Министерство образования и науки Кыргызской республики
Кыргызский национальный университет им. Ж. Баласагына
Факультет химии и химической технологии
Самостоятельная работа студента
По дисциплине: Теоретические основы материаловедения
На тему: Свойства аморфных кристаллических материалов
Выполнила: Турсунова Саида 3 курс Группа ХТ-1-21
Проверил: Саркелов Ж. С.
Бишкек 2024
План








Введение
Основные термины и понятия
Аморфные кристаллические материалы
Свойства стекла
Свойства аморфного кремния
Свойства аморфных полимеров
Заключение
Список используемых литератур
Введение
Аморфные кристаллические материалы представляют собой
уникальный класс веществ, которые объединяют в себе особенности как
кристаллических, так и аморфных структур. В отличие от типичных
кристаллических материалов, у которых атомы упорядочены в строго
определенной
решетке,
аморфные
материалы
характеризуются
отсутствием периодического порядка атомов. Вместо этого атомы
располагаются в случайном порядке, подобно тому, как это происходит
в стекле.
Одной из ключевых особенностей аморфных материалов является
их структурная гетерогенность, которая ведет к ряду уникальных
физических и химических свойств. Исследование и понимание этих
свойств имеет большое значение в различных областях, начиная от
фундаментальной науки до промышленных приложений.
В данном обзоре мы рассмотрим основные свойства аморфных
кристаллических материалов, их важность в современных технологиях,
а также примеры таких материалов и их практическое применение.
Основные термины и понятия
1. Аморфность: Свойство материала, при котором его атомы или
молекулы располагаются в случайном порядке, без долгоранжевого
периодического упорядочения, характерного для кристаллических структур.
2.
Стекло:
Пример
аморфного
кристаллического
материала,
образующийся при быстром охлаждении расплавленного состояния без
образования кристаллической решетки.
3. Аморфный кремний: Тип материала, широко используемый в
солнечных батареях, получаемый путем аморфизации кремния.
4.
Полимеры:
Макромолекулы,
состоящие
из
повторяющихся
структурных единиц, многие из которых могут быть аморфными, такие как
некоторые виды пластиков.
5. Структурная гетерогенность: Характеристика аморфных материалов,
отражающая их неравномерное распределение атомов или молекул внутри
материала.
6. Прозрачность: Свойство материала, позволяющее пропускать свет,
что делает его полезным для оптических приложений. Многие аморфные
материалы обладают высокой прозрачностью.
7. Механическая прочность: Способность материала сопротивляться
механическим напряжениям без разрушения. Некоторые аморфные материалы
обладают высокой механической прочностью.
8. Электрические свойства: Свойства материала, связанные с его
способностью проводить или изоляировать электрический ток. Некоторые
аморфные материалы могут обладать хорошими изоляционными или
полупроводниковыми свойствами.
9. Магнитные материалы: Некоторые аморфные материалы обладают
интересными
магнитными
свойствами
и
могут
использоваться
в
магнитоэлектронике, например, для производства магнитных записей,
магнитных датчиков и других устройств.
Аморфные кристаллические материалы
Аморфные кристаллические материалы представляют собой класс
материалов, у которых отсутствует долгоранжевый периодический порядок
атомов, характерный для кристаллических веществ. Эти материалы обладают
аморфной структурой, где атомы или молекулы располагаются в случайном
порядке, без образования регулярной кристаллической решетки. Также
обладают структурной характеристикой кристаллических материалов, также
имеют аморфные области или границы между кристаллическими зернами. Это
обычно наблюдается в сложных сплавах или композитах, где кристаллическая
структура не является однородной на микроуровне.
Классификация аморфных кристаллических материалов включает
различные типы веществ, такие как стекло, аморфный кремний, аморфные
полимеры и аморфные металлические сплавы.
Применение аморфных кристаллических материалов включает:
1. Оптические приложения: Многие аморфные материалы обладают
высокой прозрачностью, что делает их полезными для изготовления
оптических компонентов, таких как линзы, окна и оптические волокна.
2. Электроника и солнечные батареи: Аморфные материалы, такие как
аморфный кремний, используются в электронике, включая солнечные батареи,
благодаря их электрическим и оптическим свойствам.
3.
Медицина
и
биоматериалы:
Аморфные
материалы
могут
использоваться в медицине для создания биосовместимых материалов,
например, для имплантатов и областей медицинской диагностики.
4. Защитные покрытия и пленки: Некоторые аморфные материалы
обладают высокой механической прочностью и могут использоваться для
создания защитных покрытий, антибликовых пленок и других поверхностных
покрытий.
5. Энергетика и хранение энергии: Аморфные материалы используются
в энергетических приложениях, таких как аккумуляторы и суперконденсаторы,
благодаря своим электрическим свойствам и высокой поверхностной площади.
