CC BY
32
-►
Физическое материаловедение
УДК 537.9
И.А. Голубева, С.В. Ланкин, Е.А. Ванина, А.Н. Киселёва.
ВЛИЯНИЕ ТЕРМИЧЕСКОЙ ЗАКАЛКИ НА ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КЕРАМИЧЕСКИХ ОКСИДНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Современное развитие твердотельной электроники, приборостроения, электрорадиотехники требует внедрения новых высокоэффективных материалов, надежно работающих в сложных экстремальных условиях при воздействии на них высоких и низких температур, механических и электрических напряжений, вакуума, радиации самых различных видов и интенсивности, повышенной влажности и т. п. Поэтому одной из важнейших проблем физики конденсированного состояния, материаловедения является необходимость прогнозирования изменения свойств материалов при внешних воздействиях, вызывающих образование дефектов кристаллической структуры.
В настоящее время большой интерес вызывают исследования электрофизических свойств керамических диэлектриков на основе корунда [1-4]. Это вызвано тем, что корундовая керамика обладает большим удельным сопротивлением, малыми диэлектрическими потерями и имеет при этом высокую механическую и электрическую прочность. Согласно литературным данным [3, 5] электропроводность керамических диэлектриков зависит от качества обработки поверхности образца, присутствия влаги, примесей, воздействия больших механических и температурных градиентов.
При исследовании зависимости электрических характеристик корундовой керамики от температуры установлено [1-3], что в области небольших температур (300 - 350 К) изменения значений диэлектрической проницаемости е и диэлектрических потерь 5 зависят от условий термообработки (отжига или закалки). Диэлектрические потери могут быть обусловлены поляризацией, сквозной электропроводностью, неоднородностью структуры [2, 3].
Керамика относится к неоднородным диэлектрикам и представляет собой сложную многофазную систему. В ее составе различают несколько фаз: кристаллическую, аморфную (стеклофаза) и газовую (газы в закрытых порах). Керамические материалы обладают значительной электропроводностью, главным образом, за счет стеклофазы. Исследования показали, что в широком диапазоне температур механизмы проводимости керамик имеют такую же природу, как и таковые у стекол [3, 5, 6]. Корундовая керамика, содержащая большое количество аморфной фазы с щелочными металлами (например ультрафарфор УФ-46), обладает значительной проводимостью, и наоборот, мелкокристаллический керамический материал, содержащий малое количество аморфной фазы, имеет низкую электропроводность [3, 5].
Представляет интерес поведение электрофизических характеристик при резких перепадах температур, поскольку существующие результаты таких исследований мало изучены. Поэтому целью настоящей работы является экспериментальное исследование влияния термического удара (закалки) на электрофизические свойства керамических диэлектриков на основе корунда.
Исследованы керамические образцы УФ-46, ГБ-7, микролит (МК) с содержанием корунда а-А1203 от 76 до 99 вес.% [1-3]. Для определения электропроводности были использованы образцы цилиндрической формы диаметром от 15 до 20 мм, толщиной 1-3 мм, изготовленные промышленным способом.
Электрические измерения образцов на постоянном токе осуществлялись по трехэлектродной методике, традиционно применяющейся в исследованиях электрофизических свойств диэлектрических материалов [7]. Основания исследуемых
образцов покрывались серебряной пастой путем вжигания при температуре 400 °С. Измерения объемного сопротивления Яг проводились с помощью тераомметра Е6-13А с рабочим напряжением 10 В. Погрешность электрических измерений составляла не более 5 %.
Диэлектрические измерения образцов на переменном токе проводились по двухэлектродной методике при комнатной температуре. На частотах 103 - 105 Гц применялся цифровой измеритель импеданса ЬСЯ-819, на частоте 106 Гц - Е7-12 [8]. Погрешность измерений диэлектрической постоянной е составляла 2-5 %. Перед измерениями для удаления адсорбированной воды образцы прогревались в муфельной печи при температуре 300-350 °С в течение часа. Точность измерения температуры хромель-алюмелевой термопарой составляла ±0,1 °С.
