Структура и свойства карбида тантала в состояниях с разной степенью порядка тема автореферата и диссертации по химии, 02.00.04 ВАК РФ

А 4 9 О АКАДЕМИЯ НАУК СССР УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ Ш.Ш

На правах рукописи

ЛИШНЖОВ Владимир Николаевич

УЖ 546.883'261:536.42

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАРБИДА ТАНТАЛА В СОСТОЯНИЯХ С РАЗНОЙ СТЕПЕНЬЮ ПОРЯДКА

Специальность 02.00.04 - физическая химия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Свердловск - 1990

Работа выполнена в Инотитуте химия Уральского отделения АН СССР.

йшша ТО9УШГШ»

кандидат химических на^к, старший научный сотрудник А.И.ГУСЕВ

РФттВДЦ? огшонегцц:

доктор фивнхо-матвматичвоких наук,

профессор Э.З.ЮТЫАЕВ

доктор фивико-метбиатнчеоких наук,

профзсоор А.С.МОСКВИН

Ведущее предприятие! ордена Трудового Красного Знаменв Уральский политехнический институт кивни С.М.Кирова

Защита соогоится " у-оаърд, 1990 г. в часов на заседании специализированного совета Д 002.04.01 в Институте химии Уральского отделения АН ССОР по адресу: 620219, Свердловск, ГСП-145, ул.Первомайская, 91.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского отделения АН СССР.

Автореферат разослан " <2,'3И оу^тл^ъра 1990 г.

Учений секретарь спедиаливированнрго

совета ¿¿¿¿Н^*0 А.П.ШТИН

СГ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛЕШУ Актуальность теми. Тугоплавкие карбиди переходных металлов

-л

ой группы обладают уникальными механическими и термическими свойствами, которыо опрэделяют пх еотлуп роль п современной технике, связанной с развитием атомной внергетлки п созданием конструкционных материалов для раквтно-комапоскоЗ техника. Одной из характерных особенностей карбидов парохода»« металлов является отклонение состава от стехиометрии, ?.э. поетохнометрия. Иалггпто нестохиометрии создает предпосылки к перераспределению атомов углерода по узлам неметаллической ЩК подрешетки и образовании различных упорядоченных структур. Однако, недостаточная изученность упорядочения з карбидах не позволяет применять ого при создании современных приборов и устройств.

К настоящему времени сравнительно неплохо изучена фазогио переходи типа упорядочения в кестехисметрнчоскпх карбидах ванадия и ниобия. Среди карбидов переходных металлов V групп«, наименее изученные с точки зрения упорядочения является карбид тантала ТаСу По-видимому, это связано с болъпимк трудностями сксперпнен-тальных исследований сверхструптур в ТаСу.

Нестехиометрический карбид тантала в неупорядоченном состоянии обладает комплексом интервента физических свойстл таких как высокая твердость, износостойкость, самая ппсокзя среди всех вз-пгеств тешоратура плавления, составлялся около 4300 К. Следует отметить, Что экстремумы концентрационных зависимостей мнопгх свойств карбида тантала ТаСу приходятся на область возмопного упорядочения атомов углерода п структурных йсканспй. Поэтов ^ило би интересно исследовать фнзико-хгагмекиэ сс-о15стЕа карбида тантала не только в зависимости от содержания углерода, но и от сто-» пени дальнего порядка.

Цель работы. Исследопаниэ структуры и свойств нестехксмзтрп-ческого карбида тантала, находящегося з состояниях с разной степенью порядка. Проведение теоретичзекпх расчетов термодинамических характеристик структурного фазового перехода беспорядок-порядок, происходящего в пестохиомотричссксм карбндз тантала.

Научная новизна. В результате прозеденнкх исследований впервые установлены регглмн термической обработки для получения нестй-хиометрического карбида тантала в состояниях с различной сгененья упорядочения.

Определена свзрхструктура, образующаяся в карбиде тантала в розультате структурного фазового перехода типа упорядочения.

Впервые исследовано влияние упорядочения атомов внедрения на магнитную восприимчивость ТаС,, и на параметры спектров угловой корреляции аннигиляционного излучения в этом соединения. Впервые в интервале температур 70-300 К изучено влияние нестехиометрии и упорядочения на теплоемкость карбида тантала.

Вперуые проведеп анализ упорядоченных структур типа М^Сд, ilgCg и MgCr,, в рамках которого определены каналы фазовых переходов порядок-беспорядок, записаны функции распределения атомов внедрения в данных сверхструктурах.

Рассчитаны термодинамические характеристики структурного фазового перехода беспорядок-порядок в нестехиометркческом карбиде тантала. Определены температуры фазового перехода ТаСу - Та6С5 для различных составов у карбида ТаСу. Показано, что единственной возможной упорядоченной фазой карб'тда тантала является фаза типа TagCg, образующаяся по механизму фазового перехода первого рода.

