Polikryształ

Polikrystalicznej (również multikrystaliczny lub rzadziej polikrystalicznego ) jest krystaliczne ciało stałe , które składa się z licznych małych pojedynczych kryształów ( krystalitów ), które są oddzielone od siebie poprzez granice ziaren . Poszczególne krystality mogą mieć bardzo różne rozmiary. Na ogół kryształy o wielkościach krystalitów w zakresie mikrometrów do centymetrów są określane jako polikrystaliczne.

Demarkacja

Substancje o małych krystalitach są często określane jako mikrokrystaliczne lub (rzadko) nanokrystaliczne . Kryształów , których budowa bloków tworzą jednolity i jednorodny krystaliczną całej , nazywana jest monokryształem lub monokryształ .

Większość krystalicznych ciał stałych w przyrodzie jest polikrystaliczna. Dlatego często nie wspomina się o strukturze polikrystalicznej, ale przyjmuje się, że jest to normalny przypadek. Ale są też substancje, które powstają jako monokryształy: Na przykład diamenty mają prawie idealnie monokrystaliczny kształt.

posługiwać się

Ponieważ metale zwykle krzepną w polikryształy, materiały konstrukcyjne, takie jak stal , aluminium i tytan, mają strukturę polikrystaliczną - z kilkoma wyjątkami ( łopatki turbin czasami są wykonane z monokryształów) . Z tego powodu materiały metaliczne o losowej teksturze mają właściwości izotropowe pomimo anizotropii krystalicznej. W technologii polikryształy są również wykorzystywane do ogniw słonecznych (krzem polikrystaliczny). Z reguły są tańsze w produkcji niż ogniwa słoneczne z krzemu monokrystalicznego , z którego również wytwarza się mikroczipy . Polikrystaliczne ogniwa słoneczne są jednak mniej wydajne .

Sztuczne diamenty polikrystaliczne stosowane są jako narzędzia skrawające w obróbce drewna, tworzyw sztucznych i metali nieżelaznych .

Właściwości elastyczne

W przypadku statystycznego równomiernego rozkładu wszystkich orientacji przestrzennych ziaren samoistnie monokrystalicznych i elastycznie anizotropowych , polikryształowi nadane są na zewnątrz elastycznie izotropowe właściwości ciała stałego, takie jak sprężystość , ścinanie i moduł ściskania . Jeśli te moduły są teraz obliczane na podstawie zmierzonych danych powiązanych monokryształów, pojawiły się dwa graniczne przypadki uśredniania statystycznego:

• Zakładając równomierne odkształcenie wszystkich ziaren polikryształu, powstają różne naprężenia wynikające z zależności orientacji składowych tensora sprężystości (tensora sztywności), tak że ten ostatni jest uśredniany (wartości średnie wg Woldemara Voigta (1887)) .
• Zakładając równomierne naprężenie wszystkich ziaren dla różnych odkształceń powstanie tak, że poprzez współczynnik sprężystości ( Nachgiebigkeitstensor (wartości średnie według, ang.: tensor podatności) uśrednia się András Reuss (1929)).

Średnie wartości według Voigta są na ogół większe niż według Reussa. Zmierzone wartości tych modułów mieszczą się zazwyczaj pomiędzy dwiema wartościami średnimi: średnie wartości Voigta tworzą więc górną granicę, a Reuss dolną. Dlatego Hill zaproponował w 1952 roku użycie średniej arytmetycznej ze średniej Voigta i Reussa jako przybliżenia teoretycznego, dziś często nazywanego średnią Voigta-Reussa-Hilla. Granice teoretyczne są węższe niż wartości średnie według Voigta i Reussa dla modułów półprzewodnikowych według metody obliczeniowej Hashina i Shtrikmana z 1962/63. Program obliczeniowy w języku FORTRAN dla wszystkich wyżej wymienionych wartości modułów dla polikryształów został opublikowany w formie drukowanej w 1987 roku.

Indywidualne dowody

1. ↑ W. Voigt: Teoretyczne badania zależności sprężystości kryształów. I. Wyprowadzenie podstawowych równań z założenia o cząsteczkach obdarzonych polarnością . W: Abh. Ges. Wiss., Getynga . taśma 34 , nie. 1 , 1887, s. 3-52 ( uni-goettingen.de ). 
2. ↑ A. Reuss: Obliczanie granicy plastyczności kryształów mieszanych na podstawie warunku plastyczności monokryształów . W: Z. angew Matematyka Mech . taśma 9 , nie. 1 , 1929, s. 49-58 , doi : 10.1002 / zamm . 19290090104 . 
3. ^ R. Hill: Elastyczne zachowanie kruszywa krystalicznego . W: proc. Fiz. Soc. Londyn . 65, nie. 5 , 1952, s. 349-354 , doi : 10.1088/0370-1298/65/5/307 . 
4. ↑ Z. Hashin, p Shtrikman: O niektórych zasadach wariacyjnych w elastyczności anizotropowej i niejednorodnej . W: J. Mech. Phys. Ciała stałe . taśma 10 (4) , 1962, s. 335-342 , doi : 10.1016 / 0022-5096 (62) 90004-2 . 
5. ↑ Z. Hashin, p Shtrikman: Wariacyjne podejście do teorii sprężystego zachowania materiałów wielofazowych . W: J. Mech. Phys. Ciała stałe . taśma 11 , nie. 2 , 1963, s. 127-140 , doi : 10.1016 / 0022-5096 (63) 90060-7 . 
6. ↑ J. Peter Watt: POLYXSTAL: program FORTRAN do obliczania średnich właściwości sprężystych minerałów na podstawie danych dotyczących sprężystości pojedynczego kryształu . W: Komputery i nauki o Ziemi . taśma 13 , nie. 5 , 1987, s. 441-462 , doi : 10.1016 / 0098-3004 (87) 90050-1 .