Закономерности, связывающие электрические, тепловые и механические свойства твердых тел тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.10, доктор физико-математических наук Палчаев, Даир Каирович

• Палчаев, Даир Каирович
• доктор физико-математических наук
• 1999

Оглавление диссертации доктор физико-математических наук Палчаев, Даир Каирович

ВВЕДЕНИЕ

1. ПРОБЛЕМА ИНТЕРПРЕТАЦИИ ПРИРОДЫ СВЯЗИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ.

2 . МЕТОДЫ И ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СВОЙСТВ.

2.1. Методика экспериментального определения удельного электросопротивления металлов в твердом и жидком состояниях.

2.2. Методики комплексного исследования электросопротивления и теплового расширения.

2.3. Методика исследования плотности металлов в твердом и жидком состояниях.

2.4. Методика исследования комплекса тепловых свойств стационарным и нестационарным методом.

2.5. Методы исследования механических свойств хрупких материалов

2.5.1. Обоснование выбора методов измерений.

2.5.2. Исследования хрупких материалов методом двойного скручивания.*.

2.5.3. Методика испытаний на прочность

2.6. Объекты исследования.

3. РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТОВ СВОЙСТВ ЛЕГКОПЛАВКИХ МНОГОВАЛЕНТНЫХ МЕТАЛЛОВ В ТВЕРДОМ И ЖИДКОМ СОСТОЯНИИ

3.1. Результаты экспериментальных исследований температурных зависимостей электросопротивления и плотности легкоплавких многовалентных металлов в твердом и жидком состояниях.

3.2. Расчеты электросопротивления металлов в твердом и жидком состояниях.

3.2.1. Результаты расчета электросопротивления по формуле Блоха-Грюнайзена.

3.2.2. Расчеты электросопротивления жидких металлов по формуле Дж. Займана.

4. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ И РАСЧЕТОВ ТЕПЛОВЫХ СВОЙСТВ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ

4.1. Комплекс тепловых свойств чистых веществ 31, ЫаС1, А1?0з, 3102 и керамик на основе карбида кремния.

4.2. Результаты расчета теплосопротивления чистых веществ по формулам Лейбфрида-Шлемана и Сироты.

5. РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КЕРАМИК НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ.

6. КОРРЕЛЯЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ, ТЕПЛОВЫХ И МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ :

6.1. Связь фононного удельного электросопротивления с коэффициентом теплового расширения.

6.2. Связь фононного теплосопротивления с коэффициентом теплового ра сширения.

6.3. Связь характеристического теплосопротивления с другими параметрами твердых тел.

6.4. Корреляции тепловых и механических свойств карбидокремниевой керамики.

7. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ И НЕКОТОРЫЕ КРИТЕРИИ ФОРМИРОВАНИЯ КИНЕТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

7.1. Выражение для расчетов фононного теплосопротивления.

7.2. Выражения для расчетов температурных зависимостей электро-и теплосопротивлений чистых металлов.

7.3. Общие закономерности и критерии формирования тепловых, электрических и механических свойств твердых тел.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности, связывающие электрические, тепловые и механические свойства твердых тел»

Настоящая работа выполнялась в соответствии с координационными планами НИР АН СССР по проблеме 1.3. Физика твердого тела на 1981-1985 г.г. (№ гос.per. 8158773) и на 1986-1990 г.г. (коды 3.22.20 и 3.22.21, № гос.per. 01890005.721) и была посвящена изучению общих закономерностей формирования и связи электрических, тепловых и механических свойств твердых тел.

Актуальность работы определяется необходимостью повышения эффективности применения и эксплуатации существующих в природе, а так же вновь синтезируемых материалов. Эта проблема может быть решена путем тщательных экспериментальных исследований и математической интерпретации свойств как можно большего круга веществ в конденсированном состоянии с различной структурой и типом межатомной связи. Разработка новых материалов с заданными эксплуатационными характеристиками, в свою очередь, предполагает установление критериев их достижения на основе детального анализа природы свойств твердых тел. Теоретические исследования в этом плане затруднены тем, что при построении энергетического спектра электронов и расчете свойств твердых тел, делаются многочисленные приближения, которые сводят к минимуму возможность не только количественных, но и качественных оценок многих свойств. Наиболее плодотворен путь эмпирического изучения корреляций свойств. Обнаружение корреляций, а тем более функциональных связей свойств твердых тел, способствуют установлению потенциала межатомного взаимодействия, служащего "генетическим кодом" твердого тела. Такие исследования могут способствовать выявлению закономерностей формирования температурных и объемных зависимостей свойств конденсированных сред и их молекулярно-кинетической расшифровке [1].

