Поверхностное натяжение жидких разбавленных сплавов на основе олова, индия и смачивание меди и спецсталей олово-серебряной и свинец-висмутовой эвтектиками 01. 04. 07. физика конденсированного состояния

Вид материала

Автореферат

Содержание Научный руководитель Дадашев Райком Хасимханович Общая характеристика работы Основное содержание работы Т – температура, – концентрация i Цитируемая литература

Подобный материал:

• Учебно-методический комплекс по дисциплине Физика Конденсированного Состояния Для специальности, 322.8kb.
• Паспорт специальности 01. 04. 07 – физика конденсированного состояния, 1004.81kb.
• Кинетика старения медно-бериллиевых сплавов в постоянном магнитном поле 01. 04., 427.06kb.
• Ён Викторович Методы визуализации кинетики зарождения и роста углеродных наноструктур, 219.01kb.
• Рабочая программа учебной дисциплины «Физика конденсированного состояния, термодинамика,, 223.9kb.
• Влияние электромагнитных полей на фазовый состав и структуру жидко-твердых сплавов, 820.51kb.
• Министерство образования Российской Федерации международный университет природы, общества, 1374.95kb.
• Эффект Холла и магнетосопротивление неупорядоченных магнитных систем на основе кремния, 334.2kb.
• Рабочая программа дисциплины «нелинейные уравнения математической физики» Рекомендовано, 163.22kb.
• 010600 Физика конденсированного состояния вещества, 483.85kb.

На правах рукописи

Кашежев Аслан Зарифович

ПОВЕРХНОСТНОЕ НАТЯЖЕНИЕ

ЖИДКИХ РАЗБАВЛЕННЫХ СПЛАВОВ НА ОСНОВЕ

ОЛОВА, ИНДИЯ И СМАЧИВАНИЕ МЕДИ И СПЕЦСТАЛЕЙ

ОЛОВО-СЕРЕБРЯНОЙ И СВИНЕЦ-ВИСМУТОВОЙ ЭВТЕКТИКАМИ

01.04.07. – физика конденсированного состояния

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата физико-математических наук


Нальчик 2009

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

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук, профессор Созаев Виктор Адыгеевич
Официальные оппоненты:	доктор физико-математических наук, профессор Дадашев Райком Хасимханович доктор технических наук, профессор Дохов Мухамед Пашевич
Ведущая организация:	Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН, г. Москва

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


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


Автореферат разослан 26 ноября 2009 года


Ученый секретарь

диссертационного совета А.А. Ахкубеков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ


Актуальность темы. Знание надежных данных по поверхностному натяжению металлов и их сплавов необходимо для построения теории поверхностных явлений жидкометаллических систем. Особый практический интерес вызывают исследования влияния малых высокоактивных и адгезионно-активных добавок на поверхностные свойства металлов в связи с разработкой новых бессвинцовых припоев, систем металлизации керамик и полупроводников, жидкометаллических теплоносителей для энергетических установок и т.д. Несмотря на большой объем исследований поверхностных свойств металлических систем, влияние щелочноземельных добавок на поверхностное натяжение олова пока не изучено. Недостаточно исследованы политермы поверхностного натяжения околоэвтектических сплавов системы олово – серебро, которая является основой для получения многих бессвинцовых припоев для электроники.

В литературе обнаружено наличие порога смачивания расплавами индий – титан (с концентрацией титана менее 0,5 ат.%) фторида кальция [1], однако механизм явления до конца не выяснен. Данных по поверхностному натяжению сплавов индий – титан в литературе нет.

Расплавы на основе свинца, в частности, свинец – висмутовая эвтектика, находят применение в атомных реакторах на быстрых нейтронах в качестве жидкометаллических теплоносителей. В последнее время разработаны новые реакторные высоконикелевые и ферритно-мартенситные стали, поэтому представляет интерес изучение температурной зависимости углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой таких реакторных сталей.

В исследованиях по изучению поверхностных свойств зачастую используются стеклянные приборы, которые не позволяют проводить эксперименты в области высоких температур, в процессе обмера капель используются устаревшие методики, что вносит дополнительные ошибки при оценке поверхностного натяжения, снижает производительность труда и увеличивает затраты на закупку фотопластинок и химических реактивов. Поэтому при изучении поверхностного натяжения жидкометаллических расплавов важен переход на новые информационные технологии.

Научно-исследовательская работа выполнялась в рамках фундаментальных исследований по направлению «Физика межфазных явлений» и была частично поддержана Российским Фондом Фундаментальных Исследований (гранты РФФИ №№ 05-08-18038-а «Теоретические и экспериментальные исследования влияния малых добавок щелочных металлов на поверхностные свойства свинца, алюминия и индия» и 09-08-90704-моб_ст «Научная работа российского молодого ученого Кашежева Аслана Зарифовича в Учреждении Российской академии наук Объединенном институте высоких температур РАН»).

Цель работы. Исследование влияния малых примесей на плотность и поверхностное натяжение олова, индия и свинца и смачивание меди, графита, реакторных сталей выбранными системами.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Изучить влияние бария, стронция и серебра на политермы плотности и поверхностного натяжения олова.

2. Изучить влияние малых добавок титана на политермы плотности и поверхностного натяжения индия.

3. Установить температурные зависимости углов смачивания расплавами олово – серебро меди.

4. Установить температурные зависимости углов смачивания свинец – висмутовой эвтектикой реакторных высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей.

5. Изучить температурную зависимость углов смачивания оловом, индием и свинцом графита.

Научная новизна полученных результатов:

1. Впервые изучены политермы плотности и поверхностного натяжения расплавов олово – барий, олово – стронций, индий – титан в широком интервале температур. Политермы плотности хорошо описываются линейными уравнениями.
   
2. Установлено, что политермы поверхностного натяжения в системах олово – серебро, олово – стронций, индий – титан проходят через максимум, что объясняется перераспределением примесных атомов между объемом и поверхностью расплава.
   
3. Установлены пороги смачивания (при температурах 675-685 K) расплавами олово – серебро (при концентрациях серебра 3,8; 0,1; 0,05; 0,03; 0,01 ат.%) меди. С убыванием концентрации примеси в олове пороги смачивания проявляются в меньшей степени.
   
4. Изучены политермы углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей, обнаружены пороги смачивания.
   
5. Изучены политермы углов смачивания графита оловом, индием и свинцом: в исследованном интервале температур угол смачивания  > 140.
   

Практическая ценность результатов. Полученные экспериментальные данные по политермам плотности и поверхностного натяжения сплавов олово – серебро, олово – барий, олово – стронций, индий – титан могут найти применение при разработке новых бессвинцовых припоев и систем металлизации изделий электроники. Результаты по политермам углов смачивания свинец-висмутовой эвтектикой реакторных сталей могут найти применение при создании энергетических установок нового поколения.

Результаты работы использовались в учебном процессе при чтении спецкурса «Поверхностные свойства конденсированных фаз» на Физическом факультете Кабардино-Балкарского государственного университета им. Х.М. Бербекова.

Достоверность основных результатов подтверждена повторением экспериментов в одних и тех же условиях, а также согласием с соответствующими данными других авторов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Данные по температурной зависимости плотности и поверхностного натяжения расплавов олово – серебро, олово – барий, олово – стронций, индий – титан (с малыми добавками второго компонента);
   
2. Наличие максимумов на температурных зависимостях поверхностного натяжения расплавов олово – серебро, олово – стронций, индий – титан;
   
3. Установленные пороги смачивания расплавами олово – серебро меди;
   
4. Установленные пороги смачивания свинец-висмутовой эвтектикой высоконикелевых и ферритно-мартенситных реакторных сталей.
   

Все представленные в работе результаты получены автором лично.

Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на 5 Российской научно-технической конференции «Физические свойства металлов и сплавов» (ФСМиС-V, г. Екатеринбург, 16-18 ноября 2009), I Международном, междисциплинарном симпозиуме «Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов» (TDMPM, г. Пятигорск, 8-12 ноября 2009), Межведомственном семинаре «Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей» (Теплофизика-2009, г. Обнинск, 28-30 октября 2009), 12 Международном симпозиуме «Фазовые превращения в твердых растворах и сплавах» (ОМА-12, п. Лоо, 10-15 сентября 2009), 6 Международной конференции «Высокотемпературная капиллярность» (High temperature capillarity – VI (НТС-2009), Афины, 6-9 мая 2009, Греция), Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКТС-12, г. Москва,
7-10 октября 2008), Международной конференции, посвященной сплавам алюминия (International Conference on Aluminium Alloys, (ICAA-2008),
Аахен, 22-26 сентября 2008, Германия), 3 Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (IC CCPCM-2008, г.  Москва, 24-28 июня 2008), 21 Международном симпозиуме «Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике» (г. Харьков, 26-30 мая 2008, Украина).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 18 работ, одна из них – в журнале, рекомендуемом ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 146 страницах машинописного текста, содержит 62 рисунка и 20 таблиц, состоит из введения, четырех глав, выводов и списка литературы из 191 наименования.


ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ


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

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

Системе олово – серебро в литературе уделяется достаточно внимания, однако в области малых концентраций серебра в олове политермы поверхностного натяжения не исследовались; не изучались политермы смачивания этими расплавами меди. Данные по смачиванию свинец-висмутовой эвтектикой реакторных сталей в литературе имеются, однако работ по смачиванию новых высоконикелевых и ферритно-мартенситных сталей нет.

Во второй главе описывается методика проведения экспериментов.

Сплавы систем Sn-Ba и Sn-Sr готовились в стеклянных ампулах в атмосфере гелия из исходных металлов чистотой: олово – 99,9995 мас. % (марка ОВЧ-000), барий – 99,9 мас. %, стронций – 99,5 мас. %, в Физико-техническом институте низких температур им. Б. И. Веркина (г. Харьков, Украина). Слитки твердых растворов и образцы из них до проведения опытов хранились в вакуумном масле ВМ-1. Сплавы систем Sn-Ag и In-Ti готовились сплавлением исходных навесок в кварцевых ампулах в вакууме ~0,01 Па из олова чистоты 99,9995 мас. %, индия марки ИН00 и серебра и титана чистоты 99,999 мас. %. В процессе плавки расплав интенсивно перемешивался, затем закристаллизовывался. Получившийся слиток использовался для приготовления навесок для исследования поверхностного натяжения. Измерения поверхностного натяжения в методе лежащей капли проводились при давлении 0,01 Па. В чашечку из графита капля сплава подавалась через кварцевую воронку с вытянутым капилляром. Перед измерением в камеру напускался гелий, затем вновь производилась откачка до давления 0,01 Па. Фотографирование жидкой капли производилось с помощью цифрового аппарата.

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

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




Рис. 1. Схема экспериментальной установки:

1 – капля исследуемого вещества в графитовой чашечке;

2 – цифровой фотоаппарат; 3 – катетометр; 4 – компьютер;

5 – потенциометр с термопарой; 6 – корпус; 7 – вакуумметр;

8 – нагреватель; 9 – выводы к трансформатору; 10 – лампа

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

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

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

Блок вывода результатов формирует файл отчета обработки экспериментальных данных.

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

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

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

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

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

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

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

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

Рис. 2. Политерма плотности эвтектики системы олово-серебро	Рис. 3. Политерма ПН эвтектики системы олово-серебро
Рис. 4. Политермы плотности сплавов системы олово-серебро	Рис. 5. Политермы ПН сплавов системы олово-серебро

Таблица 1

Коэффициенты A, B и A^*, B^* линейных аппроксимаций плотности

ρ = A – B·T и ПН  = A^* – B^*·T в системе олово-серебро

Расплав	A, кг/м3	B, кг/(м3·K)	A*, мН/м	B*, мН/(м·K)
Sn – 0,01 ат. % Ag	7301,50	0,616	577,4	0,083
Sn – 0,03 ат. % Ag	7315,13	0,626	575,1	0,080
Sn – 0,05 ат. % Ag	7342,01	0,642	574,9	0,081
Sn – 0,10 ат. % Ag	7355,93	0,651	571,6	0,076
Sn – 3,80 ат. % Ag	7363,40	0,682	583,9	0,088

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

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

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

Рис. 6. Политермы плотности сплавов системы олово-барий	Рис. 7. Политермы ПН сплавов системы олово-барий

