Контактным плавлением (КП) называется образование жидкости в контакте двух и более веществ при температуре, меньшей, чем температура плавления наиболее легкоплавкого из них [1]. Температура, при которой начинается плавление образцов, получила название температуры контактного плавления (ТКП). Она определяется только природой контактируемых веществ. КП возможно только в системах эвтектического типа (ЭТ), т.е. с точкой минимума на диаграмме состояния (ДС). Таким образом, КП и диаграмма состояния эвтектического типа тесно взаимосвязаны. Это означает, что КП может использоваться как метод получения сплавов эвтектического состава (ЭС).
Раскрытие начальной стадии КП в определенной степени способствует пониманию природы легкоплавкости эвтектик, т.к. любая жидкая зона, полученная между компонентами А и В при температуре Топыта ≥ Тэвт, как обязательное, содержит сплав эвтектического состава.
К настоящему времени, пока ещё нет однозначного ответа ни на природу и механизм КП, ни на легкоплавкость эвтектик. Поэтому новая идея, способствующая решению этой проблемы, представляет большой научный интерес у исследователей этого направления.
Точка зрения на состав и структуру эвтектических сплавов менялась по мере исследования данного вопроса. В работах Д.И.Менделеева, А.И. Горбова, Н.В. Гевелинга и других она сводилась к тому, что эвтектика есть химическое соединение [2] .
Однако, в 1912 г. Н.А. Пушин и И.В. Гребенщиков показали, что «повышение давления изменяет положение эвтектической точки в системе из двух органических веществ». Именно это послужило причиной отказа от представления об эвтектике, как о химсоединении [2] .
Многочисленные рентгенофазовые и рентгеноструктурные исследования [3], проведенные в различных эвтектических сплавах согласуются с последним утверждением.
Позже появилась точка зрения об эвтектике как о механической смеси простых фаз, состав которых соответствует предельной растворимости компонента А в В (α-фаза) и В в А (β-фаза). Вопрос об их образовании из жидкости или твердой фазы остаётся открытым.
Дальнейшее развитие это направление нашло в теоретических работах Ю.М. Гуфана, А.А. Ахкубекова и А.Ю. Гуфана [4]. Суть работы сводится к тому, что жидкая фаза вблизи Тэвт, каким бы образом она не была получена, находится в гетерогенном состоянии и является равновесным. Отмечается, «… что пространственно неоднородное состояние может быть равновесным и даже «основным», т.е. самым стабильным при данных условиях, это широко известный из физико-химического анализа факт».
Выше отмечали, что в контакте разнородных кристаллов, при Тэвт естественным образом, возникает жидкость ЭС, т.е. методом КП можно получать сплавы ЭС.
Теперь, кратко о КП. Существует следующие взгляды на природу КП: диффузионный [5], адсорбционно-полевой [6] и нуклеационный [7] и др. Во всех названных подходах не просматриваются ответы на вопросы: о причине возникновения очагов жидкой фазы, о скоротечность её возникновения, о её легкоплавкости.
Данное сообщение, являясь продолжением работы [8], ставит своей целью обсудить возможный вариант ответа на сформулированную выше проблему при Топыт ≥ Тэвти.
При решении поставленной выше задачи мы используем идею об особенности динамики решетки в тонком слое, заключающуюся «…в увеличении среднеквадратичного смещения атомов двух межфазных поверхностей, которые убывают обратно пропорционально расстоянию до поверхности» [9]; использовали проявление размерного эффекта взаимной диффузии и растворимости компонентов в малых объемах (в нашем случае это контакт шероховатостей нано-размерных протяжённостей, имеющихся на поверхности приводимых в контакт кристаллов) [10].
Использовали так же широко обсуждаемое в научной литературе явление размерного эффекта плавления [11, 12].
Предложенную точку зрения сопоставляли с результатами наблюдения визуализации начальной стадии КП сотрудниками Кабардино-Балкарского госуниверситете (см. ниже). Методика, проведения которой, описана в работе [13].
Объектом исследования являлась эвтектическая система Bi-Sn, Тэвт массивных образцов которой составляет 139 °С. Чистота используемых металлов не менее 99,999 %.
Результаты наблюдений приведены на рисунке.
На фото 1 представлено состояние поверхности образцов до контактирования (слева – олово, справа – висмут) Как видно из фото, поверхность образцов сильно развита; имеются выступы различной протяжённости, лежащие в широком интервале размеров (от 10 до – 100 и более нм.) Размеры выступов сравнивали с размерами кантилевера, острие, которого составляет 9-12 нм.
