ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 22.08.2024
Просмотров: 364
Скачиваний: 0
Полные дислокации легко перемешаются под действием напряжений в отличие от частичных дислокаций, у которых вектор Бюргерса меньше межатомного расстояния.
Внутри кристалла дислокации связаны в единую объемную сетку; в каждом узле сетки соединены три дислокации и сумма их векторов Бюргерса равна нулю.
В кристаллах содержатся дислокации разных знаков, различающиеся ориентацией векторов Бюргерса. Дислокации одного знака, расположенные в одной плоскости, отталкиваются друг от друга, а противоположных знаков
— притягиваются.
Плотность дислокаций — это суммарная длина всех линий дислокаций в единице объема. В полупроводниковых кристаллах она равна 104 — 10 5 см- 2, у отожженных металлов — 10 6 — 10 8 см-2. При холодном пластическом деформировании плотность дислокаций возрастает до 1011 - 1012 см-2. Попытка увеличить плотность свыше 1012 см-2 быстро приводит к появлению трещин и разрушению металла.
Дислокации возникают при кристаллизации, плотность их большая, поэтому они значительно влияют на свойства материалов. Дислокации наряду с другими дефектами участвуют в фазовых превращениях.
Вдоль дислокаций скорость диффузии на несколько порядков выше, чем сквозь кристаллическую решетку без дефектов. Дислокации служат местом концентрации примесных атомов, в особенности примесей внедрения, так как это уменьшает искажения решетки. Примесные атомы образуют вокруг дислокации зону повышенной концентрации — так называемую атмосферу Коттрелла, которая мешает движению дислокаций и упрочняет металл.
Особенно велико влияние дислокаций на прочность кристаллов. Благодаря подвижным дислокациям экспериментально определенный предел текучести металлов в 1000 раз меньше теоретического значения. При значительном увеличении плотности дислокаций и уменьшении их подвижности прочность увеличивается в несколько раз по сравнению с отожженным состоянием. Прочность бездефектных участков (в том числе длинных и
тонких «усов», полученных кристаллизацией из газовой фазы) приближается к теоретической (рис. 1.20).
ПОВЕРХНОСТНЫЕ ДЕФЕКТЫ
Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников.
Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.21), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1 — 5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются болыиеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (см.
рис. 1.21, а).
Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен (блоков). Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения, а его границы — стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна (см. рис. 1.21, б). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5°), поэтому такие границы называются
малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси. Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, огра-
ниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВCABCAB..., а при прохождении через дефект упаковки слои чередуются в последовательности ABCВСABC... Чередование слоев ВСВС...типично для кристаллов с ГП решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГП решеткой в ГЦК решетке.
Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести σт связан с размером зерен d зависимостью σт = σ0+kd-1/2, где «то и А; — постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзерен.
Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещение их в кристаллах, изменение концентрации дефектов — все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение.
ЖИДКИЕ КРИСТАЛЛЫ
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.
Жидкие кристаллы образуются органическими веществами, молекулы которых имеют удлиненную форму и проявляют определенную жесткость вдоль продольной оси. Повышению жесткости способствуют плоские сегменты в самих молекулах, например бензольные кольца. Наличие полярных групп на концах молекул (или легко поляризуемых групп атомов) также способствует появлению жидкокристаллического состояния.
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, возникшее при плавлении органического вещества, сохраняется от точки плавления вещества до точки перехода в изотропную жидкость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную
точку существования жидкого кристалла часто называют точкой просветления.
Жидкокристаллическое состояние называют также мезофазой, промежуточной фазой или мезоморфной фазой.
У лиотропных кристаллов температурный интервал жидкокристаллического состояния зависит от вида и количества растворителя. Структурными единицами жидких кристаллов являются либо удлиненные молекулы растворенного вещества, либо мицеллы — ассоциированные группы молекул. Мицеллы обычно имеют форму дисков; параллельность нормалей к поверхности мицелл — характерный признак жидкокристаллического состояния.
Для получения жидких кристаллов наряду с отдельными веществами используют смеси веществ. Для смесей характерно понижение точки плавления и расширение интервала температур, в котором существуют жидкие кристаллы.
По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса: тематические; смектические н холестерические.
Внематических кристаллах (рис. 1.22, а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла.
Всмектических кристаллах (рис. 1.22, б) молекулы образуют параллельные слои, которые легко смещаются один относительно другого.
Вхолестерических кристаллах (рис. 1.22, б) 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.
Среди жидких кристаллов наблюдается полиморфизм. Например, известны несколько разновидностей смектических кристаллов, различающихся расположением молекул. При нагреве полиморфных жидких кристаллов одна
форма сменяет другую, общим является появление нематических кристаллов в определенном интервале температур перед точкой просветления.
Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию. Так, показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электросопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их значения (например, параллельно или перпендикулярно осям молекул).
Ориентация молекул в жидком кристалле зависит от состояния поверхности той емкости, в которой находится жидкий кристалл. В зависимости от обработки поверхности молекулы могут быть ориентированы параллельно или перпендикулярно этой поверхности.
Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, механических нагрузок, электрических или магнитных полей, нагрева. Критические значения воздействий на жидкие кристаллы на несколько порядков меньше воздействий на изотропную жидкость, необходимых для создания в ней упорядоченной структуры. Эта особенность жидких кристаллов позволяет изменять исходную структуру и управлять свойствами путем слабых воздействий, что делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов.
