Нестер Анна ТФ Строение твердых тел

Кристаллические и аморфные материалы Кристаллические тела остаются твердыми, т. е. сохраняют приданную им форму до вполне определенной температуры, при которой они переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении. Аморфные тела при нагреве размягчаются в большом температурном интервале, становятся вязкими, а затем переходят в жидкое состояние. При охлаждении процесс идет в обратном направлении.

Кристаллическая решетка Расположение частиц в кристалле : а – пространственное расположение ; б – схема Для описания элементарной ячейки кристаллической решетки используют шесть вели ­ чин : три отрезка, равные расстояниям a, b, с до ближайших частиц по осям координат, и три угла α, β, γ между этими отрезками.

Кристаллические системы элементов

Элементарные ячейки кристаллических решеток : а, г – гексагональная плотноупакованная ; б, д – ГЦК ; в, е – ОЦК

Анизотропия в кристаллах – это зависимость свойств кристалла от направления, возникающая в результате упорядоченного расположения атомов ( ионов, молекул ) в пространстве. Свойства кристаллов определяются взаимодействием атомов. В кристалле расстояния между атомами в различных кристаллографических направлениях различны, а поэтому различны и свойства.

Взаимодействие частиц в кристаллах Тип связи, возникающий между частицами в кристалле, определяется электронным строением атомов, вступающих во взаимодействие. Частицы в кристалле сближаются на определенное расстояние, которое обеспечивает кристаллу наибольшую термодинамическую стабильность. Расстояние, на которое сближаются частицы, определяется взаимодействием сил, действующих в кристалле.

Молекулярные кристаллы - кристаллы, в которых преобладает молекулярная связь, возникающая между любыми частицами ( ионами, атомами, молекулами ) Образование диполей при сближении атомов аргона

Ковалентные кристаллы При взаимодействии атомы обобществляют свои валентные электроны с соседними атомами, достраивая таким образом валентную зону. Каждая связь образуется парой электронов, движущихся по замкнутым орбитам между двумя атомами. Кристаллическая решетка алмаза (а) и графита (б)

Металлические кристаллы При взаимодействии валентные энергетические зоны атомов перекрываются, образуя общую зону со свободными подуровнями. Это дает возможность валентным электронам свободно перемещаться в пределах этой зоны. Валентные электроны обобществлены атомами в объеме всего кристалла. Явление полиморфизма – способность в твердом со ­ стоянии при различных температурах ( или давлении ) иметь различные типы кристаллических структур. Эти кристаллические структуры называют аллотропическими формами, или модификациями.

Ионные кристаллы При сближении атомов и перекрытии валентных энергетических зон между элементами происходит перераспределение электронов : электроположительный элемент теряет валентные электроны, превращаясь в положительный ион, а электроотрицательный – приобретает их, до ­ страивая тем самым свою валентную зону до устойчивой конфигурации, как у инертных газов. Таким образом, в узлах ионного кристалла располагаются ионы. Представитель этой группы – кристалл FeO, решетка которого состоит из отрицательно заряженных ионов кислорода и положительно заряженных ионов железа.

Кристаллическая решетка FeO: а – схема ; б – пространственное изображение

Нанокристаллические материалы Нанокристаллическими называют материалы с размерами кристаллов ( зерен или частиц ) менее 100 нм. По комплексу свойств они существенно отличаются от обычных материалов такого же химического состава, даже если структура последних является мелкозернистой с размером зерен в поперечном направлении не более 5 – 10 мкм. Свойства нанокристаллических материалов определяются размерами отдельных зерен, свойствами граничного слоя, а также коллективным взаимодействием основных составляющих структуры с поверхностными слоями частиц.

Способы получения нанокристаллических материалов Переработкой частиц размером < 100 нм методами порошковой технологии в компактный материал ; Кристаллизацией аморфных металлических сплавов в контролируемых условиях ; Рекристаллизационным отжигом интенсивно деформированных металлических сплавов. Порошки образуются в условиях, далеких от равновесия, поэтому их частицы являются неравновесными, в них запасена избыточная энергия по сравнению с обычным крупнозернистым материалом.

Жидкие кристаллы – это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы. Упорядоченная молекулярная структура возникает при достаточной подвижности молекул вещества, образующего жидкие кристаллы. Это необходимое условие достигается при плавлении или растворении вещества. В первом случае жидкие кристаллы называются термотропными, во втором – лиотропными. Жидкокристаллическое состояние называют также мезофазой, промежуточной фазой или мезоморфной фазой.

По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса : 1. Нематические кристаллы ( а ): молекулы выстроены в цепочки ; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла. 2. Смектические кристаллы ( б ): молекулы образуют параллельные слои, кото ­ рые легко смещаются один относительно другого. 3. Холестерические кристаллы ( в ): структура наиболее сложная : молекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы образуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса. Направление преимущественной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом.

Полимеры. Строение и классификация полимеров Полимерными материалами считаются вещества, молекулы которых состоят из многочисленных элементарных звеньев одинакового химического состава и строения. Такие молекулы называют макромолекулами. Макромолекулы могут соединяться при взаимодействии, образуя различные пространственные формы, так называемые надмолекулярные структуры. Надмолекулярными структурами называют структуры, формирующиеся в процессе укладки макромолекул с различной степенью упорядоченности. По степени упорядоченности структуры полимеры подразделяются на аморфные и кристаллические.

Структуры полимера: а – аморфная; б - кристаллическая По происхождению полимеры разделяют на : Природные ; Синтетические ; Искусственные. По химическому составу макромолекул различают полимеры : Органические ; Неорганические ; Элементоорганические.