Исследования методом молекулярной динамики свойств ионных расплавов, полученных при контактном плавлении

Гончаренко, Елена Александровна

Исследования методом молекулярной динамики свойств ионных расплавов, полученных при контактном плавлении тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.14 ВАК РФ

Гончаренко, Елена Александровна АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Нальчик МЕСТО ЗАЩИТЫ

1998 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.14 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Исследования методом молекулярной динамики свойств ионных расплавов, полученных при контактном плавлении»

Автореферат диссертации на тему "Исследования методом молекулярной динамики свойств ионных расплавов, полученных при контактном плавлении"

V** 4 4

На правах рукописи

ГОНЧАРЕНКО ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ СВОЙСТВ ИОННЫХ РАСПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ

01.04.14 - ТЕПЛОФИЗИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

НАЛЬЧИК - 1998

Работа выполнена на кафедре теоретической физики Кабардино-Балкарского государственного университета

Научные руководители:

Доктор физико-математических наук, профессор Зильберман П.Ф. Доктор физико-математических наук, профессор Темроков А.И.

Официальные оппоненты:

Доктор физико-математических наук, профессор Дедков Г.В. Кандидат физико-математических наук, доцент Темукуев И.М.

Ведущая организация: Высокогорный геофизический институт

Защита диссертации состоится 19 декабря 1998 г. в 10.00 ч на заседании диссертационного совета Д-063.88.01 при Кабардино-Балкарском государственном университете по адресу: 360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173, зал заседаний Ученого совета.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Кабардино-Балкарского государственного университета.

Автореферат разослан Ж ноября 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

к.ф.-м.н., доцент / Ахкубеков A.A.

¿ 6 чу

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Одной из актуальных проблем материаловедения является исследование и прогнозирование физико-химических свойств расплавов с целью создания новых материалов. Разработка современных технологий во многих случаях тесно связана с развитием представлений о структуре расплавов и фазовых превращениях первого рода. Определенный прогресс в описании закономерностей процесса плавления был достигнут с открытием и изучением явления контактного плавления. Исследование явления контактного плавления получило развитие в связи с его широким применением в промышленных технологиях (получение сплавов с заданными свойствами, пайка и резка материалов, изготовление керамических изделий, получение неразъёмных соединений). Контактное плавление применяют также в научных исследованиях, как метод физико-химического анализа и метод изучения расплавов с градиентом концентрации. Наиболее широко его используют для экспериментального изучения расплавов, находящихся при температурах ниже температуры плавления каждого из контактируемых кристаллов в отдельности, в частности для определения коэффициентов взаимной диффузии, концентрационного распределения, влияния внешних воздействий на структурно-динамические свойства расплавов, а также для изучения межфазных явлений и фазовых переходов. Для описания этих характеристик используются теоретические методы, в основе которых лежит феноменологический подход (решение диффузионных задач с использованием уравнения Фика). К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по свойствам расплавов, полученных при контактном плавлении металлических систем, проводятся исследования по ионным системам. Повышенный интерес к последним, вызван как запросами практики, так и развивающимися возможностями теоретического анализа в связи с развитием вычислительной техники.

Современное развитие численных методов и появление быстродействующих компьютеров, позволили в настоящее время подойти к объяснению явлений и изучению свойств на молекулярном (атомарном) уровне. С помощью компьютерных

экспериментов появилась возможность моделирования явления контактного плавления и влияния внешних воздействий на структурно-динамические и кинетические свойства ионного расплава, получаемого при контактном плавлении. В теоретическом аспекте знание атомного упорядочения позволяет глубже раскрыть особенности строения расплава, оценить потенциалы межчастичного взаимодействия, необходимые для расчета физико-химических свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении.

Цель работы

Целью настоящей работы является молекулярно-дина-мическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении ионных кристаллов.

Для достижения данной цели, в работе были поставлены и решены следующие задачи:

1. развитие метода молекулярной динамики для исследования свойств ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении;

2. молекулярно-динамическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении и анализ результатов в зависимости от анионного и катионного состава исследуемых систем;

3. проведение компьютерного эксперимента по влиянию внешнего электромагнитного поля на исследуемые системы.

Научная новизна

1. Разработано программное обеспечение, которое позволяет исследовать основные кинетические и структурные характеристики ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении с учетом воздействия электромагнитного поля.

2. Рассчитаны коэффициенты диффузии, парциальные радиальные функции распределения, автокорреляционные функции скоростей для расплавов, полученных при контактном плавлении, с различным анионным и катионным составом.

3. Установлены области частот внешнего электромагнитного поля для которых наблюдается резкое возрастание парциальных коэффициентов диффузии и изменение параметров парциальной радиальной функции распределения.

Практическая ценность

1. Полученные в компьютерном эксперименте результаты представляют значительный научный и практический интерес, а также могут быть использованы для дальнейшего развития теории фазовых переходов и теории процессов, происходящих на микроуровне.

2. Разработанное программное обеспечение, позволяющее визуализировать процессы, происходящие на молекулярном уровне в расплавах, может использоваться для постановки компьютерных экспериментов при чтении курса "Молекулярная физика".

3. Программный комплекс, реализующий молекулярно-динамическое моделирование, передан для дальнейшего внедрения на АОО «НЗПП».

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения.

1. Молекулярно-динамический подход, позволяющий исследовать структурно-динамические характеристики ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении, а также учитывать воздействия внешнего электромагнитного поля с заданными характеристиками (напряженность, частота, направление).

2. Результаты численного моделирования ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении и установленная на их основе закономерность изменения структурно-динамических характеристик расплавов от их катионного и анионного состава.

3. Результаты численного моделирования влияния внешнего электромагнитного поля и установленные на их основе закономерности между структурно-динамическими характеристиками расплава и параметрами электромагнитного поля (напряженность, частота, направление).

Апробация полученных результатов

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-практических конференциях и семинарах.

1. IX Международная конференция "Уравнения состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1994.

2. Euchem Confrence on Molten Salts, Bad Herrenalb, Germany, August 21-26, 1994.

3. Научные семинары "Расплавленные соли" департамента физики и химии Королевского университета г.Белфаста, Великобритания, 1995.

4. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, Plymouth State College, Plymouth, NH, USA, August 6-11, 1995.

5. XI Международная конференция "Уравнения состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1996.

6. Euchem Confrence on Molten Salts, Smolenice Castle, Slovakia, September 15-20, 1996.

7. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, New England College, Henniker, NH, USA, August 3-8, 1997.

8. 5-th Iternational Symposium on Molten Salt Chemistry and Technology, Dresden, Federal Republic of Germany, August 24-29, 1997.

9. XI конференция по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов, Екатеринбург, 27-29 января 1998 г.

10.Euchem Confrence on Molten Salts From Structural Aspects, Porquerolles, France, 27 June-3 July, 1998.

11.Семинары на кафедре естественных дисциплин Нальчикского колледжа дизайна.

Личный склад автора

Базируясь на программном обеспечении и опыте постановки численных экспериментов, развитых в работах Зильбермана П.Ф. и Знаменского B.C., диссертантом была развита и совершенствована методика и программное обеспечение по исследованию структурно-кинетических свойств расплавов, получаемых в зоне контакта при условиях контактного плавления. Модернизировано программное обеспечение для исследования .взаимных систем, состоящих из ионов четырех различных типов, усложнена структура программы и последовательность численного эксперимента для ,исследования различных начальных состояний. В программу введены блоки для расчета основных структурно-кинетических характеристик расплава с учетом влияния внешнего (постоянного, переменного) поля. Все описанные компьютерные эксперименты, интерпретация полученных результатов и формулировка основных выводов проводились лично автором. Руководители работы участвовали в планировании экспериментов и обсуждении полученных результатов.

Структура н объём диссертации

Диссертация содержит 131 страницу текста и состоит из введения, трех глав основного текста, каждая из которых заканчивается выводами, 20 таблиц, И рисунков, выводов из диссертационной работы и заключения. Список литературы включает 184 наименования.

Основное содержание работы

Введение включает обоснование актуальности темы, формулировку целей и задач работы, изложена научная новизна и практическая значимость работы, обозначены положения, выносимые на защиту.

Изложение результатов диссертационной работы представлено в трех главах, каждая из которых заканчивается выводами.

В первой главе даны основные понятия, характеристики, определения и закономерности контактного плавления, его механизм и стадии протекания. Описаны особенности контактного плавления, протекающего в ионных кристаллах; показано, что при изучении расплавов, полученных при контактном плавлении ионных кристаллов необходим учет заряда диффундирующих ионов. Представлен обзор экспериментальных, теоретических и компьютерных методов исследования. Дано подробное описание методики компьютерного моделирования, в частности методов молекулярной динамики и Монте Карло.

Использование метода молекулярной динамики дает возможность анализировать траектории движения каждой моделируемой частицы в отдельности. Отличительной особенностью данной постановки является то, что контактируемые системы содержат частицы различного сорта. В данном методе рассматривается система, состоящая из N частиц, которая была помещена в куб с длиной ребра 1. Размер длины ребра выбирается с учетом ионных радиусов и количества моделируемых частиц. В расчетном кубе движение частиц описывается классическим уравнением механики Ньютона

т1а1 - ^ , I -где гп[ - масса 1 - ой частицы; а; - ускорение 1 - ой частицы; Е; -совокупная сила, действующая на 1 -ую частицу со стороны всех остальных N частиц.

Частицы взаимодействуют аддитивно посредством парного потенциала взаимодействия и(г), выбору которого придается особая значимость:

= Ел,

и*]

где ^ - сила парного взаимодействия, действующая на \ - ую частицу со стороны] - ой частицы. Принимая допущение, что сила парного взаимодействия зависит только от типа частиц, расстояния между ними и направлена по прямой, соединяющей пару частиц можно записать:

л = О'

где^

, Г(г) - сила притяжения частиц.

Связь силы ^г) и аддитивного потенциала и(г) определяется следующим соотношением

/(г) = -еШ(г)/¿г

На систему накладываются периодические граничные условия, а также выполняется условие термостабилизации Скорости частиц задаются с использованием генератора случайных чисел.

После задания начальных координат и скоростей частиц, последующее их движение реализуется численным интегрированием классических уравнений Ньютона.

с1г тг с!У ^

—--V г = 1 2 N м- —~ = ^ г = 1 2 N ш сИ

где V,- скорость г - ой частицы; У, - радиус-вектор I - ой частицы; ^ - суммарная сила, действующая на г - ую частицу; УП, - масса

г - ой частицы; N - количество частиц.

Для решения дифференциальных уравнений была использована центрально-разностная схема с перешагиванием.

Моделирование проводилось с использованием аддитивных парных потенциалов в приближениях Борна-Хаггинза-Мейера и Полинга. Потенциал Борна-Хаггинза-Мейера имеет следующий вид:

с„ д.

где

В..

РЦЬ ехр [аи (у, + 6 = 3.38х10"20 Дж. постоянная

и г У

величина для всех кристаллов и типов взаимодействий, и 5

радиусы ионов г - го и _/ - го типов, - так называемый фактор Полинга, который определяется следующим соотношением:

1 +

где и л количество электронов на внешней орбите (обычно 8, но для 1л+ - 2); 2, \ 2 . = +1; параметр СХу постоянный табличный, а Су и Ду коэффициенты Ван-Дер-Ваальса.

По Полингу сила взаимодействия между парой ионов 2 и у находящихся на расстоянии равна:

Г"

ЧЯ

11 ]

4 Я£0гу

I /5+5

г + Б^ад I-

I ГУ

I, ] = ±

где Ц, 51 заряд и радиус ионов I -го и _/ -го типов, р- параметр, определяющий «жесткость» отталкивающей части потенциала.

В ходе компьютерного эксперимента были рассчитаны следующие характеристики.

Значение среднеквадратичного смещения для анионов и катионов определяется по следующему соотношению:

еЛО^ЕМ'о + О-д.Ы)2

м к ,6 рк

<2к{г) - среднеквадратичное смещение ионов типа -

количество ионов типа к; К, - радиус-вектор I - го иона; Рк -множество номеров ионов типа к ; ¿0 - время "начала контакта";^

- условный момент времени, начиная с которого можно считать, что зависимости <2^(0 имеют линейный характер вплоть до t1.

Стандартным способом последовательного описания движения частиц в системе является исследование поведения автокорреляционной функции скоростей

где V, (О) - скорость / - ой частицы в момент времени / = 0. Угловые скобки означают усреднение по ансамблю начальных состояний. Автокорреляционная функция скоростей характеризует быстроту изменения скоростей частиц в результате их

взаимодействий. Функция Z{t) равна единице в нулевой момент времени I — 0, а затем с течением времени убывает по мере быстроты изменения скоростей частиц в результате взаимодействия. Необходимо отметить, что в проводимых

компьютерных экспериментах Z(i) спадает до нуля и далее становится отрицательной.

