Состав и структура

Свойства любого материала можно регулировать в широких пределах путем изменения его состава и структуры.

Состав материала: химический, минералогический, фазовый (твердый, жидкий, газообразный) зависит в большей степени от сырья, которое было использовано и в меньшей – от технологии изготовления изделий.

Структуру материала изучают на микроуровне при помощи микроскопов и на макроуровне – визуально. В зависимости от состава микроструктура может быть нестабильной коагуляционной, оцениваемой по вязкости и пластичности (клей, лакокрасочные материалы, глиняное и цементное тесто), которая с течением времени переходит в более устойчивую – аморфную (стекло, шлаки), характеризующуюся однородностью и хаотичным расположением молекул, или самую стабильную – кристаллическую (металлы, природный и искусственный камень), представляющую собой кристаллическую решетку со строго определенным расположением атомов. Одним из основных показателей последних является прочность. Форма, размеры и расположение кристаллов оказывают большое влияние на свойства материалов. Мелкокристаллические – более однородны и стойки против внешних воздействий, крупнокристаллические (металлы) имеют большую прочность. Слоистое расположение кристаллов (сланцы) обеспечивает легкое раскалывание по плоскостям, что используют при получении отделочных плиточных материалов. Структуру искусственно полученных материалов можно целенаправленно регулировать в широком диапазоне в зависимости от задаваемых свойств и назначения изделий. Так при получении листовых стекол откорректированный состав, основой которого является кремнезем (SiO₂), сначала приобретает коагуляционную структуру – при расплавлении, затем аморфную – при формовке и охлаждении изделий, которые характеризуются набором свойств, главные из которых – оптические. Для повышения термомеханических показателей можно целенаправленно изменить структуру стекол на кристаллическую за счет ввода в сырье специальных добавок и дополнительной термообработки изделий. Материал приобретает высокую термостойкость, прочность на удар и износ, химическую стойкость, но теряет прозрачность. Комплекс полученных свойств определяет назначение каждого изделия: для остекления окон – аморфное стекло, облицовки пола в цехах с агрессивными средами – кристаллическое.

Макроструктура материалов: плотная (стекло), искусственная ячеистая (пеносиликат), мелкопористая (кирпич), волокнистая (древесина), слоистая (пластики), рыхлозернистая (песок, щебень, гравий) зависит от технологии получения материала и изделия. Так, например, имея одно и то же основное исходное сырье – глину и изменяя технологию, можно получить облицовочные плитки плотной структуры, стеновой мелкопористый кирпич и теплоизоляционный ячеистый – керамзит.

Состав и структура определяют свойства материалов, которые не остаются постоянными, а изменяются во времени в результате механических, физико-химических, иногда и биохимических воздействий среды, в которой эксплуатируется изделие или конструкция. Эти изменения могут протекать как медленно, например, при разрушении горных пород, так и относительно быстро – при вымывании из бетона растворимых веществ, действии ультрафиолетовых лучей на полимерные материалы, что приводит к изменению их цвета и повышению хрупкости. Следовательно, каждый материал должен обладать не только свойствами, позволяющими применять его по назначению, но и определенной стойкостью, обеспечивающей долговечную эксплуатацию отдельного изделия и всего сооружения в целом.