Таблица 2

Коэффициенты A, B и A^*, B^* линейных аппроксимаций плотности

ρ = A – B·T и ПН  = A^* – B^*·T в системе олово-барий

Расплав	A, кг/м3	B, кг/(м3·K)	A*, мН/м	B*, мН/(м·K)
Sn	7308,68	0,641	572,7	0,084
Sn – 0,061 ат. % Ba	7299,35	0,626	529,7	0,105
Sn – 0,097 ат. % Ba	7297,38	0,620	452,4	0,070
Sn – 0,116 ат. % Ba	7279,38	0,614	454,1	0,080

Полученные данные по плотности чистого олова можно описать уравнением:

ρ = 7308,67 – 0,6409 Т (кг/м³), (1)

которое удовлетворительно согласуется с литературными данными.

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


σ = 569,53 – 0,0548 Т (мН/м), (2)

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


σ = 580,00 – 0,0650 Т (мН/м). (3)

Поверхностное натяжение расплавов Sn-Ba снижается с увеличением температуры, при этом температурные коэффициенты поверхностного натяжения близки к dσ/dT для чистого олова (рис. 7).

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

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

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

Рис. 8. Политермы плотности сплавов системы олово-стронций	Рис. 9. Политермы ПН сплавов системы олово-стронций

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


Таблица 3

Коэффициенты A, B и A^*, B^* линейных аппроксимаций плотности

ρ = A – B·T и ПН  = A^* – B^*·T в системе олово-стронций

Расплав	A, кг/м3	B, кг/(м3·K)	A*, мН/м	B*, мН/(м·K)
Sn – 0,591 ат. % Sr	7277,22	0,582	565,0	0,075
Sn – 1,928 ат. % Sr	7319,52	0,635	502,9	0,074

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

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

Рис. 10. Политермы плотности сплавов системы индий-титан	Рис. 11. Политермы ПН сплавов системы индий-титан

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

Политермы поверхностного натяжения расплавов In-Ti имеют максимум: с ростом температуры до Т ~ 700-750 K поверхностное натяжение увеличивается, а затем снижается (рис. 11). В табл. 4 приводятся коэффициенты линейных аппроксимаций политерм плотности и поверхностного натяжения (справа от максимумов) изученных сплавов системы индий-титан.

Таблица 4

Коэффициенты A, B и A^*, B^* линейных аппроксимаций плотности

ρ = A – B·T и ПН  = A^* – B^*·T в системе индий-титан

Расплав	A, кг/м3	B, кг/(м3·K)	A*, мН/м	B*, мН/(м·K)
In	7239,84	0,537	581,9	0,092
In – 0,1 ат. % Ti	7204,71	0,601	559,8	0,066
In – 0,3 ат. % Ti	7195,45	0,589	558,4	0,061
In – 0,5 ат. % Ti	7172,97	0,574	555,0	0,053

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


, (4)

где σ – поверхностное натяжение, Т – температура, – концентрация i-го компонента в поверхностной области, – парциальные поверхности (), – параметр, характеризующий работу выхода моля i-го компонента из объема раствора на поверхность, k – число компонентов системы.

Первое слагаемое в выражении (5) учитывает изменение работы выхода компонентов из глубины раствора в поверхностный слой, отнесенной к единице поверхности. Этот вклад отрицателен и практически не изменяется. Второе слагаемое в (5) учитывает изменение парциальных молярных площадей вследствие теплового расширения и сравнительно мало по абсолютной величине. Третье слагаемое описывает изменение адсорбции компонентов расплава с температурой. Для простых бинарных систем третий вклад положителен и возможно существование температуры Т₀, при которой температурный коэффициент поверхностного натяжения обращается в нуль: d/dT = 0. При температурах T < T₀ для определенного интервала концентраций d/dT > 0, что и наблюдается в изученных системах олово-серебро, олово-стронций, индий-титан. Следует отметить, что для многих систем область положительных температурных коэффициентов поверхностного натяжения находится ниже уровня температуры ликвидуса и поэтому экспериментально не наблюдается. При T > T₀ значения d/dT < 0 и зависимости (T), как правило, линейны.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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


Выводы

1. Получены политермы плотности и поверхностного натяжения жидких сплавов на основе олова с малыми добавками серебра, бария и стронция. В области низких температур на политермах поверхностного натяжения в системе олово – барий обнаружены слабые изломы, что, видимо, связано с изменением концентрации бария в поверхностном слое расплава. Установлено, что добавки бария приводят к резкому снижению поверхностного натяжения, что объясняется поверхностной активностью примеси по отношению к олову. На политермах поверхностного натяжения сплавов системы олово – стронций обнаружены максимумы.
   
