Введение в материаловедение: Учебное пособие

Description

В пособии дан обзор важнейших материалов, составивших материальную основу цивилизации ХХ века. Даётся представление о связях в твёрдых телах, об идеальных кристаллических структурах и дефектах кристаллических решёток. Рассмотрены термодинамические основы фазовых равновесий, фазовых переходов и простейшие диаграммы фазовых равновесий. На этой основе рассмотрены типы материалов, которые, как представляется, будут актуальными в ХХI веке: углеродные наноматериалы, наноматериалы на основе целлюлозы, пористые и кластерные материалы, аэрогели и, наконец, функциональные материалы. Учебное пособие адресовано студентам, специализирующимся в области физического материаловедения. Титул Глава 1 Глава 2 Глава 3 3.1. Характеристики элементарной кристаллической ячейки 3.1.1. Твердые материалы могут быть классифицированы в соответствии с порядком, в котором атомы или ионы расположены по отношению друг к другу. Если атомы расположены в повторяющемся периодическом порядке на больших атомных расстояниях, то такой матер... Существует чрезвычайно большое количество различных кристаллических структур, имеющих дальний атомный порядок; они варьируются от относительно простых структур для металлов до чрезвычайно сложных, как у некоторых керамических и полимерных материалов. ... 3.3.3. Текстура. В некоторых случаях желательно иметь поликристаллическое тело с явно выраженной анизотропией. При этом решетки всех или большинства кристаллов ориентированы в пространстве одинаково. Такая преимущественная ориентировка кристаллов назы... 3.3.4. Аморфные тела. Беспорядок в расположении атомов аморфных тел приводит к тому, что средние расстояния между атомами по разным направлениям оказываются одинаковыми. Поэтому аморфные тела изотропны. В этом отношении они сходны с жидкостями – атомы... Глава 4 4.2. Поверхностные дефекты кристаллических тел в) некогерентные межфазные границы – фазы настолько различны по своему строению, что их сопряжение невозможно (рис. 4.12); отсутствует общее размещение атомов на поверхности раздела (например, большеугловые границы зерен); для сопряжения требуются пер... В электронной микроскопии разработаны методы наблюдения планарных дефектов. Глава 5 Глава 6 Глава 7 Глава 8 Графит, если рассматривать его идеализированную структуру, представляет собой непрерывный ряд слоев, параллельных основной плоскости и состоящих из гексагонально связанных друг с другом атомов углерода (рис. 8.2). По взаимному смещению этих слоев в пл... Графит – вещество темно-серого цвета с металлическим блеском. Это один из самых мягких минералов. Описанная структура характерна для монокристалла графита. Реальные тела состоят из множества областей упорядоченности углеродных атомов, имеющих конечны... Глава 9 Глава 10 Глава 11 Аэрогели – нанопористые твердые тела, обладающие рядом исключительных физических свойств. Аэрогель состоит из частиц нанометрового размера, образующих случайную сеть с открытыми порами. Их пористость обычно весьма высока (более 80%), следствием чего ... Первые аэрогели из диоксида кремния были получены Кистлером в 1931 г. Отличительные свойства аэрогелей обусловлены их сетчатым строением, схематически изображенным на рис. 11.5. Кремниевые аэрогели состоят из небольших сферических кластеров SiО2 поряд... Рис. 11.5. Связь между двумя коллоидными частицами Хотя диоксид кремния SiО2, по-прежнему, остается основным материалом, используемым для создания аэрогелей, аэрогели аналогичной структуры изготавливаются и из других материалов. Кремниевые аэрогели характеризуются высокой оптической прозрачностью, бли... Гель представляет собой пенообразную твердую трехмерную сеть, поры которой заполнены другим веществом, обычно жидкостью. Если получение геля происходит в результате гидролиза и конденсации металла, алкоксида полуметалла или каких-либо других гидролиз... 11.3.2. Получение аэрогелей. Возможна такая технология приготовления аэрогеля (предложена в 1974 г. Cantin M. et al.). Исходным моментом в приготовлении аэрогеля является гидролиз и конденсация тетраметаксисилана Si(ОСН3)4, что осуществляется при рас... Для изготовления неорганическях аэрогелей используются оксиды практических любых металлов и полуметаллов (в том числе оксид алюминия, диоксид титана, диоксид циркония, двойные и тройные оксиды). Также могут создаваться и гибридные неорганическо-орган... Благодаря низким значениям показателя преломлениия, аэрогели могут применяться также в качестве разнообразных оптических покрытий, включая, например, покрытия солнечных элементов. Глава 12 Глава 13 ОГЛАВЛЕНИЕ 3.1. Характеристики элементарной кристаллической ячейки 45 4.2. Поверхностные дефекты кристаллических тел 66 Издается в авторской редакции Оригинал-макет подготовлен и тираж отпечатан в Издательском центре