» ГЛАВНАЯ > К содержанию номера
 » Все публикации автора

Журнал научных публикаций
«Наука через призму времени»

Август, 2020 / Международный научный журнал
«Наука через призму времени» №8 (41) 2020

Автор: Гирфанов Тимур Александрович, Биккулова Нурия Нагимьяновна, Студент магистратуры, Научный руководитель, профессор, доктор физико-математических наук
Рубрика: Физико-математические науки
Название статьи: Влияние размерного эффекта на физические свойства горных пород на основе халькогенидов переходных металлов

УДК 622.02

ВЛИЯНИЕ РАЗМЕРНОГО ЭФФЕКТА НА ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ГОРНЫХ ПОРОД НА ОСНОВЕ ХАЛЬКОГЕНИДОВ ПЕРЕХОДНЫХ МЕТАЛЛОВ

Гирфанов Тимур Александрович

студент магистратуры

научный руководитель: Биккулова Нурия Нагимьяновна

профессор, доктор физико-математических наук

Стерлитамакский филиал Башкирского государственного университета, г. Стерлитамак

Аннотация. В данной статье описывается понятие размерного эффекта, его типы, а также влияние на различные физические свойства горных пород на основе халькогенидов переходных металлов.

Ключевые слова: размерный эффект, халькогенид, металл, горные породы.

Размерный эффект – совокупность различных явлений приводящих к замене физико-химических свойств. Данное действие приводит к уменьшению параметров частиц и изменению физических характеристик, таких как плотность, теплопроводность, твердость и другие.

Описываемый эффект наблюдается лишь в случае, когда халькогенидовые переходные металлы имеют размер от 10 до 100 нм. Проявляются квантовые эффекты в электронных свойствах металла за счет понижения концентрации электронного газа, что в дальнейшем приводит к полной замене энергетического спектра.

Типы размерного эффекта:

1.   Слабый – при уменьшении объема частиц изменение физических свойств практически не наблюдается. Данным свойством обладают халькогенидовые переходные металлы, размер которых больше 10 нм (микрокристаллы).

2.   Сильный – можно обнаружить при кардинальном изменении физических свойств металла. Размер меньше 10 нм (наноразмеры).

Свойство размерного эффекта состоит из соотношения поверхности шарообразных частиц на их объем: β =  Nпов. / Nоб. Данная особенность относится к закону подобия суть которой в том что при уменьшении геометрических размеров металлов в n-ое количество раз изменяет параметры объекта на столько же пунктов [1].

В связи с разной степенью разупорядоченностинаночастиц металла и его слоя поверхности происходит различие температурного плавления атомов. Внутренние атомы требуют большего нагрева, чем поверхностные. 

Размерный эффект может повлиять на многие физические состояние халькогенидовых металлов. К самым распространенным относят:пористость,выветрелость, наличие трещин, плотность.

Именно по вышеперечисленным свойствам имеется возможность качественно оценить устойчивость, а также плотность рассматриваемых горных пород. Для диагностики физических свойств горных пород большое значение имеют магнитные, оптические, радиоактивные, люминесцентные и другие свойства, которые зависят от типа и состава кристаллической структуры.

Также важным фактором является минералогический состав, определяющий свойства горных пород. Они могут быть: мономинеральными и полиминеральными в зависимости от главного до 95 процентов породообразующего минерала. Дополнительно выделяют первичные и вторичные горные породы. Общее значение количества вторичных минералов определяет степень выветренности горных пород, что прямо влияет на физические свойства.

Халькогениды – это бинарные химические соединения, встречающиеся в природе в виде соединений руд металлов меди, цинка, железа, свинца, сульфидов и других. Щелочные металлы подвержены гидролизу и растворимы в воде [2].

Такие показатели как прочность, упругость, пластичность, твердость и другие легко подвержены влиянию размерного эффекта. Особенно под его влияние попадают пластичность и прочность из-за сильно чувствительных структурных параметров.

Рассмотрим на примере менее чувствительный показатель к влиянию размерного эффекта – твердость. При уменьшении размера горной породы структурная характеристика твердости будет только увеличиваться. В тоже время одновременно уменьшаются показатели пластичности и прочности.Данные свойства происходят за счет автоматического препятствия с помощью границ металлов распространения трещин, дислокаций. Именно поэтому твердость наноматериалов является повышенной. В настоящее время описанный показатель наиболее изучен, чем все остальные в связи с трудностью получение нанокристаллических образцов для проверки влияния размерного эффекта на растяжение халькогенидов переходных металлов [3].

В отличие от массивных аналогов нанокристаллические структуры более подвержены изменению физических свойств в связи с влиянием размерного эффекта. Особую роль ученые отводят высокой твердости, которая является наиболее изученной. Мысль о том, как повысить твердость переходных металлов формировалась долгие годы, и только после проведения многочисленных исследований был сделан окончательный вывод – твердость халькогенида переходных металлов прямо пропорциональна размеру зерна.

Среди полупроводников главная роль отводится халькогенидам тяжелых металлов, а именно свинца и кадмия. Их тонкопленочные сульфиды нашли разностороннее применение в опто- и микроэлектронике:фотодетекторы;термоэлементы;сенсорные материалы;декоративные покрытия;солнечные элементы и т.д.

На сегодняшний день халькогениды металлов производят в результате следующих методов:

1.   Химических – специальный аэрозоль распыляют на реакционную смесь при нагревании от 400 до 600 градусов.

2.   Физических – применение катодного распыления, а также испарение в вакууме (слишком сложное и дорогостоящее).

Если знать, как влиять на физические свойства горных пород на основе халькогенидов переходных металлов с помощью размерного эффекта можно получить новые поколения металлов еще не встречающихся в природе. Данная информация позволяет повысить прочность, твердость, стабильность, упругость, изменять размеры и формы металлов.

Список литературы:

1. Размерные эффекты. Пустырник–Румчерод.–М.: Большая российская энциклопедия, 2015.– С.72-173
2. Рипан Р., Четяну И.Неорганическая химия. Химия металлов.–М.: Мир, 1972.– Т. 2.–871 с.
3. Свойства горных пород при разных видах и режимах нагружения / Под ред. А.И. Берона. - М.: Недра, 1983. – 275 с.

Комментарии:

Фамилия Имя Отчество:
Комментарий: