Введение к работе
Актуальность работы. іЗ настоящее время значительное внимание уделяется исследованиям по физике, химии и механике поверхности металлов и полупроводников. Такой интерес к поверхностншл явлениям связан в первую очередь с тем, что они оказались определяющими во многих технологических процессах, используемых на производстве, в интегральной и функциональной микроэлектронике, катализе, материаловедении и некоторых других областях науїш и техники.
К числу наиболее широко изучаемых поверхностных явлений относятся поверхностная сегрегация (адсорбция), адгезия, смачивание и растекание. К числу наиболее часто определяемых термодинамических характеристик поверхностей можно отнести поверхностное натяжение, работа адгезии,, величины адсорбции, краевой угол смачивания и некоторые другие. По всем этим явлениям и характеристикам уже накоплены определённые сведения в двойных металлических растворах. К настоящему времени, однако, ещё малочисленны подобные сведения для интерметаллических соединений, и особенно фаз Лавеса, имеющих исключительно большое практическое значение. Благодаря высокой твёрдости, жаропрочности и коррозионной стойкости эти интерметаллиды стали важнейшими конструк-ционним'.: .'.іпториалами в различных областях.
Обращает на себя внимание возрастание количества работ,посвященных теоретическому и экспериментальному изучению термодинамических характеристик на границе двух конденсированных фаз, знание которых необходимо в науке и практике. Следует отметить, что термодинамические свойства на границе раздела металлическое соединение - конденсированная фаза пока ещё недостаточно изучены. Кроме того, практически отсутствуют систематические иссле-
дования по влиянию малих приме ceii на межфазные характеристики систем твёрдое - твёрдое, твёрдое - жидкость. Lieжду тем,результати таких исследований могли бы бить также использованы для расширения области практического применения свойств поверхности при решении многих прикладных и фундаментальных задач.
Цель работы. I. Разработка простого термодинамического метода для согласованного расчёта состава поверхности, адсорбции и поверхностного натяжения двойных фаз Лавеса в раьишх единого концептуального подхода.
2. Расчёт по полученным формулам поверхностного натяжения,
адсорбции и поверхностных концентрации компонентов ряда двойных
фаз Лавеса, образованных тугоплавкими металлами ( ZrMo2, Zr'\i2>
ZrRe2, HfMo2, HfW2, HfRe2, TiCr2 и TiCOg).
-
.Вывод термодинамических уравнений для состава и межфазного натяжения на границе двойной фазы Лавеса ij2 с конденсированной средой из тех же компонентов ( і и j ), находящейся с ней (фазой) в термодинамическом равновесии.
-
Расчёт этих величин, а также работы адгезии, краевого угла смачивания и коэффициента растекания с использованием полученных формул в системах фаза Лавеса - эвтектическая жидкость (Hf-Re, Hf-Mo и Zr-Ыо).
-
Теоретическое изучение распределения малой примеси между объёмными фазами и межразным слоем и её влияния на межфазное натяжение в системе фаза Лавеса - конденсированная среда.
-
Исследование методами электронной оже-спектроскопни и вторично-ионной масс-спектрометрии поверхностной сегрегации в фазах Лавеса ZrMo2, Zrw2, н«Ло2, нг.ї2,тісг2 и тіСо2.
Научная новизна. I. Развита схема расчётов, позволяющая с единых позиций теоретически рассчитывать важнейшие термодинами-
ческие характеристики поверхности фаз Лавеса (состав поверхности, поверхностное натяжение и адсорбция компонентов).
-
Впервые получены уравнения для поверхностного натяжения и поверхностных концентраций компонентов ряда двойных фаз Лавеса.
-
Установлена корреляция поверхностных свойств фаз Лавеса с расположением их компонентов в периодической таблице Менделеева Д. И.
-
Методом электронной оже-спектроскопии измерены концентрации компонентов на поверхности интерметаллидов Zrb*o2, ZrV»2, Tier», тісор в зависимости от температури, а также методами электронной оже-спектроскопии п вторпчно-ионной масс-спектро-мєтрни в ннтерметаллидах н±г:о2 ll iifw2.
-
Впервые рассчитаны менфазное натяжение, концентрации компонентов, работа адгезии, краевой угол смачивания и коэффициенты растекания на границе фаз Лавеса с жидкими растворами.
