Лекция 1 Введение Лекция 1.

Лекция 1 Введение

Лекция 1. Основные понятия в материаловедении. Классификация материалов. Физические свойства. Классификация функциональных материалов. Вещество – химический элемент и соединения химических элементов определенного состава. Элементы составляют основу материального мира, формируют все известные химические соединения. Фаза - совокупность всех гомогенных частей гетерогенной системы с постоянным составом и свойствами, отделенной от других частей системы межфазными границами. Состав – количественное соотношение элементов, фаз в веществе, системе. Материал – это вещество, обладающее свойствами, которые предопределяют то или иное его практическое применение.

Свойство объекта – его какое-либо качество, особенность, проявляемое им как реакция на внешнее воздействие (Fт, Fтр, Fупр, Q, Eвн, H, ядерное, химическое). Реакция фиксируется и оценивается через характеристики. Т. о. , одно свойство может быть количественно выражено через различные характеристики.

Характеристика Внешнее воздействие (Fт, Q, Eвн и др. ) Реакция (свойство) Объект

Классификация материалов - природные; - синтетические. Создаются из веществ, которые существуют в природе. Однако в первом случае (природные материалы) они используются как таковые (горные породы, природный графит, кварц), а во втором (синтетические материалы) являются результатом химического передела природного сырья. В отличие от природных материалов, число которых относительно невелико, синтетические материалы намного более разнообразны. Известно, что уже сейчас химики синтезировали свыше 10 млн. соединений. По составу: - неоганические (металлические, неметаллические); - органические; - композиционные.

Металлы и сплавы. Керамики. Материалы на основе простых веществ. Материалы на основе ионных соединения и ковалентных соединений. Стекла. Углеродные материалы. Полимеры могут быть природными и синтетическими. Среди природных органических материалов важнейшим является древесина. Синтетические полимерные материалы - пластмассы, эластомеры, химические волокна и полимерные покрытия. Композит – это сочетание матрицы и наполнителя, который армирует матрицу, придавая ей комплекс прочностных свойств.

С классификацией по составу непосредственно связана классификация материалов по структуре. Для кристаллических материалов это - классификация по типу их элементарной ячейки, для некристаллических материалов – по характеру ближнего порядка, строению и типу сочленения элементарных единиц.

Классификация материалов по типам или по форме. В наиболее упрощенном виде представляет собой детализированные способы разделения материалов на «кристаллические» и «некристаллические» .

К кристаллическим материалам, которые составляют большинство материалов, можно отнести монокристаллы, керамику, металлы, покрытия и пленки. Полимеры обычно относят к некристаллическим материалам, поскольку их фазовые диаграммы и физико-химическое поведение в определенной степени напоминает поведение стеклообразных систем. В то же время полимеры могут существовать и в кристаллическом состоянии. Наноматериал - особое промежуточное состояние вещества, состоящего из мельчайших кристаллитов с хотя бы одним из трех размером менее 100 нм, не содержащих линейных дефектов. Композитные материалы состоят из двух и более химически невзаимодействующих фаз. Наиболее сложна классификация материалов по их функциональной принадлежности (свойствам), поскольку функциональные свойства материалов весьма разнообразны и часто взаимно коррелируют друг с другом.

В середине XIX в. французский кристаллограф О. Браве предложил следующие условия выбора элементарной ячейки: 1) симметрия элементарной ячейки должна соответствовать симметрии пространственной решетки; 2) число равных ребер и равных углов между ребрами должно быть максимальным; 3) при наличии прямых углов между ребрами их число должно быть максимальным; 4) при соблюдении этих трех условий объем элементарной ячейки должен быть минимальным. На основании этих правил Браве доказал, что существует только 14 типов элементарных ячеек, которые получили название трансляционных, поскольку строятся они путем трансляции — переноса. Эти решетки отличаются друг от друга величиной и направлением трансляций, а отсюда вытекает различие в форме элементарной ячейки и в числе узлов с материальными частицами.

Наиболее общая классификация материалов включает их условное разделение на функциональные и конструкционные материалы.

