Научный журнал
Успехи современного естествознания
ISSN 1681-7494
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,653

ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗЛОЖЕНИЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ АЗИДА СЕРЕБРА ПРИ НАГРУЖЕНИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

Кузьмина Л.В. 1 Газенаур Е.Г. 1 Крашенинин В.И. 1 Созинов Д.Ю. 1
1 Кемеровский государственный университет
Проведено исследование влияния магнитного поля (0,1–0,6 Тл) на процессы деформации и разложения нитевидных кристаллов азида серебра с размерами 10×0,1×0,03 мм3 при механическом воздействии. В качестве механического воздействия использовали микроиндентирование (индентор из вольфрама, создающий локальное давление в пределах 5×105 Н/м2 – 3×107 Н/м2). Магнитное поле создавали с помощью электромагнита (ЭМ-1) с регулируемой напряженностью до 1 Тл. Разложение в анионной подрешетке исследовали методом внешнего газовыделения (во время воздействия фиксировали пузырьки газообразного продукта; измеряли по шкале микрометра радиус и находили объем каждого пузырька, затем суммировали и определяли общий объем газа при соответствующих условиях эксперимента. Экспериментально установлено, что при микроиндентировании в магнитном поле в кристаллах азида серебра накопление краевых дислокаций приводит сначала к изменению линейных размеров, затем к выделению газообразных продуктов разложения, затем к появлению углубления в месте внедрения индентора, которое через определенное время приводит к разлому образца (без взрыва). Кроме того, проведены исследования и выявлены закономерности влияния температуры хранения образцов (от –20 °С до 30 °С) на их деформацию за пределами упругости. Установлено, что незначительное увеличение температуры хранения, по сравнению с комнатной, ускоряет процесс старения образцов, что приведет к потере полезных свойств и рабочих характеристик энергетических материалов. Отмечена особенность воздействия отрицательных температур, образцы после этого становятся хрупкими и дополнительные исследования проводить становится затруднительным. На основании полученных результатов может быть предложен способ управления стабильностью нитевидных кристаллов азида серебра с помощью локального индентирования в магнитном поле.
азид серебра
деформация
разрушение
магнитное поле
разложение
механическое нагружение
1. Rodzevich A.P., Kuzmina L.V., Gazenaur E.G., Krasheninin V.I. Plasticity and decomposition of whiskers on electric-induced deformation // AIP Conf. Proc. – 2014. – 1623. – P. 519-522.
2. Krasheninin V.I., Kuzmina L.V., Ivaschenco V.E. Decomposition of crystalline asides of heavy metals in constant magnetic field // Materials Research Innovations. – 2002. – V. 5, № 5. – P. 219-221.
3. Krasheninin V.I., Kuzmina L.V., Zakharov V.Yu., Stalinin A.Yu. Silver azide decomposition in an electric field // Сhem. Phys. Reports. – 1995. – № 4. – P. 529–538.
4. Rodzevich A.P., Gazenaur E.G., Kuz’mina L.V., Krasheninin V.I. The Polarization of Silver Azide in Electric Field // Advanced Materials Research – 2014. – 1040. – P. 744–747.
5. Zakharov V.Yu., Krasheninin V.I., Kuz’mina L.V., Zakharov Yu.A., The control of solid phase decomposition of silver azide by noncontact electric field // Solid State Ionics. – 1997. – V. 101–103. – P. 161–164.
6. Rodzevich A.P., Gazenaur E.G., Kuzmina L.V., Krasheninin V.I. Processing of energy materials in electromagnetic field // IOP Conf.Series: Materials Science and Engineering. – 2015. – 91. – 012046. doi:10.1088/1757-899X/91/1/012046.

Научный интерес к проблемам управления физико-химическими свойствами материалов посредством обработки различными физическими полями, оказывающими действие на их дефектную структуру, не теряет актуальность и практическую значимость.

Так, например, в энергетических материалах это связано с возможностью интенсификации физико-химических процессов, которые изменяют их реакционную способность и стабильность [1–5].

В данной работе представлены результаты исследования совместного действия внешнего механического напряжения и магнитного поля на процессы, связанные с изменением дефектной структуры энергетических материалов.

В качестве объекта исследования выбран типичный представитель энергетических материалов – азид серебра, который также является модельным объектом в химии твердого тела.

Азид серебра дефектен по Френкелю с преимущественно подвижными междоузельными катионами серебра (Ag+). Поверхность кристаллов азида серебра заряжена положительно, а приповерхностная область обогащена отрицательно заряженными катионными вакансиями (Vk-). Также известен качественный и количественный состав примесей: Fe3+, Al3+, Bi3+, Pb2+, Si4+, Ti2+ с концентрацией 3•10-5×10-4 мольных процентов [1].

При механическом воздействии, а для нитевидных кристаллов – это микроиндентирование, увеличивается плотность краевых дислокаций. Учитывая, что линии краевых дислокаций в кристаллах азида серебра частично заряжены (10-16 Кл) и имеют магнитный момент (5×10-21 А·м2), а также отвечают за пластичность, то можно ожидать эффективное действие магнитного поля на процессы, инициированные механическим воздействием [6]. Также установлено, что краевые дислокации являются еще и центрами инициирования реакции разложения. Тогда воздействие магнитным полем может эффективно изменять не только характер пластического течения кристаллов, но и их реакционную способность.

Целью работы является исследование влияния магнитного поля (0,1–0,6 Тл) на процессы деформации и разложения нитевидных кристаллов азида серебра при механическом воздействии.

Кроме того, проведены исследования и выявлены закономерности влияния температуры хранения образцов (от –20 °С до 30 °С) на деформацию за пределами упругости.

Материалы и методы исследования

Объектами исследования являются нитевидные кристаллы азида серебра (AgN3), выращенные по методике Ф.И. Иванова и имеющие средние размеры 10×0,1×0,03 мм3 [1].

Обычно это оптически прозрачные кристаллы, имеющие совершенную огранку, как показано на рис. 1.

Для проведения экспериментов готовили образцы в планарном варианте геометрии, которая позволяет наблюдать за поверхностью кристалла и фиксировать выделяющийся при разложении газообразный продукт, а также проводить наблюдения за топографией его распределения: на предварительно обезжиренную этиловым спиртом слюдяную подложку кристаллы наклеивали за оба конца клеем БФ–6, являющимся химически инертным по отношению к азиду серебра.

Для нитевидных кристаллов в качестве механического воздействия использовали микроиндентирование (индентор из вольфрама, создающий локальное давление в пределах 5×105 Н/м2 – 5×107 Н/м2). Также для обеспечения изгибного деформирования образца, находящегося между полюсами электромагнита, выставляли стержень с конусной заточкой основания, выполненный из диэлектрического материала. Локальное давление в этом случае изменяли в диапазоне от 5×105 Н/м2 до 5×107 Н/м2.

kuzm1.tif

Рис. 1. Кристаллографические индексы граней и направлений кристалла азида серебра

Магнитное поле создавали с помощью электромагнита (ЭМ-1) с регулируемой напряженностью до 1 Тл. Магнитная индукция измерялась с помощью простейшего магнитометра (чувствительность 10-5 Тл).

Разложение в анионной подрешетке исследовали методом внешнего газовыделения (во время действия магнитного поля фиксировали пузырьки газообразного продукта (азота)); измеряли по шкале микрометра радиус и находили объем каждого пузырька, затем суммировали и определяли общий объем газа при соответствующих условиях эксперимента.

Дислокационная структура исследовалась методом ямок травления. Контрастные ямки травления получались при травлении кристаллов азида серебра в 10 %-ном водном растворе тиосульфата натрия. Плотность дислокаций определяли как отношение количества ямок травления к площади поверхности кристалла.

Для отбора и измерения размеров образцов вдоль кристаллографического направления 100 использовали микроскоп типа «Биолам» с увеличением на 120.

На каждую точку экспериментальных кривых брали не менее 10 образцов. Обработка экспериментальных результатов проводилась на ПК по программе Microsoft Excel.

Результаты исследования и их обсуждение

Ранее были проведены исследования влияния механического напряжения (микроиндентирования) на плотность дислокаций в кристаллах азида серебра. Получены кинетические зависимости накопления дислокаций при механическом воздействии (5×105 – 5×107 Н/м2), из которых следует, что уже за 7–9 секунд непрерывного воздействия образец теряет механическую прочность и подвергается хрупкому разрушению без взрыва.

При микроиндентировании обнаружено выделение газообразного продукта с внешней поверхности нитевидных кристаллов азида серебра (в этом случае образец находится под слоем вазелинового масла) либо фиксируют выделение пузырьков газа при растворении кристалла в тиосульфате натрия после снятия воздействия; в обоих случаях определяют объем газообразного продукта и делят на площадь грани, с которой наблюдают газовыделение [6].

kuzm2.tif

а) б)

Рис. 2. Схема проведения индентирования нитевидных кристаллов азида серебра в магнитном поле: a – образец между полюсами магнита; б – индентирование образца: 1 – кристалл, 2 – подложка, 3 – окуляр микроскопа, 4 – полюса магнита, 5 – индентор, 6 – пружина заданной жесткости

kuzm3.tif

Рис. 3. Изменение плотности дислокаций в нитевидных кристаллах азида серебра от времени воздействия механического напряжения (5×105 Н/м2) и магнитного поля (0,3 Тл)

Отмечена взаимосвязь плотности дислокаций и интенсивности газовыделения, а именно: количество ямок травления совпадает с количеством центров газовыделения, которые работают не обязательно синхронно.

Теоретически и экспериментально определено механическое напряжение, при достижении которого происходит хрупкое разрушение нитевидных кристаллов азида серебра, что составляет примерно 3×107 Н/м2.

При совместном действии механической нагрузки и магнитного поля кинетика накопления дислокаций от времени воздействия усложняется (рис. 3). В этих экспериментах были использованы образцы с начальной плотностью краевых дислокаций ~ 4× 103 см-2.

Как следует из полученных результатов, постоянное магнитное поле стимулирует перемещение краевых дислокаций в кристаллах азида серебра при микроиндентировании.

Рассмотрим процессы, протекающие в кристаллах азида серебра при индентировании в магнитном поле.

Во-первых, это движение не закрепленных дислокаций, введенных индентором (рис. 3, участок 1 на кривой), ямки травления в этом случае не фиксируются. Затем наблюдается накопление дислокаций («лес» дислокаций), происходящее за счет торможения атмосферой Коттрелла, состоящей из примесных атомов (это участок 2 на рис. 3). В этом случае скорость движения дислокаций лимитируется скоростью миграции атомов атмосферы. Дислокации стопорятся с образованием центров, в которых запускается реакция разложения и наблюдается газовыделение. Такие дислокации не перемещаются по кристаллу.

Дальнейшее воздействие приводит к срыву дислокаций и, соответственно, к уменьшению плотности дислокаций (участок 3 на рис. 3).

Длительное механическое воздействие (более 30 минут) сопровождается максимальным увеличением плотности дислокаций (более 5,5×103 см-2) и максимальным изменением линейных размеров образца Δℓ⁄ℓ = (2,5 ± 0,5)·10-2, а заканчивается появлением микротрещины в месте установления индентора, ее разрастанием и растрескиванием образца на две части; либо при выборе максимального механического напряжения происходит хрупкое разрушение всего образца.

В условиях наложения магнитного поля дислокации, вводимые индентором, почти постоянно находятся в движении (это доказано наличием ямок травления только при достижении максимальной плотности дислокаций).

Можно предположить, что магнитное поле способствует откреплению дислокаций от парамагнитной примеси (например, Fe3+), после чего они совершают направленное движение, причиной которого может быть наличие магнитоэлектрического эффекта [2].

При микроиндентировании в магнитном поле в кристаллах азида серебра накопление краевых дислокаций приводит сначала к изменению линейных размеров, затем к выделению газообразных продуктов разложения, затем к появлению углубления в месте внедрения индентора, которое через определенное время приводит к разлому образца (рис. 4, кривая 2).

В магнитном поле без механического воздействия разрушения образцов при указанных временах воздействия не наблюдается (рис. 4, кривая 1) [2, 6].

kuzm4.tif

Рис. 4. Зависимость количества выделившегося газа в кристаллах азида серебра от времени воздействия: 1 – магнитного поля (0,3 Тл); 2 – микроиндентирования и магнитного поля

Экспериментально показано, что предварительно подвергнутые механическому воздействию кристаллы азида серебра, находящиеся длительное время (не менее 30 суток) при температуре выше 30 °С, интенсивно чернеют, т.е. их поверхность покрывается коллоидным серебром, и при растворении без какого-либо дополнительного воздействия разлагаются с образованием газообразных продуктов. При хранении таких кристаллов в слабом магнитном поле (≈0,01 Тл) процесс старения ускоряется.

В данном случае незначительное увеличение температуры хранения, по сравнению с комнатной, ускоряет процесс старения образцов, что приведет к потере полезных свойств и рабочих характеристик энергетических материалов.

Следует отметить особенность воздействия отрицательных температур (0 – 20 °С): образцы после этого становятся хрупкими и проводить дальнейшие исследования на них весьма затруднительно. То есть действие отрицательных температур на нитевидные кристаллы аналогично действию механического воздействия, что приводит к понижению их предела прочности. Если создать реальные условия хранения данных материалов, а именно, многократно и кратковременно помещать кристалл в область отрицательных температур, то четкой границы перехода от усталостного состояния к хрупкому разрушению не наблюдается при возникновении первых микротрещин. Что касается хрупкой прочности, которая обычно оценивается способностью образцов противостоять быстрому ударному нагружению, то нитевидные кристаллы, подвергнутые термической обработке в области отрицательных температур, рассыпаются при уже при соприкосновении с индентором.

Заключение

По результатам работы можно сделать следующие выводы.

1. Экспериментально установлено, что при микроиндентировании в магнитном поле в кристаллах азида серебра накопление краевых дислокаций приводит сначала к изменению линейных размеров, затем к выделению газообразных продуктов разложения, затем к появлению углубления в месте внедрения индентора, которое через определенное время приводит к разлому образца (без взрыва).

2. Установлено, что незначительное увеличение температуры хранения, по сравнению с комнатной, ускоряет процесс старения кристаллов азида серебра, что приводит к потере прочности и стабильности энергетических материалов, в то время как термическая обработка в области отрицательных температур приводит к возникновению микротрещин и хрупкому разрушению образцов.

3. На основании полученных результатов может быть предложен способ управления стабильностью нитевидных кристаллов азида серебра с помощью локального индентирования в магнитном поле.


Библиографическая ссылка

Кузьмина Л.В., Газенаур Е.Г., Крашенинин В.И., Созинов Д.Ю. ДЕФОРМАЦИЯ И РАЗЛОЖЕНИЕ НИТЕВИДНЫХ КРИСТАЛЛОВ АЗИДА СЕРЕБРА ПРИ НАГРУЖЕНИИ В МАГНИТНОМ ПОЛЕ // Успехи современного естествознания. – 2018. – № 2. – С. 18-22;
URL: http://natural-sciences.ru/ru/article/view?id=36666 (дата обращения: 20.05.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.252