CC BY
13
ИЗВЕСТИЯ
ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО Том 91 ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА 1956 г.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ
СИСТЕМЫ NaCl-KCl
. М. С. ИВАНКИНА и А, Ф. ГОРОДЕЦКИЙ
Влияние примесей на величину электрической прочности твердых диэлектрических кристаллов по разному учитывается теориями электрического пробоя твердых диэлектриков.
Хиппель [1], рассматривая ударную ионизацию электронами, как основной процесс, приводящий к пробою, приходит к выводу, что примеси должны увеличивать электрическую прочность диэлектриков за счет нарушения примесями правильного хода потенциальной функции в кристалле. Последнее обстоятельство увеличивает вероятность захвата электронов.
Расчеты Фрёлиха [2] приводят к тому, что электрическая прочность твердых диэлектриков находится в обратной зависимости от длины свободного пробега электронов. Введение примесей приводит к уменьшению средней длины свободного пробега электронов вследствие дополнительного рассеяния их полем инородных атомов. Результатом этого является рост электрической прочности.
Квантовые теории электрического пробоя твердых диэлектриков учитывают эффект примесей в изменении энергетического спектра решетки— именно в появлении дозволенных энергетических уровней в запретной зоне. Как следствие облегченного перехода электронов в зону проводимости следует ожидать снижения электрической прочности.
Выполненные Хиппелем [3] эксперименты с твердыми растворами KCl—RbCl и KCl—КВг показали, что зависимость пробивного напряжения от состава для системы KCl—RbCl выражается кривой с максимумом, а для системы KCl—КВг кривая дает возрастание пробивного напряжения вплоть до области распада твердого раствора. Наибольшее возрастание электрической прочности (около 30% по сравнению с чистыми компонентами) соответствует приблизительно одинаковому процентному содержанию обоих компонентов (рис. 1 и 2).
В системе NaCl—AgCl Хиппель и Ли [4] получили также возрастание электрической прочности почти в два раза при добавлении к NaCl до 15 мол. % AgCl (рис. 3).
Однако результаты, полученные Н. Б. Богдановой [5] для систем KJ—NaJ и КВг—KJ показали, что в названных системах электрическая прочность смешанных кристаллов понижается по отношению к ее значениям для чистых компонентов (рис. 4 и 5).
Это противоречие между результатами Богдановой и теоретическими выводами Фрёлиха и Хиппеля было объяснено одним из нас [6J тем, что понижение электрической прочности в случае систем KJ—NaJ и КВг—KJ обусловлено распадом малоустойчивых твердых растворов, которыми являются указанные системы.
Чтобы проверить это предположение, было предпринято исследование системы NaCl—KCl, характеризующейся малой термодинамической устойчивостью, так как образование твердых растворов этой системы идет с очень большим поглощением тепла [7,8].
£ KS/cm
то 1100 1100 1000
3001 800 WO
о
?
ксе 2$
so
TS ЛВС? Моя. %
Рис. I—Зависимость электрической прочности
от процентного состава компонент системы КС1-ИЬС1 (по Хиппелю).
Кроме того, следует отметить значительное различие ионных радиу.
о о »
сов частиц, входящих в эту систему ( Нс1 = 1,81 А; = 0,98 А;ИК = 1,33 А),
о о
а также постоянных решетки ((1Кс1 — 3,137 = 2,812 А).
1Ш 1300 1100 1Ю00 1000 $00 800 700
Е кб/СМ
4 / V
\ \ \
\ \ V
\ \
нее
50 75 МОЛ. °/с
кв
Рис. 2—Зависимость электрической прочности от процентного состава компонент
системы KCl—КВг (по Хиппелю).
Можно было ожидать поэтому безусловного понижения электрической прочности для кристаллов состава, лежащего в области средних концентраций, но в области малых концентраций авторы ожидали хода, аналогичного рис. 2, для системы КС1—КВг.
10* в/см
МаС8 20 30 кО 50 мол %
Рис. 3-Зависимость электрической прочности от процентного состава компонент системы N301—AgCl (по Хиппелю и Ли).
КО 25
75 ЫаО
Рис. 4—Зависимость электрической прочности от процентного состава компонент системы К^-^аЛ (по Богдановой Н. Б.).
Для исследования выращивались из расплава монокристаллы твердых растворов КС1—№С1 различных концентраций по методу Киропулоса [9]. Кроме того, были выращены чистые монокристаллы КС1 и ЫаС1.
к8
500 $00 400 300 200 100
АЗ
25
0 0 )
к
1 \
\| А
\
50 75 МОЛ у*
КВг
Рис. 5—Зависимость электрической прочности от процентного состава компонент системы КЛ—КВг (по Богдановой Н. Б.).
11. Изв. ТПИ, т. 91.
161
Из монокристаллов изготовлялись образцы с полусферической лункой, диаметром 8—10 мм, против плоскости.
Шлифованием образцы доводились до средней толщины около 200 мкп, а затем путем испарения в вакууме наносились оловянные электроды.
Опыты были проведены на импульсном напряжении в лаборатории проф. А. А. Воробьева.
и ие
1.2
O.S
£ №10* 6/см
кЪе
— д
/
\ < / / \ 1 /
\ 9 § / * ч ч \ / • /
о\ / / —^ / 1 \ [
6 1/! Y \
■iJ j
шм
$0®
т
ж
23 £В SÜ Ш
мам. % NffCS
Рис. 6—Зависимость электрической прочности и разности теплот растворения механической смеси и твердого раствора от процентного состава компонент системы KCl—NaCl.