Изменение структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул. Причем на такие перемещения требуется 1-10 мс, а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время — 20 — 200 мс. Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 2-
5кГц).
Вжидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под действием электрического поля достаточной напряженности, появлением турбулентного перемешивания молекул и увеличением прозрачности. Жидкие кристаллы используют в цветных индикаторах и других цветовых устройствах. Для цветных изображений применяют смеси жидких кристаллов с красителями, также имеющими продолговатые молекулы. При низкой напряженности поля молекулы жидкого кристалла размещаются перпендикулярно электродам ячейки и увлекают за собой молекулы красителя. В таком положении окраска не видна. При вращении молекул под влиянием поля более высокой напряженности молекулы красителя окрашивают изображение в определенный цвет. В жидких кристаллах третьего класса при нагреве шаг спирали увеличивается, что меняет условия интерференции света на кристаллах и сопровождается изменением окраски отраженного света.
Оптические характеристики кристаллов весьма разнообразны, в среднем длина волны отраженного света при нагреве на 1 ° С уменьшается на 1 —
2нм. Эту особенность используют для регистрации и измерения стационарных и медленно меняющихся температурных полей. При этом учитывают как увеличение прозрачности при переходе жидкого кристалла в
изотропную жидкость, так и изменение цвета отраженного потока света. По изменению окраски можно различать разницу температур 0,1 — 0,2
° С на площадках диаметром около 1 мкм. Температурные датчики на холестерических жидких кристаллах используют при неразрушающем контроле, в частности при испытаниях на усталость, когда местная пластическая деформация сопровождается повышением температуры.
На основе жидких кристаллов изготовляют медицинские термометры, датчики температуры для контроля перегрева узлов и деталей, преобразователи невидимого инфракрасного излучения в видимый свет. В последнем случае поглощение инфракрасного излучения нагревает жидкий кристалл так, что изменяется окраска отраженного света. Жидкие кристаллы применяют в модуляторах, системах отображения информации — калькуляторах, ручных часах, измерительных приборах автомобилей, устройствах для отклонения светового потока и др.
СТРУКТУРА НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ
СТРОЕНИЕ ПОЛИМЕРОВ
Полимерами называются вещества с большой молекулярной массой (≥104), у которых молекулы состоят из одинаковых групп атомов — звеньев (рис. 1.23). Каждое звено представляет собой измененную молекулу исходного низкомолекулярного вещества — мономера.
В зависимости от характера связей между линейными молекулами полимеры разделяют на термопластичные и термореактивные.
Первые способны многократно размягчаться при нагреве и твердеть при охлаждении без изменения своих свойств, вторые при нагреве остаются твердыми вплоть до полного термического разложения.
Это различие поведения при нагреве объясняется тем, что у термопластичных полимеров между молекулами действуют относительно слабые силы Ван-дер-Ваальса. При нагреве связи между молекулами значительно ослабляются, материал становится мягким и податливым. У термореактивных полимеров кроме сил Ван-дер-Ваальса имеются поперечные ковалентные связи между молекулами. Благодаря им термореактивный материал остается твердым при нагреве.
Линейные молекулы имеют главные цепи и боковые группы (см. рис.
1.23). При молекулярной массе 104 — 10 6 в линейной молекуле объединяются сотни звеньев и длина главной цепи во много раз больше размеров боковых групп. Боковые группы образуют атомы (водород, галоиды), радикалы (ОН-, CN-, С6Н5- и др.), короткие полимерные цепи из нескольких звеньев. Очевидно, что при наличии боковых групп нескольких видов имеются возможности разместить их вдоль главной цепи как неупорядоченно, так и в определенном порядке. Полимеры с неупорядоченным чередованием групп называются нерегулярными, а с упорядоченным — регулярными.
Структура молекул определяется способом производства полимера. При обработке полимеров (нагрев, растворение и т.д.) структура молекул почти не изменяется, и нельзя, например, нерегулярный полимер сделать регулярным. Общая структура полимеров складывается из структуры молекул и надмолекулярной структуры, т.е. взаимной укладки линейных молекул в полимерном веществе. Надмолекулярная структура появляется под влиянием сил притяжения между молекулами и теплового движения самих молекул. Для нерегулярных полимеров характерны пачечные структуры, когда на сравнительно больших участках главные цепи соседних молекул располагаются параллельно. У регулярных полимеров типичными надмолекулярными структурами являются кристаллы.
Макромолекулы в полимерном веществе не упакованы плотно, и мерой плотности упаковки является так называемый свободный объем, т.е. разность между фактическим удельным объемом вещества и теоретическим удельным объемом при самой плотной упаковке. При нагреве свободный объем увеличивается. В зависимости от свободного объема полимерное вещество находится в одном из физических состояний: стеклообразном, высокоэластичном, вязкотекучем. Переходы из одного состояния в другое происходят без выделения или поглощения теплоты. Температуры переходов называются температурами стеклования tCT и текучести tТек.
Различия между физическими состояниями полимеров наглядно проявляются при деформировании (рис. 1.24). В стеклообразном состоянии I повороты вокруг связей в макромолекулах затруднены, полимер является упругим твердым телом.