Спосіб підвищення парамагнітних властивостей пара- та діамагнітних металевих монокристалів

Изобретение относится к области материалов для радиоэлектроники. Так, например, известно использование диа- и парамагнитных металлических сердечников (медь и алюминий) для регулирования величины индуктивности высокочастотных катушек радиоприемных и радиопередающих устройств. Большинство металлов имеют величину магнитной восприимчивости c~10 см /г более сильные парамагнетики хром, скандий, ниобий имеют c=2¸510-6 см 3/г. Парамагнетиком с максимальным значением восприимчивости является мэр-ганец, имеющий c~ 10*10-6см 3/г. Поскольку для технического использования желательно иметь парамагнитные металлы с весьма широким пределом значений магнитной восприимчивости, а также учитывая тр удности те хнического передела вышеуказанных металлов - сильных парамагнетиков, известны попытки воздействия на слабые парамагнетики с целью повышения их магнитных свойств. Так, в работе (Bluer F. Phys, Rev., 1930, 36, 978) исследовано влияние многократной закалки на магнитную восприимчивость алюминия и показано, что она уменьшается на30%. В работе(Дехтяр И.Я. и Михаленков B.C.. Влияние дефектов кристаллической решетки на магнитную восприимчивость парамагнитных металлов. ФТТ, 1963, 5, 2997) показано, чго закалка платины увеличивает ее c на 10%. Наиболее близким к нашему изобретению является способ повышения MB (Деря-гин А.И., Павлов В.А., Власов К.Б., Грубова СП. Влияние пластической деформации на парамагнитную восприимчивость монскристаллов молибдена. ФММ, 1971, 32, 1231). По этому способу монокристалл молибдена деформировали гидроэкструзией со степенью деформации от 0 до 80 % и измеряли магнитную восприимчивость при комнатной температуре в зависимости от степени деформации и величины магнитного поля, В зависимости от величины пластической деформации увеличивалось значение %, максимальное увеличение составило 400 % (в 4 раза). Недостатком этого способа является неполная реализация возможностей столь высоких пластических деформаций для повышения магнитных свойств, поскольку предварительные оценки показывают, что такие экстремальные воздействия могут приводить к существенно более высоким значениям магнитной восприимчивости. В основу нашего изобретения поставлена задача разработки нового способа изменения магнитных свойств металлов путем дополнительного активирующего воздействия на металл, которое предшествует де формации, для того, чтобы увеличить парамагнитную восприимчивость. Способ заключается в том, что деформации предшествуе т механическая обработка поверхности металла. В качестве такой обработки используется шлифо вка поверхности абразивными порошками с радиусом зерна в пределах 10 -*- 100 мкм. В результате такой обработки поверхность металла приобретает высокую концентрацию поверхностных дефектов -концентраторов напряжений, которые по теории хрупкого разрушения Гриффитса служат зародышами объемных микротрещин при приложении к образцу механической нагрузки. При деформации такого объекта в объеме возникают квазидвумерные микротрещины, т.е. возникают участки свободной ювенильной поверхности. Эти микротрещины практически не сообщаются с поверхностью, не подвержены воздействию внешней среды, что обуславливает высокую активность этих участков свободной поверхности и их высокую стабильность. Как известно, такие свободные поверхности являются источником электронов и ионов, что лежит в основе явления экзоэмиссии. Так, например, в работе (Крылова И.В. Новые физические и химические аспекты экзоэмиссии, XX Всесоюзная конференция по эмиссионной электронике. Киев, 1987, т.2, с. 203) экспериментально доказана связь растрескивания с электронно-ионной экзоэ-миссией. Увеличение парамагнитной восприимчивости шлифованных и деформированных монокристаллов, по-видимому, можно связать с магнетизмом свободных электронов, находящихся в трещинах. В данному случае парамагнетизм является результатом упорядоченной ориентации присущи х электронам спинорых магнитных моментов в направлении, параллельном внешнему намагничивающему полю. Таким образом, микротрещины с упорядоченными электронами можно рассматривать как фазу с аномально большим парамагнетизмом, распределенную в объеме матрицы с более низкими парамагнитными свойствами. Поэтому интегральная восприимчивость такого "композита" достигает весьма высоких значений. Предложенный способ позволит использовать в качестве материалов для радиоэлектроники значительно большее количество легкообрабатываемых и дешевых металлов, чем использующееся в настоящее время. На фиг.1 показаны полевые зависимости магнитной восприимчивости монокристаллов молибдена, подвергнутых де формации 80 %: 1 -исходный полированный недеформированный образец; 2 - полированный деформированный образец; 3 -образец перед деформацией шлифован абразивным порошком с размером зерна 5 мкм; 4-е размером зерна - 10 мкм; 5 -с размером зерна - 50 мкм; 6-е размером зерна - 100 мкм; 7-е размером зерна - 200 мкм; 8 прототип (Дерягин А.И., Павлов В.А., Власов К.Б, Грубова С.П. Влияние пластической деформации на парамагнитную восприимчивость монокристаллов молибдена. ФММ, 1971,32, 1231). На фиг.2 показаны полевые зависимости магнитной восприимчивости монокристаллов цинка, подвергнутых де формации 60 %: 1 -исходный полированный недеформированный образец; 2 полированный деформированный образец; 3 - образец перед деформацией шлифован абразивным порошком с размером зерен 5 мкм; 4-е размером зерен 10 мкм; 5-е размером зерен 50 мкм; 6-е размером зерен 100 мкм; 7-е размером зерен 200 мкм. На фиг.3 полевые зависимости намаг-ниченностей монокристаллов молибдена и цинка: 1 исходный полированный недеформированный образец цинка; 2 - образец молибдена; 3 - образец цинка перед деформацией 60 % шлифован абразивным порошком с размером зерна 50 мкм; 4 образец молибдена перед деформацией 80 % шлифован абразивным порошком с рззмером зерна 50 мкм. Пример t. Монокристалл молибдена чистоты 99,995 % разрезался на образцы размером 3,3x3,3x6 мм при помощи элек-троискрорежущего станка с водяным охлаждением образцов. Для снятия поверхностных повреждений образцы подвергались электролитической полировке в растворе серной кислоты в пропиловом спирте. Время обработки составляло 30 - 40 минут после чего образцы промывались в проточной воде. При этом удаляли слой толщиной 0,15 - 0,2 мм, полученные образцы обладали зеркальным блеском и имели размеры 2,9 х 3,0 х 5,6 мм. Образцы цинка готовились из монокристалла чистоты 99,995 %. Разрезание заготовки и приготовление ориентированных образцов в форме параллелепипеда размером 2,2x2,2x6 мм осуществляли с помощью установки для химической ориентированной резки с использованием водного раствора соляной кислоты. Так как при химической резке поверхностный слой механически не повреждается, то химическая полировка в водном растворе хромового ангидрида с добавкой сернокислого натрия производилась до получения зеркального блеска для снятия окисленного слоя. Время операции составляло 10-15 мин, а толщина снятого слоя 0,05 + 0,1 мм. Процедура деформирования была одинаковой для молибдена и цинка. Образцы подвергались деформации сжатием в режиме свободной осадки в направлении для молибдена и для цинка. После деформации образец сохранял целостность, не растрескивался. Степень деформации рассчитывалась по отношению толщин образцов до и после деформации. Для молибдена она составляла ~ 80 %, для цинка - 60 %. Магнитн ую восприимчивость измеряли по методу Фарадея на магнитных весах с ввтокемпенеацивй, Метод основан ні измерении механической силы, которая действу ет на образец, помещенный в неоднородное магнитное поле. Исследуемый образец помещается непосредственно в область максимального градиента поля и размер образца выбирается таким, чтобы в его объеме градиент поля существенно не изменялся. Для определения восприимчивости используется вещество с известной магнитной восприимчивостью. Если исследуемый образец и эталон помещать в одну и ту же область поля, to отношение их восприимчи-востей оказывается пропорциональным отношению сил, действующи х на эталон и образец: где c,c0~ магнитные восприимчивости образца и эталона; m,m 0 - массы -"- -"- -"h, h0 - силы, действующие на образец и эталон. В данной установке в качестве силы, действующей на образец, измеряется ток, компенсирующий отклонение образца при изменении магнитного поля. На фиг. 1 на кривой № 1 представлены результаты измерения зависимости магнитной восприимчивости от поля для исходного полированного образца молибдена. Видим, что MB от поля не зависит и дает табличное значение 7,9 см 3/г/ч. (Киттель. Введение в физику твердого тела. М., Наука, 1978). На фиг.2 (кривая № 1) представлена полевая зависимость MB исходного образца цинка. Здесь MB также не зависит от поля и восприимчивость дает значение - 1,6 см /г, что соответствует величине, приведенной в кн.; Славинский М.П. Физико-химические свойства элементов. М., 1952). После деформации указанным выше способом образцы обнаружили отклонения по сравнению с недеформированными. И цинк (фиг.2, кривая 2) и молибден (фиг,1, кривая 2) обнаруживают монотонно убывающие зависимости, причем цинк изменяет знак восприимчивости с отрицательного ма положительный. Молибден в полях > 3,5 кЭ возвращается к первоначальному значению. Максимальные значения X, достигн утые при этом 1,3-10-6 см /г для молибдена и 2,0 –10-7 см 3/г для цинка. Таким образом мы видим, что на полированных образцах даже при экстремальных деформациях не достигается заметного увеличения парамагнитной восприимчивости. Пример 2, Методика приготовления образцов монокристалов молибдена и цинка, включая получение зеркальной поверхности, а также деформирование и измерение магнитной восприимчивости полностью совпадают с приведенными в примере 1. Но перед деформацией в качестве активирующей механической обработки поверхности использовали шлифовку образцов алмазным или корундовым порошком