ршкуичесуад пепгость Работы. Полученные результаты по реки-мам термообработки карбида тантала могут быть использованы в качестве практических рекомендаций при получении нестехиометрическо-го карбида тантала в том или ином структурном состоянии,

Установленные зависимости физических свойств карбида тантала не только от содержания углерода, но и степени порядка в распределении атомов внедрения и структурных вакансий дают возможность вести синтез материалов о заранее заданными свойствами.

Аптюбаттия работы. Основные результаты диссертационной работы были доложены и обсувденн на 17 Всесоюзном совещании по химии твердого тела (Свердловск, IS85 г.), IX Всесоюзном совещании по кинетике и механизму химических реакций в твердом теле (Алма-Ата, I9S6 г.), У Всесоюзной научно-технической конференции по метрологическому обеспечению теплофизических измерений при низких температурах (Хабаровск, 1988 г.), XII Всесоюзной конференции по химической термодинамике и калориметрии (Горький, 1988 г.), II Региональной щколе .молодых ученых по химии твердого тела (Свердловск, 1989 г,), У1 Всесоюзной школе-семинаре по применению математических методов для описания и изучения физико-химических равновесий (Новосибирск, 1989 г.), У Всесоюзном совещании по диаграммам состояния металлических систем (Звенигород, 1989 г.), xn European

cryatallograpiiic meeting (Moscow, I9B9).

2

По теме диссертации опубликовано 22 работы.

Объем и структура работы. Диссертация изложена на 171 стр. машинописного текста, включая 32 рисунка и 18 таблиц. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, заключения п списка ци-тироват'ной литературы, включающего 133 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проведенных исследований, сформулирована цель работы, определена её новизна и научная значимость.

Первая глава имеет обзорный характер; в ней рассмотрены литературные данные, касающиеся строения неупорядоченных нестехиомет-рических соединений, упорядочения в нестехиометрических карбидах переходных металлов й-V групп, влияния атомного упорядочения на свойства монокарбидов, а также рассмотрены структура и физико-химические свойства нестехиометрического карбида тантала.

Литературные данные свидетельствуют о наличии большого экспериментального материала по исследованию упорядоченных фаз в карбидах ванадия и ниобия. Наименее изученным с точки зрения структуры является нестехиометрический карбид тантала. Вопрос о наличии упорядоченных фаз в ТаСу до сих пор остается еще пока открытым. Анализ литературных данных по свойствам нестехиометрического карбида тантала свидетельствует о полном отсутствии исследований физико-химических свойств карбида тантала ТаСу в состояниях с разной степенью порядка. Кроме того, имеющиеся данные по свойствам ТаСу очень неполны и требуют дополнительных исследований.

На основе .анализа литературных данных в первой главе сформулированы основные задачи диссертационной работы..

Во второй главе описаны методы получения, аттестации и экспериментальные методики исследования нестехиомотрического карбида тантала в разных структурных состояниях.

Образцы нестехиометрического карбида тантала бклп.синтезированы методом твердофазного спекания при температуре 2500 К в га-кууме не хуже 10"^ мл рт.ст. из хорошо аттестованных порошков тантала и ацетиленовой саки. Гомогенность образцов, контролируемая рентгеновским анализом, достигалась мяогокрзтнкм перетиранием брикетов с ТаСу в перерывах манду отклгом.

Для получения карбида тантала в состояниях о разной стопоньп порядка синтезированные образцы ТаСу были подвэргнуты теркообра- •

з ■.■'"'

ботке по трем различнкн режимам. Неупорядоченное состояние получали с помощью закалки от температуры 1900 К со скоростью охлаждения порядка 2000 К/мин (реким "а"). Упорядоченное состояние было получено по двум режимам; режим "Ь" и реким "С". Режим "о' представляет отжиг при температуре 1600 К в течении 5 часов с последующий охлаждением со скоростью 0,26 К/мин до 750 К и режим "С" - отжиг при температуре 1600 К в течении 35 часов с пос ледующим более медленным охлаждением со скоростью 0,16 К/мин до 750 К.

Химический состав и содержание примесей в полученных препаратах нестехиометрического карбида тантала определяли методами химического и спектрального анализов. В таблице I представлены результаты химического и рентгенографического анализов исследуемых образцов.