Коэффициенты диффузии рассчитывались по следующему соотношению

г,

t - условный момент времени, начиная с которого можно считать, что зависимости <2* (О имеют линейный характер; Ск постоянная линейной экстраполяции; 0,к{}) - среднеквадратичное смещение ионов типа к .

Коэффициент диффузии

И может быть1 выражен

соотношением, приведенным в виде:

со

£>= ¡{V,(<*>,«))*

Парциальной радиальной функцией распределения

называется функция, описывающая вероятность нахождения одного иона в какой - либо точке объема в зависимости от местонахождения другого иона. Расчет проводился по следующему соотношению

NJ 4тгг;

г - расстояние между г - ой и ] - ой частицами; V - объём расчетного куба; N/ - количество частиц типа у ; п {г) -количество частиц ] -го типа на расстоянии г от частицы г -готипа.

Парциальная радиальная функции распределения §и(г)

характеризует вероятность расположения частицы I на расстоянии г от частицы у.

Во второй главе изложены методика проведения численного моделирования методом молекулярной динамики и результаты компьютерного исследования свойств расплавов, полученных при контактном плавлении. Системы были выбраны нами таким образом, чтобы выявить зависимость кинетических и структурных характеристик расплавов от их ионного состава:

а) моделировались системы с одинаковым типом анионов -А+В~ -С+В\ такие как - КВг-КаВг, №1-К1, КаВг-ИЬВг, КВг-ЛЬВг, ^'аР-КР;

б) моделировались системы с одинаковым типом катионов - А+В" -А+С, такие как - : НаГ-ИаВг, Кта1-КаР, №1-ЫаС1, КаШаБ, КЫСВг, К1-КР, ЫаРЫаВг;

в) моделировались системы содержащие в качестве одного из компонентов иодид натрия, а в качестве другого - галогенид натрия или калия, такие как ИаРКР, Ка1-КС1, ИаГ-КВг, №1-КС1.

Для решения задач, связанных с моделированием ионных расплавов пакет программ, реализующий метод молекулярной динамики, и последовательность численного эксперимента были модернизированы с учетом следующих задач:

1) моделирование взаимных систем, состоящих из ионов четырех различных типов;

2) проведение исследований с учетом различных начальных состояний системы;

3) изменение конфигурации расположения ионов в расчетной ячейке;

4) введение в программу расчетного блока, учитывающего влияние электромагнитного поля;

5) проведение контроля за динамикой развития системы и управление прохождением численного эксперимента.

В расчетную ячейку, с длиной ребра I, помещали 108 частиц одного сорта (например для системы KBr-NaBr, 56 частиц К.+ и 56 частиц Вг") и 108 частиц другого сорта (56 частиц Na" и 56 частиц Вг"), так что 6 ближайших соседей по кубической решетке для каждой частицы имели с ней противоположный знак заряда.

Компьютерное моделирование, как правило, проводилось для диапазона температур 400К - 1200К с шагом 50К. В процессе моделирования на каждом температурном шаге определялись автокорреляционные функции скоростей, парциальные радиальные функции распределения и значения коэффициентов диффузии.

Для анализа работоспособности и точности методики численного эксперимента было проведено тестирование программного комплекса, которое осуществлялось следующим образом. Расчетный куб заполнялся, например, только ионами К+ Вг' или "Na+ Вг. В результате тестирования определялась погрешностей метода, которые составили для радиальной функции распределения по положению первого максимума - 8%; положению второго максимума 15%; для значений коэффициентов диффузии - 15%; для значений автокорреляционной функции скоростей - 9%.

В результате моделирования, в изучаемых системах, были определены Ткп - температуры контактного плавления, которые в большинстве своем совпадали, в пределах численного эксперимента, с литературными данными. Температура контактного плавления определялась по резкому возрастанию коэффициента диффузии ионов, что соответствует фазовому переходу твердое-жидкое, т.е. контактному плавлению. Начиная с данной температуры, регистрировались все основные вышеописанные характеристики расплавов. Получено, что для всех вышеуказанных систем наблюдается экспоненциальная зависимость коэффициентов диффузии от температуры

Z) = D0 ехр(- Е / кт),

где D0 - предэкспоненциальный множитель, а Е - энергия активации диффузии.

Для системы №1-№Вг изменение Ц, при температуре контактного плавления составило: Г)ма - от ¡.бхЮ"6 см2/с до 2,1х10"3 см2/с, а для - от 7,36x10*^ см2/сдо 1,146x10"3 см2/с.

В таблице 1 представлены значения коэффициентов диффузии для систем с общим анионом типа галогенид натрия -гапогенид калия.

Таблица 1

Значения коэффициентов диффузии для систем Ыа+А~-К+А", где А=Б\СГ,Вг\Г

Системы, температура эксперимента ИаБ-КБ Т=1000К КаС1-КС1 Т=1000К ИаВг-КВг Т=880К Ш-К1 Т=850К

Типы ионов 0x10"5, см2/с БхЮ', см2/с БхЮ'5, см2/с БхЮ'5, см2/с

Ыа+ 1,71 1,837 1,974 2,32

1,2 1,38 1,856 3,27

А (Ыа) 1,79 1,68 1,53 0,96

А(ю 1,52 1,36 1,34 0,84

Как видно из представленной таблицы для систем с общим анионом, коэффициенты диффузии катионов увеличиваются с увеличением эффективных ионных радиусов анионов, а коэффициенты диффузии анионов соответственно уменьшаются.

Для автокорреляционной функции скоростей характерна осциллирующая часть. Сравнивая полученные результаты моделирования для различных парных потенциалов, можно отметить, что для потенциала Борна-Хаггинза-Мейера, время изменения знака корреляции значительно быстрее увеличивается с ростом температуры, чем для систем с потенциалом в приближении Полинга. Отметим, что для системы ИаЬК! осциллирующая часть особенно характерна для

положительно заряженных ионов и более сглажена для отрицательных. При этом, время изменения знака корреляции для данной системы имеет порядок 10"'4, что значительно меньше времени сохранения первой оболочки соседей. Точка первого нулевого значения, определяющая четверть периода колебания частицы, для иодид-иона находится в пределах 2x10'13, что значительно превосходит системы, где в роли аниона выступают ион Вг" и ион СГ. Этот факт можно объяснить большей массой и радиусом ионов I" над другими исследуемыми ионами. С увеличением значений температуры от температуры контактного плавления функция Ъ{1) становится более пологой, время обращения в ноль (Чо) возрастает, а значение первого минимума 2тш=2(1го,п) от отрицательных значений устремляется к нулю.