Конструкционные материалы используются для создания разнообразных конструкций, включая высотные дома, пролеты мостов, трубопроводы, химические реакторы большой единичной мощности, машины, авиалайнеры, баллистические ракеты и т. д. С этой точки зрения наиболее важными являются механические свойства конструкционных материалов. Отличительной особенностью многих конструкционных материалов является крупнотоннажность их производства и взаимозаменяемость. Функциональные материалы – это материалы преимущественно с нелинейными физическими свойствами, такими как электрические, магнитные, оптические, «биологические» , «квантовые» , а также с самыми.

Особый случай собой биоматериалы. Их биоактивность, биорезорбируемость (или наоборот, биопассивность, биоинертность) можно считать «биологической функцией» . Однако при ближайшем рассмотрении оказывается, что биоматериалы – имплантанты, костезаменители, цементы и пр. – по своей сути гораздо ближе к конструкционным материалам, чем к остальным функциональным материалам. Тем не менее, «конструкции человека» не предполагают крупнотоннажного производства. Кроме того, сложность поведения любых материалов в «живой среде» , в организме человека, исключительно велика, поэтому подходы по экспериментальному и теоретическому исследованию биоматериалов отличаются от таковых для конструкционных материалов. В этом смысле биоматериалы принято рассматривать, как функциональные. Наноматериалы – достаточно обширный универсальный класс материалов, в которых вещество находится в особом, «наноразмерном» , состоянии.

Все свойства материалов удобно разделить на механические, физические и химические. Хотя во многом они обусловлены одними и теми же структурными особенностями вещества: электронное строение, химический и фазовый состав. Для описания механических свойств применяются модели классической физики, а описания механизмов проявления других физических свойств необходимо привлекать модели квантовой физики, потому что они (свойства) обусловлены особенностями взаимодействия большого числа микрочастиц, из которых состоит материал, как макрообъект

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Теплофизические • Теплоемкость • Теплопроводность • Тепловое расширение Электрические • Электропроводность • Диэлектрические свойства • Сверхпроводимость Магнитные Оптические

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ Теплофизические • Теплоемкость • Теплопроводность • Тепловое расширение Электрические • Электропроводность • Диэлектрические свойства • Сверхпроводимость Магнитные Оптические

Таким образом, конструкционные материалы применяются для изготовления изделий, которые в процессе своей эксплуатации испытывают механические воздействия, и долговечность которых определяется преимущественно их механическими свойствами. Функциональные материалы используются для изготовления изделий, которые в процессе экплуатации должны проявлять заданные физические свойства. Их механические характеристики не являются определяющими в отношении их долговечности.

Классификация твердофазных функциональных материалов 1. Материалы с электрическими функциями исключительно многообразны по свойствам. По уровню электронной проводимости все твердофазные материалы разделяют на три группы — проводники, полупроводники и диэлектрики. Различия между ними определяются характером химической связи и структурой энергетических зон, возникающих в результате взаимодействия атомов или ионов, составляющих кристаллическую решетку.

Среди диэлектриков следует выделить три основные группы: − классические диэлектрики, − пьезо- и сегнетоэлектрики, − твердые электролиты. Классические диэлектрики применяются в качестве электроизоляторов. Пьезоэлектрики поляризуются под влиянием внешних механических воздействий. Сегнетоэлектрики характеризуются самопроизвольной поляризацией, обусловленной асимметрией в расположении ионов, составляющих кристалл. Пьезоматериалы нашли широкое применение в качестве электромеханических и электроакустических преобразователей. Твердые электролиты имеют высокую ионную проводимость. До последнего времени наибольшее распространение имели электролиты с кислородной проводимостью на основе диоксида циркония.

2. Материалы с магнитными функциями Магнетизм твердых тел заключается во взаимодействии между собой спиновых моментов электронов ферромагнитных ионов и атомов в структуре материалов. По характеру взаимодействия с внешним магнитным полем вещества делятся на четыре группы — диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики и антиферромагнетики. Диамагнетики в отсутствии магнитного поля немагнитны. Их атомы которых не имеют магнитных моментов (все орбитальные оболочки заполнены, нет неспаренных электронов). В магнитном поле они приобретают незначительную отрицательную намагниченность. Примеры : кварц (Si. O 2), Ca. CO 3, вода.

Парамагнетики имеют атомы или ионы, которые обладают магнитным моментом за счет неспаренных электронов в частично заполненных орбиталях. Однако, спиновые моменты электронов атомов или ионов слабо взаимодействуют друг с другом и тепловые колебания атомов их дезориентируют. И если убрать магнитное поле, намагниченность парамагнетика будет равна нулю. Примеры парамагнетиков: глины, силикаты, карбонаты, сульфиды. У ферромагнетиков магнитные моменты атомов (ионов), принадлежащим к различным магнитным подрешеткам, сильно взаимодействуют, что приводит к их ориентации параллельно другу. В конечном итоге такой материал обладает большой намагниченностью даже в отсутствии магнитного поля. Железо, никель, кобальт и многие их сплавы являются типичными ферромагнитными материалами. Магнитная подрешетка – это подсистема, находящаяся в кристаллической решетке с одинаковым расположением магнитных ионов (атомов).

У антиферромагнетиков магнитные моменты атомов (ионов) также сильно взаимодействуют друг с другом, однако они ориентируются антипараллельно. В случае если магнитные моменты подрешеток полностью компенсируют друга, вещество является скомпенсированным антиферромагнетиком (Мn. О). Наибольший интерес представляют некомпенсированные антиферромагнетики (ферримагнетики). Среди них выделяются ферриты, основным компонентом которых является оксид железа. (Me. Fe 2 O 4, Me - Ni, Zn, Co). Ферриты были разработаны как альтернатива металлическим магнитам в связи с необходимостью снижения потерь энергии на перемагничивание. Такая замена возможна благодаря высокому электрическому сопротивлению многих ферритов. Высокое сопротивление приводит к значительному снижению вихревых токов и к снижению связанных с ними электромагнитных потерь, поскольку последние обратно пропорциональны электросопротивлению материала.

Все магнитные материалы можно условно разделить на магнитомягкие и магнитожесткие (постоянные магниты). Магнитные свойства и области применения материала определяются в первую очередь характером кривой намагниченности, которая представляет зависимость магнитной индукции (В) от величины напряженности магнитного поля (Н). Эта зависимость имеет гистерезисный характер и называется петлей гистерезиса. При уменьшении магнитного поля падение магнитной индукции B происходит не по первоначальной кривой намагничивания, а по кривой со значительно меньшей скоростью. Когда поле становится равным нулю, намагниченность частично сохраняется. Соответствующая ей индукция, равная Вr, называется остаточной магнитной индукцией или остаточным магнетизмом. Для снижения индукции до нуля необходимо приложить противоположно направленное поле напряженностью — Нс. Величина Нс называется коэрцитивной силой.

Магнитомягкие материалы предназначены для усиления полей — они должны быстро реагировать на приложение поля и создавать поле большой величины. Следовательно, магнитомягкие материалы должны обладать высокой намагниченностью насыщения, и узкой петлей гистерезиса с малой коэрцитивной силой. Магнитомягкие материалы – это, например высокочистое железо, сплавы Fe-Ni (пермаллой), марганец-цинковые и никель-цинковые ферриты со структурой шпинели. Они используются для создания сердечников трансформаторов, генераторов и головок магнитной записи. Магнитожесткие материалы характеризуются высоким остаточным намагничиванием (Br) и большой коэрцитивной силой, (Hc) а следовательно, и большой магнитной энергией. Среди магнитожестких фигурируют разнообразные сплавы, Sm. Co 5, Nd-Fe-B, a также никель-кобальтовые ферриты со структурой шпинели или гексаферриты бария и стронция со структурой магнетоплюмбита.

