Нурт_Стоматологическое материаловединие

АТОМНОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

23

нтно связанные элементы образуют стабильные моле­ кулы, и большинство элементов, соединенных с по­ мощью ковалентных связей, представляют собой газ или жидкость. К этим соединениям относятся вода, кислород и водород. Вода переходит в твердое состояние при 0°С, и для того, чтобы это стало воз­ можным, должны существовать какие-то дополни­ тельные силы притяжения между молекулами воды, но эти силы не будут являться первичными связями.

Вторичные связи

Два или большее число атомных ядер могут обладать общими электронами непропорционально долгое время в одном определенном положении. Это приве­ дет к тому, что на одном конце молекулы может поя­ виться незначительный по величине положительный заряд, а на другом конце — слабо отрицательный. В ре­ зультате возникнет электрический дисбаланс, называ­ емый электрическим диполем. Электрические диполи приведут к взаимодействию молекул друг с другом с образованием слабых связей, известных под названи­ ем сил Ван дер Ваальса. Эти относительно слабые свя­ зи слагаются из трех основных факторов взаимодей­ ствия:

•взаимодействие между постоянными диполями;

•взаимодействие между индуцированными диполя­ ми;

•взаимодействие между мгновенными диполями.

Последнее взаимодействие известно под названи­ ем дисперсионного эффекта Лондона. Оно происходит в тех случаях, когда две молекулы, два иона или два ато­ ма, находятся в близком контакте. Эффект и является результатом взаимодействия между их хаотично дви­ жущимися электронами.

Особым видом взаимодействия между диполями (так называемое диполь-дипольное взаимодействие) является водородная связь. Атом водорода можно представить, как протон на конце ковалентной связи, но, в отличие от других атомов, положительный заряд

протона не экранируется окружающими электронами. Таким образом, протон на конце ковалентной связи несет положительный заряд, и он будет притягивать электроны атомов других молекул. Необходимым ус­ ловием образования водородной связи является электроотрицательный атом, расположенный побли­ зости от атома водорода, который в свою очередь, сам связан с электроотрицательным атомом. Примером образования водородной связи является лед, где при­ сутствует взаимодействие между атомом водорода, принадлежащим одной молекуле, и атомом кислоро­ да, относящимся к другой (Рис. 1.3.7).

Прочность этой связи мала — она составляет всего 0,4 эВ (электрон вольт), поэтому при нагревании до температур выше 0°С эта связь разрывается. Большое значение водородной связи состоит в том, что она позволяет объяснить свойственную органическим мо­ лекулам, в том числе протеинам, способность к ин­ тенсивной адсорбции, и, следовательно, может рас-

Рис. 1.3.7. Образование водородных связей в структуре	Рис. 1.3.8. Первые четыре члена алифатического ряда с
льда	основной углеводородной цепью, соответствующей форму­

ле С п Н 2 п + 2

24	ОСНОВЫ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ
сматриваться, как неотъемлемый фактор процессов		зываемых мерами. Механизм образования полимерами
жизнеобеспечения. Вторичные связи формируют ос­		множества твердых веществ с разнообразными струк­
нову молекулярного притяжения в твердых телах.		турами, будет подробно рассмотрен в главе 1.6.

Твердые тела, образованные межмолекулярными связями

Существует возможность создания множества разных молекул, некоторые из которых могут образовывать при комнатной температуре твердые вещества. Если эти молекулы обладают достаточной длиной, они мо­ гут соединяться друг с другом за счет многочисленных диполь-дипольных взаимодействий. Низкая проч­ ность связи означает, что такие молекулярные твердые вещества имеют очень низкую температуру плавле­ ния, верхним пределом которой является температура 100°С.

Для того, чтобы понять, как образуются твердые ве­ щества, лучше всего представить себе группу молекул, известную под названием линейных алканов. Основой их строения является прямая цепь углеводоров, отвеча­ ющих формуле СпН2п+2, где п — любое положительное число. Простейшим соединением в этой группе являет­ ся метан, строение которого отвечает формуле (СН4), где n= 1. Если отнять по одному атому водорода от каж­ дой молекулы метана и соединить эти молекулы друг с другом напрямую при помощи связи «углерод-угле­ род», то получится этан. Этот процесс может длиться до образования очень крупных молекул (Рис. 1.3.8).