Осциллограмма импульса напряжения в момент пробоя фотографировалась. По виду осциллограмм можно было судить о качестве образцов и отбраковывать дефектные. Опыты велись при комнатной температуре. Образцы пробивались в трансформаторном масле.
Из данных табл. 1 и рис. 6 следует, что зависимость электрической прочности от состава для системы КС1—МаС1 характеризуется кривой с минимумом. Таблица 1
Мол. % Количество Электрическая прочность X 10G в\см
KCl в NaCl образцов максимальная средняя минимальная
100 25 1,66 1,14 0,65
97,5 21 1,48 0,914 0,59
95 26 1,28 1,09 0,69
92,5 21 1,22 0,94 0,63
90 23 1,18 0,83 0,60
87,5 22 0,95 0,77 0,56
70 10 0,78 0,58 0,25
50 42 0,58 0,43 0,24
30 15 0,72 0,69 0,25
7,5 27 1,28 0,88 0,56
5 21 1.41 1,21 0,80
2,5 39 1,62 1,2 0,72
0 27 1,82 1,46 1,12
Щ ~Использовав данные Жемчужного и Рамбаха [10], а также Курнакова и Шемчужного [8] о поглощенной при образовании твердого раствора энергии, мы нанесли на рис. 6 зависимость поглощенной энергии от состава (пунктирная линия) в виде кривой с максимумом.
Рис. 7—Зависимость микротвердости от процентного состава компонент системы КС!—КаС1.
Таким образом, установленная в работе [6] зависимость между погло" яценной теплотой, т. е, мерой неустойчивости системы, и электрической прочностью подтверждается и в рассматриваемом случае. Распад твердого раствора и возникновение вследствие этого неоднородности структуры, ьероятно играет существенную роль во второй стадии электрического про-
«ч
120
о\
\о
О 5 10 30 95 100
шее мол. % хсе
Рис. 8—Зависимость поверхностной энергии от процентного состава компонент системы KCl— NaCI (по Савинцеву П. А. и Куцепаленко В. В.).
боя, завершающейся нарушением связей между частицами диэлектрика* и, как следствие, разрушением его.
Аналогичные явления имеют место и при механическом разрушении. Поэтому такие характеристики как микротвердость и поверхностная энергия должны быть связаны определенным образом с электрической прочностью.
Измерение микротвердости наших образцов на приборе ПМТ—3 [11] показало (рис. 7), что зависимость между микротвердостью и составом в системе KCl—NaCl выражается кривой с максимумом. Измерения проводились на образцах, подвергавшихся пробою. На каждом образце выполнялось 3—4 измерения в различных, произвольно-выбранных участках. Для каждой точки кривой бралось 4—5 образцов.
Ход кривой микротвердость—состав аналогичен ходу кривой поглощенная теплота—состав. Таким образом, понижение электрической прочности сопровождается в исследованной системе возрастанием микротвердости.
Исследование относительной поверхностной энергии монокристаллов системы KCl—NaCl, выполненное П. А. Савинцевым и В. В. Куцепаленко [12] показало, что поверхностная энергия монокристаллов твердых растворов убывает с ростом процентного содержания второго компонента (рис. 8).
Авторы объясняют этот эффект ослаблением связей в кристаллической решетке.
Следует думать, что и в этом случае сказывается неустойчивость системы и ее тенденция к самопроизвольному распаду.
Выводы
1. Электрическая прочность монокристаллов твердых растворов ще-лочно-галоидных солей уменьшается с возрастанием теплоты, поглощенной при образовании системы, т. е. с уменьшением ее устойчивости.
2. Механические характеристики (микротвердость и поверхностная энергия) находятся в закономерной связи с электрической прочностью.
Авторы благодарят А. А. Воробьева за полезные дискуссии и А. М. Трубицына за помощь при пробое образцов на его установке.
ЛИТЕРАТУРА
1. Hipp ei A. v. J. Appl. Phys. 8, 815, 1937.
2. Fröhlich. H. Proc. Roy. Soc. Av. 172, 94, 1939.
3. Hippel A. v. ZS. i. Physik, 88, 358, 1934.
4. Hip pel A. v. and G. M. Lee—Phys. Rev. 59, 824, 1941.
5. Богданова H. Б. ЖЭТФ. 14, 30, 1944.
6. Городецкий А. Ф. Известия ТПИ, т. 71, 21, 1952.
7. К урна ков Н. С. Собрание избранных работ, т. Ï с 369, 1938.
8. КурнаковН. С. и Жемчужный С. Ф. Изоморфизм соединений калия и натрия. Курнаков. Собрание избранных работ т. I, с 186, 1938.
9. Кублицкий А. М. и Топорец А. С. Искусственные монокристаллы. Издание АН СССР 1935.
10. Жемчужный С. Ф. и Рамбах Ф. Известия СПБПИ, 12, 349, 1909.
11. Хрущев M. М. и Беркович Е. С. Приборы ПМТ—2 и ПМТ—3 для испытания,, на микротвердость. Издание АН СССР, 1950.
12. Савинцев П. А. и Куцепаленко В. В. Труды СФТИ, вып. 4, 1955.
Томский политехнический институт.
