Введение

В физической химии (требуется подтверждение из научной литературы по физической химии). Термин "текстура" используется в материаловедении, машиностроении, геоинженерии и материаловедении и обозначает распределение кристаллографических ориентаций в поликристаллическом образце (является также частью геологической структуры). Образец с полностью случайным распределением ориентаций считается не имеющим выраженной текстуры. Если кристаллографические ориентации не случайны, а демонстрируют предпочтительную ориентацию, образец обладает слабой, умеренной или сильной текстурой. Степень выраженности текстуры зависит от процентного содержания кристаллов с предпочтительной ориентацией. Текстура наблюдается почти во всех конструкционных материалах и может существенно влиять на их свойства. Текстура формируется в материалах в ходе термомеханических процессов, например, при производстве, в частности, при прокатке. Поэтому после прокатки часто проводят термическую обработку для снижения количества нежелательной текстуры. Контроль производственного процесса в сочетании с анализом текстуры и микроструктуры материала позволяет определять свойства материала, то есть устанавливать взаимосвязь между технологией обработки, микроструктурой, текстурой и свойствами. Геологические породы также демонстрируют текстуру, обусловленную их термомеханической историей формирования. Полное отсутствие текстуры – крайний случай: твердое тело с полностью случайной ориентацией кристаллитов будет обладать изотропными свойствами в масштабах, значительно превышающих размер кристаллитов. Противоположный крайний случай – идеальный монокристалл, который по геометрическим причинам, вероятно, будет обладать анизотропными свойствами.

Характеристика и представление

Текстуру можно определить различными методами. Некоторые методы позволяют провести количественный анализ текстуры, в то время как другие – только качественный. Среди количественных методов наиболее широко используется рентгеноструктурный анализ с использованием текстурогониометров, за которым следует метод дифракции обратного рассеяния электронов (EBSD) в сканирующих электронных микроскопах. Качественный анализ может быть выполнен с помощью лауэграммы, простой рентгеноструктурной дифракции или с помощью поляризационного микроскопа. Нейтронная и синхротронная высокоэнергетическая рентгеноструктурная дифракция подходят для определения текстуры объемных материалов и проведения анализа *in situ*, в то время как лабораторные рентгеноструктурные приборы более подходят для анализа текстуры тонких пленок. Текстура часто представляется в виде фигуры полюса, на которой в стереографической проекции отображается заданная кристаллографическая ось (или полюс) для каждого из репрезентативного числа кристаллитов, а также направления, связанные с историей обработки материала. Эти направления определяют так называемую систему координат образца и, поскольку изучение текстур началось с холодной обработки металлов, обычно обозначаются как направление прокатки RD, поперечное направление TD и нормальное направление ND. Для вытянутой металлической проволоки цилиндрическая ось волокна оказалась направлением обработки, вокруг которого обычно наблюдается преимущественная ориентация (см. ниже).

Функция распределения ориентации

Полное 3D-представление кристаллографической текстуры задается функцией распределения ориентаций (ODF), которую можно получить путем анализа набора полюсных фигур или дифракционных картин. Впоследствии все полюсные фигуры могут быть вычислены на основе ODF. ODF определяется как объемная доля зерен с определенной ориентацией. Ориентация обычно задается тремя углами Эйлера. Углы Эйлера описывают переход от системы координат образца к кристаллографической системе координат каждого отдельного зерна поликристалла. В результате получается большой набор различных углов Эйлера, распределение которых описывается ODF. Непосредственно измерить функцию распределения ориентаций (ODF) ни одним методом невозможно. Традиционно как рентгеновская дифракция, так и EBSD используются для получения полюсных фигур. Существуют различные методики получения ODF из полюсных фигур или других данных. Их можно классифицировать в зависимости от способа представления ODF. Некоторые представляют ODF в виде функции, суммы функций или разлагают ее в ряд гармонических функций. Другие, известные как дискретные методы, разбивают пространство ODF на ячейки и определяют значение ODF в каждой ячейке.

