|
| |
|
Главная Промышленность ства, снижают электрическое сопротивление, уменьшают время жизни носителей. Значение дислокаций особенно возрастает в микроэлектронике, где применяются тонкие пленочные кристаллы, и дислокации играют роль тонких проводящих каналов, вдоль которых легко перемещаются атомы примеси. Поверхностные дефекты. Наиболее важными поверхностными дефектами являются большеугловые и малоугловые границы, дефекты упаковки, границы двойников. В промышленности применяют как поликристаллические, так и монокристаллические материалы. Поликристаллический сплав содержит огромное число мелких зерен. В соседних зернах решетки ориентированы различно (рис. 1.24), и граница между зернами представляет собой переходный слой шириной 1-5 нм. В нем нарушена правильность расположения атомов, имеются скопления дислокаций, повышена концентрация примесей. Границы между зернами называются большеугловыми, так как соответственные кристаллографические направления в соседних зернах образуют углы в десятки градусов (рис. 1.24, а). Каждое зерно, в свою очередь, состоит из субзерен или блоков. Субзерно представляет собой часть кристалла относительно правильного строения. Границы субзерен представляют собой стенки дислокаций, которые разделяют зерно на отдельные субзерна или блоки (рис. 1.24,6). Угол взаимной разориентации между соседними субзернами невелик (не более 5 °), поэтому такие границы называются малоугловыми. На малоугловых границах также скапливаются примеси. Дефект упаковки представляет собой часть атомной плоскости, ограниченную дислокациями, в пределах которой нарушен нормальный порядок чередования атомных слоев. Например, в сплавах с ГЦК решеткой чередуются плотноупакованные слои АВСАВСАВ..., а при прохождении через дефект упаковки слои чередуются в последовательности АВСВСАВС... Чередование слоев ВСВС... типично для кристаллов с ГПУ решеткой, и, таким образом, дефект упаковки представляет собой как бы тонкую пластинку с ГПУ решеткой в ГЦК решетке. Поверхностные дефекты влияют на механические и физические свойства материалов. Особенно большое значение имеют границы зерен. Предел текучести связан с размером зерен d зависимостью = Uq + kd, где Uq и к-постоянные для данного материала. Чем мельче зерно, тем выше предел текучести, вязкость и меньше опасность хрупкого разрушения. Аналогично, но более слабо влияет на механические свойства размер субзерен. Вдоль границ зерен и субзерен быстро протекает диффузия (во много раз быстрее, чем сквозь кристалл), особенно при нагреве. Взаимодействие между дефектами, перемещения их в кристаллах, изменение концентрации дефектов-все это отражается на свойствах и имеет большое практическое значение. 1.5. Диффузия в металлах и сплавах Многие процессы, протекающие в металлах и сплавах, особенно при повышенных температурах, связаны с самодиффузией или диффузией. Самодиффузия-переход атома металла из узла кристаллической решетки в соседний или в межузлие под действием теплового возбуждения. Диффузия-перенос разнородных атомов, который сопровождается изменением концентрации компонентов в отдельных зонах сплава. Для описания процессов диффузии или самодиффузии предложено несколько механизмов (обменный, циклический, межузельный, вакансионный и др.). Однако реализуется тот механизм диффузии или самодиффузии, при котором окажется наименьшей величина энерге- тического барьера (энергия активации), преодолеваемого перемещающимися атомами. Энергия активации зависит от сил межатомной связи и дефектов кристаллической рещетки, которые облегчают диффузионные переходы (энергия активации по границам зерен вдвое меньще, чем в объеме зерна). Для металлических атомов более вероятным является вакансионный механизм, а для элементов с малым атомным радиусом (Н, N, С)-межузельный. Классическими законами диффузии считаются законы Фика, которые справедливы для слабых растворов или систем с малым перепадом диффундирующего вещества-градиентом концентрации дс/дх. Первый закон Фика: dm= -Ddc/dxdSdx. При постоянной температуре количество диффундирующего вещества dm в единицу времени через единицу поверхности dS пропорционально градиенту концентрации дс/дх и коэффициенту диффузии D (см/с). Знак минус указывает, что диффузия протекает в направлении, обратном вектору градиента концентрации, т. е. от зоны с большей концентрацией к зоне с меньшей концентрацией диффундирующего элемента. Когда градиент концентрации изменяется во времени, а коэффициент диффузии принимается независящим от концентрации, процесс диффузии описывается вторым законом Фика, который выводится из первого закона: дс/дт = Вдс/дх Коэффициент диффузии D (см/с) определяет скорость диффузии при перепаде концентрации, равном единице, зависит от состава сплава, размеров зерен и температуры процесса. Для определенного диапазона температур С Аррениус установил экспоненциальную зависимость коэффициента диффузии от температуры: где Do-предэкспоненциальный множитель, зависящий от сил связи между атомами кристаллической решетки; б-энергия активации процесса диффузии; К-газовая постоянная. В дальнейшем для описания диффузионных процессов в сложных сплавах ученые уточняли законы Фика, вводили понятия градиента химического потенциала или градиента термодинамической активности вместо градиента концентрации. Диффузионные процессы лежат в основе кристаллизации и рекристаллизации, фазовых превращений и насыщения поверхности сплавов другими элементами. Более подробно об этом сообщается в последующих главах. 1.6. Жидкие кристаллы Жидкие кристаллы-это жидкости с упорядоченной молекулярной структурой. Благодаря упорядочению молекул они занимают промежуточное положение между кристаллами и обычными жидкостями с беспорядочным расположением молекул. Жидкие кристаллы текучи, как обычные жидкости, но в то же время обладают анизотропией свойств, как кристаллы. Известно несколько сотен жидких кристаллов, важное место среди них занимают некоторые органические вещества, у которых молекулы имеют удлиненную форму. При плавлении таких веществ в силу особенностей межмолекулярного взаимодействия удлиненные молекулы располагаются в определенном порядке. Промежуточное состояние с упорядоченной структурой сохраняется в интервале температур от точки плавления вещества до точки перехода жидкого кристалла в изотропную жидкость. При переходе из-за усилившихся тепловых колебаний упорядоченная молекулярная структура полностью исчезает, увеличивается прозрачность вещества, и поэтому верхнюю температурную точку существования жидкого кри- Рис. 1.25. Типы структур жидких кристаллов  сталла часто называют точкой просветления. По структуре жидкие кристаллы разделяют на три класса: I (нематические); II (смектические) и III (холестерические) (рис. 1.25). В кристаллах первого класса (рис. 1.25,а) молекулы выстроены в цепочки; направление преимущественной ориентации молекул является оптической осью жидкого кристалла. В кристаллах второго класса (рис. 1.25,6) молекулы образуют параллельные слои, которые легко смещаются друг относительно друга. В кристаллах третьего класса (рис. 1.25, в) структура наиболее сложная: молекулы размещаются по пространственной спирали. Длинные молекулы образуют параллельные слои, в каждом слое имеется структура жидкого кристалла первого класса. Направление преимущественной ориентации плавно меняется при переходе от слоя к слою, образуя спираль с определенным шагом. Ориентационный порядок в расположении молекул создает анизотропию: показатель преломления света, диэлектрическая проницаемость, удельное электрическое сопротивление, вязкость и многие другие свойства зависят от направления, вдоль которого измеряют их величины, например параллельно или перпендикулярно осям молекул. В частности, в жидких кристаллах, являющихся диэлектриками, удельное объемное электрическое сопротивление, измеренное перпендикулярно молекулярным цепям, достигает 10* - 10** Ом-м,
а вдоль молекулярных цепей-на несколько порядков ниже. Структура жидких кристаллов легко изменяется под действием давления, электрического поля, нагрева. Это явление дает возможность управлять их свойствами путем слабых воздействий и делает жидкие кристаллы незаменимыми материалами для изготовления особо чувствительных индикаторов. Способность изменять оптические свойства жидких кристаллов первого класса, а также кристаллов третьего класса под влиянием электрического поля и температурных условий широко используется в приборостроении. Изменение структуры жидких кристаллов при внешних воздействиях сопровождается перемещениями молекул, и на такие перемещения требуется 1 - 10 мс, а на возврат к исходному состоянию после прекращения воздействия еще большее время-20-200 мс. Такая особенность жидких кристаллов ограничивает их применение областью низких частот (не выше 2-5 кГц). В промышленности используют как индивидуальные жидкокристаллические органические соединения, так и их эвтектические смеси. Смеси обладают более широким температурным интервалом существования жидких кристаллов. В жидких кристаллах первого класса наблюдается электрооптический эффект динамического рассеяния света. Сущность эффекта заключается в нарушении исходной упорядоченности молекул под 0 1 2 3 4 5 6 7 [ 8 ] 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 |
||||||||||