На практике чаще всего востребованными оказываются электрические свойства металлов, механические свойства хрупких тел и тепловые свойства как металлов, так и хрупких тел. Поэтому в экспериментальном плане при выполнении диссертационной работы уделялось внимание изучению электрических и тепловых свойств легкоплавких многовалентных металлов, а также тепловых и механических свойств карбидокремниевых материалов. Как те, так и другие материалы находят широкое применение в энергетике, космической и авиационной технике, металлургии, микроэлектронике и др. Несмотря на то, что легкоплавкие металлы в Ш-УТ группах таблицы элементов Д.И.Менделеева представляют из себя объекты, удобные для изучения как в твердом, так и в жидком состояниях, ввиду легкоплавкости и незначительной окисляемости, для них, в отличие от многих других металлов [2-13], нет достоверных (рекомендуемых) данных по электросопротивлению. Сравнительно меньше внимания уделяется этим металлам и при исследованиях тепловых свойств, хотя они широко используются в полупроводниковой технике.

Интерес к карбидокремниевым материалам был вызван тем, что в последнее время большое внимание уделяется разработке новых жаропрочных керамических материалов, в частности, на основе карбида кремния [14-18], способных выдерживать высокие термомеханические нагрузки. Причем, в карбидокремниевых материалах практически отсутствует пластическая деформация перед разрушением в широком интервале температур. Такое свойство материала позволяет однозначно судить о роли сил межатомного взаимодействия при формировании как механических, так и тепловых свойств.

Цель и задачи работы. Цель работы заключается в изучении корреляций электрических, тепловых и механических свойств, в значительной мере определяемых потенциалом притяжения и установлении закономерностей формирования этих свойств в конденсированных средах.

В процессе выполнения работы решались следующие задачи:

1.Анализ проблемы исследования природы формирования тепловых, электрических и механических свойств и обнаружение связи между ними.

2.Оценка применимости гармонического и квазигармонического приближений для описания свойств, обусловленных ангармонизмом колебаний атомов.

3.Разработка методик исследования комплекса электрических, тепловых и механических свойств и получение достоверных экспериментальных данных по тепло- и электропроводности, тепловому расширению чистых веществ, а так же комплексу механических и тепловых свойств композиционных материалов.

4.Расчеты свойств на основе теоретических выражений и анализ поправок к этим выражениям на неизохорность процессов формирования энергетических спектров фононов и электронов.

5.Определение связи между рассеянием электронов и фононов на тепловых колебаниях атомов с объемными изменениями веществ на основе достоверного материала, полученного путем обобщения литературных данных совместно с результатами собственных исследований . б.Изучение связи между тепловыми и механическими свойствами для чистых веществ, в том числе соединений, образующих каркас карбидокремниевой керамики, на основе достоверных данных по этим свойствам.

7.Сопоставление параметров, задающих характер температурных зависимостей свойств веществ, следующих из теории и обнаруживаемых на основе эмпирических корреляций свойств.

Научная новизна работы. Впервые комплексно рассмотрена проблема изучения зависимости кинетических свойств от теплового расширения твердых тел и установлены следующие закономерности:

- Отношение электросопротивления металлов, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях атомов, к произведению коэффициента теплового расширения на температуру является величиной постоянной, независящей от температуры в твердом и жидком состояниях.

- Отношение фононного теплосопротивления к произведению коэффициента теплового расширения на температуру для твердых тел с различной кристаллической структурой и типом межатомных связей является величиной постоянной, независящей от температуры .

Впервые установлены характеристические фононные электро- и теплосопротивления. Дана микроскопическая расшифровка этих параметров .

