Неорганічні матеріали

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 зв’язків 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 пов’язаних 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 (об’єм­ні, ниткоподібні, плівкові), полікристалічні (однофазні, багатофазні, армовані, ламінати, кристалоорієнтовані, градієнтні), нанокристалічні (об’ємні, плівкові), аморфні й аморфно-кристалічні (об’ємні, 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; нероз’ємні з’єднання 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. об’єм­ні матеріали та покриття), продукти технології високого тиску (надтверді полікристали й абразиви на основі алмазу та нітриду бору), продукти нанотехнологій (функціонал. й інструментал. об’ємні матеріали, тонкі плівки), продукти волокон. технологій (тканини, трикотажні та повстяні матеріали, армуючі елементи, армовані матеріали). Властивості матеріалів обумовлені природою або типом і міцністю хім. зв’язку, 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. зв’язку 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 пов’язують 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 зв’язує 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 зв’язку 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.

Фотоілюстрації

×

❮ ❯

Завантажити статтю