Таблица I

Результаты химического и рентгенографического анализов образцов монокарбида тантала

Химический состав у вТаСу Содержание компонентов в вес.» Режим термообработки Параметр решетки в А

Та ^связ 0

1,00 93,78 6,23 0,26 а 4,4555

0,92 94,07 5,75 0,20 а,Ь,с 4,4444

0,89 94,29 5,57 0,21 а 4,4370

0,89 94,29 5,57 0,21 Ь.с 4,4383

0,88 94,49 5,52 0,23 а 4,4360

0,88 94,49 5,52 0,23 Ь.с 4,4370

0,87 94,59 5,47 0,23 а 4,4343

0,87 94,59 5,47 0,23 Ь.с 4,4359

0,85 94,87 5,31 0,25 а 4,4310

0,85 94,87 5,31 0,25 Ь.с 4,4345

0,83 95,13 5,26 0,15 а 4,4276

0,83 95,13 5,26 0,15 Ь,с 4,4326

0,82 94,38 5,14 0,11 а 4,4260

0,82 94,38 5,14 0,11 Ь.с 4,4310

0,81 94,87 5,12 0,26 а 4,4245

0,81 94,87 5,12 0,26 Ь.с 4,4260

0,75 94,92 4,73 0,15 а.Ь.с 4,4200

Первоначальную структурную аттестацию образцов карбида тан-тела проводили на дяфрактеметре ДРФ методом съемки с эталоном. В качестве эталона использовался порошок хорошо аттестованного монокристаллического крепили о параметром кубической репетки 5.4308Р А. Съемка с эталоном позволила измерять параметр П(К под-решетки тантала с точностью до Ю-4 А.

Структуру упорядоченной фазы ТаСу определяли методом структурной^ нейтронографии, используя пучок нейтронов с длиной волны 1,694 А. Съемку проводили в режиме пошагового сканирования через 29 = 0,1°с временем экспозиции в каядой точке 4,5 минуты в интервале углов 2 9 от 12° до 90е.

Измерения магнитной восприимчивости карбида тантала ТаСу с различным содержанием углерода проводили в области температур от комнатной до 1300 К на высокочувствительных магнитных весах по методу Фарадея.

Исследование угловой корреляции аинигиляционного излучения (УКАИ) выполнены на установке УА-200 с длиннощелевой геомзтрией. Источником позитронов служил изотоп ггЬ!а активностью 4-10® Ек. Спектры УКАИ были получены в интервале углов 8 от -8 до 25 мрад через 0,25 мрад ( 9 - угол отклонения аннигкляционного гамма-кванта от антиколлинеарности).

Теплоемкость карбида тантала в состояниях с разной степенью порядка измеряли в адиабатическом калориметре конструкции ХФ НШИФТРИ в интервале температур 70-300 К. Сродияя ошибка измерения теплоемкости при данной температуре, определенная по нескольким измерениям, не превышала 0,5 5?.

В третьей главе проведены подробные исследования сверхструктур типа М6Сс;, образующихся в карбидах ванадия и ниобия, и рассмотрены результаты экспериментальных исследований карбида тантала в состояниях с разной степенью порядка.

В результате проведенного симметрийного анализа экспериментально установленных сверхструктур типа МдСд в карбидах ванадия и ниобия определили, что каналы соответствующих структурных фазовых переходов беспорядок-порядок МС0 83 - М6С5 включают лучи лифшицевской звезды {/Г9} и нелкфшщовских звезд , {/?3} и {/?0} . Определение каналов фазовых переходов беспорядок-порядок показало, что образование сверхструктур типа МбС5 ( М = V , ЫЬ ) с пространственными группами С2/т , Р3£ и С2 связано с несколькими звездами волновых векторов, т.е. является результатом одно-

временного искажения симметрии решетки по нескольким неприводимым представлениям. Из этого следует, что переходы беспорядок-порядок МСц 03 - М^С^ являются переходами первого рода.

Расчет'функций распределзния для сверхструктуры типа МцС§ с пространственными группами С2/щ , Р31 и С2 показал, что все они зависят от нескольких параметров дальнего порядка. Число параметров дальнего порядка, описывающих ту или иную сверхструктуру, определяется числом звезд волновых векторов, ответственных за упорядочение. Иначе говоря, каждой звезде волнового вектора соответствует параметр дальнего порядка. Так, функции распределения для моноклинной сверхструктуры с пространственной группой С2/т и тригональной с пространственной группой Р32 зависят от трех параметров дальнего порядка 1]9, Цц и Функция распределения, описывающая моноклинную сверхструктуру с пространственной группой С2, зависит от четырех параметров дальнего порядка . » 1?3 И >?0 •

Еоли рассматривать только неметаллическую подрешетку, то во всех обсуждаемых полностью упорядоченных структурах типа М6С5 в направлении С Йи^ последовательно чередуются комплектные атомные плоскости, степень заполнения которых равна I, и частично дефектные плоскости со степенью заполнения, равной 2/3. Причем степень заполнения плоскостей (111)^ атомами углерода для всех трех сверхструктур Ь^С^ зависит только от параметра !]д , соответствующего звезде

Параметры дальнего порядка, с помощью которых описываются данные сверхструктуры, могут принимать не любые произвольно выбранные значения, а лишь те, которые леяат в области допустимых значений }? , соответствующей каждой из сверхструктур М6С&.

