Будівельне матеріалознавство
У тілах з менш упорядкованим або хаотичним розташуванням частинок, що властиво аморфних тіл, має місце лише місцева впорядкованість, яка не поширюється далі даної сукупності частинок. У цьому випадку говорять, що має місце ближній порядок. Хаотичність розташування частинок свідчить про нестійкому агрегатному стані системи, здатному змінюватися як під дією внутрішніх, так і зовнішніх чинників. Аморфні тіла, наприклад, не мають певної точки плавлення.
Кожному агрегатному стані відповідає певне співвідношення між потенційною і кінетичної енергіями частинок речовини. У твердих тіл потенційна енергія частинок більше кінетичної. Тому вони займають в тілі цілком певне положення щодо інших частинок і лише коливаються близько цих положень.
У газах кінетична енергія частинок перевищує потенційну, тому молекули газів завжди знаходяться в стані хаотичного руху. Сили зчеплення між молекулами відсутні, внаслідок чого газ заповнює весь наданий йому об'єм.
У рідин співвідношення між енергіями прагне до одиниці, т. Е. Частинки пов'язані один з одним, але не жорстко. Тому рідини володіють плинністю, але мають при даній температурі постійний обсяг. За будовою рідини нагадують аморфні тверді тіла; кожна частка рідини оточена однаковою кількістю найближчих сусідніх частинок, тобто для рідин характерний «ближній порядок» взаємодії частинок.
Отже, що ж таке мікроструктура і макроструктура? Іноді в будівельному матеріалознавстві згадують «мезоструктур». Узагальнюючи наявні висловлювання з даного питання. Г.І. Горбунов справедливо, на нашу думку, пропонує розрізняти тільки мікроструктуру і макроструктуру будівельних матеріалів. Мікроструктура - це структура матеріалу, яку можна розглядати, вивчати за допомогою оптичних, електронних, рентгеновсое тощо. Приладів; Макроструктура - це структура матеріалу, яку можна бачити неозброєним оком. Традиційно мікроструктуру поділяють на кристалічну, аморфну і аморфно-кристалічну.
Викладене вище дозволяє дати наступне визначення поняттю «кристалічна структура». Кристалічна структура - це така структура, якій властиво впорядковане розташування часток в суворо визначених точках простору, які утворюють кристалічну решітку. Ця впорядкованість дозволяє експериментально і теоретично повністю вивчити структуру твердого стану та явища, пов'язані з природою сил взаємодії в кристалічних тілах.
Для кожного кристала характерна анизотропность і різко виражена температура переходу в рідкий стан. Кристали характеризуються зовнішньої симетрією в розташуванні частинок, яка виражається наявністю трьох елементів симетрії: центру, осі і площини симетрії. Центр симетрії - точка, що ділить навпіл все сполучні між зовнішніми поверхнями кристала прямі лінії, проведені через неї з будь-якого напрямку. Площина симетрії ділить кристал на дві частини, які стосуються один до одного, як предмет до свого дзеркального відображення. Вісь симетрії - це така лінія, при повороті навколо якої на певний кут виходить повний збіг нового положення з колишнім. Чим більше елементів симетрії, тим вище зовнішня симетрія кристала. Ідеально симетричною фігурою є куля.
В даний час все різноманіття кристалічних форм по поєднанню елементів симетрії (сингонії) зводиться до семи типів: правильна (кубічна), трігональная, гексагональна, тетрагональна, ромбічна, Моноклінна і тріклінная. У таблиці 3.2. наведено класифікацію кристалів по сингонії.
Таблиця 3.2. Класифікація кристалів по сингонії
Багатьом речовин в кристалічному стані характерний поліморфізм. тобто здатність речовини існувати у вигляді кількох кристалічних структур з різними властивостями. Поліморфізм простих речовин називається аллотропией. Відомі поліморфні модифікації вуглецю (алмаз, графіт), кварцу (α-кварц, β-кварц), заліза, вольфраму та ін.
Якщо два різних речовини мають однакову кристалічну структуру, схожу хімічну формулу і не дуже сильно розрізняються за розміром складових їх частинок, то вони можуть утворювати змішані кристали. Такі речовини називають ізоморфними, їх здатність утворювати змішані кристали - изоморфизмом. Приклад: подібні за складом і структурі, але різні за властивостями є кристали каолинита Al2 O3. 2SiO2. 2H2 O, пірофілліта Al2 O3. 4SiO2. 2H2 O і монтмориллонита Al2 O3. 4SiO2. 3H2 O.
Реальні кристали. У звий практичної діяльності ми маємо справу з реальними крісталлмі, які відрізняються від ідеальних порушеннями (дефектами) кристалічної решітки, що утворюються в результаті зміни рівноважних умов росту кристалів, захоплення домішок при кристалізації, а також під впливом різного роду зовнішніх впливів.
Розрізняють такі дефекти:
точкові або нульмерние - це вакансії, междуузельние атоми тощо;
лінійні або одномірні - це дислокації (крайові, гвинтові);
поверхневі або двовимірні - це кордону зерен і двійників, міжфазні кордону, дефекти упаковки частинок, тріщини на поверхні (тріщини Гріффітса);
об'ємні або тривимірні - це порожнечі, включення другої фази та ін.
