Kristāli ir cieti ķermeņi ar regulāru ģeometrisku formu. Struktūru, kurā atrodas sakārtotās daļiņas, sauc par kristāla režģi. Daļiņu atrašanās vietas punktus, kuros tās svārstās, sauc par kristāla režģa mezgliem. Visi šie ķermeņi ir sadalīti monokristālos un polikristālos.
Kas ir monokristāli
Atsevišķi kristāli ir atsevišķi kristāli, kuros kristāla režģim ir skaidra secība. Bieži vien kristālam ir regulāra forma, taču šī pazīme nav obligāta, nosakot kristāla veidu. Lielākā daļa minerālu ir atsevišķi kristāli.
Ārējā forma ir atkarīga no vielas augšanas ātruma. Ar lēnu pieaugumu un materiāla viendabīgumu kristāliem ir pareizs griezums. Pie vidēja ātruma griezums nav izteikts. Ar lielu kristalizācijas ātrumu aug polikristāli, kas sastāv no daudziem atsevišķiem kristāliem.
Klasiski monokristālu piemēri ir dimants, kvarcs,topāzs. Elektronikā īpaša nozīme ir monokristāliem, kuriem piemīt pusvadītāju un dielektriķu īpašības. Atsevišķu kristālu sakausējumus raksturo paaugstināta cietība. Ultratīriem monokristāliem ir tādas pašas īpašības neatkarīgi no izcelsmes. Minerālu ķīmiskais sastāvs ir atkarīgs no augšanas ātruma. Jo lēnāk kristāls aug, jo perfektāks ir tā sastāvs.
Polikristāli
Atsevišķiem kristāliem un polikristāliem ir raksturīga augsta molekulārā mijiedarbība. Polikristāls sastāv no daudziem atsevišķiem kristāliem un tam ir neregulāra forma. Tos dažreiz sauc par kristalītiem. Tie parādās dabiskās augšanas rezultātā vai tiek audzēti mākslīgi. Polikristāli var būt sakausējumi, metāli, keramika. Galvenās īpašības veido monokristālu īpašības, taču liela nozīme ir graudu izmēriem, attālumam starp tiem un graudu robežām. Robežu klātbūtnē polikristālu fizikālās īpašības būtiski mainās, stiprums samazinās.
Polikristāli rodas kristalizācijas, kristālisko pulveru izmaiņu rezultātā. Šie minerāli ir mazāk stabili nekā atsevišķi kristāli, kā rezultātā atsevišķi graudi aug nevienmērīgi.
Polimorfisms
Atsevišķi kristāli ir vielas, kas var pastāvēt uzreiz divos stāvokļos, kas atšķirsies pēc to fizikālajām īpašībām. Šo pazīmi sauc par polimorfismu.
Tajā pašā laikā viela vienā stāvoklī var būt stabilāka nekā citā. Mainoties vides apstākļiem, situācija varmainīt.
Polimorfisms ir šādu veidu:
- Rekonstrukcija - sadalīšanās notiek atomos un molekulās.
- Deformācija - struktūra tiek pārveidota. Rodas saspiešana vai stiepšanās.
- Shift - daži struktūras elementi maina savu atrašanās vietu.
Kristāla īpašības var mainīties, pēkšņi mainoties sastāvam. Klasisks polimorfisma piemērs ir oglekļa modifikācija. Vienā stāvoklī tas ir dimants, citā tas ir grafīts, vielas ar dažādām īpašībām.
Daži ogļhidrātu veidi karsējot pārvēršas grafītā. Īpašību izmaiņas var notikt bez kristāliskā režģa deformācijas. Dzelzs gadījumā dažu komponentu aizstāšana noved pie magnētisko īpašību izzušanas.
Kristāla stiprums
Jebkuram mūsdienu tehnoloģijās izmantotajam materiālam ir galīgā izturība. Niķeļa, hroma un dzelzs sakausējumam ir vislielākā izturība. Metālu stiprības palielināšana uzlabos militāro un civilo aprīkojumu. Paaugstināta nodilumizturība nodrošinās ilgāku kalpošanas laiku. Šī iemesla dēļ zinātnieki jau ilgu laiku ir pētījuši monokristālu stiprumu.
