Аморфные твердые тела их представитель и свойства. Аморфные материалы: их свойства, применение в современной технике, способы получения

21.02.2024

Кристаллические тела

Кристаллические твёрдые тела или кристаллы имеют отличительную внутреннюю особенность - структуру в виде кристаллической решётки, в которой определённое положение занимают атомы, молекулы или ионы вещества.
Кристаллическая решётка приводит к существованию особенных плоских граней у кристаллов, которые отличают одно вещество от другого. При воздействии рентгеновских лучей, каждая кристаллическая решётка излучает характерный рисунок, который можно использовать для идентификации вещества. Грани кристаллов пересекаются под определёнными углами, отличающими одно вещество от другого. Если кристалл расщепить, то новые грани будут пересекаться под теми же углами, что у исходного.

Например, galena - галенит, pyrite - пирит, quartz - кварц. Грани кристалла пересекаются под прямым углом в галените (PbS) и пирите (FeS 2), под другими углами в кварце.

Свойства кристаллов

постоянный объём;
правильная геометрическая форма;
анизотропия - различие механических, световых, электрических и тепловых свойств от направления в кристалле;
чётко определённая температура плавления, так как она зависит от регулярности кристаллической решётки. Межмолекулярные силы, удерживающие твёрдое вещество вместе, однородны, и требуется одинаковое количество тепловой энергии, чтобы одновременно разорвать каждое взаимодействие.

Аморфные тела

Примерами аморфных тел, не имеющих строгой структуры и повторяемости ячеек кристаллической решётки, являются: стекло, смола, тефлон, полиуретан, нафталин, поливинилхлорид.

Они имеют два характерных свойства: изотропность и отсутствие определённой температуры плавления.
Изотропность аморфных тел понимают, как одинаковость физических свойств вещества по всем направлениям.
В аморфном твёрдом теле расстояние до соседних узлов кристаллической решётки и количество соседних узлов изменяется по всему материалу. Поэтому, чтобы разорвать межмолекулярные взаимодействия, требуется различное количество тепловой энергии. Следовательно, аморфные вещества медленно размягчаются в широком диапазоне температур и не имеют чёткой температуры плавления.
Особенностью аморфных твёрдых тел является то, что при низких температурах они имеют свойства твёрдых тел, а при повышении температуры - свойства жидкостей.

>>Физика: Аморфные тела

Не все твердые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел. Чем они отличаются от кристаллов?
У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы-соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой повторяемости по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов , в аморфных телах нет.
По расположению атомов и по их поведению аморфные тела аналогичны жидкостям.
Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO 2 может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решетки из правильных шестиугольников (рис.12.6, а ). Аморфная структура кварца также имеет вид решетки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти- и семиугольники (рис.12.6, б ).
Свойства аморфных тел. Все аморфные тела изотропны, т. е. их физические свойства одинаковы по всем направлениям. К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др.
При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твердым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твердые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. В этом вы можете убедиться сами, если запасетесь терпением. Проследите за куском смолы, который лежит на твердой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.
Атомы или молекулы аморфных тел, подобно молекулам жидкости, имеют определенное время «оседлой жизни» - время колебаний около положения равновесия. Но в отличие от жидкостей это время у них весьма велико.
Так, для вара при t = 20°С время «оседлой жизни» примерно 0,1 с. В этом отношении аморфные тела близки к кристаллическим, так как перескоки атомов из одного положения равновесия в другое происходят сравнительно редко.
Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твердые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства все более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения равновесия в другое. Определенной температуры плавления у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.
Жидкие кристаллы. В природе встречаются вещества, обладающие одновременно основными свойствами кристалла и жидкости, а именно анизотропией и текучестью. Такое состояние вещества называется жидкокристаллическим . Жидкими кристаллами являются в основном органические вещества, молекулы которых имеют длинную нитевидную форму или форму плоских пластин.
Рассмотрим наиболее простой случай, когда жидкий кристалл образуется нитевидными молекулами. Эти молекулы расположены параллельно друг другу, однако беспорядочно сдвинуты, т. е. порядок, в отличие от обычных кристаллов, существует только в одном направлении.
При тепловом движении центры этих молекул движутся хаотически, однако ориентация молекул не изменяется, и они остаются параллельны самим себе. Строгая ориентация молекул существует не во всем объеме кристалла, а в небольших областях, называемых доменами. На границе доменов происходит преломление и отражение света, поэтому жидкие кристаллы непрозрачны. Однако в слое жидкого кристалла, помещенном между двумя тонкими пластинами, расстояния между которыми 0,01-0,1 мм, с параллельными углублениями 10-100 нм, все молекулы будут параллельны и кристалл станет прозрачным. Если на какие-то участки жидкого кристалла подать электрическое напряжение, то жидкокристаллическое состояние нарушается. Эти участки становятся непрозрачными и начинают светиться, а участки без напряжения остаются темными. Это явление используется при создании жидкокристаллических экранов телевизоров. Нужно отметить, что сам экран состоит из огромного числа элементов и электронная схема управления таким экраном чрезвычайно сложна.
Физика твердого тела. Человечество всегда использовало и будет использовать твердые тела. Но если раньше физика твердого тела отставала от развития технологии, основанной на непосредственном опыте, то теперь положение изменилось. Теоретические исследования приводят к созданию твердых тел, свойства которых совершенно необычны.
Получить такие тела методом проб и ошибок было бы невозможно. Создание транзисторов, о которых пойдет речь в дальнейшем, - яркий пример того, как понимание структуры твердых тел привело к революции во всей радиотехнике.
Получение материалов с заданными механическими, магнитными, электрическими и другими свойствами - одно из основных направлений современной физики твердого тела. Примерно половина физиков мира работают сейчас в этой области физики .
Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твердыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твердых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.

???
1. Чем отличаются аморфные тела от кристаллических?
2. Приведите примеры аморфных тел.
3. Возникла ли бы профессия стеклодува, если бы стекло было кристаллическим телом, а не аморфным?

Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, Н.Н.Сотский, Физика 10 класс

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Если у вас есть исправления или предложения к данному уроку,

При понижении температуры жидкость может замораживаться без упорядочения структуры. Вещество при этом уже находиться в твёрдом состоянии, но структура его приближается к структуре жидкости – такие вещества называются аморфными (от греческого "аморфос " - бесформенный)

Свойства аморфных тел:

§ Главный признак - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния .

§ Для аморфного состояния характерно наличие только ближнего порядка . Структуры аморфных веществ напоминают жидкости, однако обладают гораздо меньшей текучестью.

§ Аморфное состояние обычно неустойчиво . Аморфное состояние обладает некоторым избыточным запасом внутренней энергии, поэтому самопроизвольно переходит в кристаллическое состояние как более устойчивое. Из-за этого большинство веществ в обычных условиях всё же находятся в кристаллическом состоянии.

§ Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться .

§ Текучесть (т.к. по некоторым теориям аморфные тела рассматриваются как переохлаждённые жидкости). Это свойство можно обнаружить при внимательном исследовании оконных стёкол, очень старых домов. Оконные стёкла в таких домах внизу несколько толще, так как долгое время стекло постоянно перетекало вниз под влиянием силы тяжести. Сравнительно недавно научились получать в стеклообразном состоянии металлы . Для этого металл расплавляют, а затем за очень короткое время охлаждают. Вследствие быстрого охлаждения в металле не возникает правильной кристаллической структуры, он становиться стеклообразным. Металлостёкла отличаются высокой твёрдостью, износоустойчивостью и коррозийной стойкостью.

§ Аморфные тела изотропны , то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления.

§ У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления : плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Например: интервал температуры плавления силикатных стёкол составляет приблизительно 200°С.

Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом.

Примеры аморфных веществ: естественные: мёд, янтарь, канифоль, смола, битум;

искусственные: стекло, многие оксиды, гидроксиды .

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

В ряде случаев одно и тоже вещество может находиться в различных состояниях, например: SiO 2 существует в стеклообразном и в нескольких кристаллических состояниях; также S-сера, есть аморфная сера и две кристаллические модификации (ромбическая и моноклинная).

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Аморфные материалы: их свойства, применение в современной технике, способы получения

Выполнил:

студент 206 группы ХФММ

Дорожкин А.П.

Проверил:

Заведующий кафедрой

физической химии

Томилин О.Б.

Введение

Долгое время казалось, что самое интересное в Физике - это исследования микромира и микрокосмоса. Именно там пытались найти ответы на наиболее важные, фундаментальные вопросы, объясняющие устройство окружающего мира. А сейчас образовался третий фронт исследований - изучение твёрдых тел.

Почему же так важно исследовать твёрдые тела?

Огромную роль, конечно, играет здесь практическая деятельность человека. Твёрдые тела - это металлы и диэлектрики, без которых немыслима электротехника, это - полупроводники, лежащие в основе современной электроники, магниты, сверхпроводники, конструкционные материалы. Словом, можно утверждать, что научно-технический прогресс в значительной мере основан на использовании твёрдых тел.

Но не только практическая сторона дела важна при их изучении. Сама внутренняя логика развития науки - физики твёрдого тела - привела к пониманию важности коллективных свойств больших систем.

Твёрдое тело состоит из миллиарда частиц, которые взаимодействуют между собой. Это обусловливает появление определённого порядка в системе и особых свойств всего количества микрочастиц. Так, коллективные свойства электронов определяют электропроводность твёрдых тел, а способность тела поглощать тепло - теплоёмкость - зависит от характера коллективных колебаний атомов при тепловом движении. Коллективные свойства объясняют все основные закономерности поведения твёрдых тел.

Структура твёрдых тел многообразна. Тем не менее, их можно разделить на два больших класса: кристаллы и аморфные тела.

1. Общая характеристика аморфных тел

Не все твёрдые тела - кристаллы. Существует множество аморфных тел.

У аморфных тел нет строгого порядка в расположении атомов. Только ближайшие атомы - соседи располагаются в некотором порядке. Но строгой направленности по всем направлениям одного и того же элемента структуры, которая характерна для кристаллов в аморфных телах, нет.

Часто одно и то же вещество может находиться как в кристаллическом, так и в аморфном состоянии. Например, кварц SiO2, может быть как в кристаллической, так и в аморфной форме (кремнезем). Кристаллическую форму кварца схематически можно представить в виде решётки из правильных шестиугольников. Аморфная структура кварца также имеет вид решётки, но неправильной формы. Наряду с шестиугольниками в ней встречаются пяти и семиугольники.

В 1959 г. английский физик Д. Бернал провёл интересные опыты: он взял много маленьких пластилиновых шариков одинакового размера, обвалял их в меловой пудре и спрессовал в большой ком. В результате шарики деформировались в многогранники. Оказалось, что при этом образовывались преимущественно пятиугольные грани, а многогранники в среднем имели 13,3 грани. Так что какой-то порядок в аморфных веществах определённо есть.

К аморфным телам относятся стекло, смола, канифоль, сахарный леденец и др. В отличие от кристаллических веществ аморфные вещества изотропны, то есть их механические, оптические, электрические и другие свойства не зависят от направления. У аморфных тел нет фиксированной температуры плавления: плавление происходит в некотором температурном интервале. Переход аморфного вещества из твердого состояния в жидкое не сопровождается скачкообразным изменением свойств. Физическая модель аморфного состояния до сих пор не создана.

Аморфные тела занимают промежуточное положение между кристаллическими твёрдыми телами и жидкостями. Их атомы или молекулы располагаются в относительном порядке. Понимание структуры твёрдых тел (кристаллических и аморфных) позволяет создавать материалы с заданными свойствами.

При внешних воздействиях аморфные тела обнаруживают одновременно упругие свойства, подобно твёрдым телам, и текучесть, подобно жидкости. Так, при кратковременных воздействиях (ударах) они ведут себя как твёрдые тела и при сильном ударе раскалываются на куски. Но при очень продолжительном воздействии аморфные тела текут. Проследим за куском смолы, который лежит на гладкой поверхности. Постепенно смола по ней растекается, и, чем выше температура смолы, тем быстрее это происходит.

Аморфные тела при низких температурах по своим свойствам напоминают твёрдые тела. Текучестью они почти не обладают, но по мере повышения температуры постепенно размягчаются и их свойства всё более и более приближаются к свойствам жидкостей. Это происходит потому, что с ростом температуры постепенно учащаются перескоки атомов из одного положения в другое. Определённой температуры тел у аморфных тел, в отличие от кристаллических, нет.

При охлаждении жидкого вещества не всегда происходит его кристаллизация. при определенных условиях может образоваться неравновесное твердое аморфное (стеклообразное) состояние. В стеклообразном состоянии могут находиться простые вещества (углерод, фосфор мышьяк, сера, селен), оксиды (например, бора, кремния, фосфора), галогениды, халькогениды, многие органические полимеры.В этом состоянии вещество может быть устойчиво в течение длительного промежутка времени, например, возраст некоторых вулканических стекол исчисляется миллионами лет. Физические и химические свойства вещества в стеклообразном аморфном состоянии могут существенно отличаться от свойств кристаллического вещества. Например, стеклообразный диоксид германия химически более активен, чем кристаллический. Различия в свойствах жидкого и твердого аморфного состояния определятся характером теплового движения частиц: в аморфном состоянии частицы способны лишь к колебательным и вращательным движениям, но не могут перемещаться в толще вещества.

Под действием механических нагрузок или при изменении температуры аморфные тела могут закристаллизоваться. Реакционная способность веществ в аморфном состоянии значительно выше, чем в кристаллическом. Главный признак аморфного (от греческого "аморфос" - бесформенный) состояние вещества - отсутствие атомной или молекулярной решетки, то есть трехмерной периодичности структуры, характерной для кристаллического состояния.

Существуют вещества, которые в твердом виде могут находиться только в аморфном состоянии. Это относится к полимерам с нерегулярной последовательностью звеньев.

2. Аморфные металлические сплавы

Аморфные металлические сплавы (металлические стёкла) -- это металлические твёрдые вещества, в которых отсутствует дальний порядок в расположении атомов. Это придаёт им целый ряд существенных отличий от обычных кристаллических металлов.

