Издателям
Вышедшие номера
Влияние нагрузки на концентрацию и химический потенциал атомов кислорода в пористом пластичном YBa2Cu3O6+x
Гербштейн Ю.М.1, Тимощенко Н.Е.1, Мурадов А.Д.1, Рахимбеков А.Ж.1
1Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург, Россия
Поступила в редакцию: 30 сентября 1996 г.
Выставление онлайн: 19 марта 1997 г.

В работе [1] при исследовании плотных образцов YBa2Cu3O6+x (YBCO), приложение нагрузки к которым не приводило к заметной пластической деформации, обнаружено, что под действием нагрузки образец не выделяет, а поглощает кислород. Показана связь явления с фазовым переходом порядок--беспорядок. При исследовании пористых образцов, приложение нагрузки к которым приводило к заметной пластической деформации, было обнаружено, что поглощение кислорода и приращение химического потенциала атомов кислорода в образце на несколько порядков превосходят значения, полученные при тех же условиях на плотных образцах. Этот "гигантский" эффект, необъяснимый в рамках модели [1], составляет предмет настоящей работы. Пористые образцы были изготовлены спеканием слабо спрессованных таблеток при 900-940oC. Исследование проводилось при температурах выше 400oC, когда между газом и образцом относительно быстро устанавливается равновесие и соответственно равенство химических потенциалов атомов кислорода. Так же как в работе [1], давление кислорода и химический потенциал атомов кислорода измерялись в газовой фазе над образцом. Благодаря относительно малому объему газа присутствие его практически не влияло на содержание кислорода в образце. Пластическая деформация измерялась с помощью механического индикатора, давление кислорода и химический потенциал атомов кислорода определялись с помощью ZrO2-датчика. Отклик датчика на воздействие одноосной нагрузки Deltasigma=106 Pa, прикладываемой к основанию цилиндрического образца диаметром 0.46 и высотой 1.2 cm при температуре 555oC, исходном давлении кислорода 7· 103 Pa и объеме газовой фазы над образцом V=0.5 cm3, приведен на рисунке в виде зависимости от времени приращения парциального давления кислорода, Delta p(t), и химического потенциала атомов кислорода в газовой фазе, Deltamu(t) (кривая 1). Стрелками, направленными вниз и вверх, отмечено время приложения и снятия нагрузки. Видно, что приложение нагрузки к образцу сопровождается уменьшением давления, т. е. поглощением кислорода образцом, а снятие --- увеличением давления, т. е. выделением кислорода из образца. Видно также, что газ приходит в равновесие с образцом примерно за 20 min с постоянной времени 3.5 min, обычной для установления равновесия между YBCO и газовой фазой. Это указывает на "объемный" характер явления. Равновесное значение Deltamu составляет 6 meV. Кривая 2 получена при 450oC. Здесь после приложения нагрузки помимо поглощения наблюдается кратковременное выделение кислорода с постоянной времени, на порядок меньшей времени объемной релаксации; после снятия нагрузки наряду с "медленным" выделением наблюдается "быстрое" поглощение кислорода. "Быстрые" процессы наблюдались при температурах ниже 500oC и, по-видимому, связаны с влиянием нагрузки на кислород, адсорбированный на межзеренных и двойниковых границах. Отклик механического индикатора на приложение нагрузки к образцу приведен на рисунке в виде зависимости приращения длины образца от времени, Delta l(t) (кривая 3). После приложения нагрузки длина образца уменьшается с той же постоянной времени, что Delta p(t). По достижении равновесия между газом и нагруженным образцом изменение длины образца прекращается. После снятия нагрузки длина образца в пределах погрешности измерений не меняется. При повторном приложении нагрузки происходит дальнейшее уменьшение длины образца. Диаметр образца под действием нагрузки не меняется, т. е. пластическая деформация происходит исключительно в направлении действия нагрузки. Очевидно, материал при этом вытесняется в поры образца. После многих циклов воздействия нагрузки образец либо разрушается, либо уплотняется так, что воздействие нагрузки не сопровождается дальнейшей пластической деформацией, и "гигантский" эффект не наблюдается. [!tb] Отклики датчиков на приложение нагрузки к пористому образцу