Аморфные тела: свойства, примеры веществ, сферы применения

Полимеры и их использование

В качестве примера применения аморфных веществ можно рассмотреть полимеры. Их особенность в том, что даже твёрдые тела могут при создании подходящих условий постепенно перейти в жидкость. Если эти вещества подвергнуть замораживанию, тогда можно будет заметить, что они примут стеклообразную форму и проявят все характеристики твёрдых полимеров. Тела станут эластичными из-за поэтапного нагрева.

Такого вида аморфные вещества получили большой спрос в повседневной жизни человека. Полимеры активно используют в различных отраслях:

  • Серийное производство электроизоляционных материалов. Например, поливинилхлорид или известные каждому пластиковые окна из ПВХ. Эти материалы характеризуются повышенной устойчивостью к возгоранию, так как являются трудногорючими. Поливинилхлорид обладает отличными электроизоляционными свойствами, а также повышенной механической прочностью.
  • Синтетические каучуки и эластомеры.
  • Полиамиды. Изготавливаемые пластмассы обладают повышенной прочностью и стойкостью к преждевременному износу. Доступность и высокое качество этих материалов используется в машиностроении, авиационной и текстильной промышленностях, а также в традиционной медицине.
  • Самым известным и востребованным полимером является полиэтилен. Этот материал устойчив к негативному воздействию окружающей среды, не пропускает влагу. Если упаковка товара изготовлена из полиэтилена, тогда можно не беспокоиться, что содержимое будет испорчено в результате намокания. Это аморфное тело является хорошим диэлектриком. Из полиэтилена на серийном уровне изготавливают трубные конструкции, электрические детали, изоляционную плёнку, элементы для радиоаппаратуры.
  • Полистирол. Этот материал получил большой спрос благодаря тому, что он противостоит агрессивному воздействию кислот. Полистирол обладает высокой прочностью в отношении механического воздействия. Он зарекомендовал себя как надёжный электроизоляционный и конструкционный материал. Чаще всего применяется в радио- и электротехнике.

Аморфный материал

Битумы — аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов ( обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы) и обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный ( или темно-коричневый) цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный излом в виде раковин. Битумы растворяются в углеводородах — легче ароматических ( бензол, толуол), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы.

Свойства нагревостойкой керамики.

Стеклами называют аморфные материалы, получаемые в результате сплавления различных окислов. Такие стекла называют силикатными. В зависимости от состава свойства стекол определяются в очень широких пределах. На свойства стекол влияет режим тепловой обработки.

Зависимости тангенса угла диэлектрических потерь ( при частоте 50 гц от температуры для битумов марок БН-V ( / и Г ( 2.

Битумы — аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов ( обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы), обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный ( или темно-коричневый) цвет, при достаточно низких температурах хрупки и дают характерный раковистый излом. Битумы растворяются в углеводородах — легче в ароматических ( бензол, толуол и др.), несколько труднее в бензине, немаслостойки. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность и в толстом слое практически водонепроницаемы.

Зависимости tg б от температуры для.

Битумы — аморфные материалы, представляющие собой сложные смеси углеводородов ( обычно они содержат также некоторое количество кислорода и серы) н обладающие характерным комплексом свойств. Они имеют черный ( или темно-коричневый) цвет, при достаточно низких температурах хрупки н дают характерный излом в виде раковин. В спирте и воде битумы нерастворимы, они имеют малую гигроскопичность н в толстом слое практически водонепроницаемы.

Как и другие аморфные материалы, стекла не имеют резко выраженной температуры плавления. При нагреве вязкость стекол уменьшается постепенно; за температуру размягчения стекла принимают температуру, при которой вязкость его составляет 107 — 108 Па — с.

Стекла представляют собой прозрачный аморфный материал, получаемый переохлаждением расплавленных силикатов.

У всех аморфных материалов, для которых справедлива зависимость (4.103), в этой же области температур ( ниже 1 К) наблюдается сверхдебаевская избыточная теплоемкость. Не исключено, что зависимость типа (4.103) и наличие сверхдебаевской теплоемкости при ГС1 К является общим признаком аморфных веществ и не зависит от деталей химического строения. Несмотря на некоторую неопределенность в истолковании нелинейной температурной зависимости х ниже 1 К, в случае аморфных полимеров достигнуто большее понимание механизма теплопроводности, чем в случае кристаллических полимеров.

Для таких аморфных материалов могут быть проведены испытания на одноосное сжатие. Величина сгт при этом немного меньше, чем при одноосном растяжении, что является следствием слабого эффекта гидростатического сжатия.

Для изготовления аморфных материалов можно воспользоваться более чем десятью методами, что позволяет из материала с одним и тем же химическим сост. Чувствительность способа синтеза к различным случайностям ( вернее, неизученным особенностям процесса) может существенно повлиять на свойства получаемых соединений.

Температурная зависимость атомной электропроводности некоторых полуметаллов в твердом и жидком состоянии. Атомная электропроводность равна произведению удельной электропроводности на атомный.

Исследования таких аморфных материалов методом дифракции рентгеновских лучей показывают, что их структуры яп-ляются неупорядоченными формами высокополимерных кристаллических модификаций. При нагревании они легко кристаллизуются при температуре, которая тем ниже, чем выше атомный вес элемента. Так, стеклообразный фосфор, полученный Эллисом, полностью превращается в красную модификацию в результате четырехдневного отжига при 400; аморфные As и Sb кристаллизуются при комнатной температуре, а аморфный Bi — при 20 К.

Электрические свойства аморфных материалов по сравнению со свойствами кристаллических характеризуются более высокими значениями электросопротивления и более слабой зависимостью электросопротивления от температуры.

Четыре состояния вещества

Общеизвестно, что существует четыре агрегатных состояния: твердое, жидкое, газообразное, плазменное. Твердые аморфные вещества могут быть и кристаллическими. При таком строении может наблюдаться пространственная периодичность в расположении частиц. Эти частицы в кристаллах могут выполнять периодическое движение. Во всех телах, которые мы наблюдаем в газообразном или жидком состоянии, можно заметить движение частиц в виде хаотичного беспорядка. Аморфные твердые вещества (например, металлы в конденсированном состоянии: эбонит, стеклянная продукция, смолы) можно называть жидкостями замороженного типа, потому что у них при изменении формы можно заметить такую характерную черту, как вязкость.

Получение

Существует множество способов получения металлических стёкол.

  1. Осаждение газообразного металла
    • Вакуумное напыление
    • Распыление
    • Химические реакции в газовой фазе
  2. Затвердевание жидкого металла
  3. Нарушение кристаллической структуры твёрдого металла
    • Облучение частицами
    • Воздействие ударной волной
    • Ионная имплантация
  4. Электролитическое осаждение из растворов

Закалка из жидкого состояния

Закалка из жидкого состояния является основным способом получения металлических стёкол. Этот метод заключается в сверхбыстром охлаждении расплава, в результате которого он переходит в твёрдое состояние, избежав кристаллизации — структура материала остаётся практически такой же, как в жидком состоянии. Он включает в себя несколько методов, которые позволяют получать аморфные металлы в формах порошка, тонкой проволоки, тонкой ленты, пластинок. Также были разработаны сплавы с малой критической скоростью охлаждения, что позволило создавать объёмные металлические стёкла.

Для получения пластинок массой до нескольких сотен миллиграмм, капля расплава с большой скоростью выстреливается на охлаждаемую медную плиту, скорость охлаждения при этом достигает 109 °C/с. Для получения тонких лент шириной от десятых долей до десятков миллиметров расплав выдавливается на быстро вращающуюся охлаждающую поверхность. Для получения проволок толщиной от единиц до сотен микрон применяются разные методы. В первом расплав протягивается в трубке через охлаждающий водный раствор, скорость охлаждения при этом составляет 104—105 °C/с. Во втором методе струя расплава попадает в охлаждающую жидкость, которая находится на внутренней стороне вращающегося барабана, где удерживается за счёт центробежной силы.

Плавление и переход в другие состояния. Металл и стекло

Аморфное состояние вещества не подразумевает поддержания какой-либо определенной температуры. При  низких показателях тела застывают, при высоких — плавятся. Кстати, от этого зависит и степень вязкости таких веществ. Низкая температура способствует пониженной вязкости, высокая, наоборот, ее повышает.

Для веществ аморфного типа можно выделить еще одну особенность — переход в кристаллическое состояние, причем самопроизвольный. Почему так происходит? Внутренней энергии в кристаллическом теле намного меньше, чем в аморфном. Мы это можем заметить на примере стеклянной продукции — со временем стекла становятся мутными.

Металлическое стекло — что же это такое? Металл можно избавить от кристаллической решетки в ходе плавления, то есть сделать вещество аморфного строения стеклообразным. Во время застывания при искусственном охлаждении кристаллическая решетка снова образуется. Аморфный металл имеет просто поразительную стойкость к коррозии. Например, сделанный из него кузов автомобиля не нуждался бы в различных покрытиях, так как не подвергался бы самопроизвольному разрушению. Аморфным веществом является такое тело, атомная структура которого обладает невиданной прочностью, а значит, аморфный металл мог бы применяться в совершенно любой промышленной отрасли.

Характеристики веществ

Что определяет физические и механические характеристики тел? Важное значение имеют атомные связи, а также тип кристаллической структуры. Кристаллам ионного типа характерны ионные связи, что означает плавный переход от одних атомов к другим

При этом происходит образование положительно и отрицательно заряженных частиц. Ионную связь мы можем наблюдать на простом примере — такие характеристики свойственны разнообразным оксидам и солям. Еще одна особенность ионных кристаллов — низкая проводимость тепла, но ее показатели могут заметно возрастать при нагревании. В узлах кристаллической решетки можно заметить различные молекулы, которые отличаются крепкой атомной связью.

Множество минералов, которые мы встречаем повсеместно в природе, имеют строение кристаллическое. И аморфное состояние вещества — это тоже природа в чистом виде. Только в этом случае тело представляет собой нечто бесформенное, а вот кристаллы могут принимать формы красивейших многогранников с наличием плоских граней, а также образовывать новые удивительной красоты и чистоты твердые тела.

Аморфность как качество личности

Когда люди употребляют прилагательное «аморфный» (это случается довольно часто последнее время), то тем самым они выражают ту мысль или даже желание, чтобы человек, объект критики, был чуть смелее, решительнее, тверже. Чтобы у него была своего рода «кристаллическая структура» из моральных ценностей и убеждений.

Есть старое советское слово «приспособленец». Оно довольно грубое, но можно и говорить политкорректнее, например «конформист».

Читатель может спросить: но разве у таких людей нет моральных ценностей? Ведь они «из большинства», да, плывут по течению, но ведь у них есть представления о добре и зле, которые идут в «базовой комплектации». Все верно, но беда только в том, что те, кто ловит попутный ветер, не слишком-то держатся за свои так называемые ценности и убеждения. Нагляднее всего это показано в фильме Бернардо Бертолуччи «Конформист» (1970). В нем герой сначала был фашиствующим товарищем, а потом стал придерживаться противоположного мнения. Фильм посмотреть однозначно стоит хотя бы для того, чтобы избежать подобных коллизий в собственной жизни.

Если люди легко и свободно меняют убеждения, значит, не слишком они ими дорожат. А это о чем-то да говорит. Тем-то и опасен человек аморфный. Это то, что мы хотели сказать по поводу рыхлости как характеристики личности. На очереди еще один интересный вопрос.

Твердые тела

Все твердые тела обладают следующими общими свойствами:

  • Способностью долгое время сохранять форму и объем (геометрические размеры);
  • Наличием упругих сил, которые возникают при небольших изменениях объема от внешнего воздействия (сжатия, растяжения или сдвига).

Рис. 1. Примеры решеток кристаллических и аморфных тел – кварц аморфный и кристаллический.

Современные ученые исследуют пространственное расположение атомов и молекул в твердых телах с помощью электронных микроскопов, которые позволяют получить изображение объекта с сильным увеличением (до 106 раз). Первый электронный микроскоп был изобретен в 30-х годах прошлого века. В 2018 г. с помощью последних версий этого прибора было получено разрешение 0,39 ангстрем. Напомним, что 1 ангстрем равен 10-8 см. В большинстве кристаллов это соответствует шагу атомной решетки.

Аморфные тела


Сравнение атомной решетки кристаллов и аморфных тел

Амо́рфные вещества́ (тела́) (от др.-греч. ἀ «не-» + μορφή «вид, форма») — конденсированное состояние веществ, атомная структура которых имеет ближний порядок и не имеет дальнего порядка, характерного для кристаллических структур.

В отличие от кристаллов, стабильно-аморфные вещества не затвердевают с образованием кристаллических граней, и, (если не были под сильнейшим анизотропным воздействием — сжатием или электрическим полем, например) обладают изотропией свойств, то есть не обнаруживают различия свойств в разных направлениях.

Аморфные вещества не имеют определённой точки плавления: при повышении температуры стабильно-аморфные вещества постепенно размягчаются и выше температуры стеклования (Tg) переходят в жидкое состояние.