Свойства стекла
Стеклом
называются
аморфные
тела,
получаемые
путем
переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области
затвердевания и обладающие в результате постепенного увеличения вязкости
механическими свойствами твердых тел. Процесс перехода из жидкого
состояния в стеклообразное является обратимым.
В состав стекла входят кремнезем, оксиды алюминия, бора, калия,
кальция, магния, натрия, свинца и др. Каждый оксид придает стеклу
определенные свойства. В состав современных стекол вводят 3-10 и более
оксидов, так как к стеклам предъявляются самые разнообразные требования.
Например, художественное стекло для декоративной обработки должно быть
чистым,
прозрачным,
отлично
преломляющим
световые
лучи,
окрашивающимся в разные цвета. В настоящее время в производстве стекла
нашли
применение
большинство
элементов
периодической
системы
Д.И.Менделеева.Составы стекол выражают в процентах по массе оксидов,
входящих в данное стекло.
К свойствам расплавов стекломассы относятся вязкость, связанная с ней
скорость твердения, поверхностное натяжение и кристаллизация, а также
теплоемкость, теплопроводность, электрическая проводимость. Значение этих
свойств при производстве стекла очень велико, их необходимо знать для
правильной обработки изделий из стекла.
Вязкость (внутреннее трение) – свойство жидкостей (расплавов) и газов
оказывать сопротивление перемещению одной их части относительно другой.
Вязкость измеряют в Па*с. Свойство стекломассы постепенно увеличивать
свою вязкость с уменьшением температуры позволяет изготовлять изделия
самыми различными способами и разных конфигураций. Если в начале
выработки стекло пластично и может принять при определенном усилии
любую форму, то в конце вязкость его увеличивается и изделие затвердевает
настолько, что способно сохранить свою форму при дальнейшей обработке.
Именно способность стекла постепенно изменять свою вязкость в зависимости
от температуры позволяет придавать стеклу различную форму при его
обработке на стеклодувной горелке.Вязкость играет большую роль на всех
стадиях производства стеклоизделий. На рис.1 представлена технологическая
шкала вязкости, из которой видно, при какой вязкости осуществляется тот или
иной технологический процесс.
Рис.1. Технологическая шкала вязкости
Теплоемкость и теплопроводность характеризуют теплопередачу в
расплаве стекла при стекловарении, формовании, термической обработке. При
высоких температурах теплопроводность происходит только в тонких слоях
стекла. При увеличении толщины слоя интенсивность передачи теплоты
увеличивается
благодаря
излучению.
Теплопрозрачность
уменьшают
окрашивающие оксиды, особенно CoO, CuO, FeO, NiO. С повышением
содержания в стекле этих оксидов роль теплопередачи излучением
уменьшается и возрастает роль теплопроводности.
Плотность. Плотностью называется отношение массы тела к его
объему, измеряется в кг/м куб.
Плотность стекол зависит от химического состава, Значительно
повышают плотность оксиды тяжелых металлов. В состав самых тяжелых
стекол (так называемых флинтов) входит много свинца, в состав легких стекол
– окислы элементов с малым атомным весом – лития, бериллия, бора.
Плотность технических стекол в зависимости от их химического состава
колеблется в пределах от 2200 до 6300 кг/м куб. Плотность стекол,
применяемых для производства сортовой посуды и декоративных изделий из
стекла: цветных и бесцветных натрий-кальций-силикатных 2490-2520 кг/м куб,
свинцовых хрусталей 2400-3200 кг/м куб, бариевых хрусталей 2700-2900 кг/м
куб.
Плотность стекол в некоторой степени зависит от температуры: с
повышением температуры плотность стекол уменьшается и соответственно
увеличивается удельный объем.
Прочность.
Прочностью
называется
свойство
материалов,
не
разрушаясь, воспринимать те или иные воздействия: нагрузки, температурные,
магнитные,
электрические
поля,
неравномерное
протекание
физико-
химических процессов и т.д.
Прочность характеризуется пределом прочности. В зависимости от
разрушающих усилий различают прочность на удар, разрыв, сжатие, изгиб и
вдавливание. Стекло обладает сравнительно высокой прочностью на сжатие и
относительно низкой на удар. Прочность стекла зависит от состояния его
поверхности (наличие на поверхности стекла каких либо повреждений –
трещин, царапин – снижает прочность стекла в 4-5 раз), в меньшей степени от
химического состава, степени отжига, однородности, размера, состояния
окружающей среды и температуры. Температурная зависимость прочности
стекла имеет сложный характер, минимальная прочность стекла – в интервале
150-200 градусов С.
Хрупкость. Хрупкостью называют материалы, которые при небольшом
превышении их прочности внезапно разрушаются. Хрупкость стекол
определяется их прочностью на удар. Хрупкость материала при ударных
нагрузках называется ударной вязкостью.