Полученная парциальная радиальная функция распределения имеет типичный для ионных расплавов вид. Так, для системы "№Вг-ЛЬВг, получено, что взаимодействие пар ионов первой координационной сферы Иа+- Вг" имеет более приоритетный характер, чем для пары Ш)+ - Вг" - высота максимума парциальной радиальной функции распределения для пары Вг ^(г) =7,4) в 1,4 раза выше, чем для пары Шз+ - Вг" (¿(г) =5,2). Положение первого максимума, характеризующее расстояние между ближайшими соседями, с ростом температуры убывает. Рост температуры сопровождается незначительным уширением максимума, как первой, так и второй координационной сферы. Максимумы, отвечающие второй координационной сфере, значительно шире, что снижает точность их определения. Структура образуемого расплава характеризуется следующими параметрами: минимальное межионное расстояние наблюдается для пары ионов 1\1а+- Вг" и оно равно 2,5x10"10м (для сравнения в кристалле №Вг - 2,98x10"'°м.) вокруг катионов ЯЬ+ группируются анионы Вг" на расстоянии 3,0х10"'°м. Ионы второй координационной сферы находятся на расстоянии ВгПЗг - 4,8x10"%., №+-11Ь+-5,2х1О-10м.

Аналогичные результаты получены и для других систем. Анализ этих результатов показал, что значение парциальной радиальной функции распределения пары взаимодействующих ионов в точке первого максимума g(г), больше у пар с меньшим радиусом катиона (Табл. 2). Межионные расстояния в расплаве больше для систем с большим радиусом аниона.

Таблица 2

Значения парциальной радиальной функции распределения для систем На+А~-К+А-, где А=СГ,Вг",Р

Системы КаР-КР №С1-КС1 ЫаВг-КВг Кта1-К1

Взаимодействующие е(г) ё(г)

пары ионов

8,1 8,0 6,3 5,8

Ю-А- 5,4 5,2 4,8 4,0

Для систем с общим катионом выявлен ряд общих закономерностей, проявляющихся при расчетах коэффициентов диффузии, парциальных радиальных функций распределения и автокорреляционных функций скоростей. Показано, что для этих систем также наблюдается экспоненциальная зависимость коэффициентов диффузии от температуры (рис.1). Сравнивая полученные при моделировании значения коэффициентов диффузии можно заключить, что коэффициенты диффузии катионов увеличиваются с увеличением эффективного ионного радиуса парного с ним аниона. Значения коэффициентов диффузии анионов больше для ионов ■ с меньшим радиусом. Так, для системы Ыа1-^таВг при Т=900К Оы.1=1,85хЮ'5 см2/с, В,=0,74х10"5 см2/с, ВВг=1,08х1СГ5 см2/с.

Анализ значений автокорреляционных функций скоростей показал, что время достижения первого минимума автокорреляционных функций скоростей составляет 10'1" с. С увеличением температуры, наблюдается уменьшение частоты изменения скоростей частиц для всех типов ионов. Функция имеет затухающий косинусоидальный характер.

т, к

Рис. 1 .Парциальные коэффициенты диффузии ионов Ь'а" как функция температуры для систем №1-№Вг, Ыа1^аС1, 1^1а1-КтаР.

Парциальная радиальная функция распределения имеет типичный для ионных расплавов вид. Увеличение температуры сопровождается уменьшением величины первого максимума. Анализ значений парциальной радиальной функции распределения взаимодействующих пар ионов показал, что §(г) меньше для пар, содержащих анион с большим эффективным ионным радиусом (табл.3).

Таблица 3

Основные характеристики парциальной радиальной функции распределения, полученные для систем, на основе иодида натрия

Система Взаимодействующие пары ионов Е(Гтах) Г|пах> Ю'10 м го 10ио м

ИаММаБ Ьта+-Г 15 2.4 1.9

Ш-ЫС1 Ыа+-СГ 12.2 2.5 2.1

Ыа1-№Вг №+-Вг" 6.9 3.0 2.4

К+-Г 10.3 2.8 2.3

Ыа1-КС1 К+-С1 8.5 3.1 2.5

Ыа1-КВг К+-Вг" 5.7 3.6 2.8

К+-Г 4.3 3.8 3.1

Рис. 2 Парциальная радиальная функция распределения для пары ионов №+-Г для систем ЫаЬКЛ, На1-КР, №1-КС1, №1-КВг, при температуре, равной температуре контактного плавления каждой рассматриваемой

системы.

В третьей главе приводятся результаты численного моделирования воздействия внешнего электромагнитного поля на характеристики ионной системы в зоне контакта. Моделировалось влияние, как внешнего постоянного электрического поля, так и электромагнитного поля высокой частоты. При моделировании влияния электромагнитного поля учитывалось только влияние его электрической составляющей, при этом поле было поляризовано так, что вектор электрического поля направлен по нормали к плоскости раздела двух веществ, иначе говоря, к плоскости контакта. В расчетную разностную схему, при этом, добавлялась составляющая силы за счет электромагнитного поля.

Названный эксперимент был реализован для систем ИаС1-№1, №С1-ЯЬС1, КС1-К1, КС 1-ИаВг.

Для системы КС1-К1, получено, что для ионов К+ наблюдается увеличение коэффициентов диффузии с увеличением напряженности поля независимо от его направленности. Для анионов эта зависимость различна. Так, для анионов Г наблюдается увеличение коэффициентов диффузии, в то время, как для анионов СГ наблюдается обратная зависимость - уменьшение коэффициентов диффузии с увеличением напряженности поля. При изменении

направления действия поля наблюдается противоположная картина только для анионов системы. Так, для анионов СГ получено увеличение парциальных коэффициентов диффузии, а для I' -убывание с ростом напряженности внешнего поля.

