Введение к работе
Актуальность темы. Знание надежных данных по поверхностному натяжению металлов и их сплавов необходимо для построения теории поверхностных явлений жидкометаллических систем. Особый практический интерес вызывают исследования влияния малых высокоактивных и адгезионно-активных добавок на поверхностные свойства металлов в связи с разработкой новых бессвинцовых припоев, систем металлизации керамик и полупроводников, жидкометаллических теплоносителей для энергетических установок и т.д. Несмотря на большой объем исследований поверхностных свойств металлических систем, влияние щелочноземельных добавок на поверхностное натяжение олова пока не изучено. Недостаточно исследованы политермы поверхностного натяжения околоэвтектических сплавов системы олово – серебро, которая является основой для получения многих бессвинцовых припоев для электроники.
В литературе обнаружено наличие порога смачивания расплавами индий – титан (с концентрацией титана менее 0,5 ат.%) фторида кальция [1], однако механизм явления до конца не выяснен. Данных по поверхностному натяжению сплавов индий – титан в литературе нет.
Расплавы на основе свинца, в частности, свинец – висмутовая эвтектика, находят применение в атомных реакторах на быстрых нейтронах в качестве жидкометаллических теплоносителей. В последнее время разработаны новые реакторные высоконикелевые и ферритно-мартенситные стали, поэтому представляет интерес изучение температурной зависимости углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой таких реакторных сталей.
В исследованиях по изучению поверхностных свойств зачастую используются стеклянные приборы, которые не позволяют проводить эксперименты в области высоких температур, в процессе обмера капель используются устаревшие методики, что вносит дополнительные ошибки при оценке поверхностного натяжения, снижает производительность труда и увеличивает затраты на закупку фотопластинок и химических реактивов. Поэтому при изучении поверхностного натяжения жидкометаллических расплавов важен переход на новые информационные технологии.
Научно-исследовательская работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований по направлению «Физика межфазных явлений» и была частично поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (гранты РФФИ №№ 05-08-18038-а «Теоретические и экспериментальные исследования влияния малых добавок щелочных металлов на поверхностные свойства свинца, алюминия и индия» и 09-08-90704-моб_ст «Научная работа российского молодого ученого Кашежева Аслана Зарифовича в Учреждении Российской академии наук Объединенном институте высоких температур РАН»).
Цель работы. Исследование влияния малых примесей на плотность и поверхностное натяжение олова, индия и свинца и смачивание меди, графита, реакторных сталей выбранными системами.
Для достижения указанной цели решались следующие задачи:
1. Изучить влияние бария, стронция и серебра на политермы плотности и поверхностного натяжения олова.
2. Изучить влияние малых добавок титана на политермы плотности и поверхностного натяжения индия.
3. Установить температурные зависимости углов смачивания расплавами олово – серебро меди.
4. Установить температурные зависимости углов смачивания свинец – висмутовой эвтектикой реакторных высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей.
5. Изучить температурную зависимость углов смачивания оловом, индием и свинцом графита.
Научная новизна полученных результатов:
-
Впервые изучены политермы плотности и поверхностного натяжения расплавов олово – барий, олово – стронций, индий – титан в широком интервале температур. Политермы плотности хорошо описываются линейными уравнениями.
-
Установлено, что политермы поверхностного натяжения в системах олово – серебро, олово – стронций, индий – титан проходят через максимум, что объясняется перераспределением примесных атомов между объемом и поверхностью расплава.
-
Установлены пороги смачивания (при температурах 675-685 K) расплавами олово – серебро (при концентрациях серебра 3,8; 0,1; 0,05; 0,03; 0,01 ат.%) меди. С убыванием концентрации примеси в олове пороги смачивания проявляются в меньшей степени.
-
Изучены политермы углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей, обнаружены пороги смачивания.
-
Изучены политермы углов смачивания графита оловом, индием и свинцом: в исследованном интервале температур угол смачивания q > 140.
Практическая ценность результатов. Полученные экспериментальные данные по политермам плотности и поверхностного натяжения сплавов олово – серебро, олово – барий, олово – стронций, индий – титан могут найти применение при разработке новых бессвинцовых припоев и систем металлизации изделий электроники. Результаты по политермам углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой реакторных сталей могут найти применение при создании энергетических установок нового поколения.
Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурса «Поверхностные свойства конденсированных фаз» на Физическом факультете Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.
Достоверность основных результатов подтверждена повторением экспериментов в одних и тех же условиях, а также согласием с соответствующими данными других авторов.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
Данные по температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения расплавов олово – серебро, олово – барий, олово – стронций, индий – титан (с малыми добавками второго компонента);
-
Наличие максимумов на температурных зависимостях поверхностного натяжения расплавов олово – серебро, олово – стронций, индий – титан;
-
Установленные пороги смачивания расплавами олово – серебро меди;
-
Установленные пороги смачивания свинец-висмутовой эвтектикой высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей.
Все представленные в работе результаты получены автором лично.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на 5 Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (ФСМиС-V, г. Екатеринбург, 16-18 ноября 2009), I Международном, междисциплинарном симпозиуме «Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов» (TDMPM, г. Пятигорск, 8-12 ноября 2009), Межведомственном семинаре «Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей» (Теплофизика-2009, г. Обнинск, 28-30 октября 2009), 12 Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-12, п. Лоо, 10-15 сентября 2009), 6 Международной конференции «Высокотемпературная капиллярность» (High temperature capillarity – VI (НТС-2009), Афины, 6-9 мая 2009, Греция), Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-12, г. Москва,
7-10 октября 2008), Международной конференции, посвященной сплавам алюминия (International Conference on Aluminium Alloys, (ICAA-2008),
Аахен, 22-26 сентября 2008, Германия), 3 Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (IC CCPCM-2008, г. Москва, 24-28 июня 2008), 21 Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике» (г. Харьков, 26-30 мая 2008, Украина).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, одна из них – в журнале, рекомендуемом ВАК.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 20 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 191 наименования.