Аморфные сплавы были впервые получены в 1960 г. П. Дувезом, однако их широкие исследования и промышленное использование начались спустя десятилетие -- после того, как в 1968 г. был изобретён метод спиннингования. В настоящее время известно несколько сотен аморфизирующихся систем сплавов, достаточно подробно изучены структура и свойства металлических стёкол, расширяется область их применения в промышленности.

2.1 Методы получения аморфных сплавов

Сверхвысокие скорости охлаждения жидкого металла для получения аморфной структуры можно реализовать различными способами. Общим в них является необходимость обеспечения скорости охлаждения не ниже 106 град/с. Известны методы катапультирования капли на холодную пластину, распыление струи газом или жидкостью, центрифугирование капли или струи, расплавление тонкой пленки поверхности металла лазером с быстрым отводом тепла массой основного металла, сверхбыстрое охлаждение из газовой среды и др. Использование этих методов позволяет получать ленту различной ширины и толщины, проволоку и порошки.

Наиболее эффективными способами промышленного производства аморфной ленты являются охлаждение струи жидкого металла на внешней (закалка на диске) или внутренней (центробежная закалка) поверхностях вращающихся барабанов или прокатку расплава между холодными валками, изготовленными из материалов с высокой теплопроводностью.

Рис.1. Методы получения тонкой ленты путем закалки из расплава: а) центробежная закалка; б) закалка на диске; в) прокатка расплава; г) центробежная закалка; д) планетарная закалка

На рис.1 приведены принципиальные схемы этих методов. Расплав, полученный в индукционной печи, выдавливается нейтральным газом из сопла и затвердевает при соприкосновении с поверхностью вращающегося охлаждаемого тела (холодильника). Различие состоит в том, что в методах центробежной закалки и закалки на диске расплав охлаждается только с одной стороны.

Основной проблемой является получение достаточной степени чистоты внешней поверхности, которая не соприкасается с холодильником. Метод прокатки расплава позволяет получить хорошее качество обеих поверхностей ленты, что особенно важно для аморфных лент, используемых для головок магнитной записи. Для каждого метода имеются свои ограничения по размерам лент, поскольку есть различия и в протекании процесса затвердевания, и в аппаратурном оформлении методов. Если при центробежной закалке ширина ленты составляет до 5 мм, то прокаткой получают ленты шириной 10 мм и более.

Метод закалки на диске, для которого требуется более простая аппаратура, позволяет в широких пределах изменять ширину ленты в зависимости от размеров плавильных тиглей. Данный метод позволяет изготавливать как узкие ленты шириной 0,1-0,2 мм, так и широкие -- до 100 мм, причем точность поддержания ширины может быть ± 3 мкм. Разрабатываются установки с максимальной вместимостью тигля до 50 кг.Во всех установках для закалки из жидкого состояния металл быстро затвердевает, растекаясь тонким слоем по поверхности вращающегося холодильника. При постоянстве состава сплава скорость охлаждения зависит от толщины расплава и характеристик холодильника. Толщина расплава на холодильнике определяется скоростью его вращения и скоростью истечения расплава, т. е. зависит от диаметра сопла и давления газа на расплав. Большое значение имеет правильный выбор угла подачи расплава на диск, позволяющий увеличить длительность контакта металла с холодильником. Скорость охлаждения зависит также от свойств самого расплава: теплопроводности, теплоемкости, вязкости, плотности.

Для получения тонкой аморфной проволоки используют разные методы вытягивания волокон из расплава.

Рис.2 Методы получения тонкой проволоки, закаленной из расплава: а) протягивание расплава через охлаждающую жидкость (экструзия расплава); б) вытягивание нити из вращающегося барабана; в) вытягивание расплава в стеклянном капилляре; 1 -- расплав; 2 -- охлаждающая жидкость; 3 -- стекло; 4 -- форсунка; 5 -- смотка проволоки

В первом методе (рис.2, а) расплавленный металл протягивается в трубке круглого сечения через водный раствор солей.

Во втором (рис.2, б) -- струя расплавленного металла падает в жидкость, удерживаемую центробежной силой на внутренней поверхности вращающегося барабана: затвердевшая нить сматывается затем из вращающейся жидкости. Известен метод, состоящий в получении аморфной проволоки путем максимально быстрого вытягивания расплава в стеклянном капилляре (рис.2, в).

Этот метод также называют методом Тейлора. Волокно получается при протягивании расплава одновременно со стеклянной трубкой, при этом диаметр волокна составляет 2-5 мкм. Главная трудность здесь состоит в отделении волокна от покрывающего его стекла, что, естественно, ограничивает составы сплавов, аморфизируемых данным методом.

2.2 Механические свойства

Первая особенность механических свойств аморфных сплавов, которую следует отметить, -- это их очень высокая прочность. Как известно, теоретическая прочность, то есть напряжение, необходимое для разрыва всех межатомных связей в плоскости разрушения, составляет 1~10E? (E -- модуль Юнга). Прочность реальных металлов на два-три порядка ниже -- лишь прочность нитевидных кристаллов (усов) приближается к теоретической.

Для аморфных сплавов также типичны близкие к теоретической прочности значения в0,040,05Еу?…. Это обусловлено, во-первых, более низкими по сравнению с кристаллами модулями упругости, а во-вторых, спецификой механизмов деформации и разрушения. Коэффициент Пуассона аморфных сплавов обычно близок к 0,4 -- это промежуточное значение между кристаллическими металлами (0,3) и жидкостью (0,5). Довольно неожиданным свойством аморфных сплавов является их способность к пластическому течению. В кристаллах, как известно, пластическое поведение обеспечивается движением дислокаций. Но в теле без трансляционной симметрии дислокации в классическом понимании невозможны, и следовало бы ожидать, что аморфные вещества будут абсолютно хрупкими. Неорганические стёкла ведут себя именно так, однако в аморфных металлах пластическая деформация всё-таки происходит.

Способность к деформации связана, как и для кристаллов, с коллективизированным ненаправленным характером металлической связи. При этом удаётся реализовать ту высокую прочность, которая заложена в аморфных телах при условии подавления хрупкого разрушения при напряжениях меньше предела текучести. Пластическая деформация аморфных сплавов может быть гомогенной, когда деформируется каждый элемент объёма и образец испытывает однородную деформацию, и негомогенной, когда пластическое течение локализуется в тонких полосах сдвига.

Гомогенная деформация происходит при высоких температурах (близких к температуре кристаллизации) и низких напряжениях (0,01Gф<, где G -- модуль сдвига). При этом скорость деформации пропорциональна приложенному напряжению. Вязкость з по мере развития деформации непрерывно растёт, и с повышением температуры этот рост ускоряется по аррениусовскому закону. Степень пластической деформации при гомогенном течении практически неограничена, и при правильно подобранных условиях можно добиться эффекта сверхпластичности с деформацией в сотни процентов. По-видимому, гомогенная деформация происходит за счёт непрерывной релаксации структуры, хотя она может протекать и после предварительного отжига при более высокой температуре.