Если материал будет состоять из очень большого количества групп — СН2 -, то в результате присоедине­ нии дополнительных групп, аналогичного строения, его свойства будут меняться лишь незначительно. По­ добные материалы известны под названием полиэтилены. Это название состоит из двух частей: поли означа­ ет много, а этилен — основной структурный элемент цепи. Материалы со структурами подобного типа на­ пваются полимерами, поскольку они состоят из мно­ гократно повторяющихся структурных элементов, на-

Упорядоченное

расположение

Рис. 1.3.9. Упорядоченное и неупорядоченное (хаотич­

ное) расположение атомов

СТРУКТУРНОЕ РАСПОЛОЖЕНИЕ АТОМОВ В ТВЕРДОМ ТЕЛЕ

Несмотря на то, что силы притяжения удерживают атомы на близком расстоянии друг от друга, взаимное отталкивание ядер означает, что равновесное прост­ ранственное положение атомов достигается только при сбалансированных силах притяжения и отталки­ вания. На Рис. 1.3.1 представлено межатомное прост­ ранство aQ. Для того, чтобы переместить атомы ближе друг к другу или отдалить их друг от друга, потребует­ ся внешнее усилие. Данное межатомное расположе­ ние соответствует расположению атомов с минималь­ ной энергией, и чтобы такое состояние было достигнуто, атомы стремятся выстроиться в виде упорядоченной плотно упакованной решетки. Если рассматривать атомы в виде сфер, то для того, чтобы представить себе плотно упакованную решетку, мож­ но использовать аналогию в виде маленьких шариков, упакованных в коробку. Наиболее плотной упаковкой этих шариков будет такое состояние, когда они распо­ ложатся в симметричном порядке, как показано на Рис. 1.3.9. При таком упорядоченном расположении атомов материал называют кристаллическим.

Важной особенностью кристаллических структур является то, что какой бы атом мы не рассматривали в данной структуре, расположение соседних с ним ато­ мов по отношению к нему всегда будет идентичным. Обычно металлические и ионные твердые тела при комнатной температуре находятся в кристаллическом состоянии. Любое твердое вещество, в котором атомы расположены несимметрично, называется аморфным.

Кристаллические структуры

Одним из простейших расположений атомов в прост­ ранстве является куб, в котором атомы занимают по­ ложения в восьми углах. Снова используя модель ша­ ров или сфер для обозначения атомов, можно представить себе кубическое расположение атомов (Рис. 1.3.10а). Каждая сфера соприкасается со своим ближайшим соседом, таким образом, длина стороны куба равна диаметру атома. Если рассматривать прос­ той куб, состоящий только из части атомов внутри этого куба (Рис. 1.3.10Ь), то можно узнать, что предс­ тавляет собой элементарная ячейка. Устанавливая эле­ ментарные ячейки одна на другую, можно построить структуру трехмерного (объемного) твердого тела.

В пределах структурной единицы атомы не нахо-

дятся в неподвижном состоянии — они совершают ко­ лебательные движения. Доля пространства, занимае­ мая атомами, называется фактором упаковки, и ее лег­ ко рассчитать.

Если предположить, что длина каждой стороны куба составляет 2а, то объем элементарной ячейки составит 8а3. Соответственно, радиус каждой сферы должен быть равным а, а объем сферы — 4/Зка3. На са­ мом деле, вклад каждой сферы в элементарную ячей­ ку составляет всего 1/8 часть от ее объема, но, пос­ кольку эта ячейка составлена восемью такими же сегментами, полный объем, занимаемый сферами внутри ячейки, будет равен 4/Зпа3. Таким образом, фактор упаковки для простой кубической решетки можно представить следующими соотношениями:

фактор упаковки	=	объему атомов внутри
		элементарной	ячейки
		деленному на	объем куба.
фактор упаковки	=	4/Зра3 : (2а)3
	=	л/6
	=	0,54

Фактор упаковки 0,54 указывает на то, что почти 50% пространства является незаполненным.

Так как оно пустое, существует возможность запол­ нения свободного пространства между крупными атома­ ми, атомами малых размеров. Последние будут занимать свободное пространство, не вызывая серьезных наруше­ ний кристаллической структуры. Мы вернемся к этому позже, когда будем рассматривать сплавы. Представив себе большое свободное пространство в этой простей­ шей структуре, возможно не вызовет удивления то, что существуют другие виды построения атомов, в которых величина фактора упаковки будет большей.