Структурные исследования карбида тантала, термообработан-ного по разным режимам, показали, что в результате упорядочения в ТаСу образуется несоразмерная сверхструктура. Несоразмерность приводит к увеличению периода трансляции в направлении с 5,118 X для соразмерной упорядоченной фазы типа М5С5, до ■84-88 А в упорядоченном несоразмерном карбиде тантала. Особенностью несоразмерной сверхструктуры карбида тантала является то, что в канал фазового перехода, связанного о её образованием входит луч 0,472-Т^, (Тэг= {I, - базисный вектор обратной решетки 1Щ кристалла) звезды {/?5}, тогда как канал__фазового перехода МС0 83 - МбС5 включает луч "Н"г/2 звезды

в

Анализ свэрхструктур типа ^С^ показал, что луш згэзди {.К9} откачают за порядок чередования неметаллически* плоскостей (П1)щ.

На рио.1 изображены функции, характортаугацго степень ззпол-кеквя неметаллических плоскостей п соразмерной (рио.1,а) п нзсо-размерноЙ (рис.1,6) упорядоченных структурах кэрбвдз тантала. В неметаллической подрешетке соразмерной свэрхстрултурн в направлении [П1]щ чередуются комплектный Плоскости I со степоньэ заполнения ?! = У + и дефектные плоскости I со степенью вапол-пепия Р^ = У -1^9 /6. В несоразмерной упорядоченной структуре карбида тантала появляются дефектные неметолличезкио плоскости типэЩ со степенью заполнения, промежуточной неаду степенями заполнения плоскостей I и Ц (рис.1).

р «'«;

о шушышишш

о

1 Ып

/5 2к 32 г

I

I

I

5. АЛАААААААААААААА

О 8 16 24 32 2.

рчн)

6)

.-С

а - вакансия

Рио.1. Степень заполнения неметаллических плоскостей (Ш)^; а - соразмерная сверхструктура типа ; б - несоразмерная сверхструктура карбида тантала; в - степень заполнения четных (пунктир) я нечетных (сплошная линия) неметаллических плоскостей (Н1)ц- а несоразмерном упорядоченном кзрбиде тантала;

"Т , П и Ш - типы неметаллических плоскостей (1П)^;

2.- порядковый номер плоскости.

Рентг иографическле исследования позволили зафиксировать увеличений периода базисной решетки карбида тантала при упорядочении. Наибольшее увеличение периода с 4,4266 А в неупорядоченном состоянии до 4,4321 А в упорядоченном состоянии наблюдается для карбида ТаС0 цд, который по составу совпадает с идеальной упорядоченной фазой 78265. Следует отметить, что скачкообразное изменение объема является характерным признаком фазовых переходов первого рода.

Четвертая глава посвящена исследованию влияния упорядочения на магнитную восприимчивость, параметры спектров угловой корреляции аннкпшщионного излучения, теплоемкость и температуру перехода в сверхпроводящее состояние карбида тантача.

Исследование магнитной восприимчивости закаленного карбида тантала в интервале составов ТаСр ^ - ТаСд в условиях медленного нагрева позволило установить ранее не наблюдавшееся для этого соединения необратимое понижение восприимчивости (рис.2) при температуре 960-1000 К в зависимости от состава карбида тантала. Дальнейшее повышение температуры приводит сначала к плавному, а затем к скачкообразному возрастанию величины X . Измерение магнитной восприимчивости этих же образцов при понижении температуры от 1300 К обнаружило наличие температурного гистерезиса восприимчивости (рис.2). Обратимый скачок восприимчивости, соответствующий области температурного гготерезиса, связан с равновесным структурным фазовым переходом беспорядок-порядок. Наличие температурного гистерезиса на зависимости у. (Т) для карбида тантала свидетельствует о том, что Фазовый переход порядок-беспорядок в ТаСу происходит по механизму фазового перехода первого рода.

На основании экспериментальных данных по магнитной восприимчивости карбида тантала в состояниях с разной степенью дальнего порядка были рассчитаны значения параметров ближнего порядка для парчой и второй координационных сфер неметаллической подрешетки. Для карбида тантала ТаСд ез> упорядоченного в процессе отжига, величины «О. и Л.гравны -¿,063 и -0,080, соответственно. Необходимо отметить, что рассчитанные значения и <Ла оказал *сь меньше предельных значений параметров ближнего порядка для идеальной упорядоченной фазы ТабС^, которые равны = о(.г= -0,20. Отличие рассчитанных значений «Хц и «¿г от предельных указывает на то, что яри отжиге карбида тантала полное упорядочение не достигается. Действительно, согласно нейтронографическим исследованиям в карбиде тантала образуется несоразмерная упорядоченная структура, в

в

которой степень ближнего порядка меньше максимально возможной для слерхструктур типа м6с5.

