МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Т.А. Хабас, В.И. Верещагин ФИЗИКА И ХИМИЯ ТВЕРДЫХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ И СИЛИКАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ Рекомендовано в качестве учебного пособия Редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Издательство Томского политехнического университета 2013 1 УДК 661.6+666(070.5) ББК 35.417+34.338я78 Х12 Хабас Т.А. <...> Х14 Физика и химия твердых неметаллических и силикатных материалов: учебное пособие / Т.А. Хабас, В.И. Верещагин; Томский политехнический университет. <...> В пособии изложены общие вопросы физической химии твердых кристаллических веществ, строения оксидов, основы исследования структур кристаллов методом рентгенофазового анализа. <...> На конкретных примерах рассмотрены вопросы синтеза в оксидных системах и регулирования их свойств в присутствии микродобавок. <...> Прецизионное измерение параметров элементарной ячейки кристалла . <...> Методы получения наноструктурированных материалов и нанопорошков . <...> Применение нанопорошков в синтезе сложных оксидов . <...> ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДИФИЦИРУЮЩЕГО ДЕЙСТВИЯ МАЛЫХ ДОБАВОК В ОКСИДНЫХ СИСТЕМАХ. <...> Использование нанодисперсных порошков металлов может существенно снизить температурный порог реакций твердофазового синтеза за счет снятия кинетической заторможенности процессов. <...> Высокая химическая активность нанопорошков металлов позволяет, варьируя состав шихты и методы термической обработки (нагрев, горение), осуществить получение керамических материалов различного состава и структуры. <...> Следовательно, кристаллическая решетка – это система упорядоченно расположенных атомов. <...> В случае, если кристаллическая решетка состоит из гранецентрированных элементарных ячеек, то каждой из них принадлежит 4 атома (1 – при вершине и 3 – лежащие <...>
Физика_и_химия_твердых_неметаллических_и_силикатных_материалов.pdf
УДК 661.6+666(070.5)
ББК 35.417+34.338я78
Х12
Хабас Т.А.
Х14
Физика и химия твердых неметаллических и силикатных
материалов: учебное пособие / Т.А. Хабас, В.И. Верещагин;
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского
политехнического университета, 2013. – 171 c.
В пособии изложены общие вопросы физической химии твердых
кристаллических веществ, строения оксидов, основы исследования
структур кристаллов методом рентгенофазового анализа. На конкретных
примерах рассмотрены вопросы синтеза в оксидных системах и регулирования
их свойств в присутствии микродобавок. Отдельный раздел посвящен
обзору свойств и методов получения наноразмерных порошковых
и консолидированных материалов, дано термодинамическое обоснование
возможности активирования процессов с участием наночастиц,
физико-химических методов исследования состава, структуры и морфологии
получаемых продуктов.
Предназначено для подготовки магистрантов, студентов и аспирантов
высших учебных заведений, углубленно изучающих основы химической
технологии тугоплавких веществ.
УДК 661.6+666(070.5)
ББК 35.417+34.338я78
Рецензенты
Доктор технических наук, профессор ТГУ
В.В. Козик
Доктор технических наук, профессор ТГАСУ
Н.К. Скрипникова
© ФГБОУ ВПО НИ ТПУ, 2013
© Хабас Т.А., Верещагин В.И., 2013
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2013
2
Стр.2
Содержание
ПРЕДИСЛОВИЕ ...................................................................................................... 5
1. АГРЕГАТНОЕ СОСТОЯНИЕ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ
И СИЛИКАТНЫХ ТУГОПЛАВКИХ ВЕЩЕСТВ ............................................ 7
1.1. Конденсированные системы ......................................................................... 7
1.2. Строение твердых тел. Общие сведения ..................................................... 8
1.3. Строение идеальных кристаллов ................................................................ 10
1.4. Кристаллографические символы ................................................................ 15
2. СТРОЕНИЕ ОКСИДОВ ..................................................................................... 19
2.1. Координационное число .............................................................................. 20
2.2. Плотнейшие шаровые упаковки ................................................................. 21
2.3. Правила формирования структур ионных кристаллов
(правила Полинга) ........................................................................................ 25
2.4. Структурные типы ....................................................................................... 27
3. ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ КРИСТАЛЛОВ ........................................ 32
3.1. Рентгеновское излучение ............................................................................ 32
3.1.1. Историческая справка ............................................................................ 32
3.1.2. Свойства рентгеновских лучей ............................................................. 34
3.1.3. Взаимодействие рентгеновского излучения
с кристаллическим твердым телом ....................................................... 37
3.2. Методы съемки рентгенограмм и аппаратура ........................................... 41
3.2.1. Подготовка образцов ............................................................................. 47
3.2.2. Методика расшифровки рентгенограмм .............................................. 47
3.2.3. Возможности метода рентгенографии ................................................. 48
3.2.4. Определение качественного фазового состава вещества ................... 49
3.2.5. Определение количественного фазового состава вещества ................ 54
3.3. Элементы структурного рентгенографического анализа ............................ 57
3.3.1. Связь межплоскостных расстояний с параметрами
кристаллической решетки ..................................................................... 57
3.3.2. Определение типа кристаллической решетки вещества .................... 58
3.3.3. Прецизионное измерение параметров элементарной
ячейки кристалла .................................................................................... 59
4. ДИФФУЗИЯ В ТВЕРДЫХ ТЕЛАХ .................................................................. 61
4.1. Виды и механизмы диффузии ..................................................................... 63
4.1.1. Диффузия по междоузлиям ................................................................... 64
4.1.2. Диффузия по вакансионному механизму ............................................ 65
4.1.3. Особенности вакансионной диффузии ................................................ 66
5. ТЕПЛОВЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ ..................................................... 69
5.1. Тепловое расширение твердых тел ............................................................. 72
5.2. Теплопроводность ........................................................................................ 74
5.3. Теплоемкость ................................................................................................ 77
3
Стр.3
5.4. Взаимосвязь тепловых характеристик и их влияние
на термическую прочность материалов ..................................................... 80
6. НАНОМАТЕРИАЛЫ И НАНОТЕХНОЛОГИИ ............................................. 82
6.1. Общие сведения и методы исследования нанокристаллических
материалов .................................................................................................... 82
6.1.1. Наноразмерные материалы. Общие представления. Свойства
и применение .......................................................................................... 82
6.1.2. Исследование наноматериалов ............................................................. 94
6.2. Методы получения наноструктурированных материалов
и нанопорошков .......................................................................................... 102
6.2.1. Наноструктурированные материалы .................................................. 102
6.2.2. Получение нанопорошков ................................................................... 106
6.3. Физико-химические аспекты применения наноматериалов
в твердофазовых процессах (в реакциях синтеза и спекания) ............... 108
6.4. Нанотехнологии ......................................................................................... 113
6.4.1. Основные принципы создания объектов ........................................... 114
6.4.2. Методы получения наноструктур ....................................................... 115
6.4.3. Применение нанопорошков в синтезе сложных оксидов ................ 119
7. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОДИФИЦИРУЮЩЕГО
ДЕЙСТВИЯ МАЛЫХ ДОБАВОК В ОКСИДНЫХ СИСТЕМАХ................... 139
7.1. Полиморфизм в однокомпонентных сиcтемах. Общие понятия ........... 139
7.2. Влияние микродобавок на кинетику и механизм монотропной
фазовой трансформации ............................................................................ 145
7.3. Физико-химические основы воздействия ионов добавок
на структуру и свойства оксидных материалов ...................................... 152
7.4. Микродобавки – стабилизаторы кристаллических фаз .......................... 158
Список литературы .............................................................................................. 166
4
Стр.4