Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание меди и спецсталей олово-серебряной и свинец-висмутовой эвтектиками тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

Кашежев, Аслан Зарифович АВТОР
кандидат физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ
2009 ГОД ЗАЩИТЫ
   
01.04.07 КОД ВАК РФ
Автореферат по физике на тему «Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание меди и спецсталей олово-серебряной и свинец-висмутовой эвтектиками»
 
Автореферат диссертации на тему "Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание меди и спецсталей олово-серебряной и свинец-висмутовой эвтектиками"

На правах рукописи

Кашежев Аслан Зарифович

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ ЖИДКИХ РАЗБАВЛЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ ОЛОВА, ИНДИЯ И СМАЧИВАНИЕ МЕДИ И СПЕЦСТАЛЕЙ ОЛОВО-СЕРЕБРЯНОЙ И СВИНЕЦ-ВИСМУТОВОЙ ЭВТЕКТИКАМИ

01.04.07. - физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: д. ф.-м. н., профессор Созаев В.А.

НАЛЬЧИК 2009

003487822

Работа выполнена на кафедре физики наносистем Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физико-математических наук, профессор Созаев Виктор Адыгеевич

доктор физико-математических наук, профессор Дадашев Райком Хасимханович

доктор технических наук, профессор Дохов Мухамед Пашевич

Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, г. Москва

Защита состоится 28 декабря 2009 года в 13:00 на заседании диссертационного совета Д 212.076.02 в Кабардино-Балкарском государственном университете им. X. М. Бербекова по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, в зале заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке КБГУ по адресу: 360004, КБР, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

Автореферат разослан 26 ноября 2009 года

Ученый секретарь диссертационного совета f e^f A.A. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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, жидко-металлических 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 око-лоэвтекгических 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:

1. Впервые изучены политермы плотности и поверхностного натяжения расплавов олово - барий, олово - стронций, индий - титан в широком интервале температур. Политермы плотности хорошо описываются линейными уравнениями.

2. 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.

3. Установлены пороги смачивания (при температурах 675-685 К) 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.

4. Изучены политермы углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей, обнаружены пороги смачивания.

5. Изучены политермы углов смачивания графита оловом, индием и свинцом: в исследованном интервале температур угол смачивания б > 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:

1. Данные по температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения расплавов олово - серебро, олово - барий, олово - стронций, индий - титан (с малыми добавками второго компонента);

2. Наличие максимумов на температурных зависимостях поверхностного натяжения расплавов олово - серебро, олово - стронций, индий - титан;

3. Установленные пороги смачивания расплавами олово - серебро меди;

4. 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. JIoo, 10-15 сентября 2009), 6 Международной конференции «Высокотемпературная капиллярность» (High temperature capillarity - VI (НТС-2009), Афины, 6-9 мая 2009, Греция), Российской конференции по тегшофнзическим 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 (1С ССРСМ-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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы, формулируются цель и задачи диссертационной работы, описана научная и практическая ценность полученных результатов.

В первой главе приводится критический анализ литературных данных по теме диссертации. Показано, что в исследуемых системах олово - барий, олово -стронций, индий - титан данные по поверхностному натяжению отсутствуют.

Системе олово - серебро в литературе уделяется достаточно внимания, однако в области малых концентраций серебра в олове политермы поверхностного натяжения не исследовались; не изучались политермы смачивания

этими расплавами меди. Данные по смачиванию свинец-висмутовой эвтектикой реакторных сталей в литературе имеются, однако работ по смачиванию новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей нет.

Во второй главе описывается методика проведения экспериментов.

