Химические свойства

Химические свойства определяются химическим составом материала. Показатели содержания основных веществ и примесей для большинства материалов широко используются при оценке их свойств. Значение химического состава дает возможность судить о ряде свойств материала и его устойчивости к различным воздействиям. Так, например, определенный процент содержания хрома в стали делает ее нержавеющей; повышенное содержание серы и фосфора превращает сталь в хрупкий, непригодный к применению материал; химические свойства стекла, например, полностью определяются его составом.

Химостойкость - это стойкость материала к взаимодействию с различными химически активными веществами. Для металлов большое значение имеет коррозионная стойкость. При определении химостойкости образцы материалов на длительное время помещают в условия, близкие к тем, в которых они должны реально выполнять свои функции, или еще более суровые с точки зрения концентрации химической активности среды, температуры и т.д. [2]. После этого определяют изменение внешнего вида образцов, их массы, а в определенных случаях - характеристики находившегося в контакте с материалом биологического объекта. Одним из наиболее важных требований к материалам, применяемым в медицине, является их биологическая инертность, т.е. полное отсутствие химических реакций с тканями живого организма.

Особенности химических свойств материалов как общетехнического, так и медицинского применения рассмотрены в соответствующих разделах настоящего учебного пособия.

Электрические свойства

Электрические свойства материалов наиболее полно раскрывают их природу и сущность. Основным свойством вещества по отношению к электрическому полю является электропроводность, т.е. способность проводить электрический ток под воздействием приложенного постоянного электрического напряжения. Электрический ток - это упорядоченное, направленное движение электрических зарядов в пространстве. При отсутствии электрического поля тепловое движение носителей заряда является хаотическим.

Если в веществе существуют свободные носители заряда только одного вида, плотность тока j, т.е. электрический заряд, переносимый за единицу времени через единицу площади, перпендикулярной к напряженности электрического поля 8

^{j = qnV}, (1.1, а)

где q - заряд, Кл; п - число находящихся в единице объема вещества свободных носителей заряда (концентрация носителей, м'³); и - средняя скорость упорядоченного движения носителей, возникшего под действием электрического поля, м/с. Обычно скорость пропорциональна напряженности поля 8:

и = ц8, (1.2)

где Ц - коэффициент пропорциональности (подвижность носителей заряда), м²/(В-с), см²/(В-с).

С учетом (1.2) уравнение (1.1) можно представить в виде

j = c8 = S/p, (1.3)

где ст = qnp - удельная электрическая проводимость, См/м; р = 1/ст - удельное электрическое сопротивление, Ом-м.

В более общем случае, когда в веществе присутствуют носители заряда разных видов, удельная проводимость представляет собой сумму отдельных составляющих электропроводности:

ст = ZI q, І ПііЛ/, (1.4)

причем суммирование распространяется на все виды носителей заряда.

Уравнение (1.3) выражает закон Ома в дифференциальной форме. Удельная проводимость и удельное сопротивление определяют плотность тока в веществе при заданной напряженности электрического поля, т.е. являются количественными параметрами электропроводности вещества.

Параметры с или р определяют также рассеяние электрической энергии в веществе при постоянном поле. Закон Джоуля-Ленца в дифференциальной форме имеет вид

Е = оЄ² = Є²/р, (1.5)

где Е - энергия электрического поля с напряженностью Є, превращающаяся в тепло за единицу времени в единице объема вещества, т.е. удельная мощность (в Вт/м³).

Значения р и ст разных материалов как естественного, так и искусственного (синтетического) происхождения находятся в широком диапазоне. У веществ в сверхпроводящем состоянии удельное сопротивление практически равно нулю, а у разреженных газов стремится к бесконечности. Значения р твердых веществ охватывают 25 порядков от р ~10’⁸ Ом м для лучших металлических проводников (серебро, медь) до р ~10¹⁷ Ом-м для лучших диэлектриков (кварц, фторопласт-4).

Обычно к проводникам относят вещества с удельным сопротивлением менее 10’⁵ Ом-м, к диэлектрикам -ср более 10⁷ Ом м; удельное сопротивление полупроводников составляет 10’⁶ - 10⁹ Ом-м [3]. Как следует из (1.4) величина электропроводности материала зависит от концентрации носителей заряда и их подвижности. Подвижность носителей в одном и том же материале может меняться в тысячи раз, но наиболее характерные ее значения: для металлов - десятки, для полупроводников - тысячи см²/(В-с). Подвижность ионов, которые являются преобладающими носителями заряда в диэлектриках, гораздо ниже: Ц = 10'⁷ - 10’² см²/(В-с).

При классификации материалов по электрическим свойствам, кроме значения р, необходимо учитывать и физическую природу электропроводности, в частности вид свободных носителей заряда, зависимость электропроводности от температуры. Свойства и особенности применения указанных групп материалов в медико-биологической практике будут рассмотрены ниже.

Здесь же остановимся кратко на основных технических применениях проводников, полупроводников и диэлектриков.

Проводниковые материалы предназначены для проведения электрического тока. К ним также относятся, с одной стороны, сверхпроводниковые и криопроводниковые материалы, удельное сопротивление которых при низких (криогенных) температурах весьма мало, а с другой - материалы высокого сопротивления, применяемые для изготовления резисторов и электронагревательных элементов.

Полупроводниковые материалы используют в технике в тех случаях, когда необходимо управление проводимостью материала (или прибора) при помощи электрического напряжения, температуры, освещенности и др. Из этих материалов изготавливают диоды, транзисторы, термисторы, свето- и фоторезисторы, другие полупроводниковые приборы и интегральные микросхемы.

Диэлектрические материалы как вещества с высоким удельным сопротивлением применяют в качестве электроизоляционных, которые препятствуют прохождению тока нежелательными путями. В конденсаторах диэлектрические материалы служат для создания необходимой электрической емкости.

Электрические свойства материалов имеют большое значение, например, при создании вживляемых электродов таких электронных устройств как векоподъемники, искусственные водители ритма сердца (пейсмекеры) и др. [4].

Ясно, что электрод должен быть хорошим проводником с надежной диэлектрической изоляцией проводника от живых тканей. В функции изолирующего покрытия входит также механическая защита и гидроизоляция электрода.

Одним из защитных материалов, наиболее пригодным по своим свойствам, оказались эпоксидные смолы, которые затвердевают при комнатной температуре. В качестве проводниковых материалов применяются сплавы платины с иридием.