Применение критериев направления электропереноса для процесса контактного плавления в системах висмут-теллур и сурьма-теллур в токовом режиме

Ахмедова Разият Шариповна; Нажмудинов Абдурахман Мухтарович; Абдурашидова Аида Айдемировна

20

Известия ДГПУ, №2, 2014

ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ

УДК 544

ПРИМЕНЕНИЕ КРИТЕРИЕВ НАПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОПЕРЕНОСА ДЛЯ ПРОЦЕССА КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ В СИСТЕМАХ ВИСМУТ-ТЕЛЛУР И СУРЬМА -ТЕЛЛУР В ТОКОВОМ РЕЖИМЕ

APPLYING THE CRITERIA OF THE ELECTRO-TRANSFER

DIRECTION FOR THE PROCESS OF THE CONTACTMELTING IN THE BISMUTH-TELLURIUM AND

ANTIMONY-TELLURIUM SYSTEMS IN THE CURRENT MODE

Dagestan State Pedagogical University

Резюме. Теоретически рассчитано и экспериментально подтверждено, что направление тока существенно влияет на скорость контактного плавления. Установлено, что процесс контактного плавления (КП) ускоряется (замедляется) в том случае, если отрицательная полярность источника тока подключается к образцу, эффективный заряд которого меньше нуля Z <0, (больше нуля: Z >0).

Abstract. The authors of the article theoretically calculated, and experimentally confirmed that the current direction significantly affects the contact melting rate. They established that the process of contact point (KP) is accelerated (decelerated) in the case when a negative polarity voltage source is connected to the sample an effective charge of which is lower than zero Z * <0(higher than zero: Z *> 0).

Rezjume. Teoreticheski rasschitano i jeksperimental'no podtverzhdeno, chto napravlenie toka sush-hestvenno vlijaet na skorost' kontaktnogo plavenija. Ustanovleno, chto process kontaktnogo p^avlenija (KP) uskorjaetsja (zamedljaetsja) v tom sluchae, esli otricatel'naja poljarnost' istochnika toka podklju-chaetsja k obrazcu, jeffektivnyj zarjad kotorogo men 'she nulja Z*<0, (bol'she nulja: Z*>0).

Ключевые слова: контактное плавление, электроперенос, критерии направления, электродиффузия, эффективный заряд.

Keywords: contact melting, electrotransfer, destination criteria, electrodiffusion, effective charge. Kljuchevye slova: kontaktnoe plavlenie, jelektroperenos, kriterii napravlenija, jelektrodiffuzija, jeffektivnyj zarjad.

В работах [3; 5] проведены систематические исследования влияния постоянного электрического тока (ПЭТ) на межфазные явления при контактном плавлении в системах Bi-Te и Sb-Te.

Экспериментальными исследованиями установлено, что изменением величины и направления ПЭТ, пропускаемого через образцы Bi и Te, Sb и Те, можно управлять процессами фазообразования в контакте образцов и кинетикой КП. В

Естественные и точные науки

21

системе токи порядка 1А дают возможность осуществить КП в системе Bi-Te при температуре 235°С, что на 31 градус ниже наинизшей эвтектической температуры, или же вообще не допустить взаимодействия образцов Bi и Те в контакте, изменив знак потенциала на образцах. При токах 2-5А КП протекает при 235оС и также появляется возможность в зависимости от направления тока влиять на процессы фазообразования и кинетику КП. Управление процессами, протекающими в контакте образцов Bi и Те, с помощью ПЭТ становится возможным благодаря переходу атомов Те под влиянием электрического тока в ионизированные состояния Те-2 и Те+4 (или Те+6). КП в системе Bi-Те в отсутствие тока протекает благодаря образованию метастабильной эвтектики Bi2Te3+Bi

Дэвт=266оС), а при пропускании через сконтактированные образцы ПЭТ 2-5А -благодаря образованию эвтектики Bi+Те (1эВТ=235оС).

Аналогично изменением величины и направления ПЭТ, пропускаемого через контакт образцов Sb и Те, можно управлять процессами фазообразования в контакте образцов и кинетикой КП. Для объяснения процессов, протекающих в контакте образцов Sb и Те под влиянием ПЭТ, была использована гипотеза [3] о том, что управление процессами становится возможным благодаря переходу атомов Те и Sb под влиянием электрического тока в ионизированные состояния Те2 и Те+4 (или Те+б), Sb+3.

Рис. 1. График зависимости средней скорости КП системы Bi-Те от ПЭТ в нестационарном режиме при температурах: 1.-269; 2.-268; 3.-267; 4.-2660С

Выдвинутая в работе [5] гипотеза объясняет изменение скорости КП (рис.1) и фазовый состав прослоек, обнаруженный в контактных прослойках.