Сплавы систем Бп-Ва и Бп-Бг готовились в стеклянных ампулах в атмосфере гелия из исходных металлов чистотой: олово - 99,9995 мае. % (марка ОВЧ-ООО), барий - 99,9 мае. %, стронций - 99,5 мае. %, в Физико-техническом институте низких температур им. Б. И. Веркина (г. Харьков, Украина). Слитки твердых растворов и образцы из них до проведения опытов хранились в вакуумном масле ВМ-1. Сплавы систем 5п-А§ и 1п-Т1 готовились сплавлением исходных навесок в кварцевых ампулах в вакууме -0,01 Па из олова чистоты 99,9995 мае. %, индия марки ИН00 и серебра и титана чистоты 99,999 мае. %. В процессе плавки расплав интенсивно перемешивался, затем закристаллизовывался. Получившийся слиток использовался для приготовления навесок для исследования поверхностного натяжения. Измерения поверхностного натяжения в методе лежащей капли проводились при давлении 0,01 Па. В чашечку из графита капля сплава подавалась через кварцевую воронку с вытянутым капилляром. Перед измерением в камеру напускался гелий, затем вновь производилась откачка до давления 0,01 Па. Фотографирование жидкой капли производилось с помощью цифрового аппарата.

Сплав РЬ-ГП эвтектического состава готовился в Объединенном институте высоких температур РАН (г. Москва, Россия).

Измерения поверхностного натяжения проводились в высокотемпературной установке (с водоохлаждаемым корпусом) методом лежащей капли в атмосфере гелия с использованием графитовых чашечек (рис. 1).

Рис. 1. Схема экспериментальной установки: 1 - капля исследуемого вещества в графитовой чашечке; 2 - цифровой фотоаппарат; 3 - катетометр; 4 - компьютер; 5 - потенциометр с термопарой; 6 - корпус; 7 - вакуумметр; 8 - нагреватель; 9 - выводы к трансформатору; 10 - лампа

Цифровое изображение капли, получаемое в эксперименте, обрабатывается с помощью быстродействующего программного комплекса, позволяющего обрабатывать и проводить оптимизационную процедуру для определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости методами лежащей капли (на подложке), «большой» капли (в чашке), отрыва капли (висящей капли). В основе методики лежит идеология численного интегрирования уравнения Юнга-Лапласа. Программный комплекс, в котором последовательно реализуются три блока, разработан в виде приложения для операционных систем Windows с использованием среды программирования DELPHI.

Блок обработки изображений осуществляет считывание графических файлов, содержащих изображения меридионального сечения капли и выделение профиля капли. Граница капли определяется в два этапа: 1) цифровая обработка изображения с использованием высокочастотного фильтра; 2) определение контура капли методом пространственного дифференцирования. Результатом второго этапа является зависимость диаметра горизонтального сечения от высоты капли.

В вычислительном блоке рассчитываются теплофизические свойства жидкости с использованием линейных моделей. Возможно применение более сложных нелинейных моделей, но в этом случае время счета существенно увеличивается.

Блок вывода результатов формирует файл отчета обработки экспериментальных данных.

Для исследования процесса смачивания твердых поверхностей исследованными системами использовались подложки размером 15x15 мм, предварительно отполированные до 12 класса чистоты и промытые в спирте и дистиллированной воде.

Измерение краевого угла смачивания 0 проводилось методом лежащей капли с погрешностью менее 2 % в широком интервале температур при давлении -0,01 Па.

Перед фотографированием с помощью цифровой фотокамеры с разрешением 6.1 мегапикселей капля выдерживалась при заданной температуре 5 минут. Изображение капли далее обрабатывалось на персональном компьютере.

Третья глава посвящена результатам теоретических и экспериментальных исследований ПН металлических сплавов.

В начале главы в рамках метода функционала электронной плотности рассматриваются поверхностные свойства сплавов свинца со щелочными металлами. Показано, что как поверхностная энергия, так и работа выхода электрона сплавов с участием щелочных металлов понижаются с увеличением радиуса ячейки Вигнера - Зейтца.

Далее описываются результаты экспериментальных исследований плотности и поверхностного натяжения в системах олово — серебро, олово -барий, олово - стронций, индий - титан.

Система олово - серебро довольно подробно рассмотрена в литературе. Однако данных по плотности и поверхностному натяжению сплавов в области концентраций между эвтектической точкой и чистым оловом нет.

В связи с этим в диссертационной работе решалась задача изучения политерм плотности и поверхностного натяжения сплавов 5п-{0; 0,01; 0,03; 0,05; 0,10 и 3,8} ат.% Ag. На рис. 2, 3 представлены политермы плотности и поверхностного натяжения оловянно-серебряной эвтектики, на рис. 4, 5 -сводные данные по системе олово - серебро, а в табл. 1 - коэффициенты линейных аппроксимаций плотности и ПН изученных сплавов.

(5п-Ае)эв7.|

700 900

Рис. 2. Политерма плотности эвтектики системы олово-серебро

(8п-Ааэд7|

700 900

Рис. 3. Политерма ПН эвтектики системы олово-серебро

□ Бп 0,01 ат.% Лё

о вп 0,03 ат.% Ае

а Бп 0,05 ат.% Лй

А вп 0,10 «т.% А»

Рис. 4. Политермы плотности сплавов системы олово-серебро

Рис. 5. Политермы ПН сплавов системы олово-серебро

Таблица 1

Коэффициенты А, В и А*, В линейных аппроксимаций плотности р=А-ВТм ПН а = А' -В'-Т в системе олово-серебро

Расплав A, Kr/W В, кг/(м'-К) А', мН/м В', мН/(м К)

Sn-0,01 ат.% Ag 7301,50 0,616 577,4 0,083

Sri-0,03 ат. % Ag 7315,13 0,626 575,1 0,080

Sn - 0,05 ат. % Ag 7342,01 0,642 574,9 0,081

Sn - 0,10 ат. % Ag 7355,93 0,651 571,6 0,076

Sn - 3,80 ат. % Ag 7363,40 0,682 583,9 0,088

Данные по плотности и поверхностному натяжению сплавов Sn-{0,01; 0,03; 0,05; 0,10} ат. % Ag получены впервые.

На рис. 6, 7 приведены политермы плотности и поверхностного натяжения сплавов Sn-{0,061; 0,097; 0,116} ат.% Ва.

Плотность расплавов олова с малыми добавками бария мало отличается от плотности чистого олова (рис. 6). В то же время, малые добавки бария резво снижают поверхностное натяжение сплавов, что объясняется поверхностной активностью бария по отношению к олову (aSn= 580 мН/м, сгВа=224 мНУм). На политермах поверхностного натяжения наблюдаются изломы (рис. 7). Уравнения политерм в высокотемпературной области (справа от пунктирных линий на рис. 7), а также данные по плотности и поверхностному натяжению для чистого олова приведены в табл. 2.

<£. 6700

♦ Sn 0,061 ат.% Ва

А Sn 0,097 ат.% Ва

Т Sn 0,116 ат.% Ва

Sn - 0,061 ат.% Ва Sn -0,097 ат.% Ва Sa-0,116 ат.% Ва

.............

Рис. 6. Политермы плотности сплавов системы олово-барий

Рис. 7. Политермы ПН сплавов системы олово-барий

Таблица 2

Коэффициенты А, В и А ,В линейных аппроксимаций плотности р = А-В-Т а ПН а = А' - В*-Тв системе олово-барий

Расплав А, кг/м^ В, кг/(м'-К) АмН/м В', мН/(м К)

Sn 7308,68 0,641 572,7 0,084

Sn-0,061 ат. %Ва 7299,35 0,626 529,7 0,105

Sn-0,097 ат.%Ва 7297,38 0,620 452,4 0,070

Sn — 0,116 ат. % Ва 7279,38 0,614 454,1 0,080

Полученные данные по плотности чистого олова можно описать уравнением:

р = 7308,67 -0,6409 Т (кг/м3), (1)

которое удовлетворительно согласуется с литературными данными.

Значения поверхностного натяжения чистого олова удовлетворительно согласуются с аппроксимацией результатов работы [2]:

ст = 569,53 - 0,0548 Г(мН/м), (2)

а также с данными работы [3], в которой для политермы поверхностного натяжения чистого олова приводится выражение:

с = 580,00 - 0,0650 Г(мН/м). (3)

Поверхностное натяжение расплавов Бп-Ва снижается с увеличением температуры, при этом температурные коэффициенты поверхностного натяжения близки к (¡а/с1Т для чистого олова (рис. 7).

Данные по политермам поверхностного натяжения расплавов олово-барий в литературе, насколько нам известно, отсутствуют. Некоторый излом на зависимостях а(7), видимо, объясняется изменением концентрации бария в поверхностном слое расплава.

Политермы плотности и поверхностного натяжения расплавов олово-барий изучены впервые.

На рис. 8, 9 приведены политермы плотности и поверхностного натяжения сплавов 8п-{0,591; 1,928} ат. % Бг.

7100 6900

► Эм - 0,591 ат.% Ьг < БП - 1,928 лг '. Яг

700 900

Рис. 8. Политермы плотности сплавов системы олово-стронций

► Эп - 0,591 ат.% Бг < 8п - 1,928 ат.% Бг

700 900

Рис. 9. Политермы ПН сплавов системы олово-стронций

Значения плотности сплавов Бп-{0,591; 1,928} ат. % Бг уменьшаются с ростом температуры (рис. 8). На политермах поверхностного натяжения имеются изломы (рис. 9). Поверхностное натяжение в области справа от максимумов на рис. 9 удовлетворительно описывается линейными функциями, табл. 3.

Таблица 3

Коэффициенты А, В и А ,В линейных аппроксимаций плотности р = А - В Т и ПН а = А" - В'-Тп системе олово-стронций

Расплав А, кг/м3 В, кг/(м3'К) А', мН/м В', мН/(м-К)

8п-0,591 ат. % Бг 7277,22 0,582 565,0 0,075

Эп - 1,928 ат. % 8г 7319,52 0,635 502,9 0,074

Данные по плотности и поверхностному натяжению системы олово-стронций получены впервые. Отсутствие подобных данных в литературе объясняется трудностью проведения экспериментов: известна очень высокая скорость испарения стронция.

На рис. 10, 11 приведены политермы плотности и поверхностного натяжения чистого индия и сплавов 1п-{0,1; 0,3; 0,5} ат. % И.

800 Г, К

Рис. 10. Политермы плотности сплавов системы индий-титан

4 1п-0,1ат.%Т1

о 1в-0^«т.%Т1

о !п - 0,5 П

450«— 400

800 Г, К

Рис. 11. Политермы ПН сплавов системы индий-титан

.. На рис. 11 для сравнения приведены значения поверхностного натяжения чистого индия, которые могут быть описаны линейной зависимостью ст = 581,9 - 0,092-ТмН/м. Величина температурного коэффициента поверхностного натяжения находится между данными работы [6], где для чистого индия получено ст = 616,0-0,099 • Т (мН/'м), и данными работы [7], где приводится ст = 590,8 - 0,081 • Г(мН/м).

Политермы поверхностного натяжения расплавов 1п-Т1 имеют максимум: с ростом температуры до Т~ 700-750 К поверхностное натяжение уве-

личивается, а затем снижается (рис. 11). В табл. 4 приводятся коэффициенты линейных аппроксимаций политерм плотности и поверхностного натяжения (справа от максимумов) изученных сплавов системы индий-титан.

Таблица 4

Коэффициенты А, В и А*, В* линейных аппроксимаций плотности р = А - В-Т и ПН а = А -В -Т в системе индий-титан

Расплав А, кг/м3 В, кг/(м3-К) А', мН/м В", мН/(м-К)

1п 7239,84 0,537 581,9 0,092

1п-0,1 ат. %П 7204,71 0,601 559,8 0,066

1п - 0,3 ат. % Л 7195,45 0,589 558,4 0,061

1п - 0,5 ат. % Т1 7172,97 0,574 555,0 0,053

Появление максимума на политермах поверхностного натяжения в системах олово - серебро, олово - стронций, индий - титан можно объяснить на основе уравнения, полученного в работе [6] для температурного коэффициента поверхностного натяжения:

с/ст 1 ± с/сг- 1 * ш _ (йв, 1 Л . _ . ... аТ со аТ со 1=1 аТ Гю ¿=1

где а - поверхностное натяжение, Т — температура, х® - концентрация /'-го компонента в поверхностной области, со, - парциальные поверхности к __

(© = Е*>Д ~~ параметр, характеризующий работу выхода моля г-го ком-/=1

понента из объема раствора на поверхность, к - число компонентов системы.

