Дефекты объемные — Энциклопедия по машиностроению XXL
Измеряют Kti- При Ки 10 дБ — плоскостной. [c.263]Продольные и кольцевые сварные соединения сосудов и аппаратов обычно контролируют с применением форматной пленки, которую размещают с внутренней стороны изделия. При просвечивании швов надежно выявляются газовые поры, шлаковые включения и другие дефекты объемной формы. Трещины, не-сплавления по кромке шва и другие дефекты плоской формы выявляются в том случае, если плоскость их раскрытия совпадает с направлением излучения. Перед проведением контроля сварной шов и околошовную зону следует очистить от шлака, брызг расплавленного металла и других загрязнений недопустимые наружные дефекты сварного соединения следует устранить. Объем контроля определяется на основании ОСТ 26-291—79 Сосуды и аппараты стальные сварные. Технические требования и технических условий. [c.112]
Объемные дефекты.
Для оценки типа обнаруженного дефекта (объемный или плоскостной) при контроле толстостенных стыковых сварных соединений определяют коэффициент формы дефекта /еф, который измеряют двумя искателями, включенными по схеме тандем . [c.187]
К дефектам объемной формы относятся поры, шлаковые включения И их разновидности. [c.7]
Обычное твердое тело (исключая стекло и пластики) представляет агломерат множества микроскопических (10 — 10″» сж) мелких почти идеальных кристаллов. Во всех реальных твердых телах имеются при этом различные дефекты объемные примеси, адсорбированные газы, вакантные узлы в решетке и т. д. [c.396]
Этот метод может быть эффективно применен для обнаружения расслоений в листах и плитах, нарушения сцепления в многослойных изделиях (биметаллические листы, подшипники, тормозные диски) и различных дефектов объемного характера в изделиях небольшой толщины и несложной формы (плоскопараллельные тела, тела вращения).
Чувствительность теневого метода определяется [2] дифракционными явлениями в области звуковой тени (и, следовательно, падает с увеличением расстояния от дефекта до задней грани контролируемого изделия), а также величиной коэффициента затухания и уровнем структурной реверберации материала изделия.
[c.58]
В процессе эксплуатации оболочковых конструкций стыковые соединения их стенок могут претерпевать 10 — 10 циклов давления, а растягивающие напряжения в стыковых соединениях стенок изменяться от 0,1 до 0,9 Ор2 основного металла. В этих условиях возможно зарождение и последующее подрастание усталостных трещин от технологических дефектов. При этом, как показывают результаты экспертиз аварий, трещины могут зарождаться и подрастать как от плоских трещиноподобных дефектов, так и дефектов объемных.
Возможность получения тонкостенных, сложных по форме или больших по размерам отливок без дефектов предопределяется литейными свойствами сплавов.
Наиболее важные литейные свойства сплавов жидкотекучесть, усадка (линейная и объемная), склонность к образованию трещин, склонность к поглощению газов и образованию газовых раковин и пористости в отливках и др.
[c.122]
Кинетика выделения фаз при распаде твердых растворов. Распад с выделением фаз происходит по механизму образования и роста зародышей в соответствии с общими закономерностями этого механизма. Помимо затрат выделившейся объемной свободной энергии на приращение поверхностной энергии и компенсацию энергии упругих деформаций, образование зародышей тормозится еще и необходимостью больших флуктуаций концентрации. Поэтому для начала распада требуются большие степени переохлаждения (пересыщения) и длительные выдержки при соответствующих температурах. В то же время при данных температурах должны заметно развиваться процессы диффузии растворенных компонентов. Общая скорость образования новой фазы в зависимости от степени переохлаждения описывается кривой с максимумом.
Все вышеперечисленные методы дают качественную оценку технического состояния оборудования. При их проведении обнаруживаются объемные опасные дефекты, такие как трещины, подрезы, непровары, поры. Однако необходимо отметить, что появление таких дефектов является лишь заключительной стадией процессов, происходящих на микроуровне и сопровождающихся изменением характеристик прочности, пластичности и трещиностойкости. Одним из таких процессов является охрупчивание (деформационное упрочнение) материала, вызывающее повышение временного сопротивления Св, предела текучести Пг и снижение запаса пластичности, ударной вязкости и трещиностойкости.
Характер и степень нарушения правильности кристаллического строения (дефекты) определяют в значительной степени свойства металлов [15]. По геометрическим признакам дефекты подразделяются на точечные, линейные, поверхностные и объемные. [c.46]
Трехмерные, или объемные, дефекты — это макродефекты, которые представляют собой изолированные в кристалле участки объема, существенно превышающие объем элементарной ячейки. К таким дефектам относятся трещины, пустоты, дендриты, включения других кристаллов, газов, жидкостей и т.д. [20]. [c.49]
В процессе кристаллизации могут образовываться все типы дефектов точечные, линейные, поверхностные и объемные. [c.50]
Интегрирующая концепция строения дробно-размерного переходного слоя применительно к поликристаллическим телам, которую мы кратко приводим ниже, имеет цель показать закономерности протекания процессов самоорганизации, распределения различного рода дефектов и их роль при переходе из объемной части вещества к поверхности раздела фаз с ее специфическими свойствами.
Трехмерные, или объемные, дефекты — это макродефекты, которые представляют собой изолированные в кристалле участки объема, существенно превышающие объем элементарной ячейки. К таким дефектам относятся [c.267]
Объемные (трехмерные) дефекты—это микропустоты и включения другой фазы. Они возникают обычно при выращивании кристаллов или в результате некоторых воздействий на кристалл. Так, например, наличие большого количества примесей в расплаве, из которого ведется кристаллизация, может привести к выпадению крупных частиц второй фазы. [c.85]
Последующее поведение локального объема и процесс образования несплош-ности в этом объеме можно рассматривать как взаимосвязанную цепь элементарных процессов разрыва связей. Так, например, пересечение дислокаций, которое становится возможным при достижении некоторой пороговой плотности дислокаций, приводит к следующим связанным процессам образование порогов на дислокациях —> движение дислокаций с порогами —> порождение точечных дефектов -> объемная самодиффузия диффузия моновакансий и внедренных атомов.
По аналогии с точечными, линейными и поверхностными дефектами можно наметить группу объемных дефектов. Объемные дефекты согласно классификации не являются малыми во всех трех измерениях. К ним можно отнести скопления точечных дефектов типа пор, а также системы дислокаций, распределенных в объеме кристалла. Другими словами, благодаря наличию в кристалле точечных, линейных и плоских дефектов кристаллическая решетка может отклоняться от идеальной структуры в больших объемах кристалла. Кроме того, к объемным дефектам, например в монокристалле, можно отнести кристаллики с иной структурой или ориентацией решетки. В структуре кристалла будут значительные различия между центром дефекта и матрицей, а в матрице возникнут смещения атомов, убывающие с удалением от ядра дефекта.
Реализация двухуровневой системьЕ оценки допустимости дефектов иллюстрируется схемой на рис. 5.10. При одноуровневой системе (штриховые линии) дефект признают или допустимым, если А Лдр. При двухуровневой системе (сплошные линии) для дефектов с А > Ле,, определяют их форму. Если дефект оценен как плоскостной, его признают безусловно недопустимым. Если же дефект объемный, то его допустимость оценивают на другом, более мягком уровне [c.217]
Варьируя режимы и параметры деформационно-термической обработки (температура, скорость, степень деформации, количество проходов и маршруты движения заготовки в процессе РКУ-прессования и ТМО), из исходного горячедеформированного состояния были получены и исследованы три наноструктурных (1, 2, 3) состояния, существенно различающиеся размером и формой зерен, плотностью дефектов, объемной долей высокоугловых разо-риентаций зерен и механическими свойствами.
[c.240]Процесс разрыва по Гриффитсу — есть постепенное отрывание двух половин образца, начиная с трещины, т. е. разрыв сводится к увеличению X. Ширина трещины предполагается бесконечно малой, вследствие этого напряжение, получаемое в конце трещины, достигает бесконечно большо величины при любой конечной величине приложенного напряжения Р. Однако разрыв происходит только при Р — Ркр1 так как до этого дефект объемной энергии, связанный с этими напряжениями, компенсируется поверхностной энергией. Бесконечно узкая трещина не имеет физического смысла. В действительности, трещины, если они есть, имеют конечную ширину, однако настолько малую, что получаемые на их концах перенапряжения по порядку величины приближаются к теретической прочности вещества. Учет размеров пластинки не внесет ничего существенного, а изменит только численный множитель в формуле (3.2).
Установка СКАРУЧ предназначена для контроля сварных соединений толщиной до 60 мм.
Установка состоит из восьмиканального дефектоскопа и механоаку-стического блока, который имеет датчик измерения пройденного пути и включает две акустические подвески с различным количеством (до шестнадцати) ПЭП, расположенных на разных сторонах от оси сварного шва. Установка позволяет идентифицировать тип дефекта (объемный, плоскостной, объемно-плоскостной) и определять его размеры (длину, развитие по высоте сечения).
[c.259]
Радиогра- фические рентге- новский Поглоще- ние Интерфе- ренция Да Нет Огра- ниченно Нет Огра- ниченно Нет Объемные внутренние дефекты Документация Толщина образцов, плоскостность, двухмерное разделение, кристаллическая структура [c.154]
Наиболее легко дифс1)узня протекает по поверхности и границам зерен, где сосредоточещ) дефекты кристаллического строения (вакансии, дислокации и т. д.). Поэтому энергия активации диффузии по границам зерен (блоков) примерно вдвое меньше, чем в объеме, т. е. при объемной диффузии.
[c.28]
Зерна, растущие с большой скоростью, можно условно рассма тривать как зародышевые центры и поэтому процесс их роста получил название вторичной рекристаллизации. В результате вторичной рекристаллизации образуется множество мелких зерен и небольшое число очень крупных зерен. Вторичная рекристаллизация, вероятно, вызывается благоприятной для роста кристаллографической ориентировкой отдельных зерен, меньшей чем у других зерен концентрацией дефектов (величиной объемной энергии) и более высокой подвижностью границ в результате неравномерного выделения примесей. В большинстве случаев причиной вторичной рекристаллизации является торможение роста большинства зерен, образовавшихся при первичной рекристаллизации, дисперсными частицами примесей. Вторичная рекристаллизация, вызывающая образование крупного зерна и разнозернистости, способствует снижению механических свойств металлов. [c.57]
Фракталами называют самоподобные объекты, инвариантные относительно локальных дилатаций, т.
е. объекты, которые при наблюдении при различных увеличениях повторяют один и тот же (самоподобный) рисунок. Фракталы обладают также свойством универсальности. Слово «универсальный» означает «всеобъемлющий», а самоподобный означает подобный сам себе (подобно матрешкам, вложенным друг в друга). Понятия универсальность и самоподобие с развитием синергетики и теории фрактальных структур получили новую жизнь, так как принципы синергетики и фрактальной геометрии объединяют все науки. Универсальность фракталов заключается в том, что они инвариантны к природе объекта — физической, химической, биологической или какой-либо другой. Свойство универсальности фрактальных структуф позволяет использовать фрактальную размерность как единую количественную меру разупорядоченности структуры различной природы. В материаловедении традиционно используется евклидова размерность d, позволяющая описывать точечные дефекты размерностью d=0, отрезки прямых линий — d=l, плоских элементов — d=2, объемных — d=3. Однако, природа изобилует объектами с дробной размерностью, т.
е. не отвечающей ни одной из указанных значений. Их структура может быть количественно оценена фрактальной размерностью, которая в силу того, что объект разрежен, всегда больше топологической размерности.
[c.77]
Следующая зона II (см. рис. 75), расположенная в сторону вышележащих подповерхностных зон переходного слоя, имеет рыхлую, пористую структуру, связанную с обрывом большого количества дислокаций в нижележащей зоне. Она может быть описана как губка Менгера. В ней реализуются растягивающие напряжения. Фрактальная размерность заполнения веществом материала трехмерного пространства в данной зоне принимает значения в интервале 3>Л ° >2,5. Понижение фрактальной размерности и плотности вещества происходит за счет роста количества вакансий и пор в данной зоне переходного слоя. Фрактальная размерность структуры дефектов увеличивается по толщине зоны в направлении от объемной части и увеличивает энергетическое содержание данной области переходного поверхностного слоя.
[c.119]
Необходимо отметить, что при переходе в более высоколежащую зону переходного слоя — в область нестехиометрии — взаимодействие дефектов кристаллической решетки со структурой составляющего данную решетку набора частиц играет роль предвестника новой фазы. Например, в решетке РеО избыточные вакансии в катионной подрешетке образуют ассоциаты дефектов — кластеры из двух вакансий в подрешетке Ре и межузельного атома Ре Когда таких кластеров становится много, то они распределяются упорядоченно [75] — в этом пределе кластеры становятся структурными элементами решетки другого соединения — Рез04, Именно в этой части дефекты решетки следует называть не вакансиями, а дефектами решетки вычитания на базе кристаллической решетки объемной фазы, либо на базе кристаллической решетки стехиометрического соединения частиц обеих граничащих фаз — в зависимости от химических свойств объемных фаз и внешних условий (температуры., давления и др.). [c.122]
При переходе непосредственно от однородного распределения свойств в объемной части кристаллического тела (D =3) наблюдается массовый выход дислокаций и формируется первая подповерхностная зона I с повышекной плотностью данных линейных дефектов (рис.
6.16). В этой зоне осуществляется самоорганизация дислокационных скоплений в замкнутые ячеистые, спиральиыс или другие структуры. Сжимающие напряжения в ней обеспечивают сохранение форл ы и свойств граничащей с ней объемной фазы, которая простирается вглубь объекта. В частности, увеличение плотности дислокаций способствует упрочнению материала, что используется в некоторых технологических методах поверхностной обработки сталей.
[c.300]Наиболее распространенными дефектами, имеющими объемный характер, являются поры. Так как поры образуются посредством давления газов, они, как правило, имеют округлую сферическую форму редко встречаются поры вытянутые или более сложной формы. Для сварных конструкций общего назначения единичные поры обычно являются допустимым дефектом. При этом регламентирзтося максимально допустимый диаметр пор и расстояние между ними. Вопрос о том, какую пору считать единичной, до сих пор остается открытым. Влияние пористости на работоспособность сварных соединений рассмотрено во многих работах.
Некоторая систематизация и обобщение отдельных ДаннЫХ Приведена В работе И, И. Макарова /16/. Полученные данные в основном сводятся к следующему.
[c.37]
Дефекты нульмерные — Справочник химика 21
Размерность элемента структуры кристалла принимают за нулевую и выделяют следующие типы дефектов нульмерные, одномерные, двумерные, трехмерные [Современная кристаллография, т. 2, 1979]. [c.5]По природе и происхождению дефекты подразделяют на следующие типы точечные (нульмерные), линейные, или дислокации (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные). [c.178]
Природа дефектов может быть различной и простирается от микроуровня (электронного, атомного) до дефектов в микрообъемах вещества. В зависимости от размера той области неупорядоченности (области искажений решетки), которую занимают те или иные дефекты, их можно классифицировать по чисто геометрическому признаку — размерности дефекта ( размерность — число измерений, по которым дефект имеет макроскопическую протяженность).
По этой классификации дефекты кристаллической решетки разделяют на нульмерные (точечные), одно-, двух- и трехмерные. Нульмерные дефекты в первом приближении занимают в кристалле область искажений, соизмеримую по всем направлениям с размером атома или электрона. Одномерные дефекты имеют протяженность, значительно превосходящую размер атомов в каком-либо одном направлении (в других направлениях они нульмерны), двухмерные — в двух и трехмерные — в трех направлениях. [c.66]
Нуль- и одномерные дефекты относятся к микродефектам или дефектам тонкой структуры кристалла. Нульмерные дефекты можно разделить на электронные и атомные. К электронным дефектам принадлежат избыточные электроны, дырки и экситоны. К атомным нульмерным дефектам (рис. 11) относятся вакансии (незанятые узлы решетки), примесные атомы, замещающие собственные атомы вещества в их регулярном положении (в узлах решетки), и собственные или примесные атомы, находящиеся (дислоцированные) в иррегулярном положении в междоузлиях решетки (частицы, находящиеся в междоузлиях, иногда называют междоузельными или [c.
