Лекций_2_Микро_,_макро_,_наностуктура_композитных_материалов

1. Лекция 3,4. Микро-, макро-, наностуктура композитных материалов. Кристаллические и аморфные материалы. Монокристаллы и

поликристаллические вещества

2.

Под структурой или строением материалов
как физических тел понимают
пространственное расположение частиц
разной степени дисперсности и других
структурных элементов с совокупностью
устойчивых взаимных связей и порядком
сцепления их между собой.

3.

Макроструктура материала – строение, видимое невооруженным глазом
или при небольшом увеличении.
Различают следующие типы макроструктуры:
• Плотную однородную структуру имеют металлы, стекло и т.п.
• Конгломератное строение характерно для большинства природных и
искусственных каменных материалов когда отдельные зерна
заполнителя прочно соединены между собой прослойками вяжущего
вещества
Если зерна или частицы конгламерата контактируют через тонкие
прослойки вяжущей матрицы (сохраняя ее неприрывность), то такую
структуру называют контактной.
• Мелкопористая структура – система сообщающихся ячеек
заполненных газообразными веществами, например, керамические
материалы.
• Ячеистая структура – структура, которая характеризуется системой
изолированных несообщающихся ячеек, содержащих газообразхные
вещества, например, газобетон
• Волокнистая (слоистая) структура имеют материалы, у которых
волокна (слои) расположены параллельно одно другому присуща
древесине, изделиям из минеральной ваты и др.
• Рыхлозернистую структуру образуют отдельные, не связанные одно с
другим зерна, например, песок

4.

• Микроструктура – внутреннее строение
материалов, изучаемое с помощью специальных
приборов при большом увеличении изображения
с помощью электронного или оптического
микроскопа, например.
Рис. Алюминийматричный композиционный материал с
наночастицами фольфрама

5.

Рис. Микроструктура КМ с крупным (а)
мелким (б) зерном.

6.

Рис. Наличие в микроструктуре дисперсных частиц.
Дисперсные частицы – мельчайшие частицы, распределенные по структуре и
представляющие химические соединения металла с металлом, либо
металла с неметаллом (нитриды, оксиды, карбиды и т.п.).

7.

• В оптическом микроскопе изображение
формируется в отраженном свете при
увеличении от 100 до 2500 раз. С помощью
оптических микроскопов можно изучать
элементы микроструктуры размером не
менее 0,2 мкм

8.

В электронных микроскопах используются не
оптические, а электронные лучи с очень малой
длиной волны. Это позволяет изучать объекты до
0,2 – 0,5 нм. В настоящее время используются два
типа электронных микроскопов: ПЭМ –
просвечивающий электронный микроскоп и РЭМ
– растровый электронный микроскоп.
Рис. Композит с частицами неорганического
и/или органического пигмента и/или
наполнителя с эквивалентами диаметром
0,2-100 мкм.

9.

• Рисунок – Микрофотографии микроструктуры
композитов, армированных углеродными
волокнами, полоученные методом
электронной методом микроскопии

10. Полимерные пломбировочные материалы

Органическая полимерная матрица является основой композитов. Неорганический
наполнитель обеспечивает прочность материала. Силаны (поверхностно-активные
вещества) - это кремнийорганические соединения. Силаны наносятся на поверхность
неорганического наполнителя в заводских условиях. Силаны образуют химические
связи наполнителя с органической матрицей, обеспечивая их устойчивое соединение.
Свойства композитного
материала зависят от формы и
размеров частиц наполнителя. Знание
структуры композитов является
важным при выборе
пломбировочного материала.
Пломбы из макронаполненных
композитов плохо полируются,
изменяются в цвете, также
наблюдалось выраженное стирание
пломбы и зуба.
Большая суммарная площадь
поверхности частиц
наполнителя в
микронаполненных
композитах требует для
связывания большое
количество органического
матрикса, поэтому прочность
материала снижается

11.

• По своим физическим свойствам и
молекулярной структуре твердые тела
разделяются на два класса –
аморфные и кристаллические.
Аморфные тела
(затвердевающие смолы, пластики)
Особенность аморфных тел является
их изотропность
Молекулы и атомы в изотропных
твердых телах располагаются
хаотично, образуя лишь небольшие
локальные группы, содержащие
несколько частиц (ближний
порядок).
Приобретают текучесть при
нагревании, но не имеют строго
определенной температуры
плавления

12.

Кристаллические тела
Кристаллическая решетка- частицы
располагаются в строгом порядке,
формируя
пространственную периодически
повторяющиюся структуру
Элементарные ячейкиструктурный
элемент минимального
размера
Имеют строго
определенную
температуру плавления
Рис. Кристаллическая решетка
поваренной соли
Вся кристаллическая решетка может быть
построена путем параллельного переноса
(трансляции) элементарной ячейки по
некоторым направлениям

13.

• Рис. Простые кристаллические решетки: 1 – простая
кубическая решетка; 2 – гранецентрированная
кубическая решетка; 3 – объемноцентрированная
кубическая решетка; 4 – гексагональная решетка.

14.

В простой кубической решетке частицы
располагаются в вершинах куба.
В гранецентрированной решетке частицы
располагаются не только в вершинах куба, но и
в центрах каждой его грани (медь, золото).
В объемноцентрированной кубической
решетке дополнительная частица
располагается в центре каждой элементарной
кубической ячейки (железо).

