Кратко о связи микроструктуры — кристалличность, аморфность, полиморфизм — и макроскопических свойств, с примерами в керамике и полимерах.
Основные механизмы (схематично)
- Кристалличность (фракция кристаллитов ${\varphi }_c$) задаёт упорядоченность, плотность и сцепление между цепями/зернами. Типичные следствия: повышенная жёсткость, прочность при растяжении, температура плавления; сниженная прозрачность и ударная вязкость.
- Простейшая модель для модуля упругости: $$E\approx {\varphi }_c{E}_c+(1-{\varphi }_c)E_a,$$ где $E_c$ — модуль кристаллитов, $E_a$ — аморфной фазы.
- Плотность: $$\rho \approx {\varphi }_c{\rho }_c+(1-{\varphi }_c){\rho }_a.$$ - Аморфность — отсутствие длинного порядка. Домен свойств: высокая прозрачность (многие стекла и аморфные полимеры), пластичность при температуре выше стеклования $T_g$, низкая тепло- и химическая стойкость по сравнению с кристаллической фазой в некоторых случаях.
- Полиморфизм — существование разных кристаллических модификаций одного химического состава. Каждая модификация имеет свои плотность, тепловые и механические свойства; переходы между модификациями (термодин./структурные) влияют на эксплуатацию (темп. при нагреве/охлаждении, трещинообразование).
- Размеры и формы кристаллитов/зерён, пористость, границы раздела и дефекты определяют макроскопические свойства: прочность, твёрдость, трещиностойкость, теплопроводность, диэлектрические/оптические свойства. Для металлокерамики/керамики тонкие зерна часто повышают прочность (Hall–Petch), для хрупких материалов важен размер дефектов (Гриффит).
Керамика — примеры и пояснения
- Стекло (аморфное) vs поликристаллическая керамика:
- Стекло: аморфная структура даёт прозрачность, однородность, плохую пластичность и низкую трещиностойкость из‑за отсутствия пластической релаксации.
- Поликристаллическая керамика (Al2O3, SiC): высокая твёрдость и теплостойкость, но хрупкость; свойства зависят от размера зерён, пористости и фазового состава.
- Полиморфизм:
- SiO2: кварц, кристобалит, тридимит — разные плотности и термическая стабильность; переходы сопровождаются объёмными изменениями → термическая трещиностойкость важна.
- ZrO2 (циркония): модификации (моноклинная ↔ тетрагональная ↔ кубическая). Тетрагонально-кристаллическая циркония может превращаться в моноклинную с объёмным расширением у кончика трещины; это даёт эффект трансформационного упрочнения (transformation toughening) — повышение трещиностойкости у Y-TZP.
- Гранулометрия и пористость:
- Мелкие зерна — часто выше прочность (Hall–Petch): $${\sigma }_y={\sigma }_0+k{d}^{-1/2}.$$ - Поры существенно снижают прочность; хрупкое разрушение подчиняется критерию Гриффита: $${\sigma }_f=\sqrt{\frac{2E\gamma }{\pi a}},$$ где $a$ — характерный размер дефекта.
- Пример: денсфицированная $\alpha$-Al2O3 — высокая твёрдость и теплопроводность; стекло-керамика (частично кристаллизованное стекло) сочетает прочность и термостойкость с контролируемой терморасширением.
Полимеры — примеры и пояснения
- Аморфные полимеры (PS, PMMA, PC):
- Нет РС-упорядоченности → прозрачные, более хрупкие при $T<T_g$, характер поведения определяется $T_g$. Механические свойства резко меняются при переходе через $T_g$.
- Полукристаллические полимеры (PE, PP, PET):
- Состоят из кристаллитов (ламелл, сферул) в аморфной матрице. Степень кристалличности ${\varphi }_c$ контролирует модуль, прочность, твёрдость, теплопроводность, барьерные свойства; высокая ${\varphi }_c$ → выше $E$, $\sigma$, плотность, ниже диффузия и прозрачность.
- Пример: полиэтилен (PE): высокая кристалличность даёт высокую прочность и стойкость к химии; низкая кристалличность — гибкость и прозрачность (в ультравысоком молек. весе — диапазон свойств).
- Полиморфизм у полимеров / кристаллические фазы:
- PVDF: фазы $\alpha ,\beta ,\gamma$ с разными электрическими/пьезоэлектрическими свойствами; $\beta$-фаза даёт сильную поляризацию и пьезо/пироэффект.
- Полимерные цепи могут образовывать разную упаковку (например, полиэтилен — орторомбическая структура). Разные фазы меняют $T_m$, модуль и хрупкость.
- Структурные размеры:
- Размер и организация сферул влияют на ударную вязкость: крупные сферулы → частые дефекты → снижение прочности при ударе.
- Процессинг:
- Скорость охлаждения: быстрая — сохраняет аморфность/низкую ${\varphi }_c$; медленное охлаждение или термообработка (annealing) — повышает кристалличность.
- Ориентация цепей (натяжение/экструзия) повышает модуль и прочность вдоль направления ориентации.
Краткое резюме (ключевые зависимости)
- Повышение кристалличности: ↑модуль, ↑плотность, ↑Tm, ↑прочность на растяжение (часто), ↓прозрачность, ↓диффузия/проницаемость, ↓ударная вязкость (в полимерах).
- Аморфность: ↑прозрачность, более выраженная вязкая/пластическая деформация при $T>T_g$, отсутствие четкого Tm.
- Полиморфизм: изменение свойств при переходе между кристаллическими модификациями (термическая стабильность, трещиностойкость, электрические свойства).
Если нужно, могу привести таблицу конкретных численных значений для отдельных материалов (PE, PET, Al2O3, ZrO2, стекло и т.д.).