1-6 – этапы образования «нитей» в контакте микро (нано) объектов Sn и Bi, при температуре 70 °С, x6∙105
Фото 2-6 демонстрируют начало формирования и рост жидкой зоны в контакте двух наноразмерных выступов: фото 2 – два выступа до контактирования; 3 – контакт осуществлён. Отметим, что жидкость появляется при 60-80 °С (в то время как Тэвт = 139 °С). Методика позволяет разъединять образцы после контакта, что даёт возможность контролировать состояние зоны соединения: появилась жидкость или нет. Фото 4-6 демонстрируют этапы образования «нитей», вид которых доказывает, что они получены из жидкой фазы.
Таким образом, описанное выше приведённое наблюдение подтверждает, что причиной образования очагов жидкой фазы на начальной стадии КП является размерный эффект плавления низко- (нано) размерных объектов.
Предложенный нами подход и экспериментально наблюдаемый процесс КП на наноуровне дают возможность сделать предположение о низкоплавкости твердых эвтектик. Как было указано вначале, при кристаллизации сплава эвтектического состава из расплава образуются α- и β-фазы. В контакте между которыми, в свою очередь, образуются переходные слои более высокой дисперсности по сравнению с исходными α- и β-фазами. Образовавшиеся переходные слои в свою очередь диспергируют на ещё более тонкие слои и т.д., т.е. проявляется низкоразмерный эффект плавления во вновь образующихся слоях. Этот процесс и предопределяет, на наш взгляд, низкоплавкость эвтектик.
Вывод. Предложена идея, позволяющая объяснить скоротечность появления жидких очагов в зоне контакта эвтектических систем и их низкоплавкость, в основу которой положены, во- первых, размерный эффект диффузии и растворимость компонентов в контакте микро- наноразмерных выступов, имеющихся на контактируемых поверхностях металлов, во-вторых, проявление размерного эффекта плавления объектов наноразмерных величин. Экспериментальные наблюдения, проведённые в системе Bi-Sn, согласуются с предлагаемой авторами точкой зрения.
Контактным плавлением (КП) называется образование жидкости в контакте двух и более веществ при температуре, меньшей, чем температура плавления наиболее легкоплавкого из них [1]. Температура, при которой начинается плавление образцов, получила название температуры контактного плавления (ТКП). Она определяется только природой контактируемых веществ. КП возможно только в системах эвтектического типа (ЭТ), т.е. с точкой минимума на диаграмме состояния (ДС). Таким образом, КП и диаграмма состояния эвтектического типа тесно взаимосвязаны. Это означает, что КП может использоваться как метод получения сплавов эвтектического состава (ЭС).
Раскрытие начальной стадии КП в определенной степени способствует пониманию природы легкоплавкости эвтектик, т.к. любая жидкая зона, полученная между компонентами А и В при температуре Топыта ≥ Тэвт, как обязательное, содержит сплав эвтектического состава.
К настоящему времени, пока ещё нет однозначного ответа ни на природу и механизм КП, ни на легкоплавкость эвтектик. Поэтому новая идея, способствующая решению этой проблемы, представляет большой научный интерес у исследователей этого направления.
Точка зрения на состав и структуру эвтектических сплавов менялась по мере исследования данного вопроса. В работах Д.И.Менделеева, А.И. Горбова, Н.В. Гевелинга и других она сводилась к тому, что эвтектика есть химическое соединение [2] .
Однако, в 1912 г. Н.А. Пушин и И.В. Гребенщиков показали, что «повышение давления изменяет положение эвтектической точки в системе из двух органических веществ». Именно это послужило причиной отказа от представления об эвтектике, как о химсоединении [2] .
Многочисленные рентгенофазовые и рентгеноструктурные исследования [3], проведенные в различных эвтектических сплавах согласуются с последним утверждением.
Позже появилась точка зрения об эвтектике как о механической смеси простых фаз, состав которых соответствует предельной растворимости компонента А в В (α-фаза) и В в А (β-фаза). Вопрос об их образовании из жидкости или твердой фазы остаётся открытым.
Дальнейшее развитие это направление нашло в теоретических работах Ю.М. Гуфана, А.А. Ахкубекова и А.Ю. Гуфана [4]. Суть работы сводится к тому, что жидкая фаза вблизи Тэвт, каким бы образом она не была получена, находится в гетерогенном состоянии и является равновесным. Отмечается, «… что пространственно неоднородное состояние может быть равновесным и даже «основным», т.е. самым стабильным при данных условиях, это широко известный из физико-химического анализа факт».
