научная статья по теме ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ Комплексное изучение отдельных стран и регионов

Текст научной статьи на тему «ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ»

Статья поступила в редакцию 26.03.15. Ред. рег. № 2206

The article has entered in publishing office 26.03.15. Ed. reg. No. 2206

УДК 677.52:539.67

ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ И ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ СТЕКЛООБРАЗНЫХ ДИЭЛЕКТРИКОВ

Ю.С. Балашов

Воронежский государственный технический университет 394026 Воронеж, Московский пр., д. 14 Тел.: (473)243-77-29, факс: (473)246-32-77, e-mail: faddey52@mail.ru

Заключение совета рецензентов: 29.03.15 Заключение совета экспертов: 02.04.15 Принято к публикации: 06.04.15

Проведен обзор исследований структуры и свойств стеклообразных диэлектриков, выполненных под непосредственным руководством профессора В. С. Постникова.

Ключевые слова: неорганические стекла, внутреннее трение, модули упругости и сдвига, поглощение ультразвука, координационные многогранники.

INVESTIGATION OF STRUCTURE AND ELECTROPHYSICAL PROPERTIES OF GLASSY DIELECTRICS

Yu.S. Balashov

Voronezh State Technical University 14 Moscow ave., Voronezh, Russia Тел.: (473)243-77-29, факс: (473)246-32-77, e-mail: faddey52@mail.ru

Referred: 29.03.15 Expertise: 02.04.15 Accepted: 06.04.15 A review of studies on the structure and properties of glassy dielectrics performed under supervision of Professor Postnikov V.S. Keywords: inorganic glass, internal friction, modules of elasticity, absorption of ultrasound, coordination polyhedron.

Юрий Степанович Балашов Yury S. Balashov

Сведения об авторе: д-р физ.-мат. наук, профессор.

Образование: Воронежский государственный университет, физический факультет (1961). Область научных интересов: физические основы надежности электронных систем. Публикации: более 150 научных статей, 19 авторских свидетельств и патентов, 6 учебных пособий.

Author information: doctor of physical and mathematical sciences, professor. Education: Voronezh State University, Faculty of Physics (1961). Main research interests: physical fundamentals of reliability of electronic systems. Publications: more than 150 articles, 19 patents, 6 textbooks.

В конце пятидесятых годов прошлого столетия среди ученых и производственников резко возрос интерес к изучению структуры и электрофизических свойств стеклообразных материалов - стекол различного состава, ситаллов (материалов, содержащих стеклообразную фазу с объемной долей до 50%),

керамик специального назначения, в которых доля стеклообразной фазы составляет около 5%. Это было связано с обнаружением в этих материалах уникальных физических свойств, что определило развитие волоконно-оптических линий связи, разработку конструкционных ударопрочных стекол и термостойких

№ 03 (167) 2015

ситаллов, использование стеклообразных диэлектриков в электронике и микроэлектронике, стекловолокон в качестве армирующего элемента композиционных материалов.

Даже поверхностный анализ указанных проблем показывал, что применение метода внутреннего трения, идеологом которого выступал Валентин Семенович Постников, способствовало бы получению не только научных и прикладных результатов по структуре и свойствам самих стеклообразных материалов, но и расширило бы философское значение развиваемого им научного направления. Стеклообразные диэлектрики, основным представителем которых являлось оконное стекло, традиционно характеризовались отсутствием дальнего порядка, в то время как их электрофизические свойства существенно зависели от состава, что подразумевало существование структурно-упорядоченных групп. Использование метода внутреннего трения позволило бы более детально представить структуру ближнего порядка в стеклах различного химического состав и на этой основе прогнозировать свойства.

При первой встрече с В.С. Постниковым были поставлены задачи исследовать релаксационные свойства стеклообразных материалов в широком диапазоне частот (10-1-107 Гц) и температур (4.21300 К), изучить упругие и неупругие свойства стеклообразных материалов различного химического состава, разработать структурные модели и представить феноменологическое описание выявленных релаксационных процессов, связать полученные результаты с техническими параметрами изделий и устройств, изготовленных на основе исследуемых материалов.

На начальной стадии работ В.С. Постников сразу же предъявил общие требования к выполнению исследований: тесная взаимосвязь с ведущими вузами и научно-исследовательскими институтами страны (Институт химии силикатов АН СССР, Московский химико-технологический институт, НИИ стекла, Институт технического стекла и др.), высокий метрологический уровень эксперимента, самостоятельность и инициатива. Поэтому с различными НИИ и организациями были заключены как договора о научном содружестве, так и хозяйственные договора, что позволило сразу решить задачу подготовки образцов определенного состава с известной тепловой предысторией.

Исследования по данному направлению могут быть сгруппированы следующим образом.

