Строительные материалы и изделия

Структура и ее влияние на свойства материалов

В зависимости от скорости охлаждения расплава можно полу­чить вещество в кристаллическом или аморфном состоянии. Эти два состояния вещества отличаются атомной структурой и свой­ствами.

Кристаллическая структура. Кристаллическая структура образу­ется при очень медленном охлаждении расплава, когда атомы (ионы) имеют возможность перемещаться в пространстве и зани­мать наиболее устойчивые положения, в которых их потенциаль­ная энергия в силовом ноле окружающих атомов минимальна. Для удаления атома из вещества нужно сообщить ему энергию, доста­точную для преодоления удерживающих сил. Эта энергия характе­ризует силу связи атома в кристалле.

Располагаясь наиболее устойчиво, каждый атом оказывается окруженным соседями одинаковым образом. Линии, проведенные через центры атомов в трех направлениях, являются прямыми и образуют так называемую кристаллическую решетку, элементар­ная ячейка которой имеет форму, характерную для данного веще­ства. Далее мы рассмотрим кубическую решетку, которая бывает усложнена наличием атомов в центре объема каждой ячейки (объемно-центрированная решетка) или в центре каждой грани (гранецентрированная решетка).

Анизотропия кристалла — неравномерность свойств в разных направлениях — является следствием периодичности расположе­ния атомов в кристалле. От направления зависят не все свойства, а только те, которые характеризуются векторными величинами (прочность, упругость, теплопроводность, удлинение). Свойства, характеризуемые скалярными величинами, от направления не за­висят (плотность, теплоемкость, влажность и др.).

Анизотропия материалов обусловлена также их макростроени­ем, например расположением волокон древесины вдоль оси ство­ла.

Материалы, состоящие из большого числа случайно ориенти­рованных анизотропных кристаллических зерен, изотропны.

Полиморфизм (аллотропия) — способность некоторых веществ под действием температуры и давления изменять структуру крис­таллической решетки, образуя несколько аллотропических моди­фикаций одного и того же вещества. Хорошо известны две моди­фикации углерода: графит (один из самых мягких минералов) и алмаз (самый твердый минерал). Кварц (Si02) при нагревании до 573 °С переходит из р - в а-модификацию; затем при температуре 870 °С он переходит в тридимит, который при температуре 1 470 °С переходит в кристобалит. Явление полиморфизма часто наблюда­ется у металлов.

Изоморфизм — способность близких по составу веществ встра­иваться в кристаллическую решетку друг друга без изменения ее структуры, т. е. образовывать твердые растворы замещения (изо­морфные смеси).

В реальных кристаллах далеко не все атомы располагаются пра­вильным образом. В отдельных узлах кристаллической решетки ато­мы могут отсутствовать, образуя вакансии; некоторые атомы мо­гут находиться в междоузлии. В решетку могут быть внедрены чу­жие атомы — примеси.

Если одна из атомных плоскостей (совокупность атомов, нахо­дящихся в одной плоскости), начинаясь на одном конце кристал­ла, обрывается внутри его и не доходит до другого конца, то та­кой дефект называется краевой дислокацией.

Существует также винтовая дислокация — смещение атомов, при котором атомные плоскости образуют одну винтовую поверх­ность. Дефектом является также граница между зернами в кристал­лических материалах — зона перехода между кристаллами, повер­нутыми относительно друг друга на некоторый угол. Она пред­ставляет собой поверхность выхода дислокаций.

Вследствие наличия дефектов прочность реальных кристаллов на несколько порядков ниже, чем идеальных.

Аморфная структура. Аморфная структура образуется при быст­ром охлаждении расплава, когда атомы при переходе в твердое состояние не успевают образовать кристаллическую решетку, а остаются вблизи тех положений, которые занимали в жидкости. Аморфная структура не является совершенно беспорядочной. Не­кое подобие порядка наблюдается в ближайшем окружении ато­мов. Аморфное состояние вещества является термодинамически неустойчивым (метастабильным) в отличие от кристаллического состояния. Поэтому при нагреве, когда атомы приобретают опре­деленную подвижность, в аморфном теле происходит кристалли­зация. Термодинамическая неустойчивость обусловливает и более высокую химическую активность аморфных веществ.

Аморфные вещества прозрачны, так как не имеют границ между кристаллами, рассеивающих световые волны. Такие вещества на­зываются стеклами, а их структура — стеклообразной. В строи­тельстве применяются стекла, получаемые из минеральных и по­лимерных расплавов.

Структуры многофазных систем очень разнообразны. В самом общем случае они различаются по виду контактов между частица­ми.

Материалы с жидкой дисперсионной средой (на стадии фор­мования) имеют коагуляционную структуру со сравнительно сла­быми контактами, осуществляемыми через жидкую прослойку и допускающими сдвиг частиц относительно друг друга. Расстояние между частицами (толщина прослойки) зависит от концентрации дискретной фазы и составляет от 1 до 100 нм. К малоконцентри­рованным системам относятся многие лакокрасочные материа­лы, представляющие собой суспензии тонкодисперсных пигмен­тов и наполнителей в связующей жидкости. Высококонцентриро­ванными дисперсными системами являются бетонные и раствор­ные смеси, керамическая масса, мастики и др.

Для материалов с твердой дисперсионной средой характерны прочные контакты между «сросшимися» частицами. Структуру аморфных тел в этом случае называют конденсационной, а струк­туру кристаллических фаз — кристаллизационной.