Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью

Проведены измерения коэффициента термического расширения (КТР) образцов меди в виде проволок, обогащенных по стабильным изотопам ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. Определены температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР. Показано, что в каждой кривой одна из температурных аномалий была связана с аморфным...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2011
Hauptverfasser:	Троицкий, О.А., Дринков, А.В., Зайцев, С.В.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2011
Schriftenreihe:	Вопросы атомной науки и техники
Schlagworte:	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111431
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью / О.А. Троицкий, А.В. Дринков, С.В. Зайцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 132-135. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111431
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1114312017-01-10T03:05:33Z Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью Троицкий, О.А. Дринков, А.В. Зайцев, С.В. Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Проведены измерения коэффициента термического расширения (КТР) образцов меди в виде проволок, обогащенных по стабильным изотопам ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. Определены температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР. Показано, что в каждой кривой одна из температурных аномалий была связана с аморфным состоянием вещества, другая – с кристаллическим. Определены максимальные характеристические температуры Дебая для каждого изотопа в различных его фазах. Получены свидетельства того, что электропластическая деформация (ЭПД) способствует аморфизации веществ. Проведені виміри коефіцієнту термічного розширення (КТР) зразків міді у вигляді дротів, збагачених по стабільним ізотопам ⁶³Cu та ⁶⁵Cu. Визначені температури аномальних відхилень від гладкого ходу кривих КРТ. Показано, що в кожній кривій одна із температурних аномалій була пов’язана з аморфним станом речовини, інша – з кристалічним. Визначені максимальні характеристики температури Дебая для кожного ізотопу в різних його фазах. Отримані свідоцтва того, що електропластична деформація (ЕПД) сприяє аморфізації речовин. Several measurements of the coefficient of thermal expansion (CTE) of copper samples as wires enriched by stable isotopes ⁶³Cu and ⁶⁵Cu were carried out. Temperatures of abnormal deviation from the smooth shape of CTE curves are determined. It is shown that in each curve one of temperature abnormality was related with the amorphous state of the substance, while another –with crystalline state of the substance. Debay`s maximum characteristic temperatures for each isotopes in it`s different phases are determined. Evidence of the fact that EPD promotes amorphization of substances has been obtained. 2011 Article Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью / О.А. Троицкий, А.В. Дринков, С.В. Зайцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 132-135. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111431 621.771 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
spellingShingle	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей Троицкий, О.А. Дринков, А.В. Зайцев, С.В. Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью Вопросы атомной науки и техники
description	Проведены измерения коэффициента термического расширения (КТР) образцов меди в виде проволок, обогащенных по стабильным изотопам ⁶³Cu и ⁶⁵Cu. Определены температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР. Показано, что в каждой кривой одна из температурных аномалий была связана с аморфным состоянием вещества, другая – с кристаллическим. Определены максимальные характеристические температуры Дебая для каждого изотопа в различных его фазах. Получены свидетельства того, что электропластическая деформация (ЭПД) способствует аморфизации веществ.
format	Article
author	Троицкий, О.А. Дринков, А.В. Зайцев, С.В.
author_facet	Троицкий, О.А. Дринков, А.В. Зайцев, С.В.
author_sort	Троицкий, О.А.