2. Методом большой капли исследованы политермы плотности и поверхностного натяжения индия с малыми добавками титана в широком интервале температур. Показано, что политермы плотности жидких сплавов системы индий – титан линейны, а поверхностного натяжения – нет: при температурах T < 700-750 K поверхностное натяжение возрастает, что связано с адсорбцией титана; при T > 700-750 K поверхностное натяжение понижается.
   
3. Изучены политермы смачивания меди чистым оловом и расплавами олово – серебро с малым содержанием серебра. Показано, что температура начала смачивания меди увеличивается с увеличением концентрации серебра в олове. При температурах 675-685 K наблюдаются пороги смачивания меди расплавами эвтектического и околоэвтектического составов, которые проявляются в меньшей степени с уменьшением концентрации примеси.
   
4. Изучены политермы угла смачивания новых реакторных сталей свинец-висмутовой эвтектикой: обнаружены пороги смачивания, обусловленные наличием оксидных пленок.
   
5. В рамках метода функционала электронной плотности оценена поверхностная энергия бинарных сплавов с участием щелочных металлов. Показано, что как поверхностная энергия, так и работа выхода электрона снижаются с увеличением радиуса ячейки Вигнера-Зейтца второго компонента.
   

Цитируемая литература

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

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

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

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

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

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


Основное содержание диссертации опубликовано в работах:

1. Кашежев, А. З. Поверхностные свойства сплавов щелочных металлов / А. З. Кашежев, А. Х. Мамбетов, В. А. Созаев, Д. В. Яганов // Поверхность. – 2001. – № 12. – C. 53-59.
   
2. Кашежев, А. З. Поверхностные свойства бинарных сплавов щелочных металлов / А. З. Кашежев, А. Х. Мамбетов, В. А. Созаев, Р. А. Чернышова, Д. В. Яганов // Теплофизические свойства веществ: Труды международного семинара. 11-15 июня 2002. – Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2002. – С. 40-41.
   
3. Канчукоев, В. З. Влияние внешнего электрического поля на РВЭ тонких пленок сплавов свинца со щелочными металлами / В. З. Канчукоев, А. З. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев // Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии: Тезисы VI Международной научной конференции. 17-22 сентября 2006. – Кисловодск: СКГТУ. – 2006. – С. 145.
   
4. Канчукоев, В. З. Работа выхода электрона тонкой алюминий-литиевой пленки во внешнем электрическом поле / В. З. Канчукоев, А. З. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев / Нанотехнологии и информационные технологии – технологии XXI века: Тезисы Международной научно-практической конференции. 24-26 мая 2006. – М.: МГОУ, 2006. – С. 215-216.
   
5. Канчукоев, В. З. Работа выхода электрона тонких пленок сплавов алюминия и свинца со щелочными металлами во внешнем электрическом поле / В. З. Канчукоев, А. З. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев // Тонкие пленки в оптике и наноэлектронике: Труды Харьковской нанотехнологической ассамблеи: 18-й Международный симпозиум – Харьков: ХФТИ, 2006. – С. 150-151.
   
6. Кашежев, А. З. Смачивание свинцом и висмутом реакторных сталей / А. З. Кашежев, А. Г. Мозговой, М. Х. Понежев, В. А. Созаев, А. И. Хасанов // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. – Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008. – С. 7-8.
   
7. Кашежев, А. З. Концентрационная зависимость работы выхода электрона сплавов алюминий – литий / А. З. Кашежев, К. П. Лошицкая, В. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. – Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008. –С. 8-10.
   
8. Елекоева, К. М. Капиллярные свойства бессвинцовых припоев для электроники / К. М. Елекоева, Ю. Н. Касумов, А. З. Кашежев, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 11. – Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2008. – С. 37-43.
   