Отметим, что для всех систем при напряженности 10' В/м наблюдается резкое увеличение парциальных коэффициентов диффузии, независимо от его направления действия. Такой результат, на наш взгляд, можно объяснить электрическим пробоем системы. Для объяснения полученных результатов необходимо учесть, что при контактном плавлении в образуемых расплавах будут действовать кулоновские силы притяжения и отталкивания. Используя этот подход, например, для системы Ма1-К1, на катионы К и Ьта будет наряду с градиентом концентрации действовать добавочная сила, обусловленная ^гайср за счет внешнего поля. При этом, для катиона Ка" эта добавка будет увеличивать эффективную скорость смещения, а для 1С, наоборот, уменьшать. В случае изменения направления действия поля, эта картина изменится на противоположную. Таким образом, полученные при моделировании результаты указали на различный характер изменения парциальных коэффициентов диффузии от напряженности и направления внешнего поля. Такой результат становится понятным, если учесть, что в расплавленной диффузионной зоне наблюдается взаимная диффузия ионов. На каждый диффундирующий ион будут действовать силы, обусловленные градиентом концентрации и градиентом потенциала, обусловленного как за счет заряда движущегося иона, так и градиента потенциала за счет внешнего поля. При этом необходимо та осе учитывать заряд и массу диффундирующих ионов.

Анализ компьютерных данных по парциальной радиальной парной функции распределения показал, что при наложении внешнего электрического поля, ; увеличение напряженности сопровождается уменьшением ее первых ненулевых значений.

Наложение внешнего синусоидального электрического поля моделировалось для системы NaCJ-R.bG Данные эксперименты проводились при следующих условиях температура опыта выбиралась на 10К выше температуры контактного плавления, напряженность внешнего поля 104 В/м, частота варьировалась в диапазоне ЮМО1" Тц.

Проведенный расчет частотной зависимости коэффициентов диффузии ионов для исследуемой системы NaCI-R.bC] показал, что с увеличением частоты внешнего поля наблюдается слабое возрастание величин парциальных коэффициентов диффузии ионов. Отметим, что на фоне плавного возрастания коэффициентов диффузии существуют области частот,для которых наблюдается аномально резкое возрастание парциальных коэффициентов диффузии. Так, например, для ионов Ка+ - 1x10 13с, для ионов - 7х1СГ14 с; 8x10 '"с; 1х10"'3с. Полученные значения частот, при которых наблюдаются максимумы, заметно отличаются от частот собственных колебаний ионов в кристалле, что связано с тем, что ион переходит из закрепленного состояния, как для кристаллической решетки, в незакрепленное состояние, характерное для расплавов. Естественно, что и частоты собственных колебаний ионов при этом соответственно снижаются и находятся как получено в пределах 10"12-10"13Гц.

Для сравнения можно привести частоты инфракрасного поглощения кристалла \таС1- 366 см"1 и ИЬС1 - 228 см"1.

Основные результаты и выводы

1, Развит метод молекулярной динамики для исследования свойств ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении и позволяющий учитывать влияние внешнего электромагнитного поля.

2. Получены структурно-динамических свойства расплавов для систем с общим анионом и общим катионом. Для систем с обшим анионом, коэффициенты диффузии катионов увеличиваются с увеличением эффективных ионных радиусов анионов, а коэффициенты диффузии анионов соответственно уменьшаются. Значение парциальной радиальной функции распределения пары взаимодействующих ионов в точке первого максимума больше у пар с меньшим радиусом катиона. Межионные расстояния в расплаве больше для систем с большим радиусом анионов. Для систем с общим катионом, коэффициенты диффузии катионов увеличиваются с увеличением эффективного ионного радиуса парного с ним аниона, а значение парциальной радиальной функции распределения взаимодействующих пар ионов меньше для пар, содержащих анион с большим эффективным ионным радиусом.

3 На основании численного моделирования получено, что постоянное электрическое поле оказывает существенное влияние на парциальные коэффициенты диффузии и на характер

взаимодействия ионов в расплаве, причем это влияние определяется напряженностью поля, его направлением действия и типом системы.

4. Для внешнего синусоидального электромагнитного поля проявляются области частот, при которых наблюдается аномально резкое изменение парциальных коэффициентов диффузии и высот максимумов парциальной радиальной функции распределения, обусловленное резонансным поглощением энергии внешнего поля.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах

1. Гончаренко Е.А., Зильберман П.Ф., Знаменский B.C. Молекулярно-динамическое изучение структуры и свойств ионного расплава, полученного при контактном плавлении. VIII Всероссийская конференция. Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. Екатеринбург 1994, т.1, с.16-18.

2. Знаменский B.C., Гончаренко Е.А., Савинцев П.А., Анализ влияния внешнего электрического поля на характеристики ионного расплава, полученного контактным плавлением. VIII Всероссийская конференция. Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов. Екатеринбург 1994, т. I, с. 53-54.

3. Гончаренко Е.А., Зильберман П.Ф., Знаменский B.C. Численное моделирование концентрационного распределения ионов в расплавах, полученных при контактном плавлении" ионных кристаллов. Тезисы докладов П-го Российского семинара "Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов", Курган, 1994, с. 68-71.

4. Гончаренко Е.А., Знаменский B.C., Зильберман П.Ф. Молекулярно-динамическое моделирование расплавов, полученных при контактном плавлении ионных кристаллов. Тезисы докладов 11-го Российского семинара "Компьютерное моделирование физико-химических свойств стекол и расплавов". Курган, 1994, с. 65-67.

5. V.S.Znamensky, P.F.Zilberman, P.A.Savintsev, E.A.Gontcliarenko. Molecular Dynamics Simulation of the Ionic Crystals Contact Melting. Proceedings of the 6-th Joint EPS-APS International Conference on Physics Computing. Lugano, Switzerland, 22-26 August 1994, pp. 645-647.

6. E.A.Gontcharenko, V.S.Znamensky, P.F.Ziiberman, P.A.Savintsev. Molecular-Dynamic Model of Contact Melting of Ion Crystals in External Electromagnetic Fields. European Research Conferences. Euchem Conference on Molten Salts. Bad Herrenalb, Germany, August 1994, B-35.

7. P.F.Ziiberman, E.A.Gontcharenko, V.S.Znamensky, P.A.Savintsev. Contact Melting of Ion Crystals and Accompanied its Effects. European Research Conferences. Euchem Conference on Molten Salts. Bad Herrenalb, Germany, August 1994, B-37.

8. P.F.Ziiberman, V.S.Fridman, E.A.Gontcharenko, V.S.Znamensky. Research Structure-Dynamics of Properties of Molten Salts Received by Contact Melting. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals. Abstracts of Poster Presentation. Plymouth, NH, August 6-11, 1995, p.17.