Показано, что при прочих равных условиях, критерием высоких значений электро- и теплопроводности, а так же упругих свойств твердых тел, являются низкие значения коэффициента теплового расширения .

Получены формулы, количественно описывающие температурные зависимости электропроводности чистых металлов и фононной теплопроводности чистых монокристаллических веществ.

Впервые показано, что изменения длины свободного пробега электронов в металлах однозначно связано с изменением тепловой деформации при изобарном изменении температуры.

Впервые показано, что изменение времени релаксации в процессах рассеяния фононов на фононах однозначно определяется величиной, обратной произведению тепловой деформации при изобарном изменении температуры на теплоемкость кристалла.

Предложены новые критерии перехода материалов в сверхпроводящее состояние.

Впервые указано на возможность существования в природе высокотемпературной фононной сверхтеплопроводности.

На защиту выносятся:

1.Конструкции экспериментальных установок для исследования электропроводности и плотности металлов в твердом и жидком состояниях, а так же комплекса тепловых и механических свойств неметаллических хрупких материалов.

2.Результаты экспериментальных исследований и расчетов температурной зависимости электросопротивления, а также результаты экспериментальных исследований плотности чистых легкоплавких многовалентных металлов в твердом и жидком состояниях.

3.Результаты экспериментального исследования комплекса тепловых свойств и расчетов теплосопротивления монокристаллов кремния, хлорида натрия, диоксида алюминия, диоксида кремния в зависимости от температуры, а так же результаты экспериментального исследования комплекса тепловых и механических свойств карби-докремниевой керамики с различными спекающими добавками.

4.Закономерность, свидетельствующая о том, что произведение электропроводности на коэффициент теплового расширения и на температуру является величиной постоянной, характеристической для каждого чистого металла.

5.Закономерность, свидетельствующая о том, что произведение фо-нонной теплопроводности на коэффициент теплового расширения и на температуру является величиной постоянной, характеристической для каждого вещества.

6.Микроскопическая расшифровка характеристических фононных электро- и теплосопротивлений, а также формулы, количественно описывающие температурные зависимости электропроводности чистых металлов и фононной теплопроводности чистых монокристаллических веществ.

7.Результаты, свидетельствующие о связи изменений длин свободного пробега электронов и фононов с изобарной тепловой деформацией чистых веществ.

8.Корреляции тепловых и механических свойств карбидокремниевых керамик с различными спекающими добавками близки к функциональным.

9.Гипотезы о единстве природы рассеяния квазичастиц на тепловых колебаниях атомов, и об определяющей роли зануления и инверсии знака энгармонизма в существовании электронной и фононной сверхпроводимости.

Совокупность приведенных в работе научных положений может рассматриваться как новое научное направление — эффективный учет энгармонизма колебаний атомов при изучении свойств конденсированных сред.

Практическая ценность полученных результатов определяется следующим:

-10- методики исследования электрических (АС N 1006987),тепловых и механических свойств, (ПМ № 94028735/20), а также методы получения образцов (АС № 1506843) не только обогащают технику физического эксперимента, но могут быть реализованы и в промышленности;

- результаты экспериментальных исследований легкоплавких металлов и сплавов, а также карбидокремниевых материалов могут служить в качестве рекомендуемых. Они нашли применение при разработке достоверных (справочных) данных по свойствам легкоплавких многовалентных металлов в теплофизическом центре ИВТ АН СССР и разработке конструкционного керамического материала на основе карбида кремния, предназначенного для эксплуатации при температурах 1600-1700°С и нагрузках 600 МПа по заказу НПО "Технология"; обнаруженные корреляции свойств позволяют определять не только одни свойства через другие, но и прогнозировать свойства вновь создаваемых материалов;

- получены формулы для расчета предельно высоких значений фо-нонных электро- и теплосопротивлений материалов; установлены критерии перехода материалов к предельно низким значениям фононных электро- и теплосопротивлений материалов.

Совокупность приведенных в работе, научных положений может рассматриваться как новое научное направление — метод эффективного учета ангармонизма колебаний атомов при интерпретации свойств конденсированных сред.

