«Нитевидные кристаллы»

«усы», Монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нм (десятков Å) до нескольких сот мкм и большое отношение длины к диаметру (обычно более 100). Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Часто природные Н. к. встречаются в виде включений внутри др. минералов (например, иглы рутила в природных кристаллах рубина, кварца).

Первые упоминания об искусственном получении Н. к. относятся к 16 в. Особенный интерес к Н. к. возник в 50-х гг. 20 в. — после того как было обнаружено, что Н. к. многих веществ обладают необычно высокими механическими свойствами. В последующие годы в лабораториях ряда стран получены Н. к. более 140 различных элементов и соединений. Н. к. некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах.

Наиболее важное свойство Н. к. — уникально высокая прочность (близкая к теоретической, которую можно оценить из значений модуля упругости материала), в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов (рис. 1). Высокая прочность Н. к. объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда полным отсутствием) объёмных и поверхностных дефектов (одна из важнейших причин малой дефектности Н. к. — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика).

Н. к. тугоплавких соединений, помимо высокой температуры плавления и прочности, имеют высокий модуль упругости, химически инертны по отношению ко многим металлическим, полимерным и керамическим материалам до весьма высоких температур. В Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации (См. Рекристаллизация), обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах. Известно большое число методов получения Н. к.: физическое испарение с последующей конденсацией, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, Кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, выращивание на пористых мембранах и др. Н. к. тугоплавких металлов и соединений обычно получают методом осаждения из газовой фазы в высокотемпературных печах периодического, полунепрерывного или непрерывного действия. На рис. 2 показаны возможные схемы роста Н. к. Наиболее важные направления в применении Н. к. — реализация их высоких прочностных свойств в композиционных материалах (См. Композиционные материалы), а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости.

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы М., 1969; Монокристальные волокна и армированные ими материалы, пер. с англ., М., 1973.

В. Н. Грибков, К. И. Портной.

Рис. 2. Схемы роста нитевидного кристалла из газовой фазы по дислокационному механизму (а) и механизму пар — жидкость — твёрдая фаза (б).

Рис. 1. Прочность нитевидных кристаллов в сравнении с теоретической и реальной прочностью некоторых материалов: 1 — теоретическая (σ 0,1 Е, где Е — модуль упругости); 2 — нитевидные кристаллы; 3 — непрерывные волокна; 4 — массивные образцы.

НИТЕВИДНЫЕ кристаллы (вискерсы - усы), монокристаллы в виде игл и волокон диаметром от нескольких нм до сотен мкм; обладают высокой механической прочностью из-за отсутствия в них дефектов кристаллической решетки. Нитевидные кристаллы используются для создания композиционных материалов.

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

микроскопич. монокристаллы, размеры к-рых в одном направлении во много раз больше, чем в остальных (типичная длина 1—2 мм, диаметр =1—2 мкм). Обычно Н. к. растут в определ. кристаллографич. направлениях (напр., по нормали к плотноупакованной грани), имеют изометричное (шестиугольное, квадратное и т. д.) сечение; встречаются также тонкие ленточки и пластины (толщиной 0,1 — 10 мкм, шириной 0,1—1 мм).

Химическая энциклопедия

("усы", виcкерсы), монокристаллы в виде игл или волокон. Размеры Н. к. в одном направлении во много раз больше, чем в остальных: типичная длина от 0,5 мм до неск. мм, диаметр 0,5-50 мкм. Форма поперечного сечения Н, к. зависит от типа кристаллич. ячейки данного соед. и м. б. треугольной, квадратной, шестиугольной и др. Иногда Н. к. имеют вид тонких трубок, лент, пластинок иди спирально свернутдго "рулета". Наиб. изучены Н. к. кремния, углерода (графит), металлов, оксидов Аl и Zr, карбидов Si, В, Hf и W, нитридов Аl и В (см. табл.).

Н. к. характеризуются высокой однородностью и совершенством структуры и пов-сти. В очень тонких (диаметр < 1 мкм) Н. к., как правило, нет дислокаций, у них высокосовершенная пов-сть. С увеличением размеров кристаллов в процессе роста могут образовываться дислокации, на пов-сти кристаллов часто наблюдаются ступени роста и ДР-дефекты (см. Дефекты в кристаллах).

СВОЙСТВА НЕКОТОРЫХ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ

* Разброс значений определяется размерами Н. к, и методом выращивания.

Бездислокационные Н. к. существенно отличаются по своим мех. и физ. св-вам от обычных монокристаллов и поликристаллич. материалов. Так, макс. прочность Н. к. обычно составляет не менее 20-30% от теоретической, модуль упругости достигает теоретич. значений для монокристаллов c идеальной структурой. Кроме обычной статич. прочности Н. к. (особенно очень тонкие) отличаются большой усталостной прочностью, способностью выдерживать упругие деформации до ~ 3% и сохранять свою прочность при т-рах, близких к т-рам плавления.