Попробуем объяснить результаты работ [3; 5], исходя из критериев направления электропереноса в бинарных металлических системах, основанных на соотношениях между коэффициентами диффузии D, эффективными зарядами Z и атомными объемами Q компонентов расплава, предложенных в работе [4].

Рассмотрим частные случаи критериев, которые удобны для практического использования [4]:

1) если разность атомных объемов (ДПА-В=ПА- QB) и разность плотностей (ДрА-В =рА-рВ) разных знаков, то отрицательный эффективный заряд (Z <0) будет у того компонента, который имеет меньшее значение плотности р (более легкий компонент);

2) если разность атомных объемов (ДПА-В=ПА- QB) и разность плотностей (ДрА-В = рА-рВ) одного знака, то отрицательный эффективный заряд (Z <0) у того компонента, который имеет большее значение р (более тяжелый компонент);

3) миграция компонента с отрицательным эффективным зарядом всегда ведет к интенсификации процесса КП (увеличению скорости КП), если на втором компоненте системы положительная полярность.

Этот критерий позволяет предсказать полярность тока, которую следует приложить к образцам с целью ускорения (замедления) процесса КП.

Тогда согласно критерию, предложенному в работе [1], скорость КП будет увеличиваться в том случае, если отрицательная полярность источника тока подключается к образцу с отрицательным эффективным зарядом, то есть, меняя направление плотности тока в исследуемой системе, можно увеличить или уменьшить скорость КП.

Применим эти критерии для системы Bi-Те. Рассчитаем разности атомных объемов ДП, коэффициентов диффузии ДD и плотностей Др компонентов системы Bi и Те.

Для расчета разности атомных объемов их значения мы взяли из работы [2]: QBi = 20.8 см3/г-атом; ПТе = 22.15 см3/г-атом; ДП= -1.35<0.

22

Известия ДГПУ, №2, 2014

Плотности веществ даны в справочнике [6]: р Bi = 9.8 г/см3; р те = 6.2 г/см3 , разность их больше нуляДр = 3.6>0.

Так как разность атомных объемов AQBi-ie и разность плотностей Дрш-Те противоположных знаков, то согласно критерию 1 отрицательный эффективный заряд у того компонента, который имеет меньшее значение плотности р(легкий компонент). Таковым в этой системе является Те: Z Те<0.

Рис. 2. Графики зависимости скорости КП в системе Sb-Te от величины и направления ПЭТ при различных температурах в импульсном режиме нагрева контакта образцов (потенциал относительно Те)

Итак, согласно критерию, предложенному в работе [1], процесс КП ускоряется в том случае, если отрицательная полярность источника тока подключается к образцу, эффективный заряд которого меньше нуля (Z <0). Таким образом, процесс КП ускоряется в том случае, если теллур подключают к отрицательному полюсу, а при смене полярности с «минуса» на «плюс» процесс КП замедляется, что и наблюдается в эксперименте (рис. 1).

Исследуем данные критерии направления электропереноса для системы Sb-Te. Рассчитаем разности атомных объемов ДП, и плотности Др компонентов для систем Sb и Те. Разность атомных объемов равна ДП=18,8-22,15=-3,35<0, разность плотностей Др =6,6-6,2=0,4 >0.

Так как разность атомных объемов ДПь-Те и разность плотности Дра-Те разных знаков, то согласно критерию 1 от-

рицательный эффективный заряд у того компонента, который имеет меньшее значение плотности р (легкий компонент). Таковым в этой системе является Те: Z Те<0.

Тогда согласно критерию, предложенному в работе [1], КП ускоряется в том случае, если теллур подключают к отрицательному полюсу, а при смене полярности с «минуса» на «плюс» процесс КП замедляется, что и наблюдается в эксперименте.

Как видим, критерий 1 для обеих систем совпадает с результатами экспериментов. При стационарном режиме нагрева контакта образцов для различных плотностей и направлений тока были установлены соответствующие температуры КП [3]. При положительном потенциале на Те при токах 50-100 тА (плотность тока 7,07-14,15 mA/мм2) температура КП понижается до 396,3°С, а дальнейшее увеличение тока приводит к тому, что температура КП приближается к эвтектической (рис. 3).

Плотность тока, mA/мм2

Рис. 3. Зависимость температуры КП от плотности и направления ПЭТ в системе Sb-Te в стационарном режиме (потенциал относительно Те)

Такое скачкообразное понижение температуры при малых токах и положительном потенциале на теллуре известными критериями электропереноса объяснить пока не представляется возможным и предполагает дальнейшую работу над этим вопросом.