3. Материалы с оптическими функциями Среди разнообразных материалов с оптическими функциями в последнее время наибольший интерес привлекают светоизлучающие материалы и материалы для фотоники. Светоизлучающие материалы основаны на использовании явления люминесценции, т. е. излучения света веществом после поглощения энергии. Огромный интерес представляют светоизлучающие диоды. В этом случае используются широкозонные полупроводники типа Al. Ga. As (красный цвет), Al. Ga. In. P (красный, и желтый цвета), In. Ga. N (голубой и зеленый цвета). Сочетание дополняющих друга материалов позволяет создать мощный источник белого света. Светоизлучающие диоды имеют несомненные преимущества, в том числе низкие энергетические потери и высокую эффективность светоотдачи (>50%). Будучи относительно дорогими, они не подвержены эффекту старения и, как следствие, продолжительность их жизни почти на 2 порядка (105 ч) превышает обычные лампы накаливания.

Фотонные кристаллы. В отличие от электроники, в которой генерация, передача, прием и обработка сигналов осуществляется электронами, в фотонике те же операции осуществляются фотонами. Фотонные кристаллы - это пространственно упорядоченные системы со строго периодическим изменением диэлектрической проницаемости (строго периодическим изменением коэффициента преломления в масштабах, сопоставимых с длинами волн излучений в видимом (400 -700 нм) и ближнем инфракрасном диапазонах (1 -1, 5 мкм)). Указанная периодичность, по аналогии с электронной зонной структурой в регулярной кристаллической решетке, обуславливает возникновение фотонной запрещенной зоны - спектральной области, в пределах которой распространение света в фотонном кристалле подавлено во всех направлениях. Будучи прозрачными для широкого спектра электромагнитного излучения, фотонные кристаллы не пропускают свет с длиной волны, сравнимой с периодом структуры фотонного

4. Материалы с биологическими функциями В настоящее время рынок материалов с биологическими функциями невелик (около 1 млрд долларов в год), но прогнозируемый прирост составляет до 20% в год. Практические задачи для материалов с биологическими функцифми: − создание средств против остеопороза и носителей лекарств на основе наногидроксиапатита; − создание магнитных «наножидкостей» на основе магнитных материалов для направленной транспортировки лекарственных веществ в организме при помощи магнитного поля; − разработка средств лечения опухолевых заболеваний путем угнетения развития и уничтожения дефектных клеток ультрадисперсными веществами; поиск веществ, селективно кристаллизующихся и накапливающихся в раковых клетках.

5. Материалы с теплофизическими функциями В современной технике одинаково важны теплопроводящие и теплоизолирующие материалы, причем при решении каждой конкретной задачи, будь то постройка доменной печи или атомной электростанции, необходимы материалы с оптимальным сочетанием температуры плавления, теплоемкости, теплопроводности и коэффициента расширения.

Электропроводность металлов Зависимость между плотностью электрического тока (j) напряженностью электрического поля (E) описывается законом Ома: , (1) где – коэффициент удельной электропроводности [См]. Удельное сопротивление есть величина, обратная удельность проводимости: [Ом м]. Носители заряда в проводнике (электроны) движутся между соударениями с ускорением а под действием силы F=q. E. Выражение для плотности тока можно также записать в явном виде: , (2)

где n – число носителей заряда в единице объема, q – заряд носителя, vд – скорость дрейфа носителей заряда в электрическом поле. Скорость дрейфа заряда определяется выражением vд=(vн+vк)/2, где vн=0 – скорость заряда сразу после соударения, vк=a – максимальная скорость заряда перед следующим соударением. Тогда vд=( a )/2=(F )/2 m=(q E)/2 m, где m – масса заряда, – время свободного пробега заряда между соударениями. Потому выражение для плотности тока можно переписать, как (3) Приравнивая (1) и (3), получим: , (4) где [м 2/В с] – подвижность носителей заряда.

Подвижность носителей заряда есть одна из важнейших электрических характеристик материала, равная скорости движения носителей заряда в единичном электрическом поле. Время пробега свободного носителя заряда (электрона) определяется выражением =l/(vт+vд), где l – длина свободного пробега электрона, – среднеквадратичная скорость теплового движения электронов. Тогда можно записать выражение для удельной электропроводности в виде , (5) где v= vт+vд – полная скорость движения электрона, v>> vд.

