Нитевидные кристаллы

Нитеви́дные кристаллы

«усы», Монокристаллы в форме иголок и волокон, имеющие диаметр от нескольких нм (десятков Å) до нескольких сот мкм и большое отношение длины к диаметру (обычно более 100). Известны самородные волокнистые кристаллы Au, Ag, Cu, Sn, Pb, S, различных окислов и силикатов. Часто природные Н. к. встречаются в виде включений внутри др. минералов (например, иглы рутила в природных кристаллах рубина, кварца).

Первые упоминания об искусственном получении Н. к. относятся к 16 в. Особенный интерес к Н. к. возник в 50-х гг. 20 в. — после того как было обнаружено, что Н. к. многих веществ обладают необычно высокими механическими свойствами. В последующие годы в лабораториях ряда стран получены Н. к. более 140 различных элементов и соединений. Н. к. некоторых тугоплавких соединений (карбида кремния, окиси алюминия, нитрида кремния и др.) выпускаются в промышленных масштабах.

Наиболее важное свойство Н. к. — уникально высокая прочность (близкая к теоретической, которую можно оценить из значений модуля упругости материала), в несколько раз превосходящая прочность массивных моно- и поликристаллов (рис. 1). Высокая прочность Н. к. объясняется совершенством их структуры и значительно меньшим, чем у массивных кристаллов, количеством (а иногда полным отсутствием) объёмных и поверхностных дефектов (одна из важнейших причин малой дефектности Н. к. — их малые размеры, при которых вероятность присутствия дефекта в каждом из кристаллов невелика).

Н. к. тугоплавких соединений, помимо высокой температуры плавления и прочности, имеют высокий модуль упругости, химически инертны по отношению ко многим металлическим, полимерным и керамическим материалам до весьма высоких температур. В Н. к., в отличие от поликристаллических волокон, не могут идти процессы рекристаллизации (См. Рекристаллизация), обычно вызывающие резкое падение прочности при высоких температурах. Известно большое число методов получения Н. к.: физическое испарение с последующей конденсацией, осаждение из газовой фазы при участии химических реакций, Кристаллизация из растворов, направленная кристаллизация эвтектических сплавов, выращивание на пористых мембранах и др. Н. к. тугоплавких металлов и соединений обычно получают методом осаждения из газовой фазы в высокотемпературных печах периодического, полунепрерывного или непрерывного действия. На рис. 2 показаны возможные схемы роста Н. к. Наиболее важные направления в применении Н. к. — реализация их высоких прочностных свойств в композиционных материалах (См. Композиционные материалы), а также использование их высокой тепловой и абразивной стойкости.

Лит.: Бережкова Г. В., Нитевидные кристаллы М., 1969; Монокристальные волокна и армированные ими материалы, пер. с англ., М., 1973.

В. Н. Грибков, К. И. Портной.

Рис. 2. Схемы роста нитевидного кристалла из газовой фазы по дислокационному механизму (а) и механизму пар — жидкость — твёрдая фаза (б).

Рис. 1. Прочность нитевидных кристаллов в сравнении с теоретической и реальной прочностью некоторых материалов: 1 — теоретическая (σ — 0,1 Е, где Е — модуль упругости); 2 — нитевидные кристаллы; 3 — непрерывные волокна; 4 — массивные образцы.