Введение к работе
Актуальность темы. Машиностроение является одной из наиболее материалоемких отраслей промышленности, характеризуемой широкой номенклатурой применяемых металлических и неметаллических материалов, где значимость прогнозирования структуры и конечных эксплуатационных свойств материала с целью обеспечения их надежности и долговечности — одно из основных условий его эффективного практического использования. В машиностроении сегодня это, прежде всего металлы, керамика и огнеупоры, а также полимерные материалы, которые обычно сегодня рассматриваются в научном плане изолированно друг от друга.
Актуальность исследования специфики структуры этих материалов с единых научных позиций и ее влияния на их конечные свойства поэтому достаточно очевидна и является сегодня важнейшей проблемой теоретического и практического материаловедения.
В материаловедении рассмотрение внутренней организации материала традиционно начинают с анализа его «тонкой» структуры, описывающей расположение элементов в структуре кристалла и характер распределения между ними электронов. Сегодня различают тонкую (электронно-ядерную), нано-, микро-, мезо- и макроструктуру материала. При этом очевидно, что тонкая структура является базовой (исходной) для остальных вышеперечисленных и, следовательно, изучение уровня и характера распределения электронной плотности в межъядерном пространстве материала является важнейшей, актуальной и одновременно сложнейшей теоретической и практической задачей современного материаловедения. Это связано в первую очередь с тем, что при заданных термодинамических условиях именно специфика распределения электронной плотности между элементами тонкой структуры материала определяет длину и энергию связей между ними, а затем его класс, тип, группу (металл, неметалл), включая агрегатное состояние, тип кристаллической решетки и далее особенности его микро- и макроструктурной организации и соответствующих свойств.
Учитывая, что в машиностроении значительное число применяемых конструкционных, проводниковых, полупроводниковых, диэлектрических, керамических и огнеупорных материалов (оксиды кремния, алюминия и т.д.), интерметаллидов, включая отдельные фазы в сталях (типа цементита - ИезС), построены на основе не одного, а двух и более элементов, в работе были рассмотрены материалы на основе бинарных соединений.
Анализ современного состояния взглядов отечественных и зарубежных авторов на специфику гетероядерных связей в металлических и неметаллических (ковалентных) веществах и материалах на их основе свидетельствует об отсутствии в настоящее время универсальных подходов и единой теории к их описанию. В результате на сегодня отсутствуют системные исследования по оценке влияния вклада каждой из 3-х компонент (ковалентной, ионной и особенно металлической) химической связи на структуру и свойства
РОС. НЛЦИОНАЛЬН. )
БИБЛИОТЕКА '
! - ?ЪЩ
гетероядерных соединений и материалов на их основе, что снижает эффективность практического использования последних.
Настоящая работа выполнялась при поддержке Академии Наук Республики Татарстан в соответствии с проведением работ по гранту 2002-2004 гг. «Оценка и прогнозирование структуры и свойств металлических и неметаллических соединений в рамках единой модели химических связей» (проект № 07-7.1-161 / 2002-2004 (Ф)).
Пелью работы является выявление особенностей гетероядерного взаимодействия элементов тонкой структуры широко применяемых в машиностроении материалов на основе бинарных соединений, с учетом металлической составляющей связи и оценки влияния последней на свойства соответствующих материалов, включая:
-
Обоснование необходимости учета металлической компоненты связи в гетероядерном взаимодействии элементов тонкой структуры материала и определение перспективных направлений практического использования в материаловедении результатов, полученных на основе развиваемых подходов.
-
Разработку соответствующих методик учета и количественной оценки металлической компоненты (в дополнение к ковалентной и ионной) гетероядерного взаимодействия элементов в тонкой структуре материала.
-
Апробацию разработанных подходов, методик и полученных результатов исследования особенностей гетероядерных связей в некоторых бинарных соединениях элементов для характеристики тонкой структуры и специфики свойств материалов на их основе, имеющих важное значение в промышленности и энергомашиностроении.