-
Впервые теоретически изучено влияние малой примеси на межфазное натяжение и ее распределение между объёмными фазами и межфазным слоем в системах фаза Лавеса - конденсированная среда.
Практическая ценность. I. Полученные в работе формулы могут быть использованы для проведения расчётов поверхностных и ілекфазїшх характеристик широкого круга интерметаллидов типа двойных (Таз Лавеса. Общая схема согласованного расчёта термодинамических характеристик поверхностей фаз Лавеса, предложенная в работе, может быть распространена и на другие типы интерметаллических соединений.
2. Результаты экспериментальных и теоретических исследований по поверхностным свойствам интерметаллидов, полученные в
работе и опубликованные в печати, могут быть использованы для прогнозирования других свойств этих материалов, а такие процессов, протекающих с их участием.
3. Полученные в работе результаты по поведению малых примесей в гетерогенных систеглах с участием фаз Лавеса позволяют сформулировать новые качественные критерии предельной мешаз-ной активности добавок по их влиянию на некоторые термодинамические характеристики межфазных границ. На этой основе глогаю провести классификацию веществ, что будет представлять практический интерес для ряда областей науки и техники.
На защиту выносится: X. Способы теоретического определения поверхностного натяжения, поверхностной концентрации компонентов и ряда других термодинамических характеристик поверхности фаз Лавеса.
-
Совокупность результатов теоретических расчётов изотерм для поверхностных характеристик ннтерглеталлидов zrRe?, ZrMo2, ZrW2, HfRe2, HfMo2, HfWg, TiCr2 и TiCo2.
-
Экспериментальные данные по поверхностным концентрациям, полученные методами электронной оже-спектроскопии и вторично-ионной масс-спектрометрш интерметаллидов ZrMo2, Zr'(v2, HfMo2, Hfw2, TiGr2 и TiCo2 при разных температурах.
-
Уравнения для расчётов межфазного натяжения л мехфаз-ной концентрации компонентов фазы Лавеса, находящейся в термодинамическом равновесии с твёрдыми или жидкими растворами, образованными теми же компонентами фазы Лавеса.
-
Результаты теоретических расчётов межфазного натяжения, межфазной концентрации компонентов, а также работы адгезии, краевого угла смачивания и коэффициента растекания на границе
фаза Лавеса - эвтектическая жидкость в системах Hf-Ke,
Hf-Mo И ZrMo.
6. Совокупность нових результатов по влиянию малих добавок на мекфазное натяжение и её распределению между объёмными фазами и переходным слоем в системе фаза Лавеса - конденсированная среда.
Степень обоснованности научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации В работе использованы хорошо апробированные термодинамические подходы, получившіе распространение в физико-химии поверхностных и объёмных фаз. При проведении экспериментальных исследовании использованы современные методы анализа поверхности, получившіе распространение в мировой практике (электронная оке-спектроскопия, вторично-ионная масс-спектрометрия). Все измерительные приборы, использованные в работе, ежегодно проходили госповерку. Расчёты поверхностных и межфазных характеристик проводились по разработанным и проверенным программам на 3J1.L Полученные в работе оке-спектры совпадают по форме и энергетическому положению с аналогичными атласными данными.
Конкретное личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Задачи диссертации были поставлен;: нмучным руководителем профессором Шебзуховым А.Л., который принимал участие в обсуждении результатов. Основные расчётные формулы получены совместно с научным руководителем. Все теоретические расчёты выполнены самостоятельно диссертантом. Приготовление образцов и эксперименты выполнены диссертантом, использовавшим консультации и помощь сотрудников лаборатории физики поверхности КБГУ.
Апробация работы. Основные результаты диссертации обсуждались на научных семинарах кафедры физических основ микроэлектроники и физического факультета КЕГУ, республиканской научно-практической конференции молодых учёных и специалистов (Нальчик,
-
г.), Всесоюзной конференции "Поверхность-89" (Черноголовка,
-
г.), 7-й Всесоюзной конференции по строению свойств металлических и шлаковых расплавов (Челябинск, 1990 г.), 6-й Всесоюзной конференции по поверхностным явлениягл в расплавах и технологиях новых материалов (Киев, 1991 г.).
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 6 научных работ.
Объём и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, трёх глав, общих выводов и списка литературы из 154 наименований. Диссертация изложена .да 169 страницах машинописного текста, содержит Ц0 рисунков и 0 таблиц.
