Тема 2.8. Симметрия и анизотропия физических свойств кристаллов

Анизотропия – зависимость физических и механических свойств вещества от направления. Она характерна для кристаллов и связана с их симметрией: чем ниже симметрия, тем сильнее анизотропия. В отношении некоторых свойств, например, плотности, удельной теплоемкости, кристаллы изотропны, т.е. эти свойства не зависят от направления. Анизотропия жидких кристаллов и некоторых жидкостей объясняется частичной упорядоченностью в ориентации молекул и анизотропией некоторых их свойств (например, поляризуемости). В изотропных средах под действием электрического или магнитного поля, механических воздействий может возникнуть искусственная анизотропия. Поликристаллические материалы обычно изотропны; анизотропия свойств (в основном механических) может возникнуть в них в результате обработки (отжига, прокатки) и создания ориентации зерен (текстуры).

Вопросы для самопроверки

1. Каковы основные особенности ковалентного, ионного и металли­ческого взаимодействий и как они влияют на структуру кристаллов?

2. Что считают эффективным радиусом частицы в кристалле? Ка­кими системами таких радиусов пользуются в кристаллохимии?

3. Что понимают под координационным числом частицы в кристал­ле? Какие многогранники называют координационными?

4. От чего зависят координационные числа частиц в кристаллах с ковалентной и ионной связями? Каково влияние координационного числа на межатомные расстояния в кристаллах с металлической связью?

5. Какие слои и многослойные упаковки называют плотнейшими?

6.Как подсчитывается и чему равен коэффициент компактности плотнейших упаковок?

7. Каков порядок чередования плотноупакованных слоев в кубиче­ской и гексагональной плотнейших упаковках? Какие пустоты существуют в этих упаковках?

8. Дайте характеристику основных структурных типов металлических элементов – структурных типов меди, магния и вольфрама.

9. Охарактеризуйте структурные типы алмаза и графита.

10. Что понимают под изоморфизмом и полиморфизмом? Приведите примеры изоморфизма и полиморфизма кристаллов.

Раздел 3. Идеальный кристалл и дефекты строения реальных кристаллических материалов. Точечные дефекты

Тема 3.1. Понятие об идеальном кристалле

Идеальный кристалл является теоретической моделью, широко используемой в теории твёрдого тела.

Идеальный кристалл характеризуется следующими основными признаками:

1) кристалл совершенной структуры, лишенный всех дефектов строения, которые неизбежны в реально существующих кристаллах;

2) кристалл совершенной формы, в которой физически равноценные грани одинаково развиты.

Монокристаллы, близкие по строению к идеальным, вырастают в подвешенном состоянии в хорошо перемешиваемом переохлажденном растворе. Они характеризуются минимальной плотностью дефектов строения и выраженной анизотропией свойств.

Тема 3.2. Точечные, линейные, по­верхностные и объемные дефекты кристаллического строения. Виды точечных дефектов.

Дефекты кристаллического строения подразделяются по геометрическим признакам на точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные).

Точечные дефекты малы во всех трех измерениях, их размеры по всем направлениям не больше нескольких межатомных р асстояний. К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и различные комплексы этих дефектов (рис. 3.1).

Линейные дефекты малы в двух измерениях, а в третьем могут иметь размеры, соизмеримые с размерами кристаллов. К линейным дефектам относятся, например, дислокации, цепочки вакансий и цепочки межузель

Рис. 3.1. Типы точечных дефектов: 1 - вакансия; 2 - межузельный атом; 3 - дефект по Френкелю; 4 - примесный атом замещения; 5 - примесный атом внедрения;

6 - атом замещения большей валентности

ных атомов.

Поверхностные дефекты малы только в одном измерении. К ним относятся, например, границы зерен, субзерен и двойников, дефекты упаковки.

Точечные, линейные и поверхностные дефекты являются микроскопическими, т.к. минимум в одном измерении их протяженность соизмерима с межатомными расстояниями.

В отличие от них объемные дефекты в атомном масштабе являются макроскопическими. К ним относятся разного размера поры, пустоты, трещины, царапины и т.п.

Под дефектами кристаллического строения обычно понимают микроскопические дефекты.

Искажения кристаллической решетки, связанные с тепловыми колебаниями материальных частиц, и упругие деформации, отличающие реальный кристалл от идеального, не относятся к дефектам кристаллического строения.

Элементарными точечными дефектами являются вакансии, межузельные атомы, примесные атомы внедрения и примесные атомы замещения (рис. 3.1).

Вакансии – незанятые узлы кристаллической решетки.

Межузельные атомы – это атомы основного металла, находящиеся в межузлиях его кристаллической решетки. Там же находятся и чужеродные, или примесные, атомы внедрения.

Примесные атомы замещения находятся в узлах кристаллической решетки, занимая места атомов основного металла.

Вакансии и примесные атомы замещения могут находиться в любых узлах кристаллической решетки. Межузельные атомы и примесные атомы внедрения располагаются преимущественно в тех межузлиях, которые более подходят по своим размерам. Как известно из кристаллографии, расположение межузельных пустот различно в кристаллических решетках разных типов.