Свойства аморфных тел

Как уже отмечалось, аморфные тела по макроскопическим признакам - упругости, твердости, теплоемкости и другим - относятся к твердым, но резко отличаются от кристаллов отсутствием правильной решетки. Различие в строении кристаллических и аморфных веществ определяет и различие в их свойствах. Так, аморфные вещества, обладая большим запасом свободной энергии, химически более активны, чем кристаллические вещества такого же состава.

По структуре тела в аморфном состоянии эквивалентны жидкостям: в аморфных телах отсутствует дальний порядок в расположении атомов, в отсутствие внешних воздействий они изотропны. Однако характер тепловых колебаний атомов в аморфных телах близок к характеру движения атомов в кристаллах, в то время как в жидкостях наряду с колебаниями наблюдается и хаотическое поступательное перемещение. Аморфный кремний по своему поведению гораздо больше похож на кристаллический полупроводник, чем на жидкий металл.

Физические, химические и металлические свойства аморфных тел определяются как их химическим составом, так и структурой – взаимным расположением атомов и молекул в ближайшем окружении.

Аморфные твердые тела по многим своим свойствам и главным образом по микроструктуре обычно рассматривают как сильно переохлажденные жидкости с очень высоким коэффициентом вязкости.

С энергетической точки зрения различие между кристаллическими и аморфными твердыми телами хорошо прослеживаются в процессе отвердевания и плавления. Кристаллические тела имеют точку плавления Т_пл (рис.9.3) – температуру, когда вещество устойчиво существует в двух фазах – твердой и жидкой (рис.9.3).

Т

Тпл

Q

 

Рисунок 9.3

 

Переход молекулы твердого тела в жидкость означает, что она приобретает дополнительно три степени свободы поступательного движения. Таким образом, единица массы вещества при Т_пл в жидкой фазе имеет бỏльшую внутреннюю энергию, чем такая же масса в твердой фазе. Кроме того, меняется расстояние между частицами.

У аморфных тел теплота плавления отсутствует (кривая 2 на рис 9.3). Нагревание приводит к постепенному увеличению скорости теплового движения и уменьшению вязкости. На графике процесса имеется точка перегиба, которую условно называют температурой размягчения. При дальнейшем повышении температуры аморфные вещества постепенно все больше размягчаются и выше температуры стеклования (T_ст) переходят в жидкое состояние.

Все аморфные тела изотропны – их физические свойства одинаковы по всем направлениям. В телах, находящихся в аморфном состоянии, нельзя обнаружить даже очень малые области, внутри которых наблюдалась бы зависимость физических свойств от направления. Тепловые, электрические и оптические свойства аморфных тел оказываются совершенно не зависящими от направления.

Приведем следующий пример. В аморфном состоянии могут находиться и такие вещества, которые обычно имеют кристаллическое строение. Так, например, кристалл кварца, если его расплавить (это происходит при температуре 1700 ^оС), при охлаждении образует так называемый плавленый кварц, имеющий меньшую плотность, чем кристаллический, и обладающий свойствами, совершенно одинаковыми по всем направлениям, притом сильно отличающимися от свойств кристаллического кварца. У кристаллического кварца коэффициенты линейного расширения для двух взаимно перпендикулярных направлений равны 1,3∙10^-5 и 8∙10^-6 К^-1, а у плавленого кварца коэффициент линейного расширения для всех направлений один и тот же: 4∙10^-7 К^-1.

Теплопроводности кристаллического кварца для тех же направлений разнятся почти в два раза, в то время как у плавленого кварца теплопроводность для всех направлений одна и та же, причем он в двадцать раз меньше наименьших теплопроводностей кристаллического кварца. Различие в теплопроводности аморфного и кристаллического кварца при низких температурах становится еще более значительным.

Электрические и механические свойства аморфных веществ ближе к таковым для монокристаллов, чем для поликристаллов из-за отсутствия резких и сильно загрязнённых примесями межкристаллических границ с зачастую абсолютно другим химическим составом.

Прочность аморфных веществ, как правило, ниже прочности кристаллических, поэтому для получения материалов повышенной прочности специально проводят кристаллизацию стекол, например при получении ситаллов и шлакоситаллов, стеклокремнезита.

Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определённое время “оседлой жизни” - время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят редко.

При внешних воздействиях аморфные вещества обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно кристаллическим твердым веществам, и текучесть, подобно жидкости, поэтому моделируются в механике сплошных сред как вязкоупругие среды. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые вещества и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии (например, растяжении) аморфные вещества текут.

Аморфное состояние вещества, вообще говоря, — неустойчивое состояние. По прошествии некоторого времени аморфное вещество переходит в кристаллическое. При таком переходе меняются объем, теплосодержание, а также механические, электрические и другие свойства вещества. Нередко, однако, время перехода бывает весьма значительным и измеряется годами и десятилетиями.

По некоторым свойствам ряд аморфных металлов значительно отличаются от кристаллических того же состава. В частности, некоторые из них отличаются высокой прочностью и вязкостью, коррозионной стойкостью, высокой магнитной проницаемостью.

Аморфные металлы (металлические стёкла) — класс металлических твердых тел с аморфной структурой, характеризующейся отсутствием дальнего порядка и наличием ближнего порядка в расположении атомов. В отличие от металлов с кристаллической структурой, аморфные металлы характеризуются фазовой однородностью, их атомная структура аналогична атомной структуре переохлаждённых расплавов.

Ряд металлических стёкол отличается очень высокой прочностью и твёрдостью. В аморфных сплавах на основе элементов подгруппы железа (Fe, Co, Ni) твёрдость может превышать 1000 ГН/м², прочность — 4 ГН/м². Вместе с этим металлические стёкла обладают очень высокой вязкостью разрушения: например, энергия разрыва Fe₈₀P₁₃C₇ составляет 110 кДж/м², тогда как для стали X-200 значение этого параметра 17 кДж/м².

Сопротивление аморфных металлов составляет, как правило, около 100—300 мкОм·см, что значительно выше сопротивления кристаллических металлов. Кроме того, сопротивление разных металлических стёкол в определённых температурных диапазонах характеризуется слабой зависимостью от температуры, а иногда даже убывает с увеличением температуры.

К аморфным (стеклообразным) полупроводникам относятся селениды, теллуриды, сульфиды элементов V группы периодической системы, образующие соединения с аморфной структурой: Sb₂Te₃, As₂S₃, As₂Se3, As₂Se₅. Для них характерен ближний порядок и зонная теория не применима. Свойства можно объяснить на основе теории валентной связи. Их проводимость мало зависит от примесей, а зависит от размеров атомов, образующих соединения. С уменьшением радиуса атома полупроводниковые свойства переходят в диэлектрические.

Применение аморфных веществ. В аморфном состоянии могут находиться диэлектрики, полупроводники и металлы, одно-, двух- и многокомпонентные, пластические массы и высокомолекулярные соединения. Аморфные материалы широко применяются в различных отраслях техники и быту. Тонкие аморфные пленки являются основой современной полупроводниковой техники и солнечных батарей для прямого превращения солнечной энергии в электроэнергию, нет необходимости доказывать многообразную необходимость неметаллических стекол самого различного назначения - от строительного до волоконно-оптического. Металлические стекла обладают некоторыми уникальными свойствами в отношении магнитной проницаемости, коррозионной стойкости, прочности и пластичности.

 

Контрольные вопросы

1. Поясните разницу в структурах кристаллических и аморфных тел.

2. Каков процесс образования аморфного состояния?

3. Как отличается внутренняя энергия кристаллических и твердых тел, и к какому явлению это приводит?

4. Каковы основные отличия свойств аморфных тел от кристаллических?

5. Имеют ли аморфные вещества температуру плавления?

6. В чем заключается свойство изотропии аморфных веществ? Поясните на примере кристаллического кварца и кварцевого стекла.

7. Как отличается прочность аморфных и кристаллических тел?

8. Каковы свойства аморфных металлов?

9. Приведите примеры применения аморфных веществ.