Принципы физикохимического анализа




Скачать 254.04 Kb.
НазваниеПринципы физикохимического анализа
страница1/3
Дата публикации19.03.2016
Размер254.04 Kb.
ТипЛекция
edushk.ru > Физика > Лекция
  1   2   3
Лекция 1. Предмет изучения материаловедения.

Объектом изучения материаловедения являются металлы, сплавы, стеклообразные и керамические мат-лы, композиционные мат-лы.

Основной задачей м-ведения явл. экспериментальное изучение зависимостей физических свойств мат-лов от структуры мат-лов, фазового состава, особенностей электронной подсистемы мат-ла. На основе указанных экспериментальных мат-лов м-ведение формулирует закономерности влияния структуры, фазового состава и электронного строения на физические свойства. Данные закономерности являются основой для разработки новых мат-лов с заданными физическими св-вами.

Основными факторами, влияющими на физ. св-ва мат-ла сточки зрения м-ведения являются структура мат-ла и его фазовый состав. Особенности электронного строения мат-ла привлекаются лишь для более глубокого понимания причин изменения физических св-в мат-ла. К структурным особенностям мат-ла в м-ведении относятся:

  1. Наличие или отсутствие упорядочения в расположении атомов (кристаллические или аморфные тела).

  2. Тип кристаллической структуры для кристаллов или наличие ближнего порядка (для аморфных тел).

  3. Точечные или линейные дефекты в твердом теле (вакансии, дислокации и т.д.).

  4. Макродефекты (поры, границы зерен)

  5. Макрокристаллическая структура (монокристалл, поликристалл, текстурированный материал).

Фазовые особенности мат-ла базируются на фундаментальном понятии фаза, более широком, чем понятие агрегатное состояние.

Фазой называется часть системы, ограниченная замкнутой поверхностью, обладающая определенным набором физических и химических св-в и отличающаяся хотя бы по одному из этих параметров от св-в системы вне замкнутой пов-ти.

К фазовым особенностям мат-ла в м-ведении относят:

  1. фазовый состав (однофазный или многофазный).

  2. тип фаз, входящих в состав материала (фазы пост. или пер. состава)

  3. факторы, определяющие стабильность фаз (электронный или размерный)

К электронно-зонным хар-кам, которые рассматриваются в м-ведении относятся:

  1. Тип межатомной связи (ионная, ковалентная, металлическая, вандерваальсовская, водородная).

  2. характер заполнения верхних электронных зон твердого тела (пустая или частично заполненная зона проводимости, ширина запрещенной зоны, наличие и расположения электронных уровней или дефектов в запрещенной зоне)

  3. наличие перекрытия электронных зон в твердом теле.


^ Принципы физикохимического анализа.

Современный научный подход м-ведения базируется на физхиманализе, основные положения которого были сформулированы Курнаковым в 40х гг.

Физические св-ва мат-ла однозначным образом определяются его химическим составом (химический состав называется фактором внутреннего равновесия с-мы а также структурой и фазовым составом мат-ла)

В свою очередь структура и фазовый состав мат-ла однозначным образом определяются факторами внешнего равновесия: температурой, давлениям, магнитным полем и т.д.

Важнейшее значение в м-ведении имеют так наз. равновесные диаграммы состояния материала, на которых равновесный фазовый состав мат-ла представлен в координатах: температура – хим. состав.

Простейшими и одноверменно основными типами фаз, которые рассматриваются в м-ведении являются: твердые растворы, двухфазные м-лы, химические соединения.

В свою очередь хим соединения бывают двух основных типов:

  1. дальтониды, которые существуют при строго фиксированном соотношении компонентов.

  2. бертолиды, которые сущ-т в некотором интервале концентраций компонентов.

На рис 1а приведена диаграмма состояния двойной с-мы, образующей непр. тв. раствор.



На рис 1 б приведена диаграмма сост двухфазной с-мы без частичной взаимной растворимости компонентов.



