книги из ГПНТБ / Евдокимов, В. Д. Экзоэлектронная эмиссия при трении

А К А Д Е М И Я Н А У К СССР

НАУЧНЫЙ СОВЕТ 110 ТРЕНИЮ И СМАЗКЕ

В. Д. ЕВДОКИМОВ,

Ю. И. СЕМОВ

ЭКЗОЭЛЕКТРОННАЯ

ЭМИССИЯ ПРИ ТРЕНИИ

И З Д А Т Е Л Ь С Т В О « Н А У К А»

М О С К В А 1 і) 7 .1

К О Н Т Р О Л Ь HЫ Й Ѳ К 2

Благодаря достижениям в области физико-химической механики кон­ тактных взаимодействий стало известно, что причины радикальных и з ­ менений эксплуатационных свойств материалов следует искать в погра­ ничных слоях и в возникающих там эффектах. Оказалось, что путь к управлению свойствами рабочих поверхностей зачастую лежит через глубокое познание тонких физических и химических явлений. Именно поэтому решение научных и производственных .задач, связанных с т р е ­ нием и изнашиванием, уже не обходится без привлечения новых физи­ ческих и химических методов исследования, которые в сочетании с и з ­ вестными классическими методами способны дать наиболее полную ин­ формацию об условиях трения и состоянии поверхностных слоев.

ного состояния поверхностных слоев, об особенностях развития в кон­ такте трения тепловых процессов и кинетики химических реакций.

Достаточная изученность некоторых электрических явлений позволи­ ла разработать новые методы для исследования внешнего трения и управления свойствами рабочих поверхностей. Среди наименее изучен­ ных электрических явлений, возникающих при трении, особый интерес вызывает экзоэлектронная эмиссия. Такой интерес к экзоэлектронной эмиссии объясняется не только перспективой практического использо­ вания, но и особенностями ее природы, для выяснения которой привле­ каются арсеналы физики, химии и учитываются закономерности дефор­ мации поли- и монокристаллов.

В общем представлении экзоэлектронная эмиссия характеризуется излучением электронов с поверхности твердого тела, возбужденной различными способами, в том числе трением. Интенсивность экзоэлек­ тронной эмиссии чутко реагирует на состояние поверхности, а ее ход во времени зависит от окружающих условий - температуры, состава и давления атмосферы, освещенности и проч. С помощью экзоэлектрон­ ной эмиссии можно получить сведения о физико-химических и дефор­ мационных процессах на поверхности твердого тела и о влиянии на них внешних условий. Но при расшифровке экспериментальных данных возникают и определенные трудности из-за отсутствия у исследовате­ лей единства взглядов на природу явления. Это мешает широкому при­ менению экзоэлектронной эмиссии для исследования поверхностных

тод физики твердого тела, особенно перспективный для изучения по­ верхностных процессов при деформации металлов.

3

Г л а в а I.

ЭКЗОЭЛЕКТРОІШАЯ ЭМИССИЯ. ОБЗОР ГИПОТЕЗ

Экаоэлектронная эмиссия возникает после возбуждения поверхности

ла стимулируют химические реакции и нагрев. Многие виды возбужде­ ния разрушают поверхностные слои, в результате чего возникают д е ­ фекты кристаллической решетки, происходят структурные превращения, нарушается адсорбционное равновесие, образуются новые химические соединения. По мере стабилизации свойств поверхности экзоэлектрон-

ности и состава атмосферы. Изучение экзоэлектронной эмиссии способ­ ствует пониманию многих физико-химических процессов, протекающих на поверхности твердых тел. При этом необходимо руководствоваться какой-либо физической моделью, которая связывала бы экзоэлектронную эмиссию с изучаемым явлением.

Начало систематическому изучению экзоэлектронной эмиссии поло­ жено работами Крамера [ 6-10]. К настоящему времени накоплен обшир­ ный экспериментальный материал и выдвинут ряд гипотез для объясне­ ния природы этой эмиссии. Результаты наиболее важных работ обсужда­ лись и обобщались в обзорных статьях [ 11-16].