с размером зерна 5 мкм Время обработки каждой из граней составило 5 -8 мин для молибдена и 3 - 4 мин для цинка. В результате шлифовки получалась однородная серая матовая поверхность без зеркального блеска. На фиг.1 (для Mo) и фиг.2 (для Zn) (кривые 3) приведены полевые зависимости образцов, которые шлифовались порошком 5 мкм перед деформацией. Эти кривые полностью совпадают с кривыми 2 (фиг.1 и фиг.2) для полированных образцов, что, по-видимому, свидетельствуе т о недостаточном размере зародышей микротрещин, образовавшихся при шлифовке. Таким образом, предварительная шлифовка абразивным порошком 5 мкм не приводит к заметному увеличению парамагнитной восприимчивости после деформации. Пример 3. Методика приготовления образцов молибдена и цинка, включая получение зеркальной поверхности, а также деформирование и измерение магнитной восприимчивости полностью совпадают с приведенными в примере 1. Шлифовка, предшествующая де формации, осуществлялась алмазным и корундовым порошками с размером зерна 10 мкм. Обработке подвергались все грани до получения однородной поверхности без зеркального блеска. Время шлифовки составило 10 - 15 мин для образцов цинка и 25 - 30 мин для монокристаллов молибдена. Как и в примере 2 отличия для порошков алмаза и корунда одинаковой дисперсности выявлено не было. Полевые зависимости MB для образцов, подвергнутых такой обработке - это кривые № 4 на фиг.1 для молибдена и фиг.2 для цинка. Как видно из рисунка, оба металла значительно увеличили магнитную восприимчивость. Кроме того, появилась ее зависимость от магнитного поля. Эта зависимость имеет вид так называемой кривой Столетова, характерной для ферромагнитных веществ. Максимум восприимчивости для молибдена составляет 8,4*10-6 см /г в поле 400 Э, а для цинка 4,5 * 10-6 см 3/г в поле 750 Э. Пример 4. Методика приготовления образцов молибдена и цинка, включая получение зеркальной поверхности, а также деформирование и измерение магнитной восприимчивости полностью совпадают с приведенными в примере 1. Шлифовка, предшествующая де формации, осуществлялась алмазным и корундовым порошками с размером зерна 50 мкм. Обработка производилась на всех гранях до получения однородной поверхности без зеркального блеска. Время шлифовки составило 10-15 мин для образцов цинка и 25 - 30 мин для образцов молибдена. Как и в примерах 2, 3 для порошков алмаза и корунда одинаковой дисперсности отличий не наблюдалось. Рассматривая кривые 5 на фиг.1 для молибдена и на фиг.2 для цинка, обнаруживаем, что такая предварительная обработка приводит к максимальному изменению восприимчивости как для молибдена, так и для цинка. Максимальное значение восприимчивости молибдена равно 9,6*10-6 см 3/г, в магнитном поле 400 Э, что в 12 раз превышает восприимчивость недеформирован-ного образца и в 4 раза превосходит максимальное значение для прототипа при том же значении поля (кривая 8 на фиг.1). Для цинка восприимчивость достигла значения 7,6*10"6 см 3/г в поле 650 Э. Таким образом, предложенная обработка превращает цинк из слабого диамагнетика в парамагнетик с высоким значением магнитной восприимчивости. Для сравнения на фиг.3 приведены намагниченности молибдена (2 - недеформированный образец, 4 - образец, деформированный после шлифовки абразивным порошком 50 мкм) и цинка (1 - недеформированный образец, 2 - образец, деформированный после шлифовки). Намагниченность деформированных образцов, в исследованной области полей имеет нелинейный возрастающий характер. Это свидетельствуе т о том, что насыщение для дополнительного парамагнетизма, возникающего за счет электронов в трещинах, еще не достигнуто. Таким образом, режим обработки, приведенный в этом примере, является оптимальным для достижения максимальных значений магнитной восприимчивости. Пример 5. По способу приготовления, обработке и основным результатам этот пример повторяет пример 3. Отличительной чертой является дисперсность абразивного порошка, которая в данном случае составила 100 мкм. Кроме того, имеет место незначительное различие в максимально достигнутых значениях восприимчивости. В этом примере для молибдена cmах=8,7*10-6 см 3/г, для цинка c max=3.8*10-6см 3/г. Пример 6. Подготовка образцов молибдена и цинка отличается от предыдущи х случаев только дисперсностью абразивного порошка. В этом примере размер зерна составил 200 мкм. Как и в предыдущих случаях, природа абразивного порой-ка никакой роли не играет. Кривые 7 на 'фиг. 1 для молибдена и на фиг.2 для цинка соответствуют образцам, которая перед деформацией шлифовались абразивным порошком 200 мкм. Видно, что увеличение восприимчивости значительно уступает тому, которое было получено в примерах 3-5. Для цинка наблюдается слабо-выраженный максимум со значением c =8*10-7см 3/г в поле 1,25 кЭ. Молибден максимума не обнаруживает и полепая зависимость его магнитной восприимчивости представляет собой монотонно убывающую кривую, которая в полях >4 кЭ стремится к значению недеформировянного образца.