При составе м-ла, соответствующего эвтектической точке такой материал плавтися и затвердевает при строго фиксированной температуре.

Если состав м-ла с двухфазной диаграммой отличается от эвтектического, то плавление и затвердевание его протекает в интервале температур.

На рис 1 в приведена диаграмма состояния с-мы, имеющей двухфазную диаграмму с частичной взаимной растворимостью компонентов:



На рис 1 г приведена д-ма состояния системы, в которой образуется соединение дальтонидного типа. m и n const.



В точке С линии ликвидуса имеют излом, а сама точка наз сингулярной точкой.

НА рис 1 д приведена д-ма состояния с-мы, в которой образуется соединение бертолидного типа.



Соединение AxBy существует в некотором интервале концентраций компонентов. При этом в точке D линии плавно переходят друг в друга, т.е. в ней нет сингулярности.

Принципы физхиманализа:

  1. между переменными значениями факторов равновесия системы (хим состав, температура, давление) и физ хар-ками м-ла существует непрерывное соотношение (принцип непрерывности)

  2. каждому геометрическому образу на диаграмме состояния с-мы соответствует свой геометрический образ на диаграмме состав-свойство (принцип соответствия)

  3. каждой сингулярной точке на диаграмме состояния с-мы соответствует сингулярная точка на диаграмме состав-свойство (принцип сингулярности).

Таким образом физхиманализ утверждает, что между диаграммой состояния системы и диаграммой состав-свойство существует однозначное соответствие. Поэтому задачей физхиманализа является определение типов диаграмм состав-свойство (для различных свойств) соответствующих определенным типам диаграмм состояния.
Лекция 2. Диаграмма состав-свойство.

Все физ св-ва мат-лов с точки зрения м-ведедения можно разбить на 2 большие группы: структурно чувствительные и структурно нечувствительные свойства. Такая градация обусловлена тем, чтов каждой из этих групп физ св-ва меняются сходным образом в зависимости от фактора внутреннего равновесия с-мы – его хим состава.

^ Структурно нечувствительные св-ва определяются только природой атомов, входящих в состав мат-ла и почти не зависят от его структуры и фазового состава.

Структурно чувствительные св-ва зависят от природы атомов, входящих в состав мат-ла, а также от его структуры (точечные и линейные дефекты, форма и размер зерен мат-ла) и фазового состава.

Некоторые физ св-ва являются структурно чувствительными для одних классов мат-лов (металлы и сплавы) и структурно нечувствительными для других классов (полупроводники и диэлектрики). К таким свойствам относятся те свойства, которые определяются характером заполнения зоны проводимости при появлении структурных дефектов. Например, при появлении лигирующих примесей или других структурных дефектов (вакансии, междоузельные атомы) в металле положение уровня Ферми (верхний заполненный уровень) меняется мало, поэтому величина работы выхода меняется мало, и данное св-во нечувствительно.

В собственном полупроводнике, уровень Ферми лежит примерно на середине запрещенной зоны. Если полупроводник содержит, например, донорные примеси, то уровень Ферми оказывается примерно посередине между уровнем примесей и дном зоны проводимости, т.е. работа выхода существенно изменяется. Донорные (или акцепторные) уровни могут создаваться примесными атомами, вакансиями или междоузельными атомами самого материала, дислокациями, т.е. различными типами структурных дефектов.

^ Твердые растворы.

На рис 4 а приведена диаграмма состояния системы, образующей твердый раствор. На рис 4 б приведена характерная диаграмма состав-свойство для структурно чувствительных свойств в данной фазовой области. На рис 4 в приведена диаграмма состав-свойство для структурно нечувствительных свойств.



К структ нечувств св-вам относятся: физ плотность, теплоемкость, теплопроводность, к-т объемного теплового расширения и т.д.

К структ чувств св-вам относятся: электропроводность, твердость, прочность, др. мех. св-ва, к-т линейного теплового расширения и т.д.

^ Двухфазные материалы.

