Глава 3. Механические свойства твердых тел

Твердое тело — одно из четырех основных агрегатных состояний вещества, отличающееся от других агрегатных состояний (жидкости, газов, плазмы) стабильностью формы и характером теплового движения атомов, совершающих малые колебания около положений равновесия. В отсутствие внешних воздействий твердое тело сохраняет свои форму и объем.

Твердые тела могут пребывать в кристаллическом и аморфном состояниях. Кристаллы характеризуются пространственной периодичностью в расположении равновесных положений частиц, которая достигается наличием дальнего порядка и носит название кристаллической решетки (рис. 3.1, а). В зависимости от природы частиц, находящихся в узлах, и характера сил взаимодействия различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. Естественная форма кристаллов — правильные многогранники. Согласно классическим представлениям, устойчивым состоянием (с минимумом потенциальной энергии) твердого тела является кристаллическое.

Кристаллическое тело может быть монокристаллом или поликристаллом. Монокристалл — твердое тело, частицы которого образуют единую кристаллическую решетку (одиночный кристалл). К монокристаллам относятся природные кристаллы (кварц, алмаз, турмалин), крупинки соли, сахара, соды. Плотность расположения частиц в кристаллической решетке не одинакова по различным направлениям. Это приводит к зависимости физических свойств монокристаллов (механических, тепловых, электрических, оптических) от направления — анизотропии. Поликристалл — твердое тело, состоящее из беспорядочно ориентированных монокристаллов. Поликристаллическими являются большинство твердых тел, с которыми мы имеем дело в быту, — сахар-рафинад, металлические изделия и т.д. Беспорядочная ориентация сросшихся микрокристалликов приводит к исчезновению анизотропии свойств.

В аморфных телах атомы колеблются вокруг хаотически расположенных точек, у них отсутствует дальний порядок, но сохраняется ближний, при котором молекулы расположены согласованно на расстоянии, сравнимом с их размерами (рис. 3.1, б). Аморфное тело находится в метастабильном состоянии и с течением времени должно перейти в кристаллическое состояние, однако время кристаллизации часто столь велико, что метастабильность вовсе не проявляется. Аморфное тело можно рассматривать как жидкость с очень большой (часто бесконечно большой) вязкостью. К аморфным телам относятся стекло, янтарь, различные другие смолы, пластмассы. Хотя при комнатной температуре эти тела сохраняют свою форму, но при повышении температуры они постепенно размягчаются и начинают течь, как жидкости. Аморфные тела не имеют определенной температуры плавления, а значит, и температуры кристаллизации. Этим они отличаются от кристаллических тел, которые при повышении температуры переходят в жидкое состояние не постепенно, а скачком (при вполне определенной температуре — температуре плавления). Все аморфные тела изотропны, то есть имеют одинаковые физические свойства по разным направлениям. При ударе они ведут себя как твердые тела — раскалываются, а при очень длительном воздействии, например, механическом давлении, — текут.

Рис. 3.1. Модель расположения атомов в твердых телах: а — в кристалле; б — в аморфном теле

Полимеры — это вещества, молекулы которых представляют собой длинные цепи, состоящие из большого числа атомов или атомных группировок. Такая особенность химического строения полимеров обусловливает их особые физические свойства. К полимерным материалам относят почти все живые ткани, поэтому подробнее рассмотрим строение и свойства полимеров. Большинство природных полимерных материалов представляет собой белковые вещества: простые белки — альбумины, глобулины; сложные — казеин, кератины, коллаген и др.

Длинноцепочечное строение молекул полимеров способствует образованию пленок и волокон. Простейшим органическим полимером является полиэтилен, полимерная цепь или макромолекула которого состоит из многократно повторяющихся мономерных звеньев, образующихся при соединении молекул этилена:

n (CH₂ == CH₂) → [— CH_2 — CH_2 — ]n

Полиэтилен — представитель линейных полимеров. Линейными называют полимеры, макромолекулы которых состоят из длинных одномерных цепей (рис. 3.2, а, где А — мономерное звено). Разветвленный полимер, кроме основной цепи, имеет боковые ответвления (рис. 3.2, б). Полимеры, построенные из длинных цепей, соединенных друг с другом в пространственную сетку, являются сетчатыми, или пространственными, а построенные из одинаковых полимеров — гомополимерами. Полимерные соединения, цепи которых состоят из различных мономерных звеньев, относят к гетерополимерам.

Рис. 3.2. Виды полимеров: а — линейный; б — разветвленный (Ремизов А.Н., 2016)