Первое слагаемое в выражении (5) учитывает изменение работы выхода компонентов из глубины раствора в поверхностный слой, отнесенной к единице поверхности. Этот вклад отрицателен и практически не изменяется. Второе слагаемое в (5) учитывает изменение парциальных молярных площадей вследствие теплового расширения и сравнительно мало по абсолютной величине. Третье слагаемое описывает изменение адсорбции компонентов расплава с температурой. Для простых бинарных систем третий вклад положителен и возможно существование температуры Т0, при которой температурный коэффициент поверхностного натяжения обращается в нуль: <1а/(1Т= 0. При температурах Т < То для определенного интервала концентраций с1в/с1Т> 0, что и наблюдается в изученных системах олово-серебро, олово-стронций, индий-титан. Следует отметить, что для многих систем область положительных температурных коэффициентов поверхностного натяжения находится ниже уровня температуры ликвидуса и поэтому экспериментально не наблюдается. При Т> Т0 значения йо!йТ< 0 и зависимости с(7), как правило, линейны.

В четвертой главе приводятся результаты изучения углов смачивания расплавами олово - серебро меди, и свинцом, висмутом и свинец-висмутовой эвтектикой реакторных сталей, а также оловом, индием и свинцом графита.

Политермы углов смачивания меди расплавами Sn-Ag в интервале от точки плавления до 880 К показаны на рис. 12. Для сравнения также приводится зависимость 6(Т, К) для чистого олова.

*ш_ X у *

X Sn 0,01 ат.% Ag

♦ Sn 0,03 ат.% Ag

д Sn 0,05 ат.% Ag

о Sn 0,10 ат.% Ag

• Sn 3,8 ат.% Ag

700 Г, К

Рис. 12. Политермы углов смачивания меди расплавами системы олово-серебро

Из рис. 12 видно, что политерма углов смачивания меди чистым оловом может быть описана прямой 9 = А + В ■ Т с отрицательным угловым коэффициентом (параметры аппроксимации: А = 241 градусов, В = - 0,261 град/ К). Смачивание оловом меди наступает после 575 К. При добавлении серебра к олову температура начала смачивания возрастает. Это объясняется тем, что поверхностное натяжение серебра больше, чем у олова, и добавление серебра приводит к росту поверхностного натяжения сплава.

При температуре 678 К при смачивании меди расплавом эвтектического состава Sn-3,8 ат. % Ag наблюдается порог смачивания: угол смачивания 0 падает с 122 до 74 градусов.

Интересно отметить, что аналогичные пороги наблюдались и в других работах при смачивании меди индием. Следовательно, можно полагать, что наличие порогов связано с оксидами на медной подложке, которые при температурах Т= 675-685 К в вакууме начинают разрушаться.

При повышении температуры угол смачивания меди расплавом Sn-3.8 ат. % Ag снижается и при Т= 853 К наблюдается полное смачивание меди (рис. 12). При смачивании меди расплавами Sn-Ag околоэвтектических составов также наблюдаются пороги смачивания в интервале температур 7= 675-685 К. Однако с уменьшением концентрации серебра пороги смачивания проявляются в меньшей степени.

Результаты измерений угла смачивания реакторных сталей свинец-висмутовой эвтектикой показаны на рис. 13, из которого видно, что до температур порядка 750 К эвтектика свинец-висмут в жидкой фазе не смачивает реакторные стали. При температурах от 713 до 823 К наблюдается резкое падение углов смачивания 6. При температурах свыше 723 К расплавленная эвтектика системы РЬ-ЕН начинает смачивать стальные подложки. При температурах более 873 К углы смачивания 0 < 80°.

713 к; *Х>«ХХхХх

601—-300

(РЬ-В0МГ;

О ЭП-450

а ЭП-753тюр

д ЭК-173

О ЭП-753А

+ ЭК-181

X ЭК-164ВД

Рис. 13. Угол смачивания реакторных сталей жидкой эвтектикой свинец-висмут

Используемые подложки содержат примерно столько же хрома (сталь марки ЭК-181), что и сталь марки 12Х18Н9Т, смачивание которой хорошо изучено в литературе, или даже больше (стали марки ЭК-173, ЭП-450 и ЭП-753). Поэтому наблюдаемые снижения 0 при температурах 713-823 К можно объяснить разрушением оксидной пленки (РЬО) эвтектики системы РЬ-В1, а снижение 9 при Т> 823 К - началом растворения оксидной пленки подложки. Известно, что разрушение оксидных пленок в вакууме происходит интенсивнее. Если же измерения проводятся в атмосфере инертных газов, то разрушение оксидных пленок менее выражено.

На рис. 14 показана температурная зависимость угла смачивания стали марки ЭП-753тюр чистыми свинцом и висмутом и свинец - висмутовой эвтектикой, из которого видно, что характер смачивания чистыми металлами РЬ и В! и эвтектикой РЬ-В1 во многом подобен. Однако температура, при которой характер смачивания начинается меняться, неодинакова, что указывает на необходимость учета не только наличия пленок хрома на стали, но и состава расплава при объяснении зависимостей 0(7).

Рис. 14. Угол смачивания реакторной стали ЭП-753тюр жидкими свинцом, висмутом и свинец-висмутовой эвтектикой

Эвтектический состав РЬ-Ш имеет более низкое поверхностное натяжение и более низкую температуру плавления, что и приводит к более низким значениям 0 по сравнению с чистыми компонентами.

1. Получены политермы плотности и поверхностного натяжения жидких сплавов на основе олова с малыми добавками серебра, бария и стронция. В области низких температур на политермах поверхностного натяжения в системе олово - барий обнаружены слабые изломы, что, видимо, связано с изменением концентрации бария в поверхностном слое расплава. Установлено, что добавки бария приводят к резкому снижению поверхностного натяжения, что объясняется поверхностной активностью примеси по отношению к олову. На политермах поверхностного натяжения сплавов системы олово -стронций обнаружены максимумы.

2. Методом большой капли исследованы политермы плотности и поверхностного натяжения индия с малыми добавками гитана в широком интервале температур. Показано, что политермы плотности жидких сплавов системы индий - титан линейны, а поверхностного натяжения - нет: при температурах Т < 700-750 К поверхностное натяжение возрастает, что связано с адсорбцией титана; при Т> 700-750 К поверхностное натяжение понижается.

3. Изучены политермы смачивания меди чистым оловом и расплавами олово - серебро с малым содержанием серебра. Показано, что температура начала смачивания меди увеличивается с увеличением концентрации серебра в олове. При температурах 675-685 К наблюдаются пороги смачивания меди расплавами эвтектического и околоэвтектического составов, которые проявляются в меньшей степени с уменьшением концентрации примеси.

4. Изучены политермы угла смачивания новых реакторных сталей свинец-висмутовой эвтектикой: обнаружены пороги смачивания, обусловленные наличием оксидных пленок.

5. В рамках метода функционала электронной плотности оценена поверхностная энергия бинарных сплавов с участием щелочных металлов. Показано, что как поверхностная энергия, так и работа выхода электрона снижаются с увеличением радиуса ячейки Вигнера-Зейтца второго компонента.

Цитируемая литература

[1] Найдич, Ю. В. Смачиваемость фторидов магния, бария и кальция металлическими расплавами / Ю. В. Найдич, В. П. Красовский, Ю. Н. Чувашов // Адгезия расплавов и пайка материалов. -1990. - В. 24. - С. 33-40.