Основы квантовой теории электропроводности Металл представляется как периодическая система атомных остовов, в которой движутся электроны, описываемые волновыми функциями Блоха. Электроны могут находиться только внутри зон разрешенных состояний, разделенных в большинстве случаев запрещенными зонами. Число энергетических уровней в зоне равно числу атомов в кристалле и составляет 1022 см-3. В металлах валентная зона заполнена электронами либо не полностью, либо перекрывается с зоной проводимости. Это определяет высокую электропроводность металлов. Заполнение электронами энергетических уровней в валентной зоне происходит в соответствии со статистикой Ферми-Дирака, которая описывается функцией , (6) где E – энергия электрона, F – уровень Ферми.

Функция (6) характеризует вероятность заполнения энергетических уровней электронами и может изменяться в пределах от 0 до 1. При Т 0 К, f 1, если E < F и f 0, если E > F Таким образом, уровень Ферми – это максимальное значение энергии которое может иметь электрон в металле при 0 К. При любых температурах, f =1/2, если E = F, f <1/2, если E > F и f >1/2, если E < F. Таким образом, при любых температурах кровни в энергетической зоне, расположенные ниже уровня Ферми, заполнены с большей вероятностью, чем уровни с E > F. Вероятность заполнения уровня с энергией, равной энергии Ферми, равна 0, 5, т. е. статистически этот уровень заполнен электронами наполовину. Выражение для определения уровня Ферми: , (7) где n – число свободных электронов в единице объема металла, m – эффективная масса электрона.

В квантовой теории электропроводности, как и в классической, величина электропроводности описывается выражениями (4) и (5). Особенность квантовой теории состоит в том, что свободные электроны в металле рассматриваются как электронный газ, подчиняющийся статистике Ферми– Дирака. Из этого следует, что электропроводность металлов обусловлена только незначительной частью валентных электронов, с энергией, близкой к уровню Ферми. Электроны, занимающие глубокие уровни, не могут участвовать к электропроводности, поскольку все высокоэнергетические уровни заняты. Поэтому в уравнении (5) скорость v есть скорость электронов с энергией Ферми v. F. Так как , то используя (7), имеем: (8)

После подстановки (8) в (5) получим выражение для коэффициента электропроводности металлов: (9) На практике для оценки проводимости чаще используется величина, обратная коэффициенту электропроводности – удельное объемное сопротивление: (10)

Видно, что удельное сопротивление металла определяется длиной свободного пробега электронов, которая зависит от их рассеяния на фононах и примесных атомах. В соответствии с правилом Матиссена, удельное сопротивление металла складывается из собственного, обусловленного фононным рассеянием электронов и примесного. В этом случае выражение для удельного сопротивления записывается следующим образом: , (11) где lф и lпр – длины свободного пробега электронов при фононном и примесном механизмах рассеяния. Для чистых металлов при температурах выше 0, 7 Д характерен фононный механизм рассеяния электронов проводимости.

Длина свободного пробега электронов выражается формулой Ландау: , (12) где m – масса атома, a – расстояние между атомами, – скорость звука в металле, Е – модуль Юнга, – плотность металла. Выразив n, v. F, F через плотность и атомную массу, получим: , (13) , (14) где A – атомный вес, mн=1, 7 10 -27 к. Г – масса нейтрона, Z – число валентных электронов, приходящихся на один атом.

Поставляя (14) и соответствующие константы в (10), получим выражение для расчета удельного сопротивления чистых металлов: (15) Для изготовления нагревательных элементов, термопарной проволоки, резисторов применяют металлические сплавы с высоким удельным электросопротивлением. Такие сплавы представляют собой твердые растворы замещения, в которых атомы основного компонента замещаются примесными атомами. Содержание примесного металла может достигать 50 ат. %. Поэтомы в этих материалах преобладает примесный механизм рассеяния электронов проводимости. В этом случае формула (11) преобразуется к виду: . (16)

Учитывая, что , nпр=n Ат. %, где Ат. % – атомный процент примеси подставляя соответствующие константы, получим окончательное выражение для расчета удельного сопротивления металлических сплавов: , [Ом м]. (17) Сечение рассеяния электронов определяется природой примесных атомов и от температуры не зависит. Поэтому, в отличие от чистых металлов, удельное сопротивление концентрированных металлических сплавов практически температурно не зависимо.