В результате после гомогенной деформации сплавы обычно резко охрупчиваются. Негомогенное пластическое течение происходит при низких температурах и высоких напряжениях (кр0,8TT<0,02Gф>). Оно мало чувствительно к скорости нагружения и практически не сопровождается деформационным упрочнением. В отличие от гомогенной деформации, негомогенная вызывает уменьшение степени порядка в аморфной структуре. При негомогенной деформации течение сосредоточено в полосах сдвига, число которых определяет пластичность сплава. Пластичность сильно меняется в зависимости от схемы нагружения. При растяжении она обычно невелика -- разрушение происходит после деформации в 1…2 %, в то время как при прокатке можно достигнуть деформаций в 50…60 %, а при изгибе радиус может быть сопоставим с толщиной ленты (30…40 мкм).

Разрушение аморфных сплавов, как и обычных кристаллических, может быть хрупким и вязким. Хрупкое разрушение происходит сколом без внешних следов макроскопического течения и по плоскостям, перпендикулярным оси растяжения. Вязкое разрушение происходит после или одновременно с пластической деформацией. Оно развивается по плоскостям, где действуют максимальные касательные напряжения. Характерной особенностью вязкого разрушения аморфных сплавов является наличие на поверхности разрушения двух зон: почти гладких участков скола и участков, в которых наблюдается система переплетающихся "вен" -- следов выхода областей сильно локализованного пластического течения толщиной ~0,1 мкм.

2.3 Физические свойства

В первую очередь следует остановиться на магнитных свойствах аморфных сплавов. В аморфном состоянии, несмотря на неупорядоченное расположение атомов, может возникать упорядоченное расположение магнитных моментов. Поэтому многие аморфные сплавы на основе железа, кобальта, никеля, а также некоторых редкоземельных металлов ферромагнитны. Их поведение качественно похоже на поведение кристаллических ферромагнетиков: в них возникают магнитные домены, при перемагничивании имеется петля гистерезиса, существует точка Кюри, выше которой спонтанная намагниченность исчезает, и т.д. В аморфных сплавах отсутствуют такие барьеры для движения доменных стенок при перемагничивании, как дислокации или границы зёрен, однако в роли барьеров могут выступать локальные неоднородности, магнитострикция от внутренних напряжений и т.п. Отжиг ниже температуры кристаллизации, приводящий к релаксации аморфной структуры и уменьшению внутренних напряжений, обычно уменьшает коэрцитивную силу. Однако в некоторых случаях он, наоборот, может привести к расширению петли гистерезиса из-за стабилизации границ доменов.

Электрическое сопротивление аморфных сплавов существенно выше, чем кристаллических, из-за отсутствия дальнего порядка. Кроме того, их электросопротивление слабо меняется с температурой. Существуют и аморфные сверхпроводники.

2.4 Применение аморфных сплавов

1. Порядка 80 % промышленных аморфных сплавов производятся ради их магнитных свойств. Они применяются в качестве магнитомягких материалов, сочетающих изотропность свойств, высокую магнитную проницаемость, высокую индукцию насыщения, малую коэрцитивную силу. Их применяют для изготовления магнитных экранов, магнитных фильтров и сепараторов, датчиков, записывающих головок и т.п. Сердечники трансформаторов, изготовленные из аморфных сплавов, характеризуются весьма малыми потерями на перемагничивание благодаря узкой петле гистерезиса, а также высокому электросопротивлению и малой толщине, что уменьшает потери, связанные с вихревыми токами.

Хотя аморфные материалы химически более активны, чем кристаллические, но при наличии в них хрома и других элементов, способствующих формированию пассивирующей плёнки, они могут обладать исключительно высокой коррозионной стойкостью и использоваться в агрессивных средах; например, сплав Fe45Cr25Mo10P13C7 по стойкости превосходит даже тантал. Аморфные сплавы применяются и как высокопрочные (например, в качестве компонента композиционных материалов и даже корда автомобильных шин). Некоторые аморфные сплавы проявляют инварные и элинварные свойства (то есть имеют близкий к нулю коэффициент термического расширения или слабо зависящие от температуры модули упругости) и могут применяться в прецизионных приборах. Наконец, аморфные сплавы используются для получения нанокристаллических материалов. Применение аморфных сплавов сдерживают как технологические ограничения (малая толщина получаемых полуфабрикатов, полная несвариваемость), так и малая стабильность свойств -- их структура и свойства существенно изменяются не только при нагревах, но и за время работы при комнатной температуре.

В Челябинской области имеется предприятие, производящее аморфные металлические сплавы в промышленных масштабах -- это ОАО "Ашинский металлургический завод". Первые работы по получению аморфных сплавов были начаты на нём в 1984 г., а цех по производству аморфной ленты (ЭСПЦ-1) построен в 1989 г.

Аморфная лента производится на агрегатах "Урал-100" методом литья плоской струи жидкого металла на поверхность вращающегося охлаждаемого барабана диаметром около 1000 мм и шириной 200 мм (см. рис. 1, а). Получаемая лен-та имеет ширину от 3 до 80 мм и толщину 20…30 мкм. Выпускаются магнитомягкие аморфные сплавы на основе железа 2НСР, 9КСР, 30КСР и кобальта 71КНСР, 86КГСР, 82К3ХСР, 84КХСР, а также нанокристаллический сплав типа "файнмет" 5БДСР. (Обозначения элементов в марках сплавов такие же, как у легированных 17 сталей.) Сплавы поставляются потребителям как в виде ленты, смотанной в рулоны, так и в виде готовых изделий -- магнитопроводов. Помимо витых магнитопроводов, из аморфной ленты могут изготавливаться магнитные экраны, сердечники магнитных датчиков и трансформаторов, резистивные элементы и др.

Лента поставляется без термической обработки, однако готовые изделия из большинства сплавов требуют обязательной термомагнитной обработки (реже -- термической обработки без магнитного поля) при 400…460 °C в течение 10…60 мин. Термомагнитная обработка сплава 5БДСР, сопровождающаяся нанокристаллизацией, производится при 520…550 °C. Без термообработки применяется только сплав 71КНСР для магнитных экранов. Для каждой партии ленты контролируется не только химический состав, но и целый набор магнитных характеристик после термической (термомагнитной) обработки.

Аморфные элинвары используют для изготовления сейсмодатчиков, мембран манометров, датчиков скорости, ускорения и крутящего момента; пружин часовых механизмов, весов, индикаторов часового типа и других прецизионных пружинных устройств. В ФРГ разработан сплав марки Vitrovac-0080, содержащий 78 % никеля, бор и кремний. Сплав имеет прочность при растяжении = 2000 МПа, модуль Юнга 1,5*105 МПа, плотность 8 г/см3, электросопротивление 0,9 Ом*мм2/м, предел выносливости при изгибе около 800 МПа на базе 107 циклов. Сплав рекомендуется для изготовления пружин, мембран и контактов.

Аморфные материалы используют для армирования трубок высокого давления, изготовления металлокорда шин и др. В перспективе возможно применение аморфных сплавов для изготовления маховиков. Такие маховики могут использоваться для аккумулирования энергии и покрытия пиковых нагрузок на электростанциях, для улучшения рабочих характеристик автомобилей и т. д.