66]Как уже отмечалось, к атомным нульмерным или точечным дефектам относятся вакансии, примесные атомы в регулярных узлах решетки и примесные атомы, дислоцированные в междоузлиях. Эти типы дефектов в принципе могут встречаться в решетке кристаллов в отдельности, но чаще всего они присутствуют в комбинации друг с другом. В зависимости от этого различают следующие типы атомных нульмерных дефектов твердые растворы (включая дефекты нестехиометрии), дефекты по Шоттки и дефекты по Френкелю. [c.67]
Опишите типы нульмерных и одномерных дефектов в решетках кристаллических веществ и укажите, на какие их свойства они оказывают особенно большое влияние. [c.102] Любое искажение или нарушение регулярности в расположении атомов кристалла естественно считать дефектом кристаллической решетки. Наличием дефектов реальный кристалл отличается от идеальной кристаллической решетки, и ряд свойств реального кристалла определяется его дефектной структурой.
Характер влияния дефекта на физические свойства кристалла существенно зависит от размерности дефекта. Под размерностью мы понимаем количество измерений, по которым дефект имеет макроскопические размеры. . Точечным (или нульмерным) дефектом называется искажение кристаллической решетки, сконцентрированное в объеме порядка величины атомного объема. Если правильное расположение атомов нарушается лишь в малой окрестности некоторой линии, то соответствующий дефект мы будем называть линейным (или одномерным). Наконец, когда нарушение правильного расположения атомов в решетке сосредоточено вдоль участка некоторой поверхности, захватывая слой толщиной порядка межатомных расстояний, то в кристалле существует поверхностный (или двухмерный) дефект. [c.174]
До сих пор мы рассматривали атомные дефекты, связанные с неправильным расположением отдельных атомов, каждый из которых проявляет себя как некоторая изолированная квазичастица.
Такие дефекты обычно называют точечными (нульмерными). Вместе с тем в реальных твердых телах всегда существует большое число разнообразных нарушений идеальной кристаллической структуры, одновременно охватывающих значительные группы атомов и проявляющих себя как протяженные (одно-, двух- и трехмерные) дефекты. Детальное описание протяженных дефектов не является целью данной книги, так как это потребовало бы существенно иного подхода и иного формализма, не меняя при этом принципиального содержания излагаемой здесь теории. Поэтому мы ограничимся лишь краткой характеристикой простейших протяженных дефектов, рассматривая их по степени усложнения пространственной структуры. [c.44] Механическая обработка металлов, введение примеси и действия излучений высоких энергий на твердые кристаллические вещества, используемые как катализаторы, во многих случаях повышают их каталитическую активность. Это заставляет предположить, что возникающие при этом дефекты в строении кристаллов связаны определенным образом с каталитическими центрами на их поверхности.
Дефекты в кристаллах подразделяют на нульмерные, одномерные и двухмерные. Нульмерные (точечные) дефекты в свою очередь подразделяются на энергетические, электронные и атомные. [c.453]
Как было выяснено, электронные переходы, вызывающие испускание света, а также аккумуляцию (запасание) энергии возбуждения и внешнее тушение или, в общем случае, миграционные потери, происходят в особых субмикроскопических образованиях, связанных с дефектами кристаллической решетки. В широком смысле слова к дефектам относят всякие нарушения периодического строения кристалла, включая свободные (делокализованные) электроны и дырки, а также фононы. Однако, говоря о дефектах, мы будем иметь в виду главным образом нарушения правильного расположения атомов. Это в первую очередь точечные (нульмерные) атомные дефекты — вакансии, междоузельные атомы и атомы растворенных в кристалле примесей. Центры свечения чаще всего связаны с примесными дефектами. Собственные дефекты играют важную роль в образовании центров захвата и нередко входят также в состав центров свечения.
[c.81]
В кристаллографии в первую очередь рассматриваются точечные (нульмерные) дефекты. Это вакансии, атомы внедрения, замещения или изоморфные примеси (ИП). [c.33]
Дефекты в кристаллах принято классифицировать по их размерам точечные и атомные дефекты (нульмерные), линейные дефекты (одномерные), поверхностные дефекты (двумерные). Появление объемных дефектов соответствует выделению второй фазы и, следовательно, нарушению монокристалличности обра з-ца. В этом случае создается гетерогенная система, в которой выделившаяся фаза не оказывает непосредственного влиякия на структурно-чувствительные свойства материнской фазы, хотя свойства образца в целом претерпевают заметные и часто резкие изменения. [c.161]
ДЕФЕКТЫ в кристаллах (от лат. упорядоченного расположения частиц (атомов, ионов, молекул), характерного для идеального кристалла. Образуются в процессе роста кристалла из расплава или р-ра, а также под влиянием внеш.
воздействий (тепловых, электрич., мех., при разл. видах облучения), при введении примесей. Различают точечные (нульмерные), линейные (одномерные), поверхностные (двухмерные) и объемные (трехмерные) Д (см. рис. 1). [c.29]
Нульмерные дефекты в кристаллах 2/50, 51, 53 Нульметиновые красители 3/129, 130 Нуссельта уравнение 3/П41 [c.665]
К нульмерным, или точечным, дефектам относятся вакансии (незанятые места в структуре), любые примесные частицы (атомы, ионы, молекулы), находящиеся как в узлах структуры, так и в межузлиях, а также собственные межузельные частицы. К этим дефектам приводит тепловое движение атомов. Чем выше температура, тем больше таких дефектов существует в кристалле. При тепловом равновесии вблизи температуры плавления в кристаллах большинства веществ доля вакансий от общего числа атомных мест в идеальной решетке достигает примерно 10 , доля меж-узельных атомов — приблизительно 10″ . Вакансии, кроме того, образуются при вхождении в кристалл примесей с валентностью, отличной от валентности основных строительных единиц кристалла.
Так, наличие примеси Са + в кристаллах НаС1 обусловливает существование катионных вакансий в количестве, соответствующем атомной концентрации примеси. [c.5]
Физические показатели | Всё о красках
В зависимости от внешних условий возможно три агрегатных состояния вещества, каждое отличается характером движения частиц, который, в свою очередь, зависит от типа связи их друг с другом. По степени распространенности среди твердых тел выделяется кристаллическое состояние, кое характеризуется строго определенной ориентацией частиц друг относительно друга. Это, в свою очередь, обуславливает и внешнюю форму тела в виде какого-либо многоугольника – кристалла. В идеале кристалл ограничен плоскими гранями, сходящимися в точечных вершинах и прямолинейных ребрах. Такие монокристаллы иногда встречаются в природе, можно также получить их искусственно. Но большинство известных кристаллических тел являются поликристаллическими, т.е. сростками большого количества мелких кристаллов, имеют неправильную внешнюю форму но правильное внутреннее строение.
Получение кристаллов из растворов называют кристаллизацией. Процесс кристаллизации включает в себя:
1. Образование перенасыщенных растворов
2. Возникновение зародышей кристаллизации
3. Рост кристалла
4. Перекристаллизация (сочетание процессов растворения и кристаллизации)
Одним из способов получения перенасыщенных растворов является химическое взаимодействие веществ. Если в результате химической реакции образуется малорастворимое вещество, то со временем его концентрация становится выше растворимости и раствор по отношению к нему становится перенасыщенным.
Кристаллизация включает два процесса:
1. Рост уже имеющихся центров кристаллизации за счет отложения новых молекулярных слоев
2. Возникновение центров кристаллизации
В зависимости от условий эти процессы идут с разными скоростями. Если скорость первого процесса значительно больше скорости второго, то образуются крупные кристаллы, если наоборот – аморфный осадок, если скорости приблизительно равны, то образуется полидисперсная кристаллическая система.
Массовому возникновению центров кристаллизации способствует быстрое смешение холодных растворов, при медленном смешении горячих растворов образуются крупные кристаллы. Если в сосуде находятся полидисперсные кристаллы одного и того же вещества, то со временем будет постепенно происходить рост крупных кристаллов за счет растворения мелких. Это объясняется тем, что из-за большей удельной поверхности мелких частиц раствор по отношению к ним является ненасыщенным и наоборот. Теоретически, этот процесс завершится образованием одного крупного кристалла. Различная скорость роста отдельных граней кристалла обуславливает разнообразие форм. Изучением формы кристаллов занимается кристаллография.
Фазовое состояние твердого тела, характеризующееся правильной периодической повторяемостью в пространстве расположения структурных элементов называется кристаллическим состоянием. Все неорганические и органические пигменты являются кристаллическими веществами, и большая часть их физических и технических свойств определяется именно кристаллическим состоянием.
В зависимости от вида структурных элементов и преобладающего характера связи между ними кристаллы подразделяются на атомные (ковалентная связь), ионные (ионная связь), молекулярные (силы межмолекулярного притяжения) и металлические (металлическая связь). Среди пигментоввстречаются кристаллы со всеми видами связи, однако не всегда можно достаточно строго отнести кристалл к тому или другому виду. Чаще всего связи в кристаллах пигментов, по своей природе являющихся солями или оксидами, имеют ковалентный или ионно-ковалентный характер. Молекулярные кристаллы наиболее характерны для органических пигментов. Преобладающий характер связи определяет многие свойства кристаллов — твердость, температуру плавления, электрические свойства и др.
То или иное конкретное расположение структурных элементов вещества в пространстве носит название кристаллической структуры. Определенный отрезок, при переносе на который в каком-либо направлении вся кристаллическая структура совмещается сама с собой, называется трансляцией.
Совокупность трансляций образует кристаллическую
решетку.
Важнейшим признаком кристаллов является их симметрия, характеризуемая элементами симметрии (плоскости, оси и центры симметрии). Для кристаллов возможны 32 различных набора элементов симметрии. Это — так называемые классы симметрии. Параллелепипед, построенный из кратчайших трансляций, которые направлены по координатным осям, соответствующим симметрии кристалла, называется элементарной ячейкой. Углы при ее вершине и длины трансляций, являющихся ее ребрами, называются
параметрами решетки. В зависимости от направления координатных осей и соотношения размеров трансляций, из которых образована элементарная ячейка, все классы симметрии, которые возможны для кристаллических решеток, делятся на 6 систем, называемых сингониями: кубическая, тетрагональная, гексагональная, ромбическая, моноклинная и триклинная. Кубическая сингония относится к высшей категории симметрии, тетрагональная и гексагональная — к средней, ромбическая, моноклинная и триклинная — к низшей.
Если элементарные ячейки, соответствующие шести сингониям, дополнить, по мере возможности, кратчайшими трансляциями, не совпадающими с осями координат, то в элементарных ячейках появятся дополнительные узлы кристаллической решетки. Эти узлы будут располагаться в пространстве между вершинами параллелепипеда, представляющего собой элементарную ячейку. Они могут располагаться в центрах всех граней,— такая решетка носит название гранецентрированной; в центрах пары противоположных граней — базоцентрированная решетка; в центре ячейки — объемноцентрированная решетка. Если в ячейке нет узлов, кроме узлов в вершинах, то ячейка называется примитивной. Таким образом, по виду центровки решетки кубической сингонии подразделяются на гранецентрированные, объемноцентрированные и примитивные; решетки гексагональной сингонии — на дважды центрированные (два узла на большей объемной диагонали) и примитивные; решетки ромбической сингонии — на объемноцентрированные, базоцентрированные, гранецентрированные и примитивные; решетки моноклинной сингонии — на базоцентрированные и примитивные,_Решетка—триклинной сингонии
может быть только примитивной.
Эти 14 видов кристаллических решеток называются решетками Браве.
Для кристаллического состояния весьма характерно явление полиморфизма. Полиморфизм — это способность одного и того же химического вещества существовать в виде двух или нескольких кристаллических структур (модификаций). Переход из одной кристаллической модификации в другую называется полиморфным превращением. Кристаллические модификации одного и того же вещества обозначаются буквами греческого алфавита в порядке повышения температуры стабильного состояния данной модификации. Однако в химии пигментов для обозначения тех или иных модификаций часто пользуются исторически сложившимися названиями. Каждая кристаллическая модификация стабильна в определенном температурном интервале. Переход из одной модификации в другую сопровождается тепловым эффектом. Переход высокотемпературной модификации в низкотемпературную сопровождается выделением теплоты, обратный переход — поглощением теплоты. Переход одной кристаллической модификации в другую характеризуется обычно очень высоким значением энергии активации.
В случае перегрева вблизи температуры полиморфного превращения, а при переохлаждении даже при очень большом удалении от нее, число структурных элементов, обладающих достаточной энергией для перестройки в пространстве, невелико, тем более, что поглощенная твердым телом энергия, даже сравнительно большая, распределяется между колоссальным числом
структурных элементов. Поэтому вероятность полиморфного превращения незначительна. Таким образом, при данных условиях могут существовать метастабильные кристаллические модификации, т. е. модификации относительно устойчивые, но термодинамически неравновесные.
Знание и использование возможных полиморфных превращений того или иного химического соединения, применяемого в качестве пигмента, позволяет направленно регулировать его физико-химические свойства, которые у разных модификаций могут сильно различаться. Ближе по свойствам кристаллы в том случае, если они относятся к одной и той же категории симметрии, и тем более к одной и той же сингонии.
Переход от низшей категории симметрии к средней вызывает в этом случае резкое расширение полосы поглощения света в длинноволновую область, что вызывает значительное изменение окраски пигмента.
Модификации, относящиеся к одной сингонии, могут довольно значительно различаться по ряду физико-химических свойств — по плотности, показателю преломления, твердости и прочности кристаллов. Например диоксид титана анатазной модификации имеет плотность 3840 кг/м3 и показатель преломления 2,3, а рутильной модификации — 4200 кг/м3 и 2,6 соответственно. Рутил характеризуется большей твердостью, чем анатаз, и большей склонностью к явлению фототропии (обратимому изменению окраски под действием света в присутствии небольших количеств примесей), тогда как анатаз проявляет большую фотохимическую активность, нежели рутил.
Получая в результате синтеза ту или иную кристаллическую модификацию или смесь модификаций, можно в довольно широких пределах варьировать многие свойства пигмента.
Некоторые соединения, близкие по химическому составу, могут образовывать одинаковые кристаллические структуры.
Это явление называется изоструктурностью. Если соответствующие структурные единицы изоструктурных соединений способны к образованию близких по характеру связей и мало отличаются по объему, то эти соединения могут образовывать смешанные кристаллы. Такие химические соединения называют изоморфными.
Явления изоструктурности и изоморфизма широко используют при синтезе пигментов для управления процессами кристаллизации и повышения устойчивости метастабильных кристаллических модификаций (например, при синтезе лимонного свинцового крона для стабилизации ромбической модификации хромата свинца его соосаждают с изоморфным ему более устойчивым сульфатом свинца).
Многие свойства реальных кристаллических веществ, в отличие от идеальных кристаллов, в большой степени зависят от дефектов кристаллической структуры. Различают точечные, линейные, поверхностные и объемные дефекты. Точечным дефектом может являться вакансия, т. е. отсутствие атома или иона в узле кристаллической решетки, или атом или ион (принесенный или собственный), располагающийся между узлами.
Линейные дефекты, или дислокации,—
это нарушение периодичности расположения атомов или ионов вдоль какой-либо линии. Длина дислокации соизмерима с размерами кристалла, а ширина не превышает нескольких межатомных расстояний. Поверхностные дефекты — это нарушение периодичности кристаллической решетки, распространяющееся в двух направлениях. Толщина поверхностных дефектов не превышает нескольких межатомных расстояний. Объемные дефекты —
это макродефекты, представляющие собой включения в кристалл частиц другой фазы, микрополости, поры. Дефекты возникают как в ходе процесса кристаллизации, так и в последующих процессах термической обработки и механического измельчения, вызывающего деформацию кристаллов.
Все виды дефектов кристаллической решетки оказывают значительное влияние на свойства пигментов. Точечные дефекты влияют на цвет кристаллов, показатель преломления, плотность, электрическую проводимость, магнитные свойства. Наличие в кристаллической решетке посторонних атомов, даже в очень малых количествах, может вызывать явление фототропии — обратимого изменения свойств кристалла под действием света.
Так, диоксид титана анатазной модификации, содержащий незначительное количество примесей железа, хрома и никеля, под действием света приобретает коричневую окраску, исчезающую в темноте.