В данной работе для исследования электронной структуры нестехиометрк-ческого карбида тантала впервые использовался метод электронно—поз итронной аннигиляции (ЭПА). Экспериментальные спектры ЭПА описаны с помощью модели, сог.'пс-но которой в карбидах переходных металлов позитроны аннигилируют в межостовном пространстве (из-за кулоновского отталкивания от атомных ядер) на электронах проводимости и электронах коеэлэнтных связей М - С. Вклад в спектры от аннигиляции на электронах проводимости описывался инвертированной параболой с высотой Нр и углом отсечки 6р , а вклад от аннигиляции на кова-лентных электронах - га-

Рис.2. Влияние упорядочения на магнитную, восприимчивость карбида тантала: Т - неупорядоченное состояние; П - упорядоченное состояние; Щ- переходное состоякиз; 1-ТаСг 4-

уссианоЁ с высотой Ьд и полушириной 0а . Анализ данных ЭПА показал, что для карбида ТаСу с небольшим содержанием структурных вакансий ( У «= 0,9 *■ 1,0) па-

о

"»г- » г

["ТаС0,58'" 2~ТзС0,е0; 3"ТаС0,855 4"ТаСС,83'' 5-ТоС!0,82'*

раметры -.пеетров ЗГКАЗ! отожаешгех и вакаленных оораздов карбида тантала одинакового состава в продолах ошибки совпадают между собой (табл.2). Объясняется ото тем, что все они находятся в неупорядоченном состоянии. Совпадение параметров ЭПА для отожженных и вакаленных образцов 'ГаСу п одинаковом структурном состоянии свидетельствует такко о том, что концентрация термических вакансий в образцах ТаОу я пределах точности эксперимента не зависит от регаааов термообработки, которые использовали в данной работе. Вместо с тем, заметное различие параметров УКАМ спектров отож-сенних и вакаленных образцов ТаС0 05 в ТаС0 ?д позволяет считать, что параметры влактронно-познтронной аннигиляции чувствительны к упорядочению,

Необходимо отметить, что в эксперименте по ЭПА наиболее зв-

Таблина 2

. .Параметры спектров угловой корреляции еннигиляционного иалучения для То и ТаОу в равных структурных состояниях

Состав Режим термообработки 0р. отн.ед. мрад 08- отн.ед. мрад £Р

Та Та01,00 ТаС0,96 ТаС0,92 ТаС0,90 ТаС0,85 ?аС0,79 Ь.С О Ь,с а Ь, с а Ь.с а Ь.с а' Ь.с а 42 30 31 36 37 51 50 35 34 58 64 ~ 43 50 8.59 6,97 7,09 7,02 7,24 6,93 6,96 7,31 6,99 7,14 7.60 7,16 7,05 130 152 149 147 145 134 131 147 149 123 112 135 132 4,64 4,52 4,58 4,52 4,51 4,54 4,68 4.50 4.51 4.63 4,83 4,57 4.64 0,32 0,16 0,17 0,20 0,22 0,31 0,30 0,20 0,19 0,38 0,48 0,27 0,31

А 15 - 0,09 - 6 ю,04 10,05

ю

метные изменения относятся к Зр^З^ (отношение площадей под параболой и гауссианой). Эта величина пропорциональна концентрации электронов гчоводимости. При переходе от ТаС^ 00 к ТаСд величина Зр/Ъгу увеличивается примерно в два раза, что свидетельствует о росте концентрации электронов проводимости при уменьшении содержания углерода в карбиде ТаСу. Кроме того, согласно данный по Зр/Б^ для закаленного неупорядоченного карбида ТаС0 85 концентрация электронов проводимости больше, чем для упорядоченного карбида ТаС0 Увеличение концентрации электронов проводимости при разупорядочении свидетельствует о перераспределении электронов между металлической и ковалентной связями при изменения структурного состояния карбида тантала.

Для выяснения влияния упорядочения на фононную подсистему была измерена теплоемкость карбида тантале ТаОу как в упорядоченном, так и в неупорядоченном состояниях. Измерения теплоемкости, выполненные в интервале температур 70-300 К, показали, что упорядочение атомов углерода

и структурных вакансий ___

приводит к заметному ,¡<17

увеличент карбида Т1 (0,81 «У:

тантала Т.

доченном

рядоченно:

ниях при --------

этом же рисунхв показаны разности теплоемкос-

рис.З пре, висимости от состав

Ш 0.«5 0.90 095 У

тей дСр(300) = СУ"

- Ср°уп, рассчитанные в приближении максимальной. степени дальнего по-

Рис.З. Зависимость теплоемкости карбида тантала в упорядоченном (1),и неупорядоченном (2) состояниях

рядка I] (300) = \] тех (3)

и в приближении равновесной степени дальнего по-

рядка 7(зсо) = 7равн (4) ^ 7равн ~ значение Г| при

и ^(300) = 7равн и 0КСПЙ~ риментальная лСр(300) (5).

от состава карбида ТаСу при_температуре 300 К. Разности тепло-емкостей дСр(ЗОО), рассчитанные в приближениях ^(300) = ^т„(3)

и ^(300) = 7равн и 0КСПЙ~ риментальная лС_(300) (5).

