Способы повышения прочности твердых тел

В медицинской диагностике все более широко используется метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Его применяют в томографии при исследовании внутренних органов. Для лучшего управления высокочастотным излучением понадобились материалы, которые, с одной стороны, вели бы себя как немагнитные в постоянных полях (чтобы не вносить изменения в условия резонанса), а с другой стороны - как магнитные на высокой частоте излучения, чтобы фокусировать излучение в нужные участки тела пациента. По понятным причинам, естественные магнитные материалы на эту роль не подходили.

Возможность получения материалов, в которых магнитная проницаемость может быть отлична от единицы, заставляет по-новому взглянуть на основные законы и представления оптики. Плоскопараллельная пластинка способна собирать лучи и формировать изображение объекта подобно линзе. Такая плоская линза будет избавлена от недостатков, присущих обыкновенным сферическим линзам: искажений изображений в оптических системах, связанных с формой линзы. Практические следствия создания метаматериалов еще предстоит осознать, но уже сейчас ясно, что они очень перспективны для изготовления миниатюрных плоских линз.

Используя линейный дефект в фотонных кристаллах, можно также создать эффективные оптические волокна.

Большой интерес представляют недавние исследования научной группы Массачусетсского технологического института под руководством профессора Дж. Иоаннопулоса, в которых механическое воздействие на кристалл осуществляли путем генерации в нем ударной волны. При этом был открыт новый эффект - преобразование частоты излучения. Важность этого явления связана с тем, что до сих пор не существует практичных способов изменения частоты света на любую желаемую величину. А управлять частотой света было бы очень заманчиво - например, для того чтобы сузить солнечный спектр до диапазона наибольшей эффективности солнечных батарей. Кроме того, фундаментальный интерес здесь также неоспорим.

При комнатной температуре атомы железа образуют кубическую решетку, в которой атомы занимают места по вершинам и в центре кубов. Каждый aтoм имеет восемь соседей. При высокой температуре атомы железа образуют плотнейшую упаковку — каждый атом имеет 12 соседей. Применения кристаллов в науке и технике очень разнообразны. Около 80% всех добываемых природных алмазов и все искусственные алмазы используются в промышленности.

Алмазные инструменты применяются для обработки деталей из самых твердых материалов, используются в буровых инструментах при разведке и добыче полезных ископаемых.

Алмазы служат опорными камнями в хронометрах высшего класса для морских судов и в других особо точных приборах. На алмазных подшипниках не обнаруживается никаких следов износа даже после 25 000 000 оборотов.

Из 1 кг синтетического рубина удается изготовить около 40 000 опорных камней для часов. Незаменимыми оказались рубиновые стержни на фабриках по изготовлению химического волокна. Нитеводители из самого твердого стекла при протяжке через них искусственного волокна изнашиваются за несколько дней, рубиновые нитеводители практически не изнашиваются.

Новая область для широкого применения рубинов в научных исследованиях и в технике открылась с изобретением рубинового лазера -прибора, в котором рубиновый стержень служит мощным источником света, испускаемого в виде тонкого светового пучка. Исключительная роль выпала на долю кристаллов в современной электронике. Большинство полупроводниковых электронных приборов изготовлено из кристаллов германия или кремния.

Железо с числом соседей восемь — мягкое, железо с числом соседей 12—твердое. Оказывается, можно получить железо второго типа при комнатной температуре путем всем известной закалки железа. Таким образом, существование нескольких разновидностей одного и того же вещества имеет огромное значение для техники.

Получение монокристаллов.

Кристаллы ряда элементов и многих химических веществ обладают замечательными механическими, электрическими, магнитными и оптическими свойствам. Развитие науки и техники привело к тому, что многие редко встречающиеся в природе кристаллы стали очень нужными для изготовления деталей приборов, машин, для выполнения научных исследований. Потребность во многих кристаллах возросла настолько, что удовлетворить ее за счет расширения масштабов выработки старых и поисков новых природных месторождений оказалось невозможным. Возникла задача разработки технологии искусственного изготовления монокристаллов многих элементов и химических соединений.

Дефекты в кристаллах. Способы повышения прочности твердых тел.

Поликристаллическими телами являются все металлические изделия — стальные каркасы зданий и мостов, рельсы железных дорог, линии электропередач, станки, машины, поезда, самолеты. Одной из важнейших задач науки и техники является создание прочных и надежных машин, станков и зданий с минимальными затратами металлов и. других материалов.

Сравнение реальной прочности кристаллов со значением, полученным на основании теоретических расчетов, обнаруживает весьма существенные расхождения. Теоретический предел прочности в десятки и даже в сотни раз превосходит значения получаемые при испытаниях реальных образцов.

Оказалось, что причина расхождения теории и эксперимента — наличие внутренних и поверхностных дефектов в строении кристаллических решеток.

Точечные дефекты в идеальной кристаллической решетке возникают в результате замещения собственного атома чужеродным, внедрения атома в междоузлие, отсутствия атома в одном из узлов кристаллической решетки.

Нарушение в порядке расположения атомных плоскостей в кристалле (наличие лишней полуплоскости) называется дислокацией .

Деформация и разрушение кристалла с дефектом типа дислокации облегчаются, так как вместо одновременного разрыва всех связей между атомами двух плоскостей становится возможным поочередный разрыв небольшого числа связей между атомами с постепенным перемещением дефекта в кристалле .

Для получения кристаллических материалов с высокой прочностью нужно выращивать монокристаллы по возможности без дефектов. Это очень сложная задача, и поэтому в практике этот путь пока широкого распространения не получил.

Удается выращивать лишь очень короткие нитевидные кристаллы — «усы» -из углерода и некоторых минералов с очень малым числом дефектов в решетке.

Большинство современных методов упрочнения материалов основано на другом способе. Для упрочнения кристаллов с дефектами в решетке вместо устранения дефектов можно создать условия, при которых перемещение дефектов в кристалле затрудняется. Препятствием для перемещения дефектов в кристалле могут служить другие дефекты, специально созданные в кристаллической решетке. Так, для увеличения прочности стали применяется легирование — введение в расплав небольших добавок хрома, вольфрама и других элементов. Внедрение атомов чужеродных элементов в кристаллы железа затрудняет перемещение дефектов при деформации кристаллов, при этом прочность стали повышается примерно в три раза. Дополнительные дефекты в кристаллической решетке создаются при протяжке, дробеструйной обработке металлов. Эти виды обработки могут повышать прочность металлов примерно в два раза.

Приблизить практическую прочность металлов к теоретической можно и- Другим способом — высокоскоростной кристаллизацией. Чем быстрее отводится тепло от затвердевшего слитка, т. е. чем больше скорость кристаллизации, тем меньше размеры кристаллов и тем тоньше межзеренные прослойки. Такая структура обладает лучшими физическими и механическими характеристиками. Но крупные слитки металла невозможно охладить быстро.

Сверхскоростное охлаждение до 104 К в секунду осуществляется в «слитках» размером 5—500 мкм. Для этого расплавленный металл струей нейтрального газа с помощью форсунки распыляется в мельчайшую пыль.

В таких условиях гранулы затвердевают за ничтожные доли секунды. Затем эти гранулы спрессовывают при давлении 2-Ю8 Па и температуре 1200 °С.

На основе высокоскоростной кристаллизации и последующего горячего прессования разработана технология1производства, например, дисков из никелевых сплавов для газотурбинных двигателей. Таким способом жаропрочность дисков паровых и газовых турбин была повышена более чем в полтора раза. Это дало возможность уменьшить массу агрегатов, повысить рабочие температуры, увеличить срок службы двигателей.

Изготовление фотонных кристаллов.

Хотя одномерные фотонные кристаллы начали создавать гораздо раньше появления термина «фотонный кристалл», двумерные и трехмерные фотонные кристаллы появились на свет лишь в конце 80-х годов прошлого века. Как уже говорилось, первый трехмерный фотонный кристалл был получен родоначальником этого направления Яблоновичем в 1991 году для работы в микроволновом диапазоне. В качестве заготовки он использовал брусок из диэлектрика, на поверхность которого был нанесен шаблон с периодически расположенными отверстиями. В процессе изготовления эти отверстия рассверливались по трем направлениям под углом 35° к вертикали и 120° друг к другу так, что в горизонтальном сечении в толще образца возникла решетка с треугольной ячейкой . Первый трехмерный кристалл был назван Яблоновитом.

Производство фотонных кристаллов для видимого диапазона длин волн - очень сложная проблема, так как постоянная решетки такого кристалла должна быть сравнима с длиной волны света, а характерные геометрические детали элементарной ячейки должны быть и того меньше, т. е. лежать в субмикронной области. Эта область сейчас активно осваивается микроэлектроникой, основанной на планарной технологии, однако здесь речь идет о создании уже трехмерных периодических структур с субмикронным периодом.