Вещества, обычно имеющие (поли-)кристаллическую структуру, но сильно переохлаждённые при , могут затвердевать в аморфном состоянии, которое при последующем нагреве или с течением времени кристаллизуется (в твёрдом состоянии с небольшим выделением тепла).

Аморфное состояние многих веществ получается при высокой скорости затвердевания (остывания) жидкого расплава, или при конденсации паров на охлаждённую заметно ниже температуры плавления поверхность-подложку. Соотношение реальной скорости охлаждения (dT/dt) и характеристической скорости кристаллизации определяет долю поликристаллов в аморфном объёме.

Скорость кристаллизации — параметр вещества, слабо зависящий от давления и от температуры (около точки плавления) и сильно зависящий от сложности состава.

Однако природный кварц, имевший сотни и тысячи лет для кристаллизации при остывании земной коры или глубинных слоёв вулканов, имеет крупнокристаллическое строение, в отличие от вулканического стекла, застывшего на поверхности и поэтому аморфного.

Из обычных полимеров (пластмасс) только самый простой (полиэтилен) имеет заметную скорость кристаллизации при комнатной температуре — порядка двух лет для мягкого (ПВД) и нескольких лет (даже с добавками-замедлителями) для твёрдого (ПНД) — уже примерно наполовину кристаллизованного вида. Это одна из причин недолговечности изделий из полиэтилена.

К стабильно-аморфным веществам принадлежат стекла (искусственные и вулканические), естественные и искусственные смолы, клеи, парафин, воск и др. Аморфные вещества могут находиться либо в стеклообразном состоянии (при низких температурах), либо в состоянии расплава (при высоких температурах).

Аморфные вещества переходят в стеклообразное состояние при температурах заметно ниже температуры стеклования Tg. При температурах намного выше Tg аморфные вещества ведут себя как расплавы, то есть находятся в расплавленном состоянии.

Вязкость аморфных материалов — непрерывная функция температуры: чем выше температура, тем ниже вязкость аморфного вещества.

Структура

Исследования показали, что структуры жидкостей и аморфных тел имеют много общего.В аморфных и жидких телах наблюдается ближний порядок в упаковке частиц (атомов или молекул).

Также бывают промежуточные (полукристаллические) состояния.

Свойства

Все физические свойства аморфного и поликристаллического состояний одного итого же вещества заметно (иногда сильно) отличаются (кроме плотности).

Электрические и механические свойства аморфных веществ ближе к таковым для монокристаллов, чем для поликристаллов из-за отсутствия резких и сильно загрязнённых примесями границ с зачастую абсолютно другим химическим составом. Немеханические свойства полуаморфных состояний обычно являются промежуточными между аморфными и кристаллическими и изотропны.

При внешних воздействиях аморфные вещества обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно кристаллическим твёрдым веществам, и текучесть, подобно жидкости, поэтому моделируются в механике сплошных сред как вязкоупругие среды.

Если раздробить её на мелкие части и получившейся массой заполнить сосуд, то через некоторое время смола сольётся в единое целое и примет форму сосуда.

В зависимости от электрических свойств, разделяют аморфные металлы, и .

Литература

  • Скрышевский А. Ф. Структурный анализ жидкостей и аморфных тел. — 2-е изд., перераб. и доп.. — М.: Высшая школа, 1980. — С. 302-324. — 328 с.
  • Шульц М. М., Мазурин О. В. Современное представление о строении стёкол и их свойствах. — Л.: Наука. 1988. — 200 с. — ISBN 5-02-024564-X.

Что представляют собой кристаллы? Аморфно-кристаллическая структура

Форма таких тел постоянна для определенного соединения. Например, берилл всегда выглядит как шестигранная призма. Проведите небольшой эксперимент. Возьмите небольшой кристаллик поваренной соли кубической формы (шар) и положите его в специальный раствор как можно более насыщенный той же поваренной соли. Со временем вы заметите, что этот тело осталось неизменным — оно снова приобрело форму куба или шара, которая присуща именно кристаллам поваренной соли.