15.

Элементарная ячейка – элемент объема из минимального числа атомов,
многократным переносом которого в пространстве можно построить весь
кристалл.
Элементарная ячейка характеризует особенности строения кристалла.
Основными параметрами кристалла являются:
- размеры ребер элементарной ячейки: a, b, c
-- периоды решетки T
– расстояния между центрами ближайших
атомов.
-углы между осями (α, β, ᵡ )
- координационное число (К) указывает на
число атомов, расположенных на ближайшем
одинаковом расстоянии от любого атома в
решетке

16.

Аморфные вещества подразделяют на
• витроиды (стекла) - это твердые тела в аморфном
состоянии, имеющие стекловидную
структуру(стекла образуются в результате
быстрого охлаждения, быстрое охлаждение
препятствует созданию упорядоченной
структуры)
• дисперсные системы - мельчайшие частицы
размером 10-7–10-9 м. к ним относятся
коллоиды, золи, краски, пасты и т.д.
• полимеры - вещества, характерной особенностью
которых является большой размер и большая
молекулярная масса молекул (молекулы
объединены в структурные единицы)

17. Идеальный и реальный кристалл

• Идеальным называется кристалл, каждый атом которого имеет
идентичное окружение соседних атомов, то есть определенное
их число и на строго фиксированном расстоянии. При
смещении идеального кристалла на величину трансляционного
вектора он совмещается сам с собой.
• Кристалл, часть атомов которого не имеет идентичного
окружения, является несовершенным, реальным. Области
нарушения правильного, идеального строения
кристаллической решетки называют дефектами.
• Дефект кристаллического строения – это нарушение в
периодичности расположения атомов в пространстве, в
результате которого не все атомы имеют одинаковое
окружение.
• К дефектам кристаллической решетки не относятся отклонения
атомов от равновесных положений вследствие тепловых
колебаний или упругих смещений.

18. Виды дефектов реальных кристаллов

• Структурные дефекты - это энергетически возбужденные
состояния кристаллической решетки, связанные с
нарушением строгой регулярности и способа заполнения
узлов кристаллической решетки.
• Примесные дефекты, как следует из определения,
обусловлены присутствием чужеродных атомов или
молекул.
• Собственные дефекты не меняют качественного состава
кристалла (меняться может лишь количественный состав).
Их возникновение связано с влиянием температуры,
механических радиационных и других видов воздействия
на твердую фазу.

19.

• Наиболее детальной является классификация дефектов по
геометрическим признакам.
• 1) Точечные дефекты малы во всех измерениях, их размеры по
всем направлениям не превышают нескольких атомных
диаметров (например, они состоят из одного атома (если это
атом примеси).
• 2) Линейные (одномерные) дефекты – это нарушение
линейной последовательности узлов решетки, вдоль которой
обрывается периодичность структуры.
• 3) Поверхностные (двумерные) дефекты – это ошибки в
наложение слоев атомов, а также границы, отделяющие
различные области идеальной или близкой к идеальной
периодической структуры кристалла.
• 4) Объёмные (трёхмерные дефекты) имеют в трех измерениях
сравнительно большие размеры, несопоставимые с
величинами атомных диаметров (например, к ним относятся
микропустоты, включения другой фазы, поры, трещины).

20. Монокристаллы и поликристаллы

Монокристаллы и поликристаллы
Поликристалл — это агрегат хаотически расположенных
кристаллов (кристаллитов) какого-либо вещества. Поликристаллами
являются многие естественные и искусственные материалы (минералы,
металы, сплавы, керамика и др

21.

Монокристалл — отдельный кристалл , имеющий
непрерывную кристаллическую решетку (в противоположность
поликристаллу — телу из сросшихся кристаллов). Форма
монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической решёткой и
условиями кристаллизации. Кристаллизация происходит вблизи
(конденсации) из газообразного (например иней и снежинки),
жидкого (наиболее часто) и твёрдого состояний с выделением тепла
(каменная соль, кварц, сапфир и т.д.).

22. Типы кристаллических решеток

23. Типы кристаллических решеток

Все вещества твердые!!!

24. Типы кристаллической решетки

• Если в узлах кристаллической решетки находятся атомы,
то эти вещества образуют атомный тип кристаллической
решетки (алмаз, бор, кремний оксиды алюминия и
кремния). По свойствам очень твердые и тугоплавкие,
нерастворимы в воде.
• Если в узлах кристаллической решетки
находятся молекулы, то эти вещества
образуют молекулярный тип кристаллической
решетки (при обычных условиях газы и жидкости: О2, HCl;
I2органические вещества).

25. Молекулярные кристаллические решетки

Йод
Вода
В узлах решетки находятся
молекулы.
Физико-механические
свойства:
- малая твердость,
прочность;
- низкие температура
плавления и кипения;
- при tкомн представляют
собой жидкость или газ;
- высокая летучесть

26. Ионная кристаллическая решетка

В узлах решетки ионы. Физикомеханические свойства:
- Относительно
высокатвердость и
прочность;
- Термостойкость;
- Тугоплавкость;
- Нелетучесть;

27. Кристаллическая решетка неметалла

Рис. Кварц – SiO2 кристаллическая
модификация (а), кварцевое стекло - SiO2
аморфная модификация

28. Структурные факторы, влияющие на свойства материалов:

• химический состав;
• фазовый состав;
• тип химических связей;
.