Точкові дефекти підрозділяються на енергетичні, електронні та атомні.
До енергетичних дефектів відносять фонони - кванти теплових коливань, які заповнюють кристали і розподіляються в них відповідно до умов теплового рівноваги. До цього ж типу дефектів відносять порушення решітки в результаті опромінення кристалів світловими, рентгенівськими та іншими променями.
До електронних дефектів відносять наявність надлишкових електронів або їх недолік.
До атомним дефектів відносять порушення у вигляді вакансій (дефекти по Шотки), зсувів (дефекти по Френкелю), надлишку або нестачі атомів, а також домішки сторонніх атомів.
Дислокаціями називають лінійні дефекти, що виникли в процесі росту або пластичної деформації кристала. Розрізняють крайові і гвинтові дислокації.
Освіта дислокацій в процесі росту кристалів відбувається в тих випадках, коли зростаючі назустріч блоки і зерна повернені один відносно одного. При зрощенні таких блоків утворюються надлишкові атомні площини - дислокації.
У процесі пластичної деформації відбувається не одночасний зсув атомів даної площини, а послідовне переміщення зв'язків між атомами, що лежать по обидва боки лінії ковзання. Такий перерозподіл зв'язків зумовлює рух дислокацій від однієї групи атомів до іншої. Кількість дислокацій в твердих кристалічних тілах дуже велике. Число дислокацій перетинають 1см 2 площі всередині кристала може досягати 10 4 -10 6 і більше.
Наявність дислокацій значно знижує міцність кристалів, на кілька порядків. Дислокації впливають на електричні, оптичні, магнітні та інші властивості матеріалів.
Разом з тим відмічено, що при певних умовах дислокації і інші дефекти кристалів збільшують міцність матеріалів. Це відбувається тоді, коли накопичено значну кількість дислокацій, які, взаємодіючи один з одним, заважають своїм розвитком і переміщенню. Переміщенню дислокацій перешкоджають також атоми домішок, межі блоків, різні відокремлені включення в решітки. Звідси ряд дослідників роблять висновок про позитивний вплив дислокацій на властивості міцності матеріалів. Мабуть, все таки, краще взагалі не мати дефектів, ніж мати їх у величезній кількості, яке кілька збільшує міцність матеріалу в порівнянні з деякою мінімальної міцністю, яку має матеріал при несприятливому числі дефектів. Міцність бездефектного матеріалу в сотні разів більше міцності матеріалу з «оптимальним» кількістю дефектів. Необхідно також відзначити можливість локального скупчення дислокацій, які можуть викликати місцеві концентрації напружень, які здатні утворити зародки мікротріщин (тріщини Гріффітса).
3.2. аморфна структура
Аморфна структура є одним з фізичних станів твердих тіл, Аморфні речовини характеризуються двома особливостями. По-перше, властивості таких речовин при звичайних умовах не залежать від обраного напрямку, тобто вони - ізотропні. По-друге, при підвищенні температури відбувається розм'якшення аморфного речовини і поступовий перехід його в рідкий стан. Точне значення температури плавлення відсутня.
Загальним для кристалічного і аморфного станів речовин є відсутність поступального переміщення частинок і збереження тільки їх коливального руху біля положення рівноваги. Різниця між ними полягає в наявності геометрично правильної решітки у кристалів і відсутності далекого порядку в розташуванні атомів у аморфних речовин.
Аморфний стан речовини, в порівнянні з кристалічним, завжди менш стійко і володіє надмірною запасом внутрішньої енергії. У зв'язку з цим, за певних умов, мимовільно здійснюється перехід з аморфного стан в кристалічний.
Тверді тіла в аморфному стані можна отримати двома шляхами. Перший шлях - швидке охолодження розплавів кристалічних речовин, переважно іонного і ковалентного будови. Типовий представник таких аморфних тіл - силікатні скла, бітуми, смоли та ін.
Другий шлях - диспергація кристалічних структур. В результаті диспергації кристалічних тіл утворюються аморфізованние дисперсії у вигляді колоїдів і розчинів. Руйнуючись або конденсуючись, дисперсії змінюють свій агрегатний стан. Пересичені розчини, наприклад, можуть перетворитися в гель і утворити полімер або кристалізуватися.
Аморфні речовини підрозділяють на вітроіди (скла), дисперсні системи і полімери.
Вітроіди - це тверді тіла в аморфному стані, мають склоподібну структуру. Як уже зазначалося, скла утворюються в результаті швидкого охолодження, переважно силікатних розплавів. Швидке охолодження перешкоджає створенню впорядкованої структури. Особливо, якщо молекули громіздкі, а швидкість охолодження велика.
Дисперсні системи - найдрібніші частинки розміром 10 -7 -10 -9 м. До них відносяться колоїди, золи (органозолі, гідрозолі), пасти, клеї мастики фарби, латекси тощо. До дисперсним аморфним систем відносяться також деякі гірські породи (діатоміт, опоки ), що мають загальну формулу SiO2. nH2 O; а також активний кремнезем, який утворюється в результаті розкладання глин при їх нагріванні.
Полімери - речовини, характерною особливістю яких є великий розмір і велика молекулярна маса молекул. Крім того, молекули об'єднані в структурні одиниці, що включають 10 3 -10 5 молекул-мономерів.