АМС на основе железа применяются как материалы для сердечников высокочастотных трансформаторов различного назначения, дросселей, магнитных усилителей. Это обусловлено низкими суммарными потерями, которые в лучших АМС данного класса оказываются на порядок ниже, чем у кремнистых электротехнических сталей.

Сплавы Fe - Si - В с высоким магнитным насыщением были предложены для замены обычного кристаллического сплава Fe - Si в сердечниках трансформаторов, а также сплавов Ni - Fe с высокой магнитной проницаемостью. Отсутствие магнитокристаллической анизотропии в сочетании с довольно высоким электросопротивлением снижает потери на вихревые токи, в особенности на высоких частотах. Потери в сердечниках из разработанного в Японии аморфного сплава Fe81B13Si4C2 составляют 0,06 Вт/кг, т. е. примерно в двадцать раз ниже, чем потери в текстурованных листах трансформаторной стали. Экономия за счет снижения гистерезисных потерь энергии при использовании сплава Fe83B15Si2вместо трансформаторных сталей составит только в США 300 млн. долл/год. Эта область применения металлических стекол имеет широкую перспективу.

Помимо чрезвычайно высокой начальной магнитной проницаемости, особенно на высоких частотах (10 кГц), а также нулевой магнитострикции металлические стекла на основе кобальта имеют высокую твердость и хорошие коррозионные характеристики, поэтому они находят применение в качестве материалов для магнитных записывающих головок. Высокие характеристики и широкое применение нашел разработанный в Японии сплав Fe5Co70Si10B15. Методом закалки в валках производят ленту толщиной 50 мкм и шириной 15 мм с прекрасным качеством обеих поверхностей (шероховатость ± 3 мкм). Вследствие высокой плотности магнитного потока и высокой износостойкости записывающие головки, изготовленные из такой ленты, имеют лучшие общие характеристики, чем ферритные головки, а также головки из пермаллоев. Эти материалы находят применение в звуко-, видео-, компьютерном и другом записывающем оборудовании.

Ленты из аморфных кобальтовых сплавов применяют в сердечниках малогабаритных высокочастотных трансформаторов различного назначения, в частности для источников вторичного питания и магнитных усилителей. Их используют в детекторах утечки тока, системах телекоммуникаций и в качестве датчиков (в том числе типа феррозондовых), для магнитных экранов и температурночувствительных датчиков, а также высокочувствительных магнитных преобразователей. Высокая прочность в сочетании с коррозионной стойкостью позволяют использовать аморфные сплавы для изготовления кабелей, работающих в контакте с морской водой, а также изделий, условия эксплуатации которых связаны с воздействием агрессивных сред.

Сочетание высокой прочности, коррозионной стойкости и износостойкости, а также магнитомягких свойств обуславливает возможность и других областей применения. Например, возможно использование таких стекол в качестве индукторов в устройствах магнитной сепарации. Изделия, сплетенные из ленты, использовали в качестве магнитных экранов. Преимущество этих материалов в том, что их можно разрезать и изгибать для получения необходимой формы, не снижая при этом их магнитных характеристик.

Поскольку стекла представляют собой сильно переохлажденную жидкость, их кристаллизация при нагреве обычно происходит с сильным зародышеобразованием, что позволяет получать однородный чрезвычайно мелкозернистый металл. Такая кристаллическая фаза не может быть получена обычными методами обработки. Это открывает возможность получения специальных припоев в виде тонкой ленты. Такая лента легко изгибается, ее можно резать и подвергать штамповке для получения оптимальной конфигурации. Весьма важным для пайки является то, что лента гомогенна по составу и обеспечивает надежный контакт во всех точках изделий, подвергаемых пайке. Припои имеют высокую коррозионную стойкость. Они используются в авиационной и космической технике.

В перспективе возможно получение сверхпроводящих кабелей путем кристаллизации исходной аморфной фазы.

Известно также применение аморфных сплавов в качестве катализаторов химических реакций. Например, аморфный сплав Pd - Rh оказался катализатором для реакции разложения NaCl на NaOH и С12, а сплавы на основе железа обеспечивают больший выход (около 80 %) по сравнению с порошком железа (около 15 %) в реакции синтеза

4Н2 + 2СО = С2Н4 + 2Н2О - (12.1)

Аморфные металлы часто называют материалами будущего, что обусловлено уникальностью их свойств, не встречающихся у обычных кристаллических металлов. Сведения об основных областях применения аморфных металлических материалов содержатся в таблице 12.4.

Широкому распространению аморфных металлов препятствуют высокая себестоимость, сравнительно низкая термическая устойчивость, а также малые размеры получаемых лент, проволоки, гранул. Кроме того, применение аморфных сплавов в конструкциях ограничено из-за их низкой свариваемости.

3. Аморфные и стеклообразные полупроводниковые материалы

Аморфные и стеклообразные вещества, проявляющие полупроводниковые свойства. Характеризуются наличием ближнего порядка и отсутствием дальнего порядка. Для стеклообразного полупроводникового материала, который можно рассматривать как особый вид аморфного вещества, характерным является наличие пространственной решетки, в которой кроме ковалентно связанных атомов имеются полярные группировки ионов. В таких материалах связь между группами атомов и ионов осуществляется за счет короткодействующих ковалентных ван-дер-ваальсовых сил. Неорганические стеклообразные полупроводники обладают электронной проводимостью.

В отличие от кристаллических полупроводников у стеклообразных полупроводников отсутствует примесная проводимость. Примеси в стеклообразных полупроводниках влияют на отклонение от стехиометрии, и тем самым изменяют их электрофизические свойства. Эти полупроводники окрашены и непрозрачны в толстых слоях. Стеклообразные полупроводниковые материалы характеризуются разориентированностью структуры и ненасыщенными химическими связями.

Аморфные и стеклообразные полупроводники по составу и структуре подразделяются на оксидные, халькогенидные, органические, тетраэдрические.

Оксидные кислородсодержащие стекла получают сплавлением оксидов металлов с переменной валентностью, например, V2O5-P2O5-ZnO. Оксиды металлов, образующие эти стекла, имеют одновременно не менее двух разновалентных состояний одного и того же элемента, что и обусловливает их электронную проводимость. Бескислородные халькогенидные стекла получают путем сплавления халькогенов (S, Se, Te) с элементами III, IV, V групп периодической системы. Халькогенидные стеклообразные полупроводники получают в основном либо охлаждением расплава, либо испарением в вакууме. Типичные представители --сульфид и селенид мышьяка. К ним относятся также двух- и многокомпонентные стеклообразные сплавы халькогенидов (сульфидов, селенидов и теллуридов) различных металлов (например, Ge-S, Ge- Se, As- S, As- Se, Ge- S P, Ge-As- Se, As-S-Se, As-Ge-Se-Те, As-Sb-S-Se, Ge-S-Se, Ge-Pb-S). Халькогенидные стекла обладают высокой прозрачностью в ИК-области спектра от 1 до 18 мкм. Аморфные пленки сложных халькогенидных соединений обладают большими возможностями вариации их физико-химических свойств.

