Элементный состав разных структурных уровней материала
Различают несколько уровней и подуровней структурной организации металлических и полимерных веществ и материалов, каждый из которых характеризуется соответствующим элементным составом (см. рис. 4.3 и табл. 4.1).
Микроструктура тонкая: 1а) электронно-ядерная (химическая) — определяющая характер расположения ядер (атомных остовов) и обобществленных электронов между ними (~ 1н-5 А); 16) молекулярная (химическая) с размером элементов ~ 5н-10 А; 1в) микроструктура наноуровня с размером элементов ~ Юн-10 000 А (1 — 1000 нм, хотя чаще употребляют верхний предел до 100 нм). В случае наличия макромолекул в структуре материала они попадают в этот интервал
Рис. 4.3. Иерархия понятий материаловедения и уровней структурной организации материала согласно традиционному и современному вариантам
классификации
(40—80 нм). Но этот интервал для проявления «наноэффекта» частиц достаточно условен, различен для металлов и неметаллов и пока еще определен не достаточно точно. Например, для платины этот эффект достигается при 20—100 нм, а для достижения некоторых новых свойств у алюминия и нихрома размер их кристаллов должен достигать 500 нм и менее.
Мезоструктура с размером элементов ~ 104-И07 А.
Макроструктура с размером элементов ~ 107-М09 А.
Таким образом, элементы, определяющие состав вещества и материала, на разных уровнях его структурной организации будут различны как по размерно-массовым и структурным характеристикам (собственному элементному составу и типу связи), так и по свойствам. Например (см. табл. 4.1), элементом подуровня 1а микроструктуры цепи полимерного материала (типа полиэтилена) будет атомный остов, например катион углерода, связанный химической связью (обобществленными электронами) преимущественно ковалентного типа. А элементами подуровня 16 и 1в микроструктуры этого же материала уже будут либо фрагменты макромолекул, либо сами макромолекулы, связанные межмолекулярным ван-дер-вааль- совым физическим взаимодействием. Размер макромолекулы в полимере достигает величины 40—80 нм. Состав атомного остова углерода определяется элементарными частицами (электронами, нейтронами и протонами), а состав цепи макромолекулы — атомным остовом углерода.
Унифицированная классификация основных уровней структурной организации металлических и неметаллических (полимерных) материалов
(вторая базисная инновация)
Таблица 4.1
|
Уровни структуры и их размерный интервал |
Структурные элементы в металлах |
Структурные элементы в полимерах |
|
|
1. Микроструктура: |
Атомные остовы и обобществленные электроны, кото- рые осуществляют химическую связь (преимущественно металлическую в металлах и преимущественно ковалентную в полимерах); точечные дефекты: вакансии и т.д. (0,0001—0,0005 мкм) |
||
|
тонкая |
1а) электронноядерная; ~1мА (1+5-Ю-10м) |
||
|
16) молекулярная; ~5н-10 А (0,5н-Ы0-9 м) |
Молекулы в металлах отсутствуют, поэтому структурными элементами данного уровня в них могут быть первичные «агрегаты» атомных остовов и соответствующие дефекты (0,0005—0,001 мкм) |
Фрагменты макромолекул (атомные группировки) и единичные межзвенные (ван-дер-ваальсовые (ВДВ) и водородные) связи и низкомолекулярные вещества |
|
|
Наночастицы (0,001 — 0,1 мкм) и поверхности раздела; фрагменты,блоки,полигоны (0,1 — 1 мкм) и область когерентного рассеивания (0,001-0,01 мкм); линейные дефекты: дислокации и дисклинации (0,1 — 1 мкм) |
Макро(олиго-)молекулы, внутри- и межмолекулярное ВДВ и водородное взаимодействие; надмолекулярные соединения: наночастицы и поверхности раздела; кристаллиты, ламели и границы раздела; линейные дефекты |
|
|
2. Мезоструктура; ~104-И07 А (10-М О-3 м) |
Субзерна (1 — 100 мкм) и субграницы; зерна (100—1000 мкм) и границы между ними; поверхностные дефекты (дислокационные ансамбли) |
НМ С: небольшие аксиа- литы, эдриты и сферолиты диаметром до нескольких десятков мкм; поверхностные и небольшие объемные дефекты (поры и т.д.) |
|
|
3. Макроструктура; ~10СЮ9А(10-3-10-1м) |
Структуры, образованные зернами (волокна, дендриты и т.д.) и поверхность раздела; крупные объемные дефекты (усадочные раковины, поры, трещины и т.д.) |
НМ С: крупные надмолекулярные образования в виде крупных аксиалитов, эдри- тов и сферолитов (от нескольких десятков мкм и выше); объемные дефекты (трещины и т.д.) |
Примечание. Если в полимерах, на основе линейных макромолекул, наличие наноструктурных элементов является практически естественным (размеры индивидуальных макромолекул реально соответствуют размерам коллоидно-дисперсных систем — 40-^80 нм), то в металлах появление наночастиц обычно определяется нанотехнологией.
