Металлический тип связи характерен для более чем 80 элементов таблицы Менделеева

Классификация материалов

 

В настоящее время все современные материалы принято соответствующим образом классифицировать.

Наибольшее значение в технике имеют классификации по функциональным и структурным признакам материалов.

Главным критерием классификации материалов по структурным признакам является агрегатное состояние, в зависимости от которого их подразделяют на следующие типы: твердые материалы, жидкости, газы, плазма.

Твердые материалы в свою очередь делят на кристаллические и некристаллические.

Кристаллические материалы можно разделить по типу связи между частицами: атомные (ковалентные), ионные, металлические, молекулярные (Рис.2.1.).

 

Типы связей между атомами (молекулами) в кристаллах

 

Атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него электронов (отрицательно заряженных). Атом в стационарном состоянии электрически нейтрален. Различают внешние (валентные) электроны, связь которых с ядром незначительна и внутренние – прочно связанные с ядром.

Формирование кристаллической решетки происходит следующим образом. При переходе из жидкого в кристаллическое состояние расстояние между атомами сокращается, а силы взаимодействия между ними возрастают.

Связь между атомами осуществляется электростатическими силами, т.е. по природе связь едина – имеет электрическую природу, но проявляется по-разному в разных кристаллах. Различают следующие типы связей: ионную, ковалентную, полярную, металлическую.

Ковалентный вид связи

Ковалентная связь образуется за счёт общих электронных пар, возникающих в оболочках связываемых атомов.

Она может быть образована атомами одного итого же элемента и тогда она неполярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах одноэлементных газов H₂, O₂, N₂, Cl₂ и др.

Ковалентная связь может быть образована атомами разных элементов, сходных по химическому характеру, и тогда она полярная; например, такая ковалентная связь существует в молекулах H₂O, NF₃, CO₂.

Ковалентная связь образуется между атомами элементов, обладающих электроотрицательным характером.

 

 

При этом типе связи осуществляется обобществление свободных валентных электронов соседних атомов. Стремясь приобрести устойчивую валентную оболочку, состоящую из 8 электронов, атомы объединяются в молекулы, образуя одну или несколько пар электронов, которые становятся общими для соединяющихся атомов, т.е. одновременно входят в состав электронных оболочек двух атомов.

Материалы с ковалентной связью очень хрупки, но имеют высокую твердость (алмаз). Это, как правило, диэлектрики или полупроводники (германий, кремни) т.к. электрические заряды связаны между собой, а свободные электроны отсутствуют.

Ковалентной связью соединены атомы в молекулах простых газов (Н₂, Cl₂ и др.)

Единственным известным человеку веществом с примером ковалентной связи между металлом и углеродом является цианокобаламин, известный как витамин B12.

 

Кристаллы с ионной связью (NaCl)

Ионная связь - это химическая связь, образованная за счет электростатического притяжения между катионами и анионами.

Образование таких кристаллов образуется переходом электронов атомов одного типа к атомам другого от Na к Cl. Атом, потерявший электрон, становится положительно заряженным ионом, присоединивший электрон – отрицательным ионом. Сближение ионов разных знаков происходит до тех пор пока силы отталкивания ядра и электронных оболочек не уравновесят силы притяжения. Ионную связь имеют большинство минеральных диэлектриков и некоторые органические материалы.(NaCl, CsCl, CaF2.)

Твердые тела с ионной связью в большинстве случаев механически прочны, температуростойчивы, но часто хрупки. Материалы с этим типом связи в качестве конструкционных не применяются

 

Металлический тип связи

 

В металлах связь между отдельными атомами образуется за счет взаимодействия положительно заряженных ядер и коллективизированных электронов, которые свободно движутся в межатомных пространствах. Эти электроны играют роль цемента, удерживая вместе положительные ионы; в противном случае решётка распалась бы под действием сил отталкивания между ионами. Вместе с тем и электроны удерживаются ионами в пределах кристаллической решётки и не могут её покинуть. Такая связь называется металлической.

Наличие свободных электронов приводит к высокой электропроводности и теплопроводности металла, а также является причиной блеска металлов. Ковкость металлов объясняется перемещением и скольжением отдельных слоев атомов.

Практически в любом материале имеет место не один, а несколько типов связей. Свойства же материалов определяются преобладающими видами химических связей атомов и молекул вещества материала.

Из атомно-кристаллических материалов, в структуре которых преобладают ковалентные связи, наибольшее значение в технике имеют полиморфные модификации углерода и полупроводниковые материалы на основе элементов IV группы периодической системы элементов. Типичными представителями первых являются алмаз и графит - наиболее распространенная в земной коре и устойчивая модификация углерода со слоистой структурой. Полупроводниковые кристаллические германий и кремний являются основными материалами полупроводниковой электроники.

Большой интерес представляют некоторые соединения с ковалентной связью, такие как Fe₃C, SiO, AlN - эти соединения играют большую роль в технических сплавах.

В обширную совокупность ионно-кристаллических материалов, имеющих кристаллическую структуру с ионным типом связей, входят оксиды металлов (соединения металлов с кислородом), которые являются составляющими важнейших руд, технологических присадок при плавке металлов, а также химические соединения металлов и неметаллов (бором, углеродом, азотом), которые используются как компоненты сплавов.

Металлический тип связи характерен для более чем 80 элементов таблицы Менделеева.

К кристаллическим твердым телам можно отнести и материалы со структурой молекулярных кристаллов, которая характерна для многих полимерных материалов, молекулы которых состоят из большого числа повторяющихся звеньев. Это биополимеры - высокомолекулярные природные соединения и их производные (в том числе древесина); синтетические полимеры, получаемые из простых органических соединений, молекулы которых имеют неорганические главные цепи и не содержат органических боковых групп. К числу неорганических полимеров относят силикаты и вяжущие. Природные силикаты - класс важнейших породообразующих минералов, составляющих около 80% массы земной коры. К неорганическим вяжущим материалам относятся цемент, гипс, известь и др. Молекулярные кристаллы инертных газов - элементов VIII группы периодической системы - испаряются при низких температурах, не переходя в жидкое состояние. Они находят применение в криоэлектронике, занимающейся созданием электронных приборов на основе явлений, которые имеют место в твердых телах при криогенных температурах.

Рис. 1.2. Расположение атомов в кристаллическом (а) и аморфном (б) веществе

 

Второй класс материалов составляют некристаллические твердые материалы. Ихразделяют по признаку упорядоченности и стабильности структуры на аморфные, стеклообразные и нестеклообразныые в полуразупорядоченном состоянии.

Типичными представителями аморфных материалов являются аморфные полупроводники, аморфные металлы и сплавы.

В группу стеклообразных материалов входят: ряд органических полимеров (полиметилакрилат при температурах ниже 105 °С, поливинилхлорид -ниже 82 °С и другие); многие неорганические материалы - неорганическое стекло на основе оксидов кремния, бора, алюминия, фосфора и т. д.; многие материалы для каменного литья - базальты и диабазы со стеклообразной структурой, металлургические шлаки, природные карбонаты с островной и цепочечной структурой (доломит, мергель, мрамор и др).

В нестеклообразном полуразупорядоченном состоянии находятся студни (структурированные системы полимер - растворитель, образующиеся при затвердевании растворов полимеров или набухании твердых полимеров), многие синтетические полимеры в высокоэластическом состоянии, каучуки и резины, большинство материалов на основе биополимеров, в том числе текстильные и кожевенные материалы, а также органические вяжущие материалы - битумы, дегти, пеки и др.

По функциональному назначению технические материалы делят на следующие группы.

Конструкционные материалы - твердые материалы, предназначенные для изготовления изделий, подвергаемых механическому воздействию. Они должны обладать комплексом механических свойств, обеспечивающих требуемые работоспособность и ресурс изделий при воздействии рабочей среды, температуры и других факторов.

 

 

Молекулярные

Металлические

Ионно-кристаллические

 

Биополимеры. Синтетические полимеры. Природные силикаты. Неорганические вяжущие материалы. Твердые газы.

Металлы. Сплавы металлов

Оксиды металлов. Силикаты. Алюмосиликаты. Ситаллы Природные каменные материалы. Карбиды, нитриды, бориды

 

Рис. 1.1. Классификация твердых кристаллических материалов по структурному признаку

 

Одновременно к ним предъявляют технологические требования, определяющие наименьшую трудоемкость изготовления деталей и конструкций, и экономические, касающиеся стоимости и доступности материала, что очень важно в условиях массового производства. К конструкционным материалам можно отнести металлы, силикаты и керамику, полимеры, резину, древесину, многие композиционные материалы.

Электротехнические материалы характеризуются особыми электрическими и магнитными свойствами и предназначены для изготовления изделий, применяемых для производства, передачи, преобразования и потребления электроэнергии. К ним относятся магнитные материалы, проводники, полупроводники, а также диэлектрики в твердой жидкой и газообразной фазах.

Триботехнические материалы предназначены для применения в узлах трения с целью регулирования параметров трения и изнашивания для обеспечения заданных работоспособности и ресурса этих узлов. Основными видами та­ких материалов являются смазочные, антифрикционные и фрикционные. К первым относят смазки в твердой (графит, тальк, дисульфид молибдена и др., жидкой (смазочные масла) и газообразной фазах (воздух, пары углеводородов и другие газы). В совокупность антифрикционных материалов входят сплавы цветных металлов (баббиты, бронзы и др.), серый чугун, пластмассы (текстолит, материалы на основе фторопластов и др.), металлокерамические композиционные материалы (бронзографит, железографит и др.), некоторые виды древесины и древесно-слоистых пластиков, резины, многие композиты. Фрикционные материалы имеют большой коэффициент трения и высокое сопротивление изнашиванию. К ним относятся некоторые виды пластмасс, чугунов, металлокерамики и других композиционных материалов.

Инструментальные материалы отличаются высокими показателями твердости, износоустойчивости и прочности, они предназначены для изготовления режущего, мерительного, слесарно-монтажного и другого инструмента. Сюда относятся такие материалы, как инструментальная сталь и твердые сплавы, алмаз и некоторые виды керамических материалов, многие композиционные материалы.

Рабочие тела - газообразные и жидкие материалы, с помощью которых энергию преобразуют в механическую работу, холод, теплоту. Рабочими телами служат водяной пар в паровых машинах и турбинах; аммиак, углекислота, фреон и другие хладагенты в холодильных машинах; масла в гидроприводе; воздух в пневматических двигателях; газообразные продукты сгорания органического топлива в газовых турбинах, двигателях внутреннего сгорания.

Топливо - горючие материалы, основной частью которых является углерод, применяемые с целью получения при их сжигании тепловой энергии. По происхождению топливо делят на природное (нефть, уголь, природный газ, горючие сланцы, торф, древесина) и искусственное (кокс, моторные топлива, генераторные газы и др.); по типу машин, в которых оно сжигается, - на ракетное, моторное, ядерное, турбинное и т. д.

Технологические материалы -обширная группа вспомогательных материалов, используемых для нормального протекания технологических процессов переработки основных технических материалов в изделия или обеспечения нормальной работы машин. В их номенклатуру входят клеи и герметики; лакокрасочные и вяжущие материалы; вспо­могательные материалы, применяемые при сварке и пайке: (флюсы, припои, сварочные электроды и т. д.); смазочно-охлаждающие жидкости; закалочные среды; консерваци-онные материалы (смазки, пленки, ингибиторы коррозии и т. п.), обеспечивающие защиту изделий от коррозии при их хранении и транспортировании; антиадгезионные материалы, предохраняющие от приклеивания основных обрабатываемых материалов к технологической оснастке; моющие материалы; растворители и т. д.

 

Контрольные вопросы:

1. Назовите основные признаки, по которым классифицируют материалы в технике

2. Как можно классифицировать твердые материалы?

3. Охарактеризуйте типы связей между атомами (молекулами) в кристаллах

4. Что представляют собой атомно-кристаллические материалы? Назовите типичных представителей этого класса

5. Охарактеризуйте ионно-кристаллические материалы. Какие материалы относятся к этому типу?

6. Что представляют собой молекулярные кристаллы? Приведите примеры.

7. Охарактеризуйте класс некристаллических твердых материалов

8. На какие группы делят технические материалы по функциональному назначению. Охарактеризуйте каждую из групп.