2.1. Загальні відомості

Матеріали, які використовуються в енергетичному обладнан­ні, електротехніці та електроніці, умовно поділяють на ►конст­рукційні, ► електротехнічні та ► спеціального призначення. До конструкційних належать у першу чергу залізовуглецеві сплави-сталі, чавуни й деякі сплави на основі міді (латуні, бронзи) та алю­мінію (дюралі і силуміни). Вони використовуються для виготов­лення деталей машин, апаратів, механізмів, будівельних констру­кцій тощо. Деякі конструкційні матеріали (латуні, бронзи та ін.) можуть застосовуватися як суто електротехнічні (провідникові) матеріали, а типові діелектрики (пластмаси, полімери) - для ви­готовлення конструкційних деталей (каркаси, котушки тощо).

* Електротехнічними називають матеріали, які проявляють специфічні властивості при дії електричного або магнітно­го полів чи їх сукупності.

За властивостями, які проявляються в електричному полі, ма­теріали поділяють на ►провідникові, ►напівпровідникові та ►діе­лектричні, а за відношенням до магнітного поля - на ►сильномагнітні і ►слабомагнітні.

Провідниковими є матеріали з сильно вираженою електропро­відністю. Умовно до провідникових зараховують матеріали з пи­томим електроопором с в межах від 10^-8 до 10^-4 Ом·м (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Наближені діапазони питомих опорів провідників, напівпровідників та діелектриків

Напівпровідниковими називають матеріали з питомою провід­ністю 10^-4 10⁺¹⁰ Ом·м. Вона сильно залежить від концентрації і виду домішок та зовнішніх енергетичних факторів (температури, освітленості та ін.)

Діелектриками називають матеріали, здатні до поляризації і в яких може існувати електростатичне поле. Питомий опір діелект­риків 10¹⁰ - 10¹⁸ Ом·м.

2.2. Особливості будови твердих тіл.

Будь-яка речовина може перебувати в одному з трьох агрега­тних станів: >твердому, >рідкому >газоподібному. Четвертим станом є >плазма - сильно іонізований газ. Агрегатний стан ха­рактеризується відношенням середньої потенціальної енергії ато­мів Е_п до середньої їх кінетичної енергії Е_к:

> Е_n /Е_k >>1 - для твердих тіл;

> Е_n/Е_к 1 - для рідин;

> E_n/E_k <<1 - для газів.

У газоподібному стані відстані між окремими молекулами ре­човини настільки великі, що молекули практично не притягують­ся одна до одної і, рухаючись хаотично, заповнюють весь можли­вий об'єм.

У твердих тілах і рідинах молекули розташовані компактно на міжмолекулярних відстанях і їх взаємне притягання набагато бі­льше, ніж у газах, внаслідок чого тверді тіла і рідини мають ста­лий власний об'єм.

Кристали. У твердих тілах атоми здійснюють тільки невеликі теплові коливання біля своїх рівноважних положень і можуть ство­рювати впорядковану періодичну просторову структуру. Таке регулярне розміщення атомів твердого тіла утворює кристаліч­ну ґратку.

* Тіла, які мають кристалічну ґратку, називаються твер­дими тілами.

Більшість природних і технічних твердих матеріалів є полікрис­талами, а окремі кристали названо монокристалами. Кристаліч­ні тверді тіла плавляться за постійної температури. Кристалічну

ґратку можна побудува­ти, вибравши для цього певний "будівельний" блок (цеглинку) - елементарну комірку (рис. 2.2), якщо її багаторазово зміщувати (транслювати) по трьох напрямках, подібно до по­будови стіни з цеглинок.

* Елементарна ко­мірка - найменша частинка кристала,

яка дає уявлення про Рис. 2.2. Побудова просторової всі характеристики ґратки кристала шляхом його структури (бу­дови). трансляції

Алотропічні перетворення. Найбільш поширеними серед конструкційних і електротехнічних матеріалів є > об'ємноцентрована, > гранецентрована кубічна Ґратки і > гексагональна Ґратка (рис. 2.3). Низка матеріалів може існувати в станах з різними кри­сталічними ґратками.