Аморфные пленки Si, Ge, GaAs и других полупроводниковых веществ по своим свойствам не представляют практического интереса. Отсутствие в этих полупроводниках дальнего порядка и наличие большого количества дефектов типа микропор приводит к наличию у многих атомов ненасыщенных болтающихся связей. Следствием этого является высокая плотность локализованных состояний (1020см-3) в запрещенной зоне. В связи со спецификой процесса электропроводности в аморфных полупроводниках управлять электрическими свойствами таких материалов практически невозможно.

Введение водорода в аморфные пленки кремния существенным способом изменяет его электрофизические свойства. Растворяясь в аморфном кремнии, водород замыкает на себе болтающиеся связи (насыщает их), в результат в таком "гидрированном" материале, названном Si:H, резко снижается плотность состояний в запрещенной зоне (до 1016-1017см-3). Такой материал можно легировать традиционными донорными (P, As) и акцепторными (В) примесями, придавая ему электронный или дырочный тип проводимости, создавать в нем p-n-переходы. На основе кремния синтезирован ряд гидрированных аморфных полупроводников, обладающих интересными электрическими и оптическими свойствами Si1-xCx:H, Si1-xGex:H, Si1-xNx:H, Si1-xSnx:H.

Практическое применение аморфных и стеклообразных полупроводников разнообразно. Аморфный кремний выступил в качестве более дешевой альтернативы монокристаллическому, например, при изготовлении на его основе солнечных элементов. Оптическое поглощение аморфного кремния в 20 раз выше, чем кристаллического. Поэтому для существенного поглощения видимого света достаточно пленки -Si:Н толщиной 0,5-1,0 мкм вместо дорогостоящих кремниевых 300-мкм подложек. По сравнению с поликристаллическими кремниевыми элементами изделия на основе -Si:Н производят при более низких температурах (300 °С).

Гидрированный кремний является прекрасным материалом для создания светочувствительных элементов в ксерографии, датчиков первичного изображения (сенсоров), мишеней видеконов для передающих телевизионных трубок. Оптические датчики из гидрированного аморфного кремния используются для записи в памяти видеоинформации, для целей дефектоскопии в текстильной и металлургической промышленности, в устройствах автоматической экспозиции и регулирования яркости.

Стеклообразные полупроводники являются фотопроводящими полуизоляторами и используются в электрофотографии, системах записи информации и ряде других областей. Благодаря прозрачности в длинноволновой области спектра халькогенидные стеклообразные полупроводники применяются в оптическом приборостроении и т. д.

4. Общие методы получение аморфных материалов

Общие методы получение аморфных материалов можно изобразить в виде рисунка.

аморфный металлический кристаллический физический

Заключение

Двойственная натура аморфных материалов высоко ценится с промышленной точки зрения. Экспериментальная и теоретическая работа над аморфными телами позволила лучше понять парадоксальную природу твёрдой структуры этих материалов. Так же почему возник интерес к аморфным металлическим сплавам? Прежде всего потому, что металлические сплавы с ближним порядком расположения атомов и по сей день являются очень интересными объектами физики конденсированных сред.

В последние годы получены важные результаты при изучении механических, электрических и магнитных свойств аморфных металлических материалов. Однако полное завершение исследований по аморфным структурам еще впереди. Требует своего однозначного решения вопрос о структуре ближнего порядка в соответствии с реальной действительностью. А ведь на очереди аморфные структуры, в которых отсутствует даже ближний порядок. Так что изучение полезных свойств аморфных материалов продолжается по сей день.

Список использованной литературы

1. А.Вест Химия твердого тела, ч.2, М.: Мир, 1988

2. Золотухин И.В. Физические свойства аморфных металлических материалов. М.: Металлургия, 1986. 176 с.

3. Б.В.Некрасов, Основы общей химии, М.:Химия, 1973.

4. Фельц А. Аморфные и стеклообразные неорганические твердые тела / А. Фельц. - М.: Мир, 1986. - 556 с.

5. Хенней Н. Химия твердого тела / Н. Хенней. - М.: Мир, 1971. -223 с.

6. Аморфные металлические сплавы / В.В. Немошкаленко и др. / отв. ред. В.В. Немошкаленко. -- Киев: Наукова думка, 1987. -- 248 с.

7. Судзуки, К. Аморфные металлы / К. Судзуки, Х. Фудзимори, К. Хасимото; под ред. Ц. Масумото. -- М.: Металлургия, 1987. -- 328 с.

8. Рябов, А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: учеб-ное пособие / А.В. Рябов, И.В. Чуманов, М.В. Шишимиров. -- Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. -- 188 с.

9. Сайт ОАО "Ашинский металлургический завод": http://www.amet.ru.

10. Сайт "Википедия" : http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.

презентация , добавлен 10.11.2010

Многообразие свойств полиуретанов (ПУ). Варьирование полиольного и изоцианатного компонентов. Сырье для получения полиуретанов: изоцианаты и полиатомные спирты. Способы синтеза ПУ лакокрасочных материалов и полупродуктов. Современные методы модификации.

реферат , добавлен 30.03.2009

Газообразные, конденсированные, жидкие и аморфные фазы веществ. Описание строения кристаллических фаз. Пределы устойчивости кристаллических структур. Дефекты твёрдого тела. Взаимодействие точечных дефектов. Способы получения некристаллических твердых фаз.

контрольная работа , добавлен 20.08.2015

Общая характеристика нанокомпозитных материалов: анализ метафизических свойств, основные сферы применения. Рассмотрение особенностей метаматериалов, способы создания. Знакомство с физическими, электронными и фотофизическими свойствами наночастиц.

реферат , добавлен 27.09.2013

История создания и анализ физико-химических свойств бутилкаучука - важного материала, который используется для изготовления различных резиновых и других материалов в автомобильной, химической промышленности. Технология получения бутилкаучука в суспензии.

реферат , добавлен 21.10.2010

Распространенные способы физического модифицирования полимеров с целью придания им специфических свойств. Термогравиметрический анализ магнитопластов. Сравнительные характеристики материалов на основе каолина. Свойства теплоизоляционных материалов.

статья , добавлен 26.07.2009

Исследование физических и химических свойств металлов, особенностей их взаимодействия с простыми и сложными веществами. Роль металлов в жизни человека и общества. Распространение элементов в природе. Закономерность изменения свойств металлов в группе.

презентация , добавлен 08.02.2013

Исследование физических и механических свойств смесей полимеров. Изучение основных способов формования резиновых смесей. Смешение полимерных материалов в расплаве и в растворе. Оборудование для изготовления смесей полимеров. Оценка качества смешения.

реферат , добавлен 20.12.2015

Структурная особенность полиолефинов. Сравнительная химическая стойкость полиолефинов в различных агрессивных середах. Изучение химических, физических, термических, механических, электрических свойств полиолефинов. Характеристика и структура полибутилена.

курсовая работа , добавлен 14.01.2012

Сущность и общая классификация горюче-смазочных материалов. Характеристика топлива, масел. Оценка свойств и сфера применения пластичных смазок. Оптимальные условия хранения различных видов ГСМ. Разработка и применение новых технологий в их производстве.