title	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
title_short	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
title_full	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
title_fullStr	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
title_full_unstemmed	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
title_sort	проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2011
topic_facet	Влияние на структуру и свойства конструкционных материалов внешних физических полей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111431
citation_txt	Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью / О.А. Троицкий, А.В. Дринков, С.В. Зайцев // Вопросы атомной науки и техники. — 2011. — № 4. — С. 132-135. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT troickijoa problemyamorfizaciiveŝestvvklûčaâmonoizotopičeskiesvâzʹsélektroplastičnostʹûisverhprovodimostʹû AT drinkovav problemyamorfizaciiveŝestvvklûčaâmonoizotopičeskiesvâzʹsélektroplastičnostʹûisverhprovodimostʹû AT zajcevsv problemyamorfizaciiveŝestvvklûčaâmonoizotopičeskiesvâzʹsélektroplastičnostʹûisverhprovodimostʹû
first_indexed	2025-07-08T02:10:22Z
last_indexed	2025-07-08T02:10:22Z
_version_	1837042891486134272
fulltext	УДК 621.771 ПРОБЛЕМЫ АМОРФИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВ, ВКЛЮЧАЯ МОНОИЗОТОПИЧЕСКИЕ, СВЯЗЬ С ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧНОСТЬЮ И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬЮ О.А. Троицкий1, А.В. Дринков1 С.В. Зайцев2 1Институт машиноведения им А.А. Благонравова РАН, НПП «Институт ЭПДМ», Москва, Россия; 2Научно-исследовательский институт ядерной физики МГУ, Москва, Россия E-mail: oatroitsky@rambler.ru Проведены измерения коэффициента термического расширения (КТР) образцов меди в виде проволок, обогащенных по стабильным изотопам 63Cu и 65Cu. Определены температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР. Показано, что в каждой кривой одна из температурных аномалий была связана с аморфным состоянием вещества, другая – с кристаллическим. Определены максимальные характеристические температуры Дебая для каждого изотопа в различных его фазах. Получены свидетельства того, что электропластическая деформация (ЭПД) способствует аморфизации веществ. 1. ВВЕДЕНИЕ Данные о квазикристаллах и исследования дисперсности материалов выдвинули проблему соотношения между аморфным, кристаллическим и квазикристаллическим состояниями вещества. Выяснилось, что на основании резко очерченных характеристик потенциальной энергии структур каждого из трех состояний и по соотношению их физических свойств может быть построен классификационный треугольник, одну вершину которого займут вещества с нормальной кристаллической структурой, другую - с квазикристаллической, третью - с аморфным состоянием вещества. Должны иметь место структурные переходы от аморфного к квазикристаллическому либо к кристаллическому состояниям вещества и наоборот. Указанные состояния испытывают взаимные превращения, особенно под влиянием энергети- ческих воздействий. Например, аморфное состояние вещества можно переводить в квазикристаллическое путем специальной деформации, например, электропластической (ЭПД). Относительно недавно была опубликована работа по электропластической деформации нанотрубок углерода [1]. Обычно их разрушение происходит практически без остаточной деформа- ции, но упругая деформация перед разрушением достигает необычно больших величин - порядка 15 %. В указанной работе была осуществлена пластификация нанотрубок путем пропускания через них электрического тока во время деформации растяжением. Для подобного тонкого опыта использовался пьезоманипулятор. С его помощью осуществлялось растяжение нанотрубок с разным числом слоев и разных диаметров. Начальная длина образцов составляла 24 нм. Во время растяжения по ним пропускался ток величиной 100 мкА. При этом плотность тока достигала гигантских величин, порядка 10 МА/мм2. В результате образцы пластифицировались и затем разрушались при существенно большой пластической деформации, порядка 300 %. Трубки с исходным диаметром 12 нм после электропластической деформации имели уже диаметр 0,8 нм и длину до 91 нм. К существенным характеристикам аморфных веществ можно отнести их качественные отличия от свойств кристаллических веществ при Т < θ (θ - температура Дебая). Известно большое количество чистых металлов - Cr, Ni, Mn, Co, Ti, Pd, Y, W, Ta, Re, Nb и т.д. - и множество сплавов, которые при низкотемпературной конденсации или при больших скоростях охлаждения переходят в аморфное состояние [2]. Поскольку кристаллические, квазикристаллические и аморфные вещества можно рассматривать в качестве систем, характеризующихся различными энергетическими уровнями, то сам переход их из одного состояния в другое должен сопровождаться изменением энергии кристаллизации при образовании квазикристаллов, а в случае аморфизации – энергией затвердевания. Важной их характеристикой является температурная зависимость коэффициента теплового расширения. Она изучалась нами на образцах поликристаллической меди в интервале температур 20…30 К. Проведенные во ВНИИФТРИ эксперименты показали, что при определенных температурах возникают аномальные отклонения от гладкого хода стандартной кривой коэффициента термического расширения (КТР). Целью настоящей работы являлось проведение измерений КТР образцов меди в виде проволок, обогащенных по стабильным изотопам 63Cu и 65Cu, с определением температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР. Подобные непростые эксперименты в предположении, что одна из температурных аномалий может быть связана с аморфным состоянием вещества, а другая – с кристаллическим состоянием, позволят получить доказательства наличия тонкого эффекта влияния изотопного состава образцов (по стабильным изотопам) на колебательные процессы решетки металла, тепловое расширение и температуру Дебая для каждого стабильного изотопа в его различных твердофазных состояниях. 132 ВОПРОСЫ АТОМНОЙ НАУКИ И ТЕХНИКИ. 2011. №4. Серия: Физика радиационных повреждений и радиационное материаловедение (98), с. 132-135. mailto:oatroitsky@rambler.ru 2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Исследованы образцы c 10 и 90 % содержанием 63Cu, а также c 2,3 и 97,7 % содержанием 65Cu. Для экспериментального определения КТР меди и её обогащенных изотопами образцов использовался кварцевый дилатометр с ценой деления 6,9·10-9 м в интервале температур 20…30 К и точностью термостатирования равной ± 0,005 К. Температура измерялась с помощью платинового термометра типа ТСПН-2, точность измерений составляла ± 0,01 К. Температурный шаг в интервале температур 20…80 К выбирался равным 5 К, а в интервале 80…300 К – 8 К. (При этом среднеквадратическое отклонение значений КТР составляло +4·10-8 К-1). Построенные по полученным данным кривые позволили выявить отклонения от гладкого их хода: у меди, обогащенной изотопом 65Cu, они фиксируются при температурах 134 и 160 К, тогда как у меди с 63Cu – при температурах 147,5 и 175,5 К. У меди, обогащенной отдельными изотопами, по сравнению с естественной изотопной смесью, изменения параметра КТР (отклонения от хода стандартной кривой) составляют 10…12 % при 300 К. Первый пик в фононных спектрах металлов обычно проявляется на частоте, примерно равной половине максимальной частоты [4]. Это позволяет наблюдаемые температуры аномальных отклонений от гладкого хода кривой КТР определять как частотные пики, которые возникают в поперечных ветвях спектра [5]. Из этих данных следует предположение, что в каждой кривой одна из температурных аномалий связана с аморфным состоянием вещества, тогда как другая – с кристаллическим. Основываясь на этих предположениях, оказалось возможным определить характеристические температуры для каждого изотопа в различных его фазах. ПОЛУЧЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ В табл. 1 приведены температуры Тс1(К), Тс2(К) аномальных отклонений от гладкого хода кривых КТР и температуры Дебая для кристаллических (Θк) и аморфных (Θа) фаз. Таблица 1 Температура, К Материал Тс1 Тс2 Θк Θа Медь (63Cu) 175,5 147,5 351 295 Медь (65Cu) 160,0 134,0 320 268 Отношение Тс1/Тс2 называется коэффициентом аморфизации (К), равным согласно [3] 1,19 для данного конкретного случая. В [6] было показано, что все моды частот кристаллической плотности состояний при переходе от кристаллического к аморфному состоянию уменьшаются на подобный множитель. Мы считаем, что существует связь указанного параметра с кристаллографической симметрией или с квазикристаллическими формами вещества. Для естественной смеси изотопов меди характеристическую температуру Дебая можно рассчитать по уравнению, аналогичному применяемому при определении критических температур газовых смесей при соответствующей замене Ткрит на Qi, а именно: Qк = Qк1·Х1 + Qк2·Х2, где Х1 и Х2 – концентрации изотопов в природной смеси изотопов меди. Полученная по этому уравнению расчетная температура Дебая для меди была близка к экспериментально полученному значению в работе [7] при измерениях удельной теплоемкости. Температура Дебая, зафиксированная при рентгеновских исследованиях [8], интерпретируется нами как относящаяся к аморфному состоянию естественной смеси меди. Ее также можно рассчитывать по приведенному уравнению. Наша интерпретация согласуется с работой [9], в которой показано, что у золота и меди самый верхний слой толщиной до 5 нм – аморфный, или практически аморфный, и состоит из отдельных неориентированных молекул или из чрезвычайно маленьких перепутанных кристаллов. Для выявления зависимости аморфизации от степени измельчения вещества были проведены эксперименты по измерению КТР в образцах, приготовленных из порошкообразной меди. Была установлена зависимость величины отклонений КТР от стандартной кривой от дисперсности порошков. При этом с увеличением дисперсности параметр КТР возрастал. Влияние степени дисперсности было определено при измерении КТР изотопически обогащенных образцов меди, подвергавшихся плавке в печи (ИФТТ РАН, Черноголовка). Оказалось, что в пределах точности дилатометрических измерений кривые хода температур Дебая для различных изотопов меди совпадают с небольшим отклонением (до 27 К), но с повышением температуры они расходятся, что не может быть объяснено различием масс изотопов, так как поведение последних при температурах, больших Θ/20 (для меди ≈>17 К), должно быть одинаковым. Мы предполагаем, что указанное поведение кривых КТР определяется частичной аморфизацией меди, обогащенной тем или иным изотопом. Косвенным подтверждением таких предположений и выводов является то, что кривая КТР для 65Cu лежит выше кривой КТР для 63Cu. Относительно меди, в частности, отметим также, что в работе [8] температура Дебая, определенная путем замера рассеяния рентгеновских лучей, оказалась равной Θ = 285 К. Этот параметр, полученный при согласовании данных рентгеновского рассеяния со структурной моделью, помноженный на коэффициент аморфизации К = 1,19, меньше температуры Дебая равной Θ = 343 К [10]. «Интегральное» значение температуры Дебая, полученное из данных рентгеновского рассеяния, по-видимому, связано с частичной аморфностью поверхности измеряемых 133 образцов. Так можно объяснить имеющееся расхождение в значениях температуры Дебая для меди у разных авторов. Нами были получены температуры Дебая для ряда элементов как в кристаллическом, так и в аморфном состояниях (табл. 2). Они имеют вполне удовлетворительные совпадения с эксперимен- тальными данными других авторов. Таблица 2 Температура Дебая, К Материал Θк Θа Алюминий 400 336 Иттрий 214 180 Медь (63Cu) 351 295 Медь (65Cu) 320 268 Германий 374 315 Серебро 221 185,6 Молибден 377 317 Что касается аморфизации технических материалов, например стали, то она, как правило, также связана с такими «хорошими» примесями, как медь, и такими «плохими» примесями, как свинец. Отметим, что решетки пленок металлов, осажденных на низкотемпературную подложку, состоящую из тех же металлов что и осаждаемые, обнаруживают значения температуры Дебая более высокие, чем решетки подложки. Разница в размерах решетки была зафиксирована для Cu, Ag, Au, Ni, Ta под влиянием примесей O, N, H, которые, возможно, являются причиной аморфизации пленок. Факт влияния примесей на появление аморфного состояния вещества был установлен, например, при конденсации Mo на сапфировые и кремниевые подложки при 4 К в вакууме 10-4…10-6 Торр. В обычных условиях получаются пленки с кристаллической структурой, а при введении в процесс напыления примеси азота возникают уже аморфные структуры [11]. При разрушении кристаллической решетки происходят и другие превращения – брегговские отражения от пленок размываются в один или два широких пика, а граница зон Бриллюэна утрачивает свое значение. В результате энергетические щели практически пропадают, и расплавленные полупроводники приобретают металлические свойства [12]. Аморфное состояние веществ, таким образом, в структурном отношении обладает особенностями строения структурируемых жидкостей, в частности, расплавов металлов, чему были посвящены работы Н.