Поверхностные дефекты разделяют кристаллы на отдельные блоки различной формы и размеров, разориентированные друг относительно друга на некоторый угол, что придает кристаллам мозаичное строение. Выходящие на поверхность кристаллов поверхностные дефекты и дислокации вызывают ее микронеоднородность. Нарушение упорядоченности расположения атомов или ионов на поверхности по местам выхода линейных или поверхностных дефектов можно рассматривать как микрообласти с аморфным состоянием, характеризующимся повышенным запасом поверхностной энергии.
От объемных дефектов зависит прочность кристаллов, что играет важную роль в процессах механического измельчения и диспергирования пигментов.
Точечные дефекты вызывает нестехиометричность соединения как в объеме кристалла, так и на его поверхности.
В частности, такая нестехиометричность характерна для диоксида титана: из-за наличия вакансий содержание кислорода в кристаллической решетке может быть меньше стехиометрического на 0,1 моль. Нестехиометричность характерна для оксида цинка, в котором содержание кислорода может превышать стехиометрическое. Отклонение от стехиометрии, вызванное наличием в кристаллической решетке точечных дефектов, наблюдается и у других, оксидных пигментов (оксидов железа, свинца и др.).
Присутствие в кристаллической решетке посторонних ионов оказывает влияние на поверхностные свойства пигментов. Если посторонний ион имеет одинаковый заряд с ионом кристаллической решетки и отличается от последнего ионным радиусом, наблюдается деформация решетки. Такие дефекты в приповерхностном слое вызывают появление участков с повышенной поверхностной энергией, что влияет на адсорбционные свойства поверхности.
Трудовые действия | Подготовка полуавтоматизированного и автоматизированного оборудования к работе |
Контроль внешнего вида и геометрических параметров пластин | |
Контроль наличия дефектов в кристаллах | |
Маркировка негодных кристаллов | |
Разделение подложек и пластин | |
Укладка кристаллов в кассету (тару) | |
Формовка выводов элементов сложных многокристальных и гибридно-пленочных микросхем | |
Установка кристалла на гибком носителе | |
Нанесение присоединительного материала на топологическое посадочное место сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Флюсование элементов сложных многокристальных и гибридно-пленочных микросхем погружением | |
Облуживание участков поверхности кристаллодержателя | |
Ориентированная установка кристаллов сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы на специальных автоматах | |
Присоединение перевернутых кристаллов с объемными выводами | |
Присоединение кристаллов к кристаллодержателю сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Очистка кристаллов сложных многокристальных и гибридно-пленочных микросхем перед монтажом | |
Монтаж объемных и плоских выводов кристаллов сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Монтаж активных элементов сложной гибридно-пленочной микросхемы посредством групповой микросварки | |
Монтаж элементов многокристальной микросхемы с помощью ленточных носителей | |
Необходимые умения | Читать конструкторскую и технологическую документацию |
Облуживать поверхности элементов перед их монтажом | |
Формовать балочные выводы | |
Подготавливать выводы активных элементов сложной гибридно-пленочной микросхемы к монтажу | |
Использовать специализированное оборудования для разделения подложек и пластин | |
Использовать оптические приборы и аппараты для контроля внешнего вида и геометрических параметров пластин | |
Использовать установки автоматического контроля дефектности кристаллов | |
Использовать специализированное оборудование для установки кристаллов, активных элементов | |
Использовать автоматизированное оборудование плазменной очистки кристаллов сложных многокристальных и гибридно-пленочных микросхем | |
Использовать автоматические установки для нанесения припойных шариков | |
Использовать автоматические установки для пайки оплавлением | |
Использовать специализированное полуавтоматизированное и автоматизированное оборудование для монтажа объемных и плоских выводов кристаллов сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Использовать специализированное полуавтоматизированное и автоматизированное оборудование для монтажа активных элементов сложной гибридно-пленочной микросхемы | |
Необходимые знания | Конструкции и основные параметры сложных многокристальных и гибридно-пленочных микросхем |
Последовательность монтажа сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Правила выбора режимов монтажа в объеме выполняемых работ | |
Последовательность автоматизированной сборки микросхем с помощью ленточных носителей | |
Технология нанесения припойных шариков | |
Последовательность и режимы пайки оплавлением | |
Последовательность выполнения монтажа беспроволочными методами при сборке сложной многокристальной и гибридно-пленочной микросхемы | |
Последовательность присоединения кристаллов с объемными выводами методом перевернутого кристалла | |
Способы присоединения кристаллов микросхем | |
Способы очистки кристаллов перед их монтажом | |
Виды дефектов пластин и кристаллов | |
Физико-химические свойства применяемых материалов в объеме выполняемых работ | |
Подготовка полуавтоматизированного и автоматизированного оборудования для сборочно-монтажных работ | |
Устройство, принцип действия и правила работы с оптическими приборами и аппаратами | |
Устройство, принцип действия и правила работы на установках автоматического контроля дефектности кристаллов | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы резки пластин диском с наружной режущей кромкой | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы резки пластин стальными полотнами и проволокой с применением абразива | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы разделения пластин скрайбированием алмазным резцом с последующей ломкой | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы разделения пластин лазерным скрайбированием | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы ультразвуковой резки пластин | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы разделения пластин травлением | |
Устройство, принцип действия автоматизированного оборудования плазменной очистки кристаллов и правила работы на нем | |
Устройство, принцип действия установок групповой пайки и правила работы на них | |
Устройство, принцип действия автоматических установок нанесения припойных шариков и правила работы на них | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы термокомпрессионной микросварки | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы электроконтактной микросварки расщепленным электродом | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы микросварки давлением с косвенным импульсным нагревом | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы ультразвуковой микросварки | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы термозвуковой микросварки | |
Технологические возможности, области применения, средства технологического оснащения и режимы термоультразвуковой микросварки золотым шариком | |
Требования к организации рабочего места при выполнении работ | |
Требования охраны труда, пожарной, промышленной, экологической безопасности и электробезопасности | |
Опасные и вредные производственные факторы при выполнении работ | |
Правила производственной санитарии | |
Виды и правила применения средств индивидуальной и коллективной защиты при выполнении работ | |
Другие характеристики | — |
Метод неразрушающего контроля
Целью использования неразрушающего контроля компанией АСТ «Сварпром», является надёжное выявление опасных дефектов на строительных и нефтегазодобывающих объектов.
Поэтому выбор конкретных методов НК определяется эффективностью обнаружения дефектов согласно требованиям проекта, ГОСТов и др. нормативной документации.Лабораторией неразрушающего контроля АСТ «Сварпром» применяются следующие методы:
1. Визуальный и измерительный метод контроля — который выявляет поверхностные дефекты и соблюдение геометрии сварного шва.
Визуальный и измерительный контроль проводим практически на всех этапах жизненного цикла отдельных деталей, узлов и агрегатов. Выполняется периодический входной контроль материала, подготовки деталей перед сборкой, контроль качества сборки, контроль качества сварных соединений, контроль в процессе эксплуатации с целью выявления изменений формы и обнаружения поверхностных дефектов в основном материале и сварных швах, образовавшихся в процессе работы данного элемента. Основные виды дефектов v трещины всех видов, коррозия, эрозионный износ, деформации, сколы покрытий, отложения сырья на стенках, сужение каналов, повреждения элементов автоматики.
Согласно требованиям руководящих документов визуальный и измерительный контроль проводится как с наружной, так и с их внутренней стороны изделий, что значительно осложняется ограниченным доступом во внутренние полости объектов.
В такой ситуации единственное решение — применение промышленных оптических и видео эндоскопических систем.
Более подробно о данном методе неразрушающего контроля >>>>>
4. Капилрный (цветная дефектоскопия) — для поиска поверхностных дефектов.
Капиллярная дефектоскопия – является одним из основных методов неразрушающего контроля и предназначена для обнаружения поверхностных и сквозных дефектов в объектах контроля, определения их расположения, протяженности (для протяженных дефектов типа непроваров, трещин) и их ориентации на поверхности.
Капиллярный метод неразрушающего контроля (ГОСТ 18442-80) основан на капиллярном проникновении внутрь дефекта индикаторных жидкостей, хорошо смачивающих материал объекта – поверхность контроля и последующей регистрации индикаторных следов (благодаря чему так же носит название цветная дефектоскопия).
Более подробно о данном методе неразрушающего контроля >>>>>
6. Магнитопорошковый (магнитный) — для обнаружения скрытых дефектов
Высокая универсальность, чувствительность, относительно низкая трудоемкость контроля и простота.
Магнитный контроль в наши дни применяется почти во всех отраслях тяжелой и легкой
промышленности: нефтехимической отрасли, черной металлургии, машиностроении и
авиационной промышленности, энергетическом и химическом машиностроение (ГРЭС, ТЭЦ, АЭС),
автомобильной промышленности и судостроении, строительстве (трубопроводы,
стальные конструкции, промышленные цистерны).
Более подробно о данном методе неразрушающего контроля >>>>>
Кристаллизация. Неметаллические конструкционные материалы), страница 2
а) Т очень мала 1. получится аморфный металл
б) Т мала 2. мелкозернистая структура
в) Т велика 3. крупнозернистая структура
г) Т очень велика 4. вырастет монокристалл
12. Какими способами можно получит мелкозернистый металл?
а) Применять только песчаные или керамические
формы
б) Подогреть форму перед заливкой
в) Добавить модификатор при кристаллизации
г) Охлаждать жидкий металл в форме как можно
быстрее
д) Создать в металле колебания с ультразвуковой
частотой
е) Металл не должен содержать микро примеси
13. Что такое поликристалл?
а) Многогранный кристалл
б) Твердое вещество, состоящее из множества
кристаллов
в) Полимерный кристалл
г) Мелкозернистый металл
14.
Что такое
монокристалл?
а) Твердое вещество, состоящее из одного кристалла
б) Одногранный кристалл
в) Крупнозернистый металл
г) Это кристалл с одной решеткой
15. Виды дефектов кристаллического строения?
а) Точечные, межузельные атомы, дислокации,
поверхностные
б) Поры, трещины, раковины, пустоты
в) Точечные, вакансии, межузельные атомы,
внедренные атомы
г) Точечные, линейные, поверхностные, объемные
16. Виды точечных дефектов:
а) Краевая, винтовая и смешанная дислокации
б) Поры, раковины, инородные включения
в) Вакансии, межузельные атомы, замещенные атомы,
внедренные атомы
г) Малоугловые и большеугловые границы
17. Виды поверхностных дефектов:
а) Вакансии, межузельные атомы, замещенные атомы,
внедренные атомы
б) Поры, раковины, инородные включения
в) Краевая, винтовая и смешанная дислокации
г) Малоугловые и большеугловые границы
18.
Виды
объемных дефектов:
а) Малоугловые и большеугловые границы
б) Вакансии, межузельные атомы, замещенные атомы,
внедренные атомы
в) Поры, раковины, инородные включения
г) Краевая, винтовая и смешанная дислокации
19. Какие типы межатомной связи встречаются в различных материалах?
20. Какая межатомная связь в материалах наиболее сильная и какая самая слабая?
21. Какие разновидности кристаллических решеток распространены среди металлов?
22. Может ли кристаллическая решетка металла изменяться при изменении температуры? Пример такого металла.
23. Почему металлы при нагревании выше определенной температуры переходят в жидкое состояние, а при охлаждении затвердевают?
24. Что такое модифицирование и как оно влияет на величину зерна металла?
25. Назовите характерные зоны в строении слитка и почему это строение неодинаково по сечению слитка?
26. Какова форма металлического кристалла, образующегося при кристаллизации?
27.
Что влияет
на формирование структуры металла при кристаллизации?
а) Время выдержки жидкого металла
б) Условия нагрева
в) Скорость охлаждения
г) Способ нагрева
28. Что характерно для кристаллического строения металла?
а) Закономерное расположение электронов
б) Высокая твердость
в) Закономерное расположение атомов (ионов)
г) Отсутствие дефектов строения
29. Что такое рекристаллизация?
а) Изменение строения и повышение пластичности
деформированного металла при его нагреве выше
определенной температуры
б) Повышение прочности и твердости при нагреве
деформированного металла выше определенной
температуры
в) Изменение свойств металла при его пластической
деформации
г) Получение мелкозернистого металла при
кристаллизации
Задача № 1. В двух отливках получена следующая структура:
Одинаковы ли были условия кристаллизации этих отливок и одинаковы-
ли будут их механические свойства?
Задача
№ 2.
При работе изделия из олова при температуре -40 °С произошло
охрупчивание материала и его разрушение. Условия нагружения очень легкие. Что
могло послужить причиной этого?
Пример ответа: Этот металл может существовать в двух модификациях с разными кристаллическими решетками. Модификация, существующая при положительных температурах, пластичная, а модификация при отрицательных температурах (ниже — 13°С) хрупкая (за счет другого кристаллического строения).
Кристаллы, их структура, виды связей. Дефекты. Деформации твердого тела
1. ВВЕДЕНИЕ
2. Структура дисциплины
1. Лекции – 8 занятий
2. Практические (семинары) – 16 занятий
3. КСР – 6 занятий, из них:
консультации по ИДЗ – 6 занятий.
3. РЕЙТИНГ-ПЛАН
• ИДЗ (10 задач ) –• Контрольные работы –
• 8 конспектов –
Всего
10х3 =30
6х5 =30
8х5 =40
100
4. Основные разделы дисциплины (по которым нужно составлять конспекты)
• 1.
Кристаллы, их структура, виды связей.2. Дефекты. Деформации твердого тела.
3. Элементы статистической физики.
4. Распределение Ферми-Дирака и Бозе-Эйнштейна.
5. Тепловые свойства твердых тел. Классическая и
квантовая теории теплоемкости. Фононы.
6. Тепловое расширение твердых тел и теплопроводность.
7. Зонная теория твердых тел. Металлы, полупроводники,
диэлектрики. Квантовая теория проводимости.
8. Контактные явления. Контакт двух полупроводников с
разной проводимостью. Контакт двух металлов.
5. Организация учебного процесса
• Тексты лекций и варианты ИДЗ на сайтеt-aronova.narod.ru
6. Контрольные работы
1. Структура и деформации твердого тела.2. Распределение Ферми-Дирака, энергия Ферми,
температура вырождения.
3. Распределение Бозе-Эйнштейна. Фотоны и фононы.
4. Теплоемкость твердых тел, теплопроводность,
тепловое расширение.
5. Электропроводность металлов и полупроводников.
6. Эффект Холла. Фотопроводимость. Контакт двух
полупроводников.
7. ЛЕКЦИЯ №1
• 1. Кристаллическая структура• 1.1. Описание структуры кристаллов
• 1.2. Физические механизмы образования
кристаллов
• 2. Дефекты в кристаллах
• 3. Деформации твердого тела
8. 1. Кристаллическая структура. 1.1. Описание структуры кристаллов
• Кристалл можно представить какпериодически повторяющиеся в
пространстве одинаковые элементарные
структурные единицы — элементарные
ячейки кристалла, состоящие из одного, в
простейшем случае, или нескольких атомов
каждая.
• Элементарная ячейка в общем случае
имеет форму косоугольного
параллелепипеда. Все расположенные в
ней атомы принято называть базисом
элементарной ячейки кристалла.
• Закономерности строения элементарной
ячейки и базиса, в частности, степень их
симметричности определяет многие
свойства кристалла, в первую очередь
электрические, магнитные и механические.
• С помощью теории групп было показано,
что все многообразие кристаллов может
быть описано с помощью 14 типов
кристаллических решеток (решеток Браве).
Их принято группировать в семь систем,
различающихся видом элементарной
ячейки:
• триклинную, моноклинную, ромбическую,
тетрагональную, тригональную,
гексагональную и кубическую.
Параллелепипед с ребрами:
Решетка Браве
r n1a1 n2 a2 n3a3
a1 , a2 , a3
вместе с атомами в
его вершинах
называется
элементарной
ячейкой
кристаллической
решетки
11
Симметрии примитивных решеток
12
Индексы Миллера
Уравнение плоскости в
прямолинейных
(не обязательно прямоугольных)
координатах:
h k l
— перпендикуляр к
плоскости
x
y
z
1
OA OB OC
hx ky lz D
h k l
13
14. Гранецентрированная кубическая решетка
Гранецентрированная кубическаярешетка
• Узлы расположены по углам куба
и по центрам его граней.
Всего вячейке получается 4 узла (8
восьмушек и 6 половинок).