9. V.S.Znamensky, P.F.Ziiberman, T.V.Gelfand, E.A.Gontcharenko. Computing Techniques in Physics of Contact Melting Phenomenon. 10th Summer School CPG EPS. Abstracts, September 1995.

10. Гончаренко E.A., Знаменский B.C., Зильберман П.Ф. Молекулярно-динамическое моделирование влияния внешних электромагнитных полей на контактное плавление ионных кристаллов. Физика и химия обработки материалов, 1995, № 3,94-99 с.

11. Знаменский B.C., Зильберман П.Ф., Гончаренко Е.А.,Савинцев ПА.

- Исследование методом молекулярной динамики контактного плавления и структурно-динамических свойств системы NaCl-RbCl.

- Журнал физической химии, 1995, т.69, Х° 5, с. 845-848.

¡2. Знаменский В.С.,Зильберман П.Ф.,Савинцев А.П.,Гончаренко Е.А. Развитие исследований контактного плавления ионных кристаллов методом МД. - Нальчик, 1996. - 9с. - Рукопись представлена Каб.-Балк. ун-том. деп. в ВИНИТИ 10.01.96, N 79-В96.

13. Гончаренко Е.А., ЗильберманП.Ф.,Знаменский В.С.,Темроков А.И. Влияние электрических полей на характеристики контактного плавления систем типа AB-CD. - Тезисы докладов XI международной конференции "Уравнения состояния вещества". Нальчик, 1996, с. 45,

14. P.F.Ziiberman, V.S.Znamensky, E.A.Gontcharenko, I.N.Pavlenko. The Effects of External Electromagnetic Field on Structural and Diffusion Characteristics of the Molten Salts Systems. European Research Conferences. Euchem Conference on Molten Salts. Smolenice Castle, Slovakia, September 1996, A-45.

15. E.A.Gontcharenko, P.F.Zilberman, V.S.Znamensky, A.i.Temrokov. Simulation of Contact Melting between ionic Crystals in External Electromagnetic Fields. European Research Conferences. Euchem Conference on Molten Salts. Smolenice Castle, Slovakia, September

1996, A-57.

16. Знаменский B.C., Зильберман П.Ф., Савинцев П.А., Гончаренко £.A. Молекулярно-динамические исследования контактного плавления в системе КС1-КХ Изв.АН России. Неорганические материалы. 1996, т.32, № 5, с. 601-606.

17. E.A.Gontcharenko, P.F.Zilberman, V.S.Znamensky, A.i.Temrokov. Molecular Dynamics Study of Contact Melting in the NaF-KF System. 5-th International Symposium on Molten Salt Chemistry and Technology. Book of Abstracts. Dresden, Germany, 24-29 August

1997, 07.

18. Зильберман П.Ф., Гончаренко E.A., Знаменский В,С.,Павленко И.Н. Исследование взаимодействия в щелочно-галлоидных системах типа А*В~С+В" - методом молекулярной динамики. Вестник Кабардино-Балкарского государственного универсшета. Серия физические науки. Выпуск 2, с.46-50

19. Gontcharenko Е.А, Zilberman P.F., Znamenski V.S.,Temrokov A.i. Computer Simulation of Melts for Systems Containing Nal. Международная практическая конференция ELBRUS-97. Новые информационные технологии и их региональное развитие. Нальчик 1998, с.109

20. Знаменский B.C., Зильберман П.Ф., Гончаренко Е.А. Новые задачи метода молекулярной динамики. Международная практическая конференция ELBRUS-97. Новые информационные технологии и их региональное развитие. Нальчик 1998, с 126

21. Зильберман П.Ф., Знаменский B.C., Павленко И.Н. Гончаренко Е.А. Сравнительные возможности метода молекулярной динамики и метода Монте-Карло при моделировании ионных расплавов. Международная практическая конференция ELBRUS-97. Новые информационные технологии и их региональное развитие. Нальчик 1998, с. 125

22. E.A.Gontcharenko, P.F.Zilberman, V.S.Znamensky, and A.i.Temrokov. Molecular Dynamics Study of Contact Melting on the NaF/KF System. Molten Salt Chemistry and Technology 5. Ed. H.Wendt. Proceedings of the 5-th international Symposium on Molten Salt Chemistry and Technology. Molten Salts Forum Vols 5-6. 1998, p.189.

23. Павленко И.Н .Черников А.Н.,Мирошниченко В.С.,Гончаренко Е.А. Использование метода молекулярной динамики для моделирования свойств расплавленных систем. - Тезисы докладов XI конференции по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов. Том I. Расплавленные электролиты. Екатеринбург, 1998, с. 23.

24. Зильберман П.Ф.,Знаменский В.С.,Гончаренко Е.А., Павленко И.Н.. Использование метода молекулярной динамики для моделирования структуры и свойств расплавов получаемых при контактном плавлении системы KCI-NaCl-KI. - Тезисы докладов XI конференции по физической химии и электрохимии расплавленных и твердых электролитов. Том I. Расплавленные электролиты. Екатеринбург, 1998, с. 24.

25. R.V.Abaturov, E.A.Gontcharenko, P.E.Zilberman, V.S.Znamenskiy. Investigation of Structural and Kinetic Properties by the Simulation of Molecular Dynamics. European Research Conferences. Molten Salts From Structural Aspects to Waste Processing . Porquerolles, France, July, 1998, A-42.

26. P.FZilberman, I.N.Pavlenko, V.S.Znamenskiy, E.A.Gontcharenko, Y.I.Skayev. The Change of Structured-Dynamic Characteristics of Molten Salts Binary Systems in the Contact Melting Process. European Research Conferences. Molten Salts From Structural Aspects to Waste Processing. Porquerolles, France, July, 1998, B-50.

27. Зильберман П.Ф.,Гоичаренко E.А.,Знаменский B.C., Темроков А.И., Павленко И.Н. Исследование методом молекулярной динамики свойств ионных систем с общим катионом при условиях контактного плавления. Расплавы. 1998, №4, с.62-78.