Многочисленные исследования чистых металлов и сложных химиче­ ских соединений, различная экспериментальная методика и условия про­ ведения опытов, разные способы возбуждения поверхности и противоре­ чивость выводов различных авторов затрудняют систематизацию работ, необходимую для создания всесторонних и четких представлений о проб­ леме экзоэлектронной эмиссии. На наш взгляд, наиболее приемлемой в этом отношении является классификация работ по гипотезам, предло­ женным в свое время для объяснения экспериментально наблюдаемых фактов.

Гипотеза Крамера. Крамером впервые была исследована температур­ ная зависимость экзоэлектронной эмиссии. Интенсивность эмиссии, регистрируемая в его опытах открытым острийным счетчиком, возрас ­ тала по мере нагревания образцов. При определенных для данного об­ разца температурах появлялись резкие максимумы эмиссии. На метал -

5

лах максимумы появлялись, как правило, при охлаждении образцов, нагрев вызывал монотонное возрастание эмиссии, реже - очень сла­ бые пики. Это иллюстрируется температурной зависимостью интенсив­ ности эмиссии для сплава Вуда [ 8 ] . Крамер обнаружил, что темпера­ туры максимумов являются точками фазовых переходов. Отсюда сле ­ дует его гипотеза: если фазовый переход экзотермический, то выделя­ ющаяся энергия сообщается электронам, которые эмиттируют с поверх­

лоты фазовых превращений. Ряд экспериментов других авторов подтвер­ дил соответствие между фазовой диаграммой и температурными макси­ мумами экзоэлектронной эмиссии [17-21].

Подобное объяснение кажется наглядным и вероятным. Но резуль­ таты многих работ, сделанных вслед за Крамером, показали, что в о з ­ буждение экзоэлектронной эмиссии нельзя объяснить экзотермической

Хемосорбционная гипотеза. В 1951 г. появилась работа Хакселя, Хоутерманса и Зегера [ 23], в которой предлагается хемосорбционный механизм экзоэлектронной эмиссии. По мнению этих авторов, энергия, за счет которой эмиттируют экзоэлектроны, выделяется при хемосорб-

соответствуют центры адсорбции с различными энергиями активации. Позднее было установлено, что на многих веществах пики эмиссии появляются при одних и тех же температурах [ 24]. Это свидетельству­

Различия в высоте и положении температурных максимумов объяс­ няются скорее разными скоростями нагрева, чем природой ответствен­ ных за них центров [ 29 ]. Действительно, если температурный ход экзоэлектронной эмиссии мало отличается для различных металлов и окислов, то тогда этот процесс определяется образованием поверхност­ ного слоя, структура которого не зависит от природы подложки [ 24]; такой слой образуется за счет адсорбции кислорода из воздуха.

Сложнее объяснить затухание эмиссии во. времени, следуя хемосорбционной гипотезе. При атмосферном давлении адсорбционный слой обра­ зуется за очень короткое время [30], а экзоэлектронная эмиссия на некоторых образцах наблюдается в течение многих суток. И все же

6

эта гипотеза интересна тем, что в ней впервые обращено внимание на необходимость контакта поверхности металлического образца с ак ­

показывают, что она, как правило, меньше 4 эв - средней величины работы выхода электрона из металла [38,39], Таким образом, если даже предположить, что вся указанная энергия передается целиком одному электрону, то эмиссия не должна наблюдаться. Но если при­ нять во внимание, что теплоты образования окислов гораздо больше теплот хемосорбции, то эмиссия может возбуждаться за счет энергии химической реакции между активным газом и поверхностью металла. Подобное объяснение было выдвинуто чешскими исследователями Сейдлем и Роубинеком [40-43]. Их предположения подтвердились опы­ тами Лоффа [31, 33] проведенными в вакууме до 1 0 - 6 мм рт.ст. Эмис­ сия измерялась с помощью вторично-электронного умножителя. Приве­

дем основные выводы из работ Лоффа: 1 ) при неизменном давлении

электронов находится в пределах 0,1 - 0,2 эв и не зависит от работы

первые 17 мин. окисления. Описать процесс такой простой зависимо­ стью для больших промежутков времени не представлялось возмож -

1934 г., предполагал передачу электрону энергии элементарного акта взаимодействия атома галогена с поверхностью металла. Но все же перенести этот механизм на эффекты, наблюдаемые Лоффом, нецелесо­

( п р и м . а в т о р о в ) .

