Физические свойства хрома

Хром - твердый, довольно тяжелый, пластичный, ковкий металл серо-

стального цвета, плавится при 1856°С, кипит при 2469 °С. Ничтожные примеси кислорода, азота, углерода резко изменяют физические свойства

хрома, в частности он становится хрупким. Получить хром без этих примесей очень трудно. Устойчив к коррозии на воздухе и в воде. Структура кристаллической решетки объемноцентрированная кубическая. Хром обладает всеми характерными свойствами металлов - хорошо проводит

тепло, почти не оказывает сопротивления электрическому току, имеет присущий большинству металлов блеск. Любопытна одна особенность хрома: при температуре около 37°С многие его физические свойства резко, скачкообразно меняются. В этой температурной точке внутреннее трение хрома достигаетмаксимума, а модуль упругости падает до минимальных значений. Так же внезапно изменяются электропроводность, коэффициент линейного расширения, термоэлектродвижущая сила. Пока ученые не могут достоверно объяснить эту аномалию.

Физические и механические свойства хрома

Свойство	Хром
Атомный номер	24
Атомная масса	51.9961
Плотность при 20°С, г/cм3	7,19
Температура плавления, °С	1856
Температура кипения, °С	2469
Скрытая теплота плавления, Дж/г	257,5
Скрытая теплота испарения, кДж/г	6,166
Удельная теплоемкость при 20°С, кДж/(кг·°С)	0,461
Удельное электросопротивление при 20°С, Ом·см·10-6	12,8
Группа металлов	Переходные металлы

Достоинства и недостатки хрома Достоинства:

1. Обладает многими свойствами, которые считаются важными для применения при высоких температурах.

2. Температура плавления значительно превосходит температуры плавления железа, никеля, кобальта.

3. Плотность ниже по сравнению с другими металлами.

4. Лучшее сопротивление деформации при повышенных температурах.

5. Является одним из первых переходных металлов, доступных в достаточно большом количестве.

Недостатки:

1. При комнатной температуре показывает низкую пластичность или полное ее отсутствие.

2. Небольшие примеси углерода, серы и азота могут уничтожить пластичность металла.

3. Шестивалентный хром токсичен.

Исследование зависимости количества испарённого металла от энергии накачки лазера

Был проведен эксперимент по лазерной обработке, при этом расстояние между кратерами выбиралось одинаковым и равным 0,4 мм. Для выполнения эксперимента использовалась тонкопленочная структура Cr - Si.

Тонкопленочная структура после воздействия лазерного излучения с различной плотностью мощности.

В своих расчетах мы и использовали цилиндр, так как толщина пленки очень мало по сравнению с диаметром испаренной области. Высота цилиндра равно 0,25 мкм (толщина пленки хрома), а радиус - d/2. Это достаточно точное приближение. Ниже приведена формула для вычисления объема испаренного вещества:

V = πR²h

г де h – толщина пленки, R – радиус испаренной области.

Схематическое представление испаренной области.

Формула для вычисления энергии, необходимой для испарения меди:

Q =Q₁+Q₂ +Q₃

где:

Q₁ = C_vVρ ΔT₁, ΔT₁ = Т_плавл - Т_комн

Q₂ = C_vVρ ΔT₂, ΔT₂ = Т_кип – Т_плавл

Q₃ = C_vVρ ΔT₃, ΔT₃ = Т_кип

где ρ – плотность хрома, V – объем испаренного вещества, C_v – удельная теплоемкость хрома, Т_комн - комнатная температура (293 К), Т_плавл – температура плавления хрома, Т_кип - температура кипения хрома.

Исследование зависимости количества испаренного вещества от энергии лазерного импульса

В эксперименте оценивалась зависимость количества испаренного вещества от энергии лазерного импульса в моноимпульсном режиме.

Экспериментальные и расчётные данные

Энергия накачки, Дж	Энергия лазерного импульса, мДж	Диаметр испаренной области, мкм	Энергия, необходимая для испарения данного объема хрома, Дж*10-5	Часть энергии, ушедшей на испарение пленки, %
9	0,9	0	0	0
9,2	1,65	0	0	0
9,4	2,3	70	1,655	0,71
9,6	3	80	2,161	0,72
9,8	3,5	100	3,377	0,96
10	4,1	100	3,377	0,82
10,2	4,9	100	3,377	0,69
10,4	5,7	110	4,086	0,72
10,6	6,5	120	4,862	0,75
10,8	7,5	110	4,086	0,54
11	8,3	120	4,862	0,58
11,2	9,2	130	5,707	0,62
11,4	10	150	7,597	0,76
11,6	11,2	170	9,758	0,87
11,8	12,1	180	10,94	0,90
12	13,3	200	13,51	1,01
12,2	14	200	13,51	0,96
12,4	15	200	13,51	0,90

Зависимость диаметра испаренной области от энергии импульсного лазерного излучения при постоянном положении фокуса(f = 33,8 мм)

Исследование зависимости количества испаренного вещества от фокусировки

В эксперименте оценивалась зависимость количества испаренного вещества от фокусировки в моноимпульсном режиме.