Научная новизна. Обоснована необходимость учета металлической компоненты в гетероядерном взаимодействии элементов тонкой структуры материалов (с разработкой соответствующих количественных методик ее оценки), как дополнительного фактора, учитывающего специфику распределения электронной плотности в межъядерном пространстве бинарных соединений и впервые показано ее влияние на характеристики связей и соответствующие физико-механические свойства материалов на их основе, применяемых в машиностроении.
Практическая ценность работы. Опираясь на единую модель связи элементов тонкой структуры материала, дополнительно учитывающую металлическую компоненту, разработаны соответствующие методики ее количественной оценки, которые позволили объяснить и уточнить структуру и свойства ряда известных бинарных соединений и материалов, включая: полупроводники на основе р- и d-элементов периодической системы, оксиды элементов 2-го и 3-го периодов периодической системы, галогеноводороды; сульфиды индия, цинка и свинца; карбиды железа, кобальта, никеля, титана; соединения магния с элементами 13-й группы периодической системы, включая интерметаллиды и т.д.
Впервые получено физико-химическое обоснование и прямой ответ на вопрос о причинах роста металлических свойств в ряду интерметаллидов MgC2,
Mg2Si, Mg2Ge, Mg2Sn, Mg2Pb, определяемого соответствующим увеличением степени меташшчности (См) (в %), уменьшением степеней ковалентности (Ск) и ионности (Си) гетероядерных связей этих соединений.
Показан общий характер влияния Ск, См и Си на длину и энергию гетероядерных связей в бинарных соединениях и ряд физико-механических эксплутационных свойств материалов на их основе, связанных с их надежностью и конкретной функциональной практической направленностью.
Совокупность полученных данных позволяет говорить о перспективности разрабатываемых методик и подходов для оценки характеристик гетероядерных связей в бинарных и других соединениях для изучения особенностей структуры и свойств новых металлических и неметаллических материалов на их основе.
Разработанные методики передаются учреждениям и предприятиям, заинтересованным в их практическом применении и внедрены в учебный процесс КГЭУ при проведении лекционных и практических расчетных занятий по курсу «Современное материаловедение», в том числе в методических указаниях и контрольных заданиях для студентов-заочников (Сироткин О.С., Сироткин P.O., Трубачёва A.M., Шибаев П.Б., Макарина С.Н. Современное материаловедение. Казань, КГЭУ, 2004,40 с.)
Личный вклад автора. Получение основных практических результатов по обоснованию, разработке методик оценки степени металличности (См) в структуре материалов на основе бинарных соединений и ее апробации.
На зашиту выносятся:
-данные по разработке и обоснованию соответствующих способов и методик учета металлической компоненты (в дополнение к ковалентной и ионной) в гетероядерном взаимодействии элементов тонкой структуры бинарных соединений и материалов.
-результаты апробации предложенных подходов, методик и результаты оценки особенностей гетероядерных связей в некоторых бинарных соединениях элементов для характеристики тонкой структуры и специфики свойств материалов на их основе.
Апробация работы. Результаты работы обсуждались на IX и X Всероссийских конференциях «Структура и динамика молекулярных систем. Яльчик -2002» (Уфа, 2002, 2003 гг.); ХУЛ Менделеевском съезде по общей и прикладной химии (Казань, 22-26 сентября 2003 г.); Шестой и седьмой межд. конференциях «Циклы» (Ставрополь, 2004, 2005); Международной научной конференции «Новые перспективные материалы и технологии их получения (НПМ) - 2004» (Волгоград, 20 - 23 сентября 2004 года) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 16 печатных работ в центральных журналах, сборниках статей, научных трудов и тезисов докладов, включая 10 статей, 5 тезисов докладов и 1 учебно-методическую работу.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка использованной литературы и приложений. Диссертация изложена на 226 страницах, включает 40 рисунков и 30 таблиц. Библиографический список включает 257 наименований.
Автор выражает благодарность за научную консультацию в области разработок методик по оценке См PhD, к.х.н. P.O. Сироткину, а в области квантово-механического моделирования - д.х.н., проф. P.P. Назмутдинову, и K.X.H. Д.В. Глухову.