7

зало, что затухание эмиссионной способности свежеобразованной по­

дение поверхности почти полностью прекращает эмиссионный процесс,

сия представляла собою "индуцированный фотоэффект" (термин Краме ­ ра) . По-видимому, многие авторы не учитывали рассеянный свет, ко ­ торый мог обусловить эмиссию. Предположение о химической природе экзоэлектронной эмиссии не потеряло своего значения и в настоящее время, его используют авторы сравнительно недавно опубликованной работы [47] ,

Гипотеза, объясняющая экзоэлектронную эмиссию понижением рабо­

работой выхода, из которых эмиттируют электроны. Понижение работы выхода, по их мнению, происходит за счет перемешивания окисла и металла при зачистке. Эксперименты, устанавливающие понижение ра ­ боты выхода электрона из металла при взаимодействии с активными газами (кислород, галогены), описаны в работах [49-52]. Подробные сведения об этих экспериментах собраны в работе [53], автор которой рассматривает эмиссию из покрытых окислами термо- и фотокатодов как незатухающую форму экзоэлектронной эмиссии. Следует отметить, что понижение работы выхода происходило только после определенной термической активации - прогрева оксиленной поверхности в вакууме. При прогреве кислород внедряется под верхний слой металла. Образу­ ющийся на поверхности двойной электрический слой 0~ - М е + снижает поверхностный потенциальный барьер. Если же не производить акти­ вации, то адсорбция электроотрицательных газов всегда повышает потенциал'поверхности. Так как экзоэлектронная эмиссия наблюдается в нормальных атмосферных условиях, без подобной термической акти­ вации, то приведенные выше взгляды не объясняют ее природу.

В.Шаффс [ 54] несколько видоизменяет объяснение эффекта. Его и з ­ мерения поверхностного потенциала при постепенном окислении метал ­ лической поверхности показали периодическое изменение работы выхо­ да электрона по мере наращивания окисных слоев. Зачистка поверхно­ сти приводит .к появлению царапин, трещин в окисном слое. Под дейст­ вием периодически изменяющихся полей на стенках трещин возможно появление холодной эмиссии. Предложенный Шаффсом механизм эмиссии хорошо объясняет эффекты при зачистке окисленных поверхностей, но

8

Попутно отметим, что эмиссия электронов наблюдалась при дробле­

эмиссии-эффекта Малтера, применим только к диэлектрикам.

Модель электрически заряженной микрощели. Модель предложена

Суякрм [59-69]. С помощью этой модели удалось объяснить многие особенности экзоэлектронной эмиссии, возникающей в процессе пласти­ ческой деформации окисленного алюминия.

переходного слоя электроны эмиттируют в щель. По мере опустошения ловушки вновь заполняются туннелированием электронов из металличе­ ской подложки. Однако выходу электронов из трещин мешает попереч­ ное электрическое поле. Поэтому эмиссия наблюдается при определен­ ном соотношении между шириной щели В и толщиной окисла D. Отсю­ да и объяснение того экспериментального факта, что эмиссия наблю­ дается, начиная с определенной степени деформации, и зависит от тол­ щины окисла. Параметр B/D является мерой эмиссионной способности. Кроме того, становится понятным, как подсветка и внешнее электриче­ ское поле, перпендикулярное поверхности металла, уменьшают началь­ ную деформацию, при которой становится возможной эмиссия.

Действительно, оба этих фактора облегчают выход электрона из ще—, ли. Подобная модель была подтверждена лишь опытами на пластически деформированном алюминии, на других металлах такие эксперименты не проводились. Более поздние исследования тех же авторов на образцах из никеля и алюминия заставили их несколько видоизменить модель, предположив, что электроны эмиттируют не со дна, а со стенок микро­ щели [66,67] . Таким образом, наметился возврат к представлениям Шаффса [ 5 4 ] . Следует подчеркнуть, что в рассмотренной выше модели остаются совершенно неясными основные звенья. В первую очередь это относится к механизму заполнения и опустошения ловушек в переход­ ном слое и к строению энергетических зон самого переходного слоя. Возможно, что эффект экзоэлектронной эмиссии на пластически дефор­ мированных образцах алюминия и магния объясняется особым строени­ ем энергетических зон переходного слоя металл-окисел.

Гипотеза, объясняющая экзоэлектронную эмиссию как процесс, управ­

9