• Такую решетку имеют многие
металлы (железо, кобальт, медь и
многие другие), их атомы
расположены в узлах
рассмотренной решетки.
15. Как определить число узлов, приходящихся на одну элементарную ячейку
16. 1.2. Физические механизмы образования кристаллов
• В настоящее время по характеру связиатомов выделяют 5 типов кристаллов:
• 1) ионные кристаллы,
• 2) ковалентные кристаллы,
• 3) металлические кристаллы,
• 4) молекулярные кристаллы с
водородными связями,
• 5) Ван-дер-Ваальсовы кристаллы.
• Ионные кристаллы формируются под
влиянием электростатического притяжения
разноименно заряженных и отталкивания
одноименно заряженных ионов.
• Ковалентные кристаллы образуются за
счет ковалентных связей между атомами.
Ковалентная связь образуется за счет
перекрытия электронных облаков, в
результате между атомами образуется
сгусток отрицательного заряда, который
стягивает два атома.
• В металлических кристаллах внешние
электроны атомов могут свободно
перемещаться между ионными остовами.
Эти электроны образуют как бы
отрицательно заряженное облако, в
котором находятся ионы металла.
Взаимодействие этих ионов друг с другом и
с электронным облаком ведет к
упорядоченному расположению ионов в
металле.
• Ван-дер-Ваальсовы кристаллы образуются
из электрически нейтральных атомов за
счет диполь — дипольного взаимодействия
между ними. Под действием этих связей
образуются кристаллы инертных газов при
низких температурах, образуя во всех
случаях ГЦК плотноупакованную решетку.
20. 2. ДЕФЕКТЫ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ РЕШЕТКИ
• 1) точечные дефекты, например отсутствие атомав узле решетки;
• 2) линейные дефекты — дислокации, в которых
сильные отклонения от периодичности
наблюдаются вдоль линии;
• 3) поверхностные дефекты, например, границы
кристалла и зерен поликристалла;
• 4) объемные дефекты, например, поры,
микротрещины или малые включения другой
фазы.
• Многие физические свойства кристаллов
сильно зависят от дефектов разных групп.
• Прочность и пластичность материала
сильнее всего зависят от линейных,
поверхностных и объемных дефектов.
• Электросопротивление в основном зависит
от точечных дефектов.
• Коэффициент диффузии, теплопроводность,
окраска кристаллов также сильно зависят
от наличия дефектов.
1) Дефекты по Шоттки
2) Дефекты по Френкелю
3) Дислокации
4) Примеси
Дефекты в кристаллах
— вакансия (дефект по Шоттки)
Краевая дислокация:
— замещение
Винтовая дислокация:
— внедрение
22
23. 3. ДЕФОРМАЦИЯ ТВЕРДОГО ТЕЛА
• Деформацией называют изменениеформы, размеров тела.
• Деформация может быть вызвана
действием на тело приложенных к нему
внешних сил.
• Деформации, полностью исчезающие после
прекращения действия на тело внешних
сил, называют упругими,
• а деформации, сохраняющиеся и после
того, как внешние силы перестали
действовать на тело, – пластическими.
• Различают деформации
• растяжения и сжатия (одностороннего и
всестороннего),
• изгиба,
• кручения и сдвига.
• При деформациях твердого тела его
частицы (атомы, молекулы, ионы),
находящиеся в узлах кристаллической
решетки, смещаются из своих положений
равновесия.
• Этому смещению противодействуют силы
взаимодействия между частицами твердого
тела, удерживающие эти частицы на
определенном расстоянии друг от друга.
Поэтому при любом виде упругой
деформации в теле возникают внутренние
силы, препятствующие его деформации.
28. Коэффициент Пуассона
П29. Деформация сдвига
30. Нормальное и тангенциальное напряжения
31. Закон Гука
32. Связь между модулем Юнга, модулем сдвига и коэффициентом Пуассона
33. Диаграмма напряжений
• На участке 0–1 график имеет вид прямой,проходящей через начало координат. Это
значит, что до определенного значения
напряжения деформация является упругой
и выполняется закон Гука, согласно
которому нормальное напряжение
пропорционально относительному
удлинению.
Максимальное значениенормального напряжения σП, при котором
еще выполняется закон Гука, называют
пределом пропорциональности.
• При дальнейшем увеличении нагрузки
зависимость напряжения от относительного
удлинения становится нелинейной (участок
1–2), хотя упругие свойства тела еще
сохраняются. Максимальное значение
σy нормального напряжения, при котором
еще не возникает остаточная деформация,
называют пределом упругости. (Предел
упругости лишь на сотые доли процента
превышает предел пропорциональности).
• Увеличение нагрузки выше предела
упругости (участок 2–3) приводит к тому,
что деформация становится остаточной.
• Затем образец начинает удлиняться
практически при постоянном напряжении
(участок 3–4 ). Это явление называют
текучестью материала. Нормальное
напряжение σТ, при котором остаточная
деформация достигает заданного значения,
называют пределом текучести.
• При напряжениях, превышающих предел
текучести, упругие свойства тела в
известной мере восстанавливаются, и оно
вновь начинает сопротивляться
деформации (участок 4–5 ).
• Максимальное значение нормального
напряжения σпр, при превышении которого
происходит разрыв образца, называют
пределом прочности.
40. Таблица значений модуля Юнга
МатериалАлюминий
Бронза
Вольфрам
Германий
Дюралюминий
Медь
Никель
Олово
Свинец
Серебро
Серый чугун
Сталь
Стекло
модуль Юнга
E, ГПа
70
75-125
350
83
74
110
210
35
18
80
110
210
70
41. Основные формулы упругих деформаций
• Закон ГукаE
G
• Коэффициент Пуассона
П
• Коэффициент всестороннего сжатия
1 V 3 1 2
V P
E
• Связь между упругими константами
E
G
2 1
• Объемная плотность энергии упругих
деформаций
2
2
E
G
u
;
u
.
2
2
• Определение 1
• Если твердое тело изменяется под
воздействием внешних сил, то частицы, из
которых оно состоит, меняют свое
внутреннее положение.
Такое изменениеназывается деформацией.
• Определение 2
• Если мы разделим величину абсолютного
удлинения на первоначальную длину
твердого тела, мы получим величину его
относительного удлинения (относительной
деформации).
0
• Определение 4
• Механическое напряжение твердого
тела σ – это показатель, равный отношению
модуля внешней силы к площади сечения
твердого тела.
• Определение 5
• Деформация, исчезающая при снятии
напряжения, называется упругой.
• Определение 6
• Предел пропорциональности – это
наибольшее значение σ, при котором
сохраняется линейная связь между
показателями σ и ε.
• Определение 7
• Предел упругости – максимальное
напряжение, после снятия которого тело
восстановит свою форму и размер.
• Определение 8
• Обратите внимание на участок диаграммы ,
где напряжение практически не
увеличивается, но деформация при этом
продолжается. Это свойство
называется текучестью материала.
• Определение 9
• Предел прочности – максимальное
напряжение, которое способно выдержать
твердое тело, не разрушаясь.
% PDF-1.4 % 1 0 объект > поток 2021-12-31T22: 03: 08-08: 002016-12-20T09: 57: 05-05: 002021-12-31T22: 03: 08-08: 00 Acrobat PDFMaker 11 для Worduuid: c7cd9279-4190-442b-93a9- 28a90baffefauuid: 0df3a3f9-9190-46d5-a7f5-6c302a8d8a91uuid: c7cd9279-4190-442b-93a9-28a90baffefa
un + B-> dǦ, r «g3ULaĩДефекты
ДефектыПодробнее о материаловедении
Дефекты
Полезно думать о твердых телах как о регулярном повторяющемся узоре плоскостей
частицы. Но важно понимать, что твердые тела редко бывают идеально упорядоченными.
Существует четыре основных механизма внедрения точечного дефекта в
структура твердого тела, как показано на рисунке ниже.Когда частица отсутствует в одном или
Далее решетки узлов получаем вакансию . Когда частица пробивается внутрь
дырка между узлами решетки, получаем примесь внедрения . Замещающий
примеси возникают в результате замены частицы, которая должна занимать узел решетки
с другой частицей, например, замена иона K + на Na + ион в NaCl. (Если заменить ион с другим зарядом, электронейтральность
кристалла необходимо поддерживать.
Если ион Ca 2+ заменить на Na + ион, например, второй ион Na + должен покинуть кристалл, чтобы он не
захватить электрический заряд.) Дислокации — одномерные дефекты
вызванные дырами, которые недостаточно велики, чтобы быть вакансией.
Когда значительная часть исходных частиц заменяется примесями, происходит возможно получить твердый раствор .Сплавы , такие как бронза и латунь, являются примеры твердых растворов. Бронза — это раствор олова, растворенного в меди. Латунь — это смесь меди и цинка, которая может содержать от 10% до 45% цинка.
Искажения кристаллической решетки часто возникают при добавлении примесей в твердое тело. В виде
в результате точечные дефекты часто определяют свойства материала. Они могут изменить
легкость, с которой материал проводит электричество, его механическая прочность, его способность
формоваться молотком (пластичность) или вытягиваться в проволоку (пластичность).
Растворение
например, небольшое количество углерода в железе дает сплав, известный как сталь, который
значительно прочнее железа. Но более высокий процент углерода делает сталь такой хрупкой.
что он может разбиться при падении.
Точечные дефекты искажают решетку и позволяют атомам перемещаться по твердому телу. Атомы могут перемещаться из узла решетки в вакансию, например, создавая новую вакансию, как показано на рисунке ниже.
Теоретические расчеты легкости скольжения одной плоскости атомов
другой предполагает, что металлы должны быть намного более устойчивыми к стрессу, чем они есть.В
Другими словами, металлы мягче, чем можно было бы ожидать. Металлурги объяснили это тем, что
предполагая, что металлы содержат дефекты, которые позволяют плоскостям атомов скользить друг мимо друга
охотнее, чем ожидалось. Эта гипотеза подтверждена микроскопическим анализом.
на котором показаны дислокации, проходящие через кристалл. Есть два типа
вывихи: краевые или винтовые вывихи.
Краевая дислокация дополнительная полуплоскость атомов, частично проходящая через твердую структуру, как показано на
рисунок ниже.
Представьте себе, например, одну игральную карту, вставленную на полпути в колоду карт. В линия, образованная вставленной картой, будет линией дислокации. Наличие дислокационный дефект позволяет одной плоскости атомов легче скользить по соседней плоскость атомов, как показано на рисунке ниже. Не все атомы в двух плоскостях движутся мимо друг друга одновременно; они перемещаются по одной строке за раз.
Часто приводят аналогию с перемещением ковра.Перетаскивая ковер по
пол сложен из-за трения, возникающего при контакте с поверхностью
ковер с полом. Однако представьте, что произойдет, если складку поместить в
ковер, как показано в части (а) рисунка ниже. Ковер теперь можно перемещать
толкает морщинку по полу, потому что только трение между небольшой частью
ковер и пол должны быть преодолены.
Подобное явление происходит, когда одна плоскость
атомы движутся мимо друг друга посредством дислокационного дефекта.
Поскольку они позволяют плоскостям атомов в твердом теле перемещаться по одной строке за раз, дислокации может ослабить металл. Парадоксально, но они также могут упрочнять металл, когда дислокации пересекаются с узлами продукта, подобными пересекающимся морщинкам на рисунке, обозначенном «b» на рисунке ниже. Это явление встречается с металлами, имеющими были закалены в работе. Рассмотрим, что происходит, например, когда нагревается железка, кованое, охлажденное, повторно нагретое и переработанное в кованое железо.В процессе работы при упрочнении металла образуются пересекающиеся дислокации, затрудняющие движение плоскости атомов.
Винтовые вывихи визуализировать труднее, чем краевые
На рисунке ниже показано, как возникает винтовая дислокация, когда одна сторона
кристалл смещен относительно другой стороны.
Для краевых или винтовых вывихов a
искажение создается вокруг дислокации с соответствующим напряжением, возникающим внутри
материал.
Металлы, полупроводники и изоляторы
Значительная часть валового национального продукта (ВНП) США, и весь вклад высокотехнологичных отраслей в ВНП можно отнести к усилия по использованию различий в способах проведения металлов, полупроводников и изоляторов электричество. Эта разница может быть выражена через электропроводность , который измеряет легкость, с которой материалы проводят электрический ток.Это также может быть выражается через удельное электрическое сопротивление , обратное величине проводимость, которая измеряет сопротивление материала переносу электрического заряда.
Серебро и медь являются одними из лучших проводников электричества с
проводимость всего 10 6 ом-см.
(Вот почему медь — металл чаще всего
используется в электрических проводах.) Проводимость полупроводников, таких как кремний и германий.
в 10 8 до 10 10 раз меньше.(В чистом виде эти полуметаллы имеют
проводимость от 10 -2 до 10 -4 Ом-см. Изоляторы стеклянные (10 -10 Ом-см), алмаз (10 -14 Ом-см) и кварц (10 -18 Ом-см),
все они имеют чрезвычайно небольшую тенденцию проводить электрический ток.
Диапазон проводимости в 10 24 — не единственное различие между металлами,
полупроводники и изоляторы. Металлы становятся лучшими проводниками, когда их охлаждают до
более низкие температуры.Некоторые металлы являются настолько хорошими проводниками при очень низких температурах, что
они больше не имеют измеримого сопротивления и поэтому становятся сверхпроводниками . Полупроводники
показывают противоположное поведение, они становятся намного лучшими проводниками, поскольку температура
увеличивается.
Разница между температурной зависимостью металлов и полупроводников
настолько значительна, что часто является лучшим критерием для различения этих
материалы. Большой диапазон проводимости твердых тел показан на рисунке ниже.
Диапазон проводимости твердых тел составляет примерно 24 порядка величина.
Полупроводники очень чувствительны к примесям. Электропроводность кремния или германий можно увеличить до 10 6 , добавив всего лишь 0,01% примеси. С другой стороны, металлы довольно нечувствительны к примесям. Это требуется много примесей, чтобы изменить проводимость металла в несколько раз. 10; и, в отличие от полупроводников, металлы становятся менее чистыми проводниками.
Чтобы объяснить поведение металлов, полупроводников и диэлектриков, нам нужно:
более подробно разбираться в связях в твердых телах. Потому что это самый легкий элемент в
таблица периода, которая является твердой при комнатной температуре, давайте начнем с построения модели того, что
происходит при взаимодействии атомов лития.
В качестве первого шага мы можем рассмотреть, что происходит, когда
пара атомов лития с конфигурацией 1 s 2 2 s 1 взаимодействуют с образованием гипотетической газовой фазы молекулы Li 2 .Ли 2 Молекула образуется путем помещения двух электронов в связывающую область между двумя Li
ядра.
А теперь давайте представим, что произойдет, когда достаточно атомов лития объединятся, чтобы сформировать кусок.
металлического лития. Валентные электроны больше не ограничиваются областью между парами.
ядер лития, как это было в случае изолированной молекулы Li 2 в газовой среде.
фаза. В металле каждый атом лития возмущен своими соседями и энергетическими состояниями
каждого атома немного изменены.1 s орбитали на различных атомах металлов
взаимодействуют, образуя полосу орбиталей, энергия которых попадает в диапазон чуть ниже
энергия изолированной орбитали 1 с немного выше этой энергии, как показано на
рисунок ниже.
То же самое происходит с орбиталями 2 s .
Каждая из орбиталей в этих зонах может удерживать два электрона противоположных
вращение. Поскольку на каждой из орбиталей 1 s было по два электрона, которые сформировали
полоса более низких энергий, полоса «единиц» заполнена.Но был только один электрон в
каждая из 2 орбиталей s , которые сформировали полосу более высоких энергий, что означает, что
Полоса «2s» заполнена только наполовину. Чтобы возбудить один из
электроны в полосе 2 s перемещаются с одной орбитали на другую в этой полосе. (Энергия
зазор между орбиталями в полосе 2 с в литии всего около 10 -45 кДж.) Перемещаясь с орбитальной на орбитальную в пределах 2s-зоны, электроны могут перемещаться с одного конца.
кристалла к другому.Поэтому эта полоса орбиталей называется зоной проводимости .
полоса , потому что она позволяет металлическому литию проводить электричество.
Теперь обратимся к магнию, который имеет конфигурацию [Ne] 3 s 2 . Орбитали 3s на соседних атомах магния перекрывались бы, образуя полосу из 3 с орбиталей. Поскольку на каждой орбитали 3 с находятся два электрона, это группа полностью заполнена. Однако пустые орбитали 3 p на магнии также взаимодействуют, образуя группу орбиталей.Этот пустой 3 p перекрывает полосу 3 s в магнии, так что объединенная полоса заполняется только частично, позволяя магнию проводит электричество.
Различия в том, как металлы, полупроводники и изоляторы проводят электричество
можно пояснить схемой на рисунке ниже. Металлы заполнили полосы сердечника
электроны, такие как полоса 1 s в литии или 1 s и 2 s полосы в магнии.Но у них также есть частично заполненные полосы орбиталей, которые позволяют
электроны переходят от одного конца кристалла к другому. Поэтому они проводят
электрический ток.
Все полосы изолятора либо заполнены, либо пусты.
Кроме того, зазор между полосой с наивысшей энергией и зоной с наименьшей энергией пустой
полоса в изоляторе настолько велика, что возбудить электроны от одного из
эти группы к другому. В результате трудно перемещать электроны через
изолятор.
Полупроводники также имеют зонную структуру, состоящую из заполненных и пустых зон. В зазор между зоной с наивысшей энергией и пустой зоной с самой низкой энергией невелик однако достаточно, чтобы электроны могли быть возбуждены в пустую зону за счет тепловой энергии электроны переносятся при комнатной температуре. Таким образом, полупроводники находятся между крайности металлов и изоляторов в их способности проводить электрический ток.
Чтобы понять, почему металлы становятся лучшими проводниками при низких температурах, важно
помните, что температура — это макроскопическое отражение кинетической энергии
отдельные частицы.Большая часть сопротивления металла электрическому току в помещении
температура является результатом рассеяния электронов тепловым движением
атомы металла, когда они колеблются взад и вперед вокруг своих узлов решетки.
Как металл
охлаждается, и это тепловое движение замедляется, уменьшается рассеяние, и металл
становится лучшим дирижером.
Полупроводники становятся лучшими проводниками при высоких температурах, потому что количество электроны с достаточной тепловой энергией для возбуждения из заполненной зоны в пустую зону увеличивается.
Чтобы понять, почему полупроводники чувствительны к примесям, давайте посмотрим, что происходит, когда мы добавляем небольшое количество элемента группы VA, такого как мышьяк, в один из Полупроводники группы IVA. Атомы мышьяка имеют на один валентный электрон больше, чем германий, и атомы кремния. Следовательно, атомы мышьяка могут потерять электрон с образованием ионов As + . которые могут занимать некоторые точки решетки в кристалле, где атомы кремния или германия обычно встречаются.
Если количество мышьяка остается очень небольшим, расстояние между этими атомами будет таким.
большие, что они не взаимодействуют.
В результате лишние электроны от атомов мышьяка
занимают орбитали в очень узкой полосе энергий, лежащих между заполненным и пустым
полосы полупроводника, как показано на рисунке ниже. Это уменьшает количество
энергия, необходимая для возбуждения электрона в самую низкоэнергетическую пустую зону в
полупроводник и, следовательно, увеличивает количество электронов, у которых достаточно энергии для
преодолеть этот разрыв.В результате этот «легированный» полупроводник становится очень
лучший проводник электричества, чем чистый полупроводник. Потому что электрический заряд
переносится потоком из отрицательных частиц, эти полупроводники называют n-типа.
Также возможно легирование полупроводников группы IVA одним из
элементы группы IIIA, такие как индий. Эти атомы имеют на один валентный электрон меньше, чем
атомы кремния или германия, и они могут захватывать электроны из заполненных наивысшей энергией
полоса, чтобы сформировать отверстия в этой полосе.
Наличие дырок в заполненной полосе имеет то же
эффект, поскольку присутствие электронов в пустой зоне позволяет твердому телу нести
электрический ток. Электрический заряд теперь переносится потоком положительных частиц, или
дырок, поэтому эти полупроводники называют p-типа.
Объединение полупроводников типа n и p вместе дает устройство который имеет естественный однонаправленный поток электронов, который можно отключить, применив небольшое напряжение в обратном направлении.Это соединение между типом n и типом p полупроводники были основой революции в промышленных технологиях, последовавшей за открытие транзистора Уильямом Шокли, Джоном Бардином и Уолтером Браттейном в Bell Лаборатории в 1948 году.
Теплопроводность
Вы могли заметить, что металлические лотки для льда на ощупь намного холоднее пластиковых.
лотки для кубиков льда, когда вы вынимаете их из морозильной камеры.Ваши чувства явно вводят в заблуждение
вы, потому что лотки имеют ту же температуру, что и температура морозильной камеры. В
металлические подносы кажутся холоднее, потому что металлы гораздо лучше проводят тепло, чем пластик.
Легкость, с которой металлы проводят тепло, связана с их способностью проводить тепло. электрический ток. Большая часть энергии, поглощаемой металлом при нагревании, используется для увеличивают скорость, с которой атомы колеблются вокруг узлов своей решетки. Но некоторые из этого энергия поглощается электронами в металле, которые перемещаются с орбитальной на орбитальную через зона проводимости.Конечный результат — перенос кинетической энергии от одной части металлическая поверхность к другому. Металлы кажутся холодными на ощупь, потому что электроны в зона проводимости уносит тепло от наших тел и распределяет эту энергию через металлический предмет.
Пластмассы, с другой стороны, являются теплоизоляторами.
Они плохие проводники тепла
потому что орбитали, на которых удерживаются электроны, как правило, локализованы на отдельном атоме или
между парами атомов.Единственный способ для электронов переносить энергию через пластик — это
использовать эту энергию для возбуждения электрона с заполненной орбитали на пустую. Но
разница между энергиями заполненной и пустой орбиталей настолько велика, что это
редко бывает.
Разницу между теплопроводниками и теплоизоляторами можно количественно определить по формуле:
определение теплопроводности вещества как количества тепла
передается в секунду через пластину из материала толщиной один сантиметр и один квадрат
сантиметр площади, когда разница температур между двумя сторонами пластины равна
один градус Цельсия или один Кельвин.Медь, используемая для изготовления кастрюль и сковородок, имеет термический
проводимость, которая более чем в 5000 раз превышает значение пенополистирола, используемого для кофе
чашки, как показано данными в таблице ниже.
Эта таблица соответствует опыту,
что говорит о том, что воздух, который попадает в волокна пуховой куртки, представляет собой
лучший изолятор, чем хлопок, который является гораздо лучшим изолятором, чем нейлон.
Теплопроводность различных веществ
| Материал | Теплопроводность (Дж / scmK) a | Материал | Теплопроводность (Дж / scmK) a | ||||
| Воздух | 0.00026 | Пб | 0,353 | ||||
| Стекловата | 0,00042 | CS 0,359 | |||||
| Хлопок | 0,00057 | MgO 0,360 (100F) | |||||
| Пенополистирол | 0. 00079 | руб. | 0,582 | ||||
| Тетрахорид углерода | 0,0010 | Fe | 0,804 | ||||
| Сосна белая | 0,0011 | Li | 0.848 | ||||
| Дуб | 0,0015 | К | 1,025 | ||||
| He | 0,001520 | C (графит) b | 1,1–2,2 | ||||
| Картон | 0.0021 | Zn | 1,16 | ||||
| Нейлон | 0,0025 | Латунь | 1,2 | ||||
| Вода | 0,0061 | Na | 1,42 | ||||
| Кирпич | 0. 0063 | мг | 1,56 | ||||
| Стекло | 0,0072-0,0088 | Be | 2,01 | ||||
| Бетон | 0,0086-0,013 | BeO | 2,20 (100F) | ||||
| Hg | 0.083 | Al | 2,37 | ||||
| SiC | 0,090 (100F) | Au | 3,18 | ||||
| NaCl | 0,092 (0C) | Cu | 4,01 | ||||
| ZnS (смесь цинков) | 0.264 (0C) | Ag | 4,29 | ||||
| Al 2 O 3 | 0,303 (100 ° C) | C (ромб) c | 9,9–23,2 | ||||
a Все значения приведены для комнатной температуры, если не указано иное. b Значение зависит от примесей в графите и ориентации графит, более крупный в направлении, параллельном слоям атомов углерода. c Стоимость сильно зависит от примесей и дефектов. | |||||||
Тепловое расширение
Заманчиво думать о твердых телах, как если бы частицы были зафиксированы в определенном положении,
способ строительства стены из кирпича. Однако это было бы ошибкой, потому что
частицы в твердом теле находятся в более или менее постоянном движении, раскачиваясь взад и вперед и
вращаются вокруг своих фиксированных положений в кристалле.Это движение зависит от двух факторов:
температура системы и сила взаимодействий, удерживающих частицы
вместе. Чем выше температура, тем быстрее движутся частицы. Сильнее
сила притяжения между частицами, тем меньше расстояния перемещаются частицы
отдельно.
Поскольку силы Ван-дер-Ваальса, удерживающие молекулы вместе, намного слабее, чем
связи между атомами в металле или между положительными и отрицательными ионами в ионном
соединения, молекулярный кристалл расширяется больше при нагревании, чем металлы или ионные соединения.
Разница между коэффициентами теплового расширения железа и меди составляла источник серьезной проблемы для Статуи Свободы, которая состоит из медных пластин поддерживается железным каркасом. Изоляционный материал, используемый для защиты этих двух металлов от контакт неизбежно стирался из-за разницы в скорости, с которой эти два металла расширяются при нагревании и сжимаются при охлаждении. (Для каждого изменения степени в температура Статуи, объем металлической меди изменяется на 40% больше, чем железо металлическое.) Когда это произошло, два металла соприкоснулись, образуя электрический ячейка, которая значительно увеличила скорость коррозии железного каркаса.
Однако то же самое явление используется для образования термостатов, которые включают электрические
включение и выключение техники.
Когда два металла с очень разными коэффициентами термического
расширения соединяются в биметаллическую полосу, металл, который расширяется больше всего, когда
нагретый заставляет прилегающую металлическую полосу изгибаться к металлу с наименьшим термическим воздействием.
расширение.Из этой биметаллической ленты можно сделать устройство, которое будет включать обогреватель.
или выключен, поскольку контакт замыкается или разрывается с помощью электрического контакта, как показано на рисунке
ниже.
Тепловое расширение и теплопроводность могут работать вместе, чтобы ослабить материал. Если тепло не переносится быстро через нагреваемый объект, одна часть расширяется больше быстрее, чем другой. Если есть трещины или дефекты, более горячая часть вещества потянет за более холодную часть и расширит трещину, что приведет к поломке.
Материаловедение
Материаловедение | Металлы и элементарные элементы | Подробнее о материаловедении | Керамика
Периодический
Таблица Если вы видите это, ваш
браузер не поддерживает JavaScript.
| Глоссарий
| Классные Апплеты
Gen Chem | Главная страница справки по общей химии | Поиск: The веб-сайт общей химии.
Объемные изменения после процедур регенерации барьера для хирургического лечения дефектов фуркации моляров II степени у павианов: II. Кость, цемент, эпителий и соединительная ткань
В Части I была использована методика компьютерной визуализации для измерения объемного заполнения, которое произошло в хирургически созданных дефектах фуркации моляров II степени после того, как они были обработаны с использованием принципов управляемой регенерации ткани.В Части II сравнивали объемное заполнение для каждой из конкретных тканей, составляющих заполнение дефекта (эпителий, соединительная ткань, кость и цемент). Гистологический материал состоял из дефектов, обработанных одним из трех типов хирургического лечения, а также необработанных контрольных участков. Все объемные измерения были выражены в процентах от размера исходного хирургически созданного дефекта, при этом 100% указывали на полное заживление дефекта.
Результаты показывают, что ни один из дефектов не полностью зажил.Зубы, которым производилась обработка лоскутом, имели наибольшее заполнение дефектов (79,50% составляли 17,13% кости, 35,81% соединительной ткани, 37,35% эпителия и 9,71% цемента). Зубы, покрытые биоразлагаемым барьером, показали среднее общее заполнение дефектов 74,98% (7,41% кости, 47,13% соединительной ткани, 36,20% эпителия и 9,26% цемента. На участках, обработанных барьером исключения, общее заполнение составляло 70,75% (9,63% кости, 40,89% соединительной ткани, 39,00% эпителия и 10,48% цемента). Среднее общее заполнение необработанных контрольных зубов составило 78.70% (5,56% кости, 59,11% соединительной ткани, 31,06% эпителия и 4,27% цемента). Не было обнаружено значительных различий между зубами одного и того же животного, а также между лечением и контрольной группой. Были сделаны следующие выводы: (1) соединительная ткань составляла почти половину всего заполнения хирургически созданных дефектов; (2) процент роста новой кости был значительно ниже ожидаемого; и (3) не было обнаружено значительных различий между методами лечения и необработанными контрольными участками для каждого из конкретных типов тканей.
Влияние дефектов на механические свойства при аддитивном производстве металлов: обзор, посвященный идеям рентгеновской томографии
https://doi.org/10.1016/j.matdes.2019.108385Получить права и содержаниеОсновные моменты
- •
Рассмотрено влияние дефектов на механические свойства при аддитивном производстве металлов.
- •
В обзоре основное внимание уделялось результатам рентгеновской томографии.
- •
Не все поры вредны — даже самые маленькие поры безвредны.
- •
Пористость влияет как на пластичность, так и на прочность.
- •
Поры вблизи поверхности, критичные для усталостных свойств
Abstract
Рентгеновская томография стала уникально мощным и неразрушающим инструментом для анализа дефектов в аддитивном производстве. К дефектам относятся непреднамеренная пористость, шероховатая поверхность и отклонения от конструкции, которые могут иметь разные основные причины и могут значительно различаться для разных образцов.
Свойства порошкового материала, неравномерная доставка слоя порошка, деформация во время производства, отклонения от оптимальных параметров процесса, вызванные изменениями в лазерном луче, оптических компонентах и работе системы сканирования, могут привести к отсутствию пор сплавления, металлургических пор , поры «замочная скважина» и т. д. Эти разные типы пор имеют разные типичные размеры, формы и трехмерное распределение. Все типы дефектов влияют на механические свойства готовой детали. Использование рентгеновской томографии для визуализации пор в деталях (неразрушающим методом) перед механическими испытаниями позволило нам улучшить наше понимание влияния этой пористости на механические свойства детали (также называемое «эффектом дефекта»). »).Это может дать возможность отличить критические дефекты от безвредных и тем самым укрепить доверие к процессам аддитивного производства. В этой статье рассматривается текущее состояние знаний в отношении «эффекта дефекта» в аддитивном производстве металлов и выделяются некоторые важные примеры из нашей недавней работы.
Ключевые слова
Рентгеновская томография
Лазерная наплавка порошка
Пористость
Дефекты
Механические свойства
Эффект дефекта
Рекомендуемые статьиЦитирующие статьи (0)
© 2019 Автор (ы).Опубликовано Elsevier Ltd.
Рекомендуемые статьи
Ссылки на статьи
Анализ объемного износа при дегенерации мениска
Кейт Бенфилд
Аннотация
Программа стажировки Инженерного колледжа позволяет студентам проводить исследования в интересующей их лаборатории. Под наставничеством доктора Тревора Лухана в течение осеннего семестра 2018 года была завершена стажировка в Северо-западной лаборатории механики тканей.Работа стажировки была сосредоточена на трех основных задачах обучения в сочетании с общей целью проекта: разработать и проверить методологию измерения потери объема мениска крупного рогатого скота с помощью оптического 3D-сканера. Программное обеспечение с открытым исходным кодом CloudCompare было определено как подходящая программа для вычислительной оценки потерь объема.
Был создан процесс анализа объемного износа с использованием блочной модели в качестве суррогата мениска крупного рогатого скота. Методология была подтверждена блочной моделью с погрешностью менее 5% между реальным измеренным объемом и расчетным объемом CloudCompare.Цели обучения этой стажировки были достигнуты, и разработанная методология окажется полезной для лаборатории Северо-Западной механики тканей.
1. Введение
1.1 Стажировка
Инженерный колледж Государственного университета Бойсе предлагает студентам стажировки для проведения исследований в лабораториях факультета. Эти стажировки позволяют студентам применять полученные в классе знания и понимание в исследовательской деятельности. Цель программы стажировки — дать студентам возможность самостоятельно работать над достижением цели исследовательского проекта, развивая инженерные и технические навыки.Этой осенью 2018 года определенное количество студентов было выбрано для работы в биомедицинских лабораториях.
