Свойством анизотропности обладает. Анизотропия кристаллов

Анизотропия кристаллов

Физические свойства твердого тела можно разделить на две категории: одна из них включает такие свойства, как плотность, удельная теплоемкость, которые не связаны с выбором какого-либо направления внутри твердого тела, свойства же другой категории (механические модули, термический коэффициент расширения, коэффициент теплопроводности, удельное сопротивление, показатель преломления и др.) бывают различными для разных направлений в твердом телœе.

Изотропностью принято называть независимость физических свойств тела от направления внутри него. В случае если такие физические свойства тела, как модуль упругости, коэффициент теплопроводности, показатель преломления и т. п., одинаковы по всœем направлениям, то такое тело будет изотропным.

Под анизотропией принято понимать зависимость свойств макроскопически однородного тела от направления. Изотропными являются аморфные тела, жидкости и газы. Анизотропия же является характерной особенностью кристаллов. Но обнаружить анизотропность можно не у всяких кристаллических тел, а только у монокристаллов. Большинство окружающих нас кристаллических тел, к примеру, металлы, являются поликристаллическими, т. е. они состоят из очень большого числа сросшихся друг с другом мелких кристаллических зерен, ориентированных различным образом. В случае если в ориентации этих мелких кристалликов нет какого-либо определœенного порядка, то данное поликристаллическое тело будет изотропно. В случае если же в ориентации кристаллических зерен наблюдается упорядоченность (а она может возникнуть при таких методах обработки металлов, как прокатка, протяжка, волочение), то материал принято называть текстурированным и обнаруживает некоторую анизотропность.

В обычных поликристаллических металлах кристаллические зерна настолько малы, что, как правило, различимы лишь при наблюдении в микроскоп. Но при медленном охлаждении расплава металла можно получить крупнозернистый слиток, в котором кристаллические зерна легко рассмотреть невооруженным глазом. В случае если же применить особую методику охлаждения расплава металла, то можно получить такие образцы, в которых будет находиться всœего одно кристаллическое зерно – один кристалл. Такие однокристальные образцы называются монокристаллами.

В природе встречаются довольно большие монокристаллы минœералов, а иногда и металлов (самородки золота). Можно получить монокристаллы многих веществ (в том числе и металлов) искусственно. Для этого приходится соблюдать иногда очень тонкую и достаточно сложную технологию.

Наглядным примером анизотропии механической прочности кристалла является способность кристаллов слюды легко расщепляться на тонкие листочки по определœенному направлению и обладать достаточной прочностью в перпендикулярном направлении. Монокристаллы некоторых металлов (цинка, висмута͵ сурьмы) тоже довольно легко скалываются по определœенным плоскостям. Плоскость скола при этом представляет собой хорошее зеркало.

Исследования показали, что кристаллы могут обладать анизотропией теплопроводности, электропроводности, магнитных свойств и пр.

Анизотропия проявляется и в поверхностных свойствах кристаллов. К примеру, коэффициент поверхностного натяжения для разнородных граней кристалла имеет различную величину. При росте кристалла из расплава или раствора это является причиной различия скоростей роста разных граней.

Анизотропия скоростей роста обусловливает правильную форму растущего кристалла. Анизотропия поверхностных свойств проявляется в различии скоростей растворения разных граней кристалла, адсорбционной способности, химической активности разных граней одного и того же кристалла.

Причина анизотропии состоит в том, что кристаллы имеют строго упорядоченное строение. Важнейшим следствием упорядоченной структуры является анизотропия физических свойств кристалла.

Поясним сказанное. На рисунке 2.9 изображена схема расположения атомов в кристалле. Плоскость рисунка совпадает с одной из плоскостей, проходящей через узлы кристаллической решетки. Можно сказать, что кристалл представляет собой пачку таких плоскостей, лежащих как листы бумаги в книге.

В случае если произвести сечение такого кристалла плоскостями, перпендикулярными плоскости чертежа, то исходя из ориентации плоскостей сечения густота расположения атомов на них будет различной. На рисунке 2.9 направления секущих плоскостей изображены сплошными линиями. Из рисунка хорошо видно, что плотность ʼʼнаселœенияʼʼ плоскостей атомами различна; если расположить эти плоскости в порядке убывания поверхностной плотности атомов, то получится следующий ряд:

(010) (100) (110) (120) (320).

Вместе с тем, видно, что расстояния между смежными секущими плоскостями тем больше, чем плотнее ʼʼнаселœенностьʼʼ их атомами. Легко представить себе, что в наиболее плотно заполненных плоскостях атомы прочнее связаны друг с другом, так как расстояния между ними меньше.

С другой стороны, наиболее плотно заполненные плоскости, будучи удаленными друг от друга на относительно большие расстояния, чем мало заселœенные плоскости, будут слабее связаны друг с другом. Следовательно, наш условный кристалл обладает анизотропией механической прочности: легче всœего его расколоть по плоскости (010).

На основании изложенного можно сделать обобщение, что и другие физические свойства кристалла (тепловые, электрические, магнитные, оптические) бывают различными по разным направлениям.

Численные значения некоторых физических свойств кристаллов для разных направлений могут иногда различаться на несколько порядков. У кристаллов графита͵ к примеру, удельное электрическое сопротивление по направлению почти в сто раз больше, чем по перпендикулярному направлению.

Один и тот же кристалл должна быть изотропным в отношении одного свойства и анизотропным в отношении другого. К примеру, кристалл поваренной соли изотропен относительно диэлектрической проницаемости, коэффициента теплового расширения, показателя преломления, но анизотропен в отношении механических свойств и в отношении скоростей роста и растворения граней.

Анизотропия физических свойств кристаллов используется в технике, базирующейся на применении монокристаллов (полупроводниковая электроника, электро- и радиотехника, кристаллооптика и др.). Монокристаллические элементы полупроводниковых приборов, стабилизаторов частоты, пьезодатчиков, оптических приборов изготовляются со строгим учетом кристаллографического направления. Для этих целœей нужно изготовить монокристаллический образец не только определœенной чистоты, формы и размеров, но и с нужной ориентацией кристаллографических осœей.

Анизотропия кристаллов - понятие и виды. Классификация и особенности категории "Анизотропия кристаллов" 2017, 2018.

АНИЗОТРОПИЯ (от греч. anisos-неравный и tropos-образ, оборот), особенность тел, заключающаяся в том, что свойства их в различных направлениях неодинаковы. Грубой А. обладает, напр., дерево: простым глазом видно, что оно состоит из волокон, вытянутых в одном направлении; поэтому, оно легко раскалывается в этом направлении, а в направлении перпендикулярном может быть только перепилено или перерублено. А. обладает большинство кристаллов, в к-рых она вызывается особым, упорядоченным расположением атомов. А. может проявиться в любых физ. свойствах тела; так, по разным направлениям может оказаться различная упругость, различная сжимаемость, различная теплопроводность и электропроводность. Особенно резко сказывается А. в оптических свойствах тела. Такая оптическая А. свойственна всем кристаллическим системам за исключением т. н. правильной. Луч света, попадая в анизотропный кристалл, распадается на два совершенно разных луча: «обыкновенный» (поляризованный в плоскости главного сечения) и «необыкновенный» (поляризованный перпендикулярно к ней). Оказывается, что скорость распространения света в «необыкновенном» луче сильно зависит от направления. Если в пространстве изобразить скорости света в виде стрелок, направленных из одной точки в различные стороны, и если величину каждой стрелки взять пропорциональной скорости света в данном направлении, то концы всех стрелок будут лежать на некотором эллипсоиде (Гюйгенса). В животных тканях оптическая А. встречается нередко. Примером могут служить: поперечнополосатые мышечные волокна, в к-рых правильно чередуются темные анизотропные участки со светлыми изотропными; костная ткань, дающая ясную картину крестов при исследовании в поляризованном свете, и пр. При растяжении А. может быть обнаруживаема и в таких образованиях, где она в покоющемся состоянии не выступает ясно, например, в клейдающих волокнах соединительной ткани. Подробности А. в животных тканях-см. по отно-ношению к каждой отдельной ткани. Анизотропное вещество мыш-ц ы. Скелетные мышцы состоят из волокон, к-рые под микроскопом обнаруживают чередование светлых и темных поперечных полос. Последние анизотропны, т. е. их вещество имеет различные свойства в разных направлениях. В зависимости от этого, темные полосы обнаруживают при исследовании в поляризованном свете двойное лучепреломление. Мышцы по отношению к поляризованному свету таковы, какими они долиты были быть, если бы они были построены из одноосных положительных кристаллов с длинной осью параллельно оси мышечного волокна. Гладкие мышцы также обнаруживают двойное преломление. Сократимость мышцы связана с анизотропным веществом; доказано, что сократимость и двоякое преломление в мышце появляются при развитии мышечного волокна одновременно. АНИ30ХР0МИЯ (от греч. anisos - неравный и chroma-краска), различная интенсивность окраски эритроцитов, зависящая от неодинакового содержания в них НЬ; А. можно наблюдать на неокрашенных и окрашенных мазках крови, в которых, на ряду с интенсивно окрашенными эритроцитами (гиперхромия), можно встретить красные шарики с нормальным содержанием пигмента или с очень бледно окрашенной периферической зоной (гипохромия). Неравномерное распределение НЬ может встречаться в одном и том же эритроците, - при этом периферия бледно окрашена, а центр представляет интенсивно окрашенный диск, соединенный с периферией тонким мостиком окрашенной плазмы. А. встречается при недостаточности кроветворения или при чрезмерности его после предварит, потери крови.