Элементы химической (электронно-ядерной) структуры — атомное ядро или атомный остов и обобществленные электроны (ОЭ), определяющие специфику строения химических веществ.
Структура химическая (химическое строение) — пространственное расположение химических элементов (в виде атомных ядер или остовов) и характер распределения между ними обобществленных электронов в конкретном химическом веществе.
Химический элемент — составная часть структуры (строения) химического вещества, объединяемая посредством любого типа химической связи (или их совокупности) в соответствующую целостную материальную систему. В металлических, ковалентных молекулярных (полимерных, керамических и т.д.) и ионных (солях) веществах и материалах химическими элементами их структуры являются атомные остовы или ядра (катионы и анионы), связанные обобществленными электронами.
Вторичными элементами химической структуры молекулярных (и макромолекулярных) химических веществ являются агрегаты, ас- социаты, конгломераты в виде соответствующих надмолекулярных (физических) структур, а в металлах в виде «атомных» агрегатов и конгломератов, образующих соответствующие кристаллиты или зерна.
Считается, что элементом наноуровня микроструктуры материала являются частицы вещества размером ~ от 10 до 1000 А (1 — 100 нм или 10_7н-10_9м) хотя бы в одном направлении. Однако сегодня имеются данные о проявлении у ряда веществ «наноэффекта» в свойствах при размере частиц более 100 нм. Поэтому целесообразно расширить этот интервал до ~ 10н-10 000 А (1 — 100 или 1000 нм). Наночастицы по своей природе являются промежуточными между индивидуальным физическим атомным уровнем структурной организации вещества и химическим молекулярным или немолекулярным металлическим или ионным уровнями, обеспечивая достижение так называемого критического параметра нанотехнологии (по Г.М. Волкову). Это связано с тем, что количество атомных остовов, находящихся на поверхности наночастицы (которые более свободны от химической связи и, следовательно, являются в значительной мере «физическими» по природе), и их влияние на ее свойства (реакционную способность и т.д.) начинают быть соизмеримыми или даже преобладать над влиянием полностью химически связанных атомных остовов, находящихся внутри частицы. В пределе дальнейшего уменьшения размеров частицы она может достигнуть величины индивидуального атома, т.е. чисто физического уровня организации вещества. Но именно на уровне баланса в равновесии физического и химического факторов у частицы вещества и проявляется «наноэффект», подразумевающий достижение новых свойств материала, при сохранении его элементного химического состава.
Фаза — элемент структуры вещества в виде однородной (гомогенной) составной части системы, имеющий одинаковые структурные характеристики и свойства, отделенный от других составных частей границей (поверхностью раздела). Считается, что понятие фазы и ее появление в структуре вещества и материала можно считать реалией, начиная с размера элементов коллоидно-дисперсного уровня (1 — 100 нм), т.е. фактически с размера макромолекул (40—80 нм) и выше, когда становится возможным оперировать понятием «фаза» и такими характеристиками частицы, как удельная поверхность, кристалличность и аморфность и т.д.
Элементы физической мезо- и макроструктуры — отдельные молекулы и макромолекулы, зерна и субзерна, блоки, полигоны и фрагменты, аксиалиты, эдриты, сферолиты, дендриты, волокна и дефекты разных уровней структурной организации.
Особо следует отметить возможность выделения в качестве элемента физической структуры вещества доменов, отвечающих за магнитные свойства веществ. Это совокупность атомных остовов с упорядоченно ориентированными магнитными моментами (например, параллельно определенному кристаллографическому направлению), образующая самостоятельный элемент структуры вещества или материала. Домен — это элемент в виде определенного объема однородного вещества, характеризующийся спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью, причем его магнитные свойства определяются пространственной ориентацией спиновых магнитных моментов электронов. Если они внутри домена ориентированы хаотично и взаимно компенсируют друг друга, то образуются парамагнетики (материал не намагничен). К ним относятся все щелочные, щелочноземельные и переходные металлы с недостроенными/- и d-электронными оболочками, а из гомоядерных молекул — 02. Если же магнитные моменты электронов расположены параллельно, то домены находятся в состоянии магнитного насыщения и образуют ферромагнетики (типа железа, кобальта, никеля и т.д.). Размер доменов оценивают по-разному: от 10-7н-10-4м или 10_6-И(И м до 10-2-И0-6 м3 у ферромагнетиков, при толщине пограничных слоев между ними несколько десятков ангстрем (10-9н-10-8 м).
Более подробно различия твердых фаз в металлах и полимерах будут рассмотрены в гл. 7.
