Материалы с различным типом химической связи

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 75Следующая ⇒

Тип химической связи в твердых телах определяет энергию связи, физическую природу материала (проводник, диэлектрик), физические и механические свойства, а также тип упаковки при образовании кристаллических структур. Величина энергии связи Е имеет наибольшее значение у материалов с ковалентной и ионной связью. Металлическая связь является в 3 - 4 раза более слабой.

Другиефизические свойства зависят от величины энергии связи следующим образом: температура плавления Т_пл и модуль упругости Е пропорциональны энергии связи Е_св; коэффициент линейного расширения α обратно пропорционален Е_св.

Влияние типа связи на свойства наиболее наглядно проявляется при рассмотрении веществ одинакового химического состава. Так, двумя модификациями углерода являются алмаз и графит. Алмаз является веществом с ковалентным типом связи, это наиболее твёрдый кристалл в природе, диэлектрик с высокой температурой плавления.

Графит также имеет высокую температуру плавления. Но для этого вещества характерен смешанный тип связи: в его структуре, кроме атомов с ковалентным типом связи, присутствуют атомы, между которыми действуют слабые не химические молекулярные силы связи (силы Ван-дер-Ваальса). Этим и объясняется очень низкая твёрдость графита, склонность к расслаиванию, электрическая проводимость и более высокий коэффициент линейного расширения, чем у алмаза.

Полимеры (ковалентный и молекулярно - ковалентный типы связи)

Полимеры – вещества с большой молекулярной массой и состоящие из индивидуальных макромолекул, соединённых в единую систему посредством физических (молекулярная связь) или химических связей. Полимеры характеризуются прочной химической (ковалентной) связью в самих макромолекулах, в основной цепи, а взаимодействие между цепями (межмолекулярное) является более слабым – примерно в 10 - 50 раз, так как имеет физическую природу (молекулярный тип связи).

Керамика (ковалентный и ионный типы связи)

К конструкционным материалам с ковалентным, ионным типом связи относится техническая керамика; к приборным материалам – полупроводники.

Керамика - неорганический материал, получаемый в процессе высокотемпературного обжига различных минеральных масс. Для получения технической керамики используют ультрадисперсные порошки с размерами фрагментов на субмикронном уровне. При такой технологии производства окончательные размеры детали могут быть получены на этапе деформации, что исключает последующую механическую обработку.

Керамические материалы подразделяются на бескислородные соединения типа «металл - неметалл» (SiC, Si₃N₄) или соединения «металл - кислород» (ZrO₂, Al₂O₃).

Для бескислородных соединений характерна ковалентная связь, а для оксидов – ионная; каждая – с соответствующим комплексом свойств.

Сильная направленность химической связи позволяет применять керамику как материал, практически не склонный к окислению при повышенных температурах. Высокая температура плавления обеспечивает керамике повышенную жаропрочность (по сравнению со сплавами). Так например, бескислородная керамика применяется для деталей, работающих при температурах до 1300ºС (нитрид кремния Si₃N₄) и до 1800ºС (карбид кремния SiC).

Керамика на основе оксидов Al₂О₃, ZrО₂, MgO₂, CaО, температура плавления которых превышает 2000ºС, используется для получения жаростойких высокоогнеупорных материалов.

Высокая твёрдость керамики является причиной большой трудоёмкости изготовления деталей (по сравнению со сплавами). Кроме того, отличаются пониженной пластичностью и трудно устраняемой пористостью.

Металлы и сплавы (металлический тип связи)

Металлы – химические вещества неорганической природы с преимущественно металлическим типом связи, имеющие ряд специфических свойств. Не направленность связи и возможность перемещения электронов по орбиталям определяет их высокую тепло- и электропроводность. Делокализованность химической связи определяет возможность формирования в металлах плотноупакованных кристаллических структур, что отличает их от веществ с ковалентной и ионной типами связи. Наличие плотноупакованных структур в металлах определяет их повышенную пластичность при деформации. Более низкая энергия связи, чем у материалов с ковалентным и ионным типом связи имеет следствием более низкие модуль упругости и температуру плавления (за исключением тугоплавких металлов), а также больший коэффициент линейного расширения.

Чистые металлы имеют низкую прочность и во многих случаях не обеспечивают того уровня механических свойств, который необходим в эксплуатации. В качестве конструкционных материалов в большинстве случаев применяют сплавы, которые получаются при добавлении в чистый металл различных химических элементов, называемых легирующими. На основе металлов создаются разнообразные сплавы с определённым комплексом свойств. Сплавы «наследуют» от металлов физические свойства, способность к пластической деформации и другие свойства.

Металлы и сплавы являются основными конструкционными материалами в машиностроении, в том числе в автомобилестроении. Процесс производствадеталей из сплавов представляет собой несколько технологических этапов. После выбора химического состава сплава производится выплавка, затем разливка, в процессе которой происходит затвердевание. Деформируемые сплавы подвергаются горячей и холодной деформации с последующей механической и термической обработкой в различных сочетаниях.

Карбиды и интерметаллиды

(ковалентно - металлический тип связи)

Металлы можно представить как вещества с преимущественно металлическим типом связи, в которых возможно и ковалентное взаимодействие. Веществами с ковалентно - металлическим типом связи являются соединения типа «переходный металл-неметалл»: карбиды, нитриды, бориды, а также соединения типа «металл - металл» – интерметаллиды.

Карбиды переходных металлов, такие как WC, TiC, VC, NbC являются высокотвёрдыми веществами. Их получают различными способами из металлов и углерода: путём синтеза, науглероживания, спекания и т.п. Карбиды имеют очень ограниченное применение в качестве самостоятельных конструкционных материалов (детали реактивных двигателей). Чаще карбиды используют в качестве наполнителя в композиционных материалах. Например, твёрдые сплавы, применяемые в качестве быстрорежущего материала при механической обработке деталей, состоят на 80 - 90 % из карбидов, соединённых кобальтовой матрицей.

Интерметаллиды (интерметаллические соединения) в последние десятилетия все шире применяют в качестве конструкционных материалов. Практическое применение в качестве материалов, более жаропрочных, чем сплавы, имеют алюминиды: Ti₃Al, TiAl, Ni₃Al, NiAl. Они могут быть получены из порошков по технологии порошковой металлургии, а также по технологии получения сплавов: путём выплавки, литья, деформации. Металлическая составляющая связи в интерметаллидах обеспечивает этим материалам деформируемость, теплопроводность и другие «металлические» свойства, а ковалентная составляющая, как более сильная, обеспечивает высокую жаропрочность. В то же время большой вклад именно этого типа связи в общую связь обуславливает природную хрупкость интерметаллидов. Устранение хрупкости достигается путём специального легирования, снижающего долю ковалентной составляющей, или использования различных вариантов технологии изготовления.

Дата добавления: 2020-01-07; просмотров: 171; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!