[2] Ибрагимов, X. И. Исследование поверхностного натяжения систем олово-висмут и олово-свинец / Х.И.Ибрагимов, Н.Л.Покровский, П.П.Пугачевич, В. К. Семенченко // Поверхностные явления в расплавах и возникающих из них твердых фазах. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 1965. - С. 269-276.

[3] Park, J. Y. Study on the soldering in partial melting state (1) Analysis of surface tension and wettability / Jae Yong Park, Jun Seok Ha, Choon Sik Kang, Kyu Sik Shin, Moon И Kim, Jae Pil Jung // Journal of electronic materials. - 2000. -V. 29, № 10.-P. 1145-1152.

[4] Lee, J. Temperature dependence of surface tension of liquid Sn-Ag, In-Ag and In-Cu alloys / Joonho Lee, Wataru Shimoda, Toshihiro Tanaka // Measurement Science and Technology. - 2005. - V. 16. - P. 438-442.

[5] Хоконов,Х. Б. Работа выхода электрона, поверхностное натяжение и плотность системы галлий-индий / X. Б. Хоконов, С. Н. Задумкин, Б. Б. Алчагаров // Доклады АН СССР. -1973. - Т. 210, № 4. - С. 899-902.

[6] Попель, С. И. Термодинамический расчет поверхностного натяжения растворов / С. И. Попель, В. В. Павлов // Поверхностные явления в расплавах и возни-кающих^из них твердых фазах. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 1965. - С. 46-60.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кашежев, А. 3. Поверхностные свойства сплавов щелочных металлов / А. 3. Кашежев, А. X. Мамбетов, В. А. Созаев, Д. В. Яганов // Поверхность.-2001.-№ 12.-С. 53-59.

2. Кашежев, А. 3. Поверхностные свойства бинарных сплавов щелочных металлов / А. 3. Кашежев, А. X. Мамбетов, В. А. Созаев, Р. А. Чернышева, Д. В. Яганов // Теплофизические свойства веществ: Труды международного семинара. 11-15 июня 2002. -Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2002. - С. 40-41.

3. Канчукоев, В. 3. Влияние внешнего электрического поля на РВЭ тонких пленок сплавов свинца со щелочными металлами / В. 3. Канчукоев, А. 3. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев // Химия твердого тела и совре-

менные микро- и нанотехнологии: Тезисы VI Международной научной конференции. 17-22 сентября 2006. - Кисловодск: СКГТУ. - 2006. - С. 145.

4. Канчукоев, В. 3. Работа выхода электрона тонкой алюминий-литиевой пленки во внешнем электрическом поле / В. 3. Канчукоев, А. 3. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев / Нанотехнологии и информационные технологии - технологии XXI века: Тезисы Международной научно-практической конференции. 24-26 мая 2006. - М.: МГОУ, 2006. - С. 215-216.

5. Канчукоев, В. 3. Работа выхода электрона тонких пленок сплавов алюминия и свинца со щелочными металлами во внешнем электрическом поле / В. 3. Канчукоев, А. 3. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике: Труды Харьковской нанотехнологической ассамблеи: 18-й Международный симпозиум - Харьков: ХФТИ, 2006. - С. 150-151.

6. Кашежев, А. 3. Смачивание свинцом и висмутом реакторных сталей /

A. 3. Кашежев, А. Г. Мозговой, М. X. Понежев, В. А. Созаев, А. И. Хасанов // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008.-С. 7-8.

7. Кашежев, А. 3. Концентрационная зависимость работы выхода электрона сплавов алюминий - литий / А. 3. Кашежев, К. П. Лошицкая,

B. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008. -С. 8-10.

8. Елекоева, К. М. Капиллярные свойства бессвинцовых припоев для электроники / К. М. Елекоева, Ю. Н. Касумов, А. 3. Кашежев, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008. - С. 37-43.

9. Граневский, С. Л. Метод функционала электронной плотности и поверхностные явления в наноструктурах металлических сплавов / С. Л. Граневский, Н. В. Далакова, А. 3. Кашежев, В. К. Кумыков, В. А. Созаев // Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике: Материалы 21-го Международного симпозиума. 26-30 мая 2008. - Харьков: ХФТИ, 2006. - С. 227-231.

10. Елекоева, К. М. Капиллярные свойства бессвинцовых припоев для электроники / К. М. Елекоева, Ю. Н. Касумов, А. 3. Кашежев, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Материалы III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (ICCCPCM 2008) (International Conference on Colloid Chemistry-2008), 24-28 июня 2008. - M.: МГУ, 2008. - С. 68.

" 11. Кашежев, А. 3. Смачивание свинцом, висмутом и расплавом свинец - висмут эвтектического состава реакторных сталей / А. 3. Кашежев, А. Г. Мозговой, М. X. Понежев, В. А. Созаев, М. Н. Арнольдов // Материалы XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКСТ-12), 7-10 октября 2008. - М.: ОИВТ РАН, 2008. - С. 74-75.

12. Dalakova, N. V. The surface tension and density polytherms of diluted liquid tin-barium alloys / N. V. Dalakova, A. Z. Kashezhev, M. Kh. Ponegev, V. A. Sozaev // Abstracts of the International Conference «High Temperature Capillarity» (HTC-2009), 6-9 may 2009. - Athens, Greece, 2009. - P. 142.

13. Далакова, Н. В. Поверхностное натяжение и плотность олова с малыми добавками бария / Н. В. Далакова, Л. Б. Директор, А. 3. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Упорядочение в минералах и сплавах: Труды 12 Международного симпозиума (ОМА-12). 10-16 сентября 2009. - п. Лоо, 2009. - Т. 1. - С. 227-229.

14. Кашежев, А. 3. Политермы углов смачивания меди расплавами олово-серебро / А. 3. Кашежев, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Упорядочение в минералах и сплавах: Труды 12 Международного симпозиума (ОМА-12). 10-16 сентября 2009. - п. Лоо, 2009. -Т .2. - С. 172-173.

15. Кашежев, А. 3. Политермы углов смачивания меди расплавами олово-серебро / А. 3. Кашежев, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 12. - Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2009. - С. 34-36.

16. Директор, Л. Б. Вычислительный комплекс для определения теплофи-зических свойств жидкостей / Л. Б. Директор, А. 3. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Технология щелочных жидко-металлических теплоносителей: Тезисы докладов Межведомственного семинара (Тегоюфизика-2009). 28-30 октября 2009. - Обнинск, 2009. - С .46-47.

17. Директор, Л. Б. Влияние малых добавок серебра и стронция на политермы поверхностного натяжения олова / Л. Б. Директор, К. М. Елекоева, А. 3. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. X. Понежев, В. А. Созаев // Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов: Труды I Международного, междисциплинарного симпозиума (ТОМРМ). 8-12 ноября 2009. - Пятигорск-Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2009. - С. 107-111.

18. Директор, Л. Б. Автоматизированный программный комплекс для обработки цифрового изображения в статических методах определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости / Л. Б. Директор, И. Л. Майков, А. 3_. Кашежев // Физические свойства металлов и сплавов: Труды V Российской научно-технической конференции (ФСМиС-У). 16-18 ноября 2009. -Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. - С. 49.

В печать 25.11.2009. Тираж 100 экз. Заказ №5903 Полиграфический участок ИПЦ КБГУ 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.

 
Содержание диссертации автор исследовательской работы: кандидат физико-математических наук , Кашежев, Аслан Зарифович
 
Введение диссертация по физике, на тему "Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание меди и спецсталей олово-серебряной и свинец-висмутовой эвтектиками"
 
Заключение диссертации по теме "Физика конденсированного состояния"
 
Список источников диссертации и автореферата по физике, кандидат физико-математических наук , Кашежев, Аслан Зарифович, Нальчик