Научные результаты данной работы используются при чтении спецкурсов: "Механические свойства твердых тел", "Электронная структура и свойства металлов", "Энергетический спектр фононов и тепловые свойства твердых тел", "Ангармонические эффекты в твердых телах", а также постановке лабораторных работ по этим курсам, (издано пять методических разработок и одно учебное пособие).

Апробация работы. Основные результаты докладывались на V,VI, VIII Всесоюзных конференциях по теплофизическим свойствам веществ (Киев-1974, Минск-1978, Новосибирск-1988), на I-V Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлов и шлаковых расплавов (Сведловск-197 5, 1976, 1978, 1980, 1983), на III, IV Всесоюзных конференциях "Термодинамика и материаловедение полупроводников" (Москва-1986,1989), на X, XI, XII Всесоюзных конференциях "Конструкции и технологии получения изделий из неметаллических материалов" (Обнинск-1986,1988,1990), на II Всесоюзном симпозиуме "Механика разрушения" (Житомир-1985), на ХХШ Международной конференции по керамике (Карловы Вары-1987), на 9 Теплофизической конференции СНГ (Махачкала-1992), на Первой и Второй Российской национальных конференциях по теплообмену (Москва-1994, 1998), на Всесоюзных совещаниях "Интерэлектро-7 8" и "Керамика-86" (Москва-1978,1986), на Всесоюзном семинаре "Микронеоднородность и многочастичные эффекты в металлических расплавах" (Одесса-1981), на Всесоюзном совещании по явлениям переноса в электронных расплавах (Махачкала-1973) , на III Всесоюзном совещании "Физика и технология широкозонных полупроводников" (Махачкала-1986), на итоговых ежегодных научных конференциях ДГУ (1972-1997).

Публикации. Всего по теме диссертационной работы автором опубликовано 85 работ и один обзор ТФУ, получено 2 авторских свидетельства, 1 патент, 1 свидетельство на полезную модель.

Заключение диссертации по теме «Физика полупроводников», Палчаев, Даир Каирович

5. Результаты исследования корреляций электро- и теплосо-противлений с коэффициентом теплового расширения свидетельствуют о наличии однозначных связей между этими параметрами. При этом впервые обнаружено, что:

- для каждого металла в твердом и жидком состояниях отношение электросопротивления, обусловленного рассеянием электронов на тепловых колебаниях атомов, к произведению коэффициента теплового расширения на температуру, является величиной постоянной, представляющей собой характеристическое электросопротивление. Обоснованность этого соотношения определяют результаты его проверки для двадцати пяти металлов на основе рекомендуемых данных по электросопротивлению и коэффициенту теплового расширения;

- отношение фононного теплосопротивления к произведению коэффициента теплового расширения на температуру является величиной постоянной для каждого вещества, представляющий собой характеристическое теплосопротивление. Выполнимость этого соотношения показана на примере двадцати двух веществ с различными кристаллографическими структурами и типами межатомной связи; характеристическое теплосопротивление коррелирует с известными характеристическими параметрами конденсмрованных сред.

6. Впервые, на основе представлений о предельных значениях энергий, теряемых электроном и фононом при их рассеянии на тепловых колебаниях атомов, получены выражения для характеристических параметров процессов рассеяния электронов и фононов на фононах.

-2377. Исходя из классических представлений о рассеянии электронов и фононов на тепловых колебаниях атомов, впервые получены формулы, количественно описывающие температурные зависимости электропроводности чистых металлов и фононной теплопроводности чистых монокристаллических веществ.

8. Впервые на основе достоверного эмпирического материала показано наличие однозначной связи между длиной свободного пробега электронов и фононов с параметром, характеризующим изменение тепловой деформации при изобарном изменении температуры. Факт наличия функциональной связи длины свободного пробега квазичастиц с параметром, характеризующим ангармонизм колебаний атомов при любой температуре, во-первых, однозначно раскрывает механизм рассеяния электронов и фононов; во-вторых, указывает на единство природы рассеивания квазичастиц тепловыми колебаниями атомов в конденсированных средах; в-третьих, явно обнаруживает основной недостаток существующей теории рассеяния и проясняет путь построения новой теории.