Литература

1. Ахкубеков А. А., Далакова Н. В., Еналдиева О. Л., Орквасов Т. А., Созаев В. А., Тамаев Т. Х. Кинетика контактного плавления твердого раствора 1п+0.1ат.% с висмутом и кадмием при наличии электропереноса // Электронный журнал. Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы. 2006.08.4 2. Белащенко Д. К. Исследования расплавов методом электропереноса. М. : Атомиздат, 1974. 88 с. 3. Дадаев Д. Х., Пацхверова Л. С., Хайрулаев М. Р. Исследова-

Естественные и точные науки

23

ние влияния постоянного электрического тока на процессы контактного плавления в системе сурьма-теллур // Физика и химия обработки материалов. 008. № 5. С. 75-79. 4. Еналдиева О. Л. Контактное плавление и электроперенос в металлических системах с участием щелочных металлов. Дисс. ... канд. физ.-мат. наук. Нальчик, 2006. 143 с. 5. Нажмудинов А. М., Пацхверова Л. С., Хайрулаев М. Р. Влияние постоянного электрического тока на процессы контактного плавления в системе висмут-теллур // Инженерно-физический журнал. 2005. Т. 78. № 6. С. 34-41.

6. Физические величины: Справочник / А. П. Бабичев, Н. А. Бабушкина, А. М. Братковский и др. / под ред. И. С. Григорьева, Е. З. Мейлихова. М. : Энергоатомиздат, 1991. 1232 с.

References

1. Akhkubekov A. A., Dalakova N. V., Enaldieva O. L., Orkvasov T. A., Sozaev V. A., Tamaev T. Kh. The-contactmelting kinetics of the solid solution In +0.1 at.% with bismuth and cadmium in the presence of the electro-migration // Electronic Journal. Phase transitions, ordered states and new materials. 2006.08.4. 2. Belashenko D.K. Research of melts by the electro-migration. M. : Atomizdat, 1974. 88 p. 3. Dadaev D. Kh., Patskhverova L. S., Khayrulaev M. R. The investigation of the influence of a constant electric current on the contact melting processes in the antimony - tellurium system // Phis-ics and Chemistry of Materials Processing. 2008. # 5. P. 75-79. 4. Enaldieva O. L. The contact melting and the metal electro-migration in systems with alkali metals. Dis. Nalchik 2006. 143 p. 5. Nazhmudinov A. M., Patskhverova L. S., Khayrulaev M. R. The effect of direct electric current on the contact melting processes in the bismuth-tellurium system // Engineering-physical journal.

2005. V. 78. # 6. P. 34-41. 6. Physical quantities: Reference book / A. P. Babichev, N. A. Babushkina, A. M. Bratkovsky, etc. / ed. by I. S. Grigoriev, E. Z. Meylikhov. M. : Energoatomizdat, 1991. 1232 p.

Literatura

1. Ahkubekov A. A., Dalakova N. V., Enaldieva O. L., Orkvasov T. A., Sozaev V. A., Tamaev T. H. Kineti-ka kontaktnogo plavlenija tverdogo rastvora In+0.1at.% s vismutom i kadmiem pri nalichii jelektrope-renosa // Jelektronnyj zhurnal. Fazovye perehody, uporjadochennye sostojanija i novye materialy.

2006.08.4 2. Belashhenko D. K. Issledovanija rasplavov metodom jelektroperenosa M. : Atomizdat, 1974. 88 s. 3. Dadaev D. H., Pachverova L. S., Hajrulaev M. R. Issledovanie vlijanija postojannogo jelektricheskogo toka na processy kontaktnogo plavlenija v sisteme sur'ma - tellur // Fizika i himija obrabotki materialov. 2008. № 5. S. 75-79. 4. Enaldieva O. L. Kontaktnoe plavlenie i jelektropere-nos v metallicheskih sistemah s uchastiem shhelochnyh metallov. Dis. Nal'chik 2006 143 s. 5. Nazhmudinov A. M., Pachverova L. S., Hajrulaev M. R. Vlijanie postojannogo jelektricheskogo toka na processy kontaktnogo plavlenija v sisteme vismut- tellur // Inzhenerno-fizicheskij zhurnal. 2005. T. 78. № 6. S. 34-41. 6. Fizicheskie velichiny: Spravochnik / A. P. Babichev, N. A. Babushkina, A. M. Bratkovskij i dr. / pod red. I. S. Grigor'eva, E. Z. Mejlihova . M. Jenergoatomizdat, 1991. 1232 s.

Статья поступила в редакцию 14.03.2014 г.