Особые тепловые, электрич. и магн. св-ва металлических Н. к. также объясняются высоким совершенством их пов-сти. Так, они обладают более высокой теплопроводностью и электрич. проводимостью, чем обычные монокристаллы. Коэрцитивная сила тонких ферромагнитных Н. к. также значительно выше-для Fe она достигает 40 кА/м. У относительно толстых Н. к. вблизи поверхностных дефектов часто зарождаются домены, что вызывает уменьшение коэрцитивной силы.

Осн. способы выращивания Н. к.-осаждение из газовой фазы и кристаллизация из р-ров и расплавов по методам монокристаллов вырвщивания. Н. к. образуются вследствие высокой скорости роста в определенном кристаллографии, направлении, напр. по нормали к плотноупакованной грани. Скорость удлинения во много раз больше, чем скорость роста обычных кристаллов (в газовой фазе обычно ок. 0,01 мм/с, иногда 1-2 см/с),

Рост Н. к. может происходить из газовой (паровой) фазы, р-pа, расплава или твердой фазы. Рост из газовой фазы осуществляется путем конденсации паров либо вследствие р-ций разложения летучих в-в (хлоридов, силанов и др,).

Рост из газа или пара в системе пар-жидкость-кристалл (ПЖК-метод) происходит е вершины кристалла через про-межут. жидкую фазу, находящуюся на вершине кристалла в виде капли, содержащей перееыщ. р-р кристаллизующее гося в-ва в р-рителе. Кристаллизующееся в-во диффундирует в зту каплю, осаждается на границе жидкость - кристалл, а капля остается на вершине. По этдму механизму Н. к. растут на тех участках. к.-л. подложки, на к-рой есть р-ритель.

При росте Н-К- из ргров или твердой фазы существ. роль играют винтовые дислокации, по к-.рым и происходит преимуществ. рост кристалла. При этом вершина или основание (напр., при роете из твердой фазы на пов-сти металлов) Н. к. имеет незарастающую ступеньку, воспроизводящую себя по мере поступления в-ва. В-во к вершине кристалла поступает диффузионно вдоль боковой пов-сти или непосредстренно осаждается на эту вершину. В нек-рых случаях росту Н. к. из р-ров способствуют длинноцепочечные молекулы (напр., полимеров), к-рые, адсорбируюсь на боковых гранях Н. к., тормозят рост во всех направлениях, кроме одного. РОСТ Н. к, из расплавов осуществляется гл. обр. направленной кристаллизацией.

Существуют и др. методы выращивания, напр. электролиз с образованием кристаллов на электродах. В нек-рых случаях Н, к. выращивают на подложке из армирующего волокна и В таком виде используют (напр., "вискеризован-ные" углеродные волокна).

Ленточные, а также трубчатые Н. к. чаще всего образуются из газовой фазы. В их образовании также могут играть роль разл. несовершенства структуры-дислокации (особенно винтовые), дефекты упаковки, микродвойники и др.

Н. к. применяют при изготовлении разл. датчиков (миниатюрные термометры, тензодатчики, датчики Холла, дози-метрич. датчики), автоэмиссионных катодов, в качестве армирующих компонентов в высокопрочных композиционных материалах с металлич., керамич. и полимерными матрицами.

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы, М., 1969; Современные композиционные материалы, под ред. Л. Браутмана и Р. Крока, пер. с англ., М., 1970; Монокристалльные волокна и армированные ими материалы, пер. с англ., М., 1973; Келли А., Высокопрочные материалы, пер. с англ., М., 1976; Гиваргизов Е. И., Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара, М., 1977; Наполнители для современных композиционных материалов, пер. с англ., М., 1981; Сыркин В. Г., Материалы будущего. О нитевидных кристаллах металлов, М., 1989. К. Е. Перепелкин.

Энциклопедический словарь

нитеви́дные криста́ллы

(вискерсы, усы), монокристаллы в виде игл и волокон диаметром от нескольких нм до сотен мкм и отношением длины к диаметру обычно более 100; обладают высокой механической прочностью из-за отсутствия в них дефектов кристаллической решётки. Нитевидные кристаллы используются для создания композиционных материалов.

* * *

НИТЕВИДНЫЕ КРИСТАЛЛЫ

НИТЕВИ́ДНЫЕ КРИСТА́ЛЛЫ (вискерсы, усы), монокристаллы в виде игл и волокон диаметром от нескольких нм до сотен мкм; обладают высокой механической прочностью из-за отсутствия в них дефектов кристаллической решетки. Нитевидные кристаллы используются для создания композиционных материалов.

Большой энциклопедический политехнический словарь

"усы", - монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от неск. нм до неск. сотен мкм и большое отнс-шение длины к диаметру (обычно более 100). Наиболее важное св-во Н. к. - уникально высокая прочность (близкая к теоретич.), в неск. раз превосходящая прочность массивных монокристаллов и поликристаллов. Осп. направления в применении Н. к. - реализация их прочностных св-в в композиционных материалах, а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости

Естествознание. Энциклопедический словарь

(вискерсы, усы), монокристаллы в виде игл и волокон диаметром от неск. нм до сотен мкм и отношением длины к диаметру обычно более 100; обладают высокой механич. прочностью из-за отсутствия в них дефектов кристаллич. решётки. Н. к. используются для создания композиц. материалов.