9. Совокупность эмпирического и аналитического материала, приведенная в работе, открывает перспективу эффективного учета ангармонизма колебаний атомов при изучении механизмов формирования свойств в конденсированных средах. Эта возможность проиллюстрирована количественным решением задач температурных зависимостей электро- и теплопроводности и определением однозначных критериев высоких и низких значений кинетических свойств веществ.

Список литературы диссертационного исследования доктор физико-математических наук Палчаев, Даир Каирович, 1999 год

1. Филиппов Л.П. Подобие свойств веществ.- М.Изд. МГУ, 1978.256 с.

2. Палчаев Д. К. Электропроводность и плотность легкоплавких многовалентных металлов и сплавов: Дисс. канд.ф.-м.н. Махачкала, 1982. - 244 с.

3. Плотность, скорость ультразвука, электро- и теплопроводность легкоплавких многовалентных металлов в жидком состоянии. /Пашаев Б.П., Палчаев Д.К., Пашук Е.Г., Ревелис В. Г. М.: 1982. - 107 е.- (Обзоры по теплофизическим свойствам веществ; ИВТАН,и.3).

4. Пелецкий В.Э., Вельская Э.А. Электрическое сопротивление тугоплавких металлов: Справочник/под ред. ак. А.Е.Шейндлина.- М.: Энергоиздат, 1981.-96 с.

5. Зиновьев В.Е. Теплофизические свойства металлов при высоких температурах: Справочник.- М.: Металлургия, 1989 . 384 с.

6. Chi Т.С. Electrical resistivity of alkali elements.//J. Phys.

7. Chem. Ref. Data.- 1979.- v.8.- p.339-438.

8. Ho C.Y., Powell R.W., Liley P.E. Thermal conductivity of theelements: a comprehensive reveiw.// J. Phys. Chem. Rev. Data.- 1974.- v,3, suppl.,N 1.

9. Matula R.A. Electrical resistivity of copper, gold, palladiumand silver.// J.Phys. and Chem. Ref. Data.- 1979.- v.8.-p.1147-1298.

10. Chi T.C. Electrical resistivity of alkaline earths elements.//

11. J.Phys. Chem. Ref. Data.- 1979.- v.8.- p.439-497.-23910. Desai P.D. Thermadynfmic properties of manganese andmolybdenum.//Phys. Chem. Ref. Data.- 1987,- v.16, N 1,-p.91-108.

12. Desai P.d., James H.M., Ho C.Y. Electrical resistivity of vanadium and zirconium.// J.Phys. Chem. Ref. Data.- 1984.-v. 13, N 4,- p. 1097 1130.

13. Desai P.D., James H.M., Ho C.Y. Electrical resistivity of aluminium and magnesium.// J.Phys. Chem. Ref. Data.- 1984.-v.13, N4.- p.1131- 1172.

14. Electrical resistivity of selected elements./Desai P.D., Chi Т.К., James H.M., Ho C.Y.// J.Phys. Chem. Ref. Data.- 1984.-v.13, N 4.- p.1069-1096.

15. Сафаралиев Г.К. Закономерности формирования и физические свойства полупроводниковых твердых растворов на основе карбида кремния: Дисс. докт. ф.-м.н. Махачкала, 1988.- 338 с.

16. Мурлиева Ж.Х. Связь между тепловыми и механическими свойствами карбидокремниевых материалов с добавками BeO, В(В4С), AI2O3 и A1N: Дисс. канд. ф.-м.н. Махачкала, 1991.- 185 с.

17. Гнесин Г. Г. Карбидокремниевые материалы.- М. : Металлургия, 1977.- 216 с.

18. Неметаллические тугоплавкие соединения./ Косолапова Т.Я., Андреева Т.В. и др.- М.: Металлургия,1985.- 223 с.

19. Тонкая техническая керамика /под ред. Х.Янагида- Япония, 1982: пер. с японского.- М.: Металлургия, 1986.- 279 с.

20. Уббелоде А.Р. Расплавленное состояние вещества./пер. с англ. М.: Металлургия, 1982.- 376 с.

21. Скрипов В.П., Коверда В.П. Спонтанная кристаллизация переохлажденных жидкостей.- М.: Наука, 1989.- 232 с.21