А. Ватолина [13] и других авторов. Несмотря на выявленные опытным путем сходства строения аморфных веществ и остеклованных расплавов, оба эти состояния характеризуются своими потенциальными энергиями, и это является основной причиной проявления ими различных физических свойств. В заключение отметим, что в случаях аморфизации и квазикристаллизации веществ происходит также повышение критических температур Ткр сверхпроводящего n-s-перехода, что наблюдалось нами в предварительных экспериментах на металлических стеклах, предоставленных нам Гонг-Конгским университетом. Эффект повышения температуры Ткр наблюдался также чилийским ученым Альваро Сан Мартино в результате проведенной им ЭПД интерметаллических соединений типа А2В3 [7]. Следовательно, ЭПД, вероятно, также способствует аморфизации проводящих веществ, особенно в приповерхностных областях при прокатке и волочении образцов с током. В этом направлении мы продолжаем исследования. Подобный результат, возможно, будет иметь место также после ЭПД металлических стекол, обладающих свойством сверхпроводимости. ЛИТЕРАТУРА 1. J.Y. Huang, S. Chen, Z. Wang, K. Kempa, Y.M. Wang, S.H. Jo, G. Chen, M.S. Dresselhaus, and Z.F. Ren // Superplastic carbon nanotubes, Nature. 2006, v. 439, p.281-290. 2. В.М. Кузьменко и др. Критические параметры аморфных металлических пленок // УФЖ. 1976, т. 21, №6, с. 883-892. 3. V. Gallina, M. Omini // J. Phys. and Chem. Solids. 1966, v. 27, N 9, p. 1479-1493. 4. Физика низких температур / Под ред. А.И. Шальникова. М.: «Изд-во иностр. лит.», 1959, 485 с. 5. А.А. Кацнельсон. Введение в физику твердого тела. М.: Изд-во МГУ, 1984, 520 с. 6. C.N. King and Phillips. Low-Temperature Heat Capacity of Amorphous Germanium // Phys. Letters. 1974, v. 32, №10, p. 193-196. 7. D.L. Martin Canad // Journal of Phys. 1960, v. 38, N 1, p. 25-30. 8. P.A. Flinn, G.M. Mc Manus, J.A. Rayne // Phys. Rev. 1961, v. 123, p. 809-811. 9. А.В. Шубников // Сборник статей Ломоносовского института геохимии, кристаллографии и минералогии. Крист. сер. 1936, в. 8, с. 71-93. 10. B. Schroeder, W. Grossman // Proc. 4 Intern. Conf. On the Phys. On Non-crystal. Solids. 1977, p. 190. 11. H. Luo and K. Andres // Phys. Rev. B. 1970, N 7, p. 3002. 12. Дж. Займан. Электроны в металлах // УФН. 1962, т. LXXVIII, в. 2, с. 291-306. 13. Н.А. Ватолин. Металлические сплавы. Состояние исследований // Вестник Академии наук СССР. М., 1983, №8, с. 62-73. Статья поступила в редакцию 21.07.2011 г. 134 ПРОБЛЕМИ АМОРФІЗАЦІЇ РЕЧОВИН, ВКЛЮЧАЮЧИ МОНОІЗОТОПІЧНІ, ЗВ'ЯЗОК З ЕЛЕКТРОПЛАСТИЧНІСТЮ І НАДПРОВІДНІСТЮ О.О.Троїцький, О.В.Дринков, С.В.Зайцев Проведені виміри коефіцієнту термічного розширення (КТР) зразків міді у вигляді дротів, збагачених по стабільним ізотопам 63Cu та 65Cu. Визначені температури аномальних відхилень від гладкого ходу кривих КРТ. Показано, що в кожній кривій одна із температурних аномалій була пов’язана з аморфним станом речовини, інша – з кристалічним. Визначені максимальні характеристики температури Дебая для кожного ізотопу в різних його фазах. Отримані свідоцтва того, що електропластична деформація (ЕПД) сприяє аморфізації речовин. PROBLEMS OF SUBSTANCE AMORPHIZATION, RELATIONSHIP WITH ELECTROPLASTICITY AND SUPERCONDUCTIVITY O.A. Troitsky, A.V. Drinkov, S.V. Zaytsev Several measurements of the coefficient of thermal expansion (CTE) of copper samples as wires enriched by stable isotopes 63 Cu and 65Cu were carried out. Temperatures of abnormal deviation from the smooth shape of CTE curves are determined. It is shown that in each curve one of temperature abnormality was related with the amorphous state of the substance, while another –with crystalline state of the substance. Debay`s maximum characteristic temperatures for each isotopes in it`s different phases are determined. Evidence of the fact that EPD promotes amorphization of substances has been obtained. 135 ПРОБЛЕМЫ АМОРФИЗАЦИИ ВЕЩЕСТВ, ВКЛЮЧАЯ МОНОИЗОТОПИЧЕСКИЕ, СВЯЗЬ С ЭЛЕКТРОПЛАСТИЧНОСТЬЮ И СВЕРХПРОВОДИМОСТЬЮ

Проблемы аморфизации веществ, включая моноизотопические, связь с электропластичностью и сверхпроводимостью

Institution

Ähnliche Einträge