Автор этого отчета был выбран для проведения исследования в лаборатории механики тканей Северо-Запада под его наставничеством и советником.
В этом семестре стажировка автора проводилась в рамках продолжающегося проекта аспиранта, предложившего исследование дегенерации мениска. Основная цель проекта заключалась в разработке и проверке методологии измерения потери объема мениска крупного рогатого скота в зависимости от износа с помощью оптического 3D-сканера.Для подготовки и проведения этого исследования перед началом стажировки были поставлены цели обучения. Цели обучения должны соответствовать целям программы стажировки. Такие цели должны были позволить стажеру улучшить сложные навыки решения проблем в дополнение к созданию среды для обучения и понимания. Для дальнейшего продвижения исследований и практического обучения были поставлены три всеобъемлющие начальные цели обучения: (1) получить четкое представление о 3D-оптическом сканировании и сопутствующем программном обеспечении, (2) научиться независимо разрабатывать и проводить эксперименты для проверки процедур, (3) ) Получите опыт технической коммуникации и документации.
Эти цели обучения должны были быть достигнуты в течение семестра путем ссылки на журнальные статьи, применения известных знаний для решения проблем, совместной работы с персоналом лаборатории и посещения еженедельных встреч с консультантом.
1.2 Мениск
Мениск — это мягкая фиброзно-хрящевая ткань, расположенная между бедренной и большеберцовой костью (рис.1) [1]. Есть два мениска: медиальный мениск и латеральный мениск. Обе функции внутри колена обеспечивают стабильность и защищают суставной хрящ коленного сустава [1]. Мениски действуют, поглощая силы сжатия и растяжения, прикладываемые к колену в результате повседневной активности. Со временем мениски дегенерируют в результате чрезмерного использования и механического износа, что приводит к разрывам тканей (рис. 2).
Дегенерация мениска определяется как регрессивное патологическое разрушение фиброзной ткани мениска, которое чаще всего приводит к усилению боли в коленях [2].Эта дегенерация широко распространена, и ей страдают более 56% людей в возрасте старше 70 лет [3]. По мере того как ткани мениска продолжают разрушаться, в конечном итоге снижается несущая способность менисков. Нарушение микроструктуры мениска может привести к развитию остеоартрита (ОА) [1]. Мениски в основном бессосудистые, что означает отсутствие кровоснабжения тканей. Эта аваскуляризация способствует ограничению способности ткани мениска к естественному заживлению [1]. Поэтому дегенеративные разрывы мениска обычно лечат с помощью процедуры, называемой менискэктомией, частичного или полного удаления поврежденного мениска.Хотя это лечение помогает облегчить боль, вызванную возникновением дегенерации, в конечном итоге оно может привести к увеличению скорости износа, перелому костей, вызванному сдвигом, и дальнейшей суставной и хронической дегенерации мениска [2].
Широко распространены дальнейшие исследования влияния износа на дегенерацию мениска для предотвращения и лечения выравниваний, связанных с дегенерацией. Таким образом, целью данного исследования является разработка процесса определения характеристик объемного износа внутри мениска.
2.Методология
2.1 Обзор
3D-оптическое сканирование может использоваться вместо современных методов анализа износа, таких как гравиметрический и магнитно-резонансный анализ (МРТ). В [4] было доказано, что преимущества использования трехмерного оптического сканирования — быстрое, надежное и способное обнаруживать небольшие неровности поверхности. Техника трехмерного оптического сканирования была заимствована у Hollar et. al. [4] для цифрового сканирования изображений мениска крупного рогатого скота. Сканер, использованный в этом исследовании, имел точность 2.1um, как показано в [4]. Для достижения цели проекта стажировки использовалась техника сканирования в сочетании с разработанной методологией для дальнейшей оценки объемного износа.
2.2 Ознакомление с 3D-оптическим сканированием и сопутствующим программным обеспечением
В соответствии с первой учебной целью стажировки, перед экспериментированием необходимо изучить методы и программное обеспечение 3D-сканирования. Чтобы полностью понять концепцию трехмерного оптического сканирования и сопутствующего программного обеспечения FlexScan 3D, первоначальное исследование было проведено путем литературного анализа руководства пользователя сканера.Примечания были записаны в журнал, чтобы помочь решить настройку сканера и FlexScan 3D. После того, как руководство пользователя было прочитано, последовали лабораторные инструкции для выполнения шагов по калибровке сканера, сканированию объекта, выравниванию сканированных изображений и финализации изображений. Было выполнено несколько тестовых пробных сканирований объекта в кубе, чтобы лучше познакомиться с процессом сканирования и стать более комфортным. При необходимости была предложена и принята личная помощь от наставника.
Mentor оказался отличным и знающим помощником при работе со сканирующим программным обеспечением.
Общий процесс обучения сканированию занял около трех недель. В течение этого времени было определено, что скорость обработки и память компьютера, используемого для сканирования, препятствовали сканированию и обработке отсканированных изображений. Время, необходимое для сканирования и обработки в общей сложности 6 сканирований одного объекта, заняло примерно 30 ± 5 минут. По оценке [4], для точного полного сканирования потребуется 11 или более сканирований объекта. Из-за увеличенного времени сканирования было важно попытаться уменьшить это время, чтобы оптимизировать процедуру.Колледж инженерных информационных технологий, с нами связались по поводу этой проблемы. Он служил эталоном для увеличения вычислительной мощности компьютера. В конечном итоге исходный компьютер был заменен другим компьютером в лаборатории, чтобы повысить скорость сканирования и обработки. Благодаря такому повышению скорости обработки теперь требуется 4 ± 1 минута для полной обработки набора из 6 сканирований, что значительно сокращает время, затрачиваемое на ожидание обработки и рендеринга изображений.
2.2 Задачи
После получения необходимых знаний о 3D-сканере и программном обеспечении FlexScan 3D был составлен экспериментальный план и график испытаний.График семестра был создан с помощью диаграммы Ганта, чтобы помочь определить приоритеты определенных функций эксперимента. Эта диаграмма представлена в прилагаемых приложениях. Для достижения общей цели проекта необходимо было выполнить четыре задачи, чтобы продвинуть предыдущее исследование оптического 3D-сканирования, связанного с износом мениска. Задачи заключаются в следующем: (1) Определить программное обеспечение, способное анализировать объемный износ и вычитать общие геометрические формы между несколькими сканированиями, (2) Проверить точность процесса сканирования и найти программное обеспечение с эталонными блоками без дефектов (3) Проанализировать суррогатную модель эталонного блока для износа мениска, (4) Подтвердите методологию с использованием мениска крупного рогатого скота.
Рисунок 3. Экспериментальная концепция дизайна, показывающая, как были определены объемные потери.
2.2.1 Схема эксперимента
В качестве обзора схемы эксперимента на рисунке 3 показана цель эксперимента. Как показано в шагах 2 и 3, первое 3D-сканирование берцовой кости и мениска совмещено. Второй снимок, только большеберцовой кости, вычитается из первого снимка с использованием вычитания общей геометрии. Затем сканирование 3 показывает изолированный мениск до или после износа. Объемы изолированных менисков сравниваются, чтобы проанализировать общую потерю объема, полученную в результате износа.Как указано в задаче 3 плана эксперимента, суррогатная модель мениска и большеберцовой кости с использованием эталонных блоков должна была использоваться в процессе, показанном на рисунке 3. Это должно было быть сделано для того, чтобы получить представление о том, как будет работать методология, и проверьте точность программного обеспечения, указанного в задаче 1. После выполнения задач 1, 2 и 3 необходимо было провести анализ объемного износа мениска крупного рогатого скота с использованием концепции экспериментального дизайна (рис.
3).
2.2.2 Идентификация подходящего программного обеспечения
Как указано в задачах экспериментального проектирования, задача 1 требовала определения программного обеспечения, способного анализировать объем и вычитать общую геометрию.Было найдено множество программ, способных вычислить объем готового 3D-сканирования; однако ограниченное количество объектов было способно выполнить вычитание общей геометрии. Такие программы, как Geomagic для SolidWorks и Polygonica, были подходящими вариантами для программного обеспечения, но получение лицензии на них оказалось не подходящим для этой стажировки. Кроме того, программа Meshmixer была опцией, подходящей для вычитания общей геометрии; однако он не мог выравнивать и вычитать неправильную геометрию. После консультации с серией онлайн-форумов, посвященных программному обеспечению для выравнивания и вычитания, была найдена программа под названием CloudCompare.
CloudCompare — это программное обеспечение с открытым исходным кодом, которое доступно для самых разных целей.
Он предоставляет базовый набор инструментов для ручного редактирования и рендеринга 3D-сканированных изображений. Он способен совмещать несколько обработанных изображений вместе в виде сеток — набора вершин и граней, которые сшиваются вместе для трехмерной графики, используемой для моделирования. CloudCompare также может использовать обычное вычитание геометрии, которое имеет отношение к этому исследованию. После идентификации CloudCompare необходимо было изучить программное обеспечение, чтобы продолжить исследования.Полное изучение программы заняло около двух недель.
2.3 Программное обеспечение
Полный процесс — от оптического 3D-сканера до объемного анализа — был задействован на трех различных программных платформах. FlexScan 3D использовался для управления проектором и двумя камерами высокого разрешения с целью получения отсканированных изображений интересующего объекта. Кроме того, FlexScan 3D обрабатывает, выравнивает, комбинирует и финализирует наборы отсканированных изображений.
Программа Meshlab использовалась для создания сетки из обработанных сканированных изображений. Затем CloudCompare использовался для анализа объема сетчатого объекта и вычитания общей геометрии из нескольких сканирований. На рисунке 4 показана последовательность действий программного обеспечения для этого исследования.
2.4 Экспериментальная процедура проверки точности CloudCompare
В соответствии с целью обучения 2, процедура тестирования была определена независимо для определения точности CloudCompare. В процедуре использовались ссылочные блоки для моделирования процесса разработки эксперимента (рис.3). Два разных размера блока выступали в качестве суррогатной модели мениска и большеберцовой кости: большой блок (большеберцовая кость) и маленький блок (мениск). Чтобы представить вместе большеберцовую кость и мениск, маленький блок помещали поверх большого блока. Блоки использовались перед тестированием мениска крупного рогатого скота, поскольку они обеспечивали более надежное измерение объема в реальных условиях.
Не существует определенного способа измерения объема мениска без наведенной ошибки. С эталонными блоками реальные размеры были просто измерены штангенциркулем (± 0.001 дюйм), а расчет объема производился путем нахождения ширины (Ш) x высоты (H) x глубины (D). Для каждого тома, найденного в CloudCompare, он сравнивался с реальным объемом с использованием вычисления процентной ошибки.
С целью проверки программного обеспечения были оценены два типа блоков: (1) блоки без дефектов, представляющие модель предварительно изношенного мениска, и (2) блоки с дефектами, представляющие модель мениска после износа. Первые типы блоков были проанализированы перед вторым типом для этой процедуры проверки.Этот аспект теста был разработан, чтобы гарантировать, что CloudCompare смог точно определить объем объекта, в котором отсутствуют какие-либо незначительные недостатки. Это необходимо было подтвердить до тестирования модели дефектных блоков, чтобы с уверенностью сказать, что CloudCompare подходит для нужд исследования.
2.4.1 Объемы суррогатной блочной модели без дефектов
Для начала тестирования эталонные блоки были размещены на поворотном столе 3D оптического сканера (рис.5). Блоки были размещены примерно по центру к двум камерам высокого разрешения и проектору. Как только блоки были в правильном положении, FlexScan 3D использовался для запуска настройки сканирования, включая проектор, камеры и поворотный стол. Проектор излучал серию черных и белых вертикальных линий над интересующим объектом. FlexScan 3D был настроен на время экспозиции проектора 66,67 мс, чтобы поддерживать сбалансированный контраст между черным и белым светом. Такой контраст позволил камерам с высоким разрешением сканировать и обнаруживать изменения поверхности интересующего объекта.В то время как проектор показывал контрастные линии на блоках, камеры с высоким разрешением снимали изображения блоков, в то время как поворотный стол вращался по часовой стрелке.
Для этого проверочного теста было выполнено в общей сложности 8 сканирований каждого типа блока, только большого блока и большого плюс малого блоков. Одно сканирование выполнялось каждый раз, когда поворотный стол перемещался на 45 градусов. Это привело к полному обзору блоков на 360 градусов. Этот процесс сканирования был выполнен как для большого блока, так и для большого блока с маленьким блоком наверху.
. Как показано на рисунке 4, сканированные изображения были затем выровнены, объединены, обработаны и завершены в FlexScan 3D. Meshlab использовался для удаления любых повторяющихся граней, вершин и точек сетки. Очищенные сетчатые изображения были импортированы в CloudCompare для обычного вычитания геометрии и анализа объема. На рисунке 6 представлен обзор того, как геометрия была вычтена в CloudCompare, чтобы связать суррогатную блочную модель с моделью мениска, изображенной на рисунке 3.
Как показано на рисунке 6, зеленый блок представляет большеберцовую кость плюс мениск, синий — только большеберцовую кость, а маленький зеленый блок представляет изолированный мениск после вычитания общей геометрии. Объем для каждого компонента блока был измерен в CloudCompare, чтобы понять ошибки и расхождения, связанные между реальным объемом и смоделированным объемом. Весь процесс сканирования для анализа CloudCompare был выполнен трижды с использованием недефектных блоков.
2.4.2 Объемы модели суррогатного блока с дефектами
Схема процедуры в разделе 2.4.1 повторяется для набора дефектных блоков. Чтобы имитировать износ внутри мениска, в механическом цехе государственного университета Бойсе были обработаны четыре небольших блока с разной глубиной износа. Глубина износа 0,15 дюйма, 0,05 дюйма, 0,002 дюйма и 0,001 дюйма была выбрана для определения ряда известных дефектов (рис. 8а). Эти блоки дефектов были протестированы, чтобы количественно определить, насколько малую глубину дефекта может обнаружить сканер и сопутствующее программное обеспечение.
Процесс, показанный на рисунке 6, был использован в CloudCompare с добавлением третьего и четвертого шагов (рисунок 7). Эти дополнительные этапы тестирования учитывали возможную глубину износа мениска. Поскольку изношенный дефект мениска приведет к изменению размера и глубины, было уместно исследовать, насколько точна методология тестирования в отношении размера дефекта.
. Кроме того, тестирование дефектов блоков позволило проверить экспериментальную проектную модель (Рис.3) для решения проблемы объемных потерь до и после износа. На рисунке 8 показаны (а) блоки дефектов и (б) соответствующие модели CloudCompare для каждой глубины дефекта: 0,15 дюйма, 0,05 дюйма, 0,002 дюйма и 0,001 дюйма.
2,5 Объемный анализ мениска крупного рогатого скота
Рис. 9. Метод смещения объема для измерения объема большеберцовой кости и мениска. (Слева) Начальный объем, (Справа) Окончательный объем2.
5.1 Сканирование большеберцовой кости и менисков Для дальнейшего продвижения цели проекта, мениск крупного рогатого скота был проанализирован с использованием методологии, разработанной для этой исследовательской стажировки.Перед сканированием с помощью хирургических инструментов удалили избыток мягких тканей, окружающих мениск на большеберцовой кости. Удаление мягких тканей проводится для более точного сопоставления объема менисков и голени. После удаления ненужной ткани объемы всей большеберцовой кости и обоих менисков были рассчитаны вместе с использованием метода вытеснения воды. Лабораторное ведро было заполнено примерно 3 л воды. Большеберцовая кость и мениски были помещены в воду, и величина изменения смещения была записана как реальный объем большеберцовой кости плюс мениски (рис.9). Следует отметить, что этот метод измерения объема привел к дополнительной ошибке в эксперименте из-за неопределенности, связанной с точностью ковша. После регистрации объема большеберцовой кости плюс менисков использовалась методика сканирования, представленная на рисунке 4.
Большеберцовая кость и мениски крупного рогатого скота располагались на сканирующем поворотном столе. В этом положении было выполнено восемнадцать последовательных сканирований, в результате чего сканирование производилось на каждые 20 градусов поворота стола.Сканирование проводилось в полной темноте, чтобы камеры могли уловить микромасштабные детали менисков. После обработки первых восемнадцати сканирований мениск был повернут в двух разных положениях, чтобы получить еще восемнадцать сканирований с разных перспектив. Всего было проведено 54 сканирования большеберцовой кости плюс мениски.
Рис. 11. Разработанная методика была использована для создания трехмерной модели менисков и голени крупного рогатого скота на программной платформе CloudCompare. Этот процесс сканирования занял примерно 45 ± 5 минут.Сканы были импортированы в CloudCompare, и с помощью программного обеспечения была создана модель. Реальное изображение большеберцовой кости плюс менисков и созданная модель показаны на рисунке 11.
2.5.2 Сканирование большеберцовой кости
После совместного сканирования большеберцовой кости и мениска, мениски иссекали от большеберцовой кости (рис. 12). Это было сделано с помощью хирургического скальпеля, чтобы разрезать по внешнему периметру мениска между тканью мениска и большеберцовой костью.
Рис. 12. Большеберцовая кость крупного рогатого скота и рассеченные медиальный и латеральный мениски Были приняты меры для удаления только менисков, а не дополнительных мягких тканей вместе с менисками.Это было сделано для того, чтобы сканирование только большеберцовой кости оставалось совместимым с уже обработанным сканированием большеберцовой кости и менисков. И снова метод вытеснения воды использовался для измерения объемов только большеберцовой кости и каждого мениска, латерального и медиального. Большеберцовая кость была сканирована с использованием того же процесса, что и большеберцовая кость плюс мениски. Обработанное сканирование большеберцовой кости использовалось для создания модели большеберцовой кости в CloudCompare.
Согласно плану эксперимента (рис. 4), CloudCompare использовался для вычитания общей геометрии между сеткой большеберцовой кости плюс мениски и сеткой только большеберцовой кости.Затем в CloudCompare были рассчитаны объемы латерального и медиального менисков.
3. Результаты
Рисунок 13. Анализ ошибок блоков без дефектов по сравнению с реальными объемами3.1 Объемная ошибка блока без дефектов
Процентная погрешность между реальными измерениями объема и объемным анализом CloudCompare была рассчитана как основа для точности программного обеспечения. Средняя ошибка, обнаруженная при первоначальном тестировании всех недефектных блоков, показывает процент ошибок менее 5% для каждого типа блока (рис.12). Маленький блок, представляющий мениск, показывает наибольшую ошибку в 4,25% по сравнению с ошибкой малого блока реального объема. Таблица перечисленных объемов для ошибки исправного блока показана в прилагаемом приложении (Таблица 1).
3.2 Ошибка блока объемного дефекта
Как показано на рисунке 13, ошибка для дефектных блоков увеличивалась по мере уменьшения глубины дефекта.
Ошибка для наименьшего размера дефекта с глубиной 0,001 дюйма оказалась наивысшей ошибкой на уровне 384.7%, тогда как глубина остальных трех дефектов не превышала 20%. Следует отметить, что ошибка для самого мелкого блока не изображена на рисунке 13, скорее, обозначение для точки данных указано как (0,001, 384,7), поскольку эта точка находится за пределами диаграммы.
3.3 Объемная ошибка мениска
Ошибка объема между реальной большеберцовой костью и менисками по сравнению с CloudCompare составляла примерно 2.98%. Ошибка только в большеберцовой кости составила 2,77% после удаления медиального и латерального менисков. Ошибка, обнаруженная при объемном анализе менисков, была больше, чем ошибка только для большеберцовой кости плюс мениски и только большеберцовая кость.
Ошибка объема медиального мениска составила 17,98%, а ошибка объема латерального мениска — 18,36%. На рисунке 15 показаны объемные ошибки компонентов мениска.
4. Обсуждение
4,1 Исследования
Сроки прохождения стажировки позволили выполнить основную задачу проекта.Проведенные эксперименты и полученные результаты показывают, что разработанная методология с использованием CloudCompare подходит для анализа. CloudCompare показал минимальные расхождения между реальным объемом и расчетным объемом. Суррогатная блочная модель доказала, что эту методологию можно успешно использовать для сканирования объектов, создания сетчатых изображений объекта и оценки объема объекта. Используя блочную модель, объем мениска можно вычислить с помощью вычитания общей геометрии только между большеберцовой костью плюс менисками и только большеберцовой костью.Когда рассчитывались процентные ошибки, желательна ошибка 5% или меньше, чтобы считать процесс точным. Как показано в результатах, процент ошибок оставался ниже 5%, за исключением дефектных блоков с глубиной 0,002 дюйма и 0,001 дюйма в дополнение к ошибкам медиального и латерального мениска.
Самый мелкий дефектный блок дал самую нежелательную ошибку для этого исследования в 384,7%.
Из рисунка 8 дефектных блоков видно, что смоделированные блоки в CloudCompare не показывают повышенной детализации для 0.001 ”дефект. Похоже, что изображение модели не сохранило достаточно деталей в процессе сканирования, очистки сетки и вычитания общей геометрии. По этой причине предполагается, что ограничения методологии связаны с микромасштабными дефектами. На основании этого исследования методология может быть признана разумной с точностью до 0,002 дюйма. Дефекты, меньшие этой глубины, не могут быть зарегистрированы сканером или обработаны сопутствующим программным обеспечением. Чтобы потенциально улучшить дефектные ошибки, представленные в этом исследовании, и получить более четкое представление о разрешении дефектов методологии, следует провести несколько пробных испытаний с различной различной глубиной дефекта.Разрешение текущей методологии оказывается ограниченным при измерении микромасштабных дефектов. При анализе износа в модели мениска следует принимать во внимание эти результаты дефектов. Если дегенеративный износ менисков находится в микромасштабе 0,001 дюйма или меньше, возможная ошибка в объемном анализе может преобладать, что приводит к неточным данным о механическом износе. Используя разработанную методологию, можно сказать, что методика сканирования и объемного анализа подходит для анализа менискового износа в определенной степени выше 0.001 ”разрешение глубины.
Объемные ошибки медиального и латерального менисков были большими по сравнению с желаемой процентной ошибкой в 5%. Это могло произойти из-за ошибки программного обеспечения при распознавании мягких тканей. Как упоминалось в разделе 2.5.2, медиальный и латеральный мениски были удалены из большеберцовой кости с попыткой сохранить мягкие ткани, прикрепленные к большеберцовой кости. Во время этого процесса часть мягких тканей, прикрепленных к большеберцовой кости во время первоначального сканирования большеберцовой кости плюс мениски, могла быть удалена.Когда сканировалась только большеберцовая кость, геометрия могла не полностью совпадать с геометрией первоначального сканирования из-за удаления мягких тканей. В результате, когда общая геометрия сетки большеберцовой кости была вычтена из сетки большеберцовой кости и мениска, компоненты большеберцовой кости при каждом сканировании могли не выровняться должным образом, поскольку не было некоторых мягких тканей из сетки только большеберцовой кости. Без этого правильного выравнивания, как показано на суррогатных блоках (рис. 6), вычитание общей геометрии могло привести к удалению частей менисков, которые не планировалось удалять.Это удаление в конечном итоге привело к появлению дыр в сетке в CloudCompare. Отверстия привели к образованию негерметичных сеток менисков. Следовательно, рассчитанные объемы были меньше реальных измеренных объемов мениска. По этой причине можно предположить, что увеличение объемной ошибки в процентах между реальными и сканированными менисками было результатом неправильного распознавания и вычитания мягких тканей. Для устранения ошибки, представленной в этом текущем исследовании, необходимо будет разработать дальнейшее тестирование и более определенную процедуру вскрытия.
Как кратко упоминалось в обзоре методов, объемный износ в настоящее время измеряется с помощью гравиметрического анализа или технологий магнитно-резонансной томографии (МРТ). Гравиметрический анализ использует микровесы для определения потери массы объекта [7]. Хотя этот метод считается стандартом для измерения износа, он не применим для исследования дегенерации мениска. Это связано с материальным составом менисков. Гравиметрические методы не подходят для измерения износа увлажненных мягких тканей, таких как мениск [8].Технология визуализации МРТ более пригодна для тестирования на износ мениска, поскольку она может отображать мягкие ткани; однако методы, включающие МРТ, имеют низкую чувствительность для обнаружения небольших изменений тканей и требуют длительного времени сканирования [1,8]. Хотя в ходе исследования были ошибки, превышающие желаемую процентную ошибку в 5%, все же можно сказать, что разработанная методика точна для анализа объемного износа и, следовательно, более практична для измерения износа, чем другие методы. Это связано с объемными данными из суррогатной блочной модели.Модель показала, что процесс сканирования и анализа в CloudCompare приводит к минимальным расхождениям между реальными и отсканированными данными. Разработанную методологию можно считать подходящей для измерения объемных потерь из-за износа по сравнению с другими методами, используемыми для измерения износа мениска.
4.2 Стажировка
4.2.1 Цели обучения
На протяжении стажировки цели обучения, поставленные перед исследованием, были достигнуты. Цели обучения заключаются в следующем: (1) получить четкое представление о 3D-оптическом сканировании и сопутствующем программном обеспечении, (2) научиться независимо разрабатывать и проводить эксперименты для проверки процедур, (3) получить опыт технической коммуникации и документации.Эти цели не изменились в ходе выполнения порученных работ.
Первая цель обучения была выполнена в течение первых трех недель стажировки. Полное понимание оптического 3D-сканера позволило продолжить экспериментальную процедуру проектирования. Если бы эта цель не была достигнута, то общая цель этого проекта стажировки не могла быть достигнута. В разделе 2.2 методов описывается, как эта цель обучения была достигнута.
Вторая цель обучения была достигнута через наставничество. Первоначальная концепция проекта была разработана еще до начала стажировки. План потенциального аспирантского исследования, включающий концепции, связанные с этим проектом. Практика была сосредоточена на аспектах этого предложенного плана. Необходимо было разработать и провести определенные эксперименты, чтобы проверить правильность методологии, используемой для определения объемного износа мениска. Эксперименты были разработаны независимо в качестве стажера с использованием методов, полученных из текущей литературы, и знаний о дизайне экспериментов, полученных из курса «Экспериментальные методы» в области машиностроения.Вышеупомянутые разделы, посвященные методам, подробно описывают методологию, разработанную с целью анализа объемного износа мениска крупного рогатого скота.
Третья цель обучения была достигнута путем документирования стажировки. Лабораторный журнал велся с отражением экспериментальных идей, предварительных данных, эскизов и соответствующей информации, связанной с проектом стажировки. Записи, сделанные в журнале, сводились в еженедельные отчеты. Эти отчеты были представлены на личных встречах с консультантом.Встречи проводились каждый понедельник и использовались для выражения прогресса и результатов, относящихся к проекту. Во время этих встреч использовались технические коммуникативные навыки для отображения данных и обсуждения проблем и следующих шагов исследования. Кроме того, третья цель обучения была реализована посредством презентации исследования, представленной другим стажерам и наставникам в течение первой недели декабря. Эта презентация проиллюстрировала результаты стажировки и позволила улучшить техническую коммуникацию посредством презентации.После презентации стажер получил отзывы от наставников стажировки о качестве презентации. Из отзывов стало известно, что докладчику необходимо использовать отведенное для презентации время в меру своих возможностей. Время данной презентации было больше, чем требовалось. В отзывах упоминалось, что некоторые аспекты исследования не обязательно должны быть включены в доклад. Кроме того, были даны отзывы о том, как правильно отвечать на вопросы после презентации и как реагировать на комментарии и проблемы, связанные с исследованием.Полученная обратная связь позволила стажеру улучшить техническую коммуникацию и представление исследований. Этот отчет также служит для достижения третьей цели обучения путем создания оригинального технического документа, отражающего общие исследования стажировки.
4.2.2 Технический уровень
Эта стажировка позволила освоить и использовать множество новых навыков в течение семестра. В следующем списке показаны новые навыки, приобретенные в результате этой стажировки:
- Изучение нескольких программных платформ
- Устранение неполадок компьютера и программного обеспечения
- Методы обзора литературы и раскадровка
- Рассечение мениска крупного рогатого скота
- Независимая работа и сообщение о прогрессе
Как указано в первой цели обучения, необходимо понимать трехмерное оптическое сканирование.Для работы со сканером необходимо было изучить программу FlexScan 3D. Кроме того, необходимо было изучить программы Meshlab и CloudCompare для дальнейшего анализа обработанных сканированных изображений. У каждой программы был свой компьютерный интерфейс и разные способы навигации по курсору. Задача изучения каждого типа программного обеспечения заключалась в том, чтобы отследить, какое программное обеспечение требует каких-либо команд клавиатуры и курсора. Поскольку обучение этим программам было ограниченным, технические документы в Интернете, форумы и видео использовались в качестве справочных источников для изучения программного обеспечения.
При изучении этих новых программ могут возникнуть проблемы с некоторыми функциями программы. В процессе изучения программного обеспечения был приобретен новый навык комплексного поиска и устранения неисправностей. Например, в программе CloudCompare возникли проблемы с выравниванием сеток для вычитания общей геометрии из-за неправильного масштабирования. Поскольку программное обеспечение имеет открытый исходный код, существует минимум руководств пользователя, касающихся функций и возможностей программы. Для устранения неполадок онлайн-форумы использовались в качестве справочных материалов для решения проблем, связанных с использованием CloudCompare.С создателем CloudCompare Даниэлем Жирардо-Монто даже связались, чтобы получить дополнительную справочную информацию, которая поможет сориентироваться в программе. В связи с этим было также достигнуто умение работать в тесном контакте с внешними представителями для достижения желаемых результатов.
Для этой стажировки был проведен обзор литературы. Чтобы отслеживать прочитанные статьи и содержащуюся в них информацию, была создана электронная таблица Excel, позволяющая легко ссылаться на найденные соответствующие данные. Этот метод работы с электронными таблицами был заимствован у советника и использовался во всем обзоре литературы.Кроме того, был изучен навык раскадровки. Раскадровка состояла из слайдов PowerPoint, которые визуально представляли наблюдения и данные, чтобы помочь передать концепции, найденные из литературы и экспериментов.
Чтобы работать с мениском крупного рогатого скота, необходимо изучить приемы обращения с ним и правильные методы его рассечения. До этого проекта у стажера был ограниченный опыт вскрытия животных и использования хирургических инструментов. Таким образом, навыки, приобретенные при работе с мениском крупного рогатого скота, включали: обучение тому, как держать скальпель и разрезать мягкие ткани, как определять ненужные мягкие ткани, которые нужно удалить, и как правильно обращаться с образцами и хранить их.
Самым важным навыком, приобретенным в ходе этого проекта, было умение работать независимо и решать проблемы, связанные с исследованием. Хотя подавляющее большинство инженерных курсов включает в себя самостоятельные задания и проекты, эта стажировка позволила полностью применить принципы самообучения и экспериментальное проектирование.
4.2.3 Влияние исследований
Общее влияние этой работы поможет продвинуть вперед изучение износа мениска крупного рогатого скота. Добавление программного обеспечения CloudCompare позволит получить дальнейшие объемные данные об износе мениска.Следует отметить, что, когда Холлар первоначально предложил этот проект до стажировки, методология, предложенная для анализа объема, включала большее количество этапов программного обеспечения. Было предложено сканировать изображение через FlexScan3D, затем импортировать в Meshlab для преобразования в сетку, а затем эту сетку импортировать в другое программное обеспечение для преобразования в твердую деталь. Твердая деталь будет проанализирована в SolidWorks для отображения объема. Этот предложенный процесс включал четыре различных программного обеспечения и не позволял вычитать общую геометрию.Таким образом, текущая методология (рис. 4) оптимизирует процедуру нахождения объема, предоставляя средства для вычитания сложных сеток друг из друга для достижения концепции экспериментального дизайна (рис. 3).
Как описано в разделе методов, скорость обработки компьютера была увеличена. Это позволило своевременно начать сканирование и обработку сканированных изображений. Эта оптимизация процесса сканирования позволит сканировать и анализировать большее количество изображений без лишнего времени ожидания.Уменьшение времени, необходимого для сканирования и обработки изображений, позволяет тратить больше времени на различные аспекты экспериментального плана.