Tīri monokristāli ir kristāli ar ideālu kristāla režģi, satur nelielu skaitu defektu. Samazinoties defektu skaitam, metālu izturība palielinās vairākas reizes. Tajā pašā laikā metāla blīvums paliek gandrīz nemainīgs.
Atsevišķi kristāli ar ideālu režģi ir izturīgi pret mehānisko spriegumu līdz kušanas temperatūrai. Nemainiet arlaiks. Visbiežāk šādiem monokristāliem ir nulles dislokācija. Bet tas ir neobligāts nosacījums. Spēks skaidrojams ar to, ka vietās, kur ir vislielākais dislokāciju skaits, veidojas mikroplaisas. Un viņu prombūtnē nav kur parādīties plaisas. Tas nozīmē, ka monokristāls izturēs, līdz tiks pārsniegts tā stipruma slieksnis.
Mākslīgie monokristāli
Singlkristālu audzēšana ir iespējama pašreizējā zinātnes līmenī. Apstrādājot metālu, nemainot tā sastāvu, jūs varat izveidot monokristālu ar augstu drošības rezervi.
Ir zināmas 2 monokristālu ražošanas metodes:
- superaugsts spiediens un metāla liešana;
- kriogēnais spiediens.
Pirmā metode ir populāra vieglo metālu apstrādei. Ņemot vērā metāla tīrību un pieaugošo spiedienu, pakāpeniski parādīsies jauns metāls, kam ir tādas pašas īpašības, bet ar paaugstinātu izturību. Noteiktos apstākļos ir iespējams iegūt monokristālu ar ideālu režģi. Piemaisījumu klātbūtnē pastāv iespēja, ka kristāla režģis nebūs ideāls.
Smagajos metālos, palielinoties spiedienam, notiek struktūras maiņas process. Vienkristāls vēl nav izrādījies, bet viela ir mainījusi īpašības.
Kriogēnās liešanas pamatā ir kriogēno šķidrumu ražošana. Magnētiskā lauka ietekmē kristalizācija nenotiek. Daļēji kristāliskā forma pēc elektriskās uzlādes kļūst par kristālu.
Dimantsun kvarcs
Dimanta īpašību pamatā ir fakts, ka tā ir viela ar atomu kristālisko režģi. Saite starp atomiem nosaka dimanta stiprumu. Pastāvīgos apstākļos dimants nemainās. Vakuuma iedarbībā tas pakāpeniski pārvēršas grafītā.
Kristālu izmēri ievērojami atšķiras. Sintētiski audzētiem dimantiem ir kuba virsma, un tie izskatās savādāk nekā to kolēģi. Stikla griešanai tiek izmantotas dimanta īpašības.
Kvarca kristāli ir sastopami visur. Minerāls ir viens no visizplatītākajiem. Kvarcs parasti ir bezkrāsains. Ja akmens iekšpusē ir daudz plaisu, tad tas ir b alts. Kad tiek pievienoti citi piemaisījumi, tas maina krāsu.
Kvarca kristālus izmanto stikla ražošanā, ultraskaņas radīšanai, elektriskās, radio un televīzijas iekārtās. Dažas šķirnes tiek izmantotas rotaslietās.
Singlkristālu struktūra
Metāliem cietā stāvoklī ir kristāliska struktūra. Atsevišķu kristālu struktūra ir nebeidzama mainīgu atomu virkne. Patiesībā atomu secība var tikt traucēta termisku, mehānisku vai citu iemeslu dēļ.
Kristāla režģi ir sastopami 3 veidos:
- volframa tips;
- vara tips;
- magnija veids.
Pieteikums
Mākslīgie monokristāli ir iespēja iegūt materiālu ar jaunām īpašībām. Atsevišķu kristālu pielietojuma laukums ir ļoti liels. Kvarcu un sparu radīja daba, savukārt nātrija fluorīdu audzēja mākslīgi.
Monokristāli iroptikā un elektronikā izmantotie materiāli. Kvarcu un vizlu izmanto optikā, taču tie ir dārgi. Mākslīgos apstākļos var izaudzēt monokristālu, kas atšķirsies ar tīrību un izturību.
Dimantu izmanto vietās, kur nepieciešama augsta izturība. Bet tas ir veiksmīgi sintezēts mākslīgos apstākļos. Trīsdimensiju monokristāli tiek audzēti no kausējumiem.