Рис. 2.3. Елементарні кристалічні ґратки: об'ємноцентрована

кубічна (а); гранецентрована кубічна (б); гексагональна

щільноукладена (в)

*Існування матеріалу в декількох кристалічних формах на­зивається алотропією, або поліморфізмом.

Алотропічна форма, яка існує при найбільш низькій темпера­турі, позначається через а, наступна - через S і т. д.

* Температура переходу з однієї модифікації в іншу назива­ється температурою поліморфного (алотропічного) пере­творення.

Так, залізо має дві температури поліморфного перетворення: 911 і 1392 °С. За температур нижче 911 °С залізо має об'ємноцентровану кубічну ґратку, а в діапазоні температур 911 - 1392 °С гранецентровану кубічну ґратку.

а) б)

Рис. 2.4. Кристалічна структура алмазу (а) і графіту (б)

Алотропічні перетворення можуть кардинально змінити вла­стивості матеріалу. Вуглець, наприклад, може існувати у вигля­ді алмазу (найтвердішого у природі матеріалу) і дуже м'якого графіту. Алмаз має тривимірну кристалічну структуру, яка ха­рактеризується тетраедричним розташуванням атомів вуглецю в ґратці (рис. 2.4, а). Кожний атом вуглецю зв’язаний з чотирма сусідніми атомами ковалентними зв'язками й утворює кристалі­чну структуру кубічного типу. Чистий алмаз є діелектриком. Графіт - типовий шаруватий кристал. У почергових плоских ша­рах атоми вуглецю зв'язані ковалентними силами і розташовані у вершинах шестикутників. Поміж шарами (рис. 2.4, б) діють сили Ван-дер-Ваальса, які значно слабші порівняно з ковалентними. Цим зумовлена анізотропія графіту, коли в площинах шарів та в

перпендикулярному напрямі фізичні та механічні властивості гра­фіту суттєво відрізняються. Внаслідок слабкої міжшарової взає­модії шари графіту легко зміщуються та від'єднуються. Графіт має високу температуру плавлення (3850 °С) і є добрим провід­ником електричного струму.

А

Рисунок 2.5 Площини в гратці

об’ємноцентрованого куба

нізотропія. Кристалічна ґра- тка складається з низки паралель­ них кристалографічних площин, розміщених одна від одної на пев­них відстанях. В окремих атомних площинах може бути розміщена різна кількість атомів (рис. 2.5), внаслідок чого властивості кристала в різних напрямках неоднакові.

* Різниця властивостей кристала в різних напрямках нази­ вається анізотропією.

Анізотропія може виникати і в полікристалічних тілах у про­цесі виготовлення деталей із застосуванням пластичної деформа­ції. Наприклад, у процесі волочіння або прокатування кристали видовжуються її орієнтуються переважно в напрямку найбільшої пластичної деформації.

Дефекти будови кристалічних тіл.

* У звичайних умовах кристалічні тіла складаються з вели­кої кількості кристалів, які називаються зернами.

Ці зерна по-різному орієнтовані в просторі і утворюють полі­кристал. Поверхні розділу зерен називаються границями зерна. Зерна в полікристалах не є "ідеальними" кристалами. Реальні кри­стали мають різні види дефектів.

Існують >точкові, >лінійні і У поверхневі структурні недоско­налості кристалічної ґратки.

* Точковими дефектами називаються такі недосконалості кристалічної ґратки, розміри яких близькі до розмірів ато­ ма. До точкових дефектів відносять вакансії (рис. 2.6, а), міжвузлові і домішкові атоми (рис. 2.6, б,

в)

Рис. 2.6 Точкові дефекти вкристалічній ґратці: а) вакансія; б)міжвузловий атом; в) домішковий атом втілення

*Вакансії - це незайняті атомами вузли кристалічної ґрат­ки, а міжвузлові атоми - це атоми, які вишили з вузлів ґрат­ки і розмістились між ними.