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Большинство окружающих человека веществ является твердыми. Люди обитают на поверхности твердого тела - земного шара, живут в домах, построенных из твердых веществ. Тело человека, хотя и содержит около 65% воды, но тоже является твердым. Заглянем в наш дом: многие предметы быта, мебель, бытовая техника тоже сделаны из твердых веществ. Свойства многих твердых веществ мне, ученику 6 класса, уже известны. Так из курса географии я много узнал о минералах и горных породах, на занятиях интеллектуального школьного клуба «ВекТОР» познакомился с такими твердыми веществами как металлы. Пользуясь энциклопедий, выяснил, что все твердые вещества делятся на кристаллические и аморфные. Кристаллическим веществам, как я узнал из сети Интернет, уделяется большое внимание в курсе физики и химии, о них много написано, много известно. А вот об аморфных веществах я, ученик 6 класса, знаю немного. Идея создания данной работы появилась у меня недавно, а именно при просмотре видеоопытов блока «Многообразие веществ» в сети Интернет. Летом, на каникулах, по одному из телевизионных каналов я увидел очередной выпуск детской научной телепередачи «Галилео». Серия телепередачи была посвящена аморфным веществам, а именно, изучению свойств так называемого «умного» пластилина или, как его ещё называют, «Хендгама».У меня появилось огромное желание как можно больше узнать об этих удивительных аморфных веществах, а также самому изготовить в домашних условиях «Хендгам», провести с ним небольшие эксперименты.

Цель работы: используя различные источники информации, собрать полные сведения об аморфных веществах, изучить их свойства, строение и получить в домашних условиях аморфное вещество - «умный» пластилин.

Задачи:

Выяснить, что представляют собой аморфные вещества;

Рассмотреть их внешнее и внутреннее строение, физические свойства;

Найти информацию о природных источниках, о применении и использовании аморфных веществ;

В условиях домашнего эксперимента получить аморфное вещество - «Хендгам»;

Провести с полученным аморфным веществом серию опытов.

Работу по сбору «портфолио» на аморфные вещества начал с изучения литературы:

Толковый словарь русского языка Д.Н. Ушакова.

Толковый словарь русского языка С.И. Ожегова, Н.Ю. Шведовой.

Новый толково-словообразовательный словарь русского языка Т.Ф. Ефремовой.

Научно-популярные книги.

Привлекал Интернет-ресурсы при сборе материала.

Основная часть

Глава 1. Этимология слова «Аморфный»

Первый лист моего «Портфолио» на аморфное вещество включал толкование самого понятия. Заглянув в словари и энциклопедии, выяснил, что означает слово «аморфный»:

Толковый словарь русского языка Д.Н. Ушакова:

«Аморфный» (от греч. amorphos «аморфоз» - бесформенный). Не имеющий правильного кристаллического строения.

Толковый словарь русского языка. С.И. Ожегова, Н.Ю. Шведовой:

1. Не имеющий кристаллического строения.

2. Бесформенно-расплывчатый.

Новый толково-словообразовательный словарь русского языка Т. Ф. Ефремовой:

1. Не имеющий кристаллического строения (о твердом теле).

2. Лишенный четкости и определенности; расплывчатый.

Энциклопедический словарь, 1998 г.: «Аморфное состояние» - этоконденсированное состояние вещества, характеризующееся изотропией физических свойств, обусловленной неупорядоченным расположением атомов и молекул.

Работая с ресурсами Интернета, нашел примеры употребления слова «аморфный» и в художественной литературе:

Сергей Лукьяненко, роман «Спектр или Каждый охотник желает знать»:

« Пусть между зданиями будут неспешно прогуливаться - не то идти, не то течь - аморфные амебы, превосходящие размерами человека».

Роберт Силверберг, роман «Провидец»:

«Моя собственная работа была аморфной, мимолётной: я был тайным советником, создателем предчувствий, аварийщиком, тенью за троном мэра».

Геннадий Мельников, роман «В страну Восточную придя…»: «Канцлер Гогенлоэ нерешителен, аморфен, пассивен, я достаточно хорошо это знаю по совместной службе в парижском посольстве».

Во всех этих примерах слово «аморфный» употребляется в переносном смысле. Так говорят о человеке, то есть «аморфный» - значит пассивный, вялый, безразличный.

Глава 2. Строение аморфных веществ

Можно ли отнести найденные мною характеристики из художественной литературы к самим аморфным веществам? Как должны выглядеть эти вещества снаружи (т.е. их внешний вид) и изнутри (т.е. их внутреннее строение)?

Я стал искать видео- и фотоматериалы, где запечатлены аморфные вещества. Оказалось, что их много в природе: смола, янтарь, жемчуг, каучук, пемза. Аморфные вещества встречаются в быту: парафин (свечи), стекло, поливинилхлорид (наши любимые пластиковые окна), канифоль (для пайки), пластилин (для лепки). В пищевой промышленности: шоколад, жевательная

резинка, мёд, мармелад, зефир, пищевой пластилин (марципан). В медицине - силикон, гели, вазелин.

Увидел, что амфотерные вещества могут быть разными по цвету, консистенции, они представляют собой нечто бесформенное.

А как выглядят аморфные вещества изнутри? Прочитав соответствующие книги и внимательно изучив иллюстрации, посмотрев Интернет-ресурсы, выяснил следующее: частицы, из которых состоят аморфные вещества, располагаются совершенно беспорядочно и находятся на близком расстоянии друг к другу:

Сравнил с расположением частиц в кристаллических твердых веществах, увидел, что в кристаллах частицы расположены упорядоченно, образуя некий каркас - кристаллическую решетку:

Действительно, во внутренней структуре аморфных веществ царит «хаос».

Такое беспорядочное расположение частиц не может не наложить отпечаток на физические свойства аморфных веществ.

Глава 3. Физические свойства аморфных веществ

У аморфных веществ имеются следующие физические свойства:

Не имеют постоянной температуры плавления (при нагревании размягчаются).

В качестве доказательства приводится опыт с шоколадом. Плитка шоколада, находящаяся в теплой руке человека через 5 минут размягчается.

Обладают текучестью (при более длительном воздействии температуры превращаются в текущую массу).

В качестве доказательства можно привести пример видеоопыта, взятого из коллекции ЦОРов: изменение формы стеклянной трубочки при нагревании её над пламенем газовой горелки.

Самопроизвольно переходят в кристаллическое состояние.

В качестве доказательства приводится опыт с застывающей карамельной массой.

Изотропны, то есть проявляют одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Из выше изложенного материала можно сделать вывод: аморфное состояние вещества не подразумевает поддержания какой-либо определенной температуры (при низких показателях тела застывают, при высоких - плавятся).

Глава 4. Экспериментальные находки

Чем больше я узнавал об аморфных веществах, тем сильнее становилось желание самому их получить, тем более, ресурсы Интернета предоставляют массу способов получения аморфных веществ в домашних условиях.

Готовим «умный» пластилин или «Хендгам» (Приложение №1).

