Структурные изменения и свойства ионных кристаллов, легированных металлами при термоэлектрическом воздействии Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 539.3

СТРУКТУРНЫЕ ИЗМЕНЕНИЯ И СВОЙСТВА ИОННЫХ КРИСТАЛЛОВ, ЛЕГИРОВАННЫХ МЕТАЛЛАМИ ПРИ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКОМ ВОЗДЕЙСТВИИ

© Ю.А. Кочергина1*, Л.Г. Карыев2), О.А. Мексичев3), Т.Н. Плужникова1*, И.А. Третьяков1'

1 Тамбовский государственный университет им. Г.Р. Державина, г. Тамбов, Россия,

e-mail: feodorov@tsu.tmb.ru 2) Ямало-Ненецкий филиал Тюменского государственного нефтегазового университета, г. Новый Уренгой, Россия, e-mail: jukova_knp@mail.ru 3) МОУ ООШ № 18, г. Тамбов, Россия, e-mail: meks@yandex.ru

Ключевые слова: ионные кристаллы; термоэлектрическое воздействие; механические свойства.

В работе исследованы механические свойства кристаллов, легированных при термоэлектрическом воздействии. Обнаружено увеличение предела прочности, а также увеличение микротвердости легированных образцов.

Исследования любых сложных процессов проводят обычно на наиболее простых в структурном отношении и достаточно хорошо изученных материалах, т. н. модельных. К ним относятся ионные кристаллы. Исследование свойств ионных кристаллов в электрических полях ведется на протяжении многих лет. Однако интерес к этим материалам как модели диэлектрика с ионной связью не ослабевает, т. к. дальнейшие перспективы практического применения материалов на основе ионных и суперионных проводников определяются глубиной понимания природы формирования физико-химических свойств, выявлением закономерностей изменения последних в кристаллических соединениях, нахождением возможности их целенаправленного модифицирования. Изменение физических свойств кристаллических тел под действием различных факторов, в частности влияние электрических полей и термообработки на поверхность и структуру кристалла, легирование кристаллов примесями являются весьма актуальными проблемами физики твердого тела. Основной аспект этих проблем, имеющий большое практическое значение, - создание материалов с улучшенными и новыми свойствами [1].

Экспериментально установлено, что под действием электрического поля и нагрева происходит изменение поверхностей ионных кристаллов [2-5].

Цель работы - исследование морфологии поверхностей ионных кристаллов, подвергнутых легированию металлами при воздействии электрического поля и одновременного нагрева.

Исследовали образцы №01, ЫГ размером 20*8*(2-3) мм, которые выкалывались из крупных кристаллов по плоскостям спайности. В образцах искусственно зарождали трещину по плоскости (100) длиной = 15 мм, в которую вводили металлические фольги из алюминия, свинца или сплава на основе

Ее (73,5 %) толщиной = 20 мкм, перекрывающую = 20 % поверхности трещины от вершины или проволоку из золота диаметром = 30 мкм. Затем образец помещался между электродами с напряжением 400 В, электрическое поле было ориентировано нормально к плоскости (100). Комплекс «кристалл-металл» помещался в печь, где осуществлялся его нагрев до 873 К со скоростью 200 К/ч. После чего образец в течение часа выдерживали при заданной температуре и напряжении между электродами 400 В. Сила тока при этом составляла 10-20 мА. Охлаждали образцы со скоростью 50 К/ч вместе с печью. Напряжение на образце и температуру контролировали прибором «Н 307/2».

Для изучения механических свойств легированных кристаллов были проведены исследования на жесткой испытательной машине Ішігоп. Образцы №01 с различными примесями испытывали на сжатие со скоростью 0,1 мм/мин.

Кривые нагружения приведены на рис. 1, из графиков видно, увеличение предела прочности легированных образцов, а также увеличение времени сжатия. В некоторых случаях зафиксировано увеличение модуля упругости, что связано с внедрением атомов металла в междоузлия кристаллической решетки (табл. 1).

Таблица 1

Увеличение модуля упругости

Образец E, МПа

NaCl 273,42

NaCl+Au 333,38

NaCl+Al 272,27

NaCl+Pb 320,8

NaCl+Pt 292,58

Au^.

Pb/"*

NaCl

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23

Compressive strain (%)

Рис. 1. Зависимость ст(е) для кристаллов NaCl легированных Al, Pt, Pb, Au

Ю-I t 1--1-*-1-1--1-1-I 1-1-1--1 i 1-1-1-1--1-1-1-1-| 1--1-1-1-1--1-1-!—i—i—I—I—I—I—

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 IS 16 17 18

Compressive strain (%)

Рис. 2. Зависимость ст(е) для кристаллов NaCl, легированных Al

Ю —i—I—I—i—p—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—i—<—i—i—i—i—i—i—i—i—

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

Compressive strain (%)

Рис. 3. Зависимость ст(е) для кристаллов NaCl, легированных Au

Рис. 4. Сравнительная диаграмма процентного увеличения микротвердости легированных кристаллов по отношению к кристаллам, не подвергавшимся обработке

При измерении твердости по Виккерсу при нагрузке 0,2 Н исследуемых кристаллов было обнаружено увеличение микротвердости легированных кристаллов (рис. 2-4).

ЛИТЕРАТУРА

1. Кочергина Ю.А., Федоров В.А., Карыев Л.Г. Образование поверхностных малоразмерных структур в ЩГК при термоэлектрическом воздействии // Вестник Тамбовского университета. Серия Естественные и технические науки. Тамбов, 2008. Т. 13. Вып. 1. С. 65-66.

2. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Влияние теплоэлектрического воздействия на состояние поверхностей ЩГК // Механизмы деформации и разрушения перспективных материалов: сборник трудов XXXV семинара «Актуальные проблемы прочности». Псков, 1999. С. 280-283.

3. Feodorov V.A., Karicv L.G., Mcksichcv O.A. Influence of heat and electrical field on condition of alkali-halidc crystal cleavage surface // Advanced material and processes. Fundamental problems of developing advanced materials and processes of XXI century: Proc. V Russian-Chinese Int. Symp. Baikalsk, 1999. P. 68.

4. Федоров В.А.. Карыев Л.Г., Мексичев О.А. Аккумуляция электрического заряда у поверхности ионных кристаллов при нагреве в

электрическом поле // Физика и химия обработки материалов. 2002. № 5. С. 87-89.

5. Кочергина Ю.А., Зайцев С.А. Образование поверхностных малоразмерных структур в ионных кристаллах под действием тепловых и электрических полей // Сборник материалов Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике. Владивосток, 27-29 апр. 2009 г. Владивосток, 2009. С. 45-46.

БЛАГОДАРНОСТИ. Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (грант № 09-01-97514-а).

Поступила в редакцию 15 апреля 2010 г.

Kochergina Y.A., Kariev L.G., Meksichev O.A., Plushnik-ova T.N., Tretjakov I. A. Structural changes and properties of the ionic crystals alloyed by metals at thermoelectric influence. In work mechanical properties of the crystals alloyed at thermoelectric influence are investigated. The strength increase, and also increase in microhardness of the alloyed samples is revealed.

Key words: ionic crystals; thermoelectric influence; mechanical properties.