Связь строения и свойств

Структура вещества – это пространственное расположение частиц разной степени дисперсности с совокупностью устойчивых взаимных связей и порядком сцепления их между собой. Плюс расположение пор, капилляров, поверхностей раздела фаз, микротрещин и др.

В зависимости от «степени детализации» можно рассматривать микроструктуру и макроструктуру м-ла. С. можно рассматривать:

- по процессу формирования (коагуляционная, конденсационная, кристаллизацион-ная);

- по состоянию (кристаллическая = устойчивая, аморфная = неустойчивая, аморфно-кристаллческая). С. и строение определяет весь комплекс свойств СМ.

Свойство - это особенность вещества или СМ, проявляющаяся при взаимодействии с окружающей средой или другим веществом/материалом.

Микроструктуру определяет взаимное расположение молекул, атомов, ионов в твёрдом, жидком и газообразном состоянии. Изучается с помощью мощной аппаратуры с высокой разрешающей способностью.

На макроскопическом уровне устанавливается связь и порядок сцепления макромолекул, мицелл, кристаллов, кристаллических обломков и сростков и другие более сложные факторы. Обычно м. видна невооружённым глазом или с увеличением не более 6- крат. При этом для природных каменных материалов принята геологическая классификация.

Для твёрдых СМ известны следующие типы макроструктуры:

- искусственные строительные конгломераты (бетоны, растворы строительные, полимербетоны и др.);

- ячеистая (газозолобетон, пенобетон, пенополистирол); мелкопористая

- волокнистая (минвата, базальтовое волокно, стекловата, войлок) слоистая.

Большое влияние, как на поверхностное, так и внутреннее строение оказывают: наличие примесей; смачивание; диффузия.

Примеси:

- если то ПАВ (меет меньшую поверхностную энергию). Распределяеися равномерно по поверхности, снижая поверх энергию СМ;

- если имеет большую э., то концентрируется во внутренних слоях основного компонента и её влияние на поверх уменьшается. Смачивание важно на практике, особенно при производстве керамики, как на поверхности (глазурование) так и в глубине (спекание).

В общем случае важным условием формирования устойчивой структуры является минимальное значение энергии поверхности раздела сред «твёрд тело-жидкость».

Диффузия - самопроизвольное перемещение частиц веществ с установлением равновесной концентрации в данном объёме. Например, глазурь (аморфное стекло) диффундирует внутрь кристаллической основы, уплотняет и упрочняет её.

Характер макроструктуры влияет на свойства СМ. Так, для керамических материалов наличие мелкопористой с. с открытыми порами означает ощутимое влагопоглощение. А при небольшой толщине делает возможным использование в качестве фильтра. Ячеистая структура, с замкнутыми порами придаёт керамике теплоизоляционные свойства. Для бетонов всегда характерны ИСК, но при наличии ячеек резко снижается прочность.

Для древесины характерна комбинированная структура - слои + волокна + поры.

Пластики могут сочетать в себе все вышеперечисленные типы в зависимости от требуемых свойств.

Теплоизоляционные материалы могут быть, например, только слоистыми - из минеральных волокон. Но если требуется низкое водопоглощение или более высокая прочность при сжатии стараются получить пористую структуру.

Акустические материалы стараются выполнить с большим количеством извилистых открытых пор, которые эффективно поглощают звуковую энергию.

На уровне микроструктуры рассматривается взаимное расположение молекул и атомов. Может быть упорядоченная структура - кристалл, неупорядоченная - аморфная. В реальной жизни могут быть отклонения от этих двух идеальных схем (например, аморфное стекло в своём объёме имеет микрокристаллы, именуемые кристаллитами).

Кристалл - это правильное, или регулярное, расположение микрочастиц в пространстве.

Кристаллическая решётка бывает нескольких типов: ионная, молекулярная, атомная, металлическая, с водородными связями. Признаки кристалличности - определённая температура плавления (перехода в жидкое состояние), определённая геометрическая форма кристаллов, анизотропия. Все тела с кристаллическим с. имеют правильную форму кристалла, хотя реальные кристаллы могут иметь отклонения.

К аморфным относятся твёрдые в-ва, не обладающие к. решёткой, то есть имеющие беспорядочное расположение атомов и молекул. Они не имеют фиксированной температуры плавления, плавятся постепенно, изотропные, то есть имеют одинаковые свойства во всех направлениях.

Кристаллическое и аморфное строение нередко присуще одному и тому же веществу. Например, кристаллический кварц (кристобалит) и кварцевое стекло имеют один и тот же химический состав. Такое явление называют полиморфизмом.

Микроструктура и её изменения изучаются с помощью оптических методов, электронной микроскопиии, рентгено-фазового анализа, спектрального анализа др. Методика исследований СМ включает не только материальное обеспечение в виде приборов, но и исследовательские методы: например, метод планирования эксперимента (прикладная математика), статистика и т.д.

Между частицами в-ва (на уровне изучения СМ) существует 5 типов связей. Наиболее распространёнными считаются молекулярные связи, или связи Ван-дер-Ваальса.

Это слабые связи, возникают при низком уровне энергии.

Ионная и ковалентная, их энергия связи значительно выше. Ещё большим значением энергии обладают металлическая связь в металлах. Водородная связь обладает малой энергией, хотя играет важную роль в СМ.

В природе в чистом виде эти связи встречаются крайне редко, обычно они сочетаются в различных комбинациях, при этом одна из связей преобладает. Частицы вещества располагаются в пространстве в определённом порядке согласно своим связям и силовым взаимодействиям (притяжение, отталкивание), т.е. реализуются в рамках определённой структуры, определяющей взаимное расположение частиц в пространстве.

В зависимости от характера связей контактируемых частиц различают микроструктуры: коагуляционные (слабые силы молекулярного взаимодейсвия, через прослойки жидкой среды); конденсационные (при непосредственном взаимодействии частиц, с валентными или ковалентными связями); кристаллизационные (с наличием твёрдой фазы регулярного строения). Конденсационные и особенно кристаллизационные структуры придают в-ву повышенную прочность, хрупкость, лишают его тиксотропности.

Макроструктура различима невооружённым глазом. Для наиболее распрострванённых СМ она образована сочетанием микроструктуры вяжущего в-ва (ВВ) и полизернистых грубодисперсных частей заполнителя. Плюс капиллярно-поровая часть.

На практике важно при производстве искусственных строительных конгломератов (ИСК) добиться максимально плотной упаковки, что позволит сэкономить вяжущее.

Если крупные частицы, например, щебень контактируют непосредственно друг с другом или через тонкие прослойки вяжущего, то такая структура называется контактной. Если имеется значительное разделение частиц - макроструктура порфировая.

Оценить вид структуры можно по коэффициенту упаковки:

Ку = (L – d) / d,

где L – проекция расстояния между центрами частиц;

d – сумма радиусов частиц.