Mikrostruktura materiálů
Mikrostruktura oxidů molybdenu N. Luptáková – ÚFM AV ČR, v. v. i.
Struktura materiálu Materiál lze chápat jako celek, tvořený menšími stavebními bloky. Struktura materiálu je množina vztahů mezi elementárními částicemi, atomy, molekulami, krystaly a rozličnými defekty, které dohromady určují jednoznačný stav látky. K popisu struktury je třeba ve zvoleném měřítku rozpoznat všechny složky materiálu, určit jejich uspořádání a objemový podíl pomocí objektivních pozorovacích metod. V následujících odstavcích se budeme o struktuře bavit v závislosti na měřítku, z hlediska skupenství látek, z pohledu fyzikálně inženýrského a z hlediska fyzikálního. V závislosti na měřítku, rozlišujeme mezi makrostrukturou (viditelná okem, případně lupou), mikrostrukturou (viditelná pod mikroskopem) a atomární strukturou (viditelná s použitím speciálních metod) materiálu.
Ukázka makro, mikro a atomární struktury
Atomos, pojem pocházející od starověkého řeckého učence Demokrita, který změnil pohled na složení látek. Látky jsou tvořeny jednotlivými prvky a jejich sloučeninami a právě atom je pokládán za základní stavební jednotku hmoty. Ta se může vyskytovat v několika skupenstvích - pevné, kapalné, plynné a plazma.
Ukázka tří nejčastějších druhů skupenství - H2O - led, voda a vodní pára 2
Z pohledu fyzikálně inženýrského rozdělujeme materiály na kovy, keramiky a polymery. Každá skupina materiálů je specifická svými vlastnostmi, které jsou dány interakcemi mezi jednotlivými prvky – typem vazby. Rozlišujeme mezi vazbami primárními (silnými): ▪ Kovová ▪ Iontová ▪ Kovalentní a sekundárními (slabými) vazbami: ▪ Van der Waalsova ▪ Vodíkový můstek U kovových materiálů převládá kovová vazba nad ostatními druhy. Atomy kovů jsou naskládány jeden vedle druhého a sdílejí své valenční elektrony, čímž ze sebe vytváří kladně nabité kationty obklopené elektronovým plynem. Keramické materiály jsou pak tvořeny především kovalentní vazbou (vznikající překryvem valenčních orbitalů a sdílením elektronového páru) nebo iontovou vazbou (vznikající mezi dvěma prvky s výrazně odlišnou elektronegativitou, kdy se jeden stane kationtem a druhý aniontem). Tyto 3 typy vazeb řadíme mezi primární, silné vazby. V případě polymerů jsou důležité dvě vazby. Silná kovalentní vazba k sobě váže dlouhé uhlíkové řetězce a slabá Van der Waalsova vazba. Z fyzikálního hlediska dělíme látky na amorfní a krystalické. Plyny a kapaliny nemají pravidelné, opakující se uspořádání svých atomů na dlouhou vzdálenost a jejich periodičnost je pouze v rozsahu základních stavebních jednotek - molekul. Kapaliny a plyny jsou tedy příkladem amorfních struktur. Naproti tomu látky v pevném skupenství se vyskytují především v krystalické formě. A to z prostého důvodu. Příroda je líná a je pro ni daleko jednodušší (energeticky výhodnější) uspořádat atomy do pravidelných útvarů - krystalů, ale existují samozřejmě výjimky (dřevěné uhlí, vosk, sklo...), které jsou pevné a přesto amorfní. Vněkterých případech se může atomární uspořádání v krystalové mříži promítnout i do makroskopického měřítka (krystaly drahokamů).
3
Schematická struktura amorfní a krystalické látky s makroskopickými příklady
Ideální krystal je složen z řady elementárních buněk, které se s nekonečnou pravidelností opakují a tvoří trojrozměrnou strukturu. Nejjednodušší krystaly mají elementární buňky tvořené pouze jedním atomem jednoho prvku (Au, Ni, Cu...). Složitější však mohou obsahovat řetězce až z 10000 atomů (guma, sacharidy, proteiny...). Parametrem charakterizujícím elementární buňku je mřížková konstanta udávající vzdálenost sousedních atomů v mřížce.
4
Znázornění krychlové elementární buňky a tvorba ideálního krystalu
Stavba krystalu je tedy jednoznačně určená mřížkovými parametry a rozmístěním jednotlivých částic v mřížce. Jsou-li uzlové body mřížky obsazeny pouze jedním atomem, tak existuje celkem 14 způsobů, jak vytvořit periodickou mřížku. Na počest francouzského fyzika, který těchto 14 základních mříží odvodil, se dnes nazývají Bravaisovy mřížky. August Bravais volil takové základní prostorové uspořádání mřížek, aby nejlépe vystihovaly své symetrie. Symetrie spolu s translací (posunutím) jsou základními krystalografickými operacemi. Bravaisovy mřížky jsou odvozeny ze 7 základních polyedrů, které jsou označovány jako 7 krystalografických soustav a jsou charakterizovány vektory translace a úhly mezi nimi. Uzlové body mřížek nemusí být obsazeny pouze jedním atomem, ale mohou zde být mnohem komplikovanější celky tzv. báze. Různou kombinací krystalových soustav dostáváme složitější celky tzv. bodové a prostorové grupy, kterých celkem existuje 262.
