Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Мир кристаллов. Методические указания
.pdf
- в пьезоэлектрических двигателях;
- для подачи чернил в струйных принтерах.
Прямой и обратный эффекты одновременно используют-
ся:
- в кварцевых резонаторах, используемых как эталон ча-
стоты;
- в пьезотрансформаторах для изменения напряжения вы-
сокой частоты;
- в приборах на эффекте поверхностных акустических
волн:в ультразвуковых линиях задержки электронной аппаратуры; в датчиках на поверхностных акустических волнах.
3.3 Механические свойства
К механическим свойствам кристаллов относятся: твердость, спайность, упругость, сжимаемость, пластичность, хрупкость, ковкость и т.д. Рассмотрим некоторые из них.
Под твердостью подразумевают сопротивление, оказываемое кристаллом царапающему, сверлящему, шлифующему или
давящему предмету. На преодоление этого сопротивления должна быть затрачена определенная работа, которая может быть
принята за меру твердости. Твердость, установленная методами
царапания, сверления, шлифования, вдавливания, всегда несколько различается.
Для определения твердости методом вдавливания измеряют под микроскопом глубину отпечатка, который оставляет
на грани кристалла стандартная по размеру алмазная пирамидка под действием стандартного груза. Зная глубину лунки и величину нагрузки, легко рассчитать значение твердости. Твердость природных кристаллов очень разная – от 2,4 (тальк) до
10 060 кг/мм2 (алмаз). Твердость зависит от типа химической
связи: у минералов с металлической связью она меньше, с ковалентной – больше. Твердость прямо пропорциональна степени
плотности структуры, ретикулярной плотности грани. В изоструктурных минералах она возрастает с уменьшением радиуса
и увеличением заряда ионов, слагающих кристалл.
Для практических целей быстрой диагностики минералов
их твердость определяют методом царапания с помощью простых эталонов твердости. До сих пор с этой целью используются
десять эталонов по старинной шкале, предложенной Ф. Моосом
в 1824 г. (таблица 1).
21
ной твердостью
Другие минералы с аналогич-
Обрабатываемость
твердость*
Абсолютная
Тальк
Эталонный минерал
3 Царапается ногтем Галит, хлорит, слюда
1 Царапается ногтем Графит
)
2
(OH)
10
O
4
Гипс
Si
3
(Mg
O)
2
·2H
4
Кальцит
(CaSO
Доломит, сфалерит
Легко царапается ножом,
9 Царапается медью Биотит, золото, серебро
21
)
3
(CaCO
Флюорит
Гематит, лазурит
оконным стеклом
С усилием царапается но-
жом, оконным стеклом
48
)
2
(OH-, Cl-, F-))
3
(CaF
)
Апатит
4
(PO
5
(Ca
Опал, рутил
Гранат, турмалин
Царапает стекло. Обрабаты-
вается напильником
Поддается обработке алма-
зом, царапает стекло
72
100
)
8
O
)
3
2
(SiO
Кварц
Ортоклаз
(KAlSi
Берилл (гелиодор, аквамарин,
изумруд), шпинель
Поддается обработке алма-
зом, царапает стекло
200
)
2
(OH-, F-)
4
Топаз
SiO
2
(Al
Разновидности корунда – сап-
фир, рубин
Близок Эльбор, но природного
Поддается обработке алма-
зом, царапает стекло
400
)
3
O
2
(Al
Корунд
аналога не существует
Твердость
Таблица 1 – Твердость минералов-эталонов в шкале Мооса
2
1
по Моосу
4
3
5
6
8
7
9
10 Алмаз (C) 1600 Режет стекло
Примечание.*В таблице 1 приведено соответствие твердости по шкале Мооса с абсолютной твердостью, измеренной склероме-
тром.
22
Шкала Мооса – десятибалльная шкала, созданная для
ориентировочной оценки и сравнения относительной твердости
материалов методом царапания.
Твердость минерала измеряется путем поиска самого твердого эталонного минерала, который он может поцарапать, и
(или) самого мягкого эталонного минерала, который царапает
данный минерал. Иначе говоря, в этой шкале каждый последующий минерал своим острым концом царапает предыдущий эталон. Например, если минерал царапается апатитом, но не флюоритом, то его твердость находится в диапазоне от 4 до 5. Шкала
Мооса предназначена для грубой сравнительной диагностики
твердости материалов по системе мягче-тверже. Испытываемый
материал либо царапает эталон и его твердость по шкале Мооса
выше, либо царапается эталоном и его твердость ниже эталона.
Таким образом, шкала Мооса информирует только об относительной твердости минералов. Например, корунд (твердость 9)
в 2 раза тверже топаза (твердость 8), но при этом почти в 4 раза
менее твердый, чем алмаз (10).
Иногда приходится ориентироваться на подручные «эталоны», хотя они и неточны: ноготь (твердость 2,5), стекло (твердость 5), нож (твердость 5,5–6). На результатах определения
твердости сказывается характер царапаемой поверхности, степень хрупкости минералов и другие факторы. Поэтому при определении твердости минерала надо всегда испытывать его свежую
поверхность. Начинать лучше всего со стекла, сначала им поцарапать минерал, затем наоборот. В полевой работе геолога перочинный нож, стекло и ноготь – главные «эталоны».
Помимо шкалы Мооса есть и другие методы определения
твердости, но различные шкалы твердости нельзя однозначно
соотнести друг с другом. Практикой приняты несколько более
точных систем измерения твердости материалов, ни одна из которых не покрывает весь спектр шкалы Мооса.
Другие методы определения твердости: метод Бринелля;
метод Виккерса; твердость по Шору (Метод отскока); метод Роквелла.
Спайность – это способность кристаллов раскалываться
параллельно определенным плоским сеткам пространственной
решетки с образованием разных поверхностей скола. Раскол
проходит между теми плоскими сетками, между которыми действуют самые слабые силы связи. Такие плоские сетки обычно
23
наиболее густо заселены атомами, но отстоят друг от друга на
большем расстоянии (рисунок 15). В зависимости от простой
кристаллографической формы кристалл может раскалываться
по одному, двум, трем и более направлениям.
Рисунок 15 – Спайность в разных кристаллах
24
4 Применение кристаллов
Современный мир невозможно представить без кристаллов, они встречаются повсеместно, охватывая всевозможные
сферы человеческой жизнедеятельности. Каждый день мы сталкиваемся с приборами и устройствами, в которых находят свое
применение кристаллы и кристаллические материалы: компьютеры и мобильные телефоны, аудио- и видеотехника, сложные
современные устройства для обработки, передачи и хранения
информации, сенсоры, имплантаты, подшипники, часовые стекла, скальпели, оптические стекла, люминофоры, сцинтилляторы, дисплеи ноутбуков.
С древних времен кристаллы природного, а теперь и искусственного происхождения широко применяются в ювелирной отрасли, в декоративных изделиях.
Использование алмазов. В промышленности часто используются инструменты, покрытые алмазным порошком в силу его
высокой твердости. Хотя почти все драгоценные камни царапают стекло, успешно отрезать полоску стекла можно только алмазом.
Лазер (от англ. laser, акроним от light amplification by
stimulated emission of radiation – «усиление света посредством
вынужденного излучения») – это устройство, преобразующее
энергию накачки (световую, тепловую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Основа твердотельного лазера – кристаллический стержень. Лазеры нашли широкое применение в
промышленности для различных видов обработки материалов,
сверления отверстий, сварки тонких изделий, сварки металлических деталей, в микроэлектронике, электровакуумной промышленности, машиностроении, медицине, строительстве.
Кристаллы кварца используются в часах в качестве коле-
бательной системы.
Незаменимыми оказались рубиновые стержни-нитеводители на фабриках по изготовлению химического волокна. Они
практически не изнашиваются в отличие от нитеводителей из
самого твердого стекла, которые при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней. Рубины
используются для изготовления лазерных элементов и опорных
камней в часах.
25
Полупроводники. Многие кристаллы не являются хорошими проводниками электричества, как металлы, но их нельзя
отнести и к диэлектрикам, так как они не являются и хорошими
изоляторами. Это полупроводники. 4/5 массы земной коры: германий, кремний, селен и др., множество минералов, различные
оксиды, сульфиды – являются полупроводниками.
Полупроводники используются в микроэлектронике. Под
воздействием температуры, освещения изменяется удельное
электрическое сопротивление полупроводника. На этом явлении
основана работа термисторов, фоторезисторов. Изготавливают
фоторезисторы из сернистого свинца, сернистого кадмия, селенистого кадмия, имеющих кристаллическую структуру.
Фоторезисторы находят широкое применение: контроль
за запыленностью и задымленностью помещений; автоматические выключатели уличного освещения; турникеты в метрополитене; сортировка и счет готовой продукции; контроль качества и готовности различных деталей.
Интегральные микросхемы. Это совокупность большого
числа взаимосвязанных компонентов – транзисторов, диодов,
резисторов, конденсаторов, соединительных проводов, изготовленных на одном кристалле. На пластинку из полупроводника
(кристаллы кремния) наносятся последовательно слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металла. На одном кристалле формируется несколько тысяч электрических микроприборов. Размеры такой микросхемы обычно 5,5 мм, а отдельных
микроприборов – порядка 10–6 м.
Широко применяется кремний солнечного качества (так
называемый солнечный кремний) в альтернативной энергетике
для производства фотоэлектрических преобразователей (солнечных батарей).
26
Заключение
На сегодняшний день можно смело утверждать, что
большая часть сфер деятельности человека станет невозможна
без кристаллов в связи с огромной областью их использования.
Потребность в кристаллах в мире очень высока: десятки
тысяч тонн разнообразных кристаллов выращиваются ежегодно, и специалисты по росту и исследованию кристаллов постоянно востребованы как в России, так и за рубежом. Работы по
созданию технологий кристаллических материалов входят в Перечень Приоритетных направлений развития науки, технологий
и техники Российской Федерации, утвержденный Президентом.
Полученные знания помогут расширить кругозор школьников в области физики и химии кристаллических материалов,
что предоставляет возможность организовать опережающее обучение технической направленности в соответствии с современными требованиями, предъявляемыми системой образования
Российской Федерации.
27
Список используемой литературы
1 Булах А.Г. Минералогия с основами кристаллографии. –
М.: Альфа-М, 1989. – 156 с.
2 Кристаллофизика. Лабораторный практикум. – М.:
МИСиС. – № 282.
3 Розин К.М. Практическая кристаллография. – М.:
МИСиС, 2005.
4 Шаскольская М.П. Кристаллография. – М., 1982
5 Шаскольская М.П. Кристаллы. – М., 1978. – 208 с.
6 http://www.swimcincinnati.com/str127.htm (дата обра-
щения 14.01.2020)
28
Учебное издание
Козлова Анна Петровна
МИР КРИСТАЛЛОВ
Методические указания
Редактор Т.В. Суханова
Компьютерная верстка А.Л. Бабабекова
Подписано в печать 20.01.20 Уч.-изд. л. 1,8
1
Формат 60 × 90
Национальный исследовательский
технологический университет «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. 8 (495) 638-44-06
Отпечатано в типографии
Издательского Дома НИТУ «МИСиС»,
119049, Москва, Ленинский пр-т, 4
Тел. 8 (495) 638-44-16, 8 (495) 638-44-43
/
16
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]