температуре перехода беспорядок-порядок Тпер), а также экспериментальная разность лСр(ЗОО) (5). Из рис.3 видно, что с увеличением концентрации структурных вакансий в ТаСу теплоемкость как упорядоченного, так и неупорядоченного карбидь тант^ ля уменьшается по нел1шейно!лу закону. Теплоемкость упорядоченного карбида тантала выше, чем неупорядоченного.

Сравнение экспериментальной разности ДСр(300) с рассчитанными в двух приближениях показало, что при упорядочении в ТаСу достигается равновесная для Тпер степень дальнего порядка.

Для выяснения влияния упорядочения на температуру перехода в сверхпроводящее состояние Тс карбида тантала индуктивным методом при температуре Т<20 К были исследованы однофазные гомогенные образцы упорядоченного карбида тантала ТаСо 87 и ТеС-, 83 и образцы неупорядоченного карбида с различной концентрацией структурно вакансий: ТаС| од, ТаС0 ТеС0 д4, ТаСс 92, ТаС0 ТаС0 и ТаС0 83. В данной работе в пределах ошибки исспориментя не удалось обнаружить различия температур перехода в сверхпроводящее состояние, соответствующих упорядоченному и неупорядоченному карбиду тантала одного и того же состава, лежащего в области гомогенное и упорядоченной фазы ТаСд - ТаСд (ошибка измерений Тс при Т>4,2 К и Т<4,2 К составляла 0,1'к'и 0,4 Кч соответственно). Причиной этого, по-видимому, является образование в нестехиометрическом карбиде тантала несоразмерной упорядоченной фазы, тогда как в ка'рбвде ниобия4в котором наблюдалось увеличение Тс в упорядоченном состоянии) упорядоченная структура является соразмерной.

2 пятой главе выполнены расчеты термодинамических характеристик структурного фазового перехода порядок-беспорядок в нестехиометрическом карбиде тантала.

Монокарбид тантала ТаСу по своему электронному строению и структуре подобен карбидам ванадия и ниобия, в которых согласно литературным данным возможно образование упорядоченных структур типа М4С3, МбСд и МрС?. Поэтому при расчете исходили из возможности образования в нестехиометрическом карбиде тантала при фазовом переходе беспорядок-порядок аналогичных сверхструктур с сбщеЯ формулой М^ 4_ _ где t 2,3,4. Расчет проводился в рамках метода функционала параметров порядка (МФПП). Свободная энергия карбида тантала ТьСу была записана следующим образом .

(I)

М 4 - Л, И п'Л] * I и - -I) С п'Х С ♦ и - «Л еп (1-- Пг')]}

где Ро,,,% - энергетические параметры модели; Р1*)= У - •

( а = I для свэрхструктур типа 1.%С5 и М8С? и а = 0,2 для сверхструктуры типа М4С3); 1^'= У - (2 Ь - I) Ц /21 (вероятность обнаружения атома углерода в узле вакансиошюй подрешеткп) и ь'^' = = У + ^ /21 (вероятность обнаружения атома углерода в узле углеродной подреаетки); ^ - параметр дальнего порядка.

Минимизация свободной энергии (I) по параметру дальнего порядка с учетом граничных условий для каждой из сверхструктур позволила рассчитать основные термодинамические характеристики возможных фазовых перехо-

~ Г. кАж /моль Ш

дов беспорядок-порядок

ТаС,,

( 1 = 2,3,4).

Расчет показал, что во всей области температур от 300 К до Тп0р в области гомогенности кубического карбида тантала сверхструктура типа '«^С^ обладает наименьшей свободной энергией в сравнении со свархструктурами Та4С3 и Та8С? (рис.4). Из этого следует, что в равновесных условиях в нестехиометрическом карбиде тантала возможно образование упорядоченной фазы только типа Та6С5.

На рис.5 представлены рассчитанные для нескольких составов карбида тантала ТаСу температурные зависимости равновесного

Рис.4. Сравнение свободной энергии неупорядоченной и возможных упорядоченных с[яз ТаС1Г: 1-Та4С3; 2-Та8С?; 3-Та6С5"; 4-ТаСу.

значения параметра дальнего порядка при образовании сверхструхтурн типа Та6С5. С ростом температуры наблюдается плавное уменьшение параметров дальнего порядка вплоть до температуры Тпер, в которой Ц скочком уменьшается до нуля (рис.5). Температурная область выше ТП0р соответствует неупорядоченному состоянию карбида. Скачкообразное изменение параметра дальнего порядка с ростом температуры является характерным признаком фазов х переходов

первого рода. Иэ в*ого можно сделать вывод о том, что структурный фазовый переход порядок-беспорядок в настехиометрическом карбиде тантала происходит по механизму фазового перехода I роде.

