строение (557054), страница 6
Текст из файла (страница 6)
15. Связи между атомами в слоях ковалентные, расстояния между атомами в гексагональных кольцах — 0,143 нм, между плоскостями действуют силы Ван-дер-Ваальса, расстояние между ними составляет 0,335 нм. Энергия связи в базисной плоскости составляет 506,1 кДж/моль, между слоями 83,6 кДж/моль. Это определяет анизотропию физических и механических свойств графита.
Соединения металлов с кислородом имеют, в основном, ионный характер, таким керамическим материалам как МйО, А!»О„ХгО» присуща кристаллическая решетка типа ХаС1. Известно, что в ионных кристаллах положительные и отрицательные ионы расположены в решетке периодически, так что каждый положительный ион окружен несколькими отрицательными и наоборот. Ионные кристаллы характеризуются сильным поглощением в инфракрасной области и низкой электропроводностью при низких температурах. Оксидные керамики имеют высокую твердость и высокую температуру плавления, повышающуюся с ростом заряда положительного иона.
Бескислородные соединения металлов переходных групп с металлоидами (С, Х, $1, В) обладают металлическими свойствами и называются металлоподобными (например, дисилицид молибдена, диборид циркония и т. п.), Соединения металлоидов между собою, имеющие свойства неметаллических материалов, называют неметаллическими (карбид кремния, нитрид бора и др.).
Металлоподобные бескислородные соединения (нитриды, многие карбиды и некоторые бориды переходных металлов) по кристаллической структуре представляют собой «фазы внедрения», в которых малые атомы металлоидов внедряются между атомами металлов, образующих одну из типичных металлических решеток: кубическую (гранецентрированную или объемногранецентрированную) или гексагональную Второй класс структур, к которым относятся все бориды н силициды переходных металлов, а также некоторые карбиды (ЯС) и нитриды, являются сложными слоистыми или цепочечными.
Ке- рамика этого типа обладает металлической проводимостью (бориды), чаще высоким электросопротивлением (ВХ) или полупроводниковыми свойствами '(5!С, Сг5!» и др.). й 4. Дефекты строения реальных кристаллов Представления о совершенной решетке не объясняют закономерности изменения целого ряда свойств. К этим свойствам, называе. мым структурно-чувствительными, относятся механические свойства, элеитропроводность (особенно у полупроводников), теплопроводность, коэрцитивная сила и др. Обычно динамические искажения, обусловленные тепловыми колебаниями, не относят к несовершенствам, но при этом подразумевают, что речь идет о реальном совершенном кристалле в отличие, с одной стороны, от идеального кристалла с его неподвижными атомами, образующими идеальную кристаллическую решетку, а с другой, от реального несовершенного кристалла, содержащего рассматриваемые ниже струитурные дефекты.
Именно для объяснения расхождений между теоретическими расчетами и фактически наблюдаемыми значениями свойств потребовалось ввести понятие дефектности структуры. Наиболее широко распространена классификация структурных дефектов в решетке кристалла на основе их пространственной протяженности. Точечныа дефекты: вакансии, межузельные атомы основы, примесные атомы замещения или внедрения.
К ним можно отнести различные носители зарядов, в частности пары противоположно заряженных точечных дефектов вакансия— ион в ионных кристаллах. Точечные дефекты имеют в трех кристаллографичесиих направлениях атомарные размеры. Вакансией (и) называют свободный узел решетки, который 'в совершенном кристалле должен быть занят ионом.
При образовании 1вакансии атомы, расположенные вблизи ее, смещаются к центру поры вследствие упругой деформации решетки, пропорциональной 1!)«», где Я вЂ” расстояние от вакансии. Поэтому объем ваиансии составляет в г. ц. к, металлах 50... 60 % от атомного объема (рис. 16). Атом может уйти из узла на поверхность кристалла или на какую-нибудь границу внутри кристалла. Образовавшуюся при этом вакансию называют дефектом Шоттии (рис. 16, а). Атомы, находящиеся вблизи поверхности, могут уйти в окружающую атмосферу (явление сублимации).
Вакансия также может образоваться при переходе атома из узла в междоузлие. Парный дефект «вакансия + межузельный атом», образованный вследствие перехода атома из узла решетии в междоузлие, принято называть дефектом или «парой» Френкеля (рис. 16, б). При образовании межузельного атома решетка претерпевает большое искажение. Точечные дефекты повышают энер- л гию кристалла, ибо на образование каждого дефекта затрачивается определенная энергия.
Основная доля энергии образования точечного дефекта связана с нарушением периодичности атомной структуры и сил связи между атомами. Согласно теоретическим расчетам, энергия образования вакансии в меди равна 1,2 эВ, а межузельного~,"„';„'„«;„~»ш""„"„"'м>'„"'фр,"„„",'. атома от 2,5 до 6,1 эВ. ля (б) В отличие от других типов структурных дефектов точечные дефекты могут существовать в кристалле в термодинамическом равновесии. Число вакансий, находящихся в равновесии при температуре Т, определяется по формуле: пlМ вЂ” ехр ( — Е(йТ), где и — равновесное число вакансий; У вЂ” число узлов решетки; Š— энергия образования одной вакансии; й — постоянная Больцмана.