Плотность расположения атомов по различным плоскостям неодинакова. Вследствие этого в различных плоскостях и направлениях решётки многие свойства(химические, физические, механические) каждого кристалла зависят от направления решётки.

Подобная неодинаковость свойств монокристалла в разных кристаллографических направлениях наз. анизотропией .

Все кристаллы анизотропны. В отличие от кристаллов, аморфные тела(стекло) в различных направлениях имеют в основном одинаковую плотность упаковки атомов и поэтому одинаковые свойства в различных направлениях. Аморфные тела изотропны .

Технические металлы состоят из большого количества по разному ориентированных мелких анизотропных кристаллов и являютсяполикрис-таллами . Кристаллы неупорядоченно ориентированы один по отношению к другому и поэтому свойства во всех направлениях получаются усред-нёнными (одинаковыми). Эта кажущаяся независимость свойств от направления наз. квазиизотропией (мнимая изотропность).

Такая мнимая изотропность металла не будет наблюдаться, если все кристаллиты имеют одинаковую ориентировку в каком-то направлении. Эта ориентированность или текстура создаётся в результате значительной холодной деформации, например прокатки. Тогда поликристаллический металл приобретает анизотропию свойств (вдоль и поперёк прокатки).

§ 8. Особенности кристаллического строения реальных кристаллов.

Виды несовершенств.

Реальный кристалл, в отличие от идеального, всегда имеет структурные несовершенства или дефекты. Дефекты кристаллического строения подразделяют по геометрическим признакам на три типа:

точечные (нуль-мерные), - размеры которых малы во всех трёх измерениях;

линейные – размеры которых малы в двух направлениях (одномерные);

поверхностные – размеры которых малы только в одном измерении (двухмерные).

К точечным дефектам относятсявакансии или “дырки” (дефекты Шотки), т.е. узлы решётки, в которых атомы отсутствуют. Это происходит потому, что атомы колеблются возле точек равновесия (узлов решётки) и чем выше температура, тем больше амплитуда колебаний. В кристалле всегда имеются атомы, которые обладают энергией, значительно превышающей среднюю. Такие атомы имеют не только амплитуду колебаний больше, чем средняя, но и они могут ещё перемещаться с одного места в другое (например из узла в междоузлие, из грани кристалла наружу).

