О физических свойствах кристаллов Текст научной статьи по специальности «Физика»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО

ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА Том 86 1958 г.

О ФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВАХ КРИСТАЛЛОВ

П. А. САВИНЦЕВ

(Представлено научным семинаром радиотехнического факультета)

Кристаллы могут подвергаться одновременно значительным механическим, термическим и электрическим воздействиям. В этих случаях бывает необходимо оценить совокупность многих свойств кристаллов.

Показана [1,2] связь свойств ионных кристаллов с энергией кристаллической решетки. Однако опыты по определению энергии решетки сложны и отсутствуют данные об энергии кристаллов с примесями. Поэтому полезно найти такую физическую величину, которая легко определяется на опыте и связана с многими свойствами кристалла: механическими, тепловыми, электрическими и пр.

Мы пришли к тому, что большое число констант, характеризующих свойства кристалла, зависит от молекулярной концентрации. Эту

величину мы обозначаем а и находим из формулы: я = - .103,

где О — плотность кристалла, а М — молекулярный вес.

Связь а со свойствами щелочно-галоидных кристаллов видна из таблицы 1. Обозначения в таблице 1 следующие: ¿/--энергия кристаллической решетки в ккал'моль, Епр — электрическая прочность

мв

в-•, в — электронная составляющая диэлектрического коэффици-

см

ента, о — ионная проводимость при температуре плавления, В — кон-станта, входящая в уравнение проводимости а = Ае г, коэффициент линейного расширения, По ----- коэффициент преломления света. Необходимо заметить, что значение коэффициента к, связывающего константы с а, изменяется при переходе от соединений одного металла к соединениям другого металла. Иногда значения к различаются столь мало, что их можно считать совпадающими. Это видно из рис. 1, 2, 3.

В таблице 2 мы продолжаем сравнение механических характеристик и диэлектрических потерь с величиной а. В таблице 2 величина

-- показывает относительные значения поверхностной энергии, опре-То

деленные нами по способу взаимного шлифования [3]. Из таблицы 2

216

видно, что с увеличением а увеличивается твердость кристаллов, а диэлектрические потери при частоте 106 гц) и давление истечения уменьшаются. С увеличением а намечается тенденция к уменьшению модуля сдвига и модуля Юнга.

£ 8

о.

46

6.0

8»

§ ч

2.6

30

2.'

Мд5 У ^ с >СаО

Со 5

ВаО °5 тО

&а 5 Л/аСе

| Л/а А 7 иЬг

60 66 72 79 64 см* моль

2*, 20 26

Рис. 1. Связь твердости кристаллов с молекулярной концентрацией а

кг

1С

(О

2 о Зо 4о 5 о

6 о

с*

?о &о

Рис 2. Связь коэффициента сжимаемости щелочно-галоидных кристаллов с молекулярной концентрацией а

В таблице 3 делается сравнение свойств окислов металлов второй группы с величиной а. Из таблицы 3 видно, что при возрастании а увеличиваются следующие величины: теплота сублимации, температура плавления, энергия решетки, твердость. Теплоемкость, энтропия,

теплота гидротации убывают при возрастании а. Для построения таблиц 1, 2, 3 мы использовали данные [1 — 12].

Заметим, что зависимость свойств от а наблюдается и для некоторых жидких органических диэлектриков.

зл

Ко

ги

•

л/а У

© ЛаЪг

ОуР

/0

2*

Зо

Чо во ^

Рис 3. Связь между максимумом поглоще ния, соответствующим Р-полосе, и молекулярной концентрацией а

с к

и ^

§

£ *

о

^

г

т>

С^У

№

'А

Л 2 //

/ * 1,0 ^ 1 ч 1 ■ ■ т 1 " « ■ г1 Й

8 с*.

Рис 4 Связь электрической прочности гомологического ряда жидких диэлектриков с молекулярной концентрацией я

Рис. 4 показывает уменьшение электрической прочности гомологического ряда жидких диэлектриков с возрастанием а. В твердых диэлектриках электрическая прочность растет при увеличении а (таб-218

лица 1). Это подтверждает высказывания [13] о различном механизме пробоя твердых и жидких диэлектриков.

Установим связь а со свойствами металлов.

М. М. Хрущов и М. А. Бабичев [14], изучая абразивный износ металлов при малых скоростях перемещения образцов, нашли связь относительной износостойкости / с твердостью И по Виккерсу.

Таблица 1

Связь а со свойствами щелочно- галоидных кристаллов

1 Теплота

Соли а и Е пр а В с. п/> р-106 Плавления Суб-лим. Образования ТВ. соед.

