Химия и наука о материалах. Специфика химии твердого тела. Классификация

твердофазных материалов по составу, структуре и свойствам.

появилась и с чего начиналось ее развитие. Поэтому, начиная говорить

о химии твердого тела, хочется вначале обратиться к истории.

Пожалуй, наиболее ранние опыты человечества в области химии твердого тела относятся к получению керамических изделий: сосудов, фигурок и орнаментов.

Керамика известна с глубокой древности и является, возможно, Первым созданным человеком материалом. Ещё недавно первые известные нам образцы керамики относились к эпохе верхнего палеолита (граветтская культура). Однако, найденные в 1993 году горшки из сяньжэньдон слеплены 20 тысяч лет назад. Древнейший предмет из обожженной глины датируется 29-25 тысячелетиями до нашей эры. Это вестоницкая венера, хранящаяся в моравском музее в Брно.

результате горения дерева при высокой температуре, способен восстанавливать некоторые минералы.

При этом в результате взаимодействия камня, дерева и огня образовывался материал, обладающий принципиально новыми свойствами.

Это казалось чудом человеку, тогда еще не знакомому не только с атомно-молекулярной теорией и периодической системой, но и с основами химии. Казалось, что комбинируя различные вещества, можно продолжить эти чудесные превращения еще дальше, например, превратить железо, медь, свинец или ртуть в самый дорогой металл – золото. Так возникла алхимия.

Своими трудами алхимики создали или наметили многие основные направления современной химии твердого тела. Опираясь на их труды, новый толчок в своем развитии получила металлургия.

крупный организатор горнозаводской промышленности. Работал в Златоустовском горном округе, он

создал новый метод получения литой стали, объединив в единый процесс науглероживание и плавление металла. Аносов раскрыл утерянный в середине века секрет изготовления булатной стали. Он впервые применил микроскоп для исследования микроструктуры стали, заложив основы микроструктурных исследований.

29 июня 1796 г. – 13 мая 1851 г.

Дмитрий Константинович Чернов – ученый металлург, металловед и специалист в области термической обработки металлов. Он является родоначальником металлографии железа. Чернов первым сделал набросок диаграммы состояния «железо-углерод».

1 ноября 1839 г. – 2 января 1921 г.

Термин «химия твердого тела» был введен в научную практику в 1902 году с легкой руки российского химика Флавиана Михайловича Флавицкого.

18 января 1848 г. – 1 ноября 1917 г.

тела имеет дело со всем, что касается получения, свойств, применения

материалов находящихся в твердом состоянии. Как правило, но не обязательно, это неорганические соединения.

При изучении твердых тел следует обратить внимание на дефектность структуры. Дефекты того или иного вида присущи всем твердым телам и часто оказывают огромное влияние на многие свойства материалов:
электрическая проводимость,
механическая прочность
реакционная способность.
С дефектообразованием связано существование твердых растворов.
Твердый раствор характеризуется переменным составом твердой фазы при сохранении типа кристаллической решетки.
Меняя состав в пределах твердого раствора, удается регулировать и модифицировать в практических целях многие свойства материалов.

Выбор способа получения того или иного твердого вещества в сильнейшей степени влияет на его свойства. Применяя различные методы, одни и те же твердые вещества можно получить в разных формах.

(измельчение) исходных материалов конденсация, т.е. выделение твердых веществ из жидкой

или газообразной фазы. Методы первой группы подразделяются в зависимости от принципов, положенных в основу процессов диспергирования: истирание, удар, давление, взрыв, ультразвуковое воздействие, электромагнитный импульс, электроискровое или дуговое диспергирование, электрохимическая или химическая коррозия, лазерное воздействие, разрушение материала за счет последовательных теплосмен и пр. Ко второй группе относятся, например, разложение металлоорганических соединений (МОС), различные варианты осаждения из растворов, упаривание солевых растворов, осаждение за счет реакций в газовой фазе, конденсация паров, криохимический метод, распылительная сушка и т.д. Методы получения компактных сложнооксидных материалов можно подразделить на керамические и методы с использованием растворных (в частности, солевых) технологий.

и зависят от того, с какой целью создается та или

иная классификационная схема. Обычно материалы классифицируют по составу, формам существования, структуре, функциональным свойствам, а также областям применения.
Наиболее общая классификация материалов включает их условное разделение на функциональные и конструкционные материалы. Конструкционные материалы определяются конкретным назначением и свойствами. Функциональные материалы – это материалы преимущественно с нелинейными физическими свойствами, такими как электрические, магнитные, оптические, «биологические», а также с самыми разнообразными комбинациями этих свойств.

ближайшем рассмотрении оказывается, что биоматериалы – имплантанты, костезаменители, цементы и

пр. – по своей сути гораздо ближе к конструкционным материалам, чем к остальным функциональным материалам.
Наноматериалы – достаточно обширный и универсальный класс материалов, объединяющий различные семейства материалов с любыми свойствами, лишь бы вещество находилось в особом, «наноразмерном», состоянии. Более того, почти любую фазу, составляющую функциональный материал, можно получить в виде наночастиц (и далеко не всегда, скажем, в виде стекла или монокристаллов). Естественно поэтому, что такие материалы стоит рассматривать как «функциональные», однако их следует выделять в особый класс «наноматериалов» из-за того, что функциональные свойства в существенной степени могут трансформироваться из-за «размерного фактора» и огромного вклада поверхностной энергии.

Ниже будут приведены четыре альтернативные и, с другой стороны, все же взаимодополняющие друг друга, схемы классификации материалов по составу, структуре, форме существования и функциональным свойствам. Кстати, именно такая последовательность – отражение обычно реализующегося алгоритма создания новых материалов. Предпосылки для успешного поиска новых материалов заключаются в правильном выборе химической системы и далее – диапазона составов будущего материала, для которых наблюдаются желаемые функциональные свойства. Затем для выбранного диапазона составов проводится синтез вещества с определенной структурой или (для кристаллических веществ) в виде определенной полиморфной модификации заданного состава. Тем самым определяется наилучший фазовый состав будущего материала.

материалы.
Композицио́нный материа́л (компози́т, КМ) — неоднородный сплошной материал, состоящий из

двух или более компонентов, среди которых можно выделить наполнитель (включения специальных компонентов), обеспечивающий необходимые механические характеристики материала, и матрицу (или пластическая основа), обеспечивающую совместную работу наполнителя.
Среди многих типов композитов важнейшими являются металлы, упрочненные неметаллическими волокнами, дисперсионно-упрочненные материалы (керметы) и керамика, упрочненная металлическими волокнами.
Классификация 2.
По составу твердофазные материалы достаточно разнообразны и могут быть также объединены в группы, естественно не исчерпывающие всю их полноту.

расположении атомов, ионов или молекул 2. Не кристаллические (аморфные или стекла)

– отсутствует дальний порядок в расположении атомов, ионов или молекул

Стекла специального назначения в последнее время создаются на основе фосфатов, боратов, германатов, титанатов и оксидов РЗЭ. Халькогенидные стекла, содержащие мышьяк и сурьму, широко используются в полупроводниковой технике и квантовой электроники. Стекла из кварца повышенной чистоты – основа волоконной оптики. Исследования по кристаллизации стекла привели к созданию новых стеклокристаллических материалов – ситаллов, обладающих высочайшей прочностью и используемых в ракетной технике и приборостроении. На их основе изготавливаются износостойкие шары для помола в мельницах, защитные покрытия для металлических сплавов и электроизоляторы.

назначения также может быть предложена классификация, проиллюстрированная таблицей.
Состояние используемых материалов

также может быть различным, как мы уже отметили выше: керамика, монокристаллы, тонкие пленки, толстопленочные покрытия.

лежат следующие свойства:
прозрачность или светопропускание в ультрафиолетовой, визуальной или

инфракрасной области спектра,
устойчивость к воздействию световых потоков (в светофильтрах, делителях, поляризаторах, различного рода оптических затворах и модуляторах).

Особую группу оптических материалов представляют люминофоры, которые обеспечивают визуализацию изображения в электронно-лучевых трубках, они различаются по спектру, длительности и интенсивности люминесценции, способам и энергии её возбуждения и т.д.

Магнитные материалы

характеризуются в первую очередь параметрами кривой намагничивания.

Кривая намагниченности и расположение магнитных доменов в зависимости от напряженности внешнего магнитного поля Н.

быть использованы в устройствах где требуется быстрое управление сигналом при

минимальных затратах энергии.
Магнитожесткие материалы, для перемагничивания которых требуется очень значительная энергия, применяются в качестве постоянных магнитов в различных устройствах. К ним относятся интерметаллиды типа SmCo5 или на основе соединений в системе неодим-бор-железо, ферриты со структурой типа магнетоплюмбита Ba1-xSrxFe12O19 и пр.

Природа магнетизма твердых тел заключается во взаимодействии между собой спиновых моментов электронов ферромагнитных ионов и атомов в структуре материалов.
В случае совпадающих по направлению спиновых моментов - материал обладает ферромагнитными свойствами (FM), при полной взаимной компенсации таких моментов образуется антиферромагнетик (AFM), а частичная компенсация приводит к получению ферримагнитных материалов (феррит), к которым часто относятся используемые на практике ферриты: например, шпинели АВ2О4 или феррогранаты с общей формулой М3Fe5O12.

Схематическое взаимодействие между собой спиновых моментов электронов ферромагнитных ионов и атомов в структуре материалов

Важнейшая характеристика магнитных материалов - температура Кюри, при которой за счет теплового движения происходит разрушение ориентации магнитных доменов и вещество практически теряет свою намагниченность. Преимущество имеют материалы с достаточно высокой температурой Кюри и слабой температурной зависимостью намагниченности в эксплуатационных интервалах.

образовании кристаллической решетки твердого тела все электронные уровни у данного

типа атомов смещаются из-за действия соседних атомов друг на друга, и из отдельных энергетических уровней уединенных атомов в твердом теле образуется их целая полоса — зона энергетических уровней. То есть при обменном взаимодействии электронов энергетические уровни расщепляются. Самая верхняя из заполненных электронами зон называют валентной. Ближайшая к ней незаполненная электронами зона — зона проводимости. Эти зоны отделены друг от друга запрещенной зоной, в которой электроны находиться не могут.

Схема расположения энергетических уровней свободного атома (а) и неметаллического твердого тела (б):
1 и 2 – уровни энергии атома в нормальном и возбужденном состоянии, соответственно;
1' и 2' – орбитали электронов атомов в нормальном и возбужденном состоянии, соответственно;
3 – валентная зона;
4 – зона проводимости;
5 – запрещенная зона

(а,б) — у этих материалов запрещенная зона практически отсутствует. Валентная зона

вплотную прилегает к зоне проводимости или даже перекрывается ею,  вследствие чего электроны в металле свободны и под влиянием  слабых напряженностей приложенного электрического поля могут переходить из валентной (заполненной) зоны в зону проводимости.
Отличительное свойство проводников —  сильно выраженная электропроводность.
Полупроводники (в) — вещества с шириной запрещенной зоной < 3 эВ.
Отличительное свойство полупроводников — сильная зависимость удельной проводимости от концентрации и вида примесей и дефектов в материале, а также от внешних воздействий (температуры, света, электрических и магнитных полей).
Диэлектрики (г)- вещества, имеющие самую широкую запрещенную зону (более 3 эВ) и  большое удельное электрическое сопротивление (rv > 108 Ом•м). У некоторых диэлектриков запрещенная зона может быть настолько велика, что электронная электропроводность не играет определяющей роли.
Отличительное свойство — способность к поляризации и возможность существования в этих материалах электростатического поля.

зависимости электропроводности. Так, например, в сложных оксидах при невысоких температурах

может быть реализована проводимость за счет наличия примесей, а при их повышении – собственная

Температурная зависимость электропроводности

В твердых ионных проводниках электроперенос осуществляется за счет подвижности ионов в кристаллической решетке по тому или иному механизму, при этом возможен униполярный перенос, т.е. только ионами одного знака, как в материалах, используемых для создания электрохимических топливных элементов.