5
Znázornění krychlové elementární buňky a tvorba ideálního krystalu 6
Krystalické látky lze rozdělit podle různých měřítek. Nejsnadnějším se zdá dělení na počtu krystalů, které látka obsahuje. Z tohoto pohledu rozlišujeme tzv. monokrystalické a polykrystalické látky. Monokrystalický materiál je tvořen právě jedním krystalem (např. diamant a další drahokamy, některé součásti v elektrotechnice, energetickém či leteckém průmyslu). V polykrystalech se materiál skládá z velkého počtu jednotlivých krystalů, které jsou nazývány zrna. Velikost zrna výrazně ovlivňuje mechanické vlastnosti. Čím menší zrno je, tím je materiál pevnější. Pevnost v závislosti na velikosti zrna je určena Hall-Petchovým vztahem. Jednotlivá zrna jsou navzájem oddělena hranicemi. Orientace jednotlivých zrn bývá nejčastěji náhodná a liší se pro každé zrno. V průmyslu a přírodě jsou daleko více zastoupeny právě polykrystalické materiály.
Jak se mikrostruktura vytváří? Způsob přípravy materiálu zásadně ovlivňuje jeho mikrostrukturu. Z tohoto pohledu rozlišujeme mezi produkty litými, tvářenými a připravenými z prášků. Ve struktuře litých materiálů můžeme pozorovat uvnitř zrn tzv. dendrity a v prostoru mezi nimi řadu nečistot (nízko tavitelné sloučeniny – karbidy, oxidy, sulfidy...) a děr (ředin či staženin).
Příklad polykrystalického litého materiálu a detail dendritů 7
Struktura tvářených materiálů neobsahuje tolik slévárenských defektů, které jsou odstraněny válcováním, kováním, tažením apod. Nicméně struktura se často stává směrovou a vlastnosti materiálu vykazují velkou anizotropii.
Příklad tvářené struktury jednofázového a dvoufázového materiálu
Prášková metalurgie je poměrně starý obor, který v dnešní době opět získává na popularitě. Z prášků se dnes nejvíce vyrábí pokročilá keramika, která slouží pro aplikace od biomedicíny až po tepelné štíty raketoplánů. Mikrostruktura práškových materiálů je tvořena především mnohostěnnými zrny a póry. Póry jsou v materiálu přítomny apriorně a jejich velikost a počet je redukován během procesu slinování (spékání) prášku. Pomocí difúze, což je hlavní mechanismus slinování za zvýšených teplot a tlaku, se jednotlivé částice a následně vzniklá zrna vzájemně spojují v kompaktní celek. Množství a velikost pórů následně určuje, jaké bude mít výrobek vlastnosti.
Vstupní prášek, postup výroby slinováním a výsledný produkt 8
Zvládli byste vytvořit některé struktury? Jak víme z předchozích stran, základem struktury materiálu jsou atomy, které mohou být náhodně rozmístěné v prostoru anebo se uskupí do krystalových mříží. Jediné, co potřebujeme k našemu experimentu, je něco připomínající atomy. Tímto můžou být magnetické kuličky Neocube. Vazby mezi atomy (kuličkami) jsou zprostředkované magnetickými silami. Amorfní struktura: Náhodné uspořádání, stačí Neocube libovolně vytvarovat. Amorfní strukturu mají nejčastěji skla, polymery, ale i speciálně připravené kovy. V takovém případě mluvíme o kovových sklech.
Schéma amorfní struktury a praktický vzor Mřížka kubická prostá (sc) Nejjednodušší krychlové uspořádání, které je však velmi vzácné. Za normálních podmínek v této mřížce krystalizuje pouze nízkoteplotní modifikace polonia. V jednotlivých vrcholech je atom, který je společný dalším 8 elementárním buňkám. Na elementární buňku tedy připadá právě jeden atom.
Schéma a praktický vzor kubické prosté mřížky 9
Mřížka kubická prostorově středěná (bcc) Mírně složitější uspořádání. V přírodě se za běžných podmínek v této krystalové struktuře vyskytuje 15 čistých kovů (Ba, Cr, Fe, V, Ta, Zr...). Atomy jsou umístěny jednak ve vrcholech elementární buňky, a navíc v jejím středu, tj. přesně v průsečíku tělesových úhlopříček. Celkový počet atomů příslušející jedné elementární buňce je v tomto případě roven dvěma. Vrstvení atomových rovin je pravidelné střídání vzoru ABAB.
Schéma a praktický vzor kubické prostorově středěné mřížky Mřížka kubická plošně středěná (fcc) Atomy jsou umístěny jednak ve vrcholech elementární buňky, a navíc ve středech všech 6 stěn. Toto uspořádání má celkem 4 atomy na elementární buňku, uspořádání atomových rovin se řídí pravidelným střídání střídáním 3 vrstev (ABCABC). V této soustavě krystalizuje téměř 1⁄4 prvků periodické tabulky (Cu, Ag, Pb, Au, Ni, Al...).
Schéma a praktický vzor kubické plošně centrované mřížky Ivo Šulák a Jan Klusák, Ústav fyziky materiálů AV ČR, v. v. i. Pokud není uvedeno jinak, jsou použité fotografie a obrázky dílem autorů, případně pocházejí ze zdrojů umožňujících opětovné použití (Public Licence).
10
Ústav fyziky materiálů Akademie věd České republiky, v. v. i.
Žižkova 22, 616 62 Brno
www.ipm.cz
Projekt CZ.1.07/2.3.00/45.0040 Science Academy – kritický způsob myšlení a praktické aplikace přírodovědných a technických poznatků v reálném životě
