Томский государственный университет Томский политехнический университет
Томский государственный архитектурно-строительный университет Сибирский физико-технический институт Томского госуниверситета Физико-технический институт Томского политехнического университета Юргинский технологический институт (филиал)
Томского политехнического университета
КРИСТАЛЛОГЕОМЕТРИЧЕСКИЕИКРИСТАЛЛОХИМИЧЕСКИЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ОБРАЗОВАНИЯ БИНАРНЫХ И ТРОЙНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА И НИКЕЛЯ
Монография
Под общей редакциейА.И. Потекаева
Издательство
Томского политехнического университета
2011
УДК [661.87–661.88]:548.3
ББК[24.124+24.128]:24.5
К82
Авторы
А.А. Клопотов, А.И. Потекаев, Э.В. Козлов,
Ю.И. Тюрин, К.П. Арефьев, Н.О. Солоницина, В.Д. Клопотов
К82
Кристаллогеометрическиеикристаллохимические закономерно-стиобразования бинарных и тройных соединений на основе титана и никеля: монография / А.А. Клопотов, А.И. Потекаев, Э.В. Козлов,Ю.И.Тюрин,К.П.Арефьев,Н.О.Солоницина,В.Д.Клопотов;подобщ. ред.А.И. Потекаева; Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 312с.
ISBN 978-5-98298-874-4
В монографии последовательно и всесторонне на основе оригинальных физиче- ских представлений обсуждены различные аспекты природы образования и устойчи- вости бинарных и тройных соединений конденсированных систем. В настоящее время интенсивно изучаются новые металлические наноструктурные материалы, что связа- но с их особыми свойствами и перспективами использования в качестве базовых спе- циальных функциональных и конструкционных материалов. В подавляющем боль- шинстве случаев новые структурные состояния достигаются особыми технологиче- скими приемами, а физическая картина поведения, свойств и структуры таких мате- риалов остается часто неясной. Именно фундаментальным физическим аспектам структуры материалов на основе титана и никеля посвящена данная книга.
Предназначена для широкого круга специалистов – научных сотрудников и ин- женеров, работающих в области материаловедения и физики конденсированных сис- тем (металлов и сплавов, полупроводников), а также преподавателей, аспирантов и студентов, специализирующихся в области материаловедения.
УДК [661.87–661.88]:548.3
ББК [24.124+24.128]:24.5
Рецензенты
Доктор физико-математических наук, профессор ТПУ
В.М. Лисицин
Доктор физико-математических наук, профессор директор ЦНИИ Чермет
А.М. Глезер
ISBN978-5-98298-874-4 © Клопотов А.А., Потекаев А.И.,2011
© Оформление. Издательство Томского политехнического университета, 2011
Введение введение
В настоящее время научно-техническое развитие мирового сооб- щества ставит перед материаловедческими науками задачи создания принципиально новых материалов с уникальными свойствами. Извест- но, что физические и механические характеристики конденсированныхсредвнемалойстепениопределяютсяихструктуройисвойствами.Ис- пользованиеэкспериментальныхи полуэмпирических подходов открыло в свое время большиевозможностидля поиска новых металлических и полупроводниковых материалов, обладающихразнообразнымислужеб-нымихарактеристиками,однакоужесточениетребованийпрактикик ис- пользуемым материаламвызываетнеобходимость целенаправленного поиска систем с особыми физическими и механическими свойствами.Традиционныйпростой перебор составляющихкомпонентови техноло- гических методовобъективно исчерпал себя,аполуэмпирическиепред-ставленияклассического материаловедения прогрессивно теряют свои прогнозирующие возможности с ростом числа компонентов в системе и ужесточением требований условий эксплуатации и функционирования. Таким образом, существовавшие до настоящего времени концептуаль- ные представления о природе материалов и методах конструирования их свойств, прогнозирования поведения в экстремальных условиях ис- черпали, практически, своивозможности.
В этой связи возникает настоятельная необходимость создания эф- фективных методов прогноза структуры и свойств конденсированных систем, основанных на новых физических представлениях и подходах.
Современная теория конденсированного состояния вещества ис- пользует общие принципы термодинамики, физики твердого тела, кван- товую механику и некоторые другие подходы. Исторически сложилось так, что наука об атомной структуре кристаллов начиналась на основе геометрического подхода [1, 2, 3]. Основное достижение этого подхода состоит в том, что на его основе можно наиболее просто и наглядно вы- явить и описать общие закономерности в строении и стабильности раз- личных кристаллических структур [4, 5]. В современной кристаллохи- мии и кристаллофизике значительна роль геометрических факторов, из которых наиболее важными являются следующие: стремление к наи- более полному заполнению пространства, к наивысшей симметриии
А.А. Клопотов, а.И. Потекаев, э.В. Козлов, ю.И. Тюрин, к.П. Арефьев, н.О. Солоницина, в.Д. Клопотов
к наибольшему числу «связей» между атомами. Эти геометрические принципы, благодаря их универсальности, простоте и наглядности дают возможность проводить предварительные оценки, а часто и решать ряд практически важных вопросов. В связи с этим целесообразно вспом- нить, что механизмы образования и условия стабильности кристалличе- ских структур зависят от соотношения и сочетания нескольких характе- ристик атомов. Результат их сочетания приводит к трехмерной перио- дической структуре, в которой можно выделить элементарные ячейки с атомами в строго фиксированных положениях. К этим характеристикам относится, например, размерный фактор, который может быть выражен как соотношение радиусов элементов RB/RAили δ = 1 – RB/RA[2, 5].
Условия образования различных кристаллических структур в зави- симости от элементного состава исследуются давно. Основополагаю- щий вклад в эти исследования был внесен работами В.М. Гольдшмидта, Ф. Лавеса, Юм-Розери, У. Пирсона, К. Шуберта, И.И. Корнилова, Н.Ф. Агеева, С.С. Бацанова, Т.А. Лебедева, Е. Зена, Л.Вегарда.
Простые, на первый взгляд, частотные распределения числа фаз в зависимости от размерного фактора наглядно показывают пределы ус- тойчивости этих кристаллических структур и позволяют получить важ- ную информацию о том, контролируется ли образование данной струк- туры именно размерным фактором или этого фактора недостаточно [6]. Например, от электронного фактора, который в интегральном виде ха- рактеризует распределение электронов в кристаллической решетке, т. е. электронной структуры. Из анализа распределений числа фаз с разными структурами от кристаллогеометрических параметров можно сделать вывод о том, какой фактор является доминирующим или о его отсутст- вии, т. е. о многофакторном влиянии на природу устойчивости в рас- сматриваемых структурах.
В металлических соединениях атомный объем является другим чувствительным параметром, характеризующим «размер атомов». Эта характеристика является менее структурно зависимым параметром, чем размерный фактор. В этом случае атомные радиусы определяются из кратчайших межатомных расстояний в структурах элементов. В конеч- ном счете это находит отражение, хоть и в интегральном виде, в изме- нении атомного объема. Другим структурным параметром, учитываю- щим изменение размеров атомов при образовании сплавов, является так называемое «сверхструктурное сжатие» [5]. Его величина определяется