Хрупкость стекла зависит от состояния поверхности, толщины образца,
однородности, конфигурации изделия. Разрушение стекла обычно начинается
с поверхности вследствие образования и роста микротрещин. Чем меньше в
стекле посторонних включений, чем оно более однородно, тем выше его
хрупкость. Хрупкость стекла зависит от состава в незначительной степени.
Химическая устойчивость. Химической устойчивостью называют
способность материала противостоять разрушающему действию воды, газов,
растворов солей и иных химических реагентов. Это одно из важнейших
свойств стекла, так как на стекло, находящееся в эксплуатации, постоянно
воздействует какой-нибудь реагент.
Стекло по сравнению с другими материалами обладает высокой
химической устойчивостью. Слабое взаимодействие со стеклом химических
реагентов, кроме плавиковой кислоты, объясняется наличием на его
поверхности защитной кремнеземной пленки. Плавиковая кислота реагирует
с поверхностной кремнеземовой пленкой, вследствие чего происходит
обнажение поверхности стекла и процесс его растворения под действием
плавиковой кислоты продолжается. На этой способности стекла растворяться
в плавиковой кислоте основана химическая обработка стекла.
Применение:
- Окна и стеклянные двери: В строительстве стекло используется для
создания окон, дверей и других прозрачных конструкций.
- Оптика: Стекло широко применяется для изготовления линз,
приборов и других оптических устройств.
- Упаковка: Благодаря своей прозрачности и инертности, стекло
используется для упаковки пищевых и химических продуктов.
- Лабораторная посуда: Стеклянные пробирки, бутылки и другие
лабораторные изделия из стекол.
Свойства аморфного кремния
Аморфный кремний (a-Si) - это форма кремния, в которой его атомы
располагаются в беспорядочном порядке, в отличие от кристаллической
формы кремния, где атомы образуют регулярную кристаллическую решетку.
Вот некоторые из основных свойств аморфного кремния:
1. Безызлучательность: Аморфный кремний является неизлучающим
материалом, то есть не испускает свет при возбуждении электрическим током,
в отличие от кристаллического кремния, который может использоваться в
полупроводниковых приборах для генерации света.
2. Податливость: Аморфный кремний может быть легко формован в
различные структуры и тонкие пленки, что делает его полезным материалом
для производства солнечных батарей и других электронных устройств.
3. Полупроводниковые свойства: Аморфный кремний обладает
полупроводниковыми свойствами, что позволяет его использовать в
производстве солнечных батарей и тонкопленочных транзисторов для
жидкокристаллических дисплеев и других электронных устройств.
4. Химическая стабильность: Он обычно химически стабилен и может
быть устойчив к коррозии и окислению, что делает его подходящим
материалом для различных технических приложений.
5. Прозрачность: В некоторых случаях аморфный кремний может быть
прозрачным для определенных видов света, что делает его полезным для
производства прозрачных солнечных батарей и других устройств, где
требуется светопрозрачный материал.
Применения аморфного кремния:
1. Солнечные батареи: Одним из наиболее широко распространенных
применений аморфного кремния является его использование в солнечных
батареях. Тонкие пленки аморфного кремния могут быть нанесены на
подложку из стекла или других материалов, чтобы создать фотоэлектрические
преобразователи солнечной энергии. Это позволяет создавать гибкие и легкие
солнечные панели, которые могут использоваться в различных приложениях,
включая
карманные
зарядные
устройства,
космические
аппараты
и
крупномасштабные солнечные электростанции.
2. Жидкокристаллические дисплеи (ЖКД): Аморфный кремний также
может использоваться в производстве тонкопленочных транзисторов (TFT),
которые необходимы для жидкокристаллических дисплеев. Тонкопленочные
транзисторы из аморфного кремния обеспечивают высокую скорость
переключения и стабильную работу ЖК-панелей.
3.
Фотоника
и
оптика:
Благодаря
своей
прозрачности
и
полупроводниковым свойствам, аморфный кремний может быть использован
в оптических и фотонных приложениях. Он может применяться в
производстве лазерных и светодиодных устройств, светопоглощающих
пленках и оптических волокнах.
4. Тонкопленочные покрытия: Аморфный кремний может быть
использован
в
качестве
тонкопленочного
покрытия
для
улучшения
химической стойкости, антирефлексии, изоляции или защиты поверхностей от
коррозии и окисления.
5. Электроника: Помимо применения в солнечных батареях и ЖКдисплеях, аморфный кремний может использоваться в производстве
транзисторов, памяти на переключаемых затворах (PCRAM), диодов и других
электрнных устройств.
Свойства аморфных полимеров
Аморфные полимеры - это полимерные материалы, в которых молекулы
не образуют регулярную кристаллическую структуру, а находятся в
беспорядочном состоянии или образуют частично упорядоченные области.