В таблице 3 приведены результаты расчета температур перехода Тпер, изменения энтропии при переходе дЭ пор, теплоты перехода

Таблица 3

Термодинамические характеристики структурного фазового

перехода беспорядок-порядок в карбиде тантала ТаСу - Та6С5

Состав Тпер» К Л ^ пер' Дж/моль К д ^ П0р, кДж/моль пер

ТаС0,75 ГаС0,80 ТаС0,833 ТаС0,65 ТаС0,90 1543 .1399 1270 1190 837 0,764 1,099 1,261 1,274 0,973 1,179 1,538 1,601 1,516 0,867 0,548 0,623 0,635 0,616 0,462

ч

0.9

500 1000 1500 Т/\

Рио,5. Скачок параметра дальнего порядка при образовании в карбиде тантала упорядоченной фазы типа Та6С5: 1-ТаС0 од; г-ТаС^д-^; З-ТаСо 85; 4-ТаС0 833; 5-ТаС0 80.

порядок-беспорядок AHnep и значения параметров дальнего порядка при Тпвр для структурного фазового перехода от упорядоченной фазы Та6С5 к неупорядоченной фазе карбида тантала.

Таким образом, проведенные расчеты показали, что единственной возможной упорядоченной фазой карбида тантала является фаза типа TagCg, образующаяся по механизму фазового перехода I рода. Следует отметить, что изменение объема при упорядочении, а также наличие гистерезиса на температурной зависимости магнитной восприимчивости, наблюдавшиеся экспериментально, подтверждают данные расчета о первом роде фазового перехода беспорядок-порядок в ТаСу

ВЫВОДЫ

1. Получены образцы нестехиометрического карбида тантала с различным содержанием углерода в области гомогенности кубического (со структурой BI) монокарбвда ТаСу. Для получения карбида тантала в состояниях о разной степенью дальнего порядка подобраны соответствующие режимы термообработки.

2. Для интерпретации данных структурной нейтронографии и определения типа сверхструктуры, образующейся в нестехиометри-ческом карбиде тантала, проведен анализ упорядоченных структур типа М4Сд, М6С5 и MgCr, в рамках которого впервые определены каналы фазовых переходов и функции распределения для сверхструктур типа М^ C2t _ j - МСу ( t = 2,3,4).

3. Методом нейтронографии исследована сверхструктура карбида тантала. Установлено, что при фазовом перехода беспорядок-порядок в ТаСу образуется несоразмерная упорядоченная структура, у которой период трансляции в направлении [ПЦ^- увеличен с 5,118 X для соразмерной фазы типа MgCg, до 84-58 X в несоразмерном карбиде тантала.

4. Измерена магнитная восприимчивость JL образцов карбида тантала, находящихся в состояниях с разной степенью порядка. Установлено, что при фазовом переходе беспорядок-порядок наблюдается понижение величины магнитной восприимчивости ТаСу.

5. Методом электронно-позитронной аннигиляции установлено, что при уменьшении содержания углерода в ТаСу наблюдается рост концентрации электронов проводимости. При упорядочении в карбиде тантала вследствие перераспределения электронов между металлической и ковалентной связями концентрация электронов проводимости уменьшается.

6. Установлено, что теплоемкость равновесного упорядоченного карбида тантала больше, чем закаленного неупорядоченного ТаСу того ке состава. Сравнение экспериментально наблюдаемой разности тешюегжостей дСр(300) = - Ср8уп о рассчитанной показало, что при фазовом переходе беспорядок-порядок в ТаСу достигается степень дальнего порядка, близкая к равновесной.

7. Показано, что необходимым условием возможного упорядочения в нестехиометрических соединениях МХу являете," нагпппэ нелинейной зависимости энтальпии образования неупорядоченного соединения от его состава.

8. Раочег термодинамических характеристик структурного фазового перехода порядок-бвопорядок в карбиде тантала показал, что единственной возможной упорядоченной фазой карбида тантала является фаза типа TagCg, которая образуется по механизму фазового перехода первого рода.

Основное содержание диссертации крлоеэно в сладугяцпс работах:

1. Лилатников В.Н., Гусев А.И. Каналы фазовых переходов порядок-беспорядок в дефектных карбидах ванадия, ниобия и тантала // Тез.докл. 1У Всесолз.совещ. по химии твердого тела. 4.2. -Свердловск: УВД АН СССР, 1985. - С.1Б.

2. Лилатников В.Н., Гусев А.И. Фазовый переход порядок-беспорядок в нестехиометркческом карбида тантала // Tes.докл. 1У Всесолз.совещ. по хтш твердого тела. 4.2. - Свердловск:-УНЦ АН СССР, 1985. - C.I6.

3. Ремпель A.A., Лилатников В.Н., Гусев А.И. Кинетика атомного упорядочения в нестехиометрических карбидах ниобия и тантала // Тез.докл. IX Всесоюз.совещ. по кинетике и механизм хим. реакций в твердом теле. 4.1. - Алма-Ата, 1986. - C.I3I-I32.

4. Ремпель A.A., Лилатников В.Н., Гусев А.И. Функция распределения атомов углерода и параметры порядка в упорядоченных карбидах типа Ме6С5 // Депон. ВИНИТИ. - 1986, » 7548 - В-86. -C.I-2I.