иг 77 240 3,1 0,6.10" -2 25500 1,9 1,38 30,7 6 63 145

иа 49 193 — 1,5.10' -2 19000 — 1,66 40,7 5 47 —

УВг 40 183 — — — — 1,78 46,7 4,5 45 —

ш 30 171 — — — — 1,95 55,7 — 44 __

ИаР 65 215 2,4 1,7.10" -3 26000 1,75 1,33 32,7 7,6 72 135

N301 37 180 1.5 1,3.10" -3 22000 2,25 1,53 36,7 7,0 57 99

№Вг 31 172 1,0 1,3.10 -3 20600 2,65 1,64 39,7 6,1 54 86

N31 24 161 0,8 4,0.10" -3 — 2,93 1,79 46,5 5,2 50 65

КР 41 190 1,8 8,0.10" -4 27200 1,83 1,35 33,3 6,5 50 134

КС1 26 164 1,0 2,0.10- -4 23900 — 1,50 33,7 6,4 52 107

КВг 22 158 0,7 2,0-10" -4 22800 — 1,55 36,7 6,2 50 95

К1 19 149 0,6 1,5-10- -4 20500 — 1,68 41,7 4,1 49 79 !

ИЬР 28 181 — — — _ 1,38 _ 1 6 53 —

КЬС1 23 159 0,8 5,0.10~5 24600 — 1,49 32,8 | 5 52 106

ИЬВг 20 152 0,6 3,5.10—5 23500 — 1,55 34,7 5 51 95

кы 15 144 0,5 — — — 1,64 39,7 ; ! 5 50 83

Таблица 2

Сравнение механических характеристик и диэлектрических потерь с величиной а

Твердость

Соли а 'п а Цара- |пания 1 Сверления Затух, колеб. Модуль сдвига, кг'мм2 Модуль Юнга, К2!ММ~ Давлен, истеч. кг! мм-2 •10~4 •V 1 То

№ 77 — — 3204 14000 — 0,4 | —

1лС1 49 — 25 1696 6000 — _ _

ЫВг 40 2,6 — — 1718 1900 — — ,

Ш 30 — — — — __ I 1 219

Продолжение табл. 2.

Твердость

Соли а Царапания { I Сверления Затух, колеб. Модуль сдвига, кг\мм2 Модуль Юнга, кг! мм2 Давлен, истеч. кг/мм2 •10-4 7о

ИаР 65 — — - — — — — — '

КаС1 37 2,5 1,1 20 1234 , 4400 72 0,6 1,45

КаВг 31 2,4 — — 923 4780 — — »

Ыа1 24 — — — — — — — —

КР 41 — 1.3 _ 857 7340 — —

КС1 26 — 0,8 7 — — 50 0,7 1

КВг 22 2,3 0,6 — 369 4470 40 1,0 0,91

К1 19 2,2 1 — 387 2470 31 1,3 —

Таблица 3

Сравнение свойств окислов металлов второй группы с величиной а

Кристаллы а и Тверд. по Моосу Те-пло-емк., Энтропия гидротации Теплота образования сублимации Температура плавления, абс

MgO 85 940 6,5 8,93 6,40 9,7 143,5 130 3073

СаО 59 853 4,5 10,23 9,50 15,9 151,9 128 2858

БЮ 43 791 3,5 10,76 13,0 19,5 141,1 117 2703

ВаО 35 747 3,3 11,34 16,8 24,5 134,0 90 2196

Значения / и Н приведены в таблице 4, из которой видно, что с увеличением а увеличивается относительная износостойкость образцов и их твердость.

В таблице 4 (графа 5) мы приводим время Ь уменьшения амплитуды колебания маятника В. Д. Кузнецова [4] от 3 до 2 см. Величина обратная t может рассматриваться как твердость по методу затухающих колебаний Я3. Из таблицы 4 видно, что с увеличением а увеличивается твердость Нг.

В графе 6 таблицы 4 приводятся значения модуля сдвига N. взятые из книги [15]. Можно заметить, что у всех рассматриваемых металлов, кроме кадмия, с увеличением а увеличивается модуль сдвига.

Таблица 4

Сравнение механических свойств металлов с величиной а

Металлы а / кг И,— мм2 сек 10—кг.'см*

РЬ 55 0,9 5 — 0,075

Бп 61 2,8 12 — 0,1

са 77 3,0 20 25 0,0063

А1 100 4,0 25 32 0,271

2п 105 6,2 42 52 0,35

Си 140 10 73 55 0,45

N1 149 16 140 — 0,73

Тонн [16] определял износостойкость I различных металлов при шлифовании по абразивной бумаге. Значения г приводятся в таблице 5, из которой видно, что с увеличением а растет износостойкость металлов.

Таблица 5

Сравнение относительной износостойкости металлов с величиной а

Металлы Бп А1 Ag 2п Си N1

1 5 25 30 40 55-60 120

а 61 100 97 105 140 149

В. Д. Кузнецов, Н. А. Бессонов и М. Ф. Пиченин [17] определяли абразивный износ цинка, висмута и сурьмы. Поликристаллические образцы указанных веществ истирались о наждачную бумагу № 00, которая была укреплена на диске, вращающемся со скоростью 2,3—3,6 см/сек. Авторы находили величину М0, которая численно равна массе сошлифованного слоя при единице работы трения и при площади образца равной единице. Значения М0 приведены в таблице 6, из которой видно, что М0 увеличивается при увеличении а.

