ОСНОВЫ ФИЗИЧЕСКОГО МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

ОСНОВЫ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКОГО АНАЛИЗА МАТЕРИАЛОВ

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ

Объектами изучения дисциплины «Материаловедение» служат конденсированные твердые тела — металлы, сплавы, полупроводниковые и диэлектрические материалы, композиты на основе указанных типов материалов. В то же время аналогичные объекты являются предметом изучения и такого раздела науки как «Физика твердого тела». Однако научные подходы к данным объектам, методам их исследования и принципы разработки материалов с заданными свойствами в материаловедении и физике твердого тела существенно различаются.

В физике твердого тела изучение конденсированного состояния проводят исходя из «первых принципов». На основе уравнения Шре- дингера и с использованием методов статистической физики и квантовой электродинамики рассматривают электронные волновые функции ансамбля атомов, взаимодействие квантовых подсистем твердого тела (электронных, фононных и т.д.). Такой подход оказался весьма плодотворным для понимания многих фундаментальных физических свойств высокочистых монокристаллов и поликристаллов, а также материалов с малым уровнем примесей и дефектов. Однако он встречается с определенными сложностями при переходе к изучению физических свойств многокомпонентных и многофазных материалов.

В материаловедении подход к изучению физических свойств материалов базируется на методе физико-химического анализа, в основе которого лежит научное положение, согласно чему физические свойства материала однозначно определяются его структурой, химическим и фазовым составом, а также «технологической предысторией» материала. При этом особенности электронного строения твердого тела в материаловедении являются вторичными и привлекаются для более глубокого понимания сущности указанных закономерностей, а также для обоснования возможности их обобщения на системы с однотипными характеристиками межатомного взаимодействия, структурного и фазового состояния.

На начальных этапах развития — до разработки методов изучения кристаллографической структуры, фазового состояния и электронного строения твердых тел — в материаловедении превалировали эмпирические методы изучения материалов и технологий. Однако и при таком подходе к концу первой трети XX в. был накоплен большой объем экспериментальных результатов, позволяющий методом проб и ошибок создавать новые материалы в соответствии с потребностями развития техники.

Основные принципы физико-химического анализа были сформулированы в начале XX в. Д.И. Менделеевым, в дальнейшем развиты Н .С. Курнаковым и рядом других выдающихся ученых и легли в основу современного материаловедения. Начиная с 20-х гг. XX в., с созданием атомной физики и квантовой механики, с появлением новых методов экспериментального исследования материалов, развитие материаловедения приобрело принципиально новый характер. В соответствии с вышеизложенным, главной задачей материаловедения является выявление закономерностей изменения физических свойств материалов в зависимости от их структуры, фазового состояния, «технологической предыстории» и электронного строения материала, теоретическое обобщение указанных закономерностей и разработка на их основе теоретических подходов к созданию материалов с заданными физическими свойствами.

Таким образом, любой материал с точки зрения материаловедения может быть охарактеризован в терминах его структуры (структуры в ее классическом понимании, а также электронно-зонной структуры), фазового состояния и «технологической предыстории», которые и определяют однозначно физические свойства материалов.

К классическим структурным характеристикам материалов, значимым с точки зрения материаловедения, относят:

  • • наличие или отсутствие симметрии в расположении атомов материала (кристаллические и аморфные твердые тела);
  • • тип кристаллической структуры материала (кристаллы), наличие и тип упорядочения атомов (аморфные твердые тела);
  • • точечные и линейные дефекты кристаллической структуры материала (атомы внедрения или замещения, вакансии, дислокации и т.д.);
  • • макродефекты материала (поры, границы зерен, границы фаз, поверхность материала);
  • • макроструктура материала (поликристаллическая, монокристал- лическая, текстурированная);
  • • микроструктура материала (распределение по форме и размерам зерен поликристалла или текстурированного материала). Характеристика фазового состояния материала базируется на фундаментальном понятии «фаза», имеющем более широкий смысл, чем понятие «агрегатное состояние твердого тела» (твердое, жидкое, газообразное).

Фаза — часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью и обладающая определенным набором физических и химических свойств, отличающаяся по крайней мере по одному из свойств от свойств системы вне указанной замкнутой поверхности.

В материаловедении обычно рассматривают фазы в трехмерном пространстве. Однако в ряде случаев (явление сегрегации, поверхностно-чувствительные свойства) часто ключевую роль играют так называемые двумерные фазы.

К характеристикам фазового состояния материалов, значимым с точки зрения материаловедения, относят:

фазовый состав материала (однофазный или многофазный);

  • • термодинамическую равновесность фаз, входящих в состав материала (термодинамически стабильные или метастабильные фазы);
  • • тип фаз, входящих в состав материала (фазы постоянного или переменного состава);
  • • превалирующий механизм стабилизации фазового состояния (валентный, электронный или размерный факторы);
  • • тип фазовых переходов, реализуемых в твердом теле при воздействии на него внешних факторов (фазовые переходы 1-го или 2-го рода).

К электронно-зонным характеристикам твердых тел, значимым с точки зрения материаловедения, относят:

  • • тип межатомной связи (металлический, ионный, ковалентный, Ван-дер-Ваальса, водородный, резонансный);
  • • тип электронно-зонной структуры (пустая или частично заполненная зона проводимости, наличие или отсутствие электронных состояний в запрещенной зоне);
  • • топологию поверхности Ферми (односвязная или многосвязная);
  • • наличие или отсутствие перекрытия электронных зон (sp- или spd- гибридизация);
  • • характер перестройки электронно-зонной структуры под воздействием внешних факторов (спиновое упорядочение, переходы Андерсена);
  • • характер взаимодействия электронной подсистемы с другими квантовыми подсистемами (фононами, экситонами, поляронами, маг- нонами и т.д.).
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >