Введение к работе
АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ. Металлические сплавы и композиционные материалы на основе металлов и сплавов широко используются в различных областях техники. Внешние и внутренние межфазные границы во многих случаях оказывают существенное влияние на формирование физико-химических свойств материалов. Особую роль при этом в металлических сплавах играет поверхностная сегрегация. Эффект поверхностной сегрегации, заключающийся в увеличении концентрации одного из компонентов сплава на межфазной границе вследствие взаимодействия растворенных или примесных атомов (ПА) с внешними или внутренними поверхностями твердых тел, приводит к изменению химического состава межфазных границ, а, следовательно, поверхностных свойств металлических сплавов и композиций на их основе. Поэтому поверхностная сегрегация играет важігую роль в процессах катализа, хемосорбции, в формировании механических свойств (прочности, пластичности и др.), влияет на электрические и тепловые свойства тонких пленок, использующихся в микроэлектронике. Сегрегация примесных атомов щелочных металлов на поверхности алюминиевых и медных сплавов повышает их радиационную стойкость. Изучение влияния поверхностной сегрегации щелочных металлов на работу выхода электронов имеет большое значение при разработке термоэмиссионных преобразователей энергии, пленочных термо- и фотокатодов на основе сплавов щелочных металлов. Эффекты сегрегации на внутренних межфазных границах оказывают существенное влияние на кинетику полиморфных превращений.
Создание новых композиционных материалов, например, металлических проводов с нанесенными покрытиями ВТСП, металлических изделий с осажденными на них алмазоподобными пленками, новых алмазнометалличе-ских композиций для камнеобработки и машиностроения затруднительно в отсутствии правильных представлений о поверхностных энергетических характеристиках (адгезии, межфазной энергии) на границе металл - диэлектрик и влиянии на них сегрегации примесей.
Таким образом, проблема оценки межфазных характеристик и выяснения роли примесных атомов в модификации свойств межфазных границ весьма актуальна. Однако несмотря на это и на многочисленные теоретические и экспериментальные исследования, механизмы процессов формирования поверхностных энергетических свойств различных межфазных границ до конца не выяснены. Это объясняется сложностью исследования поверхностных свойств, особенно свойств внутренних межфазных границ.
Одним из возможных и эффективных подходов к теоретическому исследованию межфазных явлений в металлических материалах и композициях на их основе является метод функционала электронной плотности. Данный квантово-статистический метод, позволяющий на основе самосогласованных расчетов с использованием микроскопических характеристик вещества выявлять роль различных факторов (давления, электрических полей, адсорбированных атомов, размеров образцов и т.д.) в формировании поверхностных энергетических характеристик металлических сплавов и композиций, используется в выполнении теоретической части работы.
Для сопоставления теоретически полученных результатов с экспериментальными, эффекты сегрегации на внутренних межфазных границах, в частности на границах зерен, изучались методами электропроводности. Использование прямых спектроскопических методов при изучении межкристаллитной внутренней адсорбции (МВА) ограничено сравнительно хрупкими металлами, у которых для исследований можно получать межкристаллитные разломы. В связи с этим и представляет интерес использовать для изучения МВА метод электропроводности, который позволяет изучать поверхностные явления на внутренних границах без разрушения и деформации образцов. Как показано в ряде работ, в случае двойных металлических растворов метод позволяет количественно оценить такие характеристики МВА, как зернограничную концентрацию, толщину зон МВА, энергию взаимодействия W примесных атомов с границами зерен (ГЗ). При этом точность оценок зернограничной концентрации, энергии взаимодействия W не уступает точности прямых спектроскопических методов.
ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Цель работы заключается в проведении теоретических и экспериментальных исследований межфазных характеристик на границах металлическая фаза - вакуум, газ, твердая фаза. В качестве последней рассматриваются как металлические, так и неметаллические фазы. В зависимости от типа межфазной границы изучались: поверхностная энергия, работа выхода, поверхностная сегрегация (адсорбция) компонентов на межфазных границах, энергия взаимодействия ПА с границами зерен, толщина зон межкристаллитной внутренней адсорбции и другие параметры межфазных границ. Для достижения цели ставились и решались задачи:
-
Разработка электронных теорий сегрегации на межфазных границах бинарный металлический сплав - вакуум, бинарный металлический сплав - диэлектрик;
-
Теоретическое изучение размерных эффектов поверхностной сегрегации в микрочастицах и тонких пленках бинарных металлических сплавов;
-
Исследование зависимости межфазной энергии, работы выхода и поверхностной концентрации в сплавах щелочных металлов от толщины и диэлектрической проницаемости тонкопленочного покрытия;
-
Разработка электронной теории межфазной энергии на границе двух разнородных металлов с учетом образования переходного слоя между ко тактируемыми металлами;'
-
Исследование процессов межкристаллитной внутренней адсорбции в твердых растворах на основе олова методом электропроводности;
-
Экспериментальное исследование смачиваемости капиллярно пористых никеля и меди свинцово-оловянными расплавами;
7. Исследование тепло- и электропроводности, механических свойств,
температуры плавлеюи (легкоплавкой компоненты) композиций, полученных
на основе капиллярно-пористых никеля или меди, пропитанных свинцово-
оловянными расплавами..
НАУЧНАЯ НОВИЗНА. В рамках метода функционала электронной плотности развита квантово-статисгическая теория поверхностной энергии, РВЭ с учетом поверхностной сегрегации в бинарных сплавах щелочных металлов. Изучено влияние электрического поля, диэлектрических покрытий и размеров образцов на эффекты сегрегации в металлических сплавах.
Электронно-статистическим методом вычислены энергии взаимодействия примесных атомов с внутренними границами раздела (границами зерен, микротрещинами).
Разработан метод оценки энергии взаимодействия ПА с ГЗ по данным измерений электропроводности и степени дисперсности поликристаллических твердых растворов; получены экспериментальные данные энергии взаимодействия ПА с ГЗ в твердых растворах на основе олова.
Впервые учтено наличие переходного слоя на границе двух разнородных металлов в квантово-статистических расчетах межфазной энергии на границе двух разнородных металлов.
Экспериментально установлены температурные зависимости углов смачивания свинцово-оловянными расплавами капиллярно-пористых меди и никеля, определены электро- и теплопроводность, механические свойства, температура плавления легкоплавкой компоненты композиционных припоев.
Разработан новый припой для бесфлюсового лужения и пайки алюминия и его сплавов.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ. Установленные закономерности влияния электрических полей, адсорбированных и нанесенных диэлектрических покрытий, размеров образцов на эффекты сегрегации могут быть использованы при разработке новых и оптимизации известных тех-
пологий изготовления изделий микроэлектроники. Полученные теоретические соотношения и экспериментальные данные могут быть использованы также при разработке новых композиционных материалов, припоев для пайки алюминия, керамик, полупроводников, металлических связок для алмазно-металлических композиций, систем металлизации к керамикам и полупроводникам.
Разработанные рекомендации по пайке металлов с полупроводниками, припои и способы бесфлюсового лужения и пайки алюминия и ею сплавов приняты к внедрению в п/о "Элькор" и в Терском заводе алмазных инструментов.
Некоторые результаты исследований были использованы в учебном процессе при чтении спецкурсов на физическом факультете КБГУ.