокатке. Установлена линейная связь между пределом текучести и твердостью для сплавов на основе железа и кобальта. Прочность аморфных сплавов близка к теоретической. Это объясняется, с одной стороны, высоким значением о т, а с другой - более низкими значениями модуля упругости Е (на 30-50 %) по сравнению с кристаллическими сплавами. Аморфные сплавы на основе железа и содержащие не менее 3-5 % Сr обладают высокой коррозионной стойкостью. Хорошую коррозионную стойкость имеют и аморфные сплавы на основе никеля. Аморфные сплавы Fe, Со, Ni с добавками 15-25 % аморфообразующих элементов В, С, Si, Р используют как магнитно-мягкие материалы. Группы аморфных сплавов Магнитно-мягкие аморфные сплавы делят на три основные группы: аморфные сплавы на основе железа с высокими значениями магнитной индукции и низкой коэрцитивной силой (32-35 мА/см); железоникелевые сплавы со средними значениями магнитной индукции (0,75-0,8 Тл) и более низким значением коэрцитивной силы, чем у железных сплавов (6-7 мА/см); аморфные сплавы на основе кобальта, имеющие сравнительно небольшую индукцию насыщения (0,55 Тл), но высокие механические свойства (900-1000 HV), низкую коэрцитивную силу и высокое значение магнитной проницаемости. Вследствие очень высокого удельного электрического сопротивления аморфные сплавы характеризуются низкими потерями на вихревые токи - это их главное достоинство. Магнитно-мягкие аморфные сплавы применяют в электротехнической и электронной промышленности (магнитопроводы трансформаторов, сердечников, усилителей, дроссельных фильтров и т. д.). Сплавы с высоким содержанием кобальта идут для изготовления магнитных экранов и магнитных головок, где важно иметь материал с высоким сопротивлением износу. Область применения металлических стекол пока еще ограничена тем, что быстрым охлаждением (закалкой) из жидкого состояния их удается получить только в виде тонких лент (до 60 мкм) шириной до 200 мм и более или проволоки диаметром 0,5-20 мкм. Однако имеются широкие перспективы развития материалов этой группы. алюминиево стальная проволока (КАС-1А), никелево вольфрамовая проволока (ВКН-1). Композиционные материалы с неметаллической матрицей. Неме- таллическая матрица – это полимерные, углеродные и керамические материалы. В качестве полимеров используют эпоксидную, фенолформальдегидную и полиамидную матрицы. Упрочнителями служат стеклянные, углеродные, борные, органические, неорганические (нитевидные кристаллы оксидов, боридов, карбидов, нитридов) волокна; металлические проволоки; дисперсные частицы. Полимерные композиты по типу упрочнителя делят на стекло-, карбо-, боро- и органоволокниты. В слоистых материалах (см. рис. 8.3, в ) волокна, нити после пропитки связующим укладывают в плоскости, которые собирают в пластины. Изменяя способ укладки волокон, получают изотропный или анизотропный КМ. Стекловолокниты – это композит из синтетической смолы и стекловолокна (армирующего компонента). Неориентированные стекловолокниты – с коротким волокном, а ориентированные – с длинными волокнами. Этим придают стеклопластику высокую прочность. Карбоволокниты (углепласты) состоят из матрицы – полимерного связующего и упрочнителя – углеродных волокон (карбоволокон). Связующее – синтетический полимер (полимерный карбоволокнит) или карбоволокнит с углеродной матрицей – пиролитический углерод (кокс). Бороволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителя – борных волокон. Они имеют высокую прочность (выше, чем у карбоволокнитов) и твёрдость, тепло- и электропроводность, высокие химическую стойкость и сопротивление усталости. Они превосходят металл по вибропрочности. Органоволокниты состоят из полимерного связующего и упрочнителей – синтетических волокон. Они имеют высокую удельную прочность и жёсткость, устойчивы в агрессивных средах, малочувствительны к повреждениям. В горном машиностроении композиционные материалы применяют для изготовления фрикционных и антифрикционных деталей, бурового инструмента (коронки), деталей конвейеров, комбайнов, электродов, электроконтактов. 8.4. Металлическиестекла Металлические стекла (аморфные сплавы, стекловидные металлы, метглассы) – это металлические сплавы в стеклообразном состоянии, получаемые после охлаждения расплавов с большими скоростями (< 106 К/с). Металлические стекла – это «замороженные» расплавы, т.е. метастабильные системы и поэтому они кристаллизуются при нагревании до температуры около 0,5 Tпл . Образуют металлические стекла переходные металлы (Fe, Mn, Cr, Co, Ni), благородные и поливалентные неметаллы (C, B, N, Si, P, Ge), которые являются стеклообразующими. Металлические стекла однофазны, не имеют дефектов структуры (вакансий, дислокаций). У них высокая прочность, большая пластичность, вы- жүктеу/скачать 63,09 Kb. Достарыңызбен бөлісу:
|