Два таких построения обычно встречаются у ме­ таллов, и называются кубической объемноцентрированной (КОЦ) и гранецентрированной (КГЦ) конфи­ гурациями. Эти конфигурации представлены на Рис. 1.3.11. Для КО Ц фактор упаковки составляет 0,68, а для КГЦ — 0,74. Чем выше фактор упаковки, тем труд­ нее малым атомам занять свободное пространство между крупными атомами без повреждения структуры элементарной ячейки.

Заключение

Существуют три основных группы твердых веществ, строение которых основано на трех типах первичной связи:

• керамика, строение которой основано на ионной связи; керамика может существовать в кристалли­ ческой и аморфной формах, керамические мате­ риалы в аморфной форме называются стеклами;

•металлы, строение которых основано на металли­ ческой связи

•твердые тела, основанные на ковалентной и вто-

А Т О М Н ОЕ СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА

25

Рис. 1.3.10. Строение простой кубической структуры (а) и вид элементарной ячейки кристаллической решетки такого строения

КОЦ (фактор упаковки = 0,68)

КГЦ (фактор упаковки = 0,74)

Рис. 1.3.11 . Расположение атомов в элементарных ячей­ ках кристаллической решетки кубического объемно центри­ рованного (КОЦ) и кубического гранецентрированного (КГЦ) строения

ричнои связях, включая важнейшие группы мате­ риалов, известных под названием полимеры. Существует еще одна важнейшая группа материа­

лов, о которой еще не было упомянуто. Это — компо­ зиты, представляющие собой комбинацию двух или большего числа твердых тел. Существует много при­ меров композитных материалов, как натурального, так и синтетического происхождения. Примерами композитов натурального происхождения являются костные ткани и дентин, состоящие из коллагена (по­ лимера) и апатита (керамического вещества). Приме­ рами композитов синтетической природы могут быть полимеры, армированные стеклянными волокнами, и полимеры, в состав которых входят частицы керами­ ческого наполнителя. Применению композитных ма­ териалов в стоматологии для реставрации зубов будет посвящена глава 2.2. Другим примером использова­ ния структуры композитов являются керметы, кото­ рые применяются в качестве наполнителя для изго­ товления некоторых стеклоиономерных цементов (см. главу 2.3). Название кермет состоит из двух час­ тей: кер, означающей керамику, и мет, которая озна­ чает металл.

Глава 1.4

СТРУКТУРА КЕРАМИКИ

ВВЕДЕНИЕ

Керамика представляет собой соединения металли­ ческих и неметаллических элементов, и состоит из та­ ких веществ, как оксиды, нитриды и силикаты. Кера­ мические материалы могут быть как кристаллическими, так и а м о р ф н ы м и , последняя группа керамики известна под названием стекол.

В керамических материалах отрицательно заря­ женные ионы (анионы) значительно отличаются раз­ мерами от положительно заряженных ионов (катио­ нов). В качестве примера можно привести уже рассмотренный ранее хлорид натрия, имеющий кубическую гранецентрированную структуру. Ионы хлора занимают положения в узлах гранецентрированной решетки, в то время как ионы натрия находят­ ся между ионами хлора, и их место нахождения мож­ но назвать внутрипространственным расположением.

Ионы натрия способны занимать такое положение потому, что они значительно меньше по размеру, чем ионы хлора, и свободно помещаются в оставшемся пространстве элементарной ячейки. Структура хлори­ да натрия схематически представлена на Рис. 1.4.1. Другим примером структуры этого типа является ок­ сид цинка, который широко используется в стомато­ логии. Существует много других видов применения неорганических керамических материалов в стомато­ логии: их используют в качестве наполнителей поли­

мерных композитов, для изготовления стеклоиономерных цементов, формовочных материалов и стома­ тологических фарфоров.

СЫРЬЕВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КЕРАМИКИ

Оксид кремния (Si02) является основой многих кера­ мических материалов. Хотя его химическая формула достаточно проста, этот материал очень изменчив и может существовать в самых разных формах. Как кристаллический материал, он может быть в виде кварца, кристобалита и тридимита, но он может быть также в виде стекла, представляющего собой затвер­ девший расплав оксида кремния. Способность соеди­ нений, подобных оксиду кремния, существовать в разных модификациях, существенно отличающихся друг от друга своими свойствами, известна под назва­ нием полиморфизма.

Оксид кремния используется в качестве основы для изготовления многих керамических материалов сложного состава. В частности, в сочетании с оксидом алюминия он образует алюмосиликатаые стекла, ис­ пользуемые для изготовления стеклоиономерных це­ ментов. Подобным образом, полевошпатные стекла используют для изготовления стоматологической ке­ рамики. Эти стекла представляют собой соединения,

С Т Р У К Т У РА К Е Р А М И К И

27

Рис. 1.4.1. Кубическая гранецентрированная структура хлорида натрия

Рис. 1.4.2. График перехода от твердого состояния к жид­ кому, где Т - температура плавления

состоящие из оксидов кремния и алюминия в сочета­ нии с калием, натрием или кальцием (примером тако­ го соединения является натриевый полевой шпат - альбит, имеющий формулу NaAlSi308).

КРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ И АМОРФНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ

Переходные состояния кристаллов

При нагревании твердое вещество может подвергаться ряду превращений, самым легко распознаваемым из которых является состояние расплава. Переход крис­ таллического вещества от твердого состояния к жид-

Рис. 1.4.3. Кристаллические ( аллотропические) превра­ щения в твердой структуре оксида кремния (Si02 )

кому, сопровождающийся изменением объема мате­ риала, известен под названием переход к кристалли­ ческому расплаву. Для того, чтобы обнаружить такое превращение твердого вещества, достаточно проконт­ ролировать изменение его объема.

Простым способом, позволяющим наглядно представить это превращение, является построение графика зависимости изменения удельного объема материала (т.е. объема единицы массы материала) от температуры. Кривая на графике будет иметь вид, представленный на Рис. 1.4.2, и в точке плавления кристалла (т.е. при строго определенной температуре) дискретный скачок в ходе кривой, который до этого момента имел плавный характер, соответствующий постепенному изменению удельного объема.

Удельный объем является обратной величиной плотности. Характер зависимости удельного объема от температуры показывает, что единственным эффектом плавления кристалла является увеличение его объема. Это неудивительно, если подумать, что такой эффект заключается в переходе от упорядоченной кристалли­ ческой структуры твердого тела к хаотичной жидкости; плотность упаковки атомов у жидкости будет значитель­ но меньшей, чем у кристаллического твердого тела.

На Рис. 1.4.3 представлена кривая зависимости удельного объема кристаллического оксида кремния (Si02) от температуры. В данном примере наблюдается целый ряд превращений в структуре твердого тела, а также рассмотренный нами ранее переход от твердого к жидкости. При комнатной температуре оксид крем­ ния, Si02 существует в виде кварца; при повышении температуры до 870°С кварц превращается в тридимит. Дальнейшая трансформация кварца происходит уже

28 ОСНОВЫ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Рис. 1.4.4. Удельный объем при изменении температуры

аморфного материала в твердом состоянии

при температуре 147ГС — тридимит превращается в кристобалит. И, наконец, при температуре 1713°С кристобалит начинает плавиться. Таким образом, по изменению удельного объема мы можем определить не только точку перехода кристаллического Si02 из твер­ дого состояния в жидкое, но и из твердого — в твердое.

Переходные состояния стекла

При нагревании аморфных твердых веществ, подобных стеклу, столь резкого перехода от твердого состояния к жидкому, который наблюдается у кристаллических ма­ териалов, не происходит. Вместо этого, в точке перехо­ да произойдет увеличение скорости изменения удель­ ного объема вещества (см. Рис. 1.4.4). Температура, при которой произойдет изменение угла наклона кривой за­ висимости удельного объема от температуры, известна под названием температуры стеклования, Тс. Это поня­ тие обычно —применяется и для высокомолекулярных твердых материалов (хотя и не всегда).

Следовательно, увеличение объема (и, разумеется, незанятого объема) не будет внезапным. Вместо этого объем будет увеличиваться постепенно, причем при температуре выше температуры стеклования скорость увеличения объема возрастет. И, наоборот, жидкость, которая охлаждается без образования кристаллической структуры, содержит большее количество незанятого объема. Твердые тела, образование которых проходит за счет переходов в стекле, а не превращением кристалли­ ческих расплавов, будут аморфными, их обычно назы­ вают стеклами. Стекла являются важнейшей группой материалов и заслуживают отдельного рассмотрения.

Рис. 1.4.5. Кривые охлаждения материала, который мо­

жет переходить в твердое состояние с образованием (а) кристаллической структуры или (б) аморфной структуры стекла

ОБРАЗОВАНИЕ СТЕКЛА

Обладая правильной формой, атомы стремятся к об­ разованию упорядоченных структур. С более крупны­ ми молекулам сложного строения, получить упорядоченное расположение будет намного сложнее. Таким образом, при твердении крупных беспорядоч­ ной неправильной формы молекул вероятность обра­ зования стекла будет высокой.

Для того чтобы началось образование кристаллов, должны присутствовать центры или ядра кристаллиза­ ции. Центрами кристаллизации обычно бывают при­ меси, например, частицы пыли, от которой в реаль­ ных условиях избавиться невозможно. Таким образом, если материал потенциально способен приобретать упорядоченную кристаллическую структуру, то этому будут способствовать частицы примесей.

Оксид кремния или кремнезем может образовы­ вать как стекла, так и кристаллические вещества, на Рис. 1.4.5 представлены характерные для этого соеди­ нения кривые зависимости изменений удельного объ­ ема от температуры. Если при охлаждении произойдет кристаллизация вещества, то кривая уменьшения удельного объема (кривая а)будет иметь острый или дискретный характер. Такое резкое уменьшение объе­ ма объясняется «конфигурационным сжатием», пос­ кольку при переходе вещества от состояния неупоря­ доченной жидкости к состоянию кристаллического твердого тела происходит заметное увеличение плот­ ности упаковки. После того, как закончится этап рез-

		С Т Р У К Т У РА К Е Р А М И К И	29
кого конфигурационного сжатия, объем материала		который можно представить областью перегиба ука­
начнет постепенно уменьшаться за счет обычной тер­		занной кривой.
мической усадки.		Поскольку переохлажденная жидкость была ох­
Если кристаллизация не произошла, изменение		лаждена до температуры ниже ее температуры стек­
объема материала будет соответствовать кривой Ь,		лования, она перешла в состояние, которое можно
объем жидкости продолжает сокращаться, частично за		назвать стеклом. Интересно отметить, что вязкость,
счет обычной термической усадки, а частично за счет		при которой происходит твердение расплава, одина­
конфигурационного сжатия. Жидкость приобретает		кова для всех стекол и составляет около 1012 пуаз, хо­
менее открытую структуру, однако в этом случае отсу­		тя температура стеклования может колебаться в ши­
тствует дискретный скачок удельного объема.	Ниже	роких пределах — от -89°С для глицерина до >	1500°С
температуры плавления (Т ) будет образовываться		для чистого кварцевого стекла. Различие между пере­
нестабильная переохлажденная жидкость. Сжатие бу­		охлажденной жидкостью и стеклом заключается в
дет продолжаться по мере падения температуры до		том, что последнее имеет вязкость, превышающую
достижения температуры стеклования Тс, после чего		1012 пуаз.
скорость сжатия существенно замедлится. При темпе­
ратуре стеклования конфигурационное сжатие	при­

остановится, и будет иметь место только обычное тер­ мическое сжатие.

Что же происходит при температуре стеклова­ ния? Переохлажденная жидкость становится нас­ только вязкой, что конфигурационные изменения уже не могут продолжаться, и структура жидкости как бы замораживается. Это происходит не при од­ ном четко определенном значении температуры, а в некотором диапазоне температур в пределах 50°С,

6

Рис. 1.4.6. Кристаллическая структура кристобалита	Рис. 1.4.7. Схематичное представление структуры оксида
	кремния в двухмерном пространстве: (а) расположение
	атомов, (Ь) расположение кислорода в виде треугольников

30 О С Н О В Ы СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО М А Т Е Р И А Л О В Е Д Е Н И Я

Рис. 1.4.8. Схематичное представление структуры чисто­ го кремнеземного стекла в двухмерном пространстве: (а) расположение атомов , (Ь) расположение кислорода в виде треугольников

Термин	температура перехода отчасти применяет­
ся неверно,	поскольку на самом деле при этой темпе­

ратуре никакого превращения может не быть. Изме­ нения конфигураций происходят и при температурах ниже Т , только из-за высокой вязкости скорость этих изменений крайне мала, и они уже ни на что не могут повлиять. Температуру стеклования, то есть темпера­ туру, остывая до которой стекло перестает подвергать­ ся существенным изменениям конфигураций, иногда называют фиктивной температурой стеклования. Ни­ же этой температуры стекло уже не сможет спонтанно стать более плотным.

Возникает вопрос: «Что же происходит при темпе­ ратуре плавления Т ш , что определяет направление, по которому пойдет процесс твердения расплава, по пути образования стекла или по пути кристаллизации?»

При плавлении оксида кремния, образуется пре­ дельно вязкая жидкость, это означает, что молекулы могут перемещаться по отношению друг к другу очень медленно. Медленное перемещение молекул не спо-

Рис. 1.4.9. Схематичное представление структуры стекла из смеси оксидов в двухмерном пространстве: (а) располо­ жение атомов, (Ь) расположение кислорода в виде треу­ гольников

собствует образованию кристаллического твердого вещества, поскольку для кристаллизации требуется значительное и быстрое пространственное перерасп­ ределение молекул. Следовательно, присутствие лю­ бого вида центра кристаллизации даст очень медлен­ ный рост, особенно таких сложных структур кристаллического оксида кремния, строение которых подобно алмазу. Таким образом, при быстром охлаж­ дении жидкости вероятнее всего образуется стекло. Процесс образования стекла известен под названием

витрификация.

Стеклообразующие компоненты

Основным компонентом, позволяющим образовать­ ся стеклу, является оксид кремния, который может существовать как в форме стекла, так и в форме крис­ таллического твердого тела. Кристобалит, одна из кристаллических форм оксида кремния, имеет строе-

ние в форме тетраэдра, с атомом кислорода в каждом углу и атомом кремния в центре. Строение кристобалита представлено на Рис.1.4.6. Его структура доста­ точно сложна, ее неудобно использовать для объясне­ ния процесса образования стекла. Для наглядности можно использовать двухмерную модель строения кристобалита, где все связи расположены в одной плоскости, и у каждого атома кремния одна связь от­ сутствует (Рис. 1.4.7).

При плавлении оксида кремния и его быстром ох­ лаждении, кристаллическая структура не способна образоваться за такое короткое время, поэтому оксид кремния превращается в стекло, которое называют плавленым кварцем (Рис. 1.4.8).

Высокая температура плавления этого материа­ ла, равная 1713°С, делает его весьма дорогостоящим для массового использования. Если оксид кремния смешать с некоторыми оксидами металлов, то это позволит существенно понизить температуру его плавления.

Например, если взять композицию, состоящую из трех четвертей оксида кремния и одной части ок­ сида натрия, то температура ее плавления составит всего 1339°С. Такие стекла называются смешанными оксидными стеклами, а их структура представлена на Рис. 1.4.9. Атомы металла образуют положительно заряженные и о н ы , которые разрушают порядок строения кислородных тетраэдров, и в результате не все атомы кислорода будут делиться своими элект­ ронами с соседними атомами. В этой композиции оксид кремния будет играть роль стеклообразующего компонента, а оксид металла — роль стекломодификатора.

Оксиды титана, цинка, свинца и алюминия также могут принимать участие в образовании простран­ ственной сетчатой структуры стекла, и образовывать жесткие сетки. Сода (Na 2 0) и известь (СаО) обладают низкой вязкостью расплава, вследствие чего при тем­ пературе стеклования происходит интенсивное разру­ шение структуры. Это приводит к образованию стек­ ла. Борный ангидрид (В203) также может играть роль стеклообразующего компонента в широко известных боратных стеклах.

СТРУКТУРА К Е Р А М И К И

31

Хотя стекла можно изготавливать из смесей крис­ таллического оксида кремния и металлических окси­ дов, такой подход к изготовлению стекла будет очень дорогостоящим. Намного дешевле обойдется исполь­ зование природных минералов с требуемой стекло­ видной структурой, поскольку уже сама природа про­ вела процесс витрификации.

Когда-то производители применяли только природные полевошпатные минералы, и затем добав­ ляли в их состав оксиды других металлов для того, чтобы изготовить керамические наполнители и стома­ тологические фарфоры с заданными свойствами. В наше время многие стекла изготовляются методом синтеза, что позволяет улучшить контроль за составом и свойствами материала.

Девитрификация

При производстве стекол в их составе может появ­ ляться незначительное число кристаллов, однако ско­ рость их роста очень мала.

Когда стекло начинает кристаллизоваться, такой процесс называется девитрификацией. Девитрифика­ ция может начаться, если стекло выдерживают при повышенной температуре в течение длительного вре­ мени, что приводит к перестройке расположения мо­ лекул. Стекло становится полупрозрачным в результа­ те рассеяния света поверхностями небольших кристаллов. Этот процесс является основой изготов­ ления стеклокерамических материалов (см. главу 3.4).

Процесс нагревания материала, позволяющий мо­ лекулам или атомам перераспределяться в простран­ стве, называется обжигом и играет важную роль в тех­ нологиях изготовления многих материалов.

Клиническое значение

Керамика отличается высокой стабильностью в биоло­ гической среде, и, следовательно, ее можно отнести к материалам, обладающим наибольшей биосовмести­ мостью по сравнению со всеми известными сегодня материалами.

Глава 1.5

СТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

МИКРОСТРУКТУРА МЕТАЛЛОВ

Металлы состоят из совокупности атомов, упорядоченно расположенных в кристаллической структуре. Несмотря на то, что мы рассматривали процесс кристаллизации, как образование единич­ ных кристаллов, металлы обычно не образуют еди­ ного кристалла при твердении (переходе из состоя­ ния, называемого расплавом), вместо этого они образуют структуру, состоящую из множества мел­ ких кристаллов.

Это происходит потому, что внутри расплавленно­ го металла рассеяно множество ядер или центров крис­ таллизации. Такие ядра могут образовываться при су­ щественной потере тепловой энергии четырьмя атомами. Благодаря этому четыре атома способны об­ разовать элементарную ячейку. Эти элементарные ячейки растут по мере того, как все большее количе­ ство атомов достигает низкого энергетического уров­ ня и начинает присоединяться к ним, в результате че­ го и происходит образование кристалла. Этот процесс известен под названием гомогенной кристаллизации.

Для того чтобы вырастить единый кристалл металла из всего имеющегося расплава, потребуется сложное специальное оборудование.

Чаще всего твердение инициируется присутствием примесей в расплаве металла. После того, как темпе­ ратура опустится ниже точки плавления, атомы метал­ ла станут осаждаться на этих примесях, и начнется об­ разование кристаллов. Этот процесс известен под названием гетерогенной кристаллизации. Кристаллы (иначе называемые зернами) будут продолжать свой рост до тех пор, пока весь металл не затвердеет. Во вре­ мя своего роста они начинают сталкиваться друг с другом, образуя границы между кристаллами, где ато­ мы расположены беспорядочно. Эти границы, назы­

ваемые границами зерен, обычно и являются дефект­ ной областью кристаллической структуры металла.

На Рис. 1.5.1 схематически изображен процесс твердения металла. Малый размер зерен обусловлива­ ет положительные свойства металла, благодаря повы­ шению его предела текучести, однако в данный мо­ мент мы не будем рассматривать причины, по которым это происходит. Одним из способов получе­ ния мелкозернистых структур является быстрое твер­ дение расплава, которое используют при литье стома­ тологических золотых сплавов в литейные формы, разогретые до более низких температур по сравнению с температурой плавления сплава. Альтернативным способом получения мелкозернистых структур явля­ ется обеспечение множества центров кристаллизации. Это можно получить добавкой иридия к стоматологи­ ческим литейным сплавам на основе золота. Иридий создает множество центров кристаллизации и, тем са­ мым, позволяет ограничить рост зерен.

Детальное изучение структуры металлов, а именно, размеров кристаллов, их формы и состава, исключитель­ но важно для выяснения их свойств и технологии полу­ чения. Некоторые представления о структуре металлов может дать изучение металлических поверхностей под электронным микроскопом в отраженном свете.

Свет отражается от полированной металлической поверхности, и характер отражения будет зависеть от наличия на ней неровностей, приводящих к его рассе­ янию.

Химическое воздействие на полированную пове­ рхность металла (называемое травлением) также при­ ведет к изменению характера отражения света. Соот­ ветствующие химические реактивы воздействуют на определенные области, находящиеся на поверхности металла в зоне повышенного механического напряже­ ния, т.е. на границы зерен, в которых упаковка атомов не полностью упорядочена. Травление приводит к об­ разованию канавок, рассеивающих свет, которые выг-