Введение к работе
Актуальность работы. Поверхностные явления играют определяющую роль во многих процессах,представляющих интерес для дальнейшего развития и совершенствования ряда перспективных направлений современной техники. Решение широкого круга задач в области материаловедения .производства и эксплуатации изделий микроэлектроники, энергетики,черной и цветной металлургии и других зависит от уровня знаний в области физики и химии поверхности.
В настоящее время для границы жидкость-пар наибольшее внимание уделяется теоретическому и экспериментальному изучению поверхностного натяжения. Уке проведены обширные исследования по поверхностному натяжению жидких металлов и сплавов. Результаты подобных исследований широко используются в процессах пайки,сварки, при создании композиционных материалов,анализе процессов растекания и смачивания. На основе данных по поверхностному натяжению разработана классификация веществ и их деление на классы поверхностно-активных и поверхиостно-инактивных.
К настоящему времени,однако,мало изучены концентрационные и температурные зависимости удельных избыточных поверхностных термодинамических потенциалов,являющихся важнейшими характеристиками поверхности. Практически не разработаны методы определения и не проведены теоретические расчеты этих величин. Отсутствуют систематические исследования по влиянию малых примесей на удельные избыточные поверхностные потенциалы на границе жидкость-пар. Между тем,такие данные могут представлять интерес для классификации веществ по-их поверхностным свойствам и расширения практического применения результатов исследований в области поверхностных явлений при решении многих прикладных и фундаментальных задач.
К настоящему времени недостаточно исследованы поверхностные характеристики в деформируемых твердых телах,в том числе поверхностное натяжение двухкомпонентных изотропных твердых растворов. Мало данных по поверхностной сегрегации для твердых растворов и двухфазных твердых сплавов с использованием метода электронной оке-спектроскопии.
Цель работы. I. Теоретический анализ влияния малой добавки на удельные избыточные поверхностные термодинамические потенциалы и поверхностную плотность избыточной энтропии обычных (некритических) жидкостей в зависимости от положения разделяющей поверхности.
-
Теоретическое и экспериментальное исследование зависимости избыточной свободной поверхностной энергии и избыточной свободной поверхностной энтальпии от состава для ряда бинарных металлических растворов в жидком состоянии.
-
Измерение методами электронной оже-спектроскопии в системах Sn- Go , Bi-Тё ,Te-3n и "большой" капли в системе
Sn-Ga в жидком состоянии поверхностных концентраций и поверхностного натяжения с прецизионным контролем чистоты поверхности.
4. Получение уравнения изотермы поверхностного натяжения для двухкомпонентного твердого раствора и измерение концентрации на поверхности ряда твердых растворов и двухфазных сплавов на основе серебра.
Научная новизна. I. Впервые проведен систематический анализ влияния малых добавок на удельные избыточные термодинамические потенциалы поверхности (свободная поверхностная энергия , свободная поверхностная энтальпия Q(* , поверхностная энергия Є* , поверхностная энтальпия k ) и избыточная энтропия единицы раз-делящей поверхности 5 в зависимости от положения поверхности
- з -раздела в обычных (некритических) жидкостях. Впервые установлена возможность симбатного и антибатного изменений избыточной свободной поверхностной энергии для эквимолекулярной разделяющей поверхности по отношению к растворенному веществу и поверхностного натяжения растворителя в жидком состоянии под влиянием малых добавок.
-
Предложен и реализован способ экспериментального определения удельной избыточной свободной поверхностной энергии бинарных металлических растворов в жидком состоянии.
-
Впервые теоретически рассчитаны и экспериментально измерены значения свободной поверхностной энергии и свободной поверхностной энтальпии при разных положениях разделятсщей поверхности для девяти жидких бинарных металлических систем.
-
С помощью метода электронной оже-спектроскопии (ЭОС) в системах Bl-Te и ]n-Tg , а также методов ЭОС и "большой" капли в системе %n-Ga построены изотермы поверхностной концепт -рации и поверхностного натяжения в жидком состоянии.
-
Получено уравнение изотермы поверхностного натяжения бинарного изотропного твердого раствора, откуда следует известный критерий предельной поверхностной активности компонентов ("-б"~ представление).
Практическая ценность. I. Соотношения по влиянию малых примесей на гиббсовские избытки поверхности жидкости, найденные в работе, позволяют сформулировать новые качественные критерии предельной поверхностной активности добавок по изменению этих поверхностных характеристик.
2. Экспериментальные и теоретические данные по значениям свс*здной поверхностной энергии и свободной поверхностной энтальпии Для девяти бинарных металлических растворов в жидком
- 4 -состоянии, полученные в работе, могут быть использованы при решении разнообразных фундаментальных и прикладных задач.
-
Способ измерения избыточной свободной поверхностной энергии, предложенный в работе, может быть использован для определения этой величины для других жидких растворов.
-
Экспериментальные данные по составу поверхности твердых сплавов, а также уравнение изотермы поверхностного натяжения изотропного твердого раствора, полученные в работе, могут быть использованы при прогнозировании свойств гетерогенных систем, с участием этих и подобных им материалов.
На защиту выносится: I. Совокупность результатов по влиянию малых добавок на удельные избыточные термодинамические потенциалы поверхности и поверхностную плотность избыточной энтропии границы жидкость-пар, среди которых:
критерии предельной поверхностной активности добавок по влиянию на фундаментальные характеристики поверхности, указанные выше ;
возможность ангибатного изменения поверхностного натяжения и гиббсовских избытков в случае выбора в качестве поверхности раздела эквимолекулярной разделяющей поверхности по отношению
к растворенному веществу;
- симбатное изменение одних ( і , Q ) и антибатное изменение
других ( Є h , 5 ) гиббсовских избытков по сравнению с
поверхностным натяжением для эквимолярных разделяющих поверх -
ностей го отношению к растворителю и отвечающих нулевым суммар
ным избыткам на границе жидкость-пар.
2. Методы определения и совокупность результатов экспериментальных измерений и теоретических расчетов избыточной свободной поверхностной энергии и избыточной свободной поверхностной энтальпии для девяти бинарных металлических растворов на основе
легкоплавких металлов (Рь, Sn ,~ft . 3n . ( , Bi , К , Rb , Ge ) ,a так-же результаты измерения методами электронной оже-спектроскопии и "большой" капли поверхностной концентрации и поверхностного на- , тяжения в жидких растворах 5п - Ga Bi -1* и Т( - Зп .
3. Уравнение изотермы поверхностного натяжения деформируемого твердого раствора в изотропном приближении и результаты измерений методом электронной оже-спектроскопии поверхностных концентраций в поликристаллических твердых растворах и двухфазных сплавах серебра с висмутом, свинцом и медью.
Ртепень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации. Все измерительные приборы, использованные в работе, ежегодно проходили госповерку. Расчеты поверхностных концентраций, значений свободной поверхностной энергии и свободной поверхносгной энтальпии проводились по разработанным и проверенным программам на ЭВМ ДВК-3 и МЕРА СМ-КАМАК. Оже-спектры для всех металлов (Acj, Рь , Qi, Си . 5п Go Jn >Tg ). полученные в работе, совпадают по форме и энергетическому положению с данными, содержащимися в атласе оже-спектров и у других авторов.
Конкретное личное участие автора п получении научнь'х результатов, изложенных в диссертации. Задачи были сформулированы научным руководителем профессором А.А.Шебзуховым. который принимал участие в обсуждении результатов, йоновные расчетные формулы получены совместно с научным руководителем. Все теоретические расчеты выполнены самостоятельно диссертантом. Измерения методами оже-спектроскопии и "большой" капли выполнены диссертантом пользуясь консультациями и помощью сотрудников лаборатории физики поверхности КБГУ.
Апробация, работ. Основные результаты диссертации обсужда -лись на научных семинарах кафедры физических основ микроэлектро-
ники и физического факультета КБГУ, республиканской научно-практической конференции молодых ученых и специалистов (Нальчик,Т988), 7-ой Всесоюзной конференции по строению и свойствам металлических и (маковых расплавов (Челябинск, 1990), 6-ой Всесоюзной конференции го поверхностным явлениям в расплавах и технологиях новых материалов (Киев> 1991).
Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 5 научных работах.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 148 наименований. Она изложена на 171 страницах машинописного текста и содержит 57 рисунков и 13 таблиц.