В. Д. Кузнецов, Н. А. Бессонов и М. Ф. Пиченин изучали также износ некоторых щелочно-галоидных солей. В таблице 6 приводятся

Г

полученные ими значения -г-.--отношение силы трения к ошли-

фованной массе. Нетрудно видеть, что увеличивается при увеличении а.

М. А. Большанина [4] связывает процесс протекания пластической деформации со свойствами кристаллической решетки. Поэтому целесообразно искать связь констант, характеризующих пластические

свойства металлов, с а. В таблице 7 приводятся по данным [18] зна^

221

чения поглощенной энергии при статической деформации отношение № к работе деформации Л, поглощенная энергия при динамическом сжатии (относительная деформация 20°/0), показатель политропы т и коэффициент упрочнения а. Из таблицы 7 видно, что с увеличением а увеличиваются V?, А, Wg, ш, а.

Таблица 6

Сопоставление характеристик износа с величиной а

Образец Zn Sb Bi NaCl KCl KI

М0АО~б'нг 6,11 . 23,0 46,3 _ — —

F;M — 14,7 11 »2 5,17

а 105 54 46 37 25 15

Таблица 7

Сопоставление поглощенной энергии деформации с а

Металлы W кал при деформациях W: А при деформациях кал т а

2 KZjMM3

25°/o 37% 49% 25°/о 37% 49% СМ3

Си 140 0,93 1,51 — 10 8,6 — 2,1 1,32 0,46

AI 100 0,30 0,47 0,61 7,6 6,8 5,4 1,3 — 0,22

Sn 61 0,01 0,01 0,01 1,4 0,5 0,7 — 1,05 —

Pb 55 0,01 0,001 0,02 1,0 0,3 0,3 0,3 0,96 0,02

Таким образом, молекулярная концентрация а является совокупной характеристикой многих свойств веществ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Воробьев А. А. и Завадовская. Е. К. Физические и электрические свойства ионных кристаллов, Известия ТПИ, т. 83, 1956.

2. Завадовская. Е. К. О диэлектриках с высокой электрической прочностью, Доклады Академии наук СССР, т. 82, 5, 1952.

3.Савинцев П. А. иКуцепаленко В. В. Измерение поверхностных энергий монокристаллов системы хлористый калий—хлористый натрий по способу сверления и взаимного шлифования Известия ТПИ, т. 83, 1956.

4. Кузнецов В. Д. Физика твердого тела, т. 1, 1937; т. 2, 1941; т. 4, 1947. Томск.

5. Goldschmidt. V.M. Krystallbau und chemische Zusammensetzung, Berichte d. Deutsch. Chem. Ges. 60,a 1927.

6. R. Auerbach, Über die Oberflächenenergfe fester Werkstoffe, Werkstoffe und Korrosion, 5, № 6, 1954.

7. Курнаков H. С. Собрание избранных работ, т. 1, ОНТИ, 1938; т. 2, ГОНТИ, 1939.

8. Сборник физических констант под ред. Я. Г. Дорфмана и С. Э. Фриша, ОНТИ, 1937.

9. Техническая энциклопедия, Справочник физических, химических и технологических величин, 1927.

10. В о д с п ь я н ов К . А Воробьев А. А. и К р и в о в М. А. Диэлектрические потери, электрическая прочность кристаллов щелочно-галоидных солей и энергия решетки, Известия ТПИ, т. 83, 1956.

11. Зейт В. Ионная проводимость в твердых солях, Успехи физических наук, т. 18, 4, 1937.

12. Завадовская. Е.К. Замечание о связи F - полосы поглощения в щелочно-галоидных кристаллах и энергии решетки, Известия ТПИ, т. 83, 1956.

13. Воробьев А. А. и Калганов, А. Ф. К вопросу о связи электрической прочности жидких диэлектриков с их физико-химическими свойствами. Известия

ТПИ, т. 83, 1956.

14. X р у ш, о в М . М. и Бабичев М . А . Сопротивление абразивному изнашиванию и твердость металлов, Доклады Академии наук СССР, т. 88, Лв 3, 1953.

15. Славинский М. П. Физико-химические свойства элементов, Метал-лургиздат, 1952.

16. W. Tonn. Beitrag zur Kenntnis der Verschleißvorganges beim Kurzversuch am Beispiel der reinen Metalle, 2. s. Metallkunde, 6, 1937.

17. Кузнецов В. Д., Бессонов H.A. и Пиченин М.Ф. Изнашиваемость поверхности при внешнем трении в зависимости от поверхностной энергии, Журнал прикладной физики, т. 4, вып. 3, 1927.