V Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2013

Контактным плавлением (КП) называется образование жидкости в контакте двух и более веществ при температуре, меньшей, чем температура плавления наиболее легкоплавкого из них [1]. Температура, при которой начинается плавление образцов, получила название температуры контактного плавления (Т_КП). Она определяется только природой контактируемых веществ. КП возможно только в системах эвтектического типа (ЭТ), т.е. с точкой минимума на диаграмме состояния (ДС). Таким образом, КП и диаграмма состояния эвтектического типа тесно взаимосвязаны. Это означает, что КП может использоваться как метод получения сплавов эвтектического состава (ЭС).

Раскрытие начальной стадии КП в определенной степени способствует пониманию природы легкоплавкости эвтектик, т.к. любая жидкая зона, полученная между компонентами А и В при температуре Т_опыта ≥ Т_эвт, как обязательное, содержит сплав эвтектического состава.

К настоящему времени, пока ещё нет однозначного ответа ни на природу и механизм КП, ни на легкоплавкость эвтектик. Поэтому новая идея, способствующая решению этой проблемы, представляет большой научный интерес у исследователей этого направления.

Точка зрения на состав и структуру эвтектических сплавов менялась по мере исследования данного вопроса. В работах Д.И.Менделеева, А.И. Горбова, Н.В. Гевелинга и других она сводилась к тому, что эвтектика есть химическое соединение .

Однако, в 1912 г Н.А. Пушин и И.В. Гребенщиков показали, что «повышение давления изменяет положение эвтектической точки в системе из двух органических веществ». Именно это послужило причиной отказа от представления об эвтектике, как о химсоединении .

Многочисленные рентгенофазовые и рентгеноструктурные исследования [3], проведенные в различных эвтектических сплавах согласуются с последним утверждением.

Позже появилась точка зрения об эвтектике как о механической смеси простых фаз, состав которых соответствует предельной растворимости компонента А в В (α - фаза) и В в А (β - фаза). Вопрос об их образовании из жидкости или твердой фазы остаётся открытым.

Дальнейшее развитие это направление нашло в теоретических работах Ю.М. Гуфана, А.А Ахкубекова и А.Ю. Гуфана [4]. Суть работы сводится к тому, что жидкая фаза вблизи Тэвт, каким бы образом она не была получена, находится в гетерогенном состоянии и является равновесным. Отмечается, «… что пространственно неоднородное состояние может быть равновесным и даже «основным», т.е. самым стабильным при данных условиях, это широко известный из физико-химического анализа факт».

Выше отмечали, что в контакте разнородных кристаллов, при Тэвт естественным образом, возникает жидкость ЭС, т.е. методом КП можно получать сплавы ЭС.

Теперь, кратко о КП. Существует следующие взгляды на природу КП: диффузионный [5], адсорбционно-полевой [6] и нуклеационный [7] и.др. Во всех названных подходах не просматриваются ответы на вопросы: о причине возникновения очагов жидкой фазы, о скоротечность её возникновения, о её легкоплавкости.

Данное сообщение, являясь продолжением работы [8], ставит своей целью обсудить возможный вариант ответа на сформулированную выше проблему при Т_опыт ≥ Т_эвти.

При решении поставленной выше задачи мы используем идею об особенности динамики решетки в тонком слое, заключающуюся «…в увеличении среднеквадратичного смещения атомов двух межфазных поверхностей, которые убывают обратно пропорционально расстоянию до поверхности» [9]; использовали проявление размерного эффекта взаимной диффузии и растворимости компонентов в малых объемах (в нашем случае это контакт шероховатостей нано-размерных протяжённостей, имеющихся на поверхности приводимых в контакт кристаллов) [10].

Использовали так же широко обсуждаемое в научной литературе явление размерного эффекта плавления [11, 12].

Предложенную точку зрения сопоставляли с результатами наблюдения визуализации начальной стадии КП сотрудниками Кабардино – Балкарского госуниверситете (см. ниже). Методика, проведения которой, описана в работе [13].

Объектом исследования являлась эвтектическая система Bi-Sn, Т_эвт массивных образцов которой составляет 139°С. Чистота используемых металлов не менее 99,999%.

Результаты наблюдений приведены на рис. 1.

На фото 1 представлено состояние поверхности образцов до контактирования (слева – олово, справа - висмут) Как видно из фото, поверхность образцов сильно развита; имеются выступы различной протяжённости, лежащие в широком интервале размеров (от 10 до – 100 и более нм.) Размеры выступов сравнивали с размерами кантилевера, острие, которого составляет 9-12 нм..

