Введение к работе
Актуальность темы. Исследование поверхностных свойств металлических кристаллов и границ раздела фаз в системах металлический кристалл – собственный расплав имеют важное значение для развития теории межфазных явлений, эффективного решения ряда научных и практических задач металлургии, ядерной энергетики, кристаллохимии, получения материалов с заранее заданными свойствами.
Остается в стороне изучение анизотропии поверхностной энергии (ПЭ) кристаллов полиморфных модификаций металлов и ее зависимости от температуры. Хотя этот вопрос очень важен для представления полной картины поверхностных свойств металлов и их применения в области физики конденсированного состояния.
При выращивании металлических кристаллов с заранее заданными свойствами главную роль играет межфазная энергия (МЭ) на границе грань кристалла – собственный расплав, так как она определяет скорость образования зародышей новой фазы, их критический размер и форму. В настоящее время мало изучена анизотропия барического коэффициента поверхностной энергии полиморфных фаз (БКПЭ), что обусловлено, на наш взгляд, большими трудностями экспериментального изучения данного вопроса.
Изложенное свидетельствует об актуальности теоретического и экспериментального изучения анизотропии ПЭ, оценки величины температурного коэффициента ПЭ (ТКПЭ) и БКПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера кристаллов полиморфных фаз металлов разных групп периодической системы элементов, а также МЭ на границе грань кристалла – собственный расплав металла.
Цель работы – оценить анизотропию ПЭ и БКПЭ полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов и МЭ на границе грань кристалла – собственный расплав металла. Для реализации поставленной цели решались следующие задачи:
-
В рамках электронно-статистической теории металлов рассчитать ПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов.
-
Оценить температурную зависимость ПЭ граней кристаллов полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов.
-
Оценить величину БКПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера в рамках электронно-статистического метода. Рассмотреть влияние малых давлений на анизотропию ПЭ кристаллов полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов.
-
Установить общие закономерности в изменении анизотропии ПЭ и БКПЭ при полиморфных превращениях металлов.
-
Рассмотреть зависимость ПЭ и БКПЭ граней кристаллов полиморфных фаз, стабильных при комнатной температуре, и фаз предплавления от атомного номера элемента.
-
В рамках электронно – статистического метода получить выражение для МЭ на границе грань металлического кристалла – собственный расплав и провести расчеты МЭ граней для фаз предплавления s–, p–, d– и f–металлов.
-
Провести измерения анизотропии относительных значений ПЭ индия и никеля методом равновесной формы кристаллов (РФК) малых размеров с применением атомно – силового микроскопа (АСМ).
Научная новизна полученных результатов.
-
Впервые в рамках электронно-статистической теории оценена величина ПЭ и ТКПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера кристаллов полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов с ОЦК, ГЦК, ГПУ и ДГПУ структурами.
-
Впервые рассчитана анизотропия БКПЭ и ПЭ кристаллов полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов при малом давлении для [001], [10] и [11] зон плоскостей с ОЦК и ГЦК структурами и [110] и [0001] зон плоскостей с ГПУ и ДГПУ структурами.
-
В рамках электронно-статистического метода получено выражение для МЭ на границе грань металлического кристалла - собственный расплав. Рассчитана МЭ на границе контакта плотноупакованных граней полиморфных фаз предплавления с собственным расплавом 26 металлов разных групп.
-
Методом РФК с применением АСМ измерена анизотропия относительных значений ПЭ индия и никеля.
Практическая ценность результатов.
Полученные результаты позволяют предсказать изменение анизотропии ПЭ металлических кристаллов при полиморфных превращениях, изменении температуры и давления.
Полученное соотношение позволяет оценить МЭ на границе грань металлического кристалла – собственный расплав.
Предлагаемые методики обработки данных экспериментов могут быть использованы экспериментаторами при изучении анизотропии поверхностной энергии металлов методом РФК с использованием АСМ.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Расчет в рамках электронно-статистического метода ПЭ и ТКПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера полиморфных фаз s–, p–, d– и f –металлов с ОЦК, ГЦК, ГПУ и ДГПУ структурами.
-
Применение электронно-статистического метода для оценки БКПЭ граней с малыми и большими индексами Миллера полиморфных фаз s–, p–, d– и f–металлов с ОЦК, ГЦК, ГПУ и ДГПУ структурами.
-
Влияние малых давлений на анизотропию ПЭ кристаллов полиморфных фаз s-, p-, d– и f–металлов с ОЦК, ГЦК, ГПУ и ДГПУ структурами.
-
Применение электронно-статистического метода для расчета МЭ на границе грань кристалла – собственный расплав s–, p–, d– и f–металлов.
-
Анизотропия относительных значений ПЭ кристаллов малых размеров индия и никеля, полученная методом РФК с применением АСМ.
Обоснованность и достоверность результатов диссертационной работы Арефьевой Л.П. обеспечивается применением хорошо обоснованных теоретических методов расчета и современных экспериментальных методов исследования анизотропии ПЭ металлических кристаллов, а так же БКПЭ и МЭ на границе контакта кристалл - собственный расплав металлов, соответствием полученных результатов известным литературным данным, а также согласием экспериментальных данных с расчетными.
Личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации. Диссертация представляет итог самостоятельной работы автора, обобщающий полученные им и в соавторстве с сотрудниками результаты.
Задачи теоретического и экспериментального изучения влияния полиморфных превращений на анизотропию ПЭ, ТКПЭ и БКПЭ металлов поставлены научным руководителем доцентом Шебзуховой И.Г., которая принимала участие в обсуждении выбора методов исследования и полученных результатов.
В обсуждении полученных результатов принимал участие профессор Хоконов Х.Б. Эксперимент проведен в лаборатории нанофизики и нанозондовых исследований КБГУ. В проведении эксперимента принимали участие доцент Р.И. Тегаев, м.н.с. Е.Г. Дедкова. Все остальные результаты получены автором лично.
Апробация результатов. Основные результаты диссертации докладывались на Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспектива-2006», Нальчик, КБГУ, 2006; XII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Новосибирск, 2006; XIII Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Ростов-на-Дону – Таганрог, 2007; I Международном симпозиуме «Плавление – кристаллизация металлов и оксидов», Ростов–на-Дону – п. Лоо, 26 сентября – 1 октября, 2007; XIV Всероссийской научной конференции студентов-физиков и молодых ученых, Уфа, 27 марта – 3 апреля, 2008; I Международном симпозиуме “Физика низкоразмерных систем и поверхностей” Ростов-на –Дону – п. Лоо, 5 – 9 сентября 2008.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа изложена на 153 страницах машинописного текста, содержит 35 рисунков, 30 таблиц. Библиографический список включает 231 наименование. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и двух приложений.
