CC BY
1654
УДК 537.9
ВЛИЯНИЕ МЕТАЛЛА, ИМПЛАНТИРОВАННОГО В ЩГК В УСЛОВИЯХ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ, НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МАКРООБРАЗЦОВ
© Ю.А. Кочергина, В.А. Федоров
Ключевые слова: ионный кристалл; малоразмерные структуры; термоэлектрическое воздействие.
Обнаружено появление металлических включений в кристаллах, образующихся в кристаллах при имплантации металла под действием электрического поля и одновременного нагрева. Показано изменение механических свойств кристаллов с имплантированным металлом.
ВВЕДЕНИЕ
Исследование поведения диэлектрических материалов при различных внешних энергетических воздействиях является одним из значимых направлений развития физики диэлектриков, входящих составной частью в фундаментальные исследования физики конденсированного состояния, которые направлены на решение важной задачи - установление взаимосвязи физических свойств, процессов и явлений со структурой материалов, ее особенностями и дефектами.
Цель работы - определить распределение металла, имплантированного в кристалл и установить морфологические особенности поверхностей кристалла после термоэлектрического воздействия.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ
Исследованию подвергались образцы с частицами металла, имплантированного в условиях воздействия тепловых и электрических полей. Изучение механических свойств кристаллов с внедренными частицами металла проводили на жесткой испытательной машине 1ш1гоп 5565. Образцы №С1, LiF с частицами испытывали на сжатие со скоростью движения траверсы 0,1 мм/мин. Регистрировали величину деформации (в %), а также напряжение, возникающее в образце. Кроме того, измеряли модуль Юнга.
Зависимости напряжение - деформация для кристаллов №С1 представлены на рис. 1. Для кристаллов LiF зависимости ст(е) имеют качественное совпадение.
Различие образцов (исходных и термообработанных с частицами) сказывается на деформационных параметрах, таких как предел упругости, предел прочности и общая величина деформации (табл. 1). Среднее значение коэффициента упрочнения у для образцов с частицами Аи изменяется в сторону его увеличения.
Предел прочности исследуемых образцов увеличивается по отношению к контрольным образцам. Аналогичное увеличение наблюдается и для степени деформации кристаллов. Общая величина деформации кристаллов с частицами Аи увеличивается в 2-2,5 раза.
«,%
Рис. 1. Зависимость а(є) для кристаллов №С1 в исходном состоянии - 1, с частицами Аи - 2
Таблица 1
Деформационные параметры кристаллов №С1, исследуемых на сжатие
Образец Е, МПа ешах,% апр, МПа Тср =
ЫаС1 273,42 9,96 23,13 2,18
№С1 + Аи 333,38 22,01 54,46 2,52
При исследовании морфологических особенностей поверхности сквозной трещины (001) ионных кристаллов LiF и №С1, контактирующих с металлом и содержащих частицы Аи после термоэлектрического воздействия, обнаружены значительные рельефные изменения той части кристалла, которая прилегала к отрицательно заряженному электроду (рис. 2а).
По результатам химического анализа элементов в зонах, изображенных на рис. 2а, 2б можно говорить об увеличении концентрации металла в той части кристалла, которая прилегала к отрицательно заряженному электроду. Для этого случая концентрация Аи составила 0,64 А1 % в сравнении с противоположной частью кристалла, прилегающего к положительно заряженному электроду - 0,36 А1 %.
1780
Увеличение концентрации Аи в той части кристалла, которая прилегала к отрицательно заряженному электроду, может свидетельствовать о том, что существует диффузия ионизованных атомов Аи, которые под действием электрического поля при длительных временах нагрева будут перемещаться в направлении от анода к катоду.
Элемент Wt % At %
F 93,6 99,36
Au 6,4 0,64
а)
Элемент Wt % At %
F 96,32 99,6
Au 3,6 0,36
б)
Рис. 2. Исследование элементного состава на поверхности (001) кристалла ЬіБ с имплантированным Аи: а) свободная поверхность кристалла, прилегавшего к катоду; б) свободная поверхность кристалла, соприкасающегося с анодом; в таблице отмечено весовое (№Г) и атомарное (А1) процентное соотношение основных элементов; фото на вставках показывает область исследования, более интенсивным изменениям рельефа подвержены поверхности кристалла, прилегавшего к катоду
ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ
Изменение деформационных параметров, таких как предел прочности и степень деформации в сторону их увеличения для образцов, прилегающих к отрицательно заряженному электроду, связано с преимущественным направлением диффузии металла от анода к катоду.
Данный факт можно объяснить следующим образом: под действием электрического поля и одновременного (длительного) нагрева происходит ионизация [1] атомов Аи. Положительно заряженный ион будет мигрировать от анода к катоду. В той части кристалла,
которая прилегает к отрицательно заряженному электроду, будет наблюдаться увеличение концентрации Au. Ионизированные атомы Au могут занимать вакансии, а также междоузельные положения в кристаллической решетке, что, в конечном счете, сказывается на механических характеристиках макрообразца. И, как следствие, увеличение предела прочности кристаллов с имплантированным металлом в условиях воздействия тепловых и электрических полей. Кроме того, образующиеся химические соединения: хлориды, фториды и карбонаты, - также могут оказывать влияние на прочностные характеристики кристаллов с имплантированным в условиях термоэлектрического воздействия Au.
Обнаруженные морфологические изменения поверхности (изменение рельефа) после термоэлектрического воздействия на кристалл объяснимы тем, что: стационарное внешнее электрическое поле вызывает диффузию собственных ионов в направлении линий напряженности. В результате на свободной поверхности кристалла, соединенного с отрицательным полюсом, образуется объемный отрицательный заряд за счет оттока от нее положительных ионов металла. Сублимация ионов галоида в полость несплошности под действием сил электростатического отталкивания и внешнего электрического поля, приводит к изменению рельефа поверхности (001). На положительно заряженной поверхности изменения рельефа не происходит, т. к. ионы металла, насыщая поверхность зарядом, становятся междоузельными [2].
ВЫВОДЫ
Установлено, что имплантация металла в ионный кристалл приводит к изменению его механических макро- и микрохарактеристик. В частности, увеличивается модуль упругости, предел прочности, общая величина деформации, а также среднее значение коэффициента упрочнения, возрастает микротвердость. Предложен механизм влияния химических соединений на механические свойства, основанный на блокировке дислокаций частицами новой фазы.
ЛИТЕРАТУРА
1. Угай Я.А. Общая и неорганическая химия: учебник для вузов. М.: Высш. шк., 2007. 526 с.
2. Стерелюхин А.А. Структурно-фазовые превращения на поверхностях ионных кристаллов, обусловленные совместным действием электрического и нестационарного теплового полей: автореф. дис. ... канд. физ.-мат. наук. Тамбов, 2006.
БЛАГОДАРНОСТИ: Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ (грант № 12-01-97519 р_центр_а).
Поступила в редакцию 10 апреля 2013 г.
Kochergina Y.A., Feodorov V.A. EFFECT OF METAL IMPLANTED IN AHC AT THERMOELECTRIC IMPACT ON MECHANICAL CHARACTERISTICS OF MACROSAMPLES The appearance of metallic impurities in the crystals, the crystals formed in the implantation of metal under the influence of an electric field and simultaneous heating is observed. The change in the mechanical properties of the crystals with an implanted metal is shown.
Key words: ionic crystal; small-sized structure; thermoelectric effect.
1781