5. Гусев А.И., Ремпель A.A., Лилатников В.Н. Термодинамическая модель атомного упорядочения. III. Раочет энергии кластеров и ЖФХ. - 1987. - T.6I, Ä 4. - С.916-921.

6. Эффект структурного перехода на магнитной восприимчивости карбида тантала / В.Н.Липатников, А.И.Гусев, A.A.Ремпель, Г.П.Швейхин // Докл. АН СССР. - 1987. - Т.297, * 4. - С.849-853.

ie

7. Ремпель А.Л., Липат.чпясЕ В.Н., Гусев А.И. Функцил распределения атомов углерода а д-р-чотри порядка в упорядоченных карбидах типа Ме-С5 // Кристаллография. - 1987. - Т. 32, ;14. -С.1032-1033.

8. Лнпатнккст- В.Н., Рекполь А.А., Гусев А.И. Термодинамическая модель атомного упорядочения.17. Переход порядок-беспорядок в нестехкометркческом кэрбидо тантала // ЖФХ. - 1988. -

Т.62, Jf3. - С.589-593.

9. Ousev A.I., Kempel A.A., ilpatnikor V.M. Kaanetic susceptibility and atonic ordering in tantalum carbide // fhys. Stat. Sol. (a) - 1988. - V.I06, M82. - P.459-466.

10. Угловая корреляция аннигиляционного излучения в несте-хиометрическом карбиде тантала / А.А.Ремпель, А.П.Друзков, В.Н.Липатников, А.И.Гусев, С.М.Клоцман, Г.П.Швейкин // Докл. АН СССР. - 1968. - Т.300, «I. - С.92-95.

11. Липатниксв В.Н., Ремпэль А.А., Гусев А;И. Влияние упорядочения вакансий на магнитную восприимчивость карбида тантала // SHX. - 1988. - Т.33, №7. - C.I860-I863.

12. Метод описания теплоемкости нестехиог чических соединений переходных металлов / А.И.Гусев, А.А.Рем^ль, В.Н.Липатников, С.З.Назарова // Тез.докл. У Всесовз. научно-технической конф. по метрологическому обеспечению теплофизичэских измерений при низких температурах. 4.2. - Хабаровск, 1988. - С.30-31.

13. Энтальпия упорядочения в монокарбиде тантала / О.Н.Кол-добская, А.Н.Корнилов, В.Н.Липатников, А.А.Ремпель, А.И.Гусев, А.А.Гавриш // Тез.докл. XII Всесоюз. конф. по хим. термодкн. и калориметрии. 4.1. - Горький, 1988. - С.21.

14. Липатников В.Н., Гусев А.И. Магнитная восприимчивость ТаСу в неупорядоченном и упорядоченном состояниях // В сб. Химия твердого тела. - Свердловск: УПИ им. С.М.Кирова, 1988. - С.144-149.

15. Липатников В.Н., Ремпель А.А., Гусев А.И. Влияние упорядочения вакансий на параметры УКАИ-спектров ТаСу // Тез.докл. школы молодых ученых по химии твердого тела. - Свердловск, 1989. - С.16.

16. Липатников В.Н., Ремпель А.А., Гусев А.И. Влияние нестехиометрии и упорядочения на период базисной решетки карбида тантала // Тез.дскл. школы молодых ученых по химии твердого тела. - Свердловск, 1989. - С.18-19.

17

17. Липатников В.Н., Ремпель А.А., Гусев А.И. Теплоемкость упорядоченного и неупорядоченного карбида тантала // Тез.докл. школы молодых ученых по химии твердого тела. - Свердловск, 1989. - С.21-22.

18. Лилатников В.Н., Ремпель А.А., Гусев А.И. Расчет равновесия порядок-беспорядок в карбиде тантала // Тез.докл. У1 Все-союз. школы-семинара по применении математических методов для описания и изучения физико-химических равновесий. 4.2. - Новосибирск, 1989. - С.58-59.

19. Queer A.X.i Kempel A.A.« Lipatnikov V.N. The effect of atomic ordering on the structure-and properties of nonatoi-chiometric interstitial compqunds // XII European cryetallogra-phlc meeting. V.I. - Moscow, 1989. - P.341.

20. Лилатников В.Н., Ремпель A.A., Гусев А.И. Области упорядочения в бинарной системе Та - С // Тоз.докл. У Всесоюз. совещ. по диаграммам состояния металлических систем. - Звенигород, 1989. - С.38.

21. Липатников В.Н., Ремпель А.А., Гусев А.И. Теплоемкость карбида тантала в состояниях с разной степенью порядка // Физика твердого тела. - 1989. - T.3I, №10. - С.285-287.

22. Ремпель А.А., Липатников В.Н., Гусев А.И. Сверхструктура в нестехиоматрическом карбиде тантала // Докл. АН СССР. -1990. - Т.ЗЮ, JE4. - С.878-882.