Выше отмечали, что в контакте разнородных кристаллов, при Тэвт естественным образом, возникает жидкость ЭС, т.е. методом КП можно получать сплавы ЭС.
Теперь, кратко о КП. Существует следующие взгляды на природу КП: диффузионный [5], адсорбционно-полевой [6] и нуклеационный [7] и др. Во всех названных подходах не просматриваются ответы на вопросы: о причине возникновения очагов жидкой фазы, о скоротечность её возникновения, о её легкоплавкости.
Данное сообщение, являясь продолжением работы [8], ставит своей целью обсудить возможный вариант ответа на сформулированную выше проблему при Топыт ≥ Тэвти.
При решении поставленной выше задачи мы используем идею об особенности динамики решетки в тонком слое, заключающуюся «…в увеличении среднеквадратичного смещения атомов двух межфазных поверхностей, которые убывают обратно пропорционально расстоянию до поверхности» [9]; использовали проявление размерного эффекта взаимной диффузии и растворимости компонентов в малых объемах (в нашем случае это контакт шероховатостей нано-размерных протяжённостей, имеющихся на поверхности приводимых в контакт кристаллов) [10].
Использовали так же широко обсуждаемое в научной литературе явление размерного эффекта плавления [11, 12].
Предложенную точку зрения сопоставляли с результатами наблюдения визуализации начальной стадии КП сотрудниками Кабардино-Балкарского госуниверситете (см. ниже). Методика, проведения которой, описана в работе [13].
Объектом исследования являлась эвтектическая система Bi-Sn, Тэвт массивных образцов которой составляет 139 °С. Чистота используемых металлов не менее 99,999 %.
Результаты наблюдений приведены на рисунке.
На фото 1 представлено состояние поверхности образцов до контактирования (слева – олово, справа – висмут) Как видно из фото, поверхность образцов сильно развита; имеются выступы различной протяжённости, лежащие в широком интервале размеров (от 10 до – 100 и более нм.) Размеры выступов сравнивали с размерами кантилевера, острие, которого составляет 9-12 нм.
1-6 – этапы образования «нитей» в контакте микро (нано) объектов Sn и Bi, при температуре 70 °С, x6∙105
Фото 2-6 демонстрируют начало формирования и рост жидкой зоны в контакте двух наноразмерных выступов: фото 2 – два выступа до контактирования; 3 – контакт осуществлён. Отметим, что жидкость появляется при 60-80 °С (в то время как Тэвт = 139 °С). Методика позволяет разъединять образцы после контакта, что даёт возможность контролировать состояние зоны соединения: появилась жидкость или нет. Фото 4-6 демонстрируют этапы образования «нитей», вид которых доказывает, что они получены из жидкой фазы.
Таким образом, описанное выше приведённое наблюдение подтверждает, что причиной образования очагов жидкой фазы на начальной стадии КП является размерный эффект плавления низко- (нано) размерных объектов.
Предложенный нами подход и экспериментально наблюдаемый процесс КП на наноуровне дают возможность сделать предположение о низкоплавкости твердых эвтектик. Как было указано вначале, при кристаллизации сплава эвтектического состава из расплава образуются α- и β-фазы. В контакте между которыми, в свою очередь, образуются переходные слои более высокой дисперсности по сравнению с исходными α- и β-фазами. Образовавшиеся переходные слои в свою очередь диспергируют на ещё более тонкие слои и т.д., т.е. проявляется низкоразмерный эффект плавления во вновь образующихся слоях. Этот процесс и предопределяет, на наш взгляд, низкоплавкость эвтектик.
Вывод. Предложена идея, позволяющая объяснить скоротечность появления жидких очагов в зоне контакта эвтектических систем и их низкоплавкость, в основу которой положены, во- первых, размерный эффект диффузии и растворимость компонентов в контакте микро- наноразмерных выступов, имеющихся на контактируемых поверхностях металлов, во-вторых, проявление размерного эффекта плавления объектов наноразмерных величин. Экспериментальные наблюдения, проведённые в системе Bi-Sn, согласуются с предлагаемой авторами точкой зрения.
Библиографическая ссылка
Ахкубекова С.Н., Найда А.А. О ВЗАИМОДЕЙСТВИИ РАЗНОРОДНЫХ МЕТАЛЛОВ, ПРИВОДЯЩЕМ К КОНТАКТНОМУ ПЛАВЛЕНИЮ // Современные наукоемкие технологии. – 2013. – № 6. – С. 46-48;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=31969 (дата обращения: 21.11.2024).