Происхождение

В проволоке и волокне все кристаллы, как правило, имеют почти идентичную ориентацию в осевом направлении, но почти случайную радиальную ориентацию. Наиболее известные исключения из этого правила – стекловолокно, не имеющее кристаллической структуры, и углеродное волокно, в котором кристаллическая анизотропия настолько велика, что качественная нить представляет собой искаженный монокристалл с приблизительно цилиндрической симметрией (часто сравнивают со слоеным рулетом). Монокристаллические волокна также встречаются не редко. Производство металлического листа часто включает сжатие в одном направлении и, при эффективной прокатке, растяжение в другом, что может ориентировать кристаллиты по обеим осям посредством процесса, известного как вытягивание волокна. Однако холодная деформация разрушает значительную часть кристаллического порядка, а новые кристаллиты, образующиеся при отжиге, обычно имеют иную текстуру. Контроль текстуры чрезвычайно важен при производстве кремниевой стали для сердечников трансформаторов (для снижения магнитного гистерезиса) и алюминиевых банок (поскольку глубокая вытяжка требует высокой и относительно однородной пластичности). Текстура в керамике обычно возникает из-за того, что кристаллиты в суспензии имеют форму, зависящую от кристаллической ориентации, часто игольчатую или пластинчатую. Эти частицы выстраиваются по мере удаления воды из суспензии или при формировании глины. Литье или другие переходы из жидкого в твердое состояние (например, осаждение тонких пленок) приводят к образованию текстурированных твердых тел, когда атомам достаточно времени и энергии активации, чтобы занять место в существующих кристаллах, а не конденсироваться в аморфное твердое вещество или образовывать новые кристаллы случайной ориентации. Некоторые грани кристалла (часто плотно упакованные плоскости) растут быстрее, чем другие, и кристаллиты, у которых одна из этих плоскостей обращена в направлении роста, обычно обгоняют кристаллы с другой ориентацией. В предельном случае после определенной длины выживает только один кристалл: это используется в процессе Чохральского (если не используется затравочный кристалл) и при литье лопаток турбин и других деталей, чувствительных к ползучести.

Текстура и свойства материалов

Свойства материала, такие как прочность, химическая реактивность, стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением, свариваемость, поведение при деформации и магнитная восприимчивость, могут сильно зависеть от текстуры материала и связанных с ней изменений в микроструктуре. Во многих материалах свойства зависят от текстуры, и развитие неблагоприятных текстур при изготовлении или эксплуатации материала может создавать слабые места, которые могут инициировать или усугублять разрушения. Современные технологические устройства в значительной степени основаны на поликристаллических тонких пленках с толщиной в нанометровом и микрометровом диапазонах. Это справедливо, например, для всех микроэлектронных и большинства оптоэлектронных систем, а также сенсорных и сверхпроводящих слоев. Большинство тонкопленочных текстур можно отнести к одному из двух типов: (1) для так называемых волокнистых текстур ориентация определенной кристаллографической плоскости преимущественно параллельна плоскости подложки; (2) в двухосных текстурах ориентация кристаллитов в плоскости также имеет тенденцию выравниваться относительно образца. Последнее явление наблюдается в процессах, близких к эпитаксиальному росту, когда определенные кристаллографические оси кристаллов в слое стремятся выравниваться вдоль определенной кристаллографической ориентации (монокристаллической) подложки. Формирование текстуры по заданным параметрам стало важной задачей в технологии тонких пленок. В случае оксидных соединений, предназначенных для прозрачных проводящих пленок или устройств поверхностных акустических волн (ПАВ), например, полярная ось должна быть ориентирована вдоль нормали к подложке. Другой пример – кабели из высокотемпературных сверхпроводников, разрабатываемые как многослойные оксидные системы, осаждаемые на металлические ленты. Регулирование двухосной текстуры в слоях YBa2Cu3O7−δ оказалось решающим условием для достижения достаточно высоких критических токов. Степень текстуры часто изменяется в процессе роста тонкой пленки, и наиболее выраженные текстуры достигаются только после того, как слой приобретает определенную толщину. Таким образом, производителям тонких пленок необходима информация о профиле текстуры или градиенте текстуры для оптимизации процесса осаждения. Однако определение градиентов текстуры методом рентгеновской дифракции не является простым, поскольку в сигнал вносят различные глубины образца. Методы, позволяющие адекватно деконволюционировать интенсивность дифракции, были разработаны лишь недавно.