Вышедший из узла решётки атом наз. дислоцированным . Место, где находился такой атом, остаётся в решётке незаполненным, оно наз.вакансией .

При данной температуре в кристалле образуются не только одиночные вакансии, но и двойные, тройные и т.д.

Вакансии образуются и в процессе пластической деформации, а также при бомбардировке металла атомами или частицами высоких энергий(в атомном реакторе).

Межузельные атомы (дефекты Френкеля) образуются в результате перехода атома из узла решётки в междоузлие. В плотноупакованных решётках, характерных для большинства металлов, энергия образования межузельных атомов в несколько раз больше энергии образования тепловых вакансий. Поэтому вакансии в таких кристаллах являются основными точечными дефектами.

Точечные дефекты вызывают местное искажение кристаллической решётки. Они оказывают влияние на некоторые физические свойства металла (электропроводимость, магнитные свойства) и предопределяют процессы диффузии в металлах и сплавах.

Линейные дефекты. Клинейным несовершенствам относятсядислока-ции , которые бываюткраевые и винтовые.

Краевая дислокация представляет собой локализованное искажение кристаллической решётки, вызванное наличием в ней “лишней” атомной полуплоскости или экстраплоскости, перпендикулярной к плоскости чертежа.

Н

Вектор сдвига

аиболее простой и наглядный способ образования дислокаций в кристалле – сдвиг. Если верхнюю часть кристалла сдвинуть относительно нижней на одно межатомное расстояние, причём зафиксировать положение, при котором сдвиг охватывает не всю плоскость скольжения, а только её часть АВСД, то граница АВ между участком, где скольжение уже произошло, и ненарушенным участком в плоскости скольжения и будетдислокацией . Линия краевой дислокациивектору сдвига.

Рис. Сдвиг, создавший краевую дислокацию

- положительная дислокация

Отрицательная дислокация

Рис. Схемы расположения атомов у дислокации.

Кристаллическая решётка вокруг дислокации упруго искажена на несколько атомных расстояний. Длина линии дислокации может составлять несколько тысяч параметров решётки.

Винтовые дислокации . В отличие от краевых расположены парал­лельно направлению сдвига. При наличии винтовой дислокации кристалл можно рассматривать как состоящий из одной атомной плоскости, закрученной в виде винтовой поверхности.

Образование дислокаций может происходить в процессе кристал­лизации, при пластической деформации, термической обработке и др. процессах. С помощью дислокаций можно объяснить многие явления, связанные с прочностью металлов, особенностями фазовых превращений, протекающих в сплавах, и др. явления.

Поверхностные дефекты . Эти несовершенства связанны с границами зерен. На границе между зернами атомы имеют менее правильное расположение, чем в объёме зёрна. Каждое зерно металла состоит из отдельныхблоков илисубзёрен , образующих так называемуюмозаичную структуру илисубструктуру . Зёрна металла разориентированы отно­сительно друг друга на величину, достигающую от нескольких долей градуса до нескольких градусов или их десятков.

Блоки, или субзёрна, также повёрнуты по отношению друг другу на угол от несколько секунд до нескольких минут. В пределах каждого блока решётка почти идеальная, если не считать точечных дефектов. По границам зёрен скапливаются дислокации, а также примеси и включения. По границам зёрна расположены менее правильно, т. к. решётка одного кристалла, имеющего определённую кристаллографическую ориентацию, переходит в решётку другого кристалла, имеющего другую кристаллографическую ориентацию.

С увеличением угла разориентировки блоков или субзёрен и уменьше­ния их величины плотность дислокаций в металле увеличивается. Вследствие того, что в реальном поликристаллическом металле протяжённость границ блоков и зёрен очень велика, количество дислокаций в таком металле огромно (10 4 – 10 12 см -2).

Дефекты кристаллического строения В реальных кристаллах всегда есть дефекты, которые оказывают влияние на свойства сплавов и их обработку. Дефекты – это отклонения от правильного идеального регулярного расположения атомов в решетке кристалла. Различают: точечные, линейные, поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). Точечные дефекты Точечные дефекты малы во всех трех измерениях (длина – несколько атомных диаметров). К точечным дефектам относятся вакансии, межузельные атомы, примесные атомы и их комплексы.

В кристаллах всегда есть атомы, кинетическая энергия которых выше средней. Такие атомы, особенно, если они находятся вблизи поверхности, могут выйти на поверхность кристалла, а их место займут атомы, находя

щиеся дальше от поверхности, а принадлежащие им узлы кристаллической решетки окажутся свободными. Так возникают тепловые вакансии, т. е. возникающие при нагреве.
Вакансии искажают кристаллическую решетку изменяя тем самым, например электропроводность, кроме того играют определенную роль в диффузионных процессах, протекающих в металлах.
При комнатной температуре концентрация вакансий невелика, но при повышении температуры, особенно вблизи температуры плавления резко возрастает, но все равно мала – до 2 % при температуре плавления.
Быстрым охлаждением вакансии можно зафиксировать (скорость охлаждения велика, и атомы не успевают вернуться в исходное положение). Такие вакансии называют закалочными.
Вакансии образуются не только в результате нагрева, но и при пластической деформации.
Перемещаясь по кристаллу одиночные вакансии могут встречаться. В этом случае они могут объединяться в пары, образуя дивакансии (бивакансии), т. к. при этом уменьшается их суммарная поверхность, устойчивость такой спаренной вакансии возрастает. Возможно также образование тривакансий и целых цепочек.

Точечные дефекты оказывают влияние на физические свойства металлов: электропроводность, магнитные свойства и т.д., а также на фазовые превращения в металлах и сплавах. На механические свойства влияют мало.

Ли Линейные дефекты имеют малые размеры в двух измерениях и большую протяженность в третьем. Особо важным видом линейных дефектов являются дислокации – локализованные искажения кристаллической решетки, вызванные наличием в них «лишней» атомной плоскости или экстраплоскости.

Кроме краевых дислокаций в кристаллах могут образовываться винтовые дислокации, которые получаются путем частичного сдвига и закручивания.

Дислокации образуются уже при кристаллизации металла, а также в процессе пластической деформации и фазовых превращениях.
Важной характеристикой дислокационной структуры является плотность дислокаций (). Плотность дислокаций – суммарная длина дислокаций, приходящаяся на единицу объема V кристалла. Для отожженнных металлов =10 6 – 10 8 см -2 . После холодной деформации увеличивается до 10 11 – 10 12 см -2 .

Вектор Бюргерса – это мера искаженности кристаллической решетки обусловленная присутствием в ней дислокации; он характеризует сумму всех упругих смещений решетки, накопившихся вокруг дислокации.

Дислокации оказывают влияние на механические свойства металлов.

Введение

Кристаллы - это твёрдые вещества, имеющие естественную внешнюю форму правильных симметричных многогранников, основанную на их внутренней структуре, то есть на одном из нескольких определённых регулярных расположений составляющих вещество частиц.

В основе физики твердого тела лежит представление о кристалличности вещества. Все теории физических свойств кристаллических твердых тел основываются на представлении о совершенной периодичности кристаллических решеток. Используя это представление и вытекающие из него положения о симметрии и анизотропии кристаллов, физики разработали теорию электронной структуры твердых тел. Эта теория позволяет дать строгую классификацию твердых тел, определяя их тип и макроскопические свойства. Однако она позволяет классифицировать только известные, исследованные вещества и не позволяет предопределить состав и структуру новых сложных веществ, которые обладали бы заданным комплексом свойств. Эта последняя задача является особо важной для практики, так как ее решение позволило бы создавать материалы по заказу для каждого конкретного случая. При соответствующих внешних условиях свойства кристаллических веществ определяются их химическим составом и типом кристаллической решетки. Изучение зависимости свойств вещества от его химического состава и кристаллической структуры обычно разбивается на следующие отдельные этапы 1) общее изучение кристаллов и кристаллического состояния вещества 2) построение теории химических связей и ее применение к изучению различных классов кристаллических веществ 3) изучение общих закономерностей изменения структуры кристаллических веществ при изменении их химического состава 4) установление правил, позволяющих предопределять химический состав и структуру веществ, обладающих определенным комплексом физических свойств.

Основные свойства кристаллов - анизотропность, однородность, способность к самоогоранению и наличие постоянной температуры плавления.

Анизотропность

кристалл анизотропность самоогоранение

Анизотропность - выражается она в том, что физические свойства кристаллов неодинаковы по разным направлениям. К физическим величинам можно отнести такие параметры - прочность, твердость, теплопроводность, скорость распространения света, электропроводность. Характерным примером вещества с ярко выраженной анизотропностью является слюда. Кристаллические пластинки слюды - легко расщепляются лишь по плоскостям. В поперечных же направлениях расщепить пластинки этого минерала значительно труднее.

Примером анизотропности-является кристалл минерала дистена. В продольном направлении, у дистена твердость равняется 4,5, в поперечном - 6. Минерал дистен (Al 2 O), отличающийся резко различной твердостью по неодинаковым направлениям. Вдоль удлинения кристаллы дистена легко царапаются лезвием ножа, в направлении перпендикулярном удлинению, нож не оставляет никаких следов.

Рис. 1

Минерал кордиерит (Mg 2 Al 3 ). Минерал, алюмосиликат магния и железа. Кристалл кордиерита по трем различным направлениям представляется различно окрашенным. Если из такого кристалла вырезать куб с гранями, то можно заметить следующее. Перпендикулярными этим направлениям, то по диагонали куба (от вершины к вершине наблюдается серовато-синяя окраска, в направлении вертикальном - индигово-синяя окраска, и в направлении поперек куба - желтая.

Рис. 2

Кристалл поваренной соли, которая имеет форму куба. Из такого кристалла можно вырезать стерженьки по различным направлениям. Три из них перпендикулярно граням куба, параллельно диагонали

Каждый из примеров исключительны по своей характерности. Но путём точных исследований, ученым пришли к такому выводу, что все кристаллы в том или ином отношении обладают анизотропностью. Так же твёрдые аморфные образования могут быть и однородными и даже анизотропными (анизотропность, к примеру, может наблюдаться при растягивании или сдавливании стёкол), но аморфные тела не могут сами по себе принимать многогранную форму, ни при каких условиях.

Рис. 3

В качестве примера (рис. 1) анизотропных свойств кристаллических веществ прежде всего следует упомянуть про механическую анизотропность, которая заключается в следующем. Все кристаллические вещества раскалываются не одинаково вдоль различных направлений (слюда, гипс, графит и др.). Аморфные же вещества-во всех направлениях раскалываются одинаково, потому что аморфность характеризуются изотропностью (равносвойственностью) - физические свойства по всем направлениям проявляются одинаково.

Анизотропию теплопроводности легко пронаблюдать на следующем простом опыте. На грань кристалла кварца нанести слой цветного воска и поднести к центру грани накаленную на спиртовке иголку. Образовавшийся талый круг воска вокруг иголки примет форму эллипса на грани призмы или же форму неправильного треугольника на одной из граней головки кристалла. На изотропном же веществе, например, стекле - форма талого воска всегда будет правильным кругом.

Анизотропность проявляется и в том, что при взаимодействии на кристалл какого-либо растворителя, скорость химических реакций различна по различным направлениям. В результате каждый кристалл при растворении в итоге приобретает свои характерные формы.

В конечном итоге причиной анизотропности кристаллов - является то, что при упорядоченном расположении ионов, молекул или атомов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния (а также некоторые не связанные с ними прямо величины, например, электропроводность или поляризуемость) оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул, хотелось бы отметить что все аминокислоты, кроме простейшей - глицина, асимметричны.

Любая частичка кристалла имеет строго определенный химический состав. Это свойство кристаллических веществ используется для получения химически чистых веществ. Например, при замораживании морской воды она становится пресной и пригодной для питья. Теперь угадайте, морской лед пресный или соленый?