Аморфно-кристаллические вещества — это такие тела, которые могут содержать в себе как аморфные, так и кристаллические фазы. Что влияет на свойства материалов такой структуры? Главным образом различное соотношение объемов и разное расположение по отношению друг к другу. Распространенными примерами таких веществ являются материалы из керамики, фарфора, ситаллы. Из таблицы свойств материалов с аморфно-кристаллической структурой становится известно, что фарфор содержит максимальный процент стеклофазы. Показатели колеблются в пределах 40-60-ти процентов. Самое низкое содержание мы увидим на примере каменного литья — меньше 5-ти процентов. При этом более высокое поглощение воды будет у керамической плитки.

Как известно, такие промышленные материалы, как фарфор, керамическая плитка, каменное литье и ситаллы, — это аморфно-кристаллические вещества, потому что содержат стекловидные фазы и одновременно кристаллы в своем составе. При этом стоит отметить, что свойства материалов не зависят от содержания в нем стеклофаз.

Полимеры

Еще один пример применения аморфного вещества — это полимеры. Они могут медленно переходить из твердого состояния в жидкость, в то время как кристаллические полимеры характеризуются температурой плавления, а не температурой размягчения. Каково физическое состояние аморфных полимеров? Если предоставить этим веществам низкую температуру, можно заметить, что они будут находиться в стеклообразном состоянии и проявлять свойства твердых тел. Постепенное нагревание способствует тому, что полимеры начинают переходить в состояние повышенной эластичности.

Аморфные вещества, примеры которых мы сейчас приводили, интенсивно используются в промышленности. Сверхэластичное состояние позволяет полимерам как угодно деформироваться, а достигается такое состояние благодаря повышенной гибкости звеньев и молекул. Дальнейшее повышение показателей температуры приводит к тому, что полимер приобретает еще более эластичные свойства. Он начинает переходить в особое текучее и вязкое состояние.

Если оставить ситуацию без контроля и не воспрепятствовать дальнейшему повышению температуры, полимер подвергнется деструкции, то есть разрушению. Вязкое состояние показывает, что все звенья макромолекулы очень подвижны. Когда течет молекула полимера, звенья не только выпрямляются, но и еще и сильно сближаются друг с другом. Межмолекулярное воздействие превращает полимер в жесткое вещество (резину). Такой процесс называют механическим стеклованием. Полученное вещество используют для производства пленок и волокон.

На основе полимеров можно получить полиамиды, полиакрилонитрилы. Чтобы изготовить полимерную пленку, нужно продавить полимеры через фильеры, которые имеют щелевидное отверстие, и нанести на ленту. Таким образом изготавливаются упаковочные материалы и основы для магнитных лент. К полимерам относятся также различные лаки (образующие пенку в органическом растворителе), клеи и другие скрепляющие материалы, композиты (полимерная основа с наполнителем), пластмассы.

Физика и лирика

К аморфным телам или веществам, с точки зрения физики, относятся те, которые не имеют кристаллической решетки, т.е. обладают ближним порядком атомной структуры в конденсированном состоянии, и не имеют дальнего. Но то, что понятно в физике, сложно поддается осмыслению в описании социальной жизни человека. Согласно общему мнению, быть таким – плохо.

Если твой парень является или считается аморфным человеком, тебе не повезло и стоит поискать другого спутника жизни. Если в твоем подчинении аморфные сотрудники, то успехов в бизнесе не достичь. Но, кстати, никто особенно не страдает от того, что его девушка или супруга аморфна. Может, аморфное состояние характерно только для человека мужского пола?

Бытие определяет сознание, аморфное состояние – это не врожденная черта характера, а результат того, как на формирование личности и характера человека повлияло окружение, воспитание. И в зависимости от обстановки и происходящих событий большинство людей способно радикально меняться.

Физические аморфные тела тоже способны приобретать свойства кристаллических веществ, при определенных воздействиях – давлении, электромагнитном поле, и пр.

Применение

Несмотря на хорошие механические свойства, металлические стёкла не используются в качестве ответственных деталей конструкций по причине их высокой стоимости и технологических сложностей.
Перспективным направлением является применение коррозионностойких аморфных сплавов в различных отраслях.

В оборонной промышленности при производстве защитных бронированных ограждений используются прослойки из аморфных сплавов на основе алюминия для погашения энергии пробивающего снаряда за счёт высокой вязкости разрушения таких прослоек.

Благодаря своим магнитным свойствам аморфные металлы используются при производстве магнитных экранов, считывающих головок (аудио- и видеомагнитофонов, накопителей информации), трансформаторов и других устройств.

Низкая зависимость сопротивления некоторых аморфных металлов от температуры позволяет использовать их в качестве эталонных резисторов.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector