Рівні структури матеріалів

 

 

Міністерство освіти і науки України

Дніпропетровський національний університет імені Олеся Гончара Хімічний факультет

 

 

 

 

Індивідуальне завдання з дисципліни:

«Перспективні неорганічні матеріали» на тему:

«Рівні структури матеріалів»

 

 

 

 

 

 

Виконала

студентка групи. ХФ-14-1                                                       Мостова Є.А.

Перевірив доцент кафедри фізичної та неорганічної хімії к.х.н. Полонський В.А.

 

 

 

 

 

 

 

2017

 

 

Оглавление

 

1.

 

 

1.ВСТУПЛЕНИЯ

 

 

В материаловедении под термином "структура" подразумевают взаиморасположение элементов, составляющих тот или иной материал. 

Структура (строение, расположение, порядок) – совокупность устойчивых связей тела (объекта), обеспечивающих его целостность [1].

Наблюдать, измерять, анализировать структуру материала можно невооруженным глазом, а также с помощью различных световых и электронных микроскопов. При этом возрастает достигаемое увеличение изображения (от ~2 до ~200 000 раз) и выявляются новые детали структуры: от внешней формы образца, размера зерна в изломе – до отдельных дислокаций (и их ансамблей) при использовании трансмиссионного электронного микроскопа, и расположения атомных остовов – автоионного микроскопа.

 

 

 

 

 

 

 

2.УРОВНИ СТРУКТУРЫ МАТЕРИАЛОВ

 

В металлографии (науке, изучающей структуру металлов и сплавов) структура материала традиционно подразделяется на четыре уровня: макроструктура (~10-1 м); микроструктура (~10-4 м); субструктура (~10-7 м); тонкая структура (субмикроструктура) (~10-9 м). Современные достижения структурной химии и физики, а также механики привели к необходимости выработки общих подходов к иерархии структур: макроструктура (вид излома, дендритное и полиэдрическое строение, размеры зерен и их ориентация, ~10-3…~10-1м); мезо-структура (структура внутри зерен, дислокации и их ансамбли, дисклинации, ячейки, полигоны, их размеры и ориентация, ~10-7…~10-3 м); микроструктура (иначе – рентгеноструктура, точечные дефекты, размеры и тип кристаллических решеток, величиной

~10-10… ~10-7 м). Иногда, в зависимости от размеров структурных составляющих и применяемых методов их выявления, различают следующие уровни структурной организации материала: тонкая структура, субструктура, микроструктура и макроструктура [2].

Рис. 1: Шкала увеличений и реальные примеры использования микроскопов при изучении структуры материалов

Рис. 2: Иерархия структур материалов (по Л.И. Тушинскому): верхний ряд – традиционная классификация; нижний ряд – новый подход (интеграция химии, физики, механики и материаловедения)

Рис. 3 Иерархия основных понятий материаловедения и уровней структурной организации материала по традиционной и современной классификациям [3].

Главные выводы, которые можно сделать, анализируя рис. 4, представляющего вторую базисную инновацию материаловедения:

1. электронно-ядерная микроструктура является единой (общей по химической природе), базовой для любого вида металлического и неметаллического материала. 

2. отличия в структуре последующих уровней (и, естественно, свойствах), усиливаются, начиная с молекулярного и наноподуровней металлических и неметаллических материалов, и далее в мезо- и макроуровнях. А отсюда следует, что управление структурой и свойствами материалов в рамках единой модели химической связи также начинается с тонкой электронно-ядерной химической структуры, а конкретно через изменение локализации – делокализации обобществленных электронов в межъядерном пространстве, то есть через изменение степеней ковалентности - металличности – ионности конкреных химических связей элементов. Если начинает преобладать металличность, то образуется металл, а если ковалентность или ионность то - неметалл. Причем именно преобладание ковалентности над другими компонентами связи и обеспечивает образование молекулярных химических веществ, включая полимерные материалы [4].

 

3.СТРУКУРА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

 

Выделяют следующие структуры:

3.1. Микроструктура, которая в свою очередь делится на два подуровня:

3.1.1. Подуровень: электронно-ядерный. Данный подуровень является общим для всех материалов и образован элементами, размер которых лежит в диапазоне от ~1 до ~5 Å (0,0001–0,0005 мкм): атомными остовами, химическими связями (обобществленными электронами) и точечными дефектами. В металлических кристаллах сцепление атомных остовов в виде катионов металла обусловлено преимущественно металлическими химическими связями. В узлах кристаллической решетки находятся атомные остовы, связанные между собой обобществленными электронами. В результате для металлов характерна многоцентровая химическая связь с дефицитом электронов, в которой обобществленные электроны (в виде так называемого «электронного газа») обеспечивают связь с максимально возможным числом ядерных остовов (катионов) [5].

3.1.2. подуровень: наноструктура. Данный уровень образован наночастицами, фрагментами, блоками, а также линейными дефектами (дислокациями, дисклинациями и т.д.) При этом можно считать, что размер элементов, образующих наноструктуру, хотя бы в одном направлении может лежать в диапазоне от 1 до 100 (или 1000) нм. Область когерентного рассеяния соответствует пониженной интенсивности рентгеновских интерференций [6]. Предшествует образованию наночастицы, блока, фрагмента и, далее, субзерна и зерна. Может рассматриваться как граница между отдельными элементами типа наночастицы.

Таким образом, если на тонком уровне структуры еще нельзя было говорить о наличии фаз, то, начиная с наноуровня (и, далее, на мезоуровне) можно предположить появление фаз в структуре материала в виде наночастицы, полигона, блока, фрагмента, имеющих между собой границу раздела.

Под блоком обычно понимают небольшие участки в каждом из зерен (кристаллитов), в которых атомные остовы располагаются регулярно (правильно). Блоки разделены между собой линейными дефектами кристаллической решети – системами дислокаций. Дислокация – концентрация атомных остовов на определенном участке кристаллографического направления, нарушающая регулярность чередования атомных плоскостей. Блоки возникают при кристаллизации и деформации, фрагменты – при развитой пластической деформации металла в холодном состоянии и полигоны – в результате перестройки дислокаций при нагреве после холодной пластической деформации металла или во время пластической деформации в определенном диапазоне повышенных температур [2]. Дисклинация – линейный дефект в кристалле, представляющий собой область упругих искажений кристаллической решетки, связанный с поворотом на определенный угол одной части кристалла относительно другой в ограниченной области и вызывающий изменение взаимного расположения атомов, координационного числа и симметрии совершенного кристалла [7].

3.2. Мезоструктура. Данный уровень структурной организации металлов описывает внутреннее строение зерен, состоящих из отдельных блоков – субзерен. Размер субзерен колеблется в пределах от 1 до 100 мкм.

Субзерна образованы из блоков, фрагментов, полигонов, разделенных мало- и среднеугловыми субграницами. Они являются составной частью зерен (внутризеренная структура кристаллических металлических веществ) и характеризуются соответствующими размерами и углами взаимной разориентировки. Субзерна разделены между собой субграницами, образованными поверхностными дефектами – дислокационными ансамблями (рядами и сетками дислокаций). 

Зерна образованы из субзерен, соответственно имеют больший размер и, подобно последним, разделены между собой границами в виде поверхностных дефектов.

Поверхностные дефекты, особенно границы между разориентированными участками зерна, оказывают значительное влияние на механические свойства металлов. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения.

Рис.5: Иллюстрация структуры металла

3.3. Макроструктура. Данный уровень структурной организации металлов описывает строение кристаллов, видимое невооруженным глазом или с помощью лупы при небольших увеличениях (до 25– 50 раз): вид излома; дендритное и полиэдрическое строение; структуры, образованные зернами; волокна и т.д. Размер этих составных элементов макроструктуры определяет образование границ между ними в виде объемных дефектов, например, скопления вакансий, образующих поры (каналы), усадочных раковин, трещин и т.д [3].

 

4.СТРУКТУРА ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

 

4.1. Микроструктура:

4.1.1. подуровень: электронно-ядерный. Данный подуровень является общим для всех материалов и, как и в случае с металлическими материалами, образован элементами, размер которых лежит в диапазоне от ~1 до ~5 Å (0,0001−0,0005 мкм): атомными остовами, химическими связями (обобществленными электронами) и точечными дефектами.

Электронно-ядерная структура полимеров описывает расположение атомных остовов и обобществленных электронов в химическом соединении в виде индивидуальной олиго- или макромолекулы. При этом специфика электронно-ядерной структуры в полимерных материалах заключается в том, что обобществленные электроны характеризуются большей их локализацией на линии, соединяющей ядра или атомные остовы, обеспечивая образование дискретной частицы – олиго- или макромолекулы.

4.1.2. подуровень: молекулярный. Этот подуровень образован фрагментами макромолекул (атомными группировками), между которыми действуют более слабые (по сравнению с химическими) внутри- и межмолекулярные ван-дер-ваальсовые и водородные связи. Размер элементов, образующих молекулярный подуровень микроструктуры, лежит в диапазоне от ~5 до ~10 Å (0,0001−0,0005 мкм).

Макромолекула – индивидуальное высокомолекулярное химическое соединение, цепеобразующие элементы которого связаны направленными (ковалентными) химическими связями, характеризующееся многократным повторением одного или более типов атомов или групп атомов (составных звеньев) в цепи, в количестве, достаточном для проявления образуемым макромолекулами полимером комплекса специфических свойств, который остается практически неизменным при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев [8].

Олигомолекула отличается от макромолекулы меньшей степенью полимеризации (обычно не превышающей 100). Комплекс специфических свойств в олигомерах изменяется при добавлении или удалении одного или нескольких составных звеньев его олигомолекулы.

4.1.3. подуровень: наноструктура. К элементам, образующим наноструктуру в полимерах, можно отнести олиго- и макромолекулы, наночастицы, кристаллиты и ламели. Их размер лежит в широком диапазоне ~1–1000 нм. 

Ламели являются кристаллическими образованиями более крупного масштаба, характеризующимися пластинчатой формой. Для данного уровня структуры характерны линейные дефекты типа дислокаций в ламелях кристаллических полимеров или дисклинаций в аморфных полимерах. Присутствие дислокаций в кристаллах полимеров было, например, продемонстрировано благодаря муаровым картинам между ламелями при наблюдении в электронный микроскоп [9].

 

Фото 1: Сферолит малахита

Рис. 6: Принцип формирования ламелей при кристаллизации полимеров

 

 

4.2. Мезоструктура. Данный уровень структуры полимерных материалов составляют образованные ламелями небольшие аксиалиты, эдриты и сферолиты (размерами до нескольких десятков мкм). Дефектами, характерными для этого структурного уровня, можно, повидимому, считать поверхностные дефекты типа дислокационных ансамблей.

4.3. Макроструктура полимеров образована более крупными надмолекулярными образованиями в виде крупных аксиалитов, эдритов и сферолитов размерами от нескольких десятков мкм и выше. Для этого уровня структурной организации полимерных материалов характерны объемные дефекты типа трещин, пор и т.д [3].

 

5.ВЫВОД

 

Структура химическая (химическое строение) – пространственное расположение химических элементов (в виде атомных ядер или остовов) и характер распределения между ними обобществленных электронов в конкретном химическом веществе.

Элементы химической (тонкой электронно-ядерной) микроструктуры – атомное ядро или атомный остов и обобществленные электроны, определяющие специфику строения химических веществ или данного микроуровня материала.

Химический элемент – составная часть структуры (строения) химического вещества, объединяемая посредством любого типа химической связи (или их совокупности) в соответствующую целостную материальную систему. В металлических, ковалентных − молекулярных (полимерных, керамических и т. д.) и ионных (солях) веществах и материалах  химическими элементами их структуры являются атомные остовы или ядра (катионы и анионы), связанные обобществленными электронами. Вторичными элементами химической структуры молекулярных (и макромолекулярных) химических веществ являются агрегаты, ассоциаты, конгломераты в виде соответствующих надмолекулярных (физических) структур, а в металлах в виде «атомных» агрегатов и конгломератов, образующих соответствующие кристаллиты или зерна.

Элементы физической мезо- и макроструктуры – отдельные молекулы и макромолекулы, зерна и субзерна, блоки, полигоны и фрагменты,  аксиалиты, эдриты, сферолиты, дендриты, волокна и дефекты разных  уровней структурной организации.

 

6.СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

 

1. Структура материалов – [Електронний ресурс]. – Режим доступа: https://studopedia.su/4_5149_struktura-materialov.html
2. Тушинский Л.И. Структурная теория конструктивной прочности материалов /Тушинский Л.И. – Новосибирск: НГТУ. – 2004. – 400 с.
3. Сироткин О.С., Характеристики гомо- и гетероядерных связей тонкой электронно-ядерной структуры и их влияние на свойства металлических и неметаллических материалов/ Сироткин О.С., Сироткин Р.О., Трубачева А.М.. - Казань: КГЭУ. - 2009 г. – 302 с.
4. Сироткин О. С. Начала единой химии / Сироткин О. С. - Казань, изд. АН РТ «ФЭН». – 2003. - 252 с.
5. Сироткин О.С. Введение в материаловедение (начала общего материаловедения / Сироткин О.С. – Казань, КГЭУ.-  2002. – с. 212
6. Ржевская С. В. Материаловедение / Ржевская С.В. - Издание 2-е, стереотипное. М: МГТУ, 2000. – с. 422
7. Сироткин О. С. Материаловедение: Учеб. для вузов / Сироткин О. С. – 4-е изд. – М.: Логос, 2004. – . 424 с.
8. Шевченко А.В. Структура керамики. Энциклопедия неорганических материало/ Шевченко А.В. - Киев: Гл. ред. УСЭ. - 1977, т.2. - с.468-469;
9. Киреев В.В. Высокомолекулярные соединения / Киреев В.В. – М.: Высшая школа, 1992. – 512 с