Измерения электрических характеристик керамических образцов проводились до и после закалки. В результате закалки при определенных условиях может образоваться неравновесная структура. К этим условиям относятся наличие материала с переменной растворимостью, а также явлений полиморфного превращения и распада высокотемпературного твердого раствора. Для получения неравновесной структуры сплав нагревают выше температуры фазового перехода в твердом состоянии, после чего быстро охлаждают, чтобы предотвратить равновесное превращение материала при охлаждении. Закалка керамики проводилась при резком охлаждении образца от 450 до 20 °С в водопроводной воде в течение 30 минут.
Расчет электропроводности проводился по формуле:
а =
(1)
Таблица 1
Температурная зависимость объемного сопротивления керамик ГБ-7 и МК
Т, к 107 Ом
ГБ-7 МК
до закалки после закалки до закалки после закалки
293 720 495 7000 435
353 2830 2000 9000 2500
393 4700 1080 3000 1700
493 23,0 3,0 8,1 2,7
593 1,40 0,45 0,90 0,25
693 0,24 0,19 0,23 0,096
793 0,096 0,071 0,078 0,057
893 0,096 0,027 0,044 0,030
923 0,063 0,015 0,027 0,021
Расчет значений энергии активации проводился по традиционной методике [5, 8] - по углу наклона отрезков, выделенных на графиках логарифмической зависимости электропроводности от обратного значения температуры 1п о = Д?4):
(2)
где а — угол наклона отрезков, ДЕ, эВ — энергия активации.
На рис. 1 приведена экспериментально полученная логарифмическая зависимость удельной проводимости керамики УФ-46 от обратного значения температуры. Три температурных участка на графике соответствуют разным значениям энергии активации (табл. 2).
Таблица 2
Значения энергии активации электропроводности керамик УФ-46, ГБ-7 и МК
где Я¥ - измеряемое сопротивление образца, к, Б -высота и площадь основания образца.
Полученные значения сопротивлений для исследуемых образцов керамики до и после закалки представлены в табл. 1. При нагревании влажного образца сначала сопротивление падает вследствие диссоциации примесей в воде, затем происходит удаление влаги - сушка. При последующем нагревании наблюдается экспоненциальное снижение сопротивления с ростом температуры, характерное для диэлектриков.
Темпера- ДЕ, эВ
турный ГБ-7 МК
интервал, УФ-46 до за- после до за- после
°С калки закалки калки закалки
140-280 1,47 2,045 2,324 1,95 1,04
280-560 0,46 1,307 0,652 0,60 0,90
> 560 2,60 1,430 1,530 1,50 2,00
На рис. 2 представлены логарифмические зависимости удельной проводимости образцов керамики ГБ-7 и МК от обратной температуры
4-
до и после закалки. Аналогично данным рис. 1 на графиках можно выделить по три температурных участка, соответствующих разным значениям энергии активации (см. табл. 2). Первый участок (140-280 °С) предположительно связан с примесной проводимостью, второй (280-560 °С) - с ионной проводимостью основного вещества, третий (свыше 560 °С) - с собственной проводимостью [5, 8].
Рис. 1. Температурная зависимость электропроводности керамики УФ-46
а)
1п[о, (Ом-м)-1]
б)
1п[о, (Ом-м)-1]
Рис. 2. Температурные зависимости электропроводности образцов керамики ГБ-7 (а) и МК (б): 1 - до закалки, 2 - после закалки
Физическое материаловедение
В керамических диэлектриках электропроводность обусловлена главным образом перемещением ионов, освобождаемых под влиянием теплового движения. При малых значениях температуры передвигаются слабозакрепленные ионы, по мере ее увеличения начинают перемещение и некоторые ионы из узлов кристаллической решетки. Как следует из графиков рис. 2 закалка приводит к росту проводимости, что вызвано увеличением дефектности кристаллической структуры и микронапряжений при температурном воздействии [5, 9]. При закалке меняется не только абсолютное значение величины о, но и энергия ее активации.
На рис. 3 приведены частотные зависимости диэлектрической проницаемости е для исследуемых керамик. Как следует из приведенных графиков, керамика МК имеет несколько меньшее значение е по сравнению с ГБ-7, что можно объяснить меньшим содержанием примесей и стеклофазы.
По результатам экспериментальных исследований можно сделать следующие выводы:
1. В результате закалки происходит увеличение проводимости о. При этом наблюдается изменение энергии активации на величину от 6,0 до 50,0 %.
2. Незакаленная керамика МК имеет несколько меньшие значения диэлектрической проницаемости е по сравнению с ГБ-7, что наиболее вероятно объясняется меньшим содержанием примесей и стеклофазы в керамике МК.
3. Керамика ГБ-7 с большим содержанием стеклофазы (8 %) более устойчива к воздействию термического удара, чем микролит МК (содержание стеклофазы 1 %).
Рис. 3. Частотные зависимости диэлектрической проницаемости керамик МК (1) и ГБ-7 (2) при комнатной температуре
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Костюков, Н.С. Радиационная электропроводность [Текст] / Н.С. Костюков, М.И. Муми-нов, С.М. Атраш [ и др.] // Диэлектрики и радиация; под общ. ред. Н.С. Костюкова. Книга 1. - М.: Наука, 2001. - С. 9-167. - Библиогр.: С 168-171.
2. Костюков, Н.С. е и 5 при облучении [Текст] / Н.С. Костюков, А. А. Лукичев, М.И. Муми-нов [и др.] // Диэлектрики и радиация; под общ. ред. Н.С. Костюкова. Книга 2. - М.: Наука, 2002. -С. 92-245. - Библиогр.: С 269-274.
3. Костюков, Н.С. Механическая и электрическая прочность и изменение структуры при облучении [Текст] / Н.С. Костюков, Е.С. Астапова, Е.Б. Пивченко [и др.] // Диэлектрики и радиация; под общ. ред. Н.С. Костюкова. Книга 3. - М.: Наука, 2003. - С. 9-136. - Библиогр.: С. 217-225.
4. Муминов, М.И. Исследование поверхностной электропроводности керамических диэлектриков [Текст] / М.И. Муминов, В.Н. Сандалов // Письма в ЖТФ. - 2003. - Т. 29. - Вып. 16. -С. 63-71.
5. Физика диэлектриков [Текст]; под ред. Ю.М. Поплавко. - Киев, Вища шк., 1980. - 400 с.
6. Анненков, Ю.М. Электрические свойства корундо-циркониевой керамики [Текст] / Ю.М. Анненков, А.В. Кабышев, А.С. Ивашутенко [и др.] // Изв. Томского политехн. ун-та. - 2005. - Т. 308. -№ 7. - С. 35-38.
7. Ланкин, С.В. Электропроводность клино-птилолита и его ионообменных форм [Текст] / С.В. Ланкин, В.В. Юрков // Перспективные материалы. - 2006. - № 5. - С. 59-62.
8. Барышников, С.В. Особенности диэлектрических аномалий РЬ1-;ОеТе(Оа) в районе сегнето-электрического фазового перехода [Текст] / С.В. Барышников, А.С. Барышников, А.Ф. Баранов [и др.] // ФТТ. - 2008. - Т. 50. - Вып. 7. - С. 1270-1273.
9. Астапова, Е.С. Влияние изотермического отжига на механические свойства и микроструктуру высокоглиноземистой керамики [Текст] / Е.С. Астапова, Е.А. Ванина, И.А. Голубева // Физика и химия обработки материалов. - 2008. - № 3. - С. 28-32.
УДК 539.3
П. В. Трусов, П. С. Волегов, А.Ю. Янц
ОПИСАНИЕ ВНУТРИЗЕРЕННОГО И ЗЕРНОГРАНИЧНОГО УПРОЧНЕНИЯ
МОНО- И ПОЛИКРИСТАЛЛОВ
Проблема описания упрочнения монокристаллов, составляющих поликристаллический агрегат (ПКА), сопровождающего процессы пластического деформирования, рассматривается на данный момент как одна из основных задач построения физических теорий пластичности. Известно, что в процессах обработки металлов давлением существенным образом меняются физико-механические свойства образца [1], что является следствием существенной перестройки микро- и мезоструктуры материала. Для описания эволюции микроструктуры в последние 10-15 лет широко применяются двухуровневые (макро- и мезоуровни) модели, ос-
нованные на физических теориях пластичности. Для моделирования на мезоуровне весьма важно корректное построение эволюционных уравнений для критических сдвиговых напряжений на системах скольжения, определяющих их изменение в зависимости от некоторого набора параметров (например сдвиги, температура, энергия дефекта упаковки и т. п.).
Проблема описания упрочнения поликристаллов весьма сложна и еще далека от решения. Цель настоящей работы - построение и анализ законов упрочнения при упругопластической деформации моно- и поликристаллов, учитывающих некото-