Фото 2-6 демонстрируют начало формирования и рост жидкой зоны в контакте двух наноразмерных выступов: фото 2- два выступа до контактирования; 3 -контакт осуществлён. Отметим, что жидкость появляется при 60-80^оС (в то время как Т_эвт. = 139^оС). Методика позволяет разъединять образцы после контакта, что даёт возможность контролировать состояние зоны соединения: появилась жидкость или нет. Фото 4-6 демонстрируют этапы образования «нитей», вид которых доказывает, что они получены из жидкой фазы.

Рис.1. 1-6. Этапы образования «нитей» в контакте микро (нано) объектов Sn и Bi, при температуре 70^оС, x6·10⁵.

Таким образом, описанное выше приведённое наблюдение подтверждает, что причиной образования очагов жидкой фазы на начальной стадии КП является размерный эффект плавления низко- (нано) размерных объектов.

Предложенный нами подход и экспериментально наблюдаемый процесс КП на наноуровне дают возможность сделать предположение о низкоплавкости твердых эвтектик. Как было указано вначале, при кристаллизации сплава эвтектического состава из расплава образуются α- и β- фазы. В контакте между которыми, в свою очередь, образуются переходные слои более высокой дисперсности по сравнению с исходными α- и β- фазами. Образовавшиеся переходные слои в свою очередь диспергируют на ещё более тонкие слои и т.д., т.е. проявляется низкоразмерный эффект плавления во вновь образующихся слоях. Этот процесс и предопределяет, на наш взгляд, низкоплавкость эвтектик.

Вывод.

Предложена идея, позволяющая объяснить скоротечность появления жидких очагов в зоне контакта эвтектических систем и их низкоплавкость, в основу которой положены, во- первых, размерный эффект диффузии и растворимость компонентов в контакте микро- наноразмерных выступов, имеющихся на контактируемых поверхностях металлов, во-вторых, проявление размерного эффекта плавления объектов наноразмерных величин. Экспериментальные наблюдения, проведённые в системе Bi-Sn, согласуются с предлагаемой авторами точкой зрения.

Литература

1. Ахкубеков А.А., Орквасов Т.А., Созаев В.А. Контактное плавление металлов и наноструктур на их основе. М.: ФИЗМАТЛИТ. – 2008 – 147с.

2. Залкин В.М. Природа эвтектических сплавов и эффект контактного плавления.// М.: Металлургия, 1987. 1-157с.

3. Аносов В.Я., Озерова М.И., Фиалков Ю.Я. Основы физико-химического анализа.- М.: Наука, 1976. - 504с.

4. Панченко Е.М., Мусуков Р.А., Ахкубеков А.А., Зубхаджиев М.-А. А., Дукаева К.Ю. Структура и состояние жидкости вблизи эвтектической точки.// Электронный журнал «Фазовые переходы, упорядоченные состояния и новые материалы».

5. Гетажеев К.А., Савинцев П.А. Оценка глубины диффузионной зоны в твердых фазах при контактном плавлении бинарных эвтектических систем в нестационарном режиме // Изв. вузов СССР. Физика.- 1972 № 1 -С. 142-144.

6. Выродов И.П. О физической сущности контактного плавления и формирования межфазного слоя // Журн. физ.химии, Деп. №1102-78, М., 1978 – 10.

7. Ефименко Л. П. «Физико-химические закономерности синтеза материалов и покрытий на основе соединений 3d- 4d-переходных элементов». Автореферат.

8. Ахкубеков А.А., Байсултанов М.М., Ахкубекова С.Н. Начальная стадия контактного плавления как низкоразмерный эффект.// Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Приложение. – 2005.– С. 56-64.

9. Сапожников В.Б., Гольдинер М.Г.. //Поверхность. Физика, химия, механика. 1984. №10. С. 86-89.

10. Ширинян А.С.. // Сб. докл. 15 Междунар.симп. «Тонкие пленки в оптике и электронике». Харьков, 2003. С.97-105.

11. Гусев А.И., Ремпель А.А.. Нанокристаллические материалы, Физ-мат. лит., 2001.

12. Петров Ю.И. Физика малых частиц. – М.: Наука, 1982. – 359с.

13. Ахкубеков А.А., Зубхаджиев М.-А.А., Тегаев Р.И., Карамурзов Б.С. // Труды I Междунар. симп. «Физика наноразмерных систем», 34, 2008.

 

4

 

Код для цитирования: Скопировать