а)

Рис. 2.7. Схема атомно-кристалічної

структури твердого розчину:

а - заміщення; б - втілення

Д омішкові атоми мо­жуть або заміщувати ато­ми основного металу (домі­шки заміщення, рис. 2.7, а), або втілюватися у вільні місця ґратки (домішки вті­лення, рис. 2.7, б).

Точкові дефекти на­віть за незначної концен­трації суттєво впливають на фізичні властивості кристалів. Наприклад, тисячні частки атомного відсотка деяких домішок можуть у 10⁵ - 10⁶ разів змінити питомий електроопір чистих напівпровідникових кристалів, хоча зміна їх механічних властивостей буде незначною.

Лінійні дефекти мають малі розміри у двох вимірах (їх попере­чні розміри не перевищують декількох міжатомних відстаней), а їх довжина може досягати розмірів кристала. Ці недосконалості називаються дислокаціями. Розрізняють ►крайову (лінійну) і ►гвин­тову дислокації. Крайову дислокацію можна уявити (рис. 2.8), як край 3 півплощини (екстраплощини). Цей край (ядро дислокації) складається з ланцюжка атомів, розміщених перпендикулярно до поверхні рисунка, легко зміщується під дією незначних напружень,

прикладених перпендикуляр­но до ядра дислокації, вправо (вліво), і може утворювати зв'язки з ланцюжком атомів 1.

При цьому сусідня атомна площина стає напівплощиною й утворює дислокацію вздовж ланцюжка атомів 2, а екстраплощина 3 стає площи­ною (дислокація перемісти­лась на одну міжатомну від­стань). Необхідно пам'ятати, що сама екстраплощина не переміщується.

*Лінійні дефекти дуже сут­тєво впливають як на меха­нічні, так і фізичні властивості матеріалів

Рис. 2.8. Перспективне

зображення розміщення атомів

біля крайової дислокації. Крива

АБВ відображає залежність

міцності від кількості дислокацій

. Залежність міцності кристалів від густини дисло­кацій виражена кривою АБВ на рис. 2.8. Найвища міцність у без­дефектного кристала (точка А, рис. 2.8), а найнижча за густини дислокацій 10⁵ - 10⁸ (точка Б, рис. 2.8). В останньому випадку вони під дією незначних напружень легко переміщуються в крис­талі (міцність кристала мінімальна). Зростання густини дислока­цій викликає їх взаємне гальмування, і міцність матеріалу зрос­тає (точка В, рис. 2.8).

Аморфні тіла. Енергія кристала за впорядкованого розміщен­ня атомів менша, ніж за нерегулярного, тому кристалічний стан більшості твердих тіл - явище природне. Однак у процесі затвердівання матеріалу атоми не завжди мають можливість розмісти­тись регулярно.

*Тверді тіла, які характеризуються хаотичним розміщеням атомів (молекул), названі аморфними.

В аморфних тілах атоми коливаються навколо хаотично роз­міщених положень рівноваги і тому не утворюють кристалічну ґратку.

*Аморфні тіла - некристалічні і характеризуються ізо­тропністю властивостей за всіма напрямками.

До аморфних тіл належать: >природні (смола, бітум, опал, ян­тар та ін.) і >штучні (пластмаси, скло, желатина, плавлений кварц, бакеліт та ін.). Ізотропність аморфних тіл зумовлена хаотичним, не орієнтованим розміщенням у них атомів і молекул. Відмінність властивостей аморфних речовин від кристалів проявляється в плавному переході їх при нагріванні з твердого стану в рідкий, тобто при нагріванні аморфні тіла розм'якшуються поступово.

Аморфні тіла можна розглядати як переохолоджені рідини. Один і той же матеріал, наприклад кварц, може існувати в крис­талічному або аморфному стані (рис. 2.9).

а) б)

Рис. 2.9. Структури кристалічного кварцу (а) і аморфного кварцового скла (б)