Аморфные полимеры в зависимости от температуры могут находиться в трех
состояниях, отличающихся характером теплового движения: стеклообразном,
высокоэластическом и вязкотекучем. Стадия, в которой находится полимер,
определяется изменением его структуры и силами сцепления между
макромолекулами линейных полимеров.
При
низких
температурах
аморфные
полимеры
находятся
в
стеклообразном состоянии. Сегменты молекул не обладают подвижностью, и
полимер ведет себя как обычное твердое тело в аморфном состоянии. В этом
состоянии материал хрупок. Переход из высокоэластического состояния в
стеклообразное при уменьшении температуры, называется стеклованием, а
температура такого перехода — температурой стеклования.
Высокоэластическое состояние, характеризующееся способностью
полимера легко растягиваться и сжиматься, возникает при достаточно
высоких температурах, когда энергия теплового движения становится
достаточной для того, чтобы вызвать перемещение сегментов молекулы, но
еще недостаточной для приведения в движение молекулы в целом. В
высокоэластичном состоянии полимеры, при сравнительно небольших
механических напряжениях, обладают весьма большой упругой деформацией.
Например, каучуки могут растягиваться почти в 10 раз.
В вязкотекучем состоянии могут перемещаться не только сегменты, но
и вся макромолекула. Полимеры приобретают способность течь, но, в отличие
от обычной жидкости, их течение всегда сопровождается развитием
высокоэластической деформации. Материал в этом состоянии под влиянием
небольших усилий проявляет необратимую пластическую деформацию, что
может быть использовано для его технологической обработки.
При линейном строении макромолекул полимеры в аморфном
состоянии являются упруговязкими телами, а при образовании прочной
пространственной структуры вязкоупругими телами.
Любое внешнее воздействие, влияющее на подвижность частиц в
аморфных телах, (изменение температуры, давления), влияет на физические
свойства (диэлектрические характеристики материала, газопроницаемость).
Аморфные полимеры находят широкое
1. Пластиковые упаковочные материалы: Аморфные полимеры, такие
как полиэтилен терефталат (ПЭТ), полиэтилен высокой плотности (ПВД),
полипропилен (ПП) и полистирол (ПС), широко используются для
производства пластиковых бутылок, контейнеров, пленок и упаковочных
материалов.
2. Полимерные пленки и пленки: Полиэтилен и полипропилен часто
используются для производства пленок и упаковочных материалов в
различных отраслях, таких как пищевая промышленность, строительство и
сельское хозяйство.
3. Лекарственные препараты: Аморфные полимеры, такие как
поливинилпирролидон (ПВП) и гидроксипропилметилцеллюлоза (ГПМЦ),
используются
в
фармацевтической
промышленности
в
качестве
вспомогательных веществ в таблетках, капсулах и других формах
лекарственных препаратов.
4.
Косметические
и
бытовые
товары:
Аморфные
полимеры
используются в производстве косметических упаковок, игрушек, посуды,
мебели и других бытовых товаров.
Заключение
Аморфные
кристаллические
материалы
представляют
собой
уникальный класс материалов, характеризующихся отсутствием регулярной
кристаллической
структуры,
присущей
типичным
кристаллическим
веществам. Этот класс включает в себя аморфные полимеры, аморфные
металлические сплавы и металлические стекла, которые имеют широкий
спектр применений в различных отраслях промышленности и науки.
Изучение аморфных кристаллических материалов важно с практической
и научной точек зрения. Во-первых, они обладают уникальными свойствами,
такими как высокая прочность, химическая стабильность, прозрачность и
гибкость, что делает их полезными для широкого спектра приложений,
включая производство конструкций, электроники, оптики и медицинских
устройств. Во-вторых, аморфные материалы представляют интерес с научной
точки зрения, поскольку изучение их структуры и свойств помогает лучше
понять физические процессы, происходящие в них, и разработать новые
материалы с улучшенными характеристиками.
В ходе работы были рассмотрены основные свойства и применения
аморфных кристаллических материалов. Дальнейшее исследование и
разработка новых материалов в этой области будут способствовать созданию
более эффективных и инновационных технологий, что открывает широкие
перспективы для прогресса в науке и промышленности.
Список литератур
 https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D1%82%D0%B5%D0%BA%D0
%BB%D0%BE
 Грир А. Л. "Металлические стекла." Наука, 1995.
 https://megabook.ru/article/%D0%90%D0%BC%D0%BE%D1%80%D1%8
4%D0%BD%D1%8B%D0%B5%20%D0%BF%D0%BE%D0%BB%D0%B
8%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B
 https://gemini-promplast.ru/posts/amorfnye-polimery-svoistva-iosobennosti-materialov