На рис 5 а приведена диаграмма состояния двухфазного мат-ла имеющего области ограниченной взаиморастворимости. На рис 5 б приведена характерная диаграмма состав-свойство для структурно чувствительных свойств. На рис 5 в приведена диаграмма состав-свойство для структурно нечувствительных свойств.



^ Мат-лы с промежуточными соединениями компонентов.

На рис 6 приведены диаграммы состояния и состав-свойство для системы, в которой образуются соединения бертолидного типа соед переменного состава.



На рис 7 приведена диаграмма состояния и состав-свойство для системы в которой образуется соединение дальтонидного типа (постоянного) состава.



При составе мат-ла, отвечающего соединению дальтонидного типа св-во материала может существенно отличатся от свойств компонентов. Например, AlN – мат-л с очень высокой твердостью соединения, Ni3Al – мат-л с высокой жаропрочностью. Таким образом, по виду диаграммы состояния системы специалист м-вед может сделать заключение об ожидаемых свойствах такого материала. Если для данного мат-ла отсутствует диаграмма состояния, то, измеряя какое либо свойство легко изменяемое можно предсказать характер изменения других свойств в системе. Сопоставление диаграмм состав-свойство называют физико-химическим подходом в м-ведении, а изучение фазового и структурного состояния материала путем измерения какого-либо физ св-ва наз соответствующим методом физхиманализа.

Например, легко измеряемым структурно чувствительным св-вом мат-ла является его твердость, поэтому измеряя твердость мат-ла после различных технологических операций (плавление, прокатка, отжиг) по величине твердости мат-ла можно видеть количество структурных нарушений в материале (примесных атомов, структурных дефектов и т.д.)
Лекция 3. Кристаллическая структура твердых тел.

Структура большинства твердых тел является кристаллической, т.е. расположение атомов обладает свойствами симметрии: трансляционной, симметрии направлений и некоторыми другими.

Трансляционная симметрия означает, что атомы совмещаются с решеткой кристалла при перемещении их по осям x y z на расстояния, кратные так называемым параметрам кристаллической решетки.

Симметрия направления означает, что атомы решетки совмещаются при повороте вокруг осей на углы 90, 60, 120 гр. Существуют другие типы симметрии кристаллов:

-точка инверсии, когда кристалл совмещается при замене координат x y z, на –x –y –z.

-плоскость отражения, когда кристалл совмещается при отражении атомов относительно этой плоскости, а также винтовые оси и оси скольжения.

Различные типы кристаллических структур всегда обладают трансляционной симметрией, а также некоторым набором других типов симметрии.

Многие металлы, полупроводники и диэлектрики обладают одним из четырех типов кристаллических структур: кубическая, объемно-центрированная, кубическая гране-центрированная, гексагональная плотно упакованная, решетка типа алмаза. Эти структуры показаны на рисунке 8 (а,б,в,г).


Решетка типа алмаза образована двумя кубическими гранецентрироваными решетками одна из которых сдвинута относительно другой на четверть большой диагонали.

^ Координационное число атомов.

Свойство кристаллической структуры определяются не только типом образующих ее атомов, но и количеством и типом соседей у каждого атома. Особенно это относится к кристаллам образованным разными атомами, т.е. к соединениям. Число ближайших соседей вокруг атомов называют первым координационным числом, которое характерно для каждого типа решетки, а сами эти атомы называют первой координационной сферой. Аналогично существует понятия второй и третьей координационной сферы.

Если представить кристаллическую решетку в виде модели шаров, то в решетке будут наблюдаться так называемые междоузлия, т.е. свободные пространства. Обычно в решетке существуют несколько типов междоузлий, различающихся размерами и формой: октаэдерические, тетраэдерические. Размеры и тип междоузлий в кристалле во многом определяют его свойства, т.к. по ним протекает диффузия атомов, в них могут располагаться примеси-внедрения. В таблице 1 приведены примеры кристаллических структур твердых тел.

Тип решетки

Коорд. число

Объем междоузлий

Металлы

Диэлектрики

Полупровод

ники

ОЦК (8а)

8

32

Nb Mo W AgMg CuPt

CsCl TlCl




ГЦК (8б)

12

26

Rh Pd Ir Pt

NaCl MgO




ГПУ (8в)

12

26

Tc Rn Re Os




ZnO CdS

Алмаз (8г)

4

66

Zn Se

CuF CuCl

C SI Ge InSb


^ Дефекты кристаллических структур.

Дефекты кристаллических структур во многом определяют значения структурно чувствительных свойств. Дефекты классифицируют по размерному фактору: точечные дефекты (размерность 0), линейные дефекты (размерность 1), поверхностные дефекты (размерность 2), объемные (размерность 3).

Точечные дефекты связаны с одним узлом или междоузлием кристаллической решетки. К ним относят: вакансии (отсутствие атомов в узлах), междоузельные атомы (собственные или примесные), примеси замещения, примеси вычитания (когда в решетке соединения удален атом одного типа).

К линейным дефектам относят упорядоченные цепочки вакансий, атомов внедрения, а также дислокации – важнейший тип линейных дефектов.

К поверхностным дефектам относят границы зерен, границы субзерен в монокристаллах, границы фаз.

К объемным дефектам относят микропоры в материале, микровключения второй фазы, если ее характерный размер много меньше размера зерен основной фазы.
^ Концентрация точечных дефектов.

Важнейшими типами точечных дефектов являются являются дефекты Шоттке и дефекты Френкеля.

Дефект Шоттке образуется, если атом из узла решетки переместить на поверхность кристалла. Термодинамическая концентрация дефектов Шоттке равна , N – концентрация узлов, Еш –энергия активации образования дефекта.

Дефект Френеля образуется, если атом из узла решетки переместить в междоузлие. Термодинамическая концентрация дефектов Френкеля равна

, N - концентрация междоузлий.
Из выражения видно, что с ростом температуры равновесная концентрация дефектов растет.
  1   2   3

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Принципы физикохимического анализа icon1. Принципы рыночной экономики и роль бухгалтерского учета, анализа...
Свободное ценообразование (2 принципа ценообразования: а) затраты, б) равновесные цены)

Принципы физикохимического анализа iconВведение 3
Процедуры и методологические принципы анализа входят составной частью в любое научно-практическое исследование, когда исследователь...

Принципы физикохимического анализа iconЗадачи Предмет анализа Информация и источники для анализа Методы...
В связи с этим возрастает вклад каждого работника в конечные результаты деятельности предприятия. Одна из главных задач для предприятий...

Принципы физикохимического анализа iconПсихология личности
Асмолов А. Г. Психология личности: Принципы общепсихологического анализа. — М.: Смысл, 2001. — 416 с

Принципы физикохимического анализа iconЮ. А. Каверин Схема для анализа воспитательной работы класса за прошедший учебный год
В данном пособии предложены схемы написания анализа воспитательной работы в классе и анализа воспитательного мероприятия, характеристики...

Принципы физикохимического анализа iconКраткое содержание обращения
Оао «импэксбанка» в рамках стандартных продуктов, овердрафтов и гарантий предприятиям определяется на основе методики подготовки...

Принципы физикохимического анализа iconПрограммам по алгебре и началам математического анализа
Предмет «Алгебра и начала математического анализа» входит в образовательную область «Математика». Рабочая программа по алгебре и...

Принципы физикохимического анализа iconЭкономический анализ
Метод и приемы экономического анализа: метод как способ исследования, характерные черты метода экономического анализа, методы статистики...

Принципы физикохимического анализа icon45 Методика анализа хозяйственной деятельности
Метод – общий подход к исследованию. Методология – основы методики анализа хоз деятельности, философия методики – диалектика. Методика...

Принципы физикохимического анализа iconФакультет философии человека, кафедра теории и истории культуры
Историко-архивного института Российского государственного гуманитарного университета. В настоящем курсе представлены основные принципы...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
edushk.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов