Неорганічні матеріали

Визначення і загальна характеристика

НЕОРГАНІ́ЧНІ МАТЕРІА́ЛИ Усі матеріали, з яких складаються предмети, що оточують навколиш. світ і якими користуються люди, поділяють на неорган. й органічні (див. також Органічні матеріали). Від речовин, що характеризуються елемент. хім. складом, вони від­різняються набором звʼязків між структур. одиницями (атомами, молекулами) та їх просторовим взаємо­узгодженим роз­ташува­н­ням — кри­сталіч. ґраткою. Поня­т­тя «неорган. речовина» є сукупним для хім. термінів «неорган. сполука» (не містять атомів карбону, ковалентно повʼязаних із атомами гідрогену) та «проста речовина» (її структурні одиниці або є пред­ставниками, або складаються з атомів тільки одного хім. елемента); у межах кількох ін. дисциплін, зокрема геології й екології, — це хім. речовина не рослин. і не тварин. походже­н­ня, а також речовини, до складу яких входить одна або декілька неорган. сполук. Орган. речовини прямо або непрямо виникли з живої речовини чи продуктів їх жит­тєдіяльності. Неорган. речовини, що забезпечують створе­н­ня нових матеріалів, ви­вчає неорганічна хімія, теор. фундаментом якої є періодич. закон і заснована на ньому періодична система хім. елементів. Нині у світі ві­домо бл. 400 тис. неорган. речовин. До Н. м. не зараховують орган. сполуки та вуглеводні, що є предметом ви­вче­н­ня органічної хімії. У рідин. та газоподіб. станах за своєю будовою та хім. властивостями матеріали на­ближаються до речовин, але пере­важно мають певну кількість домішк. атомів або молекул; у твердому стані характеризуються не лише кри­сталіч. структурою, а й мають мікро- та макро­структуру. У працях В. Скорохода структура матеріалу в твердому стані пред­ставлена як багаторівнева (див. Табл.). Кожен із рівнів структури пере­важно ви­значає фіз.-хім. та технол. властивості Н. м. Роз­різняють 4 форми існува­н­ня матеріалів (див. Рис.). Класифікація Н. м.: за складом і природою осн. фази — металеві (сплави чорних, кольорових, благород., тугоплавких і радіо­актив. металів), металоподібні (тверді сплави, кермети, плівки, покри­т­тя на основі карбідів, нітридів, боридів і силіцидів пере­хід. металів), неметалеві (моно- і полікри­стали, композити, плівки, покри­т­тя на основі вуглецю та ін. неметал. елементів, оксидів, іон­них і ковалент. неоксид. сполук, скло та сігали); за особливостями структури — монокри­сталічні (обʼєм­ні, ниткоподібні, плівкові), полікри­сталічні (однофазні, багатофазні, армовані, ламінати, кри­сталоорієнтовані, градієнтні), нанокри­сталічні (обʼємні, плівкові), аморфні й аморфно-кри­сталічні (обʼємні, плівкові); за станом структури — масивні, пористі, дис­персні; за властивостями — кон- струкц. (мех. властивості), жароміцні (високотемпературні мех. властивості), жаро­стійкі та вогнетривкі (хім. і термічна стійкість), корозійно­стійкі (хім. стійкість), триботехнічні (коефіцієнт зору, зносо­стійкість), інструментальні (твердість, зносо­стійкість), функціональні (електрофіз., магнітні, напів­провід­ник. й ін. властивості), теплоізоляційні та тепло­провід­ні (теплофіз. властивості), оп­тичні (коефіцієнти заломле­н­ня та по­глина­н­ня й ін. оптичні властивості), радіо­активні та радіаційно­стійкі (ядерні характеристики), аблюючі (термодинамічні властивості, термічна й ерозійна стійкість); за методами отрима­н­ня — продукти металург. пере­ділів (плавлені з подальшим деформац. і терміч. обробле­н­ням; литі метал. матеріали), продукти порошк. металург. і керам. технологій (сформовані з порошків пресува­н­ням, інжекцій. формува­н­ням, шлікер. ли­т­тям або будь-яким ін. способом формо­утворе­н­ня з подальшим спіка­н­ням, гарячим пресува­н­ням, прокаткою або екс­трузією металів; композиц.; керам.; ін. порошк. матеріали; нерозʼємні зʼ­єд­на­н­ня зварні та паяні), продукти газофаз. (СVD, РVD) технологій (піролітичні, іонно-плазмові, електрон­но-променеві, магнетрон­ні, лазерні, газотермічні плівки та покри­т­тя), продукти з ВС-технологій (метал., металоподібні, композиц., керам. обʼєм­ні матеріали та покри­т­тя), продукти технології високого тиску (надтверді полікри­стали й абразиви на основі алмазу та нітриду бору), продукти нанотехнологій (функціонал. й інструментал. обʼємні матеріали, тонкі плівки), продукти волокон. технологій (тканини, трикотажні та повстяні матеріали, армуючі елементи, армовані матеріали). Властивості матеріалів об­умовлені природою або типом і міцністю хім. звʼязку, монокри­сталіч. будовою, досконалістю мікро-, мезо- та макро­структури. Комплекс фіз.-хім. властивостей ви­значає здатність матеріалу виконувати роботу або функцію. Мех. властивості важливі під час викона­н­ня будь-якої із функцій і тому їх вважають основними. Міцність, твердість, зносо­стійкість матеріалів залежать від міцності між­атом. звʼязку в кри­сталіч. ґратці матеріалу, що складається із одного сорту атомів або двох і більше атомів у випадку сполук. Теор. міцність пере­важно в 10–100 разів більша за реал. міцність. Величина міцності матеріалу корелює з т-рою плавле­н­ня, теплотою випаровува­н­ня, сублімації та атомізації. Чим вища температура плавле­н­ня, тим вища міцність, твердість, зносо­­стійкість та ін. мех. властивості. Нині властивості металів і сплавів практично вичерпали можливість для під­вище­н­ня таких характеристик (напр., під­вище­н­ня робочої температури авіац. двигунів, лопаток, турбін тепло­енергет. устаткува­н­ня). Тому наук.-тех. прог­рес повʼязують зі створе­н­ням, виробництвом і довготривалою екс­плуатацією композиц. матеріалів, що складаються пере­важно із тугоплав. сполук або просто є керамічними. Вироби із найтугоплавкішого матеріалу вольфраму змінюють форму та роз­міри вже за температури 700–750 °С. Тоді як керам. матеріали із тугоплав. сполук карбідів, боридів, силіцидів неметал. тугоплавких сполук (карбід кремнію, карбід бору, нітрид кремнію та ін.) зберігають свої геом. роз­міри та мех. міцність до 2000 °С. Напр., карбід бору армований волокнами із дибориду титану має міцність на згина­н­ня 250 МПа під час на­гріва­н­ня до температури 2000 °С. Водночас у керам. матеріалів малі значе­н­ня гранич. деформації (менші 0,2 %), тому вони пере­важно крихкі, а їхні мех. властивості нижчі, ніж у металевих при кімнат. т-рах. Необхідні властивості метал. і керам. матеріалів по­єд­нують композиц. матеріали — кермети або металокерам. матеріали, що складаються із метал. матриці, яка звʼязує зерна із тугоплав. сполуки або керам. зерна. Такі композиц. матеріали мають міцність на рівні метал. матеріалів, а твердість — на рівні керамічних; і від­повід­но — значно вищі характеристики зносо­стійкості. З таких матеріалів виготовляють металооб­роб. інструмент, броню, бронебійні кулі та багато ін. виробів, що працюють в умовах великих мех. навантажень, високих швидкостей і короз. середовища. Міцність армованих композиц. матеріалів знач­но пере­вищує мех. характеристики металів і керам. неармованих матеріалів. У звʼязку з тим, що полімер. матеріалам властиві низькі температури технол. пере­робле­н­ня (до 300 °С), то активно роз­вивається напрям зі створе­н­ня композиц. метало-, керамо-, склополімер. композиц. матеріалів, які успішно замінюють метал. кон­струкц. матеріали і в 5–10 разів зменшують енерговитрати на створе­н­ня виробів. Нині виготовляють бампери автомобілів, а іноді і їхні кузови із армованих полімер. матеріалів, що не схильні до корозії. Таким чином, Н. м. необхідні майже для всіх сфер жит­тєдіяльності людини. Життя та добробут в знач. мірі залежать від кількості та властивостей Н. м., що використовують у пром. мас­штабах.

Літ.: Неорганическое материаловедение: В 2 т. К., 2008.

П. І. Лобода

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю