Влияние структуры материала на его свойства

Твёрдые электроматериалы могут иметь различную структуру – кристаллическую, аморфную, композиционную.

Кристаллы характеризуются строгим повторением одинаковых пространственных ячеек и периодичностью электростатического поля. Кристаллы – это пример чистоты и порядка в мире атомов, они различаются формой пространственных решёток и обладают различными видами симметрии. Выделяют 6 кристаллических систем (рисунок 1.5) – кубическая, моноклинная, тетрагональная, триклинная, ромбическая, гексагональная. Атомы могут находиться в вершинах, в центрах граней, а также в центре объёмного тела. Образование каким-либо элементом или соединением определённой пространственной формы кристаллической решётки в основном зависит от размеров атомов и их валентности. Кристаллическая структура возможна при любом виде химической связи – ковалентной, ионной, металлической. У некоторых веществ, состоящих из ковалентных молекул, также можно заметить кристаллическую структуру. Слабую связь, возникающую между соседними молекулами при согласованном (синхронном) движении пар валентных электроновназывают молекулярной или связью Ван-дер-Ваальса. Молекулярные кристаллы отличаются малой прочностью и низкой температурой плавления (у парафина t _пл = 50 … 52 °С).

a = b = c; α = β = γ = 90°

a ≠ b ≠ c; α = β = γ = 90°

a = b ≠ c; α = β = γ = 90°

a ≠ b ≠ c; α ≠ β ≠ γ

b ≠ c; γ = 120° α = β = 90°

a ≠ b = c; α = β = 90° ≠ γ

Рисунок 1.5 – Формы кристаллов: а – кубическая; б – моноклинная; в –тетрагональная; г – триклинная; д – ромбическая; е – гексагональная

α

γ

β

a

b

c

а)

б)

в)

г)

д)

е)

Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких зёрен – кристаллитов. Монокристаллы обладают анизо­тропией; их реакции на электрические, магнитные, световые, механические и другие воздействия зависят от направ­ления этих воздействий относительно кристаллографи­ческих плоскостей и осей кристалла.

Поликристаллические вещества обычно изотропны, в пределах каждого зерна атомы расположены периодически, но при переходе от одного зерна к другому, на границах раздела, регулярное расположение частиц нарушается и, в общем случае, свойства вещества одинаковы во всех направлениях. Однако с помощью специальной обработки – текстурирования – по­ликристаллическому материалу может быть придана текстура – преимущественная ориентация составляющих их кристаллитов в одном направлении. Тексту­рованные материалы анизотро­пны и по некоторым свойствам приближаются к монокристал­лическим.

Полиморфизм. Некоторые твёрдые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свойство материалов называют полиморфизмом, а кристаллические структуры – полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при наиболее низкой температуре, принято обозначать греческой буквой α; модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозначают буквами β, γ и т. д.

Классическим примером полиморфизма является превращение на морозе белого олова (β-Sn) в серое (α-Sn), известное в технике как «оловянная чума». Особый интерес представляет полиморфизм углерода – существование его в виде алмаза или графита. В обычных условиях более устойчивой модификацией является графит, однако при повышении давления устойчивость алмаза растет, а графита падает. Если при высоком давлении повысить температуру, чтобы увеличить подвижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. Кроме этого, атомы углерода могут образовывать нити – карбины, плоские плёнки – графены, шаровые структуры – фуллерены, а также углеродные нанотрубки.

Особая чистота и правильное строение кристаллов обеспечивают наилучшие условия для проявления характерных свойств вещества, будь то проводник, полупроводник, диэлектрик либо магнитный материал. Однако в процессе затвердевания вещества атомы не всегда имеют благоприятную возможность располагаться упорядоченно, особенно, если охлаждение происходит быстро. Твёрдые тела, которые характеризуются случайным, хаотичным расположением частиц, называют аморфными. В отличие от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определённой температуры плавления и при нагреве постепенно размягчаются, теряя прочность.

Наглядным примером аморфных веществ могут служить стёкла и многие пластики. Несмотря на отсутствии периодичности в строении в стёклах можно наблюдать определённый ближний порядок, т. е. закономерное расположение ближайших соседей относительно каждого атома. При нагреве с последующим медленным остыванием (отжиге) может происходить «расстекловывание» материала, т. е. переход из аморфного в более устойчивое кристаллическое состояние. Такой материал называют ситаллом.

Композиционные материалы объединяют компоненты различной структуры, используя их достоинства и компенсируя недостатки. В них сочетаются механическая прочность, эластичность, тепловая или химическая стойкость одних составляющих с высокими электрическими и/или магнитными характеристиками других. Примером удачной композиции является конденсаторная керамика, представляющая собой смесь мелких кристаллов, соединённых аморфным стекловидным связующим. Ещё пример – пропитанная волокнистая изоляция, которая сочетает прочность волокон и высокие диэлектрические характеристики пропитки; это справедливо и для текстолита (стеклотекстолита), в котором связующий материал полимеризован, т. е. переведен в твёрдое состояние. В медно-графитных щётках сочетаются нагревостойкость и неприхватываемость графита с электропроводностью меди. В магнитодиэлектриках сочетаются магнитные свойства металлических порошков и изоляционные свойства связующей смолы. Соединением мелких кристаллов полупроводника карбида кремния с помощью связующего стекла получают вилит – материал, способный под действием импульса напряжения переходить в проводящее состояние, а после окончания импульса – восстанавливать свои изоляционные свойства.

Сведения о структуре электротехнического материала не менее важны, чем знание его химического состава. В электротехнике и электронике используются достоинства как кристаллических, так и аморфных материалов, однако создание композиций является наиболее интересным и перспективным направлением материаловедения.

ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ

1 По каким признакам и как классифицируют электроматериалы?

2 Что такое разрешённые уровни энергетического состояния электрона?

3 Как зависят от строения электронных оболочек атомов физико-химические, электрические и магнитные свойства элементов?

4 Объясните механизмы основных видов химической связи атомов:

а) металлической; б) ковалентной; в) ионной.

5 Что называют валентной зоной и зоной проводимости?

6 Чем различаются запретные зоны полупроводника и диэлектрика?

7 Назовите основные конструкционные и эксплуатационные свойства электротехнических материалов.

8 В чём различия между кристаллическими и аморфными материалами?

9 Что такое текстура? В чём польза текстурирования?

10 Что такое полиморфизм? Приведите примеры полиморфных веществ.

11 В чём особенности и достоинства композиционных материалов?