Энергетические дефекты кристаллической решетки

Один или несколько атомов в кристаллической решетке могут обладать повышенной энергией. В этом случае говорят об энергетических дефектах кристаллической решетки. К энергетическим дефектам решетки относятся: дырки - дополнительно ионизированные ионы, дислоцированные электроны, пары электрон-дырка или экситоны (возбужденные атомы), фононы-кванты колебаний кристаллической решетки.

При поглощении ионом энергии, достаточной для отрыва электрона и образования дырки, но недостаточной для переноса электрона на относительно большое расстояние от дырки, возникает пара электрон-дырка, или экситон. Экситоны электрически нейтральны, поэтому их движение не приводит к переносу заряда, однако перемещение экситонов ведет к переносу энергии. При взаимной аннигиляции дырки и электрона выделяется квант электромагнитной энергии, который, поглощаясь каким-либо ионом, вновь приводит к образованию экситона. Поскольку в состав экситона входит свободный электрон, то при появлении в кристаллической решетке экситонов прозрачность кристалла для электромагнитного излучения падает.

В процессе тепловых колебаний атомы связно смещаются относительно положений равновесия. По кристаллу движутся упругие волны теплового возбуждения. Подобно тому, как волны электромагнитного излучения трактуются с точки зрения квантовой физики как частицы - фотоны, тепловые волны можно рассматривать как квазичастицы упругих колебаний - фононы. Перемещение фононов приводит к переносу тепловой энергии и определяет теплопроводность материалов. В металлических материалах подвижность фононов существенно выше по сравнению с неметаллическими. Это связано с тем, что смещение положительно заряженного иона из положения равновесия вызывает локальное изменение электрического поля и смещение электронов. В свою очередь, смещение электронов приводит к смещению ионов. В итоге электрон-фононного взаимодействия подвижность фононов, а следовательно, и теплопроводность металлических материалов оказывается существенно выше, чем у неметаллических материалов. Любое изменение структуры металлических материалов, приводящее к затруднению распространения электронных волн (легирование, измельчение зерен, повышение плотности дислокаций), соответственно понижает теплопроводность металлических материалов.

 

Основы теории сплавов

 

     Сплавы - это вещества, состоящие из нескольких элементов, взятых в произвольных соотношениях. Сплавы получаются путем сплавления различных элементов в жидком состоянии, но могут быть получены и за счет диффузии в твердом состоянии, и путем совместной конденсации паров или другими способами. Компонентами сплава называют химические элементы или химические соединения, входящие в состав сплава. По числу компонентов сплавы делят на двойные, тройные и т. д. Сплавы, получаемые из металлических элементов и обладающие металлическими свойствами (металлический блеск, пластичность, электро- и теплопроводность и др.), называют металлическими сплавами.

В зависимости от химической природы элементов, размера их ионов и типа кристаллической решетки компоненты могут растворяться друг в друге (ограниченно или неограниченно), могут быть нерастворимыми друг в друге или образовывать новые химические соединения. Отдельные однородные части сплавов, отделенные от других частей поверхностью раздела, при переходе через которую химический состав и свойства меняются скачком, называются фазами.

     Как правило, в жидком состоянии компоненты сплавов хорошо растворяются друг в друге. При понижении температуры и кристаллизации сплавы могут быть получены в виде:

· твердого раствора,

· механической смеси,

· химического соединения.

Твердый растворобразуется тогда, когда компоненты сплава обладают взаимной растворимостью в твердом состоянии. Твердый раствор - однородное (однофазное) кристаллическое тело, имеющее один тип кристаллической решетки, поскольку в решетку основного компонента (растворителя) входят атомы растворенного элемента. При этом возможно образование твердых растворов двух типов: 1) твердые растворы замещения; 2) твердые растворы внедрения. Кроме того, на базе химического соединения еще различают твердые растворы вычитания.

В твердом растворе замещения (рис. 1.22,а) атомы растворенного элемента замещают атомы растворителя в его кристаллической решетке. При этом параметры решетки растворителя изменяются в зависимости от разности атомных диаметров растворенного элемента и растворителя. Если атомный диаметр растворенного элемента больше атомного диаметра растворителя, то элементарная ячейка решетки этого раствора искажается и увеличивается, в противном случае она сокращается.

 

Рис. 1.22. Схема образования твердых растворов замещения (а) и внедрения (б)

 

В твердом растворе внедрения (рис. 1.22,б) атомы растворенного элемента размещаются между атомами растворителя в его кристаллической решетке как межузельный атом. Для образования твердого раствора внедрения необходимо, чтобы отношение атомного радиуса растворенного элемента к атомному радиусу растворителя было равно или меньше 0,59. При образовании твердых растворов внедрения параметр решетки растворителя всегда увеличивается, что приводит к значительному искажению решетки. Твердые растворы внедрения обычно получаются тогда, когда металл растворяет неметаллический элемент (водород, азот, углерод, бор и др.) с малыми атомными размерами. Например, твердый раствор в железе представляет собой твердый раствор внедрения. Отношение атомного радиуса азота к атомному радиусу железа равно 0,56.

В твердом растворе вычитания, образующемся на базе химического соединения, отдельные узлы кристаллической решетки остаются незанятыми (“пустыми”). Это происходит тогда, когда на базе химического соединения (например, закиси железа FеО) получается твердый раствор растворением одного из элементов (например, кислорода), составляющих химическое соединение (FеО). Растворение происходит не замещением атомов железа атомами кислорода, а изъятием некоторого числа атомов железа из узлов решетки химического соединения FеО. В результате появляются “пустые места” (“дырки”).

Механическаясмесьобразуется тогда, когда при кристаллизации компоненты сплава обладают полнойнерастворимостью в твердом состоянии. Металлы, образующие такие сплавы, сохраняют свою кристаллическую решетку. Такое строение имеет, например, сплав свинца с сурьмой. При рассмотрении этого сплава под микроскопом видны зерна свинца и зерна сурьмы. Механические смеси образуют металлы, существенно отличающиеся атомными объемами или кристаллической решеткой. Например, сплав свинец–сурьма, кристаллические решетки: у свинца – ГЦК, а у сурьмы – ромбоэдрическая. Свойства такого сплава зависят от соотношения количества его компонентов.

Химическоесоединениеобразуется при сплавлении разных металлов или металла с неметаллом. Химическое соединение - однородное кристаллическое тело, имеющее свою решетку с упорядоченным расположением к ней атомов компонентов и свои специфические свойства, отличные от решеток и свойств исходных компонентов. Химические соединения образуются при строго определенном соотношении компонентов и могут быть выражены формулой. Так, при сплавлении меди и алюминия получается интерметаллидное соединение СuАl₂, имеющее тетрагональную кристаллическую решетку (медь и алюминий имеют ГЦК решетку).