«Хендгам» в переводе означает «Жвачка для рук». Сегодня он является одной из самых популярных игрушек не только для детей, но и для взрослых. Он обладает множеством свойств. Handgum — наиудивительнейший полимер! Приготовить его просто. Чтобы сделать «умный» пластилин необходимо взять следующие ингредиенты:

Клей ПВА;

Натрий тетраборат (его можно купить в аптеке, стоит недорого);

Пищевой краситель, гуашь, зеленка (что-либо одно из перечня);

Пластиковую ёмкость (для смешивания инградиентов);

Целлофановый пакет;

Перчатки для рук;

Деревянную палочку, либо карандаш

Шаг первый. В ёмкость выдавливаем клей ПВА:

Шаг второй. Добавляем краситель. Все смешиваем тщательно деревянной палочкой:

Шаг третий. Появился однородный цвет, в массу выливаем натрия тетраборат:

Шаг четвертый. Смесь снова перемешиваем до тех пор, пока она не загустеет:

Шаг пятый. Готовый «Хендгам» помещаем в целлофановый пакет, разминаем его, чтобы он стал эластичным и мягким:

Мои наблюдения: «Умный» пластилин твердый и жидкий, одновременно. В длительных промежутках времени он ведет себя подобно жидкости, он медленно стекает, капает и старается растечься в лужу. К примеру, если сделать шарик и положить на стол, то уже через пару минут этот шарик станет лужицей. При более быстром воздействии он поведет себя как твердое тело — как резиновый шарик, который кинули об пол, он подпрыгнет. Также его можно разорвать резким движением или даже забить им гвоздь!

Глава 5. Преимущества домашнего «Хендгама»

Проделав домашний эксперимент и получив «умный» пластилин, я решил выявить его преимущества, сравнив со свойствами обычной жевательной резинки.

На ощупь мой «Хендгам» напоминает жевательную резинку, но не липнет к рукам и другим вещам, поэтому после него не нужно будет делать уборку.

«Хендгам» не оставляет липких пятен, поэтому его можно бросать об стену и на пол (это любят делать все дети).

«Хендгам» совершенно нетоксичен, он не имеет запаха и вкуса.

Эта игрушка может менять свой цвет и свойства при изменении температуры.

Если сделать из него какую-нибудь фигурку, оставить её ненадолго, то через некоторое время она просто растечётся по горизонтальной поверхности стола.

Благодаря силиконовой основе «умный» пластилин не оставляет неприятных ощущений на руках. Его можно рвать на кусочки.

В интернете нашёл такой факт: целых пять лет «умный» пластилин может храниться в упаковке, не теряя своих свойств.

«Хендгам» горит, тонет в воде.

Не следует держать «Хендгам» в холодильнике, так как он испортится

Внимание! «Хендгам» нельзя употреблять в пищу и наклеивать на волосы и другие части тела, которые уязвимы.

Заключение

Меня, как юного исследователя, интересовала не столько развлекательная, сколько практическая и развивающая значимость моего домашнего «Хендгама». Я пришёл к выводу, что «умный» пластилин способствует развитию моего творческого мышления, мелкой моторики рук, почерка и даже речи, ведь когда своим одноклассникам и друзьям я объясняю алгоритм приготовления «умного» пластилина, то оперирую научными и химическими терминами. Ещё один немаловажный психологический факт: «Хендгам» снимает усталость, повышает настроение, дарит покой и гармонию. Такой необычный подарок обязательно оценят и взрослые, и дети. Только не нужно, на мой взгляд, давать его детям до трёх лет, а если кто-то из маленьких ребятишек будет его использовать, то только под строгим присмотром родителей!

Хочется отметить финансовую сторону вопроса, и опять вскрывается преимущество моего домашнего «умного» пластилина: «Хендгам» магазинный стоит порядка двухсот рублей, а самодельный обошёлся мне в пятьдесят два рубля (25 руб. ушло на клей ПВА; 12 руб. - на натрия тетраборат; 15 руб. - на краситель). Чувствуете разницу: дешевле в 4 раза! Какая экономия средств для родителей!

Считаю, что тема моей исследовательской работы достаточно актуальна. Актуальность обусловлена тем, что современная жизнь человека без аморфных веществ была бы немыслима. Ведь они широко используются и в быту, и в науке, и в технике и других областях. Ни одна отрасль промышленности не обходится без пластмасс, смол, каучуков и резины на их основе. Трудно представить современный автомобиль, из которого

убраны все детали, изготовленные из полимеров. Такой автомобиль представляет металлический не окрашенный каркас, в котором половина оборудования отсутствует, нет шин, аккумулятора, такой автомобиль, конечно же, не поедет. Повседневная жизнь также немыслима без изделий из аморфных полимеров: от полиэтиленовой пленки до посуды. Жевательная резинка, мармелад, шоколад - любимое лакомство всех - и детей и взрослых. А если возьмём производство лекарств, медицинских трансплантатов, то тут уж точно не обойтись без аморфных полимерных материалов.

Я пришел к выводу: изготовление домашнего и «умного» пластилина - процесс очень интересный и занимательный. Хендгам - это не только забавная «игрушка» для ребят, но и объект научного исследования, позволяющий рассмотреть важнейшие свойства аморфных веществ и на их основе использовать в различных областях науки, в практике, в повседневной жизни человека.

Своей работой остался доволен. Уверен, что найденный мною материал и озвученный алгоритм пригодятся не только ребятам, но и педагогам школы, так как тема «Вещества и их классификация» изучается и на уроках окружающего мира в начальной школе, и на уроках физики, химии, биологии в основной и старшей школах.

Учащиеся моей школы могут также посмотреть целую коллекцию аморфных веществ под названием «Удивительные аморфные вещества», которую я передал моему учителю, куратору данной исследовательской работы, для дальнейшей учебной работы по изучению веществ на факультативных, кружковых занятиях естественно-научной направленности.

С учителем вместе разместим инструкцию-алгоритм по изготовлению домашнего «Хендгама» (Приложение №1) на сайте нашей

школы, так как сайт образовательной организации посещается родителями, учениками, педагогами, а также людьми, неравнодушными к «школьной жизни», богатой открытиями и достижениями.

Список литературы

Кобеко П.П. Аморфные вещества. Москва. 1952. - 433 с.

Марон А.Е., Марон Е.А. Физика. 8 класс. Дидактические материалы к учебнику А.В. Перышкина. - М.: Дрофа, 2016. - 128 с.

Росин И.В., Томина Л.Д. Общая и неорганическая химия (комплект из 2 книг). - М.: Юрайт, 2012. - 1816 с.

Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. - М.: Альян, 2009. - 464 с.

Физика твердого тела. Лабораторный практикум. Том II. Физические свойства. - М.: Высшая школа, 2001. - 484 с.

Интернет-источники

https://ru.wikipedia.org/wiki/

http://physiclib.ru/books/

www.WorldOfMaterials.ru

http://dic.academic.ru

http://school-collection.edu.ru/

Приложение №1

Алгоритм приготовления домашнего «Хендгама»

В пластиковую ёмкость вылить клей ПВА.

Размешать с помощью деревянной палочки клей ПВА до однородной массы, чтобы избежать сгустков и камков.

По каплям аккуратно добавить любой краситель.

Тщательно перемешать данные ингредиенты до получения ровного цвета аморфной массы.

Добавить к полученной однородной массе натрия тетраборат.

Тщательно размешивать смесь, пока не загустеет.

Поместить смесь в целлофановый пакет, немного размяв её, чтобы она стала эластичной, мягкой.