Исследования процессов кристаллизации стекол

Было установлено [1-3, 7, 22, 32], что в процессе ликвационного расслоения и дальнейшей кристаллизации титансодержащих стекол происходит изменение релаксационного спектра стекол вследствие перегруппировки катионов-модификаторов. При кристаллизации одной из сосуществующих стеклофаз

релаксационный спектр ситалла является суперпозицией релаксационных спектров стеклообразной и кристаллической фаз, а по температурной зависимости модуля сдвига могут быть оценены механические напряжения по границам раздела фаз. Одним из важных результатов этих исследований явилось обнаружение частотонезависимого пика внутреннего трения, который был идентифицирован как фазовый переход в кристобаллите - одной из кристаллических фаз, образовавшихся при термообработке. При этом переходе в силу анизатропных свойств кристо-баллита по границам со стеклофазой возникают значительные механические напряжения, приводящие к возникновению микротрещин, снижающих прочность ситаллов. Метод внутреннего трения был предложен для регистрации кристобаллита, т. к. прямые структурные методы не позволяли это сделать из-за малых размеров кристаллов. На основе этих работ работниками предприятий были внесены изменения в режим термообработки для исключения кристаллизации кристобаллита, что повысило механическую прочность ситалла.

Исследования внутреннего трения алюмооксидных керамик

Этот цикл работ [10, 15, 23, 26, 28] был продолжением работ по кристаллизации стекол и касался высокотемпературных релаксационных процессов как в монокристаллическом (сапфир) и поликристаллическом А1203 (керамика А-995), так и в керамике 22ХС, содержащей около 10% стеклофазы. Для проведения исследований была создана уникальная установка [10], позволяющая проводить измерения внутреннего трения и модуля сдвига до температур 1600 °С. Во всем температурном диапазоне монокристалл А1203 имеет крайне низкое внутреннее трение; релаксационный спектр керамики А-995 имеет максимум при температуре около 1400 °С, а керамики 22ХС - два максимума при температурах 800 °С и 1060 °С. В работе [28] максимум внутреннего трения в керамике А-995 был отнесен к зернограничной релаксации, была предложена модель границы зерна в А1203 и рассчитаны параметры максимума, объясняющие экспериментально наблюдаемое уменьшение максимума по высоте и его смещение в сторону более высоких температур при увеличении размеров зерна. Максимум при температуре 800 °С в керамике 22ХС, отсутствующий в поликристаллическом образце, был интерпретирован как переход стеклофазы из твердого в вязкотекучее состояние. Наблюдать этот максимум можно было только благодаря тому, что кристаллиты А1203 образовывали единый пространственный каркас, а стеклофаза представляла собой межкристаллитные включения. Керамика 22ХС представляла, таким образом, модель составного образца, что было использовано в дальнейших исследованиях процесса а-релаксации стеклообразных материалов.

№ 03 (167) Международный научный журнал

Исследования внутреннего трения в стеклообразных материалах различного состава

В стеклообразных материалах в температурно-частотных областях обнаруживаются пики внутреннего трения подобно тому, как это наблюдалось для кристаллических структур. Анализ релаксационных спектров в диапазоне частот 1-100 Гц от химического состава стекол показал наличие пиков внутреннего трения при температурах (-50 - +200) °С только для стекол, содержащих щелочные катионы. Это дало основание предполагать, что областями локальной упорядоченности являются не только тетраэдры [БЮ/|/2], но и структурные группировки, содержащие ионы щелочных металлов. Были предложены [9, 14, 16, 27, 40] и теоретически обоснованы для стекол системы 8Ю2-Ме20 атомные модели группировок [8Ю3/2]-О-№, содержащие немостиковые ионы кислорода. Такую группировку можно представить в виде диполя [8Ю4/2]--№+; ион щелочного металла имеет три устойчивых положения на гранях тетраэдра [8Ю4/2] и при приложении переменного механического поля перемещается из одного положения в другие, обусловливая тем самым появление максимума при температурах (-50 —10) °С. Эта модель подтверждается данными исследования диэлектрических потерь в стеклах этого состава, где наблюдается максимум, который может интерпретироваться за счет переходов иона щелочного металла как заряженной частицы. При повышении концентрации щелочного окисла происходит взаимодействие между диполями [8Ю4/2]--№+ и в переменном механическом поле формируется второй максимум при температурах (+150 - +200) °С. В диэлектрических потерях аналог этого максимума отсутствует.

В стеклах сложного состава, содержащих два стеклообразователя (системы 8Ю2-Б203, БЮ2-А1203), атомы бора и алюминия встраиваются в сетку кремнезема, образуя анионы [ВО4/2]-, [А1О4/2]-, для компенсации заряда которых используются атомы щелочных металлов, образовывая группировки [ВО4/2]Ме, [А1О4/2]Ме. Концентрация таких группировок зависит от отношения В2О3/Ме2О и А1203/Ме20 и определяет вид релаксационного спектра стекла, поскольку энергия активации иона щелочного металла в группировках [8Ю4/2]--№+, [ВО4/2]Ме и [А1О4/2]Ме различна. При отношениях В2О3/Ме2О = 1 и А1203/Ме20 = 1 на температурной зависимости внутреннег

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком