Особенности строения твердых тел

Большинство электроматериалов представляют собой твердые тела. Поэтому далее особое внимание уделяется строению вещества в этом состоянии. Твердые тела могут находиться в кристаллическом и аморфном состоянии.

1) Кристаллы. – это твердые вещества, в которых атомы (ионы) расположены в узлах кристаллической решетки, характеризующейся упорядоченным строением. поле. Пространственная решетка в основном зависит от размеров атома и электронной конфигурации его внешних оболочек.

Геометрически возможны лишь 14 различных пространственных решеток, являющихся основой шести кристаллических систем, приведенных на рис. 9 и в табл. 2.

Иногда считают ромбоэдрическую, или тригональную, систему (a=b=c; α =β =γ ≠ 90⁰) самостоятельной седьмой системой.

Геометрическая классификация кристаллов недостаточна для разделения структур, кажущихся тождественными. Они могут различаться по двойному лучепреломлению, по пьезо- и пироэлектрическим свойствам и т. п. Это обусловлено различными видами симметрии, которых насчитывают 32 класса, а всего существует 230 возможных пространственных групп.

Таблица 2 Пространственные решетки кристаллических систем.

Рис.9 Пространственные решетки кристаллических систем (см.табл.2)

Приведем несколько примеров:

1. Кубическая объемно-центрированная - имеет 9 атомов, представляет собой куб, в вершинах которого и в центре расположены атомы, повторением этой ячейки путем переноса образуется вся структура кристалла. Такую решетку имеют Ванадий, Вольфрам, Хром, Молибден, Железо.

2. Кубическая гранецентрированная решетка имеет 14 атомов. Такую решетку имеет: Алюминий, Медь, Свинец, Никель.

З. Гексагональная кристаллическая решетка имеет 17 атомов. Такая решетка у Цинка, Титана, Магния.

Кристаллические тела могут быть в виде отдельных крупных кристаллов – монокристаллов или состоять из совокупности большого числа мелких кристалликов. Монокристаллы характеризуются анизотропией свойств. В поликристаллических телах анизотропия в большинстве случаев не наблюдается, однако с помощью специальной обработки могут быть получены текстурованные материалы с ориентированным расположением кристаллов. Промежуточным является блочное строение твёрдого тела. Так как монокристаллы анизотропны, то при определении электрических, механических и других свойств необходимо указывать расположение кристаллографических плоскостей и направления в кристаллах. Для этого используют индексы Миллера.

Индексы Миллера. Допустим, необходимо фиксировать плоскость в кристалле, которая пересекает три оси X, Y, Z в точках А, В, С. Обозначим расстояния ОА, ОВ и ОС (измеренные в единицах постоянной решетки) через Н, К и L, а обратные им величины – через Н', K', L'. Наименьшие целые числа с теми же отношениями, что и между Н', K', L', обозначают символами h, k, l и называют индексами Миллера. Поскольку постоянная решетки принята за единицу, все атомные плоскости представляются целыми числами или нулями. Пусть, например, значения Н, K, L равны соответственно 1, 4 и 2, тогда числа Н', K', L' суть 1, ¹/₄ и ¹/₂, и индексы Миллера данной плоскости будут (412). Для обозначения направлений в кристалле применяют индексы в виде наименьших целых чисел, относящихся между собой как компоненты вектора, параллельного данному направлению. В отличие от обозначения плоскостей их пишут в квадратных скобках (рис.10).

Рис.10 Примеры обозначения кристаллографических плоскостей и направлений в кубических кристаллах с помощью индексов Миллера

Полиморфизм. Некоторые твердые вещества обладают способностью образовывать не одну, а две и более кристаллические структуры, устойчивые при различных температурах и давлениях. Такое свойство материалов называют полиморфизмом, а отвечающие им кристаллические структуры называют полиморфными формами или аллотропными модификациями вещества. Модификацию, устойчивую при нормальной и более низкой температуре, принято обозначать буквой α, модификации, устойчивые при более высоких температурах, обозначают соответственно буквами β, γ и т. д.

Полиморфизм широко распространен среди технических материалов и имеет важное значение для их обработки и эксплуатации. Классическим примером полиморфизма является низкотемпературное превращение белого олова (β -Sn) в серое (α -Sn), известное в технике как «оловянная чума».

Практический интерес представляет полиморфизм углерода — существование его в виде алмаза или графита. В обычных условиях графит является более устойчивой модификацией, чем алмаз. Однако при повышения давления устойчивость алмаза растет, а графита падает, в при достаточно высоких давлениях алмаз становится более устойчивым. Если при этом повысить температуру, чтобы увеличить подвижность атомов, то графит можно перевести в алмаз. На этом принципе основано получение искусственных алмазов.

2)Стекла и другие аморфные тела. Не все твердые тела имеют кристаллическую структуру. Твердые тела, которые характеризуются случайным хаотичным расположением частиц, называются аморфными. В отличии от кристаллов аморфные тела изотропны по свойствам, не имеют определенной температуры плавления и характеризуются довольно широким температурным интервалом размягчения. Наглядным примером аморфных тел могут служить стекла и многие пластики.