В печать 10 11 98 г Тираж 100 зкз Заказ №1257

Тмпшрафия КБГУ 360004, г Нальчик, ул Ч;рнышеэскогс,173

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Гончаренко, Елена Александровна, Нальчик

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ КАБАРДИНО-БАЛКАРСКИЙ ОРДЕНА ДРУЖБЫ НАРОДОВ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. Х.М.БЕРБЕКОВА

На правах рукописи

ГОНЧАРЕНКО ЕЛЕНА АЛЕКСАНДРОВНА

УДК 536.42Л

ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОМ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ СВОЙСТВ ИОННЫХ РАСПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ

01.04.14 - ТЕПЛОФИЗИКА И МОЛЕКУЛЯРНАЯ ФИЗИКА

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научные руководители: доктор физико-математических наук, профессор Зильберман П.Ф. доктор физико-математических наук, профессор Темроков А.И.

НАЛЬЧИК - 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................4

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ..................................................................10

1.1. Состояние исследований в области ионных расплавов..............................11

1.2. Явление контактного плавления, его основные характеристики и закономерности......................................................................................................12

1.3. Методика экспериментального исследования контактного плавления ионных кристаллов................................................................................................17

1.4. Аналитические методы исследования свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении...................................................................................19

1.5. Численные методы исследования свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении...........................................................................................23

1.5.1 Использование численных методов для изучения концентрационного распределения ионов в расплавах, получаемых при контактном плавлении .24

1.5.2 Использование численных методов для анализа результатов воздействия внешних факторов на свойства расплавов, полученных при

контактном плавлении...........................................................................................29

1.5.3. Методы компьютерного моделирования.................................................31

1.5.3.1. Метод Монте-Карло.................................................................................31

1.5.3.2. Метод молекулярной динамики..............................................................33

ВЫВОДЫ ИЗ ПЕРВОЙ ГЛАВЫ..........................................................................42

ГЛАВА II. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МЕТОДА МОЛЕКУЛЯРНОЙ ДИНАМИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ ИОННЫХ РАСПЛАВОВ,

ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ УСЛОВИЯХ КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ............43

2.1. Развитие метода молекулярной динамики для исследования свойств расплавов, полученных при контактном плавлении..........................................44

2.2. Компьютерное моделирование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении взаимных систем типа А+С - В+С...............................51

2.3. Компьютерное моделирование свойств расплавов, получаемых при условиях контактного плавления взаимных систем типа А+В - А+С"..............75

2.4. Компьютерное моделирование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении смешанных систем типа А+В - C+D............................87

2.5. Компьютерное моделирование свойств расплавов, на основе иодида

натрия......................................................................................................................90

ВЫВОДЫ ИЗ ВТОРОЙ ГЛАВЫ..........................................................................95

ГЛАВА III. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ВНЕШНИХ ПОСТОЯННЫХ И ПЕРЕМЕННЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ РАСПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ УСЛОВИЯХ КОНТАКТНОГО ПЛАВЛЕНИЯ.........................................................................................................98

3.1. Молекулярно-динамическое моделирование влияния внешних постоянных электрических полей на характеристики расплавов, полученных при контактном плавлении...................................................................................99

3.2. Молекулярно-динамическое моделирование влияния внешних электромагнитных полей на характеристики расплавов, полученных при

условиях контактного плавления.......................................................................106

ВЫВОДЫ ИЗ ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЫ......................................................................111

ВЫВОДЫ ИЗ ДИССЕРТАЦИИ.........................................................................112

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................113

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................114

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы

Одной из актуальных проблем материаловедения является исследование и прогнозирование физико-химических свойств расплавов с целью создания новых материалов. Разработка современных технологий во многих случаях тесно связана с развитием представлений о структуре расплавов и фазовых превращениях первого рода. Определенный прогресс в описании закономерностей процесса плавления был достигнут с открытием и изучением явления контактного плавления. Исследование явления контактного плавления получило развитие в связи с его широким применением в промышленных технологиях (получение сплавов с заданными свойствами, пайка и резка материалов, изготовление керамических изделий, получение неразъёмных соединений [1-4]). Контактное плавление применяют также в научных исследованиях как метод физико-химического анализа [5-6] и метод изучения расплавов с градиентом концентрации [7]. Наиболее широко его используют для экспериментального изучения расплавов, находящихся при температурах ниже температуры плавления каждого из контактируемых кристаллов в отдельности, в частности, для определения коэффициентов взаимной диффузии, концентрационного распределения, влияния внешних воздействий на структурно-динамические свойства расплавов, а также для изучения межфазных явлений и фазовых переходов. Для описания этих характеристик используются теоретические методы, в основе которых лежит феноменологический подход (решение диффузионных задач с использованием уравнения Фика). К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал по свойствам расплавов, полученных при контактном плавлении металлических систем, проводятся исследования по

ионным системам. Повышенный интерес к последним, вызван как запросами практики, так и развивающимися возможностями теоретического анализа в связи с развитием вычислительной техники.

Современное развитие численных методов и появление быстродействующих компьютеров, позволили в настоящее время подойти к объяснению явлений на молекулярном (атомарном) уровне. С помощью компьютерных экспериментов появилась возможность моделирования явления контактного плавления и влияния внешних воздействий на структурно-динамические и кинетические свойства ионного расплава получаемого при контактном плавлении. В теоретическом аспекте знание атомного упорядочения позволяет глубже раскрыть особенности строения расплава, оценить потенциалы межчастичного взаимодействия, необходимые для расчета физико-химических свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении.

Цель работы

Целью настоящей работы является молекулярно-динамическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении ионных кристаллов.

Для достижения данной цели, в работе были поставлены и решены следующие задачи.

1. Развитие метода молекулярной динамики для исследования свойств ионных расплавов, получаемых при контактном плавлении.

2. Молекулярно-динамическое исследование свойств расплавов, получаемых при контактном плавлении и анализ результатов в зависимости от анионного и катионного состава исследуемых систем.

3. Проведение компьютерного эксперимента по влиянию внешнего электромагнитного поля на исследуемые системы.

Научная новизна

3. Установлены области частот внешнего электромагнитного поля, для которых наблюдается резкое возрастание парциальных коэффициентов диффузии и изменение параметров парциальной радиальной функции распределения.

Практическая ценность

Положения, выносимые на защиту

На защиту выносятся следующие основные положения.

3. Результаты численного моделирования влияния внешнего электромагнитного поля и установленные на их основе закономерности между структурно-динамическими характеристиками и параметрами электромагнитного поля (напряженность, частота, направление).

Апробация полученных результатов

1. IX Международная конференция "Уравнения состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1994.

2. Euchem Confrence on Molten Salts, Bad Herrenalb, Germany, August 21-26, 1994.

4. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, Plymouth State College, Plymouth, NH, USA, August 6-11, 1995.

5. XI Международная конференция "Уравнения состояния вещества в экстремальных условиях", Нальчик, 1996.

6. Euchem Confrence on Molten Salts, Smolenice Castle, Slovakia, September 1520, 1996.

7. Gordon Research Conference on Molten and Liquid Metals, New England College, Henniker, NH, USA, August 3-8, 1997.

8.5-th Iternational Symposium on Molten Salt Chemistry and Technology, Dresden, Federal Republic of Germany, August 24-29, 1997.

10.Euchem Confrence on Molten Salts From Structural Aspects to Waste Processing, Porquerolles, France, 27 June - 3 July, 1998.

11.Семинары на кафедре естественных дисциплин Нальчикского колледжа дизайна.

Личный вклад автора

Базируясь на программном обеспечении и опыте постановки численных экспериментов развитых в работах [8,9,10], диссертантом была развита и совершенствована методика и программное обеспечение по исследованию структурно-кинетических свойств расплавов, получаемых в зоне контакта при условиях контактного плавления. Модернизировано программное обеспечение для исследования взаимных систем, состоящих из ионов четырех различных типов, усложнена структура программы и последовательность численного эксперимента для исследования различных начальных состояний. В программу введены блоки для расчета координационных чисел, а также основных структурно-кинетических

характеристик расплава с учетом влияния внешнего (постоянного, переменного) поля. Все описанные компьютерные эксперименты, интерпретация полученных результатов и формулировка основных выводов проводились лично автором. Руководители работы участвовали в планировании экспериментов и обсуждении полученных результатов.

Публикации

Основное содержание диссертации опубликовано в двадцати семи научных публикациях [11-33,184-187], перечень которых приведен в списке литературы.

Структура и объём диссертации

Диссертация содержит 131 страницу текста и состоит из введения, трех глав основного текста, каждая из которых заканчивается выводами, 20 таблиц, 14 рисунков, выводов из диссертационной работы и заключения. Список литературы включает 187 наименований.

ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ РАСПЛАВОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ПРИ КОНТАКТНОМ ПЛАВЛЕНИИ

Развитие новых, наукоемких отраслей промышленности, требует увеличения спектра материалов с заданными физико-химическими свойствами, что в свою очередь связано с процессами и явлениями, происходящими на границе различных материалов и их субстанций.

В последние десятилетия в области физики твердого тела исследован ряд новых явлений, имеющих большое теоретическое и практическое значение. Одно из них - контактное плавление. Это явление нашло широкое применение как метод физико-химического анализа веществ, метод получения неразъемных соединений, метод реализации контактной резки и получения сплавов с наперед заданными свойствами. Использование явления контактного плавления в промышленности и материаловедении требует развития теоретических аспектов, экспериментальных исследований, а также методов компьютерного моделирования. В настоящей главе даны основные понятия, характеристики, определения и закономерности контактного плавления, его механизм и стадии протекания. Представлен обзор экспериментальных, теоретических и компьютерных методов исследования. Дано подробное описание методики компьютерного моделирования, в частности, метода молекулярной динамики. Описаны основные параметры и характеристики, рассчитываемые с использованием данного метода и характеризующие фазовый переход твердая фаза-расплав.

1.1. Состояние исследований в области ионных расплавов

Ионные расплавы - это высокотемпературные жидкости, содержащие, кроме ионов, также ионно-ассоциированные группы и некоторый свободный объем. Практически к ионным расплавам относятся расплавленные соли (галогениды металлов и соли кислородных кислот), щелочи, окислы, халькогениды, а также системы, состоящие из этих компонентов.

Изучение ионных расплавов происходит по следующим направлениям:

1) элетрохимические исследования;

2) термический фазовый анализ;

3) исследование физических свойств;

4) термодинамика ионных расплавов;

5) химические реакции в ионных расплавов.

Детальный обзор состояния проблемы ионных расплавов дан в работе [34]. Первые исследования ионных расплавов носили электрохимический характер и связны с именем Дэви, который в 1807 году впервые описал электролиз расплавленных щелочей [35]. Вскоре после Дэви щелочные металлы таким же путем были получены русским химиком С.П. Власовым [36]. На сегодняшний день, сформировались следующие крупные центры по изучению ионных расплавов. Это ленинградская школа (под руководством проф. А.Г. Морачевского), внесшая существенный вклад в развитие электрохимии ионных расплавов [37-42]. Работы киевской школы (проф. Ю.К. Делимарский, проф. C.B. Волков, проф. A.B. Городыский, проф. В.И. Шаповал) развили исследования в области термодинамики и кинетики электродных процессов, физико-химии расплавленных электролитов, полярографии и электролиза ионных расплавов [43-51]. Крупная научная школа высокотемпературной электрохимии сформирована в Екатеринбурге (проф. М.В.Смирнов, проф. Н.А Ватолин, проф. В.Н. Хохлов, проф. А.Н.

Барабошкин) [52,53]. Начиная с начала 90-х годов, в области исследования свойств ионных расплавов, появилось новое научное направление, посвященное компьютерному моделированию свойств ионных расплавов. Первые работы в этой области были сделаны в Англии проф. П. Мадден (P.Madden) (Оксфордский университет) [54,55], проф. Руф Линден-Белл (Ruth Lynden-Bell) (Королевский университет Белфаста) [56,57]. На сегодняшний день практически все зарубежные центры по исследованию ионных расплавов помимо экспериментальных исследований проводят параллельно и компьютерные, приводя математическую постановку задачи близкую к экспериментальным условиям. Это работы К. Седдона (K.Seddon), (Англия, Белфаст) [58,59], Ж.Пикард (G.Picard) (Франция, Париж) [60,61]. Крупные исследовательские центры по изучению расплавов методами компьютерного моделирования созданы в Японии [62,63].

Необходимо отметить, что все эти исследования посвящены гомогенным расплавам. Основными отличительными свойствами расплавов, получаемых при контактном плавлении, является наличие в нем градиента концентрации, а также возможность его существования при температурах более низких, чем температура плавления каждого из контактируемых веществ. Получить такие расплавы можно только в результате контактного плавления.

1.2. Явление контактного плавления, его основные характеристики и закономерности

Известно, что явление контактного плавления веществ, заключается в следующем: контакт двух разнородных кристаллов начинает плавиться при температуре более низкой, чем температура плавления каждого из контактируемых веществ [64]. Впервые данное явлени