Поверхностные дефекты

Поверхность кристалла является самым очевидным примером поверхностного дефекта. Известно, что вблизи поверхности кристалла нарушается в некоторой степени периодическое расположение атомов. Из-за этого поверхностный слой находится в напряженном состоянии и обладает некоторой поверхностной энергией, подобно тому как и поверхность жидкости обладает энергией поверхностного натяжения. Стремление кристалла как любой системы иметь минимум энергии приводит к минимальной поверхности кристалла. Отчасти поэтому кристаллы имеют форму выпуклых многогранников.

Однако поверхностные дефекты встречаются и внутри кристалла. Это связано с тем, что большинство реальных кристаллов формируются одновременно из нескольких центров кристаллизации и поэтому состоят из зерен с близкой ориентацией кристаллических решеток. На границе раздела этих зерен неизбежно нарушается периодическое расположение атомов. Такие границы называют малоугловыми.

Существуют и другой тип границ - границы между кристаллическими зернами в поликристаллическом материале. В этом случае разориентировка кристаллических решеток соседних зерен бывает произвольной.

Границы зерен кристалла с нарушенной кристаллической решеткой находятся обычно в напряженном состоянии. Поэтому именно вблизи границ зерен кристалла под действием внешних, дополнительных механических напряжений и происходит чаще всего разлом кристалла.

Вдоль границ зерен быстрее проходит диффузия атомов (так называемая межзеренная диффузия), и, в частности, атомов газов, способных вызывать нежелательные химические реакции с атомами кристалла. Из-за этого ухудшается коррозионная стойкость изделий из кристаллических веществ. Продукты этих реакций (например оксиды, нитриды и др.) будут дополнительно искажать кристаллическую решетку вблизи границ зерен, из-за чего неизбежно повысится вероятность разлома кристалла вдоль границ его зерен и в целом его хрупкость.

Существуют несколько способов уменьшения отрицательного влияния рассмотренных выше поверхностных дефектов на механические и коррозионные свойства кристаллов.

Первый, самый распространенный способ - это выдержка кристалла при температуре примерно в 2 раза меньшей температуры плавления. В процессе такой выдержки происходит миграция атомов, и напряжения вблизи границы частично уменьшаются, из-за чего и несколько затрудняется диффузия вдоль границ и улучшается коррозионная стойкость кристалла.

Второй, менее распространенный и дорогостоящий способ - использование монокристаллических материалов с малыми углами разориентировки соседних зерен. Его применяют, в частности, при производстве лопаток газовых турбин. Монокристаллические лопатки, в которых сведена к минимуму межзеренная диффузия, служат дольше и при более высоких температурах, чем такие же лопатки из поликристаллических материалов.

Границы зерен, как и другие дефекты, оказывают влияние на теплопроводность и электросопротивление, поскольку на них происходит дополнительное рассеяние переносящих энергию фононов и переносящих энергию и заряд электронов. Особенно сильное влияние поверхностных дефектов на теплопроводность и электросопротивление наблюдается при низких температурах, когда длины свободного пробега фононов и электронов оказываются сопоставимыми с размерами кристаллических зерен.

Объемные дефекты

К объемным дефектам относят микровключения других фаз, поры и трещины. Последние два типа дефектов - крайне нежелательны для материала, поскольку искажают практически все его физические свойства, причем наиболее значительно ухудшают прочность и пластичность изделий.

Микровключения других фаз широко используют для улучшения прочности материала. В таком случае специально создают структуру подобную железобетону, состоящую из вещества основной фазы и упрочняющей фазы. Наилучшие результаты получаются, если кристаллические решетки обеих фаз "удачно стыкуются" вдоль некоторых плоскостей. Примерами могут служить сплавы алюминия с медью и алюминия с литием.

В сплавах алюминий-медь (широко известных как дюралюминий), содержащих порядка одного процента меди, в процессе выдержки при температуре 200 С атомы меди группируются в виде дисковых тонких, толщиной 1-2 атома, скоплений. Формируется структура, состоящая из кристаллической решетки алюминия, в которой в местах дисковых скоплений атомы алюминия заменены на атомы меди. Прочность такого материала оказывается значительно выше, чем у чистого алюминия, поскольку в такой структуре движение дислокаций сильно затруднено дискообразными скоплениями атомов меди. Такие сплавы (в частности, дюралюминий) широко используются в авиа и ракетостроении как легкий и достаточно прочный материал.

В сплавах алюминий-литий, содержащих порядка трех процентов лития, в процессе выдержки при температуре 200 С атомы лития и алюминия группируются в виде округлых скоплений, размером в 50-500 межатомных расстояний, имеющих такую же кристаллическую решетку, как и алюминий (более того, решетки обеих областей являются как бы продолжением друг друга), но несколько меньший параметр кристаллической решетки. Сплав состоит из кристаллической решетки алюминия, в которую вкраплены округлые области фазы, обогащенной литием, кристаллическая решетка которых слегка деформирована кристаллической решеткой алюминия. Прочность такого материала оказывается значительно выше, чем у чистого алюминия, поскольку в такой структуре движение дислокаций сильно затруднено округлыми областями другой фазы. Сплавы алюминий-литий широко используются в авиа и ракетостроении как легкий и достаточно прочный материал.

В настоящее время найдены пути управления формой и размерами областей выделяющихся объемных дефектов путем проведения специальных термообработок за счет использования энергии упругого взаимодействия кристаллических решеток областей фаз, внешнего магнитного поля во время проведения термообработок и некоторых других факторов.

Заключение

Основным положением химии является утверждение, что свойства любого химического соединения будут всегда одинаковыми, независимо от способа его получения. Это остается справедливым и для молекул. Однако для твердого вещества немолекулярного строения, а таковых среди неорганических соединений подавляющее большинство, это утверждение приходится признать устаревшим, если речь идет о тонких изменениях некоторых свойств (например, электрических свойств полупроводниковых соединений).

Кристаллы, полученные разными методами, существенно отличаются друг от друга своей реальной структурой, а следовательно, и свойствами. В зависимости от материала тигля, состава исходных реактивов и т.п. в полученный кристалл всегда попадает какое-то количество микропримесей. Последние могут весьма существенно влиять на физические свойства полученного кристалла.

Даже если предположить, что состав кристаллов абсолютно одинаков, то и тогда они могут существенно отличаться друг от друга своей реальной структурой, как то: степенью упорядоченности, числом и направлением дислокаций, напряжениями, вызванными ростом и т.п., т.е. они могут иметь и всегда имеют разную степень совершенства, зависящую, в частности, от скорости кристаллизации. Некоторые электрические свойства, например, подвижность носителей тока, существенно различны у монокристаллов и поликристаллических агрегатов одного и того же вещества. В отличие от жидкостей и газов индивидуальность кристаллов всегда должна учитываться при исследовании твердых тел.

Литература

1) Бокий Г.Б. Кристаллохимия. 3 изд., перераб. и доп. - М.: Наука, 1971. - 400 с.

2) Киттель Ч. Введение в физику твердого тела. - М.: Наука, 1978, 790 с.

3) Уэрт Ч., Томсон Р. Физика твердого тела. - М.: Мир. - 1966. - 568 с.