YBa2Cu3O6+x. 1, 2 --- ZrO2-датчик в терминах приращения давления кислорода Delta p и химического потенциала атомов кислорода Deltamu, 3 --- механический индикатор в терминах приращения длины образца Delta l. T (oC): 1, 3 --- 555, 2 --- 450. Стрелки, направленные вниз и вверх, указывают время приложения и снятие нагрузки соответственно. Согласно термодинамике, приращение химического потенциала частицы, связанное с действием нагрузки, есть работа, производимая нагрузкой при поглощении частицы образцом. В одномерном случае, когда под действием одноосной нагрузки Deltasigma меняется только длина образца, можно записать Deltamu=vDeltasigma, (1) где v --- изменение объема образца при поглощении атома кислорода. Естественно ожидать, что v имеет порядок атомного объема. Однако v, отвечающее, согласно (1), экспериментальному Deltamu, составляет на два-три порядка большую величину (~ 10-27 m3). Рассматривая влияние нагрузки Deltasigma на пористый образец, примем во внимание неоднородность возникающих в нем напряжений --- значительных в окрестностях точек соприкосновения микрокристаллов и малых вдали от этих точек. Представим пористый образец в виде системы из двух плотных образцов неравной массы m1<< m2. Образец 1 имитирует окрестность точки соприкосновения микрокристаллов, образец 2 --- остальную часть образца. Неоднородность напряжений зададим как результат действия на образцы 1 и 2 неодинаковых нагрузок Deltasigma'>>Deltasigma''. Пусть Deltasigma'=Deltasigma f1(m1, m2) и Deltasigma''=Deltasigma f2(m1,m2). Вид функции f1 и f2 зависит от выбора формы и взаимного расположения образцов. Будем считать, что образцы обмениваются только атомами кислорода. Тогда условие равновесия определяется равенством химических потенциалов атомов кислорода. До приложения нагрузки mu1=mu2=mu. Приложение нагрузки Deltasigma практически мгновенно выведет систему из равновесия, изменив mu1 на vDeltasigma', а mu2 --- на vDeltasigma'' (несущественным отличием действия одноосной и всесторонней нагрузки [1] мы здесь пренебрегаем). Нагруженный образец YBCO в процессе релаксации должен поглощать кислород [1]. В данном случае он будет поглощать кислород из менее нагруженного образца 2, в результате чего значения x изменятся на Delta x1 и Delta x2. Условие равновесия в нагруженной системе определяется равенством mu1=mu2. В линейном приближении mu1&=mu+vDeltasigma' +(dmu/d x)Delta x1, mu2&=mu+vDeltasigma''+(dmu/d x)Delta x2. Учтем, что Delta x1, 2=(d x/dsigma)Deltasigma1, 2, где Deltasigma1, 2 --- внутренние (виртуальные) нагрузки, равные, как нетрудно показать, ±Deltasigma(f1-f2)m2, 1/(m1+m2). Тогда, вводя обозначение (dmu/d x)(d x/dsigma)=-v, получим выражение Deltamu=mu1, 2-mu=v*Deltasigma, где v*=v(f1m1+f2m2)/(m1+m2) --- изменение объема системы при удалении атома кислорода. В случае f1=m2/m1, f2=m1/m2 коэффициент v* совпадает с v. Иной вид функций f1, f2 приводит к v*>v. Однако "гигантские" значения Deltamu линейное приближение объяснить не позволяет (кроме невозможного для YBCO случая, когда объем пор на несколько порядков превышает объем самого материала). Остается предположить, что mu нелинейно зависит от sigma. При этом коэффициент v=dmu/dsigma, постоянный в области sigma=< 107 Pa [1], с дальнейшим увеличением нагрузки должен возрасти на два-три порядка. Такое возрастание трудно связать с какими-либо фазовыми переходами, так как пришлось бы допустить, что поглощение одного атома кислорода вызывает переход в сотнях элементарных ячеек. Более вероятно, по нашему мнению, что это возрастание связано с перемещением дислокаций, явлением, которое может сопровождаться перемещением больших количеств материала. "Гигантские" Deltamu могут быть связаны в этом случае с "гигантскими" напряжениями в окрестностях точек закрепления дислокаций. Авторы благодарят М.С. Бреслера за полезные обсуждения.
  1. Ю.М. Гербштейн, Н.Е. Тимощенко, А.Д. Мурадов, А.Ж. Рахимбеков. ФТТ 39, 2, 185 (1997)

Подсчитывается количество просмотров абстрактов ("html" на диаграммах) и полных версий статей ("pdf"). Просмотры с одинаковых IP-адресов засчитываются, если происходят с интервалом не менее 2-х часов.

Дата начала обработки статистических данных - 27 января 2016 г.