До этого исследования существующие методы измерения износа ограничивались гравиметрическим анализом и МРТ. Как указывалось ранее, эти современные методы не могут быть полностью применимы для измерения износа мениска из-за ограничений в методах. Методология, разработанная для этой стажировки, может преодолеть ограничения существующих методов измерения и предоставить точные средства количественной оценки потери объема.Таким образом, это исследование окажет долгосрочное влияние на Инженерный колледж, в частности, на Северо-западную лабораторию механики тканей. Разработанную методологию можно использовать для дальнейшего исследования и понимания механизмов износа менисков в результате дегенеративного повреждения.
5. Заключение
В заключение, указанные цели обучения были достигнуты для данной стажировки, и цель проекта была достигнута. Были приобретены новые навыки, помогающие решать экспериментальные и исследовательские задачи.Работа, проделанная для разработки методологии анализа износа мениска крупного рогатого скота, окажет долгосрочное положительное влияние на общие исследования износа мениска. Дальнейшая работа, связанная с этим исследованием, может быть сосредоточена на стимулировании износа нескольких менисков крупного рогатого скота с помощью симулятора коленного сустава. Затем можно было оценить объемный износ менисков, используя методологию, разработанную во время этой стажировки.
Благодарности
Этот материал основан на работе, проведенной в Северо-западной лаборатории механики тканей Государственного университета Бойсе.Особая благодарность моему наставнику в исследовательской лаборатории за время стажировки. Кроме того, особая благодарность выражается руководителю моего факультета за то, что он работал научным консультантом.
Список литературы
[1] Fischenich, Kristine M. et. al. Влияние дегенерации на сжимающие и растягивающие свойства мениска человека, Журнал биомеханики. 48 (2015) 1407-1411.
[2] Хауэлл Р., Кумар Н.С., Патель Н., Том Дж. Дегенеративный мениск: патогенез, диагностика и варианты лечения.Мир J Orthop. 5 (2015) 597-602.
[3] Englund, M. et. al. Случайные находки мениска на МРТ коленного сустава у людей среднего и пожилого возраста, N Engl J Med. 359 (2008) 1108-1115.
[4] Холлар, Кэтрин А. и др. al. Количественная оценка глубины износа протезов бедра с помощью оптического 3D-сканера Wear. 394 (2018) 195-202. [5] Нормальная анатомия колена. (2014). Изображение. Доступно по адресу: https://orthoinfo.aaos.org/en/diseases–conditions/meniscus-tears
[6] Дегенеративный разрыв (2014). Изображение.Доступно по адресу: https://orthoinfo.aaos.org/en/diseases–conditions/meniscus-tears
[7] Saikko, Vesa et. al. Моделирование износа тотальных протезов бедра с полиэтиленом против CoCr, оксида алюминия и алмазоподобного углерода, биоматериалов. 20 (2001) 1507-1514.
[8] Холлар, Кэтрин А. План аспирантуры, 2018 г.
Приложение
Следующее приложение содержит исходные данные и информацию, относящуюся к отчету о стажировке и исследовании.
Рисунок 16. Предполагаемый график исследования с разбивкой на задачи на весь семестр Рисунок 17.Окончательный график стажировки с задачами, выполняемыми еженедельно Таблица 1. Объемные данные для тестирования исправных блоков в CloudCompare. % tibia Таблица 4. Объемный анализ реальных объемов и объемов CloudCompare для большеберцовой кости, латерального мениска и медиального менискаОптически активные метастабильные дефекты в объемных наноплазмонных композитах
Барафф, Г. А. и Шлютер, М. Бистабильность и метастабильность вакансии галлия в GaAs: активатор EL 2? Phys. Rev. Lett. 55 , 2340 (1985).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
Паркер Дж. И Брей Р. Анализ термического восстановления метастабильных EL2 дефектов в GaAs с помощью фотоэлементов. Phys. Ред. B 37 , 6368 (1988).
ADS Статья CAS Google Scholar
Dabrowski, J. & Scheffler, M. Теоретические доказательства оптически индуцируемого структурного перехода изолированного As-антисита в GaAs: идентификация и объяснение EL2? Phys. Rev. Lett. 60 , 2183 (1988).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
Чади Д. Дж. И Чанг К. Дж. Метастабильность изолированного мышьяк-антисайтного дефекта в GaAs. Phys. Rev. Lett. 60 , 2187 (1988).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
Каминска М., Сковронски М., Лаговски М. Дж., Парси, Дж. М. и Гатос, Х. С. Заявление . Физика . Lett. 43 , 302 (1983).
CAS Google Scholar
Сюй, С.Дж., Ли, Г., Чуал, С.Дж., Ван, Х.С. и Ван, В.Обнаружение оптически активных метастабильных дефектов в нелегированных эпитаксиальных слоях GaN. Заявл. Phys. Lett. 72 , 2451 (1998).
ADS Статья CAS Google Scholar
Райан Б. Дж., Генри М. О., МакГлинн Э. и Фрайар Дж. Исследование оптической метастабильности в GaN с использованием спектроскопии фотолюминесценции. Physica B 340–342 , 452–456 (2003).
ADS Статья CAS Google Scholar
Свенссон, Дж. Х., Янцен, Э. и Монемар, Б. Спектроскопическое исследование метастабильного дефекта в кремнии. Полуконд. Sci. Technol. 6 , 130–133 (1991).
Артикул Google Scholar
Ставола, М., Левинсон, М., Бентон, Дж. Л. и Кимерлинг, Л. С. Внешний автолокат и отрицательный U в полупроводниках: метастабильный центр в InP. Phys. Ред. B 30 , 832 (1984).
ADS Статья CAS Google Scholar
Линке Р. А., Редмонд И., Тио Т. и Чади Д. Дж. Голографические носители информации на основе оптически активных бистабильных дефектов. J. Appl. Phys. 83 , 661 (1998).
ADS Статья CAS Google Scholar
Rougieux, F. E. и Macdonald, D. Чтение данных, хранящихся в состоянии метастабильных дефектов в кремнии, с использованием полосно-полосной фотолюминесценции: подтверждение концепции и физические ограничения плотности хранения данных. Заявл. Phys. Lett. 104 , 124103 (2014).
ADS Статья CAS Google Scholar
Алекс В. и Вебер Дж. Хранение оптических данных в полуизолирующем GaAs. Заявл. Phys. Lett. 72 , 1820–1822 (1998).
ADS Статья CAS Google Scholar
Горелкинский Ю.В., Мукашев Б.Н., Абдулли К.А. Метастабильные и бистабильные дефекты в кремнии. Phys. Усп. 43 , 139 (2000).
ADS Статья Google Scholar
Ватанабэ, М. и др. . Просвечивающие и фотолюминесцентные изображения трехмерной памяти в стекловидном диоксиде кремния. Заявл. Phys. Lett. 74 , 3957 (1999).
ADS Статья CAS Google Scholar
Барнс, В. Л., Дере, А., Эббесен, Т. В. Субволновая оптика поверхностных плазмонов. Nature 424 , 824–830 (2003).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
Шуллер, Дж. А. и др. . Плазмоника для экстремальной концентрации света и манипуляций. Nature Mater. 9 , 193–204 (2010).
ADS Статья CAS Google Scholar
Анкер, Дж. Н. и др. . Биосенсор с плазмонными наносенсорами. Nature Mater. 7 , 442–453 (2008).
ADS Статья CAS Google Scholar
Стокман М. и Бергман Д. Дж. Усиление поверхностных плазмонов с помощью вынужденного излучения излучения: квантовая генерация когерентных поверхностных плазмонов в наносистемах. Phys. Rev. Lett. 90 , 027402 (2003).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
Ногинов М.А. и др. . Демонстрация нанолазера на основе спазера. Природа 460 , 1110–1112 (2009).
ADS Статья PubMed CAS Google Scholar
О’Коннор, Д. и Заяц, А. В. Хранение данных: третья плазмонная революция. Nature Mater 5 , 482–483 (2010).
Google Scholar
Этуотер, Х.А., Полман, А. Плазмоника для улучшенных фотоэлектрических устройств. Nature Mater. 9 , 205–213 (2010).
ADS Статья CAS Google Scholar
Hryciw, A., Jun, Y., Ch. & Brongersma, М. Электрификация плазмоники на кремнии. Nature Mater. 9 , 3–4 (2010).
ADS Статья CAS Google Scholar
Лал, С., Клэр, С. Э. и Халас, Н. Дж. Фототермическая терапия рака с использованием наноболочек: надвигающееся клиническое воздействие. Accounts Chem. Res. 41 , 1842–1851 (2008).
Артикул CAS Google Scholar
Фрунерт, М., Мюлиг, С., Ледерер, Ф. и Рокштуль, К. К самоорганизующимся метаматериалам с отрицательным показателем преломления. Phys. Ред. B 89 , 075408 (2014).
ADS Статья CAS Google Scholar
Барон А., Арадиан А., Понсине В. и Баруа П. Самосборные оптические метаматериалы. Оптика и лазерные технологии 82 , 1 (2016).
Артикул CAS Google Scholar
Левандовски, В., Фрунерт, М., Мечковски, Дж., Рокштуль, К. и Горецка, Э. Динамически самоорганизующиеся наночастицы серебра как терморегулируемый метаматериал. Nature Commun. 6 , 6590 (2015).
ADS Статья CAS Google Scholar
Sadecka, K. et al. . Когда эвтектика встречается с плазмоникой: наноплазмонная, объемная, самоорганизованная, эвтектика на основе серебра. Adv. Опт. Матер. 3 , 381 (2015).
Артикул CAS Google Scholar
Wu, Y. et al. . Повышенная апконверсионная люминесценция наночастиц серебра в стеклах висмута-германата, содержащих кодировку Er 3+ / Yb 3+ . J. Phys. Chem. С 115 , 25040 (2011).
Артикул CAS Google Scholar
Gajc, M. et al. . Прямое легирование наночастиц: новый метод изготовления объемных объемных плазмонных нанокомпозитов. Adv. Функц. Матер. 23 , 3443–3451 (2013).
Артикул CAS Google Scholar
Хименес, Дж. А. и др. . Агрегаты серебра и двухкоординированные центры олова в фосфатном стекле: исследование фотолюминесценции. J. Люминесценция 129 , 1546 (2009).
ADS Статья CAS Google Scholar
Бурхис, К. и др. . Формирование и термостабилизация люминесцентных кластеров серебра в светочувствительных стеклах. Мат . Res . Бык . 48 , 1637–1644 (2013).
Хименес, Дж. А., Сендова, М. и Лю, Х. Фотолюминесценция через перенос энергии плазмонного резонанса в серебряных нанокомпозитных стеклах. J. Appl. Физика 104 , 054313 (2008).
ADS Статья CAS Google Scholar
Хименес, Дж. А., Сендова, М. и Лю, Х. Эволюция оптических свойств фосфатного стекла, легированного серебром, во время термической обработки J . Люминесценция 131 , 535 (2011).
ADS Статья CAS Google Scholar
Хименес, Дж. А., Лысенко, С., Лю, Х., Фачини, Э. и Кабрера, К. Р. Исследование влияния серебра и олова на люминесценцию трехвалентных ионов европия в стекле. J. Люминесценция 130 , 163 (2010).
ADS Статья CAS Google Scholar
Чжэн В., Курубори Т., Миямото Ю., Нанто Х. и Ямамото Т. Формирование и отнесение центров дефектов серебра в фосфатном стекле под действием фемтосекундных лазерных импульсов. Измерения радиации 46 , 1402 (2011).
ADS Статья CAS Google Scholar
Миямото, Ю. и др. . Радиофотолюминесценция фосфатного стекла, легированного серебром. Измерения радиации 46 , 1480 (2011).
ADS Статья CAS Google Scholar
Калкман, Дж., Куйперес, Л., Полман, А. и Герсен, Х. Связывание ионов Er с поверхностными плазмонами на Ag. Заявл. Phys. Lett. 86 , 041113 (2005).
ADS Статья CAS Google Scholar
Полман, А. Тонкопленочные фотонные материалы, имплантированные эрбием. J. Appl. Phys. 82 , 1 (1997).
ADS Статья CAS Google Scholar
Говоров А.О. и др. . Экситон-лазмонное взаимодействие и гибридные экситоны в сборках полупроводников и металлических наночастиц. Nano Lett 6 , 984–994 (2006).
Никитина А.Г., Зуев В.В. Бистабильные амфотерные центры в полупроводниках. Полупроводники 42 , 2 (2008).
Google Scholar
Шиноя С., Кода Т., Эра К. и Фудзивара Х. Природа люминесцентных переходов в ZnS Crvstals. J. Phys. Soc Jpn 19 , 1157 (1964).
ADS Статья Google Scholar
Ю. П. У. Фотолюминесценция и возбуждение фотолюминесценции эмиссии EL0 0,635 эВ в полуизолирующем GaAs, легированном кислородом. Phys. Ред. B 42 , 11889 (1990).
ADS Статья CAS Google Scholar
Бров, Б. Дж. Обзор: структура простых фосфатных стекол. J. Non-Cryst. Твердые тела 263 и 264 , 1–28 (2000).
Zhang, L. & Hu, H. Влияние OH — на ИК-излучение Nd 3+ , Yb 3+ и Er 3+ , легированных тетрафосфатных стекол. J. Phys. Chem. Твердые тела. 63 , 575 (2002).
ADS Статья CAS Google Scholar
Джадд Б. Р. Интенсивности оптического поглощения редкоземельных ионов. Phys. Ред. 127 , 750–761 (1962).
ADS Статья CAS Google Scholar
Deubel, M. et al. . Прямая лазерная запись трехмерных фотонно-кристаллических шаблонов для телекоммуникаций. Nature Mater. 3 , 444 (2004).
ADS Статья CAS Google Scholar
Малинаускас, М. и др. . Трехмерные микрооптические элементы, сформированные из фотоструктурируемого силиката германия путем прямой лазерной записи. Оптика и лазеры в технике 50 , 1785 (2012).
ADS MathSciNet Статья Google Scholar
Юн Д. Х., Йоненага И., Охниши Н. и Фукуда Т. Выращивание кристаллов бездислокационных монокристаллов LiNbO 3 методом микротягивания вниз. J. Cryst. Рост 142 , 339–343 (1994).
ADS Статья CAS Google Scholar
Кристаллы в форме: выращивание методом микропитания вниз (Ред: Фукуда, Т. Чани, В. И.), Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2007.
Павляк, Д. А. и др. . Насколько мы далеки от создания метаматериалов путем самоорганизации? Микроструктура высокоанизотропных частиц с геометрией типа SRR. Adv. Функц. Мат. 20 , 1116–1124 (2010).
Артикул CAS Google Scholar
Sadecka, K., Toudert, J., Surma, H. B. & Pawlak, D. A. Настройка температуры и атмосферы наноплазмонного резонанса метаматериала Bi 2 O 3 -Ag на основе объемной эвтектики. Опт. Exp. 23 , 19098 (2015).
ADS Статья CAS Google Scholar
Разработка дефектов с использованием симметрии кристалла
Дефекты в твердых телах можно широко классифицировать в зависимости от их размерности (1). Нульмерные дефекты (точечные дефекты) возникают как следствие энтропийных соображений (конфигурационная энтропия) и, таким образом, термодинамически необходимы в любом материале. Одномерные дефекты, такие как дислокации, не требуются термодинамикой, но в любом случае возникают как следствие несовершенства синтетической среды или из-за структурных ограничений, налагаемых приложенными напряжениями из различных источников.Дислокации возникают в результате напряжений, возникающих в результате термической предыстории, обработки или структурного несоответствия, как в случае гетероэпитаксиальных тонких пленок, которые так распространены в современной технологии. Известно, что протяженные дефекты оказывают сильное влияние на достижение или снижение желаемых характеристик материала. Сложные сети дислокаций разрабатываются в сплавах для улучшения их механических свойств, таких как прочность на разрыв в стали и других технологически важных сплавах (2).Во многих случаях дефекты, такие как дислокации, вредят желаемой производительности устройства (3). Объемные дефекты (например, включения второй фазы, некоторые из которых намеренно созданы в материалах, таких как зоны Гинье – Престона в сплавах Al – Cu) (4, 5) могут возникать как следствие неправильной обработки или преднамеренной инженерии материалов.
Характерный масштаб таких дефектов будет зависеть от рассматриваемого физического явления (например, для закрепления движения дислокаций потребуются вторые фазы определенного размера и расстояния).