9. Граневский, С. Л. Метод функционала электронной плотности и поверхностные явления в наноструктурах металлических сплавов / С. Л.  Граневский, Н. В. Далакова, А. З. Кашежев, В. К. Кумыков, В. А. Созаев // Тонкие пленки в оптике, нанофотонике и наноэлектронике: Материалы 21-го Международного симпозиума. 26-30 мая 2008. – Харьков: ХФТИ, 2006. – С. 227-231.
   
10. Елекоева, К. М. Капиллярные свойства бессвинцовых припоев для электроники / К. М. Елекоева, Ю. Н. Касумов, А. З. Кашежев, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Материалы III Международной конференции по коллоидной химии и физико-химической механике (ICCCPCM 2008) (International Conference on Colloid Chemistry-2008), 24-28 июня 2008. – М.: МГУ, 2008. – С. 68.
    
11. Кашежев, А. З. Смачивание свинцом, висмутом и расплавом свинец – висмут эвтектического состава реакторных сталей / А. З. Кашежев, А. Г. Мозговой, М. Х. Понежев, В. А. Созаев, М. Н. Арнольдов // Материалы XII Российской конференции по теплофизическим свойствам веществ (РКСТ-12), 7-10 октября 2008. – М.: ОИВТ РАН, 2008. – С. 74-75.
    
12. Dalakova, N. V. The surface tension and density polytherms of diluted liquid tin-barium alloys / N. V. Dalakova, A. Z. Kashezhev, M. Kh. Ponegev, V. A. Sozaev // Abstracts of the International Conference «High Temperature Capillarity» (HTC-2009), 6-9 may 2009. – Athens, Greece, 2009. – P. 142.
    
13. Далакова, Н. В. Поверхностное натяжение и плотность олова с малыми добавками бария / Н. В. Далакова, Л. Б. Директор, А. З. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Упорядочение в минералах и сплавах: Труды 12 Международного симпозиума (ОМА-12).
    10-16 сентября 2009. – п. Лоо, 2009. – Т. 1. – С. 227-229.
    
14. Кашежев, А. З. Политермы углов смачивания меди расплавами олово-серебро / А. З. Кашежев, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Упорядочение в минералах и сплавах: Труды 12 Международного симпозиума (ОМА-12). 10-16 сентября 2009. – п. Лоо, 2009. – Т .2. – С. 172-173.
    
15. Кашежев, А. З. Политермы углов смачивания меди расплавами олово-серебро / А. З. Кашежев, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Вестник КБГУ. Серия Физические науки. Вып. 12. – Нальчик: Каб. Балк. ун-т, 2009. – С. 34-36.
    
16. Директор, Л. Б. Вычислительный комплекс для определения теплофизических свойств жидкостей / Л. Б. Директор, А. З. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Технология щелочных жидкометаллических теплоносителей: Тезисы докладов Межведомственного семинара (Теплофизика-2009). 28-30 октября 2009. – Обнинск, 2009. – С .46-47.
    
17. Директор, Л. Б. Влияние малых добавок серебра и стронция на политермы поверхностного натяжения олова / Л. Б. Директор, К. М. Елекоева, А. З. Кашежев, И. Л. Майков, А. Г. Мозговой, М. Х. Понежев, В. А. Созаев // Термодинамика неупорядоченных сред и пьезоактивных материалов: Труды I Международного, междисциплинарного симпозиума (TDMPM). 8-12 ноября 2009. – Пятигорск-Ростов-на-Дону: СКНЦ ВШ ЮФУ АПСН, 2009. – С. 107-111.
    
18. Директор, Л. Б. Автоматизированный программный комплекс для обработки цифрового изображения в статических методах определения коэффициента поверхностного натяжения жидкости / Л. Б. Директор, И. Л.  Майков, А. З. Кашежев // Физические свойства металлов и сплавов: Труды V Российской научно-технической конференции (ФСМиС-V). 16-18 ноября 2009. – Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. – С. 49.
    

В печать 25.11.2009. Тираж 100 экз. Заказ №5903.

Полиграфический участок ИПЦ КБГУ

360004, г. Нальчик, ул. Чернышевского, 173.