Зависимость диаметра испаренной области от положения фокуса при постоянной энергии лазерного импульса(E = 4,1 мДж)

Положение фокуса, мм	Диаметр испаренной области, мкм	Энергия, необходимая для испарения данного объема хрома, Дж*10-5	Часть энергии, ушедшей на испарение пленки, %
33,8	150	7,59	1,85
33,6	190	12,19	2,97
33,4	200	13,51	3,29
33,2	200	13,51	3,29
33	210	14,89	3,63
32,8	220	16,34	3,98
32,6	250	21,10	5,14
32,4	250	21,1	5,14
32,2	280	26,47	6,45
32	290	28,39	6,92
31,8	290	28,39	6,92
31,6	290	28,39	6,92
31,4	290	28,39	6,92
31,2	280	26,47	6,45
31	300	30,39	7,41
30,8	300	30,39	7,41
30,6	310	32,45	7,91
30,4	320	34,57	8,43
30,2	350	41,36	10,08
30	350	41,36	10,08
29,8	350	41,36	10,08
29,6	320	34,57	8,43
29,4	300	30,39	7,41
29,2	310	32,45	7,91
29	320	34,58	8,43
28,8	320	34,58	8,43
28,6	300	30,39	7,41
28,4	310	32,45	7,91
28,2	310	32,45	7,91
28	310	32,45	7,91
27,8	320	34,58	8,43
27,6	320	34,58	8,43
27,4	300	30,39	7,41
27,2	310	32,45	7,91
27	310	32,45	7,91
26,8	310	32,45	7,91
26,6	310	32,45	7,91
26,4	310	32,45	7,91
26,2	300	30,39	7,41
26	280	26,47	6,45

Диаметром пятна и объемом испаренного вещества можно управлять не только при помощи изменения энергии лазерного импульса, но и при помощи фокусировки. Так же этот эксперимент позволяет определить нам наилучшее положение фокусировочной системы, при котором мы можем обеспечить наиболее острую фокусировку.

Исследование зависимости сопротивления пленки хрома от энергии импульса лазерного излучения в моноимпульсном режиме

Зависимость сопротивления пленки хрома от энергии лазерного импульса

Энергия накачки, Дж	Энергия импульса, мДж	Сопротивление пленки, Ом/□
0	0	45,26
9,5	2,6	46,92
10,2	4,9	46,77
10,5	6,3	46,82
11	8,3	48,61
11,5	10,6	49,77
12	13,3	51,76
12,5	15,4	53,59
13	18,1	55,26

Как видно из таблицы и графика, сопротивление пленки, обработанной лазерным излучением, растет прямопропорционально энергии лазерного импульса и данная зависимость имеет линейный характер, т.е. с ростом диаметра испаренной области растет сопротивление пленки.

Зависимость сопротивления пленки хрома от энергии лазерного импульса

Энергия накачки, Дж	Энергия импульса, мДж	Сопротивление пленки, кОм/□
0	0	0,04973
9,7	3,2	1,48
10	4,1	1,78
10,5	6,3	5,06
10,8	7,5	5,86
11	8,3	8,69
11,2	9,2	14,86

Зависимость сопротивления пленки хрома от энергии лазерного импульса

В данном же случае, когда происходит частичное испарение тонкой пленки, сопротивление изменяется на несколько порядков. Это обусловлено не только малой толщиной проводящего материала, но и образованием оксида на поверхности пленки после обработки, т.к. эксперименты проводились не в вакууме.

Исследование оптических свойств лазерномодифицированых структур пленка Cr – Si

Коэффициент пропускания  - отношение светового потока, прошедшего через слой(I), к световому потоку, падающему на слой(I₀): τ=I/I₀

Исследование оптических свойств пленки после частичного испарения лазерным импульсом

Энергия лазерного излучения, мДж	Пропускание пленки после воздействия лазерного излучения, мА	Коэффициент пропускания
0	0,01	0,039
3,2	0,01	0,039
4,1	0,01	0,039
6,3	0,01	0,039
7,5	0,009	0,035
8,3	0,009	0,035
9,2	0,01	0,039

Как видно из эксперимента, коэффициент пропускания практически не изменяется при изменении энергии лазерного импульса и увеличении количества испаренного вещества. Следовательно, таким способом можно изменять электрофизические свойства тонких пленок не изменяя их оптические свойства.

Исследование оптических свойств пленки после полного испарения лазерным импульсом

Энергия лазерного излучения, мДж	Пропускание пленки после воздействия лазерного излучения, мА	Коэффициент пропускания
0	0,051	0,039
9,5	0,051	0,039
10,2	0,054	0,042
10,5	0,055	0,043
11	0,059	0,046
11,5	0,065	0,051
12	0,072	0,056
12,5	0,076	0,059
13	0,087	0,068

В данном же случае, когда происходило полное локальное испарение тонкой пленки, наблюдается зависимость коэффициента пропускания от энергии лазерного импульса. С помощью этого метода можно изменять оптические свойства тонких пленок и при этом изменяя электрофизические свойства, но нет так сильно, как при помощи метода частичного испарения.

Использованная литература:

• Менушенков А.П., Неволин В.Н., Петровский В.Н. Физические основы лазерной технологии. Учебное пособие. — М.: НИЯУ МИФИ, 2010. 212 с.

• Вейко В.П. Опорный конспект лекций по курсу «Физико-технические основы лазерных технологий». Раздел: Технологические лазеры и лазерное излучение. Изд. 2-е, испр. и дополн. – СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. – 52 с.

• Гемпел К.А. Справочник по редким металлам. Пер. с англ. - М.: Мир, 1965. - 946 с., ил.

Ссылки:

• http://chem100.ru/elem.php?n=24#m5

• http://ref.by/refs/93/32465/1.html

• http://studyport.ru/referaty/estestvennye-nauki/3100-issledovanie-svojstv-hroma-i-ego-soedinenij

• http://www.metotech.ru/titan-opisanie.htm

• http://chem21.info/info/1552914/