Равновесная концентрация вакансий сильно возрастает с повышением температуры. Таи, например, концентрация вакансий в алюминии при температуре плавления составляет -10»»4 (ат.), а в полупроводнииах !О ' % (ат). Неравновесные точечные дефекты могут быть внесены в материал при облучении элементарными частицами с большой кинетической энергией, закалкой с высокой температуры, пластической деформацией, а также при отклонении от стехиометрического состава в некоторых интерметаллических соединениях. Если в результате упругого столкновения с частицей при облучении атом решетки приобретает энергию Е„превышающую пороговую энергию смещения Еж то он покидает свое место в решетке.
При этом образуется основная пара: смещенный (межузельный) атом и освобожденное им место в решетке — вакансия («пара» Френкеля). При облучении нейтроном и протоном справедливо следующее соотношение: Е» „= 4ЕМтl(М + т)', где Е и т — энергия и масса падающей частицы, а М вЂ” масса атома. Так, один нейтрон с энергией в ! МэВ образует порядка 6000 пар Френкеля в объеме алюминия, равном !О-«м'. Как указывалось ранее, смещение атома в решетке произойдет при условии Е, - Е«.
Для большинства твердых тел Е«имеет величину от !О до 30 эВ. Пияейные дефекты (имеют макросиопические размеры в одном измерении): дислокации, цепочки вакансий и внедренных атомов. Краевая дислокация. Если частично сдвинуть верхнюю часть кристалла под действием напряжения (т) (рис. ! 7, а) относительно нижней на одно межатомное расстояние, приостановив смещение в тот момент, когда сдвиг охватил лишь часть Я плоскости сколь- Рис.
!1. Скемм обравованив краевой (а) и вин«евой (б) лнслокаций жения, то л вертикальным атомным плоскостям иад плоскостью скольжения будет противостоять (и — 1) плоскостей под ней. Такой тип несовершенства кристаллического строения характеризуется наличием лишней атомной полуплоскости (экстраплоскости АА'В'В), вставленной в кристалл, и называется краевой дислокацией. Полуплоскость может находиться выше или ниже плоскости скольжения. В первом случае дислокацию условно называют положительной и обозначают в ядре знаком (1 ), а во втором — отрицательной (Г). Для определения величины и направления сдвига атомов в кристаллической решетке при образовании дислокации вводится понятие о векторе и контуре Бюргерса. Если в совершенной решетке через атомы провести замкнутый контур, а затем точно такой же контур (с тем же числом «шагов» в каждом направлении) построить вокруг краевой дислокации (12345), то он имеет разрыв, величина и направление которого соответствуют вектору Бюргерса Ь (рис.
!7, а). Вектор Бюргерса краевой дислокации параллелен направлению скольжения и перпендикулярен линии дислокации (АВ). Винпк)вая дислокация, При образовании винтовой дислокации в решетке последняя из системы дискретных параллельных плоскостей превращается в непрерывную геликоидную поверхность, один оборот по которой в направлении контура Бюргерса (123456) дает отклонение от исходной точки на величину, соответствующую вектору Бюргерса Ь (рис. 17, б). В случае винтовой дислокации направление скольжения, вектор Бюргерса и линия дислокации (00') взаимно параллельны. Однако при деформации линия дислокации перемещается перпендикулярно направлению скольжения, Улругив свойсл)ва дислокаций.
В результате приложения к кристаллу внешних напряжений появляется сила (/о), действующая на дислокацию внутри кристалла, равная произведению напряжения сдвига т на вектор Бюргерса Ь: Р = тЬ. Минимальное касательное напряжение т„, необходимое для скольжения дислокации в кристалле (напряжение Пайерлса), является периодической (в первом приближении — синусоидальной) функцией относительного смещения соседних плоскостей и оп. ределяется выражением *: йнм 20 т„= — в я (1) 1 — р где о) — ширина дислокации, о) = а/(1 — )а); 0 — модуль упругости при сдвиге; )а — коэффициент Пуассона; а — расстояние между соседними атомными плоакостями, в которых происходит скольжение.
Под шириной дислокации а) понимают протяженность области с искаженной решеткой, в которой смещения атомов превышают половину максимального смещения атома. Для металлов 2Ь ( о) ( 1ОЬ. Чем шире дислокации, тем меньше требуется сила, расходуемая на ее перемещение. Ширина дислокации зависит от природы сил межатомного взаимодействия. При ненаправленных межатомных связях (типичные металлы) дислокации должны быть широкими. Если принять 1« = 0,31, а = Ь, то т„ж 2 10 ' 6. Дислокации представляют собой малые центры внутренних напряжений в материале, а следовательно, являются областями с запасенной упругой энергией.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
